DE102010048292A1 - Method for operating low temperature power plant utilized to convert heat energy of low temperature mass flow into electricity, involves changing state of working fluid by increasing temperature, and vaporizing fluid in partial streams - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks mit wenigstens einer Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie durch Entspannung eines in einem Kreislauf zirkulierenden Arbeitsfluids, welches wenigstens durch Einkoppeln von Niedertemperaturwärme in den Kreislauf erwärmt wird, sowie ein Niedertemperaturkraftwerk, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating a low-temperature power plant with at least one turbine for generating electrical energy by relaxing a circulating in a circuit working fluid which is heated at least by coupling low-temperature heat into the circuit, and a low-temperature power plant, in particular for carrying out the method.
Niedertemperaturkraftwerke werden eingesetzt um Niedertemperaturwärme aus Niedertemperaturmassenströmen in elektrische Energie zu wandeln. Solche Niedertemperaturmassenströme können aus regenerativen Energiequellen, wie z. B. der Geothermie, der Solarthermie oder beispielsweise bei der Nutzung der Abwärme von Faul- oder Gärprozessen, wie z. B. in einer Mülldeponie oder dergleichen gewonnen werden. Insbesondere im Zuge des Bestrebens fossile Brennstoffe einzusparen steigt die Bedeutung von Niedertemperaturkraftwerken.Low-temperature power plants are used to convert low-temperature heat from low-temperature mass flows into electrical energy. Such low-temperature mass flows can be from renewable energy sources, such. As geothermal, solar thermal or, for example, in the use of waste heat from digestion or fermentation processes, such. B. in a landfill or the like can be obtained. In particular, as part of the effort to save fossil fuels increases the importance of low-temperature power plants.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks ist beispielsweise aus der
Bei herkömmlichen Niedertemperaturkraftwerken ist nachteilig, dass die Temperatur und die zur Verfügung stehende Leistung des Wärmestroms, der einem Niedertemperaturmassenstrom entnommen werden kann, in vieler Hinsicht nicht beeinflussbar ist und von der Verfügbarkeit der jeweiligen regenerativen Energiequelle abhängt. Insbesondere kann der Niedertemperaturwärmestrom über die Zeit hinweg variieren. Aufgrund der niedrigen zur Verfügung stehenden Temperatur, ist der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Niedertemperaturkraftwerks im Vergleich zu Kraftwerken die z. B. mit fossilen Rohstoffen betrieben werden vergleichsweise niedrig. Um hier Engpässe überbrücken zu können und den Wirkungsgrad zu erhöhen, ist eine Kombination von Niedertemperaturkraftwerken mit Kraftwerken, die auf anderen Energiequellen basieren, sinnvoll. Hierfür kommen beispielsweise Blockheizkraftwerke und ähnliche herkömmliche Kraftwerkstechnologien, wie z. B. Gasmotoren, Gasturbinen, Stirlingmotoren oder Hochtemperaturbrennstoffzellen in Betracht. Solche herkömmlichen Kraftwerke produzieren gleichzeitig Strom und Wärme und können neben fossilen Brennstoffen beispielsweise auch mit Biogas betrieben werden. Die erzeugte Wärme kann zu Heizzwecken genutzt werden, oftmals bleibt jedoch ein beträchtlicher Anteil an Wärme ungenutzt zurück. Die Erweiterung eines Niedertemperaturkraftwerks, derart, dass ein als Hybridkraftwerk ausgebildetes Niedertemperaturkraftwerk neben der Niedertemperaturwärme auch die Abwärme des Blockheizkraftwerks zur Verstromung nutzen kann, erscheint daher sinnvoll.In conventional low-temperature power plants, it is disadvantageous that the temperature and the available power of the heat flow, which can be taken from a low-temperature mass flow, can not be influenced in many respects and depends on the availability of the respective regenerative energy source. In particular, the low temperature heat flux may vary over time. Due to the low available temperature, the efficiency of a conventional low-temperature power plant compared to power plants z. B. operated with fossil fuels are relatively low. In order to be able to bridge bottlenecks and increase efficiency, a combination of low-temperature power plants with power plants based on other energy sources makes sense. For this example, combined heat and power plants and similar conventional power plant technologies such. As gas engines, gas turbines, Stirling engines or high-temperature fuel cells into consideration. Such conventional power plants simultaneously produce electricity and heat and, in addition to fossil fuels, can be operated with biogas, for example. The heat generated can be used for heating purposes, but often a considerable amount of heat remains unused. The extension of a low-temperature power plant, so that a designed as a hybrid power plant low temperature power plant in addition to the low-temperature heat and the waste heat of the combined heat and power plant can use for power generation, therefore, makes sense.
