Gasturbinenanlage. In bestimmten industriellen Kraftwerken sowie in gewissen grösseren Kraftwerken, wird oft, während einer verhältnismässig kurzen Zeitspanne eine grosse Leistung verlangt. Da die Kraftmaschinen und das Kraftwerk so dimensioniert werden müssen, dass sie zur<B>-Ab-</B> gabe der Maximalleistung fähig sind, werden die für die Leistungseinheit berechneten Kosten mit. Bezug auf die sogenannte Spitzen leistung sehr hoch ausfallen. Oft wird die Leistung als mechanische Leistung gebraucht, z.
B. zum zeitweisen Betrieb von Werkzeug maschinen, Aufzügen, Pumpen, Experimen tieranlagen und dergleichen, oder auch für nur zeitweise arbeitende öfen, Schweissmaschi nen oder dergleichen, die oft während kurzer Zeit eine beträchtliche Leistung benötigen.
In Genenden, in welchen die Wasserkraft nur eine geringe Rolle spielt, ist es üblich, die Kraftwerke so zit bauen, dass sie ihren besten Wirkungsrad bei Grundlast besitzen, wobei Kraftanlagen von geringeren Erstellungs- kosten und grösserem Brennstoffkonsum in Betrieb gesetzt werden, wenn während der Spitzenbelastungszeit eine grössere Leistung verlangt wird. @Wo Wasserkraft zur Verfü- rung steht., jedoch nicht.
in genügender Menge, um den ganzen Jahresenergiebedarf decken zu können, übernimmt die Wasserkraft gewöhnlich die Deckung der Spitzenlastener- gie, während thermische Kraftanlagen mit hohem Wirkungsgrad die Grundlastenergie aufbringen, so dass der Wasserabfluss den zur Verfügung stehenden Zufluss nicht zu über steigen braucht. Bei gewissen Spitzenbelastun gen ist es jedoch oft wirtschaftlicher, thermi sche Spitzenlast-Kraftanlagen mit relativ gro ssem Brennstoffverbrauch zu benützen.
Ein besonders in Frankreich ausprobiertes Ver fahren besteht darin, besondere Piimpkraft- anlagen mit hochgelegenen Wasserreservoiren zu bauen, die zur Speicherung von Energie dienen, die von wirtschaftlichen, thermischen Grundlast-Kraftanlagen geliefert wird und welche während gewisser Jahres- oder Tages zeiten nicht voll ausgenützt werden kann. Diese gespeicherte Energie, die von der Pum penkraftanlage geliefert wird, kann je nach Bedarf verwendet werden, das heisst bei Spit zenlast oder bei vorübergehendem Wasserman gel.
Wo es sich nur um relativ kleine Energie beträge handelt, können auch Dampfakkumu latoren (z. B. ein Riith-Akkumulator) verwen det werden, um Leistung von Dampfkraft anlagen aufzuspeichern.
In Gegenden, in welchen genügend -1#N'asser- kraft zur Verfügung steht., und in Gegenden, in welchen der grösste Teil der verbrauchten Energie durch Wasserkraft erzeugt wird, wurde es trotzdem wirtschaftlich gefunden, thermische Kraftanlagen zu erstellen, die mit den Wasserkraftanlagen zusammenarbeiten und sowohl als Reserveanlagen als auch zum Be lastungsausgleich dienen.
In solchen Fällen wurden bisher meistens Dampfkraftanlagen verwendet, deren Wärme verbrauch je nach den Erstellungskosten zwi schen 2500 und 3500 kcal/kWh beträgt, wenn es sieh um Anlagen zur Aufnahme -der Basis- last handelt, während es sich bei Reserve anlagen und Anlagen zur Aufnahme der Spit zenlast bei sehr kleinen Betriebszeiten als wirt schaftlich erwiesen hat, Kraftwerke zu ver wenden, die vom Gesichtspunkt des Wirkungs grades aus gesehen sehr einfach sind und die einen Wärmeverbrauch bis zu 4500 kcal/k#Vh aufweisen.
