DE940683C

DE940683C - Gasturbinenanlage

Info

Publication number: DE940683C
Application number: DED9771A
Authority: DE
Inventors: Bozidar D Djordjevitch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-11-04
Filing date: 1951-07-10
Publication date: 1956-03-22
Also published as: CH329159A; GB772283A; FR1048468A; BE541077A; NL84772C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Gasturbinenanlagen und bezweckt mit Hilfe solcher Anlagen Energie auf Entfernung zu übertragen und zu speichern oder nur zu speichern. Dies ist mit den bisher bekannten Gasturbinenanlagen nicht möglich.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß bei Gasturbinenanlagen, welche in an sich bekannter Weise aus mindestens je einer Luftverdichtungs vor richtung, einer Erhitzungsvorrichtung und einer Gasturbine bestehen, zwischen einer isothermischen Luftverdichtungsvorrichtung und der Erhitzungsvorrichtung ein oder mehrere Luftspeicher angeordnet sind. Die Luftspeicher können

z. B. von Behältern gebildet werden. Will man Energie auf Entfernung übertragen, so können erfindungsgemäß die Leitungen zwischen Luftverdichtungsvorrichtung und Erhitzungsvorrichtung in gleicher Zeit auch als Luftspeicher dienen.

Für die Erhitzung können feste, flüssige oder gasförmige Brennstoffe angewendet werden. Bei Verwendung gasförmiger Brennstoffe sind zweckmäßig zwischen Gasverdichtungsvorrichtung und Erhitzungsvorrichtung ein oder mehrere Gasspeicher angeordnet. Die Leitungen zwischen Gasverdichtungsvorrichtung und Erhitzungsvorrichtung können ebenfalls als Gasspeicher dienen.

Für den Fall einer Energieübertragung wird nach dieser Erfindung, anstatt der bisherigen Weise, wonach mechanische Energie auf Entfer-

nung mittels deren Umwandlung in elektrische Energie übertragen wurde, die Energie zur isothermischer Komprimierung der Luft verwendet; die komprimierte Luft wird gespeichert und auf Entfernung übertragen, um auf entfernten Orten, durch Unwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, mechanische Energie zu gewinnen. Die Vorteile dieser neuen Art der Übertragung von Energie gegenüber der bisher üblichen elekirischen Art sind zahlreich und groß.

Die für die Erzeugung und Übertragung der Energie erforderlichen Investitionen werden bedeutend reduziert.

Hierbei werden Energieverluste gleichfalls herabgesetzt wie auch die Brennstoffmenge, im Fall, daß Energie in einer thermischen Zentrale erzeugt wird, abgesehen von der erwähnten Energieverlustverminderung.

Es wird mit Hinsicht auf praktisch' erzielte Resultate eine sehr nützliche Speicherung von Energie, samt allen ihren großen technischen und wirtschaftlichen Vorteilen, ermöglicht, was im Fall einer elektrischen Übertragung unmöglich ist.

Ohne irgendwelche Komplikationen ist ein paralleles Arbeiten einer beliebig großen Anzahl verschiedenartiger auf thermischer oder hydraulischer Energie, Energie von Wind, Flut und Ebbe usw. beruhender Energiequellen ermöglicht, und zwar ungeachtet dessen, auf welchen Stellen und in welchen Entfernungen sich die erwähnten verschiedenen Energiequellen befinden sowie auch ohne Rücksicht auf die Lagen und Entfernungen von Orten der Energieverwendung.

Durch diese Art der Übertragung wird, im Vergleich zur elektrischen Übertragung, eine größere Sicherheit im Funktionieren erreicht.

