DE2615439A1 - Thermische kraftwerksanlage mit druckluftspeicher - Google Patents

Thermische kraftwerksanlage mit druckluftspeicher

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    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
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Description

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W/Ca
15.3.1976
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Thermische Kraftwerksanlage mit Druckluftspeicher
Die Erfindung betrifft eine thermische Kraftwerksanlage, welche während der Schwachlastzeit mit der überschüssigen Energie Druckluft erzeugt, die in einem Speicher gesammelt und bei Spitzenzeit zwecks Erzeugung zusätzlicher Energie wieder entnommen wird.
In neuerer Zeit werden Druckluftspeicher im Zusammenhang .mit thermischen Kraftwerken zur Spitzendeckung projektiert. Kernkraftwerke z.B. können über Nacht nicht abgestellt werden, so dass während der Schwachlastzeit überschüssige Energie vorhanden ist, die in geeigneter Weise gespeichert und zur Spitzendeckung herangezogen wird. Wo Wasser vorhanden ist und grössere Höhenunterschiede bestehen, wird man hydraulische
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Pumpspeicherwerke bauen, wie dies seit langem getan wird. In der Ebene wäre dies nur mit grösseren Unkosten möglich, sofern es geologisch überhaupt realisiert werden könnte. In einem solchen Faille ist ein Druckluftspeicher die richtige Lösung. Bei diesem wird, wie es beispielweise aus Brown Boveri Mitteilungen 62, (1975) S. 332 ... 337, bekannt ist, während der Schwachlastzeit Luft verdichtet und in einer unterirdischen Kaverne gespeichert. Zur Deckung der Tagesspitze wird die Druckluft der Brennkammer einer Gasturbinenanlage zugeführt und die so gespeicherte Energie in elektrische Energie umgewandelt. Diese Anlagen benötigen Brennstoff edler Qualität, dessen Kosten stark ins Gewicht fallen. In Europa betragen sie etwa gleich viel oder sogar noch mehr als die gesamten übrigen Betriebskosten der Kraftzentrale.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer thermischen Kraftwerksanlage die Vorteile auszunützen, die ein Druckluftspeicher bietet, ohne an einen Brennstoff grosser Reinheit gebunden zu sein.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass die Druckluft nach einer Erhitzung ohne Brennstoffzugabe als Arbeitsgas eine Heissluftturbine treibt.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung besteht darin, dass Wasserdampf zur Erhitzung der Druckluft dient.
Druckluft, die nötigenfalls vor ihrer Verdichtung noch filtriert werden kann, ist ein ideales Arbeitsgas. Bei gleichen Betriebskennwerten ist sie den Verbrennungsgasen einer Brennkammer gleichwertig, doch ist sie absolut sauber, so dass keine Erosions- oder Korrosionsprobleme auftreten. Darüber hinaus ist sie im Hinblick auf Umweltbelastung das am besten geeignete Arbeitsmittel.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und werden anschliessend näher erläutert. Für das Verständnis der Erfindung unnötige Details sind dabei weggelassen. In allen Figuren sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
Fig. 1 die Erhitzung der Druckluft durch einer Dampfturbine entnommenen Wasserdampf,
Fig. 2 die Erhitzung der Druckluft durch Wasserdampf, der durch elektrische Energie erzeugt wird,
Fig. 3 die direkte Erhitzung der Druckluft durch elektrische Energie.
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Nach Fig. 1 wird die Luft vom mehrteiligen Verdichter 1 aus der Umgebung angesaugt und z.B. bis auf 60 bar verdichtet. Hierauf wird sie im Nachkühler 2 auf etwa 30 C rückgekühlt, bevor sie über die Druckleitung 3 dem Speicher 1J zuströmt. Das Absperrventil 5 in der Leitung 3 ist während dieser Zeit geöffnet.
Zur Umsetzung der in der Druckluft gespeicherten Energie in elektrische Energie wird das Ventil 5 geschlossen und das Absperrventil 6 in der Leitung 7, die zur Heissluftturbine 8 führt j geöffnet. Im Wärmetauscher 9, der in die Zuführleitung 7 eingeschaltet ist, wird die Luft erhitzt, bevor sie in die Turbine 8 eintritt, der sie nun als Arbeitsgas dient. Nach dem Hochdruckteil der Heissluftturbine 8 kann ein weiterer Wärmetauscher 10 vorgesehen sein, in welchem die teilweise entspannte Druckluft zwischenerhitzt wird, bevor sie im Niederdruckteil der Turbine 8 auf den Umgebungsdruck entspannt wird.
Ueber die beiden ausrückbaren Kupplungen 11 ist das Aggregat 12 einerseits mit der Heissluftturbine 8, andrerseits mit dem Verdichter 1 verbunden. Bei Schwachlastzeit, also hauptsächlich nachts, ist die Kupplung zur Turbine 8 geöffnet und die Kupplung zum Verdichter 1 geschlossen. Das Aggregat 12 läuft
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als Motor und treibt den Verdichter an, welcher Druckluft in den Speicher 4 fördert. Bei Spitzenzeit ist die Kupplung zur Turbine 8 geschlossen und die Kupplung zum Verdichter 1 geöffnet ; das Aggregat 12 läuft als Generator und gibt elektrische Energie an das Netz ab.
Die beiden Wärmetauscher 9 und 10 sind dampfbeheizt. Der dafür benötigte Dampf wird einer Dampfturbinenanlage entnommen, die im wesentlichen aus dem Dampferzeuger 13, der mehrteiligen Dampfturbine I1I, dem Kondensator 15 und dem von der Dampfturbine getriebenen Generator 16 besteht. Während der Spitzenzeit wird im Punkte 17 Anzapfdampf entnommen und bei geöffnetem Ventil 18 über die Leitung 19 den Wärmetauschern 9 und 10 zugeführt. Bei Nacht ist das Ventil 18 geschlossen und der Generator 16 der Dampfturbinenanlage gibt seine Energie teilweise oder gänzlich an das Aggregat 12 ab.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass sie wenig Aufwand benötigt und deshalb billig ist. Sie hat aber den Nachteil,· dass gerade während der Spitzenzeit, wenn die grösste Leistung benötigt wird, Dampf aus der Dampfturbinenanlage entnommen und dadurch deren Generatorleistung verkleinert wird.
Soll diese Leistungsreduktion der Dampfturbinenanlage ver-
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mieden werden, so kann in die Anzapfleitung 19 der Dampfspeicher 20 und in Strömungsrichtung nachfolgend das Ventil 21 eingeschaltet werden. Statt des DampfSpeichers kann ebenso ein Heisswasserspeicher, z.B. ein Ruthsspeicher, verwendet werden. Während der Schwachlastzeit treibt die Dampfturbinenanlage nicht nur den Verdichter 1 elektrisch über das Aggregat 12 an, sondern es wird auch noch zusätzlich der Speicher 20 von der Dampfturbine aufgeladen. Zur Spitzenzeit wird dann vom Speicher 20 der Dampf für die Wärmetauscher 9 und geliefert. Auf diese Weise steht zur Spitzenzeit nicht nur die volle Leistung der Heissluftturbine 8, sondern auch die volle Dampfturbinenleistung zur Verfügung.
Eine Variante zu der beschriebenen Anlage besteht darin, dass das Aggregat 12 keine Verbindung mit dem Verdichter aufweist. Es dient dann nur als Generator für die Heissluftturbine 8, und der Verdichter wird z.B. direkt von der Dampfturbine I1I angetrieben, von der er dann natürlich abkuppelbar sein muss.
Eine andere Möglichkeit für die Dampferzeugung zur Erhitzung der Druckluft zeigt die Fig. 2. Von der Umwälzpumpe 22 wird Wasser aus dem Behälter 23 in den Heisswasserspeicher 2k gefördert, wo es durch die elektrische Heizung 25 verdampft und den Wärmetauschern 9 und 10 zugeführt wird. Der kondensierte
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Dampf strömt über die Rücklaufleitung 26 wieder in den Behälter 23 zurück.
Statt einem separaten Behälter 23 kann das kalte Kondeensat auch direkt dem unteren Teil des Heisswasserspeichers 24 zugeführt werden. Nur nebenbei sei noch erwähnt, dass anfallende Prozesswärme, z.B. von der Zwischenkühlung des Verdichters, zur Vorwärmung des Wassers ausgenützt werden kann.
Selbstverständlich kann statt dem Heisswasserspeicher auch ein Dampfspeicher, z.B. jener in Fig. 1, bei Nacht mit elektrischer Energie aufgeheizt werden. Die Nachtenergie der Grundlastanlage wird in diesem Fall nicht nur für die Verdichtung der Luft, sondern auch noch für die Aufladung des DampfSpeichers benützt.
Ein anderer Konzept liegt der Anlage nach Fig. 3 zugrunde. Die Wärmetauscher 9 und 10 werden nicht mit Dampf, sondern direkt mit elektrischer Energie aus dem Netz 27 aufgeheizt. Abgesehen von gewissen Schwierigkeiten bei der Ausbildung des Wärmetauschers hat auch diese Anlage den Nachteil, dass gerade dann, wenn Spitzenlast zu decken ist, aus dem Netz elektrische Energie für die Erhitzung der Druckluft ent-
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nommen wird. Trotzdem ergibt sich ein Gewinn, denn die mit der Druckluft zur Verfügung stehende Energie wird während der Schwachlastzeit gewonnen.
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Claims (6)

