Verfahren und Einrichtung zur Vermeidung des Ausblasens der Wasservorlage von Gleichdruckluftspeicheranlagen für Gasturbinenkraftwerke

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Vermeidung des Ausblasens der Wasservorlage von Gleichdruckluftspeicheranlagen für Gasturbinenkraftwerke nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2-.

Gleichdruckluftspeicheranlagen für Gasturbinenkraftwerke benötigen gegenüber gleich leistungsfähigen Luftspeicheranlagen mit variablem Luftdruck, der im Betrieb zwischen gewissen Grenzen schwanken darf, nur etwa ein Drittel des Volumens der letzteren. Dementsprechend sind der bauliche Aufwand und die Erstellungskosten einer Kaverne für Gleichdruckspeicherung weit geringer als bei Kavernen für variablen Luftdruck.

Zur Konstanthaltung des Luftdruckes bei Gleichdruckspeicherung dient eine das in der Kaverne verbrauchte Luftvolumen ausgleichende Wasservorlage mit einer Wassersäule, die in ein freies, gewöhnlich an der Erdoberfläche liegendes Bassin mündet und deren statische Druckhöhe dem in der Kaverne aufrechtzuerhaltenden Druck entspricht. Beim Laden der Kaverne, die bei heutigen Anlagen in 600-800 m Tiefe liegt, entsprechend einem statischen Druck der Wassersäule von 60-80 bar, wird das Wasser in das Bassin hinaufgedrückt, beim Entladen läuft das Wasser aus dem Bassin in die Kaverne nach, um den gleichen Druck sicherzustellen.

Beim Betrieb von Luftspeichergasturbinenanlagen hat sich gezeigt, dass beim Laden der Kaverne die in der Wasservorlage aufsteigende Wassersäule die in ihr gelöste Luft freigibt, wodurch Luftblasen mit nach oben hin rasch zunehmendem Volumen entstehen, die eine Dichteabnahme in der Wassersäule und damit einen Druckabfall in der Kaverne bewirken. Im Extremfall könnte die Wassersäule vom Druckluftpolster ausgeblasen werden und die Kaverne sich somit vollständig entleeren..

Gegenüber der normalen Lösungsgeschwindigkeit von Luft in ruhendem Wasser erfolgt in der Kaverne die volle Sättigung infolge der starken Verwirbelung des Wassers bei den Lade-und Entladevorgängen rascher, da hierbei bald einmal alle Wasserteilchen mit der Luft in Berührung kommen. Die dabei vom Wasser aufgenommene Gewichtsmenge an Luft ist proportional dem Druck, der, wie gesagt, bei ausgeführten Anlagen zwischen 60 und 80 bar liegt. Ueber die dabei gelöste Luftmenge gibt folgender Vergleich Aufschluss:

• Bei 1 bar Luftdruck und 10°C Temperatur enthält 1 m³ Wasser (= 1000 kg) 29,2 g Luft.

Bei 60 bar Druck und 10°C Temperatur enthält 1 m³ Wasser 1,7 kg Luft, also die etwa 58-fache Gewichtsmenge. Bei Atmosphärendruck entsprechen diese 1,7 kg Luft ca. 1,32 m ³ Ein von 60 bar Druck auf atmosphärischen Druck entspanntes Wasser/Luft-Gemisch enthält also mehr Luft als Wasser.

Wenn derart mit Luft gesättigtes Wasser aus der Kaverne nach oben steigt, so wird durch den abnehmenden hydrostatischen Druck die Luft frei und bildet immer grössere Blasen. Die durchschnittliche Dichte der Wassersäule wird damit immer kleiner und der Druck in der Kaverne sinkt entsprechend. Dies kann, wenn nicht entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, zum Ausblasen des Druckluftpolsters mit der Wassersäule führen.

Eine bisher bekanntgewordene Massnahme zur Verhütung dieses Ausblasens besteht darin, das die Wassersäule enthaltende Steigrohr in einem U-förmigen Bogen unter die Sohle der Kaverne hinab zu verlängern. Der tiefste Punkt des Steigrohrs muss dabei um mindestens 0,15 h unter dem jeweiligen Wasserspiegel in der Kaverne liegen, wobei h die wirksame Druckhöhe, d.h., die Differenz zwischen den geodätischen Höhen des Oberwasserspiegels im Ausgleichsbecken und des Kavernenwasserspiegels bedeutet.

Für h = 600 m würde dies bedeuten, dass das bereits 600 m lange Steigrohr noch um mindestens 90 m tiefer geführt werden müsste, und zwar doppelt, was einen untragbar hohen baulichen Mehraufwand darstellt.

Andere Vorschläge zielen darauf ab, mit Hilfe einer Schutzschicht auf der Wasseroberfläche, beispielsweise einer Folie, einer schwer verdunstenden Flüssigkeitsschicht oder einer Schicht kleiner, eine zusammenhängende Abdeckung bildender Schwimmkörper, den Kontakt zwischen Luft und Wasser ganz oder teilweise zu unterbinden. Ein weiterer Vorschlag geht dahin, das in der Wasservorlage rasch aufsteigende Wasser/Luft-Gemisch zu bremsen und durch zweckentsprechende Einbauten die Luftblasen vom Wasser zu trennen. Die ideale Methode, nämlich die vollständige Unterbindung des Kontaktes zwischen Luft und Wasser an der Wasseroberfläche lässt sich praktisch sehr schwer realisieren und ob die übrigen Methoden verhindern können, dass, besonders nach längeren Stillständen, mehr oder weniger spontane Luftausscheidungen in der Wasservorlage entstehen, welche die Wassersäule zum Schwingen bringen, bleibt abzuwarten. Solche Schwingungen verursachen Druckschwankungen in der gespeicherten Luft, die sich in erster Linie störend auf den Verdichterbetrieb auswirken können.

