Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung elektrischer Energie und auf eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Bei der elektrischen Energieversorgung eines Verbraucher netzes aus thermischer und hydraulischer Primärenergie mittels Energieumwandler ist es üblich, den variablen Lei stungsbedarf der Verbraucherseite durch Teillastfahren der
Maschinen anzupassen.
Durch diese Leistungsanpassung für die Gewährleistung der
Netzstabilität ist die Auslastung insbesonders der Wärmekraftmaschinen eingeschränkt und somit deren Produktivität gering.
Um die Produktivität solcher Elektrizitätswerke mit thermischen Primärenergie-Erzeugern und Energieumwandlern zu steigern, ist es notwendig, solche Anlagen stets mit voller konstanter Anlageleistung betreiben zu können. Dazu müssten aber alle Laständerungen des von diesen gespeisten Verbrau chernetzes durch andere, im Netzversorgungsverbund mitar beitende Kraftwerke, möglichst solche mit nicht thermischen
Kraftwerken ausgefahren werden, wie dies technisch bereits durch das bekannte hydro-elektrische Pumpspeicherverfahren möglich ist.
Diesem Lastdeckungsverfahren des elektrischen Verbrau chernetzes mittels Pumpspeicherung stehen energiewirtschaft lich die hohen Energieumwandlungsverluste über das elektri sche Energie-System belastend entgegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen variablen Spitzenlast
Leistungsbedarf des Verbrauchernetzes mit einem Kraftwerk zu decken, in welchem die volle Anlage-Leistung der thermi schen Primärenergie-Erzeuger und -Energieumwandler auszu fahren möglich ist und die Energieumwandlung der thermischen Primärenergie in hydraulische zum Zwecke der hydro elektrischen Energieerzeugung variabler Leistung mit weniger
Umwandlungsverlusten und ohne Belastung des elektrischen tSbertragungs- und Umwandlungs-Systemes durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird beim Verfahren zur Erzeugung elektri scher Energie zur Speisung eines Verbrauchernetzes aus thermischer und hydraulischer Primärenergie mittels Energie Umwandlermaschinen erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein thermischer Primärenergie-Erzeuger und eine Wärmekraftmaschine mit voller, konstanter Anlageleistung arbeiten, bei diesen Blockleistung übersteigender elektrischer Energie Abgabe an das Verbrauchernetz eine hydro-elektrische Maschine die variable Zusatzleistung deckt, bei unter der erwähnten thermischen Blockleistung liegendem Leistungsbedarf des Verbrauchernetzes die überschüssige thermische Primärenergieproduktion über die Welle der thermischen Kraftmaschine zum Antrieb einer Speicherpumpe für die
Speisung eines hydraulischen Lagespeichers verwendet wird.
Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur Erzeu gung elektrischer Energie ist dadurch gekennzeichnet, dass der thermische Primärenergie-Erzeuger und die thermische Kraft maschine zusammen mit der hydraulischen Speicherpumpe und der hydro-elektrischen Maschine am Standort des Lager speichers eine gemeinsame, betriebs-autarke Kraft werkeinheit bilden, wobei die Antriebswelle der hydraulischen
Speicherpumpe direkt mit der Antriebswelle der thermischen
Kraftmaschine kuppelbar ist, so dass überschüssige Energie im thermischen Teil der Anlage unter Ausschaltung einer etektri schen Prozesskette in hydraulische Primärenergie umgewan delt werden kann.
Diese Massnahmen ermöglichen eine Reihe betrieblicher, sicherheitstechnischer, energiewirtschaftlicher und baulicher
Anlage-Vorteile gegenüber dem konventionellen System der elektrischen Energieerzeugung.
Die Erfindung ist in beiliegender Zeichnung schematisch vereinfacht in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und nachfolgend beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Energiefluss-Schema,
Fig. 2 zeigt den schematischen Vertikal-Schnitt durch die Kraftwerkanlage.
In der Darstellung sind die einzelnen Teile der Anlage und ihre zugehörenden Komponenten nur je in emer Einheit dargestellt. Sinngemäss können mehrere Einheiten vorhanden sein.
In Fig. 1 stellt R einen thermischen Primärenergie-Erzeuger dar, beispielsweise einen nuklearen Reaktor oder einen Kessel.
Die in R erzeugte thermische Energie wird mittels eines Arbeitsmittels, beispielsweise Wasser/Dampf oder Gas, einer thermischen Kraftmaschine Tt, beispielsweise einer Dampfoder Gasturbine über 2 zugeführt. Diese treibt einerseits einen elektrischen Generator Gt und andererseits über eine ausrückbare Wellen-Kupplung K eine Speicherpumpe P.
