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WO2005056994A1 - Luftspeicherkraftanlage - Google Patents

Luftspeicherkraftanlage Download PDF

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Publication number
WO2005056994A1
WO2005056994A1 PCT/EP2004/053393 EP2004053393W WO2005056994A1 WO 2005056994 A1 WO2005056994 A1 WO 2005056994A1 EP 2004053393 W EP2004053393 W EP 2004053393W WO 2005056994 A1 WO2005056994 A1 WO 2005056994A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
steam
power plant
air
water
turbine
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/053393
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Behnke
Vanesa Martinez-Streignard
Original Assignee
Alstom Technology Ltd
Klaus Behnke
Vanesa Martinez-Streignard
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology Ltd, Klaus Behnke, Vanesa Martinez-Streignard filed Critical Alstom Technology Ltd
Publication of WO2005056994A1 publication Critical patent/WO2005056994A1/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • 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
    • 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
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/14—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel
    • F02C7/141—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid
    • F02C7/143—Cooling of plants of fluids in the plant, e.g. lubricant or fuel of working fluid before or between the compressor stages
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/72—Application in combination with a steam turbine
    • 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

  • the invention relates to an air storage power plant and a steam power plant and method for operating the plants.
  • Air storage power plants are generally known under the term CAES or "compressed air energy system". Such a power plant is disclosed, for example, in FIG. 1 of DE 10235 108. With such systems, air is compressed in a cavern during periods of low consumption (e.g. at night and on weekends) using a compressor and stored at a relatively high pressure. During times of high electricity demand, the air compressed there is first heated and then expanded in a turbine that drives a generator. These systems have the advantage that the turbines can be started by the stored air shortly, whereby practically all of the turbine power can be transferred to the generator without the turbine power having to be distributed to compressors and generators.
  • CAES compressed air energy system
  • the cavern air is normally heated before it is fed into the turbines, it being possible for the cavern air to be warmed up, for example, by means of a recuperator, as shown in DE 102 35 108.
  • a recuperator must be designed for the large amounts of air and high pressures with the appropriate volume and wall thickness.
  • An alternative is to directly heat the air in a combustion chamber. In terms of process technology, however, this solution is only of advantage if the hot exhaust gases continue to be used.
  • An air storage power plant has a storage cavern, one or more compressors, and one or more turbines, which is connected to a generator on a shaft.
  • the air storage power plant is integrated with a steam power plant which has a water-steam cycle with a boiler, one or more turbines and a condensation and water treatment system.
  • the air-gas cycle of the air storage power plant with the water-steam cycle is one
  • the one or more turbines of the air storage power plant are air and / or gas turbines, which may be preceded by a combustion chamber.
  • one or more heat exchangers are connected on the air side in each case between individual compressors and or between a compressor and the storage cavern and are connected on the water side in the water-steam cycle of the steam turbine power plant.
  • the heat exchangers in the water treatment plant are preferably connected between a condenser and the boiler of the steam power plant.
  • the compressed air is cooled by heat exchange with the condensate or feed water of the steam power plant flowing in pipes.
  • the cooling of the compressed air has the advantage of a reduced power requirement of the compressors and one Increase in the air introduced into the storage cavern due to increased air density.
  • the heat exchanger mentioned is preferably connected in parallel with a condensate or feedwater preheater with respect to the water-steam circuit. This means that the preheater in question is relieved and less steam has to be removed from the steam turbine, which enables an increase in the turbine output.
  • the one or more heat exchangers are connected directly into the steam circuit of the steam power plant instead of parallel instead of parallel to the heat exchangers of the water treatment plant.
  • an exhaust pipe which leads away from a turbine of the air storage system, is connected to a waste heat boiler which is connected on the water side to the water-steam circuit of the steam system.
  • the waste heat boiler is used here to heat the feed water and / or condensate. Similar to the version mentioned above, the preheating of the feed water / condensate ⁇ is relieved, so that less steam has to be taken from the turbines and the turbine output is increased as a result.
  • the waste heat boiler is connected directly to a steam turbine on the steam side.
  • the waste heat boiler is used here to generate superheated steam.
  • the waste heat boiler On the exhaust gas side, the waste heat boiler is connected to the boiler of the steam turbine power plant. The hot exhaust gases are fed directly into the boiler and heat the combustion air of the boiler there.
  • the turbine is preceded by a combustion chamber which is used to heat the air before it is expanded in the turbine.
  • a recuperator is not necessary here. With regard to the efficiency of the overall system, this is justifiable in the power plant according to the invention, since the energy of the exhaust gases from the combustion chamber ultimately used for heating feed water and the combustion air in the boiler.
  • the air compressed in one or more compressors is fed via a line into a heat exchanger in which the compressed air is in heat exchange with condensate flowing through pipes from the steam turbine power plant, and the air cooled there is over a line is either routed into a downstream compressor or directly into the air storage cavern.