Mit der vorliegenden, im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 und 2 definierten Erfindung sollen die vorerwähnten Nachteile der bekannten Lösung vermieden werden.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

In der Zeichnung stellen dar:

• Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform der Einrichtung,
• Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch die Kaverne oberhalb der Wasserlinie,
• Fig. 3 das Ausgleichsbecken einer anderen Ausführungsform der Einrichtung, und
• Fig. 4 ein Detail der Einrichtung.

Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass die hauptsächlich mit Luft angereicherte, oberflächennahe Was.- serschicht in der Kaverne über ein Rohrsystem dauernd abgesaugt und an die Wasseroberfläche des Ausgleichsbeckens gepumpt wird, wo es wegen des niedrigeren Druckes die gelöste Luft abgibt. Das abgesaugte Wasser wird dabei über das Steigrohr der Wasservorlage kontinuierlich durch entlüftetes Wasser aus dem Ausgleichsbecken ersetzt. Im Steigrohr befindet sich demnach nur entlüftetes Wasser, da aus der Kaverne keine Luft in das Steigrohr hineindiffundieren kann.

Die in Fig. 1 gezeigte Einrichtung zur Realisierung dieses Verfahrens weist in der Kaverne 1 einen auf der Wasseroberfläche schwimmenden Röhrenrost 2 auf, der sich aus einer Anzahl perforierter_/vorzugsweise aus Kunststoff bestehender Rohre 3, einem in der Mitte der Längenausdehnung angeordneten Sammelrohr 4 und aus einer Anzahl von Schwimmern 5 zusammensetzt. Die Rohre 3 münden in das ebenfalls vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Sammelrohr 4, siehe Fig. 2, aus dem aus der oberflächennahen Schicht abgesaugtes Wasser über ein Pendelrohr 6 und ein im Steigrohr 7 fixiertes Absaugrohr 8 durch eine Pumpe 9 über ein weiteres Pendelrohr 10 in die oberflächennahe Wasserschicht des Ausgleichsbeckens 11 gefördert wird.

Die Entlüftung des aus der Kaverne abgesaugten lufthaltigen Wassers kann im Ausgleichsbecken 11 ebenfalls durch einen Röhrenrost 12 erfolgen, der prinzipiell gleich ausgeführt ist wie der Röhrenrost 2 in der Kaverne. Er steht über das Pendelrohr 10 mit dem Absaugrohr 8 in Verbindung.

Die Schwimmer 5 der Röhrenroste 2 und 12 halten diese in konstantem Abstand vom jeweiligen Wasserspiegel, wobei die mit Kugelgelenken 13, siehe auch Fig. 4, an die Röhrenroste 2, 12 bzw. an das Absaugrohr 8 angeschlossenen Pendelrohre 2, 10 laufend eine ungehinderte Anpassung der Röhrenroste an den wechselnden Wasserstand in der Kaverne und im Ausgleichsbecken ermöglichen. Da sowohl die Eintrittsöffnungen im Röhrenrost 2 der Kaverne 1 als auch die Austrittsöffnungen im Röhrenrost 12 des Ausgleiehsbeckens 11 stets im Wasser eingetaucht bleiben, hat die Pumpe 9 nur die Rohrreibung, aber keinen geodätischen Höhenunterschied zu überwinden, weshalb die erforderliche Pumpenleistung verhältnismässig klein ist.

Die aus der Kaverne 1 nach oben führende dünne Leitung 14 mit dem Ventil 15 dient zur Verbindung der Kaverne mit dem Verdichter der Gasturbineneinheit während der Ladeperiode bzw. zur Verbindung der Kaverne mit der Gasturbine während der Arbeitsperiode des Luftspeicherkraftwerks.

Da bei laufender Absaugung der Luftgehalt des in das Ausgleichsbecken geförderten Wassers klein ist, wird die entweichende Luft an den Mündungen des Röhrenrostes im Ausgleichsbecken nur eine geringe Sprudelwirkung hervorrufen, so dass in den meisten Fällen auf eine so grossflächige Verteilung des Luftaustritts verzichtet werden kann. In diesen Fällen genügt es, gemäss Fig. 3 ein einseitig offenes Pendelrohr 16 zu verwenden, dessen Mündung von einem Schwimmer 5 in gleichem Abstand unter dem Wasserspiegel des Ausgleichsbeckens gehalten wird.

Die Absaugeeinrichtung braucht hauptsächlich nur bei stillstehender Speicheranlage, also über das Wochenende und bei Revisionen ohne Speicherentleerung, im Betrieb zu sein. Während normaler Arbeitstage, an denen täglich praktisch der ganze Wasserinhalt der Luftkaverne ins Ausgleichsbekken gelangt, wo er entlüftet wird, kann sie eventuell ausser Betrieb bleiben.

Anstelle der gelenkig mit dem Absaugrohr 8 verbundenen Pendelrohre 6, 10 und 16 können auch flexible Leitungen oder Schläuche verwendet werden.

B e z.e i c h n u n g s 1 i s t e

• 1 Kaverne
• 2 Röhrenrost
• 3 Rohre
• 4 Sammelrohr
• 5 Schwimmer
• 6 Pendelrohr
• 7 Steigrohr
• 8 Absaugrohr
• 9 Pumpe .
• 10 Pendelrohr
• 11 Ausgleichbecken
• 12 Röhrenrost
• 13 Kugelgelenke
• 14 Leitung zum Laden und Entladen der Kaverne
• 15 Ventil
• 16 offenes Pendelrohr