DE2536447A1 - Anlage zur speicherung von energie eines elektrischen versorgungsnetzes mittels druckluft und zur wiederverwertung derselben - Google Patents

Anlage zur speicherung von energie eines elektrischen versorgungsnetzes mittels druckluft und zur wiederverwertung derselben

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DE2536447A1 DE19752536447 DE2536447A DE2536447A1 DE 2536447 A1 DE2536447 A1 DE 2536447A1 DE 19752536447 DE19752536447 DE 19752536447 DE 2536447 A DE2536447 A DE 2536447A DE 2536447 A1 DE2536447 A1 DE 2536447A1
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Description

Gebrüder S_ u 1 ν, e_ r_ Ak _t i enge sell schaft, Wintertbur.. _Qchy:ei'
Anlage zur Speicherung von Energie eines elektrischen Versorgungsnetzes mittels Druckluft und 2ur Wiederverwertung derselben.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Speicherung von Energie eines elektrischen Versorgungsnetzes mittels Druckluft und zur V/iederverwertung derselben während Belastungsspitzen des Netzes, welche eine Kompressorengruppe, die aus mindestens zwei über Zwischenkühler hintereinander geschalteten und miteinander gekuppelten mehrstufigen I'urbokompressoren besteht, und ferner eine elektrische Maschine, welche entweder beim Laden eines Druckluftspeichers als Motor zum Antrieb der Kompressorengruppe oder beim Entladen des Speichers als Generator zur Speisung des elektrischen Netzes dient, und ausserdem eine an die elektrische Maschine an- und von ihr abkuppelbare Gasturbine zum Antrieb der elektrischen Maschine unter Ausnutzung der gespeicherten Druckluft aufweist.
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Speicheranlagen der genannten Gattung dienen hauptsächlich zurr; sofortigen Ausgleich rasch erfolgender Belastungsändcrungen in grossen elektrischen Versorgungsnetzen, solange bis die Leistung der Grundlastverke einer veränderten Belastungssituation angepasst werden kann. Während des Anfahrens solcher Anlagen zum Speicherbetrieb musste bisher die von der Kompressorengruppe noch nicht auf Speicherdruck verdichtete Luft über Drosselorgan^ ins Freie abgeblasen werden, was für die Umgebung zu einer unzumutbaren Lärmbelästigung führte. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, solchen Lärm zu verhüten und gleichzeitig die dem Netz entnommene Leistung bis zur Erreichung des Speicherdrucks zum Aufladen und ferner die Leerlaufleistung ausserhalb der Ladezeit möglichst klein zu halten.
Hierzu schlägt die Erfindung vor, dass mindestens der Kompressor niedrigsten Drucks eine Leitung zur Umführung von ihm geförderter Luft von seinem Austrittsende über den auf ihn folgenden Zwischenkühler an sein Eintrittssende besitzt, und dass ferner in dieser Umführungsleitung — zwischen dem Austrittsende des Kompressors und dem Eintritt in den Zwischenkühler — ein Drosselorgan eingebaut ist.
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In dor Zufuhrleitung zum Turbokomnressor njedrigster Stufe kann ein Abschlussorgan eingebaut sein. Der Turbokompressor niedrigster Stufe kann überdies mit einstellbaren Leitschaufel!! ausgerüstet sein. Mindestens auch ein Turbokompressor höherer Druckstufe kann mit einer Umführung nie it ung ausgerüstet sein, welche von Austrittsende des Kompressors über ein Drosselorgan und den dem Kompressor folgenden Zwischenkühler zu seinem Eintrittseride führt. Das Austrittsende des letzten Turbokompressors kann mittels einer Umführungsleitung über einen Endkühler und ein nachfolgendes Drosselorgan mit seinem Eintrittsende verbunden sein.
Reduktion der Anfahr- und Leerlaufleistung ist in Verbindung mit Lärmvermeidung die Hauptaufgabe der Erfindung.
Einige Beispiele des Erfindungsgegenstandes sind auf der Zeichnung schematisch dargestellt.
