DK143420B - Anlaeg til akkumulering af energi i et elektrisk forsyningsnetved hjaelp af trykluft og til genudnyttelse af energien - Google Patents

Description

|j| (12) FREMLÆGGELSESSKRIFT a,, 11+3420 B

(19) DANMARK

DIREKTORATET FOR PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET

(21) Ansøgning nr. 5928/75 (51) fntCt.3 F 02 C 6/18 (22) indleveringsdag 2. sep. 1975 ^*®^BA9/02 (24) Løbedag 2. s ep. 1975 (41) Aim. tilgængelig 17· roar. 1976 (44) Fremlagt 17. aug, 1981 (86) International ansøgning nr. “ (86) International indleveringsdag -(85) Videreførelsesdag -(62) Stamansøgning nr. ~

(30) Prioritet 1 6. sep. 197^* 125βΐ/74* CH 16. Jul. 1975* 09295/75^ CH

(71) Ansøger SULZER BROTHERS LIMITED* Winterthur* CH.

(72) Opfinder Rene £>trub* CH.

(74) Fuldmægtig Civilingeniør M.Gregersen.

(54) Anlæg til akkumulering af energi i et elektrisk forsyningsnet ved hjælp af trykluft og til genudnyt= telse af energien.

Opfindelsen angår et anlæg til akkumulering af energi i et elektrisk forsyningsnet ved hjælp af trykluft og til genudnyttelse af energien og af den i krav l's indledning angivne art.

q Akkumuleringsanlæg af denne art er i udførelser uden omføringsled- 3 ninger kendt fra fransk offentliggørelsesskrift nr. 2 125 377 og engelsk patentskrift nr. 1 042 501 og tjener i hovedsagen til øjeblikkelig udlig- 0 ning af hurtigt stedfindende belastningsændringer i store elektriske for-ί* 1 syningsnet, indtil ydelsen af grundbelastningsværker kan tilpasses til en ændret belastningssituation. Under starten af sådanne anlæg til akkumule- ^ ringsdrift har den luft, der af kompressorgruppen endnu ikke er komprimeret til akkumuleringstryk, hidtil gennem drøvleorganer måttet blæses ud i det fri, hvad der førte til utilladelig belastning af omgivelserne med 2 143420 støj .

Uden sammenhæng med de nævnte akkumuleringsanlæg og de for dem særegne problemer kendes der fra tysk fremlæggelsesskrift nr.

1 030 967 kompressoranlæg, ved hvilke de enkelte kompressorer i en kompressorgruppe har hver sin omføringsledning, der fra kompressorens udløbsside over en mellemkøler og et drøvleorgan er ført tilbage til kompressorens indløbsside. For lavtrykkompressoren er denne ledning derved forbundet med den efter lavtrykkompressoren følgende mellemkøler, idet drøvleorganet er indskudt efter denne. Ved dette kendte anlæg kan man undgå den ovenfor omtalte støj, men en reduktion af startog navnlig af tomgangsydelsen kan ikke opnås i en sådan udstrækning, at kompressorerne ved de her omhandlede akkumuleringsanlæg kan løbe med i tomgang uden for afladningstiden, uden at der opstår væsentlige tab Og dermed en uheldig påvirkning af virkningsgraden. Hvis det er muligt at lade kompressorerne løbe med, bortfalder først og fremmest det vanskelige problem med kompressorernes tilkobling til de øvrige maskiner i anlægget under drift.

Den foreliggende opfindelse tager sigte på at angive et akkumuleringsanlæg af den her omhandlede art, ved hvilket den betydelige ydelsesoptagelse, der også forekommer ved det nævnte kendte kompressoranlæg under start- og tomgangsdrift, er undgået, og dette opnår man ifølge opfindelsen ved, at anlægget er udformet som angivet i krav l's kendetegnende del.

Ved denne udformning opnår man, at den kompression af luften, der er opnået i den forudgående kompressor, og som under start og under tomgang er uønsket på disse driftstider, på grund af drøvleorganet i driftsledningen bliver udlignet før indstrømningen i den næste kompressor, så at også denne efterfølgende kompressor under de nævnte driftstilstande suger til fra et meget lavt niveau. Dette niveau er under tomgang afhængig af strømningsmodstanden i omføringsledningen og svarer - når størrelsen af denne modstand er forsvindende lille -til indsugningsniveauet for kompressoren for det laveste tryk.

