EP1485591A1 - Druckluftenergiespeicheranlage mit warmhaltesystem - Google Patents

Druckluftenergiespeicheranlage mit warmhaltesystem

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Publication number
EP1485591A1
EP1485591A1 EP03714943A EP03714943A EP1485591A1 EP 1485591 A1 EP1485591 A1 EP 1485591A1 EP 03714943 A EP03714943 A EP 03714943A EP 03714943 A EP03714943 A EP 03714943A EP 1485591 A1 EP1485591 A1 EP 1485591A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
power transmission
compressed air
valve arrangement
energy storage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03714943A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Keller-Sornig
Edoardo Mazza
Bozidar Seketa
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP1485591A1 publication Critical patent/EP1485591A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/08—Heating air supply before combustion, e.g. by exhaust gases
    • 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
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/14—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads
    • F02C6/16—Gas-turbine plants having means for storing energy, e.g. for meeting peak loads for storing compressed air
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/16—Mechanical energy storage, e.g. flywheels or pressurised fluids

Definitions

  • This invention relates to a compressed air energy storage system (CAES) and a system for keeping the power transmission of the CAES system warm, in particular the rotor of the power transmission during standby mode.
  • CAES compressed air energy storage system
  • CAES systems store energy through compressed air in a cavern outside of peak times. Electrical energy is generated at peak times by directing compressed air from the cavern to one or more turbines.
  • the power transmission includes at least one combustion chamber that heats the compressed air to an appropriate temperature.
  • a CAES unit can be started several times a week to cover energy needs during peak periods. In order to meet the power requirement, the ability of the power transmission to start up quickly is imperative to meet the requirements in the energy supply market. Fast load ramps during start-up, however, expose the power transmission to high thermal loads due to heat compensation processes. This can have an impact on the service life of the power transmission, since the service life decreases with increasing heat compensation processes.
  • the power transmission is exposed to heat loss and temperature compensation in the components through heat conduction. An inflow of cold air through the rotor seals contributes significantly to the heat loss. The longer the readiness lasts, the lower the temperatures of the components and the greater the thermal loads during start-up.
  • the power transmission consists of two gas turbines with a high and
  • the turbines are arranged on a single shaft.
  • the power transmission is equipped with a standby gasification burner, which is arranged upstream of the high pressure turbine.
  • the standby gasification burner is operated in a continuous or discontinuous mode depending on the high pressure housing temperature. This maintains a minimum temperature of the housings, rotor, fixed and moving blades, and other components during standby obtained, and the heat loads during start-up are reduced.
  • the standby burner is suitable for preventing an undesired cooling down of the power transmission.
  • operating a standby gasification burner for this purpose has the following disadvantages:
  • the purge process removes heat from the turbine. This counteracts the purpose of keeping warm.
  • the burner requires a fuel distribution system, which must be taken into account in the safety concept of the system.
  • the burner emissions can influence the operating license of the system.
  • FIG. 1 A basic structure of a CAES power plant is shown in Figure 1.
  • the system comprises a cavern 1 for storing compressed air.
  • a heat exchanger 2 preheats air from the cavern 1 before it is directed to an air turbine 3.
  • the air turbine 3 leads into the combustion chamber 4, where the air is reheated.
  • the reheated air expands further in the low-pressure turbine 5.
  • It can be reinforced
  • Firing in an auxiliary burner 6 can be used to raise the temperature of the exhaust gas before it enters the heat exchanger 2 on the combustion gas side.
  • the air flow to the heat exchanger 2 and to the air turbine 3 is controlled by valve arrangements 8 and 9, respectively. Summary of the invention
  • the object of the invention to provide a system for keeping the power transmission of a CAES system warm during standby, which reduces the heat loads of the power transmission.
  • the system for keeping warm should avoid the disadvantages that occur in the systems that have been described in the prior art. That is, the disadvantages associated with the use of a standby gasification burner and the necessary purging associated therewith are to be avoided or reduced, and the system is to enable improved temperature control of the medium which keeps the power transmission warm.
  • the system for keeping warm should enable the turbines to start up at starting material temperatures which are higher than in the described prior art.