Fig. 1 veranschaulicht ein erstes Beispiel mit einer zweistufigen Kompressorenanlage und
Fig. 2 ein ähnliches Beispiel, jedoch mit einer etwas geänderten Schaltung des Zwischenkühlers.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel mit einer dreistufigen Kompressorenanlage und
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Fig. 4 ein ähnliches Beispiel mit einer etwas geänderten Schaltung der Zwischenkühler.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Energie-Speicheranlagen dienen zum Ausgleich von rasch entstehenden und kurzzeitigen Belastungsschv/ankungen in einem in der Zeichnung nur schematisch angedeuteten elektrischen Versorgungsnetz 1. Solche Netze sind durch eine Leitung 2 mit einer elektrischen Maschine EM der Speicheranlage verbunden. Bei Energiespeicherung wirkt die elektrische Maschine als Motor und bei Abgabe gespeicherter Energie als Generator. Ueber eine Kupplung 3 ist diese elektrische Maschine EM mit einer Kompressorengruppe 4 im Stillstand lösbar verbunden. Sie dient zur Verdichtung durch die Zufuhrleitung 5 aus der Atmosphäre angesaugter Luft, die in verdichtetem Zustand über die Leitung 6 in einen Speicherraum S geführt wird. Der Speicherraum kann z.B. durch eine natürliche oder eine künstlich hergestellte Kaverne im Boden oder im Gebirge gebildet sein. Bei kleineren Anlagen könnten auch Druckluftbehälter zur Verwendung kommen. Für die Speicherung kommen Drücke von 30 bis 50 at und noch höher, z.B. bis 100 at, zur Anwendung. Die elektrische Maschine EM ist ausserdem über eine Kupplung 7 mit einer Gasturbine GT ein- und auskuppelbar verbunden. Bei Schaltung als Generator kann die elektrische Maschine EM Energie der gespeicherten Druckluft an das Netz 1 übertragen. Die Gasturbine GT erhält durch die
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Leitung 8 aus clem Speicherraum S Druckluft zugeführt, die zv/eckmässig zunächst in einer Brennkammer 9 zur Erzeugung hoch erhitzter Gase dient, um die dem Netz- zuführbr.re Energie zu erhöhen. Die Abgase der Turbine gelangen über die Leitung 10 ins Breie. Der Sp ei eher raum S v/ird vorteilhaft über eine Leitung 11 (Fig. 1 und 2) mit einem höher liegenden natürlichen oder künstlichen Gev/ässer 12 verbunden, So wird es möglich, den Speicherdruck bis zur vollständigen Entladung praktisch konstant zu halten. Der Speicherdruck entspricht somit dem Höhenunterschied zwischen den Spiegeln 0 bzw. II im Gewässer 12 und im Speicher S.
Die Kompressorengruppen 4 der Speicheranlagen (Fig. 1 und 2) besitzen einen Niederdruckkompressor ND und einen Hochdruckkompressor HD. Der Niederdruckkompressor ist mit einstellbaren Leitschaufeln 13 ausgerüstet, die zusätzlich zur geeigneten Einstellung der Förderleistung bzw. der von der Kompressorengruppe aufgenommenen Antriebsleistung beitragen. Zur Kühlung der zum Hochdruckkompressor HD strömenden Luft dient der Zwischenkühler 14.
Bei einer Kompressorengruppe 4 (Fig. 3 und 4) mit drei Stufenkompressoren ND, MD und HD ist zwischen dem Niederdruckkompressor ND und dem Mitteldruckkompressor MD und ferner zwischen dem Mitteldruckkompressor MD und dem Hochdruckkompressor HD je ein Zwischenkühler 24 bzw. 25
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angeordnet. Zur Herstellung eines Kreislaufs lässt sich mittels der Umführung^leitungen 32 bzw. 35 bzw. 31 das Austrittscndo eines jeden der Kompressoren KD, MD, HD mit seinem Eir.«trittsende über ein· η der beiden Zwischenkühler 24 bzw. 25 verbinden. Die im Kreislauf umströmende Menge und damit der Druckanstieg .π·ι Kompressor in der betreff enden Stufe können durch die Drosselorgan 26, 28 bzw. 27, 29 bzw. 30 nach Bedarf eingestellt werden. Mit dieser Schaltung lässt sich für alle drei Kompressoren wie mit den in den Fig. 1 und 2 für zwei Kompressoren gezeigten Schaltungen das Druckniveau in der Kompressorengruppe beeinflussen.