  • the exhaust gases from the turbine are passed through a heat exchanger in which the exhaust gases are in heat exchange with feed water flowing through pipes from the water-steam circuit of the steam turbine system and are then passed into the boiler and / or via a chimney into the atmosphere ,
  • FIG. 1 shows a basic circuit diagram of an air storage power plant according to the invention integrated with a steam power plant with a waste heat coupling of the air storage plant into the condensate and feed water system of the steam power plant.
  • FIG. 2 shows a basic circuit diagram of an air storage power plant according to the invention integrated with a steam power plant with a variant of the waste heat coupling of the air storage plant into the lines of the condensate and feed water system of the steam power plant.
  • Figure 3 shows a variant of the power plant according to the invention with a drive turbine for the compressor drive.
  • Figure 4 shows a further variant of the integrated power plants with an additional steam generator.
  • FIG. 1 shows schematically a dashed line air storage power plant 1, as is known in the prior art and also a dashed line conventional steam power plant 10.
  • the air storage plant 1 essentially has several compressors 2a and 2b connected in series, which by means of of a motor M are driven. (Only one compressor can be used).
  • the compressors 2a and 2b compress air from the atmosphere 3 to a pressure of typically 60 to 100 bar.
  • the compressed air is passed via a line 4 into a storage cavern 5. or expansion operation of the air storage power plant, the compressors 2a, 2b are not in operation.
  • turbine operation the stored compressed air is fed from the cavern 5 via a line 6 into a combustion chamber 7, in which it is heated using fuel.
  • the resulting hot gas is expanded in the turbine 8, which is connected to a generator G1 via a shaft 9, up to almost atmospheric pressure.
  • the gas can also be reheated in an additional combustion chamber.
  • the steam power plant 10 is a conventional power plant of its kind with a boiler 11, high and low pressure steam turbines 12 and 13, which are connected via a shaft 17 to a generator G2, a condenser 15 and the condenser and feed water preheater 15 and 16 connected downstream of the condenser
  • the preheaters 15 and 16 represent condensate and feed water preheaters, which can be present in different numbers depending on the application.
  • a steam extraction line 18 and 19 each lead from the high-pressure and low-pressure turbines 12 and 13 to the preheaters 16 and 15, respectively.
  • a heat exchanger 20 is connected between the two compressors 2a and 2b connected in series and after the second compressor 2b and in front of the storage cavern 5 another heat exchanger 24 which is connected upstream of the heat exchanger 20.
  • the compressed air therefore first flows through the heat exchanger 20 and then through the heat exchanger 24.
  • the heat exchangers 20, 24 are on the water side with the water-steam cycle Steam system by means of lines 25 and 26, preferably connected in parallel to the condensate preheater 15.
  • the heat exchangers 15 and 16 each have a multiplicity of tubes through which the condensate flows from the condenser 14 out of the steam system.
  • the air from the compressor 2a is passed via the line 21 into the heat exchanger 20, in which it flows around the tubes and cools down, cooling being achieved, for example, in a temperature range from 100 to 400.degree.
  • the power requirement of the compressor is reduced in proportion to the absolute air temperature.
  • the cooled air is then fed via line 22 to the subsequent compressor 2b.
  • the compressed air from the compressor 2b is passed via line 23 for further cooling into the heat exchanger 24, which is connected upstream of the heat exchanger 20 on the water side, and after it has flowed through the line 4 into the storage cavern 5.
  • the heat exchanger 24 is used for cooling to a temperature in the range from, for example, 400 ° C. to 70 ° C. This results in an increase in the amount of air to be stored in accordance with the ratio of the absolute air temperatures. As a result of the heat exchange, the condensate flowing through the tubes of the heat exchanger heats up, so that less for the heat exchanger 15
  • Extraction steam must be passed from the turbine 13. This has a positive effect on the efficiency of the turbine 13.
  • the integration of the two power plants by means of the heat exchangers 21 and 24 provides an efficiency advantage for both plants during the compressor operation of the air storage system.
  • the number of heat exchangers for cooling the air is in itself arbitrary, whereby the number of devices must be weighed against the gain in performance.
  • the two systems are advantageously integrated by a further heat exchanger 30, more precisely a waste heat exchanger.
  • a waste heat exchanger This is connected on the water side in the water-steam circuit of the steam system via lines 31 and 32, preferably parallel to the preheater 16.
  • the condensate preheating is carried out exclusively via the heat exchangers 20 and 24.
  • the hot exhaust gases are passed via an exhaust gas line 33 into the waste heat exchanger 30, in which they flow around pipes through which the feed water of the steam system flows and is heated in the process.
  • the need for extraction steam from the turbine 12 via the line 18 is reduced, the efficiency of the turbine 12 being increased accordingly.
  • approx. 40% of the turbine power can be injected into the water-steam cycle and used to preheat the water.