Ved hjælp af det nævnte drøvleorgan i anlægget ifølge opfindelsen er det således muligt at nedsætte den påkrævede ydelse til start og til at bringe kompressorerne op på fuld omløbstal og til en længere drift under tomgang til en meget lille del af kompressorydelsen.

Ved udformning af anlægget som angivet i krav 2 kan man yderligere 3 143420 opnå en nedsættelse af den ydelse, som kompressorgruppen optager under start og tomgang, idet lavtrykskompressoren herved under tomgang kommer til at arbejde ved et tryk, der ligger under atmosfæretrykket, hvad der giver en betydelig nedsættelse af den optagne ydelse under tomgang.

En yderligere sænkning af den optagne ydelse i anlægget under start og tomgang kan man opnå, når anlægget er udformet som angivet i krav 3, idet drøvleorganet efter mellemtrykskompressoren virker hertil på samme måde som drøvleorganet i driftsledningen efter lavtrykskompressoren.

Opfindelsen forklares nærmere under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser en første udførelsesform for anlægget med kompressorer i to trin, fig. 2 en lignende udførelsesform, ved hvilken mellemkøleren er indskudt på en anden måde, fig. 3 en udførelsesform for anlægget med kompressorer i tre trin, og fig. 4 en lignende udførelsesform med en noget ændret indskydelse af mellemkølerne.

De i fig. 1 til 4 viste energiakkumuleringsanlæg tjener til udligning af hurtigt opstående og kortfristede belastningssvingninger i et elektrisk forsyningsnet 1, der på tegningen kun er antydet skematisk. Sådanne net er ved hjælp af en ledning 2 forbundet med en elektrisk maskine EM i akkumuleringsanlægget. Ved energiakkumulering virker den elektriske maskine som motor og ved afgivelse af akkumuleringsenergi som generator. Over en kobling 3 er den nævnte elektriske maskine EM i stilstand udløseligt forbundet med en kompressor-gruppe 4. Denne tjener til kompression af luft, der tilsuges gennem en tilførselsledning 5 fra atmosfæren, og som i komprimeret tilstand gennem en ledning 6 føres ind i et akkumuleringsrum S. Akkumuleringsrummet S kan f. eks. være dannet af et naturligt eller et kunstigt frembragt hulrum i jorden eller i et bjerg. Ved mindre anlæg kan man også anvende trykluftbeholdere. Til akkumuleringen anvendes der tryk på 30 til 50 at eller endnu mere, f. eks. indtil 100 at. Den e-lektriske maskine EM er desuden ved hjælp af en kobling 7 forbundet ind-og udkobleligt med en gasturbine GT. Ved kobling som generator kan den elektriske maskine EM overføre energi fra den akkumulerede trykluft til forsyningsnettet 1. Gasturbinen GT får gennem en ledning 8 tilført trykluft fra akkumuleringsrummet S, og denne trykluft tjener hensigtsmæssigt 4 143420 først i et forbrændingskammer 9 til frembringelse af stærkt ophedede gasser til at forøge den energi, der kan tilføres til nettet fra en gasturbine. Spildegasserne fra gasturbinen går gennem en afgangsledning 10 ud i det fri. Akkumuleringsrummet S er fordelagtigt ved hjælp af en ledning 11, fig. 1 og 2, forbundet med en højere liggende, naturlig eller kunstig vandansamling 12. Derved bliver det muligt at holde akkumuleringstrykket praktisk talt konstant indtil fuldstændig afladning. Akkumuleringstrykket svarer til højdeforskellen mellem vandspejle 0 og U i henholdsvis vandansamlingen 12 og akkumuleringsrummet S.

Kompressorgrupperne 4 i akkumuleringsanlæggene, fig. 1 og 2, har en lavtrykskompressor ND og en højtrykskompressor HD. Lavtrykskompressoren er udstyret med indstillelige ledeskovle 13 med en indstillingsmekanisme 13a. De indstillelige ledeskovle bidrager til en passende indstilling af transportydelsen og af den af kompressorgruppen optagne drivydelse. Til køling af den luft, der strømmer til højtrykskompressoren HD, tjener en mellemkøler 14.