In der Schweiz wurden thermische Kraftanlagen mit Gasturbinen gebaut, die so wohl zur Aufnahme der Grundlast dienen als auch zur Leistungserzeugung während Tr ok- ken7eiten oder auch als reine Reservekraft werke, deren Betriebsdauer üblicherweise sehr kurz ist. Der Wärmeverbrauch solcher Re serveanlagen für Trockenzeiten beträgt. bis etwa. 3500 kcal/kWh und derjenige von nur sehr kurzzeitig betriebenen Reserveanlagen 4500 bis 5000 kcal/kWh.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinenanlage mit offenem Arbeitsprozess zur kurzzeitigen Erzeugung von nutzbarer Lei stung, welche die Speicherung von Energie gestattet, die während solcher Perioden, die sich bei vorhandenen Energieerzeugungs- systemen am besten eignen, z. B. bei geringer Belastung, erzeugt werden kann.
Gemäss der vorliegenden Erfindung besitzt die Anlage eine Turbine, eine Erhitzungsvor- richtung, ferner mindestens einen durch Fremdenergie antreibbaren Kompressor und mindestens einen Akkumulator zur Speiche rung von durch den Kompressor geförderter Luft., welche Luft bei Bedarf der Erhitzungs- vorrichtung zugeführt werden kann.
Mit einer erfindungsgemässen Anlage ist es möglich, während Perioden, in denen ein vor handenes Lei.stungserzeugungssystem nur zu einem kleinen Teil ausgenützt wird, den Akku mulator mittels des Kompressors mit. kom primierter Luft aufzuladen. Der Akkumu lator ist zweckmässig derart gebaut, dass er jederzeit. mit. annähernd konstantem Druck arbeitet. Während der Betriebsperioden kann dem genannten Akkumulator Luft entnom men und einer Brennkammer oder einem Er hitzer zugeführt werden, aus welcher das ent stehende Antriebsmedium der Turbine zuge führt werden kann.
Bei entsprechender Aus bildung der Anlage kann während Perioden von geringer Belastung des vorhandenen Lei- stungserzeugungssystems Energie gespeichert werden, und zwar in Form von Druckluft, und in Form von Wärme. Von einer solchen Gas turbinenanlage kann hochwertige Energie, die einfach regulierbar ist., erhalten werden. Da im System praktisch keine Trägheit. vorhan den ist, kann die Anlage augenblicklich vom Stillstand oder Leerlauf auf Vollast geschal tet werden.
Der Kompressor kann kleine Ab messungen besitzen, da. er für einen Luft durchsatz dimensioniert werden kann, der be trächtlich unter demjenigen liegt, der zur Erreichung der maximalen Turbinenleistun notwendig ist.
An Hand der beiliegenden Zeichnung soll der Erfindungsgegeiustand beispielsweise näher erläutert werden, wobei Fig. 1 schematisch ein Ausführungsbei spiel und die Fig. 2 bis 4 Varianten dieses Beispiels zeigen.
In Fig. 1 ist mit 1 ein Elektromotor und mit 2 ein zweigehäusiger Kompressor be zeichnet, der einen für die Zwischenkühlung der Luft bestimmten Kühler 3 besitzt. Die komprimierte Luft gelangt durch ein Lei tungsnetz, das mit Ventilen 4, 5 und 6 ver sehen ist. Während der Luftspeieherperioden sind die Ventile 4 und 6 offen und das Ven til 5 geschlossen, wobei Luft durch die Lei tung 7 zu einem Akkumulator 8 strömt, der beim gezeichneten Beispiel eine in bezug auf ein Gewässer 9, z. B. einen See, einen Fluss oder dergleichen, in gewisser Tiefe angeord nete Kammer aufweist.
Der Akkumulator 8 ist nahe seinem Boden durch einen Kanal 10 mit dem genannten Gewässer 9 verbunden. Wenn durch die Leitung 7 komprimierte Luft zuströmt, welche Leitung mit dein Oberteil des Akkumulators 8 verbunden ist., so wird Wasser durch den Kanal 10 nach oben ge- drückt. Zweckmässig wird das Druckniveau zwischen 40 und 100 m gewählt. Wenn dieses Druckniveau in bezug auf die Höhe des Akku mulators 8 gross ist, so bleibt der Druck der Luft im Akkumulator annähernd konstant. Soll nutzbare Leistung aus der dargestellten Anlage entnommen -erden, müssen die Ven tile 6 und 5 geöffnet, sein.