  • the additional power achieved by the waste heat exchanger is comparatively high because the heat exchange takes place at a higher temperature level.
  • the two plants can also be integrated by switching the waste heat exchanger in relation to the steam power plant.
  • the waste heat exchanger and / or one of the heat exchangers for cooling the compressed air is used in this variant to generate superheated steam.
  • the steam is fed via a line from the waste heat exchanger and / or heat exchanger for cooling the compressed air either upstream of the boiler superheater in the boiler 11 or directly in front of one of the turbines 12 or 13.
  • This variant increases the generator power G2 by increasing the mass flow.
  • the exhaust gases are passed via line 34 directly into the boiler 11, where they heat up the combustion air.
  • Figure 2 shows a variant of the integrated power plant shown in Figure 1. It differs from the system of FIG. 1 in the order of the air flow through the heat exchangers 20 and 24 used as air coolers.
  • the order of the air flow through the heat exchangers 24 and 20 is therefore compared to the system in FIG. 1 in relation to the pressure level of the compressed air swapped by first passing compressed air from the compressor 2a through the heat exchanger 24 and then feeding it to the compressor 2b.
  • the air compressed in compressor 2b is then passed to heat exchanger 20 for further cooling and finally into cavern 5. Since the compressor air is generally hotter than the air in line 21, this arrangement is thermodynamically more favorable for the heat exchange with the condensate and thus for the efficiency of the water-steam cycle.
  • FIG. 3 shows a further variant of the system of Figure 2, which has a drive turbine 27 instead of a motor for driving the compressor.
  • the drive turbine is fed, for example, directly from the steam network of the water-steam cycle, with its exhaust steam being fed directly into the condenser.
  • the tapping point for the required steam and the point of return of the exhaust steam are arbitrary per se and can be optimized depending on the system.
  • the arrangement with the drive turbine achieves a higher overall efficiency, since at least the transmission losses of the electrical current required to drive the compressor motor are eliminated in the system from FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a system according to FIG. 1, but which has an additional steam generator 38 to which a line 33 leads from the turbine 8. It is used for the direct generation of steam from the hot exhaust gases from the turbine 8.
  • the directly generated steam is fed via line 40 into the live steam flow to the turbine 12 and / or via line 39 into the steam flow to the second turbine 13.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Eine Luftspeicher-Kraftanlage (1) mit einer Speicherkaverne (5), Kompressoren (2a,2b) zur Verdichtung von Luft und einer Turbine (8), die über eine Welle mit einem Generator (G1) verbunden ist, ist mit einer Dampfturbinen-Kraftanlage (10) mittels Wärmetauschern (20,24,30) integriert. Die von den Kompressoren (2a,2b) verdichtete Luft wird durch Wärmetauscher (20, 24) geleitet und an Rohren gekühlt, durch die Kondensat aus dem Kondensator der Dampfkraftanlage fliesst, wobei das Kondensat sich erwärmt. Die Abgase aus der Turbine (8) werden durch einen weiteren Wärmetauscher (30) geleitet, wobei durch Rohre fliessendes Speisewasser erhitzt wird. Der Gesamtprozess der beiden Kraftanlagen wird durch deren Integration verbessert, indem durch die Kühlung der Luft der Leistungsbedarf der Kompressoren (2a,2b) vermindert und die speicherbare Luftmenge vergrössert wird. Zusätzlich wird durch die Erwärmung des Kondensats und/oder Speisewassers der Bedarf an Entnahmedampf zur Erwärmung von Wasser und Dampf vermindert und der Wirkungsgrad der Dampfkraftanlage (10) erhöht.

Description

Luftspeicherkraftanlage
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Luftspeicherkraftanlage sowie eine Dampfkraftanlage und Verfahren zum Betrieb der Anlagen.
Stand der Technik
Luftspeicherkraftanlagen sind aligemein unter dem Begriff CAES oder "compressed air energy System" bekannt . Ein solche Kraftanlage ist zum Beispiel in der Figur 1 der DE 10235 108 offenbart. Mit solchen Anlagen wird in einer Kaverne Luft während Verbrauchs-schwachen Zeiten (z.B. nachts und an Wochenenden) mittels einem Kompressor verdichtet und bei relativ hohem Druck gespeichert. Während Zeiten hohen Strombedarfs wird die dort verdichtete Luft zunächst erwärmt und anschliessend in einer Turbine expandiert, welche einen Generator antreibt. Diese Anlagen haben dabei den Vorteil, dass die Turbinen durch die gespeicherte Luft in Kürze gestartet werden können, wobei praktisch die gesamte Turbinenleistung an den Generator übertragen werden kann ohne dass die Turbinenleistung auf Verdichter und Generatoren verteilt werden müssen.