  • the thermal loads on the rotor during startup should be reduced compared to the prior art. Overall, the system for keeping warm should enable shorter start-up times and an extended service life for the components.
  • the disclosure of the invention shows a new approach to keeping the power transmission of a CAES system warm during standby.
  • a CAES system comprises a storage cavern for compressed air, a power transmission with a rotor and one or a plurality of expansion turbines and a system that supplies the power transmission with the compressed air from the cavern, this system including a heat exchanger for preheating the compressed air and a first valve arrangement that controls the preheated air flow from the heat exchanger to the power transmission.
  • the CAES system comprises a warming system which comprises the heat exchanger and / or an electrical auxiliary air heater.
  • An air stream is directed to the electrical auxiliary air heater, preheated by the air heater, and directed to the transmission of power to keep it warm.
  • the system further includes a second valve assembly arranged to either control air flow to the electric air heater or to control air flow away from the electric air heater and to power transmission. The system is used to preheat the airflow for the purpose of keeping the power transmission warm above a minimum temperature during standby.
  • the warming system receives air from the cavern or from another source and warms it either by heat transfer in the heat exchanger or by additional heating in the electric auxiliary air heater or only by heating in the auxiliary air heater to a predetermined temperature.
  • the air flow to the warming system and to the expansion turbines is controlled by the first and second valve arrangements.
  • the heat exchanger and / or the electrical auxiliary air heater of this warming system can / can be activated at any time.
  • the various measures associated with the operation of a standby Gasification burners such as purging using cavern air, operating a fuel distribution and combustion system, and maintaining a safety concept and controlling emissions from the burner are no longer an issue. Instead, the safety concept of the system is simplified because no additional fuel distribution system and no additional burner operation are necessary. Furthermore, the temperature control of the warming system is realized directly by modulating the electrical heating power to the electrical air heater.
  • Figure 1 shows a basic structure of a compressed air energy storage system.
  • FIG. 2 shows a first variant of the warming system according to the invention, which is used in a system according to the structure of Figure 1.
  • FIG. 3 shows a second variant of the warming system.
  • Figure 4 shows a third variant of the warming system.
  • FIG. 5 shows a diagram which reveals the calculated temperatures at two selected points on the rotor which cools down during the standby mode.
  • the electric auxiliary air heater 11 is installed so that it bypasses a valve arrangement 8, which the supply of preheated air to the air expansion turbine
  • Temperature control can easily be carried out by controlling the heating power of the additional electrical heating device 11.
  • the air flow through the auxiliary air heater is controlled by a valve arrangement 10 while the valve 8 is closed.
  • a second variant of the invention is shown in FIG. 3 and is similar to the first variant.
  • the air is led from the storage cavern 1 to the electric auxiliary air heater 11, while the air flow is controlled by the second valve arrangement 10.
  • the valve arrangement 10 and the electrical auxiliary heater 11 bypass both the heat exchanger 2 and the first valve arrangement 8.
  • a rise in temperature of the air takes place only in the electric air heater 11.
  • the advantage of this solution compared to variant 1 is a simplified construction of the heater, since the heater 11 does not have to withstand high inlet temperatures.
  • the warming system can be operated independently of the warm air temperatures in the heat exchanger.
  • FIG. 5 An example of calculated heat losses and the resulting cooling temperatures after stopping the power transmission at different rotor positions and for different leakage air flows is shown in FIG. 5. It shows the development of temperatures as a function of time at two selected points on the surface in the warm region of the rotor. The solid curves correspond to the temperatures of the first selected point and the broken curves correspond to the temperatures of the second selected point on the rotor. During the standby operation of the turbine, cold ambient air penetrates through the gland seals, and the temperatures at the two points fall in accordance with the three pairs of curves I, II and III for different situations with or without heat flow.
  • the curve pair I shows the cooling of the rotor as a function of the standby time with a high estimated leakage heat flow through the gland seals and thus the fastest cooling rate compared to the curve pairs II or III.
  • pair of curves II shows the cooling of the rotor with a low estimated leakage heat flow.