Dieser Wellenanschluss erfolgt zweckmässig über die verlängerte Welle von Gt.
Zum Hochfahren der Speicherpumpe P zwecks drehzahlgleichem Kuppeln an die ständig rotierende Welle der thermischen Kraftmaschine Tt ist auf der Pumpenwelle P eine hydraulische Anwurfsturbine Tp oder ein gleichwertiges Mittel angeordnet.
In der Betriebsperiode der aus Tt, Gt, K, Tp und P bestehenden Maschinengruppe C, wenn von dieser keine elektrische Energie an das Verbrauchernetz abgegeben wird, z. B. in der Schwachlastzeit, gewöhnlich nachts und über das Wochenende, ist der Generator Gt vom Versorgungsnetz V getrennt und läuft an der Antriebswelle der thermischen Kraftmaschine Tt leer mit. Die gesamte Leistung der Kraftmaschine Tt wird mechanisch an die Speicherpumpe P übertragen, welche damit Wasser aus dem unteren Lagespeicher Lu über Zulauf 11 und lla ansaugt und über den Druckschacht D-12 nach dem oberen Lagespeicher Lo als Lage-Energie fördert.
In der Betriebsperiode, in welcher das Versorgungsnetz V die Mitarbeit des Kraftwerkes zur Lastdeckung verlangt, springt zur Lastdeckung zuerst die für die elektrische Energieerzeugung variabler Leistung bekanntlich besonders geeignete hydro-elektrische Maschinengruppe B ein, die aus der hydraulischen Turbine Th mit Generator Gh besteht, welche ihre hydraulische Primärenergie aus dem Lage-Oberspeicher Lo über Druckschacht D-12 bezieht und das verarbeitete Wasser über Leitungen 10 und 11 zum unteren Lagerspeicher Lu abgibt.
Überschreitet der Leistungsbedarf des Verbrauchernetzes V die Leistung der hydraulischen Gruppe B, die einer thermischen Blockleistung A entspricht, wird die Speicherpumpe P von der Antriebswelle abgekuppelt und gleichzeitig auch Generator Gt zur elektrischen Energieerzeugng für die Versorgung des Verbrauchernetzes V herangezogen. Die Maschinengruppe A, die aus thermischer Turbine Tt und Generator Gt besteht, übernimmt nun die Grundlast des höheren Leistungsbedarfes und die weitere Deckung des variablen Lelstungsbedarfes oberhalb der Blockleistung der Gruppe A wird dauernd von der hydro-elektrischen Gruppe B ausgefahren.
Sinkt der Leistungsbedarf des Verbrauchernetzes V unter das Grundlastniveau der im Verbund mitarbeitenden anderen Grundlast-Kraftwerke, wird die Block-Gruppe A aus der Lastdeckung herausgenommen und durch Kupplung mit der Speicherpumpe P wieder zur Maschinengruppe C arbeitend geändert. Der noch zu deckende restliche Leistungsbedarf variabler Leistung des Versorgungsnetzes V wird solange weiter von der Gruppe B ausgefahren, bis auch diese aus der Lastdeckung herausgenommen werden kann.
Der beim Betriebswechsel der Maschinengruppe A auf C oder umgekehrt von C auf A sich ergebende, unerwünscht hohe Lastwechselsprung mit steilem Lastgradienten als Störfaktor auf die Netzlast-Stabilität des Versorgungsnetzes V wird stets mit Hilfe der hydro-elektrischen Maschinengruppe B ausgefahren.
Das Kuppeln und Inbetriebsetzen der Speicherpumpe P der Gruppe C wird in bekannter Weise vollzogen.
Denkbar ist, dass bei grossen Förderhöhenunterschieden durch Niveaudifferenzen in den beiden Lagespeichern Lo und Lu temporär die Speicherpumpe P bei konstanter Drehzahl die verfügbare Blockleistung von Tt nicht aufnimmt. Diese Anpassung kann entweder durch Drehzahl-Änderung der thermischen Turbine Tt erfolgen oder die überschüssige Differenzleistung kann während der Pumpzeit von Generator Gt der Gruppe A aufgenommen und als elektrische Leistung an das Versorgungsnetz V abgegeben werden.
