WO2003078812A1 - Compressed air energy storage system with a heat maintenance system - Google Patents

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WO2003078812A1
WO2003078812A1 PCT/EP2003/050046 EP0350046W WO03078812A1 WO 2003078812 A1 WO2003078812 A1 WO 2003078812A1 EP 0350046 W EP0350046 W EP 0350046W WO 03078812 A1 WO03078812 A1 WO 03078812A1
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compressed air
valve arrangement
energy storage
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PCT/EP2003/050046
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Peter Keller-Sornig
Edoardo Mazza
Bozidar Seketa
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Alstom (Switzerland) Ltd
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    • 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.

Abstract

The invention relates to a compressed air energy storage system comprises a cavern (1) for stored compressed air and a system for providing compressed air for power transmission (3, 5). Said system contains a heat exchanger (7) and a first valve arrangement (8) which guides the flow of compressed air from the heat exchanger and to the power transmission (3, 5). The invention also relates to a system for maintaining the heat of the power transmission (3, 5) when the compressed air energy storage system is in standby mode, comprising a heat exchanger (2) and/or one electric supplementary air heater (11) and a second valve arrangement (10, 13) which guides the flow of air for heat maintenance. Said system for heat maintenance of the power transmission (3, 5) allows improved temperature control and avoids problems which are connected to a heat maintenance system which contains a gasification burner.

Description

DRUCKLUFTENERGIESPEICHERANLAGE MIT WARMHALTESYSTEM COMPRESSED AIR POWER STORAGE SYSTEM WITH WARMING SYSTEM
Technisches GebietTechnical field
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.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.
Allgemeiner Stand der TechnikGeneral state of the art
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 .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. During standby, 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.
In einem kommerziellen CAES -Kraftwerk in Huntdorf,In a commercial CAES power plant in Huntdorf,
Deutschland, besteht die Kraftübertragung aus zwei Gasturbinen mit einer Hoch- undGermany, the power transmission consists of two gas turbines with a high and
Niederdruckverbrennungskammer. Die Turbinen sind auf einer einzigen Welle angeordnet.Low-pressure combustion chamber. The turbines are arranged on a single shaft.
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.No measures are taken during standby to keep the power transmission at an elevated temperature. Nevertheless, the power plant can start up very quickly. This is due to the low gas turbine inlet temperatures at full load, which enables uncooled turbine design and reduces the average heat balance between start-up and full load and the impact on rotor life. However, in view of achieving higher gas turbine efficiencies, this concept of low gas turbine inlet temperatures is no longer suitable.
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 .Another CAES commercial power plant built in Mclntosh, Alabama is similar to the Huntdorf facility. Its power transmission includes a high and intermediate pressure turbine, with a combustion chamber installed upstream of each turbine.
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 .The power transmission is equipped with a standby gasification burner, which is arranged upstream of the high pressure turbine. For the purpose of keeping warm, 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.
Der Bereitschaftsbrenner ist dazu geeignet, ein unerwünschtes Abkühlen der Kraftübertragung zu verhindern. Der Betrieb eines Bereitschafts- Vergasungsbrenners für diesen Zweck hat jedoch folgende Nachteile :The standby burner is suitable for preventing an undesired cooling down of the power transmission. However, operating a standby gasification burner for this purpose has the following disadvantages:
- Vor dem Zünden des Brenners muss das System gespült werden, um Sicherheitsanforderungen zu entsprechen. Dies verbraucht wertvolle Kavernenluft.- The system must be purged before the burner is lit to meet safety requirements. This consumes valuable cavern air.
- Wenn die Spülluft nicht vorgewärmt werden kann, entfernt der Spülvorgang Wärme aus der Turbine. Dies wirkt dem Zwecke der Warmhaltung entgegen.- If the purge air cannot be preheated, the purge process removes heat from the turbine. This counteracts the purpose of keeping warm.
- Der Brenner erfordert ein Kraftstoffverteilungssystem, das im Sicherheitskonzept der Anlage berücksichtigt werden muss.- The burner requires a fuel distribution system, which must be taken into account in the safety concept of the system.
- Die Temperatursteuerung ist schwierig. Eine direkte Messung der Flammentemperaturen ist auf Grund der hohen Temperaturen während des Betriebs des Brenners unmöglich.- Temperature control is difficult. A direct measurement of the flame temperatures is impossible due to the high temperatures during the operation of the burner.
- Die Brenneremissionen können die Betriebsbewilligung der Anlage beeinflussen.- The burner emissions can influence the operating license of the system.
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 ErfindungA 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. After the heat transfer to the cold air from the cavern 1, the combustion gas leaves the system through the shaft 7. 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
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.It is 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. In particular, 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. Furthermore, 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. Furthermore, 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.
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.The disclosure of the invention shows a new approach to keeping the power transmission of a CAES system warm during standby. Such 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.
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.According to the invention, 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.
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.During the standby mode of the CAES system, 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.
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.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.
Verschiedene Anordnungen des Warmhaltesystems gemäß der Erfindung werden nachfolgend in Verbindung mit den Figuren beschrieben.Various arrangements of the warming system according to the invention are described below in connection with the figures.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Figur 1 zeigt einen grundlegenden Aufbau eines Druckluftenergiespeichersystems .Figure 1 shows a basic structure of a compressed air energy storage system.
Figur 2 zeigt eine erste Variante des Warmhaltesystems gemäß der Erfindung, das bei einem System gemäß dem Aufbau von Figur 1 angewendet wird.Figure 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.
Figur 3 zeigt eine zweite Variante des Warmhaltesystems.Figure 3 shows a second variant of the warming system.
Figur 4 zeigt eine dritte Variante des Warmhaltesystems.Figure 4 shows a third variant of the warming system.
Figur 5 zeigt ein Diagramm, das die berechneten Temperaturen an zwei gewählten Punkten an dem Rotor offenbart, der während des Bereitschaftsbetriebs abkühlt.FIG. 5 shows a diagram which reveals the calculated temperatures at two selected points on the rotor which cools down during the standby mode.
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.Best embodiments of the invention This describes some preferred solutions for a system for keeping warm during the standby operation of the power transmission of a CAES system of the type shown in FIG. 1.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung, wie in FigurAccording to a first variant of the invention, as in Figure
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.2, a weak air flow is removed from the cavern 1 during standby mode and preheated in the heat exchanger 2. Like the power transmission, the heat exchanger is exposed to heat losses. The warm air temperature could therefore not be sufficient to achieve sufficient heating of the power transmission during start-up. The heat exchanger is exposed to heat losses in the same way as the power transmission. In the event that the heating of air is not sufficient to keep the power transmission warm through the heat exchanger, an additional electrical heater 11 is installed, which provides additional air heating.
Der elektrische Zusatzlufterhitzer 11 ist so eingebaut, dass er eine Ventilanordnung 8 umgeht, welche die Zuleitung vorgewärmter Luft zu der LuftexpansionsturbineThe 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
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.3 controls. 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.
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.A second variant of the invention is shown in FIG. 3 and is similar to the first variant. Here, 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. In addition, the warming system can be operated independently of the warm air temperatures in the heat exchanger. These advantages are achieved at the expense of the higher heating power that is required for the heater. As in variant 1, temperature control is straightforward.
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.In a third variant of the invention, as shown in FIG. 4, air for keeping the rotor warm is emitted by an additional auxiliary fan 12. This solution has the additional advantage that cavern air is saved and large throttle losses from the cavern to the turbine inlet are avoided. During normal turbine operation, the flow path from the electrical heater to the turbine is closed by valve assembly 13.
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.Inflow of cold ambient air through the gland seals, which seal the rotor from the outside, can have a strong impact on heat loss. 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. In comparison, pair of curves II shows the cooling of the rotor with a low estimated leakage heat flow. Finally, 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.
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.In a typical air expansion turbine, 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.
Während des Bereitschaftsbetriebs dienen diese Stopfbuchsendichtungen zur Vermeidung des Einströmens kalter Luft aus der Umgebung in die Turbine. EinDuring standby operation, these gland seals are used to prevent cold air from flowing into the turbine from the environment. On
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.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.
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.In a preferred variant of the invention, 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.
Als Alternative kann die Warmluft zu einer Stelle in der unmittelbaren Nähe der Stopfbuchse gelenkt werden.Alternatively, the warm air can be directed to a location in the immediate vicinity of the stuffing box.
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. 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.