Die Gasturbinenanlage, welche Gegenstand dieser Erfindung ist, sollte im Fall der Übertragung von Energie auf Entfernung derart konstruiert sein, daß am Ort der Quelle der Energie, welche man zu übertragen wünscht, ein isothermischer Kompressor aufgestellt wird, der diese mechanische oder hydraulische Energie in komprimierte Luft umwandelt. Die im Kompressor erzeugte komprimierte Luft wird weiter bis zur Gasturbine am Ort der Energieverwendung übertragen, wozu der erwähnte Kompressor mit der am Ort der Energieverwendung, d. h. vom Kompressor weit entfernt aufgestellten Gasturbinen mittels eines' oder mehrerer Rohre verbunden wird. Diese Entferntang kann hunderte, je nach Bedarf auch" tausende von Kilometern ausmachen. Die komprimierte Luft geht nach vorheriger Erwärmung im Rekuperator am Ort der Energieverwendung in die Brennkammer über, wo sie zum Teil zum Verbrennen des verwendeten Brennmaterials dient, sich weiter erwärmt und mit den Abgasen mischt, um danach eine oder mehrere in Reihen geschaltete Turbinen, zwecks Expansionen in einer oder- in mehreren Stufen und zwecks zwischenstufiger Erwärmung in entsprechenden Brennkammern, zu durchströmen. In diesem thermodynamisch'en Prozeß von aufeinanderfolgenden Expansionen und wiederholten Erwärmungen wird Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, wobei letztere der Menge nach größer ist als die Energie, welche an der Quelle der Energie zur Komprimierung der Luft dient. Durch Abzweigung von Rohren, welche vom Kompressor ausgehen, kann die Luft mehreren verschieden entfernten Stellen zugeleitet werden, um dort nach Bedarf verschiedene Energiemengen verfügbar zu haben. Es kann aber auch gleichzeitig mittels solcher Rohrabzweigungen komprimierte Luft von anderen Energiequellen in das gemeinsame Rohr oder in das gemeinsame Rohrnetz eingeführt -75 werden. Die an der Welle der Gasturbine gewonnene Kraft kann mittels elektrischen Generators in elektrische* Energie z. B. zwecks Verteilung auf kleine Verbrauchstellen umgewandelt werden.

Das Volumen der Rohre zwischen dem Kornpressor und der Gasturbine wird gewöhnlich groß sein. Bei der Übertragung der komprimierten Luft kommt es zu einem gewissen Druckverlust, so daß der Druck, auf welchen die Luft in der Sendestation komprimiert wird, vor der Turbine nach Passieren der Rohre kleiner wird. In den Stunden des niedrigen Verbrauches und im Fall, daß die Verdichtungsvorrichtung ungeänderte komprimierte Luftmengen liefert, wie das normal und günstig wäre, steigt der Druck vor der Turbine und wird genug die komprimierte Luft in dem Rohr gespeichert, um nachher in den Stunden großer Belastung nach Bedarf ausgenutzt zu werden.

Auf diese Weise dient das zur Übertragung der komprimierten Luft bestimmte Rohr bzw. das ganze Rohrnetz als ein zweckmäßiger großer Energiespeicher. Dank dieser Speicherung wird diese Luftverdichtungsvorrichtung bzw. werden die Luftverdichtungsvorrichtungen an der Quelle der zu übertragenden Energie entweder ständig unter voller Belastung arbeiten können, was meistens als das Günstigste sowohl hinsichtlich der großen Herabsetzung der Leistungen der Luftverdichtungsvorrichtungen an der Quelle als auch mit Rücksicht auf die Erzielung des größten Nutzeffektes sein wird, oder aber mit einer derartig schwankenden Leistung, wie sie die an der Stelle der Energiequelle herrschenden Bedingungen hervorrufen, da hydraulische Energie, Windenergie, Energie von Flut und Ebbe usw. gemeinhin schwanken. Anderseits werden die Gasturbinen an der Stelle der Energieverwendung im Gewicht und im Volumen relativ klein, nachdem bei ihnen gemäß dieser Erfindung jede Komprimierung von Luft wegfällt, und außerdem können sie den schwankenden Belastungen günstig angepaßt werden.

Das Rohr für die Übertragung der komprimierten Luft und" für deren Speicherung würde in die Erde gelegt werden. Es ist klar, daß ein sicheres Funktionieren der Übertragung leichter zu gewährleisten wäre als im Fall von elektrischer Übertragung.

In Fig.. ι ist eine Gasturbinenanlage im normalen Fall der Übertragung mechanischer Energie gezeigt. Der isothermische Kompressor ist mit 2

bezeichnet und wird an der Quelle der mechanischen Energie etwa durch eine Turbine oder einen Motor ι angetrieben. Es sind weiter bezeichnet: das zur Übertragung "und zur Speicherung der komprimierten Luft bestimmte Rohr mit 3, die Brennkammer für Lufterwärmung und Mischen der Luft mit Abgasen mit 5, 7 und 9, der Rekuperator für vorläufige Erwärmung mit 4, die dreistufige Expansionsturbine mit 6, 8 und 10 (die Expansionsturbine kann mit ein- oder mehrstufig sein), der elektrische Generator mit 11 und die Brennstoffzufuhr in gasförmigem, flüssigem oder als Staub zubereitetem festem Zustand mit 12.