Um die Anfahr- und die Leerlaufleistung der Kompressorengruppe zu vermindern, ist die Förderseite des Turbokompressors ND (Fig. 1 bis 4) erster Stufe mit dem Zwischenkühler 14 bzw. 24 über eine Leitung 16 bzw. 43 mit je einem Drosselorgan 17 bzw. 26 und der Zwischenkühler 14 bzw. 24 über eine Leitung 18 bzw. 32 mit dem Eintrittsende des Turbokompressors ND verbunden. Auch in die Leitungen 18 bzw. 32 können Drosselorgane 19 bzw. 28 eingebaut sein. Ausserdem ist das Austrittsende des Turbokompressors HD (Fig. 1, 3 und 4) über eine Leitung 20 mit einem Drosselorgan 23 (Fig. 1) bzw. 30 (Fig. 3 und 4) mit dem Zwischenkühler 14 bzw. 25 und dieser über eine Leitung 42 mit dem Eintrittsende des Turbokompressors HD verbunden. Zudem ist
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der Zwischenkühler 14 b;-;v;. 24 (Fig. 1 bis A) auch rr,j htels der Leitung 18 baw. 32 über ein als Abblaseventil wirkendes Drosselorgan 19 bzw. 28 mit dem Eintrittsoruu; des Kompressors KD verbunden. Die Förderleitung 20 der Kompresr'orongruppe 4 ist über ein Rückcchlagorgan 21 cn die Zuführleitung 6 des Spoicherraums S angeschlossen. Das RückscMag·- organ 21 ist beim Anfahren sowie im Leerlauf geschlossen und öffnet erst, wenn in der Förderleitung 20 der Druck des Speichers B über schritter, wird, εο dass dann die Aufladung des Speichers beginnen kann. Ein Absperrorgan 15 kann im geschlossenen Zustand eine Zufuhr von frischer Luft aus der Atmosphäre oder ein rückwärtiges Austreten von Luft aus der Kompressorengruppe ins Freie verhüten.
Beim Anfahren und während des Leerlaufbetriebes der Kompressorengruppe 4 wird durch den Turbokompressor ND niedrigster Stufe und die zugeordnete Umführungsleitung 16, 18 (Fig. 1 und 2) bzw. 43, 32 (Fig. 3 und 4), welche die Enden des Kompressors ND miteinander verbindet, ein mittels des Drosselorgans 17 (Fig. 1 und 2) bzw. 26 (Fig. 3 und 4) geregelter und durch den Zwischenkühler 14 (Fig. 1 und 2) bzw. 24 (Fig. 3 und 4) gekühlter Kreislauf aufrecht erhalten. Bei geeigneter Einstellung des Drosselorgans lässt sich die Anfahr- bzw. die Leerlaufleistung wesentlich vermindern.
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Zusätzlich können auch durch die Kompressoren höherer Stufen HD (Fig. 1 bin 4) und MD (Fig. 3 und 4) über die Urnführungslaituncon 2O5 22, 42 (Fig. 1 und 2) bzw. 20, 31, 42 und 44, 35, 36 (Fig. 3 und 4) mittels der Drosselorgane 23 (Fig, 1 und 2) bzvr. 30 und 27 (Flg. 3 und 4) geregelte und durch den Zwischenkühler 14 (Fig. 1) bzw. den Endkühler 31 (Fig. 2) bzw. die Zwischenkühl or 25 und 24 (Fig. 3 und 4) gekühlte Kreisläufe zur weiteren Verminderung der Anfahr- und Leerlaufleistung aufrechterhalten werden. Wenn auch noch das Absperrorgan 15 abgeschlossen wird, kann mindestens der Kreislauf durch den Niederdruckkompressor ND unter den Atmosphärendruck gesenkt werden. Auch der Druckverlauf in den Kreisläufen durch die Kompressoren höheren Drucks kann durch geeignete Einstellung der Drosselorgane 23 (Fig. 1 und 2) bzw. 30, 29 (Fig. 3 und 4)
in einem entsprechenden Mass (gegebenenfalls bis unter den Atmosphärendruck) gesenkt werden. Eine weitere zusätzliche Senkung der Leistungsaufnahme wird unter Vermeiden der Unterschreitung der Pumpgrenze durch geeignete Einstellung der drehbaren Leitschaufeln 13 erzielt.
Hierdurch wird es möglich, die Leistung für das An- und Hochfahren und auch für einen längeren Leerlaufbetrieb ohne Abblasen in die Atmosphäre auf einen geringen Teil der vollen Kompressorenleistung zu vermindern.