Der Speicherraum LO setzt sich zusammen aus einem Tages-Umwälzvolumen LOT, einem Wochenendausgleich Volumen LOW und der Langzeit-Reserve LOL. Das Speichervolumen unterhalb der Trichter-Überlaufkante des Druckschachtes 12 ist das ständige Speicher-Grundvolumen, das für den Not-Kühlwasserbedarf reserviert bleibt, bzw. für das Sicherheitssystem der thermischen Anlage R.
Durch die Kombination der hydraulischen mit der thermischen Anlage wird die Notstromversorgung vereinfacht und die Sicherheit von R wesentlich erhöht dank der höheren Verfügbarkeit der hydraulischen Anlagekomponenten.
Die Wärmeabfuhr aus dem thermischen Arbeitsprozess lässt sich dadurch wesentlich vereinfachen, dass als Kühlwasser das Pumpwasser oder das verarbeitete Wasser der hydraulischen Turbinen zur Kondensator-Kühlung verwendet wird. Hierzu ist der Kondensator 4 im Unterwasserspeicher Lu angeordnet
Um das Speicherwasser nicht zu stark zu erwärmen, kann der grösste Teil der abzuführenden Wärme mit Kühlturm 18 an die Luft abgeführt werden. Um dennoch nicht auf die Vorteile der Frischwasserkühlung verzichten zu müssen, ist im Beispiel ein Kühlturm 18 angeordnet, welcher Kondensatwärme bei höheren Temperatur-Niveau an die Luft abgibt, während die Restkühlung auf das untere Temperaturniveau mit Frischwasser im Kondensator 4b mit Kühlwasser-Umlaul 22-23 vorgenommen wird.
Kombinierbar ist auch Rückkühlung nach Heller-Prinzip mit 4a angedeutet.
Eine mögliche Anordnung der gesamten Anlage ist in Fig. 2 gezeigt wobei die Hinweiszeichen denen im Energiefluss Schema der Fig. 1 entsprechen.
Wegen des erforderlichen Zulaufdruckes des Pumpwassers ist die Speicherpumpe P zuunterst angeordnet. Darüber befindet sich der Sammelkanal 10 für den Unterwasserabfluss der hydraulischen Turbinen Th. Darüber sind die Schieberkammern 6 und Generatorschächte 26 sowie Generator Gh und Turbine Tt angeordnet. 19 ist die Maschinenhalle mit Werkkran, 7 sind die Transformatoren zum Umspannen der elektrischen Energie von Maschinenspannung auf Transport-Oberspannung, die auf der Sammelschiene 9 über Schalter SCH.
im Gewölberaum 16 angeordnet, Stromzähler Z4 und Fortleitung 15 in das Verbrauchernetz V eingespeist wird. Mit 8 sind die Kommando- und Hilfsräume und mit 25 der Lift- und Entlüftungsschacht der Kavernenanlage angedeutet.
Aus sicherheitstechnischen Gründen ist die Reaktoranlage R in einer separaten Reaktor-Kaverne 17 angeordnet.
Anstelle vertikalachsiger Maschinengruppen A, B, C sind auch ebensolche horizontalachsige Konstruktionen anwendbar.
Auch können sie in mehrstöckiger Anlage in verschiedenen Lageebenen angeordnet werden. Zweckmässigerweise wird dann die Pumpengruppe C für den erforderlichen Pumpen Zulaufdruck möglichst in der tiefen Lageebene angeordnet.
Es kann bei sehr hoher thermischer Primärenergie-Blockleistung zum stufenweisen Einsatz oder Herausnahme aus der Netzlastdeckung V eine Blockleistungs-Teilung erwünscht sein. Das wird dadurch erreicht, dass die Einwellenturbine Tt durch Aufteilung seiner Gehäuse in eine Mehrwellenturbine Tt aufgelöst wird. Es kann dann jede dieser Wellen mit Generator Gt und Pumpe P zu Maschinengruppen A bzw. C kombiniert werden. Denkbar ist, dass die Turbine Tt auch zwischen Generator Gt und Pumpe P angeordnet ist, je mit einer ausrückbaren Kupplung K versehen.
Die besonders umweltbelastenden thermischen Spitzenlast Kraftverke durch umweltfreundlicher Atomkraftwerke auszutauschen, wird durch das beschriebene Verfahren ermöglicht, indem diese bisher nur für die Bandenenergieproduktion elektrischer Energie verwendbaren Atomkraftwerke, dadurch zu besonders wirtschaftlichen Spitzenlast-Kraftwerken genutzt werden können. Besonders wirtschaftliche Anlagen ergeben sich dann, wenn bereits bestehende Lagerspeicher als Voraussetzung für dieses Verfahren und Anlage genutzt werden.