Die Fig. 2 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Übertragung und Verteilung der Energie mehrerer Quellen und mit mehreren Stellen für deren Verwendung. Die Quellen und Verdichtungsvorrichtungen sind mit 1 und 2 bezeichnet und Gasturbinen am Ort der Verwendung mit 6, 8 und 10.

Diese Erfindung kann für Übertragungen in allen jenen Fällen nützlich angewendet werden, wo bis heute Übertragungen und Verteilung von Energie auf elektrischem Wege bewerkstelligt wurde, mit Ausnahme von Fällen der Verteilung geringer Energiemengen, beispielsweise von 1000 kVA und darunter. Das heißt ungefähr für Übertragungs- und Verteilungsfälle, welche heute mit einer Hochspannung von 6 kV an aufwärts erfolgen.

Für den Fall, daß man Energie ohne Übertragung speichert, wird komprimierte Luft ganz oder zum Teil gespeichert, was praktisch der Speicherung von Energie äquivalent ist. Als Folge der Speicherung ergibt sich die Möglichkeit, für gleiche Belastungen sowohl die Verdichtungsvorrichtungsteile als auch den Turbinenteil für geringere Leistung zu bemessen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Luft nicht sofort nach der Komprimierung, sondern erst dann, wenn es vorteilhaft ist, verwendet wird, ferner, daß die zur Luftverdichtung erforderliche Kraft nicht starr an die Kraft der Belastung gebunden ist, sondern ganz unabhängig von derselben schwankend sein kann, wobei dieselbe außerdem aus einer beliebigen günstigen Quelle herrühren kann. Durch die Speicherung der komprimierten Luft kann auch eine Energierückgewinnung in jenen Fällen, wo es möglich ist, wie z. B. bei Talfahrten von Eisenbahnlokomotiven, erfolgen.

Die Anwendung der Energiespeicherung nach dieser Erfindung kommt in Betracht für alle elektrische Zentralen mit schwankender Belastung, wo Energie mit oder ohne Übertragung auf Entfernung gespeichert wird, weiter zur Deckung von Spitzenbelastungen in allen elektrischen Netzen, in Fällen der Ausnutzung schwankender Kräfte, wie z. B. bei der Ausnutzung von Flut und Ebbe, von Windenergie, von Überschüssen hydraulischer Energie, für Fahrzeuge, auf welche schwankende Antriebskraft in Betracht kommt und auf welchen gemäß dieser Erfindung in nützlicher Weise die Energiegewinnung auf Gefällen und beim Anhalten vorgenommen werden kann. Auf Grund der Energiespeicherung kann man auch neuartige, thermisch bzw. hydraulisch betriebene elektrische Zentralen errichten.

Die Vorteile in allen diesen Anwendungen der Energiespeicherungen sind geringere Investierungskosten, Brennstoffersparnis, besserer Wirkungsgrad bei Ausnutzung hydraulischer Kräfte und zuverlässige Arbeitsweise.

Fig. 3 stellt einen Fall von Energiespeicherung ohne Übertragung mit dem einfachsten Arbeitsschema dar. Der Antriebsmotor für den Kompressor 2 ist mit ι bezeichnet. Anstatt der Kraft dieses Motors kann auch ein Teil der Turbinenkraft selbst ausgenutzt werden, in welchem Fall der Antriebsmotor wegfällt und der Kompressor auf einer gemeinsamen Welle mit den Turbinen angeordnet ist. Der Energiespeicher ist mit 13 bezeichnet. Andere Bezeichnungen sind wie in den vorangehenden Figuren, die Nummer 5 ausgenommen, die einen mehrstufigen Lufterhitzer darstellt.