  • the pair of curves III shows the cooling of the rotor only with cooling by the bearing and without leakage heat flow through the gland seals and thus the slowest cooling rate.
  • the curves show that the rate of cooling can be significantly slowed down if the amount of leakage heat flow is reduced by introducing heat flow near the seals and / or by preventing cold ambient air from entering through the seals.
  • gland seals which consist of several sealing rings, are arranged so that they seal a high-pressure space from the outside environment and prevent leakage currents to the outside. For example, they are located at the low pressure end of the turbine.
  • these gland seals are used to prevent cold air from flowing into the turbine from the environment.
  • Inflow of warm air at the locations of the gland seals not only serves to keep the rotor warm, but also to provide a type of warm curtain that prevents cold air from entering the turbine.
  • the air must continue to be preheated for this purpose, for example by one of the arrangements described above. If the Preheated air penetrates the seal, it flows partly into the turbine housing and partly into the environment, which prevents cold ambient air from entering the turbine.
  • the preheated air is directed to the rotor at the locations of the gland seals and in particular between the individual sealing rings of the gland seal.
  • the warm air can be directed to a location in the immediate vicinity of the stuffing box.
  • the warming systems described in this disclosure are not exhaustive.
  • the warming system can also extract air from a turbine, for example.
  • the turbine bypass can also bypass the heat exchanger.
  • the chosen location for air extraction depends on the optimal balance of the system layout planning for each individual CAES power plant.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Ein Druckluftenergiespeichersystem umfasst eine Kaverne (1) für gespeicherte Druckluft und ein System zum Bereitstellen der Druckluft für eine Kraftübertragung (3, 5), wobei dieses System einen Wärmeaustauscher (7) und eine erste Ventilanordnung (8) enthält, die den Strom der Druckluft von dem Wärmeaustauscher und zu der Kraftübertragung (3, 5) steuert. Ein System zum Warmhalten der Kraftübertragung (3, 5) während des Bereitschaftsbetriebs des Druckluftenergiespeichersytstems umfasst den Wärmeaustauscher (2) und/oder einen elektrischen Zusatzlufterhitzer (11) und eine zweite Ventilanordnung (10, 13) zum Steuern des Luftstroms für das Warmhalten. Das System zum Warmhalten der Kraftübertragung (3, 5) ermöglicht eine verbesserte Temperatursteuerung und vermeidet Nachteile, die mit einem Warmhaltesystem verbunden sind, das einen Vergasungsbrenner enthält.

Description

DRUCKLUFTENERGIESPEICHERANLAGE MIT WARMHALTESYSTEM
Technisches Gebiet
Diese Erfindung betrifft ein Druckluftenergiespeicher- System ("compressed air energy storage" - CAES) und ein System zum Warmhalten der Kraftübertragung des CAES- Systems, insbesondere des Rotors der Kraftübertragung während des Bereitschaftsbetriebs.
Allgemeiner Stand der Technik
CAES-Systeme speichern außerhalb der Spitzenzeiten Energie durch Druckluft in einer Kaverne. Elektrische Energie wird in Spitzenzeiten erzeugt, indem Druckluft von der Kaverne zu einer oder mehreren Turbinen geleitet wird. Die Kraftübertragung umfasst wenigstens eine Verbrennungskammer, welche die Druckluft auf eine angemessene Temperatur erwärmt. Zur Deckung des Energiebedarfs in Spitzenzeiten kann eine CAES-Einheit mehrere Male pro Woche gestartet werden. Zur Erfüllung des Leistungsbedarfs ist die Fähigkeit der Kraftübertragung zu einem raschen Anfahren zwingend, um den Anforderungen im Energieversorgungsmarkt gerecht- zu werden. Schnelle Belastungsrampen während des Anfahrens setzen die Kraftübertragung jedoch hohen thermischen Belastungen durch Wärmeausgleichsvorgänge aus. Dies kann eine Auswirkung auf die Lebensdauer der Kraftübertragung haben, da sich die Lebensdauer mit zunehmenden Wärme- ausgleichsvorgangen verringert. Während der Bereitschaft ist die Kraftübertragung Wärmeverlusten und einem Temperaturausgleich in den Komponenten durch Wärmeleitung ausgesetzt. Ein Einströmen von kalter Luft durch die Rotordichtungen trägt wesentlich zu dem Wärmeverlust bei. Je länger die Bereitschaft dauert, umso tiefer fallen die Temperaturen der Komponenten und umso größer werden die thermischen Belastungen während des Anfahrens .