Claims

ANSPRÜCHE EXPECTATIONS
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,1. A compressed air energy storage system comprising a cavern for storing compressed air, a power transmission with a rotor and one or more expansion turbines and a system that supplies the power transmission with the compressed air from the cavern and a heat exchanger for preheating the compressed air and a first valve arrangement controls the flow of preheated air from the heat exchanger to the power transmission,
und des Weiteren umfassend ein System zum Warmhalten der Kraftübertragung während des Bereitschaftsbetriebs des DruckluftenergiespeieherSystemsand further comprising a system for keeping the power transmission warm during the standby operation of the compressed air energy supply system
dadurch gekennzeichnet, dasscharacterized in that
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,the system for keeping warm comprises the heat exchanger and / or an additional electrical air heater, an air flow for preheating is directed to the keeping warm system and the preheated air flow is directed away from the system for keeping warm and towards the power transmission,
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 .and the system for keeping warm further comprises an additional, second valve arrangement that either controls the air flow to the system for keeping warm or the air flow away from the system for keeping warm and towards the power transmission.
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.2. compressed air energy storage system according to claim 1, characterized in that the electric auxiliary air heater and the second valve arrangement are arranged such that they bypass the first valve arrangement, which controls the supply of compressed air to the power transmission.
3. Druckluftenergiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass3. compressed air energy storage system according to claim 1, characterized in that
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.the electrical auxiliary air heater is arranged so that it bypasses both the heat exchanger and the first valve arrangement, which controls the supply of compressed air to the power transmission, and the second valve arrangement is arranged in front of the electrical auxiliary air heater.
4. Druckluftenergiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass4. compressed air energy storage system according to claim 1, characterized in that
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.an auxiliary blower is arranged in front of the electric auxiliary air heater, which supplies the electric auxiliary air heater with an air flow which is to be preheated, and the second valve arrangement for controlling the flow of preheated air is arranged away from the electric auxiliary air heater and towards the power transmission.
5. Druckluftenergiespeichersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass5. compressed air energy storage system according to claim 1, characterized in that
der Luftström weg vom System zum Warmhalten zu Stopfbuchsendichtungen an dem Rotor der Kraftübertragung oder zu Stellen in der Nähe der Stopfbuchsendichtungen gelenkt wird. the air flow is directed away from the system to keep warm to gland seals on the power transmission rotor or to locations near the gland seals.
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