In der Fig. 4 ist ein Beispiel der Einschaltung des Speichers in einem etwas mehr komplizierten Arbeitsschema mit Speicherung ohne Übertragung wiedergegeben. Die Bezeichnungen sind dieselben wie in der Fig. 3, mit dem Unterschied, daß hier auch ein mit 14 bezeichneter Hochdruckkompressor, ein automatischer Druckregler 15 und ein automatisches Ventil 16 vorgesehen sind.

Um die Wirkungsweise der Schaltungen nach den Fig. 3 und 4 zu erklären, sei angenommen, daß zum Komprimieren Turbokompressoren, welche für Komprimierung auf einen beständigen Druck unveränderliche Drehzahl und Leistung erfordern und unter diesen Bedingungen eine unveränderliche Luftmenge komprimieren, verwendet werden.

Laut in Fig. 3 gegebenem Schema muß die für den Kompressor zur Verfügung stehende Leistung unveränderlich sein, während die im elektrischen Generator erhaltene Kraft unveränderlich oder beliebig veränderlich sein kann, und zwar unter der einzigen Bedingung, daß die in einer Periode des Belastungsdiagramms z. B. für die Zeit von 24 Stunden verbrauchte Komprimierungsenergie infolge des thermodynamischen Prozesses gewissermaßen vergrößert, der Belastungsenergie samt allen Verlusten gleich ist.

Der sich unter ständiger voller Belastung befindliche Kompressor 2 komprimiert die Luft in dem Speicher 13 unter dem Druck p_r Die Speisung der Turbine erfolgt entweder unter einem Druck, welcher VOn^₁ bis zu einem niedrigeren Druck ^₂ schwankt, wobei der Druck p₂ entsprechend dem Speicherdruck P₁ gewählt wird, oder unter dem ständigen Druck P₁, welcher durch eine Einrichtung im Speicher ungeachtet der Abnahme und der Zufuhr von Luft, automatisch aufrechterhalten wird, oder aber unter einem ständigen niedrigeren Druck p₂, welcher gleichfalls mit Hilfe eines automatischen Reglers 15 (Fig. 4) aufrechterhalten werden kann.

" Für den"'Fäll, daß die'verfügbare "Komprimierungskraft veränderlich ist, sollte¹ der Kompressor mit seinem Antriebsmotor auf einer Welle mit der Turbine angeordnet werden, um vermittels der Kombinierung der schwankenden Kraft des Antriebsmotors und der schwankenden" Kraft" der Turbine immer automatisch eine beständige Kraft für den Kompressor und die im Moment notwendige Belastungskraft zu gewährleisten. Man könnte

ίο auch ■ ohne die fremde Komprimierungskraft arbeiten] in welchem Fall auch der Antriebsmotor zur Komprimierung wegfallen würde. Falls es aus irgendwelchem Grunde unzweckmäßig ist, alle vorerwähnten Maschinen auf einer Welle anzuordnen, so könnte die gemeinsame Welle des Antriebsmotors und des Kompressors auf irgendeine Weise .mechanisch mit der Turbinenwelle verbunden werden. Diese Kupplung könnte auch elektrisch seih. In" diesem Fall würde " man den Antriebsmotor, z. B. einen Dreiphasen-Synchron-Motorgenerator, auf eine Welle mit dem Kompressor 2 stellen, während die Gasturbine 6, 8 und der synchrone Generator 11 auf die andere Welle kämen, wobei die elektrischen Maschinen parallel zu verbinden 'wären.

Im Fall einer Kupplung des Antriebsmotors, der auch wegfallen kann, des Kompressors und der Turbine auf mechanische oder elektrische Art, entfällt die vorher für die Energien der Komprimierung, und der Belastung erwähnte Bedingung, und es kann durch die Wahl von Kompressor 2 und Turbinen 6, 8 in entsprechenden Größen jedem Belastungsdiagramm, ohne Rücksicht darauf, was für Kräfte in Betracht kommen und ohne Rücksicht auf die Größe der zur Komprimierung verfügbaren Kraft, Genüge geleistet werden.

Gemäß dem in der Fig. 4 gezeigten Arbeitsschema wird eine Herabsetzung der Komprimierungsenergie gewährleistet, was sowohl eine Verbesserung des Nutzeffektes als auch eine Verminderung des Speichervolumens nach sich zieht. Diesem Schema liegt die Voraussetzung zugrunde, daß man zwecks Komprimierung über keine Energie aus irgendeiner anderen Quelle verfügt und daß eine veränderliche Belastung zu befriedigen ist.