In einem kommerziellen CAES -Kraftwerk in Huntdorf,
Deutschland, besteht die Kraftübertragung aus zwei Gasturbinen mit einer Hoch- und
Niederdruckverbrennungskammer. Die Turbinen sind auf einer einzigen Welle angeordnet.
Während der Bereitschaft werden keine Maßnahmen ergriffen, um die Kraftübertragung bei erhöhter Temperatur zu halten. Dennoch kann das Kraftwerk sehr schnell anfahren. Dies ist auf die geringen Gasturbinen- Einlasstemperaturen bei voller Last zurückzuführen, die eine ungekühlte Turbinenkonstruktion ermöglichen und die durchschnittlichen Wärmeausgleichsvorgänge zwischen dem Anfahren und der vollen Last und die Auswirkung auf die Lebensdauer des Rotors verringern. In Hinblick auf das Erreichen höherer Effizienzen der Gasturbinen ist dieses Konzept geringer Gasturbinen-Einlasstemperaturen jedoch nicht mehr geeignet.
Ein weiteres kommerzielles CAES-Kraftwerk, das in Mclntosh, Alabama, errichtet ist, ist der Anlage von Huntdorf ähnlich. Seine Kraftübertragung umfasst eine Hoch- und Zwischendruckturbine, wobei eine Verbrennungskammer stromaufwärts jeder Turbine eingebaut ist .
Die Kraftübertragung ist mit einem Bereitschafts-Verga- sungsbrenner ausgestattet, der stromaufwärts der Hochdruckturbine angeordnet ist. Zum Zwecke der Warmhaltung wird der Bereitschafts-Vergasungsbrenner abhängig von der Hochdruckgehäusetemperatur in einem kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Modus betrieben. Dadurch wird während des Bereitschaftsbetriebs eine Minimaltemperatur der Gehäuse, des Rotors, der feststehenden und der Laufschaufeln, und anderer Komponenten aufrecht erhalten, und die Wärmebelastungen während des Anfahrens werden verringert .
Der Bereitschaftsbrenner ist dazu geeignet, ein unerwünschtes Abkühlen der Kraftübertragung zu verhindern. Der Betrieb eines Bereitschafts- Vergasungsbrenners für diesen Zweck hat jedoch folgende Nachteile :
- Vor dem Zünden des Brenners muss das System gespült werden, um Sicherheitsanforderungen zu entsprechen. Dies verbraucht wertvolle Kavernenluft.
- Wenn die Spülluft nicht vorgewärmt werden kann, entfernt der Spülvorgang Wärme aus der Turbine. Dies wirkt dem Zwecke der Warmhaltung entgegen.
- Der Brenner erfordert ein Kraftstoffverteilungssystem, das im Sicherheitskonzept der Anlage berücksichtigt werden muss.
- Die Temperatursteuerung ist schwierig. Eine direkte Messung der Flammentemperaturen ist auf Grund der hohen Temperaturen während des Betriebs des Brenners unmöglich.
- Die Brenneremissionen können die Betriebsbewilligung der Anlage beeinflussen.
