DE102004002325B3

DE102004002325B3 - Motorenanlage

Info

Publication number: DE102004002325B3
Application number: DE102004002325A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Eilts
Original assignee: MAN B&W Diesel GmbH
Current assignee: MAN Energy Solutions SE
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2024-01-17
Also published as: FI123015B; ITRM20050019A1; KR101098662B1; FI20050004A; FI20050004A0; KR20050075689A

Abstract

Bei einer Motorenanlage, die eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung des Kraftstoffs, eine zweistufige Abgasturboaufladung und eine Einrichtung zur Umsetzung der Abgaswärme in Dampf aufweist, kann Dampf mit möglichst hohem Druck und hoher Temperatur dadurch erreicht werden, dass in der Abgasleitung zwischen einer mit Abgas höheren Drucks beaufschlagten Turbine einer mehrstufigen Aufladegruppe und einer mit Abgas niedrigeren Drucks beaufschlagten Turbine ein erster Abgaskessel und hinter allen Turbinen ein zweiter Abgaskessel angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorenanlage, die eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung des Kraftstoffs, eine Abgasturboaufladung und eine Einrichtung zur Umsetzung der Abgaswärme in Dampf aufweist.
Derartige große Hubkolbenbrennkraftmaschinen aufweisende Anlagen werden in Schiffen und in stationären Kraftwerken eingesetzt. Dabei wird mit der Einrichtung zur Umsetzung der Abgaswärme Dampf erzeugt, der beispielsweise zum Antrieb einer Dampfturbine, für Heizzwecke oder als Prozessdampf Verwendung findet.

So behandelt bereits die DE 199 60 762 A1 die Ausnutzung der Abwärme-Abgase eines Gasturbinensystems, bei dem die energetische Kopplung eines Verdichters und einer Turbine mithilfe eines Wärmetauschers eine mechanische Energierückgewinnung aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine ermöglicht.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine für mehrstufig aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen geeignete, Dampf mit möglichst hohem Druck und hoher Temperatur liefernde Motorenanlage zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass in der Abgasleitung zwischen einer mit Abgas höheren Drucks beaufschlagten Tur bine einer mehrstufigen Aufladegruppe und einer mit Abgas niedrigeren Drucks beaufschlagten Turbine ein erster Abgaskessel und hinter allen Turbinen ein zweiter Abgaskessel angeordnet sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind der erste Kessel zwischen einer Hochdruckturbine einer zweistufigen Auflade gruppe und der Niederdruckturbine sowie der zweite Kessel hinter der Niederdruckturbine angeordnet.

Vorteilhaft ist der Auslass des zweiten Abgaskessels mit dem Eingang des ersten Abgaskessels verbunden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass ohne Erhöhung der Abgastemperatur hinter der Hubkolbenbrennkraftmaschine eine zweistufige Ausnutzung der Abgaswärme erfolgen kann. Wenn mit der Wärme des Abgases Dampf für eine Dampfturbine erzeugt werden soll, wirkt der erste Abgaskessel als Überhitzer.

In den restlichen Unteransprüchen sind eine Reihe von einzeln oder in Kombination vorzusehenden Eingriffsmöglichkeiten angegeben, die es erlauben, für jeden Anwendungsfall und Betriebszustand eine Optimierung zwischen der Leistung der Hubkolbenbrennkraftmaschine und dem Druck sowie der Temperatur des Dampfes zu ermöglichen.