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Beim Anfahren der Komprcrjsorenanlnge (z.B. mit Hilfe der Gasturbine! über die Kupplungen 7 und 3) gegen den aiii Hückschlngorgan 21 sich einstellenden Gegendruck wird über das regelbare Drosselorgan 17 (Fig. 1 und 2) li,v.i. 26 (Fig. 3 und A) und don Kühler 14 bzw. 2Ί ein gedrosselter Kreislauf eingestellt. Ist das Abschlussorgan 15 vollständig geschlossen und die Leitschaufeln 13 auf kleinsten Durchflussquerschnitt eingestellt, so vircl sich in den einzelnen Stufen der Kompressorenanlago zunächst bis zum (infolge Speiehergegendrucks geschlossenen) Rückschlagorgan 21 zu Beginn der Förderleitung 6 ein Druckanstieg einstellen. Da aber das Absperrorgan 15 weiter geschlossen bleibt, richtet sich dieser Druckanstieg in den einseinen Stufen der Kompressorengruppe nach den Leckagen durch die Stopfbüchslabyrinthe der einzelnen Kompressoren. Am Eintritt in den Kompressor niedrigster Stufe wird sich ein beachtlicher Unterdruck einstellen. Die Zwischendrücke zwischen den einzelnen Kompressoren können mit Hilfe der Drosselorgane in den Umführungsleitungen eingestellt v/erden. Bei dem am Eintritt des Niederdruckkompressors entstehenden Unterdruck wird die zum Antrieb der Kompressorengruppe aufzubringende Leistung nur einen unbedeutenden Bruchteil der vollen Kompressorladeleistung ausmachen. Diese LeerlaufIeistung wird grösstenteils durch Kompression, Turbulenz an den Drosselstellen und Reibung in Wärme umgesetzt, welche durch die Zwischenkühler abgeführt wird. Die Kompressorengruppe kann
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so ohne bo ac) «bliche VeiOuste ständig mit voller Drchsabl in Batrieb gehalten werden, so d:;cs bei einsetzendem Mangel an Leistung im elektrischen Hetz die Speicheranlage in kürzester Zelt zur Ericrgioorr-r-ur/o.iig bereit ist. Während dP-G Leerlauf betrieben» 1'an.vi eine günstigste Verteilung des Druckverlaufs in jeder einzelnen Stufe der Kompressorengruppe durch dio Drosselorgane 17, 19, 23 und 26 biß 30 in den Stufenkreisläufen eingestellt werden. Dio im Unterdruckgebiet durch die Stopfbüchsen eingesaugte Luft entweicht wieder grösstenteils durch die ,'!topfbüchsen in den Stufen mit überatmosphärischem Druck.
Zum Uebergang auf Speieherladung aus dem Leerlaufbetrieb kann die Gasturbine GT mittels der Kupplung 7 von der elektrischen Maschine EM losgekuppelt v/erden und die Kompressorengruppe bei geöffnetem Abschlussorgan 15 und ge schlossenen Drosselorganen in den Kreisiaufleitungen auf Förderbetrieb gebracht werden. Dabei wird entsprechend der sich steigernden Kompressionsleistung auch die aus dem Netz 1 durch die Leitung 2 der elektrischen Maschine zugeführte Energie ansteigen.
Nach vollständiger Ladung des Speichers kann wiederum zum Leerlaufbetrieb der Kompressorenanlage übergegangen werden. Dabei wird die Kompressorengruppe durch die elektrische Maschine allein auf Drehzahl gehalten. Die Gasturbine GT verbleibt im Stillstand.
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Entf;tobt im elektrisch:·)! TTeIz 1 c:ln Mangel an Leistung, kann die Gasturbine GT in kürze'.--i'or Zeit auf BetrioLr.drehzahl ho clip/: fahren worden und toi Erreichen der rsynehrondreh;,ahl durch die Kupplung 7 nit dem elektrischen J-Jutor gekuppelt v/crdon. Durch Steigerung der Ga:-- tuTbJnf.Tileistung wird mm von der elektrischen Maschine dem Hut ζ Energie zugeführt. Wegen der gerin^on Leerlaufleistung der Kbinpressoren.p'uppe braucht sie auch, während des Entladebetrit-ibß der Speicheranlage nicht von der elektrischen Maschine gelöst zu werden, so dass sie für die nach Abschluss des Entladebetriebes wieder notwendige Ergänzung der Speicherladung mit Syncbrondrehsahl schon bereit ist. Ein Eintritt des Kornpr-essorbetriebes einerseits ins Pumpgebiet und anderseits ins Gebiet des Choking kann weitgehend durch geeignete Kombination der Einstellung der Drosselorgane verhütet werden. Hierzu kann auch eine geeignete Einstellung der Leitschaufeln im Kompressor ND beitragen.