Ein grundlegender Aufbau eines CAES-Kraftwerkes ist in Figur 1 dargestellt . Die Anlage umfasst eine Kaverne 1 zum Speichern von Druckluft . Ein Wärmeaustauscher 2 wärmt Luft von der Kaverne 1 vor, bevor sie zu einer Luftturbine 3 geleitet wird. Die Luftturbine 3 leitet in die Verbrennungskammer 4, wo die Luft wieder erwärmt wird. Die wieder erwärmte Luft dehnt sich in der Niederdruckturbine 5 weiter aus . Es kann eine verstärkte Feuerung in einem Hilfsbrenner 6 verwendet werden, um die Temperatur des Abgases zu erhöhen, bevor es in den Wärmeaustauscher 2 auf der Verbrennungsgasseite eintritt. Nach der Wärmeübertragung zu der kalten Luft von der Kaverne 1 verlässt das Verbrennungsgas das System durch den Schacht 7. Der Luftstrom zu dem Wärmeaustauscher 2 und zu der Luftturbine 3 wird durch Ventilanordnungen 8 beziehungsweise 9 gesteuert. Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein System zum Warmhalten der Kraftübertragung eines CAES-Systems während des Bereitschaftsbetriebs bereitzustellen, das die Wärmebelastungen der Kraftübertragung verringert. Insbesondere soll das System zum Warmhalten die Nachteile vermeiden, die bei den Systemen auftreten, die im Stand der Technik beschrieben wurden. Das heißt, die Nachteile, die mit der Verwendung eines Bereitschafts- Vergasungsbrenners und dem damit verbundenen notwendigen Spülen verbunden sind, sollen vermieden oder verringert werden, und das System soll eine verbesserte Temperatursteuerung des Mediums ermöglichen, das für das Warmhalten der Kraftübertragung sorgt. Ferner soll das System zum Warmhalten ein Anfahren der Turbinen bei Ausgangsmaterialtemperaturen ermöglichen, die höher als in dem beschriebenen Stand der Technik sind. Ferner sollen die Wärmebelastungen am Rotor während des Anfahrens im Vergleich zum Stand der Technik verringert sein. Insgesamt soll das System zum Warmhalten verkürzte Anfahrzeiten und eine verlängerte Lebensdauer der Komponenten ermöglichen.
Die Offenbarung der Erfindung zeigt einen neuen Ansatz für das Warmhalten der Kraftübertragung eines CAES- Systems während des Bereitschaftsbetriebs. Ein solches CAES-System umfasst eine Speicherkaverne für Druckluft, eine Kraftübertragung mit einem Rotor und einer oder mehreren Expansionsturbinen und ein System, welches die Kraftübertragung mit der Druckluft aus der Kaverne versorgt, wobei dieses System einen Wärmeaustauscher zum Vorwärmen der Druckluft und eine erste Ventilanordnung enthält, die den vorgewärmten Luftstrom von dem Wärmeaustauscher zu der Kraftübertragung steuert.
Gemäß der Erfindung umfasst das CAES-System ein Warmhaltesystem, das den Wärmeaustauscher und/oder einen elektrischen Zusatzlufterhitzer umfasst. Ein Luftstrom wird zu dem elektrischen Zusatzlufterhitzer geleitet, von dem Lufterhitzer vorgewärmt und zur Kraftübertragung zu deren Warmhaltung geleitet . Das System enthält des Weiteren eine zweite Ventilanordnung, die zur Steuerung entweder des Luftstroms zu dem elektrischen Lufterhitzer angeordnet ist oder zur Steuerung des Luftstroms von dem elektrischen Lufterhitzer weg und zu der Kraftübertragung. Das System dient zum Vorwärmen des Luftstromes für den Zweck der Warmhaltung der Kraftübertragung über einer Minimaltemperatur während des Bereitschaftsbetriebs.
Während des Bereitschaftsbetriebs des CAES-Systems empfängt das Warmhaltesystem Luft von der Kaverne oder von einer anderen Quelle und er wärmt diese entweder durch Wärmeübertragung in dem Wärmeaustauscher oder durch zusätzliche Erwärmung in dem elektrischen Zusatzlufterhitzer oder nur durch Erwärmung in dem Zusatzlufterhitzer auf eine vorbestimmte Temperatur. Der Luftstrom zu dem Warmhaltesystem und zu den Expansionsturbinen wird durch die erste und zweite Ventilanordnung gesteuert.