Das Ventil 4 kann dabei offen oder geschlossen sein, je nachdem, ob der Kompressor während der Betriebsdauer der Anlage ebenfalls im Betrieb ist. oder nicht. In der Folge gelangt. komprimierte Luft in eine Brennkammer 11. Mittels einer Pumpe 12 wird flüssiger Brennstoff dureli eine Lei tung 13 über ein Regulierventil 14 in die Brennkammer gefördert. Die heissen, in der Kammer 1.1 erzeugten Verbrennungsgase strö men durch eine Turbine 15 und können an schliessend durch eine Ausla.ssleitung 16 ent weichen. Die Turbine 15 treibt. einen Genera tor 1.7 oder eine andere Maschine an.
Die Ven tile 5 und 14 werden durch einen Drehzahl regler 18 gesteuert.
Unter der Annahme, @dass die Temperatur am Einlass der Turbine 750 C und der Druck 10 at betrage, das heisst entsprechend einer Höhendifferenz von ungefähr 95 m zwischen dem Niveau des Akkumulators und dem iveau des Gewässers 9, ist bei einem Ener- N giebedarf von ungefähr 0,8 bis 0,
9 kWh pro gelieferte kWh ein Wärmeverbrauch von 1000 bis 1400 kcallkWh je nach der Kühlung der Luft und der möglichen Vorwärmung der Luft vor der Brennkammer zu erwarten.
Die Anlage, die schematisch in Fig. 2 dar gestellt ist, unterscheidet sieh von der be schriebenen Anlage nach Fig. 1 zur Haupt sache nur dadurch, dass sie mittels akkumu liertem Brenngas an Stelle von flüssigem Brennstoff betrieben wird. Die Anlage eignet sich in solchen Fällen, in welchen Hochofen gase oder ähnliche Gase zur Verfügung stehen. Das Gas wird in einem Kompressor 20, der durch einen Motor 19 angetrieben wird, kom primiert und anschliessend durch eine Lei tung 21 einem Akkumulator 22 der in Fig. 1 gezeigten Bauart. zugeführt.
Diesem Akkumu lator wird das Gas dem Verbrauch entspre- chend entnommen, und zwar durch eine Lei tung 23 überein Ventil 24 und einer Brenn- kammer 11 zugeführt. Die Ventile 5 und 24 sind durch einen Drehzahlregler 18 gesteuert.
Je nach der Länge der Betriebszeit der Anlage kann es aus virtsehaftliehen Gründen zweckmässig sein, mit der kleinstmöglichen, der Turbine zuzuführenden Luftmenge mz ar beiten und geeignete Temperaturen in der Gasturbine durch Wassereinspritzung in die Luft oder das Gas am Turbineneinla.ss zu er reichen.
Demzufolge ist es möglich, den Luft- verbrauch auf 40 bis 60 % des Verbrauches herabzusetzen, den eine Anlage ohne \V#Tasser- einspritzung aufweist. Bei Anlagen, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt sind, sollte der Akku mulator so dimensioniert sein, dass er eine Luftmenge von 7 bis 8 kg pro kWh erzeugter Energie aufnehmen kann.
Da die Baukosten eines solchen Akkumulators sehr hoch sind, kann es zweckmässig sein, mit. möglichst ge ringem Luftüberschuss zu arbeiten.
Fig. 3 zeigt eine andere Anlage, bei wel cher Wassereinspritzung vorgenommen wird. Es sind die gleichen Bezugszahlen für gleiche Teile, wie in Feg-. 1 und 2 verwendet. Die komprimierte Lieft, die durch das Ventil 5 einströmt, wird im Innern der Brennkammer 11 erwärmt bei annähernd dem theoretischen Mischungsverhältnis, und zwar durch Ver brennen von zugeführtem Brennstoff. Durch eine Leitung 25 wird über ein Ventil 26 Was ser zugeführt und vor der Turbine in das Gas eingespritzt. Da die Wassermenge, die Brennstoffmenge und die Luftmenge direkte Funktionen der nutzbaren abgegebenen Lei stung sind, können die Ventile 5, 14 und 26 einfach durch den Drehzahlregler 18 steuer bar sein.
