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.