Auf der Zeichnung sind in den 1 und 2 zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch wiedergegeben.
In 1 ist eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit 1 bezeichnet, der eine zweistufige Aufladegruppe nachgeschaltet ist. Von der Brennkraftmaschine 1 führt ein erster mit 2 bezeichneter Abschnitt der Abgasleitung zu einer Turbine 3, die über eine Welle 4 einen Verdichter 5 antreibt. Die Turbine 3 und der Verdichter 5 bilden die Hochdruckstufe der Aufladegruppe. Von der Turbine 3 führt ein weiterer Abschnitt 6 der Abgasleitung zu einem ersten Abgaskessel 7. Das durch den Abgaskessel 7 tretende Abgas gelangt anschließend über einen Abschnitt 8 der Abgasleitung zu einer Turbine 9, die über eine Welle 10 mit einem Verdichter 11 gekuppelt ist. Die Turbine 9 und der Verdichter 11 bilden die Niederdruckstufe der Aufladegruppe. Von der Turbine 9 gelangt das Abgas über einen Abschnitt 12 der Abgasleitung zu einem zweiten Abgaskessel 13. Der Auslass des zweiten Abgaskessels 13 ist über eine Leitung 18 mit dem Einlass des ersten Abgaskessels 7 verbunden. Hier zweigt von der an den Auslass des zweiten Abgaskessels 13 gelegten Leitung 19 eine Leitung 25 ab, die zu einem weiteren Verbraucher, beispielsweise einer Heizanlage, führt. Die Leitung 25 nimmt ebenso wie die Leitung 19 je ein auf unterschiedliche Durchflussmengen einstellbares Absperrorgan 26 bzw. 27 auf. Dabei kann die Leitung 25 auch direkt vom Abgaskessel 13 abgehen.
Im Betrieb der Anlage erfolgt analog zur Aufteilung des Druckgefälles auf die beiden Turbinen 3 und 9 auch eine Aufteilung des Temperaturgefälles. Die Temperatur zwischen den beiden Turbinen liegt zwischen den Temperaturen die vor der Turbine 3 und nach der Turbine 9 hergehen. Da der Abgaskessel 7 zwischen den beiden Turbinen angeordnet ist, kann eine relativ hohe Dampftemperatur erreicht werden. Wenn der von den Abgaskesseln 7 und 13 produzierte Dampf für einen Dampfturbinenprozess verwendet wird, bedeutet dies einen relativ hohen Wirkungsgrad der Dampfturbine.
Die Abmessungen der Abgaskessel 7 und 13 werden von dem durchzusetzenden Volumenstrom bestimmt. Weil das Abgas zwischen den Turbinen 3 und 9 noch nicht vollständig entspannt ist, ist der Volumenstrom durch den Abgaskessel 7 kleiner als nach der Turbine 9. Dies führt dazu, dass die Abmessungen des Abgaskessels 7 klein gewählt werden können.
Die Ladeluft durchströmt den Verdichter 11 und den anschließenden Wärmetauscher 14, in der sie gekühlt wird. Vom Wärmetauscher 14 gelangt die Ladeluft in den Verdichter 5 des Hochdruckabgasturboladers, von dem sie durch einen weiteren Wärmetauscher 15 zur Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 geführt wird.
Bei Laständerungen der Hubkolbenbrennkraftmaschine 1 kann das Problem auftreten, dass der zwischen den Turbinen 3 und 9 angeordnete Abgaskessel 7 als Wärmespeicher wirkt. Dies kann dazu führen, dass das Abgasenergieangebot für die Turbine 9 der Laständerung nachhinkt. Um dies zu vermeiden kann der Abgaskessel 7 mit der Bypassleitung 16 umgangen werden. Die Bypassleitung 16 geht vom Abschnitt 6 aus und mündet in den Abschnitt 8 ein. Die Bypassleitung 16 nimmt ein Absperrorgan 17 auf, dass zweckmäßig auf unterschiedliche Durchflussmengen einstellbar ist. In dem Abschnitt 6 ist zwischen der Abzweigung der Bypassleitung 16 und dem ersten Abgaskessel 7 ein weiteres Absperrorgan 18 angeordnet. Wenn das Absperrorgan 17 zur Durchflussmengenregelung ausgelegt ist, dann ist das Absperrorgan 18 in gleicher Weise ausgebildet. Die beiden Absperrorgane 17 und 18 können, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist, in geeigneter Weise gekoppelt sein, so dass ein Öffnen des Absperrorgans 17 gleichzeitig ein Schließen des Absperrorgans 18 bewirkt. Durch entsprechende Betätigung der Absperrorgane 17, 18 kann das Abgas entweder im stationären Betrieb durch den Abgaskessel 7 oder bei Laständerungen an diesem vorbei geführt werden.
Eine Folge des Entzuges von Abgasenergie durch den Abgaskessel 7 ist, dass der Ladedruck der Hubkolbenbrennkraftmaschine absinkt. In gewissen Grenzen ist dies tolerierbar. Es kann jedoch zu ther mischen Problemen führen, wenn der Ladedruckabfall zu groß wird. In diesem Fall ist mindestens eine der Turbinen 3, 9 mit einem auf unterschiedliche Durchflussmengen entstellbaren Leitapparat zu versehen.
Eine andere Alternative bietet sich dadurch, dass die Hubkolbenbrennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten versehen ist. Dies kann beispielsweise im Falle einer Viertakthubkolbenbrennkraftmaschine dadurch geschehen, dass die Steuerzeiten der Einlassventile variabel sind. Im Falle einer Zweitakthubkolbenkraftmaschine sind die Steuerzeiten der Auslassventile variabel einstellbar zu gestalten. Durch späteres Einlassschließen bei der Viertakthubkolbenbrennkraftmaschine bzw. früheres Auslassschließen bei der Zweitakthubkolbenbrennkraftmaschine kann den Auswirkungen des Ladedruckabfalls bei hoher Dampfproduktion entgegen gewirkt werden.
Eine weitere Ausführungsvariante ist in 2 gezeigt. Hier sind die Teile, die mit der Anlage nach 1 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zusätzlich zu der Anordnung nach 1 ist parallel zu jeder Turbine 3, 9 eine Bypassleitung 20 bzw. 21 vorgesehen. Jede Bypassleitung 20, 21 nimmt ein Absperrorgan 22 bzw. 23 auf. Die Absperrorgane 22, 23 sind wiederum auf unterschiedliche Durchflussmengen einstellbar. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bypassleitungen 20, 21 mit der Bypassleitung 16 verbunden, so dass ein beide Turbinen 3, 9 umgehender Bypass hergestellt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, nur eine Bypassleitung 20 oder 21 vorzusehen.
Die Bypassleitungen 20, 21 sind eine Alternative zu den Turbinen mit einstellbarem Leitapparat oder den variablen Ventilsteuerzeiten. Wird dem Abgas durch den Abgaskessel 7 Wärme entzogen, wobei das Absperrorgan 18 offen und das Absperrorgan 17 geschlossen ist, so ist der Ladedruck niedrig. In diesem Fall sind die Absperrorgane 22, 23 geschlossen. Wird jetzt der Abgaskessel 7 durch Schließen des Absperrorgans 18 und Öffnen des Absperrogans 17 abgeschaltet, so wird dem Abgas keine Wärme durch den Abgaskessel mehr entzogen. Infolgedessen steigt der Ladedruck an. Um das zu kompensieren, sind die Absperrorgane 22 und 23 zu öffnen. Die Turbinen 3 und 9 erhalten dadurch nur soviel Abgas, dass der geforderte Ladedruck aufrechterhalten wird. Das nicht benötigte Abgas fließt direkt zum Abgaskessel 13. In diesem Fall ist es zweckmäßig auch das Absperrorgan 27 zu schließen.