An Stelle der Wärmeerzeugung in einer Brennkammer oder in Verbindung mit einer solchen Brennkammer kann in der Anlage in einem Rekuperator gespeicherte Wärme ver wendet werden. In einem solchen Fall braucht die zugeführte Wärmemenge der von .der An lage gelieferten Leistung während der Be triebsperioden der Anlage nicht proportional zu sein, sondern kann während der Speicher- perioden aufgespeichert werden. Fig. 4 zeigt einen Teil einer Anlage, die einen Rekupera- tor 27 besitzt. Dieser Rekuperator 27 ist mit wärmebeständigem Material 28 von hoher Wärmeaufnahmefähigkeit gefüllt.
Durch eine Leitung 35 und über ein Ventil 29 werden heisse Verbrennungsgase aus einem Hochofen oder einer Brennkammer 30 dein Rekuperator zugeführt. Dem Ofen oder der Brennkammer 30 wird durch eine Leitung 31 Brennstoff zugeführt. und ausserdem Luft mittels eines Ventilators 32 oder einer ähnlichen V orricli- tung. Die heissen Gase geben Wärme an das Material 28 ab, das im Reknperator 27 ange ordnet ist, und entweichen in abgekühltem Zustand durch eine Leitung 33 über ein Ven til 3.1 aus dem Rekuperator 27.
Der Rekupe- rator 27 ist isoliert und für den im Akkumu lator auftretenden Druck dimensioniert. Dar aus geht hervor, dass während der Speicher periode, wenn das Ventil 5 geschlossen ist, im Rekuperator beispielsweise Atmosphären druck herrscht.
Während der Betriebsperiode sind die Ventile 29 und 34 geschlossen und über das Ventil 5 gelangt Luft in den Reku- perator. Durch das Ventil 26, das in Abhän gigkeit von der Gastemperatur vor der Tur bine 15 regulierbar sein kann, wird Wasser in solcher Menge in den Rekuperator einge spritzt, dass vor der Turbine eine dem Mate rial der Turbinenschaufeln angepasste Tempe ratur erreicht wird, das heisst bei den heute verwendeten Materialien eine Temperatur zwi- schen 700 und 800 C.
Entsprechend der er folgenden Abkühlung des Füllmaterials 28 und zufolge des Fallens der Temperatur der den Rekuperator verlassenden Luft., verrin gert der Temperaturregler die einzuspritzende Wassermenge derart, dass die Temperatur des Gases vor der Turbine während der ganzen Betriebsperiode konstant gehalten wird. Die Wärmekapazität des Füllmaterials 28 und die Luftkapazität -des Rekuperators sollten so proportioniert sein, dass sie einander ange- passt sind.
Die Verwendung eines hekupera- tors bringt den Vorteil, dass jede Art von Brennstoff, das heisst auch fester Brennstoff, verwendet werden kann.
Gas turbine plant. In certain industrial power plants, as well as in certain larger power plants, a large amount of power is often required over a relatively short period of time. Since the prime mover and the power plant must be dimensioned in such a way that they are capable of delivering the maximum power, the costs calculated for the power unit are included. Can be very high in relation to the so-called peak performance. Often the power is needed as mechanical power, e.g.
B. for the temporary operation of machine tools, elevators, pumps, Experimen animal systems and the like, or for only intermittently working ovens, Schweissmaschi NEN or the like, which often require considerable power for a short time.
In regions in which hydropower plays only a minor role, it is customary to build power plants in such a way that they have their best efficiency at base load, with power plants of lower construction costs and higher fuel consumption being put into operation if during the Peak load time a greater performance is required. @Where hydropower is available, but not.