Der Wärmeaustauscher und/oder der elektrische Zusatzlufterhitzer dieses Warmhaltesystems können/kann jederzeit aktiviert werden. Die verschiedenen Maßnahmen, die in Verbindung mit dem Betrieb eines Bereitschafts- Vergasungsbrenners notwendig sind, wie das Spülen unter Verwendung von Kavernenluf , der Betrieb eines KraftStoffverteilungs- und -Verbrennungssystems und die zugehörige Aufrechterhaltung eines Sicherheitskonzepts und die Kontrolle von Emissionen von dem Brenner sind kein Thema mehr. Stattdessen wird das Sicherheitskonzept der Anlage vereinfacht, da kein zusätzliches Brennstoffverteilungssystem und kein zusätzlicher Brennerbetrieb notwendig sind. Ferner wird die Temperatursteuerung des Warmhaltesystems direkt durch eine Modulation der elektrischen Heizleistung zu dem elektrischen Lufterhitzer verwirklicht.
Verschiedene Anordnungen des Warmhaltesystems gemäß der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit den Figuren beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt einen grundlegenden Aufbau eines Druckluftenergiespeichersystems .
Figur 2 zeigt eine erste Variante des Warmhaltesystems gemäß der Erfindung, das bei einem System gemäß dem Aufbau von Figur 1 angewendet wird.
Figur 3 zeigt eine zweite Variante des Warmhaltesystems.
Figur 4 zeigt eine dritte Variante des Warmhaltesystems.
Figur 5 zeigt ein Diagramm, das die berechneten Temperaturen an zwei gewählten Punkten an dem Rotor offenbart, der während des Bereitschaftsbetriebs abkühlt.
Beste Ausführungsformen der Erfindung Hiermit werden einige bevorzugte Lösungen für ein System zum Warmhalten während des Bereitschaftsbetriebs der Kraftübertragung eines CAES-Systems der in Figur 1 dargestellten Art beschrieben.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung, wie in Figur
2 dargestellt, wird ein schwacher Luftstrom aus der Kaverne 1 während des Bereitschaftsbetriebs entnommen und in dem Wärmeaustauscher 2 vorgewärmt. Wie die Kraftübertragung ist der Wärmeaustauscher Wärmeverlusten ausgesetzt . Daher könnte die Warmlufttemperatur nicht ausreichend sein, um eine ausreichende Erwärmung der Kraftübertragung während des Anfahrens zu erreichen. Der Wärmeaustauscher ist auf dieselbe Weise wie die Kraftübertragung Wärmeverlusten ausgesetzt. Für den Fall, dass die Erwärmung von Luft zum Warmhalten der Kraftübertragung durch den Wärmeaustauscher nicht ausreichend ist, ist ein elektrisches Zusatzheizgerät 11 eingebaut, das für eine zusätzliche Lufterwärmung sorgt.
Der elektrische Zusatzlufterhitzer 11 ist so eingebaut, dass er eine Ventilanordnung 8 umgeht, welche die Zuleitung vorgewärmter Luft zu der Luftexpansionsturbine
3 steuert . Eine Temperatursteuerung kann durch Steuerung der Heizleistung des elektrischen Zusatzheizgerätes 11 leicht vorgenommen werden. Der Luftstrom durch den Zusatzlufterhitzer wird von einer Ventilanordnung 10 gesteuert, während das Ventil 8 geschlossen ist.
Eine zweite Variante der Erfindung ist in Figur 3 dargestellt und der ersten Variante ähnlich. Hier wird die Luft von der Speicherkaverne 1 zu dem elektrischen Zusatzlufterhitzer 11 geleitet, während der Luftstrom durch die zweite Ventilanordnung 10 gesteuert wird. Die Ventilanordnung 10 und das elektrische Zusatzheizgerät 11 umgehen sowohl den Wärmeaustauscher 2 als auch die erste Ventilanordnung 8. Ein Temperaturanstieg der Luft erfolgt nur in dem elektrischen Lufterhitzer 11. Der Vorteil dieser Lösung im Vergleich zu Variante 1 ist eine vereinfachte Konstruktion des Heizgerätes, da das Heizgerät 11 keinen hohen Einlasstemperaturen widerstehen muss. Zusätzlich kann das Warmhaltesystem unabhängig von den Warmlufttemperaturen im Wärmeaustauscher betrieben werden. Diese Vorteile werden auf Kosten einer höheren Heizleistung erreicht, die für das Heizgerät erforderlich ist. Wie in Variante 1 ist die Temperatursteuerung unkompliziert.