  1. 31/76
    Patentansprüche
    l.J Thermische Kraftwerksanlage, welche während der Schwachlastzeit mit der überschüssigen Energie Druckluft erzeugt, die in einem Speicher gesammelt und bei Spitzenzeit zwecks Erzeugung zusätzlicher Energie wieder entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckluft nach einer Erhitzung ohne Brennstoffzugabe als Arbeitsgas eine Heissluftturbine (8) treibt.
  2. 2. Kraftwerksanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wasserdampf zur Erhitzung der Druckluft dient.
  3. 3. Kraftwerksanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der bei Spitzenzeit einer Dampfturbine (I1I) entnommene Anzapfdampf zur Erhitzung dient.
  4. 4. Kraftwerksanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Erhitzung der Druckluft bestimmte Wasserdampf in einem Dampfspeicher (20) oder in einem Heisswasserspeicher (24) gespeichert ist.
  5. 5. Kraftwerksanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
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    dass elektrische Energie zur Aufheizung des Wasserdampfes im Dampfspeicher (20) bzw. des Wassers im Heisswasserspeicher (24) dient.
  6. 6. Kraftwerksanlage nach Anspruch I3 dadurch gekennzeichnet, dass elektrische Energie zur direkten Erhitzung der aus dem Speicher (4) entnommenen Druckluft dient.
    BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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