Når kompressorgruppen 4, fig. 3 og 4, har tre trinkompressorer ND, MD og HD, er der mellem lavtrykskompressoren ND og mellemtrykskompressoren MD og endvidere mellem mellemtrykskompressoren MD og højtrykskompressoren HD indskudt en mellemkøler henholdsvis 24 og 25, der over driftsledninger henholdsvis 43 og 36 samt 46 og 42 er forbundet med kompressorerne i tryktrinnene.

En transportledning 20 i kompressorgruppen 4 er over et kontraorgan 21 tilsluttet til ledningen 6 til akkumuleringsrummet S. Kontraorganet 21 er lukket under start og tomgang og åbner først, når trykket i akkumuleringsrummet S bliver overskredet i transportledningen 20, så at en opladning af akkumuleringsrummet kan begynde.

I alle udførelseseksempler i fig. 1 til 4 er transportsiden af lav-trykskonpressoren ND over en tilbageføringsledning henholdsvis 18 og 32 forbundet med indløbet til lavtrykskompressoren ND. I tilbageføringsledningerne 18 og 32 er der indbygget drøvleorganer henholdsvis 19 og 28. Desuden er udløbsenden fra højtrykskompressoren HD, fig. 1, 3 og 4 over en fra transportledningen 20 afgrenet tilbageføringsledning henholdsvis 22 og 31 og et drøvleorgan 23, fig. 1, eller 30, fig. 3 og 4, ligeledes forbundet med mellemkøleren henholdsvis 14 og 25. Denne er over en driftsledning 42 forbundet med indløbet til højtrykskompressoren HD.

Ved start og under tomgang for kompressorgruppen 4 opretholdes der ved hjælp af lavtrykskompressoren ND og de tilhørende drifts- og tilbageføringsledninger henholdsvis 16, 18, fig. 1 og 2, samt 43 og 32, fig. 3 og 4, ved hjælp af hvilke ledninger indløbet og udløbet på lavtrykskompressoren ND er forbundet med hinanden, et kredsløb, der er kølet ved 5 143420 hjælp af mellemkøleren henholdsvis 14, fig. 1 og 2, og 24, fig. 3 og 4. Dette kredsløb er nødvendigt for at sikre en køling ved minimal sugeydelse fra lavtrykskompressoren ND. Drøvleorganerne 17 og 26 overtager herved den ovenfor beskrevne funktion til nedsættelse af trykket i den af lavtrykskompressoren ND under de nævnte driftstider transporterede luft.

Under overgang fra normaldrift, d.v.s. ladedrift af anlægget, til tomgangsdrift og omvendt regulerer drøvleorganerne henholdsvis 17 og 26 samt 19 og 28 det af lavtrykskompressoren ND transporterede mængder Og de derved opnåede tryk og sikrer således en friktionsfri overgang fra den ene til den anden driftsmåde. Endelig tjener drøvleorganerne henholdsvis 19 og 28 til afspærring af tilbageføringsledningen henholdsvis 18 og 32 under normaldrift.

Ved udløbet fra mellemtrykkompressoren MD opfylder drøvleorganet 27 i driftsledningen 46 samme opgave som drøvleorganet 17 og 26 i driftsledningen henholdsvis 16 og 43. Desuden kan der gennem mellemtrykkom-pressorerne MD ved hjælp af drifts- og omføringsledningerne 46, 35, 36, fig. 3 og 4, og drøvleorganerne 27 og 29 på samme måde opretholdes regulerede og ved hjælp af mellemkølerne 25 eller 24, fig. 3 og 4, kølede kredsløb til yderligere nedsættelse af start- og tomgangsydelsen og til regulering af overgang fra den ene driftsmåde til den anden.

Tilbageføringsledningerne 22 og 31 med drøvleorganerne henholdsvis 23 og 30 giver sammen med transport- eller driftsledningen henholdsvis 20 og 42 og mellemkølerne 14 og 25 samt endekøleren 45 kølekredsløb til høj trykskompressorerne HD. Ved hjælp af disse kredsløb opnås der også for disse delkompressorer et minimum i start- og i tomgangsydelse og en regulering ved overgang fra den ene driftsmåde til den anden.