In sufficient quantities to be able to cover the entire annual energy requirement, the hydropower usually takes over the covering of the peak load energy, while thermal power plants with high efficiency provide the base load energy so that the water runoff does not have to exceed the available inflow. At certain peak loads, however, it is often more economical to use thermal peak load power plants with relatively high fuel consumption.
A method that has been tried particularly in France is to build special Piimp power plants with high water reservoirs that are used to store energy that is supplied by economical, thermal base load power plants and which are not fully utilized during certain times of the year or day can. This stored energy, which is supplied by the pump power plant, can be used as required, i.e. when there is a peak load or when there is a temporary lack of water.
Where only relatively small amounts of energy are involved, steam accumulators (e.g. a Riith accumulator) can also be used to store the power of steam power plants.
In areas in which there is sufficient water power available, and in areas in which the majority of the energy consumed is generated by water power, it has nevertheless been found economical to build thermal power plants that use the Hydropower plants work together and serve both as reserve plants and to compensate for loads.
In such cases, steam power plants have so far mostly been used, the heat consumption of which is between 2500 and 3500 kcal / kWh, depending on the production costs, if it is systems for receiving the base load, while reserve systems and systems for receiving the peak load with very short operating times has proven to be economical to use power plants that are very simple from the point of view of efficiency and that have a heat consumption of up to 4500 kcal / k # Vh.
In Switzerland, thermal power plants were built with gas turbines, which serve both to absorb the base load and also to generate power during drinking or as pure reserve power plants, whose operating time is usually very short. The heat consumption of such reserve systems for dry periods is. until about. 3500 kcal / kWh and that of reserve systems only operated for very short periods of time 4500 to 5000 kcal / kWh.
The present invention relates to a gas turbine system with an open work process for the short-term generation of usable Lei stung, which allows the storage of energy, which during those periods that are best suited to existing power generation systems, z. B. at low load, can be generated.
According to the present invention, the system has a turbine, a heating device, furthermore at least one compressor that can be driven by external energy and at least one accumulator for storing air conveyed by the compressor, which air can be fed to the heating device when required.
With a system according to the invention, it is possible, during periods in which an existing power generation system is only used to a small extent, to use the compressor with the accumulator. to charge compressed air. The accumulator is expediently built in such a way that it can be used at any time. With. approximately constant pressure works. During the operating periods, air can be taken from said accumulator and fed to a combustion chamber or a heater from which the resulting drive medium can be fed to the turbine.
If the system is designed accordingly, energy can be stored during periods of low load on the existing power generation system, in the form of compressed air and in the form of heat. From such a gas turbine system, high-quality energy that is easy to regulate can be obtained. There is practically no inertia in the system. is available, the system can be switched instantaneously from standstill or idling to full load.
The compressor can have small dimensions because. it can be dimensioned for an air throughput that is considerably below that which is necessary to achieve the maximum turbine power.
With reference to the accompanying drawings, the invention will be explained in more detail, for example, with Fig. 1 schematically playing Ausführungsbei and FIGS. 2 to 4 variants of this example show.
In Fig. 1, 1 is an electric motor and 2 is a two-housing compressor which has a cooler 3 intended for the intermediate cooling of the air. The compressed air passes through a line network that is seen with valves 4, 5 and 6 ver. During the Luftspeieherperioden the valves 4 and 6 are open and the Ven valve 5 is closed, air flows through the Lei device 7 to an accumulator 8, which in the example shown, a with respect to a body of water 9, z. B. has a lake, a river or the like, at a certain depth angeord designated chamber.
The accumulator 8 is connected to said body of water 9 near its bottom by a channel 10. When compressed air flows in through the line 7, which line is connected to the upper part of the accumulator 8, water is pushed up through the channel 10. The pressure level between 40 and 100 m is expediently chosen. If this pressure level is large with respect to the height of the accumulator 8, the pressure of the air in the accumulator remains approximately constant. If usable power is to be drawn from the system shown, valves 6 and 5 must be open.
The valve 4 can be open or closed, depending on whether the compressor is also in operation during the operating time of the system. or not. As a result, arrived. Compressed air into a combustion chamber 11. By means of a pump 12, liquid fuel is conveyed through a line 13 via a regulating valve 14 into the combustion chamber. The hot combustion gases generated in chamber 1.1 flow through a turbine 15 and can then escape through an outlet line 16. The turbine 15 drives. a generator 1.7 or another machine.