Beim Auffüllen der Kaverne ist es von Vorteil, wenn die Temperatur der Luft möglichst wenig erwärmt ist, weil einerseits der Leistungsbedarf des Kompressors mit zunehmender Temperatur ansteigt und anderseits eine niedrigere Lufttemperatur aufgrund der kleineren Luftdichte zu einer besseren Füllung der Kaverne führt.
Normalerweise wird die Kavernenluft erwärmt bevor sie in die Turbinen geleitet wird, wobei eine Aufwärmung der Kavernenluft zum Beispiel mittels Rekuperator möglich ist , wie in DE 102 35 108 gezeigt. Ein solcher Rekuperator muss jedoch für die grossen Luftmengen und hohen Drücke mit entsprechendem Volumen und entsprechenden Wanddicken ausgelegt werden. Eine Alternative besteht in einer direkten Erwärmung der Luft in einer Brennkammer. Prozesstechnisch ist diese Lösung jedoch nur dann von Vorteil, wenn die heissen Abgase weiter genutzt werden.
Darstellung der Erfindung
Es ist der vorliegenden Erfindung die Aufgabe gestellt, den Gesamtprozess einer Luftspeicher-Kraftanlage zu verbessern, insbesondere bezüglich der effizienten Aufwärmung der Luft, wobei die erwähnten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Eine Luftspeicher-Kraftanlage weist eine Speicherkaverne, einen oder mehrere Kompressoren, und eine oder mehrere Turbinen auf, die auf einer Welle mit einem Generator verbunden ist. Erfindungsgemäss ist die Luftspeicherkraftanlage mit einer Dampfkraftanlage integriert, die einen Wasser-dampf-Kreislauf aufweist mit einem Kessel, einer oder mehreren Turbinen und eine Kondensations- und Wasseraufbereitungsanalge. Insbesondere ist der Luft-Gas-Kreislauf der Luftspeicher-Kraftanlage mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf einer
Dampfkraftanlage mittels einem oder mehreren Wärmetauschern geschaltet.
Die eine oder mehreren Turbinen der Luftspeicher-Kraftanlage sind Luft- und/oder Gasturbinen, denen gegebenenfalls eine Brennkammer vorgeschaltet ist.
In einer ersten Ausführung sind einer oder mehrere Wärmetauscher luftseitig jeweils zwischen einzelnen Kompressoren und oder zwischen einem Kompressor und der Speicherkaverne geschaltet und wasserseitig im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbinen-Kraftanlage geschaltet. Vorzugsweise sind die Wärmetauscher in der Wasseraufbereitungsanlage zwischen einem Kondensator und dem Kessel der Dampfkraftanlage geschaltet.
Während des Verdichterbetriebs der Kraftanlage wird die verdichtete Luft durch Wärmetausch mit dem in Rohren fliessenden Kondensat oder Speisewasser der Dampfkraftanlage abgekühlt. Die Abkühlung der verdichteten Luft erbringt den Vorteil eines verminderten Leistungsbedarfs der Kompressoren sowie einer Erhöhung der in die Speicherkaverne eingebrachten Luft aufgrund erhöhter Luftdichte.
Vorzugsweise ist der erwähnte Wärmetauscher bezüglich des Wasser-Dampf- Kreislaufs einem Kondensat- oder Speisewasservorwärmer parallel geschaltet. Dies bewirkt, dass der betreffende Vorwärmer entlastet wird und weniger Dampf aus der Dampfturbine entnommen werden muss, was eine Erhöhung der Turbinenleistung ermöglicht.
Gesamthaft betrachtet bedeutet die Integration der beiden Kraftanlagen einen Wirkungsgradverbesseruπg beider Anlagen.
In einer Variante dieser ersten Ausführung ist der eine oder sind die mehreren Wärmetauscher direkt in den Wasserdampf-Kreislauf der Dampfkraftanlage geschaltet statt parallel statt parallel zu den Wärmetauschern der Wasseraufbereitungsanlage.
In einer zweiten Ausführung der Erfindung ist eine Abgasleitung, die von einer Turbine der Luftspeicheranlage wegführt, mit einem Abhitzekessel verbunden, der wasserseitig mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfanlage verbunden ist. Der Abhitzekessel wird hier zur Erhitzung des Speisewassers und/oder Kondensats eingesetzt. Ähnlich wie in oben erwähnter Ausführung wird die Vorwärmung des Speisewassers/Kondensats^entlastet, sodass weniger Dampf den Turbinen entnommen werden muss und dadurch die Turbinenleistung erhöht wird.
In einer Variante dieser Ausführung ist der Abhitzekessel dampfseitig direkt mit einer Dampfturbine verbunden. Hier wird der Abhitzekessel zur Erzeugung von überhitztem Dampf eingesetzt.
Abgasseitig ist der Abhitzekessel mit dem Kessel der Dampfturbinen-Kraftanlage verbunden. Die heissen Abgase werden direkt in den Kessel geleitet und erwärmen dort die Verbrennungsluft des Kessels.