Die ausrückbare Zahnkupplung 7 zwischen der Gas turbine GT und der elektrischen Maschine kann mit magnetischer Synchronisierung versehen sein. Sie ermöglicht, die schon mit dem Netz laufende elektrische Maschine mit der laufenden Turbine im Betrieb zu kuppeln. Schwerer fällt es, die laufende elektrische Maschine mit der Kompressorengruppe zu kuppeln. Es empfiehlt sich daher, eine — im Stillstand lösbare — mechanische Kupplung 3 zu verwenden und diese nur in aussergewöhnlichen Fällen zu lösen.
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Claims (6)

  1. Patentansprü.che
    Anlc3ge zur Speicherung von Energie eines elektrischen Versorgungsnetzes mittels Druckluft und zur Wiederverwertung derselben während Belastungsspitzen des Netzes, welche eine Kompressorengruppe, die aus mindestens zwei über Zwischenkühler hintereinander geschalteten und miteinander gekuppelten mehrstufigen Turbokompressoren besteht, und ferner eine elektrische Maschine, welche entweder beim Laden eines Druckluftspeichers als Motor zum Antrieb der Kompressorengruppe oder beim Entladen des Speichers als Generator zur Speisung des elektrischen Netzes dient, und ausserdem eine an die elektrische Maschine an- und von ihr abkuppelbare Gasturbine zum Antrieb der elektrischen Maschine unter Ausnützung der gespeicherten Druckluft aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Kompressor ND niedrigsten Drucks eine Leitung (16, 18, Fig. 1 und 2; 43, 32, Fig. 3 und 4) zur Umführung von ihm geförderter Luft von seinem Austrittsende über den auf ihn folgenden Zwischenkühler (14, Fig. 1 und 2; 24, Fig. 3 und 4) an sein Eintrittsende besitzt, und dass ferner in dieser Umführungsleitung — zwischen dem Austrittsende des Kompressors und dem Eintritt in den Zwischenkühler — ein Drosselorgan (17, Fig. 1 und 2; 26, Fig. 3 und 4) eingebaut ist.
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  2. 2. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dor Zuführleitung (5) zum Turbokompressor (ND) niedrigster Stufe ein Abschlussorgan (15) eingebaut ist.
  3. 3. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Turbokompressor (ND) niedrigster Stufe mit einstellbaren Leitschaufeln (13) ausgerüstet ist.
  4. 4. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens auch ein Turbokompressor höherer Stufe (MD, Fig. 4) eine UmfUhrungsleitung (44, 35, 36, Fig. 4) aufweist, welche von seinem Austrittsende über ein Drosselorgan (27, Fig. 4) und den dem Turbokompressor folgenden Zwischenkühler (25, Fig. 4) zu seinem Eintrittsende führt (Fig. 4).
  5. 5. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Turbokompressor höherer Stufe (HD, Fig. 1; MD, HD, Fig. 3) eine ümführungsleitung (20, 22, 42, Fig. 1; 44, 35, 36,
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    bzw. 20, 31, 42, Fig. 3) aufweist, v/slehe vom Austrittsende des Turbokornpressors über ein Drosselorgan (23, Fig. 1$ 27, 29 bzw. 30, Fig. 3) und den dem Turbokornpressor vorangehenden Zwischenkühler '(14, Pig. 1; 24 bzw. 25, Fig. 3) zu seinem Eintrittsendo führt (Fig. 3).
  6. 6. Anlage zur Speicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Austrittsende des letzten Stufenkompressors (ITD, Fig. 2) mittels einer Umführungsleitung (20, 22) über einen Endkühler (31) und ein nachfolgendes Drosselorgan (23) mit seinem Eintrittsende verbunden ist (Fig. 2).
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    A"
    Leerseite
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Date Code Title Description
8230 Patent withdrawn