In einer dritten Variante der Erfindung, wie in Figur 4 dargestellt, wird Luft für das Warmhalten des Rotors durch ein zusätzliches Hilfsgebläse 12 abgegeben. Diese Lösung hat den zusätzlichen Vorteil, dass Kavernenluft gespart wird und große Drosselverluste von der Kaverne zu dem Turbineneinlass umgangen werden. Während des normalen Turbinenbetriebs wird der Strömungspfad von dem elektrischen Heizgerät zu der Turbine durch die Ventilanordnung 13 geschlossen.
Ein Einströmen von kalter Umgebungsluft durch die Stopfbuchsendichtungen, die den Rotor nach außen hin abdichten, kann eine starke Auswirkung auf den Wärmeverlust haben. Ein Beispiel für berechnete Wärmeverluste und daraus resultierende Abkühlungstemperaturen nach dem Anhalten der Kraftübertragung an verschiedenen Rotorpositionen und für verschiedene Leckluftströme ist in Fig. 5 dargestellt. Sie zeigt die Entwicklung von Temperaturen als Funktion der Zeit an zwei ausgewählten Punkten an der Oberfläche in der warmen Region des Rotors. Die durchgehenden Kurven entsprechen den Temperaturen des ersten gewählten Punktes, und die unterbrochenen Kurven entsprechen den Temperaturen des zweiten gewählten Punktes an dem Rotor. Während des Bereitschaftsbetriebs der Turbine dringt kalte Umgebungsluft durch die Stopfbuchsendichtungen ein, und die Temperaturen an den beiden Punkten fallen in Übereinstimmung mit den drei Kurvenpaaren I, II und III für verschiedene Situationen mit oder ohne Wärmestrom. Das Kurvenpaar I zeigt das Abkühlen des Rotors als Funktion der Bereitschaftszeit mit einem hohen geschätzten Leckwärmestrom durch die Stopfbuchsendichtungen und somit der schnellsten Abkühlungsrate im Vergleich zu den Kurvenpaaren II oder III. Das Kurvenpaar II zeigt im Vergleich das Abkühlen des Rotors mit einem geringen geschätzten Leckwärmestrom. Schließlich zeigt das Kurvenpaar III das Abkühlen des Rotors nur bei einer Kühlung durch das Lager und ohne Leckwärmestrom durch die Stopfbuchsendichtungen und somit die langsamste Abkühlungsrate. Die Kurven zeigen, dass die Abkühlungsrate signifikant verlangsamt werden kann, wenn das Ausmaß des Leckwärmestroms durch das Einführen eines Wärmestroms in der Nähe der Dichtungen und/oder durch Verhindern des Eindringens kalter Umgebungsluft durch die Dichtungen verringert wird.
In einer typischen Luftexpansionsturbine sind Stopfbuchsendichtungen, die aus mehreren Dichtungsringen bestehen, angeordnet, damit sie einen Hochdruckraum zu der äußeren Umgebung hin abdichten und Leckströme nach außen verhindern. Sie sind zum Beispiel an dem Niederdruckende der Turbine angeordnet.
Während des Bereitschaftsbetriebs dienen diese Stopfbuchsendichtungen zur Vermeidung des Einströmens kalter Luft aus der Umgebung in die Turbine. Ein
Einströmen von warmer Luft an den Stellen der Stopfbuchsendichtungen dient nicht nur dem Zwecke der Warmhaltung des Rotors, sondern auch zur Bereitstellung einer Art von warmem Vorhang, der ein Eindringen von kalter Luft in die Turbine verhindert. Die Luft muss weiterhin für diesen Zweck vorgewärmt werden, z.B. durch eine der zuvor beschriebenen Anordnungen. Wenn die vorgewärmte Luft an der Dichtung eindringt, strömt sie teilweise in das Turbinengehäuse und teilweise in die Umgebung, wodurch das Eindringen von kalter Umgebungsluft in die Turbine verhindert wird.