In einer weiteren Ausführung der Luftspeicher-Kraftanlage ist der Turbine eine Brennkammer vorgeschaltet, die der Erwärmung der Luft dient, bevor sie in der Turbine entspannt wird. Ein Rekuperator ist hier nicht notwendig. Bezüglich des Wirkungsgrades der Gesamtanlage ist dies in der erfind ungsgemässen Kraftanlage vertretbar, da die Energie der Abgase aus der Brennkammer schlussendlich für die Erwärmung von Speisewasser sowie der Verbrennungsluft im Kessel eingesetzt werden.
In einem erfindungsgemässen Verfahren zum Betrieb einer Luftspeicherkraftanlage wird die in einem oder mehreren Kompressoren verdichtete Luft über eine Leitung in einen Wärmetauscher geführt, in dem die verdichtete Luft im Wärmetausch mit durch Rohre fliessendem Kondensat aus der Dampfturbinen-Kraftanlage steht, und die dort gekühlte Luft über eine Leitung entweder in einen nachfolgenden Kompressor oder direkt in die Luftspeicherkaverne geleitet wird.
In einem weiteren Verfahren werden die Abgase aus der Turbine durch einen Wärmetauscher geleitet, in dem die Abgase mit durch Rohre fliessendem Speisewasser aus dem Wasser-Dampfkreislauf der Dampfturbinenanlage im Wärmetausch steht und danach in den Kessel und/oder über einen Kamin in die Atmosphäre geleitet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt ein Prinzipschaltbild einer erfindungsgemässen Luftspeicher- Kraftanlage integriert mit einer Dampfkraftanlage mit einer Abwärmeeinkopplung der Luftspeicheranlage in die Kondensat- und Speisewasseranlage der Dampfkraftanlage.
Figur 2 zeigt eine Prinzipschaltbild einer erfindungsgemässen Luftspeicher- Kraftanlage integriert mit einer Dampfkraftanlage mit einer Variante der Abwärmeeinkopplung der Luftspeicheranlage in die Leitungen der Kondensat- und Speisewasseranlage der Dampfkraftanlage. Figur 3 zeigt eine Variante der erfindungsgemässen Kraftanlage mit einer Antriebsturbine für den Verdichterantrieb.
Figur 4 zeigt eine weitere Variante der integrierten Kraftanlagen mit einem zusätzlichen Dampferzeuger.
Ausführung der Erfindung Figur 1 zeigt schematisch eine mit gestrichelter Linie umrandete Luftspeicher- Kraftanlage 1 , wie sie im Stand der Technik bekannt ist und eine ebenfalls mit gestrichelter Linie umrandete konventionelle Dampfkraftanlage 10. Die Luftspeicheranlage 1 weist im wesentlichen mehrere in Serie geschaltete Kompressoren 2a und 2b, die mittels eines Motors M angetrieben werden. (Es kann auch nur ein einziger Kompressor eingesetzt werden). Während des Verdichterbetriebs verdichten die Kompressoren 2a uns 2b Luft aus der Atmosphäre 3 auf einen Druck von typischerweise 60 bis 100 bar. Die verdichtete Luft wird über eine Leitung 4 in eine Speicherkaverne 5 geleitet. oder Expansionsbetrieb der Luftspeicherkraftanlage sind die Kompressoren 2a, 2b nicht in Betrieb. Im Turbinenbetrieb wird die gespeicherte Druckluft von der Kaverne 5 über eine Leitung 6 in eine Brennkammer 7 geleitet, in der sie unter Einsatz von Brennstoff erhitzt wird. Das resultierende Heissgas wird in der Turbine 8, die über eine Welle 9 mit einem Generator G1 verbunden ist, bis fast auf Atmosphärendruck expandiert. Je nach Ausführung der Anlage ist auch eine Zwischenüberhitzung des Gases in einer zusätzlichen Brennkammer möglich.
Die Dampf kraftanlage 10 ist eine konventionelle Kraftanlage ihrer Art mit einem Kessel 11 , Hoch- und Niederdruckdampfturbinen 12 bzw. 13, die über eine Welle 17 mit einem Generator G2 verbunden sind, einem Kondensator 15 und dem Kondensator nachgeschaltete Kondensat- und Speisewasservorwärmer 15 und 16. Die Vorwärmer 15 und 16 repräsentieren Kondensat- und Speisewasservorwärmer, die je nach Anwendungsfall in unterschiedlicher Anzahl vorhanden sein können. Von den Hochdruck- und Niederdruckturbinen 12 bzw. 13 führen je eine Dampfentnahmeleitung 18 und 19 zu den Vorwärmern 16 bzw. 15.