Claims

Motorenanlage, die eine Hubkolbenbrennkraftmaschine mit Selbstzündung des Kraftstoffs, eine Abgasturboaufladung sowie eine Einrichtung zur Umsetzung der Abgaswärme in Dampf aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (2, 6, 8, 12) zwischen einer mit Abgas höheren Drucks beaufschlagten Turbine (3) einer mehrstufigen Auflagegruppe und einer mit Abgas niedrigeren Drucks beaufschlagten Turbine (9) ein erster Abgaskessel (7) und im Abgasweg hinter allen Turbinen ein zweiter Abgaskessel (13) angeordnet sind.
Motorenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abgaskessel (7) zwischen der Turbine (3) der Hochdruckstufe einer zweistufigen Aufladegruppe und der Turbine (9) der Niederdruckstufe angeordnet ist.
Motorenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass des zweiten Abgaskessels (13) mit dem Eingang des ersten Abgaskessels (7) über eine Leitung (18) verbunden ist.
Motorenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (19) ein Absperrorgan (27) aufnimmt und sich an den Auslass des zweiten Abgaskessels (13) eine weitere, ein Absperrorgan (26) aufnehmende, zu einem anderen Verbraucher führende Leitung (25) anschließt.
Motorenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den ersten Abgaskessel (7) umgehende Bypassleitung (16) vorgesehen ist und in der Bypassleitung (16) sowie dem Abschnitt (6) der Abgasleitung zwischen der Abzweigung der Bypassleitung (16) und dem ersten Abgaskessel (7) je ein Absperrorgan (17, 18) angeordnet ist.
Motorenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mindestens eine Turbine (3, 9) umgebende Bypassleitung (20, 21) vorgesehen ist und in jeder Bypassleitung (20, 21) ein Absperrorgan (22, 23) angeordnet ist.
Motorenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrorgane (17, 18, 22, 23, 26, 27) auf unterschiedliche Durchflussmengen einstellbar sind.
Motorenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrorgan (17) in der Bypassleitung (16) und das Absperrorgan (18) in der Abgasleitung (6) zur gemeinsamen Einstellung miteinander gekoppelt sind.
Motorenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Turbinen (3, 9) mit einem auf unterschiedliche Durchflussmengen einstellbaren Leitapparat versehen ist.
Motorenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenbrennkraftmaschine eine Einrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten aufweist.
Motorenanlage nach Anspruch 10 mit einer Viertakthubkolbenbrennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerzeiten der Einlassventile variabel sind.
Anlage mit einer Zweitakthubkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerzeiten der Auslassventile variabel sind.