Er drøvleorganerne 19 og 28 eller 29 i omførings- og tilbageføringsledningerne henholdsvis 18 og 32 eller 35 fuldstændig åbnet under tomgang og under start, så at strømningsmodstanden i disse ledninger er næsten forsvindende lille, er det på denne måde muligt også ved mellem-trykkompressorerne under start og under tomgang praktisk talt at fremtvinge det indsugningstryk, der findes ved indløbet til lavtrykskompressoren ND.

Tomgangsydelsen bliver for største delens vedkommende ved kompression, ved turbulens på drøvlestederne og ved friktion omdannet til varme, der bliver bortført gennem mellemkølerne. Kompressorgruppen kan således uden betydelige tab stadig holdes i drift med fuldt omløbstal, så at akkumuleringsanlægget, når der opstår en mangel på ydelse i det elektriske net, på meget kort tid er parat til energifrembringelse.

Ved en yderligere lukning af afspærringsorganet 15 kan i det mind- 6 143420 ste trykket i kredsløbet gennem lavtrykskompressoren ND sænkes ned under atmosfæretryk. Den trykstigning, der indstiller sig i lavtrykskompressoren ND, afhænger i dette tilfælde af det luftvolumen, der er indsuget gennem læksteder i pakdåse-labyrinten. Navnlig ved indløbet til lavtrykskompressoren ND indstiller der sig således et betydeligt undertryk. Ved dette undertryk, der - som allerede nævnt - eventuelt ved trykudligning gennem tilbageførings- og omføringsledningerne 18, 35 i det mindste i vidt omfang også kan opretholdes foran de efterfølgende delkompressorer MD og HD, kan den ydelse, der skal præsteres ved indløbet til kompressorgruppen, sænkes meget stærkt og kun beløbe sig til en ubetydelig brøkdel af hele kompressor-ladeydelsen, idet den i undertryksområdet gennem pakdåserne indsugede luft atter undviger gennem pakdåserne i de trin, der arbejder over atmosfæretryk.

Til en overgang fra tomgangsdrift til akkumulatorladning kan gasturbinen GT ved hjælp af koblingen 7 løskobles fra den elektriske maskine EM,og kompressorgruppen bringes til transportdrift ved åbning af drøv-.leorganerne 17, 26 og 27 og afspærringsorganet 15 og ved lukning af drøv-leorganer 19, 23, 28, 29 og 30 i om- og tilbageføringsledningerne 18, 22, 31, 32 og 35. Derved vil svarende til kompressionsydelsen, der forøges, også den fra forsyningsnettet 1 gennem ledningen 2 til den elektriske maskine EM tilførte energi tiltage.

Efter fuldstændig opladning af akkumuleringsanlægget kan man atter - ved indstilling af de ovenfor omtalte organer - gå tilbage til tomgangsdrift af kompressoranlægget. Derved holdes kompressorgruppen alene på omløbstallet ved hjælp af den elektriske maskine. Gasturbinen GT forbliver i stilstand.

Opstår der i forsyningsnettet 1 en mangel på ydelse, kan gasturbinen GT på meget kort tid accellereres op til driftsomløbstal, og når det synkrone omløbstal opnås, kobles den ved hjælp af koblingen 7 med den elektriske maskine. Ved en forøgelse af gasturbinens ydelse tilføres der energi fra den elektriske maskine til forsyningsnettet. På grund af den lille tomgangsydelse af kompressorgruppen behøver denne gruppe heller ikke under udladningsdrift af akkumuleringsanlægget at løsgøres fra den elektriske maskine, så at den allerede er parat til den efter afslutning af udladningsdriften atter nødvendige udvidelse af akkumulatorladningen med synkront omløbstal. Det kan i vidt omfang med en passende afstemning af indstillingen af drøvleorganerne forhindres, at kompressorerne på den ene side går ind i pumpeområdet eller på den anden side ind i det område, hvor der transporteres store luftmængder uden trykforøgelse. Hertil kan også en passende indstilling af ledeskovlene i lavtrykskompressoren ND bidrage.