Wie eingangs erwähnt, ist eine Abkühlung der zu verdichtenden Luft sowie auch der verdichteten Luft wünschenswert, da der Leistungsbedarf eines Kompressors bei tieferer Temperatur begünstigt ist und grössere Luftmengen bei tieferen Temperaturen speicherbar sind. Zwecks Abkühlung der verdichteten Luft ist erfindungsgemäss zwischen den zwei nacheinander geschalteten Kompressoren 2a und 2b ein Wärmetauscher 20 und nach dem zweiten Kompressor 2b und vor der Speicherkaverne 5 ein weiterer Wärmetauscher 24 geschaltet, der dem Wärmetauscher 20 stromaufwärts geschaltet ist. Die verdichtete Luft durchströmt also zunächst den Wärmetauscher 20 und sodann den Wärmetauscher 24. Die Wärmetauscher 20, 24 sind wasserseitig mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfanlage mittels der Leitungen 25 und 26, vorzugsweise parallel zum Kondensatvorwärmer 15, geschaltet.
Die Wärmetauscher 15 und 16 weisen jeweils eine Vielzahl von Rohren auf, durch die das Kondensat aus dem Kondensator 14 aus der Dampfanlage fliesst. Die Luft aus dem Kompressor 2a wird über die Leitung 21 in den Wärmetauscher 20 geleitet, in dem sie um die Rohre herumströmt und sich dabei abkühlt, wobei eine Abkühlung beispielsweise in einem Temperaturbereich von 100 bis 400°C erzielt wird. Bei einer Abkühlung der Luft reduziert sich der Leistungsbedarf des Kompressors proportional der absoluten Lufttemperatur. Die abgekühlte Luft wird danach über die Leitung 22 dem nachfolgenden Kompressor 2b zugeleitet. Die verdichtete Luft aus dem Kompressor 2b wird über Leitung 23 zwecks weiterer Abkühlung in den Wärmetauscher 24, der dem Wärmetauscher 20 wasserseitig stromaufwärts geschaltet ist, und nach dessen Durchströmung über die Leitung 4 in die Speicherkaverne 5 geleitet. Der Wärmetauscher 24 dient einer Abkühlung auf eine Temperatur im Bereich von beispielsweise 400°C bis auf 70°C. Dies erbringt eine Vergrösserung der zu speichernden Luftmenge entsprechend dem Verhältnis der absoluten Lufttemperaturen. Durch den Wärmetausch erwärmt sich das durch die Rohre der Wärmetauscher fliessende Kondensat, sodass für den Wärmetauscher 15 weniger
Entnahmedampf aus der Turbine 13 geleitet werden muss. Dies wirkt sich positiv auf den Wirkungsgrad der Turbine 13 aus. Die Integration der beiden Kraftanlagen mittels der Wärmetauscher 21 und 24 erbringt während des Verdichterbetriebs der Luftspeicheranlage einen Wirkungsgradvorteil für beide Anlagen.
Die Anzahl Wärmetauscher zur Abkühlung der Luft ist an sich beliebig, wobei die Anzahl Apparate gegen den Leistungsgewinn abgewogen werden muss.
Während des Turbinenbetriebs der Luftspeicheranlage sind vorteilhafterweise die beiden Anlagen durch einen weiteren Wärmetauscher 30 integriert, genauer einem Abhitzewärmetauscher. Dieser ist wasserseitig im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfanlage über Leitungen 31 und 32 geschaltet, vorzugsweise parallel zum Vorwärmer 16. In einer Variante dieser Ausführung, ist die Kondensatvorwärmung ausschliesslich über die Wärmetauscher 20 und 24 realisiert. Die heissen Abgase werden nach ihrer Entspannung in der Turbine 8 über eine Abgasleitung 33 in den Abhitzewärmetauscher 30 geleitet, in welchem sie Rohre umströmen, durch die das Speisewasser der Dampfanlage fliesst und dabei erhitzt wird. Dadurch ist der Bedarf an Entnahmedampf aus der Turbine 12 über die Leitung 18 verringert, wobei der Wirkungsgrad der Turbine 12 entsprechend erhöht wird. Bei der Nutzung der Abwärme aus der Turbine kann ca. 40% der Turbinenleistung an Wärmeenergie in den Wasser-Dampf-Kreislauf eingekoppelt und zur Vorwärmung des Wassers eingesetzt werden. Die Zusatzleistung, die durch den Abhitzewärmetauscher erzielt wird, ist vergleichsweise hoch, da der Wärmetausch auf höherem Temperaturniveau erfolgt.
Während des Turbinenbetriebs können die beiden Anlagen auch durch eine weitere Schaltung des Abhitzewärmetauschers in Bezug auf die Dampfkraftanlage integriert werden. Der Abhitzewärmetauscher und/oder einer der Wärmetauscher zur Kühlung der verdichteten Luft ist in dieser Variante zur Erzeugung von überhitztem Dampf eingesetzt. Je nach vorhandenem Druckniveau und des herrschenden Aggregatzustandes nach der Erwärmung wird der Dampf über eine Leitung vom Abhitzewärmetauscher und/oder Wärmetauscher für Kühlung der verdichteten Luft entweder vor dem Kesselüberhitzer im Kessel 11 oder direkt vor einer der Turbinen 12 oder 13 zugeführt. Diese Variante erhöht die '-- Generatorleistung G2 durch die Erhöhung des Massenstrdms. Die Abgase werden nach Austritt aus dem Abhitzewärmetauscher 30 über die Leitung 34 direkt in den Kessel 11 geleitet, wo sie die Verbrennungsluft anwärmen.