In einer bevorzugten Variante der Erfindung wird die vorgewärmte Luft an den Stellen der Stopfbuchsendichtungen zu dem Rotor gelenkt und insbesondere zwischen die einzelnen Dichtungsringe der Stopfbuchsendichtung.
Als Alternative kann die Warmluft zu einer Stelle in der unmittelbaren Nähe der Stopfbuchse gelenkt werden.
Die in dieser Offenbarung beschriebenen Warmhaltesysteme sind nicht erschöpfend. Das Warmhaltesystem kann zum Beispiel auch Luft aus einer Turbine extrahieren. Die Turbinenumgehung kann auch den Wärmeaustauscher umgehen. Die gewählte Stelle der Luftextraktion hängt von dem optimalen Gleichgewicht der Anlagenanordnungsplanung für jedes individuelle CAES-Kraftwerk ab.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Druckluftenergiespeichersystem, umfassend eine Kaverne zum Speichern -von Druckluft, eine Kraftübertragung mit einem Rotor und einer oder mehreren Expansionsturbinen und ein System, das die Kraftübertragung mit der Druckluft von der Kaverne versorgt und einen Wärmeaustauscher zum Vorwärmen der Druckluft und eine erste Ventilanordnung, die den Strom vorgewärmter Luft von dem Wärmeaustauscher zu der Kraftübertragung steuert, umfasst,
und des Weiteren umfassend ein System zum Warmhalten der Kraftübertragung während des Bereitschaftsbetriebs des DruckluftenergiespeieherSystems
dadurch gekennzeichnet, dass
das System zum Warmhalten den Wärmeaustauscher und/oder einen elektrischen Zusatzlufterhitzer umfasst, ein Luftstrom zum Vorwärmen zu dem Warmhaltesystem gelenkt wird und der derart vorgewärmte Luftstrom von dem System zum Warmhalten weg und hin zu der Kraftübertragung geleitet wird,
und das System zum Warmhalten des Weiteren eine zusätzliche, zweite Ventilanordnung umfasst, die entweder den Luftstrom zu dem System zum Warmhalten oder den Luftstrom weg von dem System zum Warmhalten und hin zu der Kraftübertragung steuert .
2. Druckluftenergiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Zusatzlufterhitzer und die zweite Ventilanordnung so angeordnet sind, dass sie die erste Ventilanordnung umgehen, welche die Zuleitung von Druckluft zu der Kraftübertragung steuert.
3. Druckluftenergiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Zusatzlufterhitzer so angeordnet ist, dass er sowohl den Wärmeaustauscher als auch die erste Ventilanordnung umgeht, welche die Zuleitung von Druckluft zu der Kraftübertragung steuert, und die zweite Ventilanordnung vor dem elektrischen Zusatzlufterhitzer angeordnet ist.
4. Druckluftenergiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
ein Hilfsgebläse vor dem elektrischen Zusatzlufter- hitzer angeordnet ist, welches den elektrischen Zusatzlufterhitzer mit einem Luftstrom versorgt, der vorzuwärmen ist, und die zweite Ventilanordnung zur Steuerung des Stroms vorgewärmter Luft von dem elektrischen Zusatzlufterhitzer weg und hin zu der Kraftübertragung angeordnet ist.
5. Druckluftenergiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
der Luftström weg vom System zum Warmhalten zu Stopfbuchsendichtungen an dem Rotor der Kraftübertragung oder zu Stellen in der Nähe der Stopfbuchsendichtungen gelenkt wird.
EP03714943A 2002-03-20 2003-03-10 Druckluftenergiespeicheranlage mit warmhaltesystem Withdrawn EP1485591A1 (de)

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US365624P 2002-03-20
CH18542002 2002-11-05
CH185402 2002-11-05
PCT/EP2003/050046 WO2003078812A1 (de) 2002-03-20 2003-03-10 Druckluftenergiespeicheranlage mit warmhaltesystem

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EP1485591A1 true EP1485591A1 (de) 2004-12-15

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