Der Niederdruckkompressor arbeitet unter ständiger voller Belastung und gibt Luft wie folgt ab: einen Teil direkt in die Turbine 6, 8 unter einem Druck p₂ und in einer der Krafterzeugung für die Komprimierung des Nieder- und des Hochdrucks als auch'für die Deckung der Minimalbelastung entsprechenden Menge; den anderen Teil in den Hochdruckkompressor 14 in einer für die Erzeugutig der mittleren.. Belastung erforderlichen Menge. Dieser zweite Teil der Luft wird vom Kompressor 14 auf' den Speicherdruck P₁ komprimiert.

Der Turbinenteil 6, 8, welcher die notwendige beständige Komprimierungskraft und die momentane Belastungskraft liefert; bekommt einen Teil der Luft in beständiger Menge vom Niederdruckkompressor 2 und den anderen Teil aus dem Speicher 13 durch den automatischen Druckregler 15. '

Für den Fall, daß die ständige Komprimierungskraft von einer anderen 'Quelle geliefert wird, würde die Turbine 6, 8 nur die momentan notwendige Belastungskraft liefern, und der Niederdruckkompressor 2 würde dabei der Turbine die zur Komprimierung erforderliche Luft nicht liefern.

' Sollte die aus anderer Quelle kommende Kraft Schwankungen unterworfen sein, dann müßte zwischen dem Antriebsmotor und dem Kompressor 2 und 14 einerseits und der Turbine 6, 8 anderseits eine mechanische oder elektrische Verbindung bestehen, wie dies für im Fall des Arbeitsschemas nach Fig. 3 vorgesehen ist.

In einigen Fällen des Arbeitsschemas nach Fig. 4 kann es günstiger sein das Ventil 16 aufzustellen, welches automatisch die Luftzufuhr zum Kompressor 14 absperren würde, sobald die Nutzleistung die Summe der geringsten Belastung, der Antriebskraft für den Kompressor 14 und der in der Turbine mit Hilfe der ansonsten für den Kornpressor 14 abgezweigten, jetzt hingegen direkt in die Turbine 6, 8 geschickten Luftmenge, erzeugten Kraft übersteigt. Auf diese Weise würde man den Energieverlust, welcher beim Passieren der Luft durch den Kompressor 14 entsteht, vermeiden, und die Turbinenkraft würde sich um die Antriebskraft des Kompressors 14 vermindern. Dieselbe sollte also für eine etwas geringere Nennleistung ausgelegt sein.

Für diese Turbinenanlagen mit Energiespeichern können alle Normalbrennstoffe wie für Gasturbinen angewandt werden. Falls als Brennstoff natürliches oder künstliches Brenngas verwendet wird, "so kann auch dasselbe gespeichert werden, in welchem Fall das Gewicht der gespeicherten Luft um das Gewicht des gespeicherten Gases vermindert werden kann.

Claims

Patentansprüche:

1. Gasturbinenanlage, bestehend aus mindestens je einer Luftverdichtungsvorrichtung, einer Erhitzungsvorrichtung und einer Gasturbine, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der isothermischen Luftverdichtungsvorrichtung und der Erhitzungsvorrichtung ein oder mehrere Luftspeicher angeordnet sind.

2. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung gasförmiger Brennstoffe zwischen Gasverdichtungsvorrichtung und Erhitzungsvorrichtung ein oder mehrere Gasspeicher angeordnet sind.

3. Gasturbinenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,'daß die Leitungen zwischen Luftverdichtungsvorrichtung bzw. Gas-Verdichtungsvorrichtung und Erhitzungsvorrichtung als Luft- bzw. Gasspeicher ausgebildet sind.

4. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Leistungsbedarf der Luftverdichtungsvor-

richtung und gegebenenfalls der Gasverdichtungsvorrichtung von der Gasturbine gedeckt wird.

S. Gasturbinenanlage nach einem der Ansprüche ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

der Leistungsbedarf der Luftverdichtungsvorrichtung und gegebenenfalls der Gasverdichtungsvorrichtung von einer fremden, von der Gasturbine unabhängigen Kraftquelle gedeckt wird.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

675 3.50