The valves 5 and 14 are controlled by a speed controller 18.
Assuming that the temperature at the inlet of the turbine is 750 C and the pressure 10 at, that is, corresponding to a height difference of approximately 95 m between the level of the accumulator and the level of the body of water 9, an energy requirement of about 0.8 to 0,
9 kWh per kWh delivered, a heat consumption of 1000 to 1400 kcallkWh can be expected, depending on the cooling of the air and the possible preheating of the air in front of the combustion chamber.
The system, which is shown schematically in Fig. 2, differs from the system described in FIG. 1 mainly only in that it is operated by means of accumulated fuel gas instead of liquid fuel. The system is suitable in cases in which blast furnace gases or similar gases are available. The gas is compressed in a compressor 20, which is driven by a motor 19, and then through a device 21 to an accumulator 22 of the type shown in FIG. fed.
The gas is withdrawn from this accumulator according to the consumption, namely through a line 23 via valve 24 and a combustion chamber 11. The valves 5 and 24 are controlled by a speed controller 18.
Depending on the length of the operating time of the system, it can be useful for virtsehaftliehen reasons to work with the smallest possible amount of air to be supplied to the turbine and to achieve suitable temperatures in the gas turbine by injecting water into the air or the gas at the turbine inlet.
As a result, it is possible to reduce the air consumption to 40 to 60% of the consumption of a system without water injection. In systems as shown in Fig. 1 and 2, the accumulator should be dimensioned so that it can absorb an amount of air of 7 to 8 kg per kWh of energy generated.
Since the construction costs of such a battery are very high, it can be useful to use. to work with as little excess air as possible.
Fig. 3 shows another system in which wel cher water injection is made. The same reference numbers are used for the same parts as in Feg-. 1 and 2 used. The compressed Lieft flowing in through the valve 5 is heated inside the combustion chamber 11 at approximately the theoretical mixing ratio, namely by burning the fuel supplied. What water is supplied through a line 25 via a valve 26 and injected into the gas in front of the turbine. Since the amount of water, the amount of fuel and the amount of air are direct functions of the usable output Lei, the valves 5, 14 and 26 can easily be controlled by the speed controller 18 bar.
Instead of generating heat in a combustion chamber or in connection with such a combustion chamber, heat stored in a recuperator can be used in the system. In such a case, the amount of heat supplied does not need to be proportional to the power supplied by the system during the operating periods of the system, but can be stored during the storage periods. FIG. 4 shows part of a system which has a recuperator 27. This recuperator 27 is filled with heat-resistant material 28 with a high heat absorption capacity.
Hot combustion gases from a blast furnace or a combustion chamber 30 are fed to the recuperator through a line 35 and a valve 29. The furnace or combustion chamber 30 is supplied with fuel through a line 31. and also air by means of a fan 32 or a similar device. The hot gases give off heat to the material 28, which is arranged in the recuperator 27, and escape in the cooled state through a line 33 via a valve 3.1 from the recuperator 27.
The recuperator 27 is insulated and dimensioned for the pressure occurring in the accumulator. This shows that during the storage period when the valve 5 is closed, for example, atmospheric pressure prevails in the recuperator.
During the operating period, the valves 29 and 34 are closed and air enters the recuperator via valve 5. Through the valve 26, which can be regulated depending on the gas temperature upstream of the turbine 15, water is injected into the recuperator in such an amount that a temperature adapted to the material of the turbine blades is reached in front of the turbine, that is to say with the materials used today, a temperature between 700 and 800 C.
Corresponding to the subsequent cooling of the filler material 28 and to the drop in the temperature of the air leaving the recuperator, the temperature controller reduces the amount of water to be injected so that the temperature of the gas in front of the turbine is kept constant throughout the operating period. The heat capacity of the filler material 28 and the air capacity of the recuperator should be proportioned in such a way that they are adapted to one another.
Using a hekuperator has the advantage that any type of fuel, including solid fuel, can be used.