Figur 2 zeigt eine Variante der in Figur 1 gezeigten integrierten Kraftanlage. Sie unterscheidet sich von der Anlage von Figur 1 in der Reihenfolge des Luftdurchflusses durch die als Luftkühler eingesetzten Wärmetauscher 20 und 24. Die Reihenfolge der Luftdruchströmung der Wärmetauscher 24 und 20 ist also im Vergleich zur Anlage in Figur 1 in Bezug auf das Druckniveau der komprimierten Luft vertauscht, indem zuerst verdichtete Luft aus dem Verdichter 2a durch den Wärmetauscher 24 geleitet wird und danach dem Verdichter 2b zugeführt wird. Die in Verdichter 2b verdichtete Luft wird sodann dem Wärmetauscher 20 zur weiteren Abkühlung und schliesslich in die Kaverne 5 geführt. Da in der Regel die Verdichterluft heisser ist als die Luft in der Leitung 21 , ist diese Anordnung für den Wärmetausch mit dem Kondensat und damit für den Wirkungsgrad des Wasser-Dampf-Kreislaufs thermodynamisch günstiger. Figur 3 zeigt eine weitere Variante der Anlage von Figur 2, die zum Antrieb der Verdichter eine Antriebsturbine 27 anstelle eines Motors aufweist. Die Antriebsturbine wird beispielsweise direkt aus dem Dampfnetz des Wasser- Dampf-Kreislaufs gespeist, wobei ihr Abdampf direkt in den Kondensator geleitet wird. Die Anzapfstelle für den erforderlichen Dampf sowie die Stelle der Rückführung des Abdampfes sind an sich beliebig, und sind je nach Anlage optimierbar. Die Anordnung mit Antriebsturbine erreicht einen höheren Gesamtwirkungsgrad, da zumindest die Übertragungsverluste des notwendigen elektrischen Stroms zum Antrieb des Verdichtermotors in der Anlage von Figur 2 entfallen.
Figur 4 zeigt eine Anlage nach Figur 1 , die jedoch einen zusätzlichen Dampferzeuger 38 aufweist, zu dem von der Turbine 8 eine Leitung 33 führt. Er dient der direkten Dampferzeugung aus den heissen Abgasen aus der Turbine 8. Der direkt erzeugte Dampf wird über Leitung 40 in den Frischdampfstrom zur Turbine 12 und/oder über Leitung 39 in den Dampfstrom zur zweiten Turbine 13 geführt.
Kraftanlagen mit verschiedenen Kombinationen der hier dargestellten Varianten sind auch realisierbar.
Bezugszeichenliste
I Luftspeicher-Kraftanlage 2a,2b Kompressoren
3 Lufteinlass
4 Leitung zur Speicherkaverne
5 Speicherkaverne
6 Leitung zu Brennkammer 7 Brennkammer
8 Turbine
9 Welle
10 Dampfturbinen-Kraftanlage
I I Kessel 12 Hochdruckturbine
13 Niederdruckturbine
14 Kondensator
15 Wärmetauscher/Kondensatvorwärmer
16 Wärmetauscher/Speisewasservorwärmer 17 Welle
18 Entnahmedampfleitung
19 Entnahmedampfleitung
20 Wärmetauscher
21 Leitung 22 Leitung 23 Leitung
24 Wärmetauscher
25 Kondensatleitung
26 Kondensatleitung 30 Wärmetauscher
31 Speisewasserleitung
32 Speisewasserleitung
33 Abgasleitung
34 Abgasleitung 35 Leitung
36 Kamin G1 Generator G2 Generator M Motor T Turbine zum Antrieb der Kompressoren

Claims

Patentansprüche
1. Eine Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) weist einen Luft-Gas-Kreislauf auf mit einer Speicherkaverne (5), einem oder mehreren Kompressoren (2a,2b) und einer oder mehreren Turbinen (8), die über eine Welle mit einem Generator (G1) verbunden sind dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspeicher-Kraftanlage (1) mit einer Dampfturbinen-Kraftanlage (10) integriert ist, die einen Wasser-Dampf-Kreislauf mit einem Kessel (11 ), einer oder mehreren Turbinen (12,13), die mit einem Generator (G2) verbunden sind, und einer Wasseraufbereitungsanlage aufweist, wobei der Luft-Gas-Kreislauf der Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) mit dem Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfkraftanlage (10) mittels einem oder mehreren Wärmetauschern (20,24,30) geschaltet ist.
2. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Wärmetauscher (20,24) wasserseitig im Wasser-Dampf- Kreislauf der Dampfkraftanlage (10) und luftseitig im Luftstrom der Kompressoren (2a,2b) zur Kühlung von verdichteter Luft geschaltet sind.
3. Luftspeicher-Kraftanlage (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der eine oder die mehreren Wärmetauscher (20,24) einem Kondensat- oder
Speisewasservorwärmer des Wasser-Dampf-Kreislaufs parallel geschaltet ist oder direkt im Wasser-Dampf-Kreislauf geschaltet ist.
4. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein in Strömungsrichtung des Wasser-Dampf-Kreislaufs der Dampf-Kraftanlage (10) erster Wärmetauscher (24) luftseitig zwischen dem Austritt eines Kompressors (2b) und der Speicherkaverne (5) geschaltet ist, und ein in Strömungsrichtung des Wasser-Dampf-Kreislaufs der Dampf-Kraftanlage (10) zweiter Wärmetauscher (20) luftseitig zwischen einem ersten Kompressor (2a) und einem zweiten Kompressor (2b) in Richtung des Luftstroms durch die Kompressoren (2a,2b) geschaltet ist.
5. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass ein in Strömungsrichtung des Wasser-Dampf-Kreislaufs der Dampf-Kraftanlage (10) erster Wärmetauscher (24) luftseitig zwischen einem ersten Kompressor (2a) und einem zweiten Kompressor (2b) in Richtung des Luftstroms durch die
Kompressoren (2a,2b) geschaltet ist, und ein in Strömungsrichtung des Wasser- Dampf-Kreislaufs der Dampf-Kraftanlage (10) zweiter Wärmetauscher (20) luftseitig zwischen dem Austritt eines Kompressor (2b) und der Speicherkaverne (5) geschaltet ist.
6. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) einen Motor (M) zum Antrieb der Kompressoren (2a,2b) aufweist.
7. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) eine Turbine (27) zum Antrieb der Kompressoren (2a,2b) aufweist.
8. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (30) gasseitig in einer Abgasleitung (33) zwischen dem Austritt einer Turbine (8) und dem Kessel (11 ) der Dampfturbinen-Kraftanlage (10) und wasserseitig zur Erhitzung von Wasser im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfturbine geschaltet ist.
Luftspeicher-Kraftanlage (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (30) gasseitig in einer Abgasleitung (33) zwischen dem Austritt einer Turbine (8) und einem Kessel (11) der Dampfturbinen-Kraftanlage (10) und dampfseitig zur Erzeugung von überhitztem Dampf im Wasser-Dampf- Kreislauf der Dampfkraftanlage geschaltet ist und direkt mit einer Dampfturbine (12,13) der Dampfkraftanlage verbunden ist.
10. Luftspeicher-Kraftanlage (1) nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (30) ein Abhitzewärmetauscher (30) ist.
11. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzewärmetauscher (30) parallel zu einem Speisewasservorwärmer (16) im Wasser-Dampf-Kreislauf der Dampfkraftanlage (10) geschaltet ist.
12. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 2 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass vom Abhitzewärmetauscher (30) und/oder von einem Wärmetauscher (20,24) zur Kühlung der verdichteten Luft eine Leitung zum Kessel (11) oder zu einer Turbine (12,13) der Dampfkraftanlage (10) zur Leitung von überhitztem Dampf führt.
13. Luftspeicher-Kraftanlage (1 ) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der einen oder mehreren Turbinen (8) der Luftspeicher-Kraftanlage (1) ein Dampferzeuger (38) nachgeschaltet ist, von dem eine oder mehrere
Dampfleitungen (39, 40) jeweils zu einer Turbine (12,13) der Dampfkraftanlage (10) führen.
14. Verfahren zum Betrieb einer Luftspeicher-Kraftanlage (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass verdichtete und/oder zu verdichtende Luft durch Wärmetausch mit in Rohren fliessendem Wasser aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf einer Dampfturbinen- Kraftanlage gekühlt wird und Wasser aus dem Wasser-Dampf-Kreislauf in diesem Wärmetausch erwärmt wird.
15. Verfahren zum Betrieb einer Luftspeicher-Kraftanlage (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
Wasser oder Dampf des Wasser-Dampf-Kreislaufs der Dampfkraftanlage (10) durch Wärmetausch mit Abgasen aus der Turbine (8) erhitzt wird und die Abgase der Verbrennungsluft im Kessel (11 ) der Dampfkraftanlage (10) zugemischt werden.
16. Verfahren zum Betrieb einer Luftspeicher-Kraftanlage (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
Dampf des Wasser-Dampf-Kreislaufs der Dampfkraftanlage durch Wärmetausch mit Abgasen aus der Turbine (8) überhitzt wird.
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