Da jedoch üblicherweise ein beträchtlicher Wärmeanteil der von einem Blockheizkraftwerk erzeugten Wärme zu Heizzwecken genutzt wird, liefert ein Blockheizkraftwerk je nach Tageszeit und auch im Hinblick auf einen saisonal schwankenden Heizbedarf je nach Jahreszeit einen unterschiedlich hohen Wärmestrom.However, since usually a considerable proportion of heat from the heat generated by a combined heat and power plant is used for heating purposes, a combined heat and power plant delivers depending on the time of day and in view of a seasonally fluctuating heating needs depending on the season, a different heat flow.
Hybridkraftwerke, die sowohl Niedertemperaturwärme, als auch Abwärme aus einem mit dem Hybridkraftwerk gekoppelten Prozess nutzen, sind aus dem Stand der Technik bekannt. So gibt es Kraftwerksentwürfe, bei denen der Wärmestrom aus verschiedenen Quellen sukzessive in den Kraftwerkskreislauf eingekoppelt wird. Der Kreislauf innerhalb eines solchen Hybridkraftwerks ist dabei an die zur Verfügung stehenden Wärmeströme, insbesondere an das Volumen, Wärmekapazität und die Temperatur der zugrundeliegenden Massenströme, fest angepasst.Hybrid power plants, which use both low-temperature heat and waste heat from a coupled with the hybrid power plant process, are known from the prior art. So there are power plant designs in which the heat flow from different sources is gradually coupled into the power plant cycle. The cycle within such a hybrid power plant is fixedly adapted to the available heat flows, in particular to the volume, heat capacity and the temperature of the underlying mass flows.
Ein Kraftwerk, das einen in der Temperatur oder dem Volumen bzw. der Wärmekapazität begrenzten Wärmestrom nutzt wird üblicherweise auf eine maximale Stromerzeugung hin optimiert. Der optimale Auslegungspunkt wird unter anderem durch die Verdampfungstemperatur des in dem Kreislauf zirkulierenden Arbeitsfluids charakterisiert.A power plant that uses a heat flow limited in temperature or volume or heat capacity is usually optimized for maximum power generation. The optimum design point is characterized, inter alia, by the vaporization temperature of the working fluid circulating in the circuit.
Der optimale Auslegungspunkt des Kreislaufs ist bekanntermaßen von der Temperatur und Wärmekapazität des zur Verfügung stehenden Niedertemperaturmassenstroms abhängig. Herkömmliche Kraftwerke und Verfahren zum Betrieb solcher Kraftwerke werden für einen gegebenen in den Kreislauf eingekoppelten Wärmestrom so ausgelegt, dass der Wirkungsgrad des Kraftwerks für den jeweiligen Wärmestrom optimiert ist. Bei mehreren in den Kreislauf einzukoppelnden Wärmeströmen muss die Verdampfungstemperatur des Arbeitsfluids an einen einzelnen der Wärmeströme angepasst werden oder ggf. eine Gewichtung der Wärmeströme erfolgen, so dass im Hinblick auf die zu erwartenden Anteile der Wärmeströme ein möglichst hoher Maximalwirkungsgrad gefunden werden kann. Bei im Volumen bzw. der Wärmekapazität und der Temperatur variablen Wärmeströmen werden deshalb herkömmliche Hybridkraftwerke meist fernab ihrer optimalen Betriebsparameter und somit fernab ihres maximalen Wirkungsgrads betrieben.The optimal design point of the circuit is known to be dependent on the temperature and heat capacity of the available low temperature mass flow. Conventional power plants and methods for operating such power plants are designed for a given coupled into the circuit heat flow so that the efficiency of the power plant is optimized for the respective heat flow. In the case of a plurality of heat flows to be coupled into the circuit, the evaporation temperature of the working fluid must be adapted to a single one of the heat flows or, if necessary, a weighting of the heat flows be carried out so that the highest possible maximum efficiency can be found with regard to the expected proportions of the heat flows. Therefore, in the volume or the heat capacity and the temperature variable heat flows conventional hybrid power plants are usually operated far away from their optimal operating parameters and thus far from their maximum efficiency.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks, sowie ein Niedertemperaturkraftwerk bereitzustellen, bei dem der Wirkungsgrad des Kraftwerks auf einfache und wirtschaftliche Weise im Hinblick auf etwaige sich über die Zeit verändernde Temperaturen und Volumina bzw. Wärmekapazitäten der zur Verfügung stehenden Wärmeströme optimiert werden kann. The invention is therefore based on the object to provide a method for operating a low temperature power plant, and a low temperature power plant, wherein the efficiency of the power plant in a simple and economical manner with regard to any over time changing temperatures and volumes or heat capacities of the available Heat flows can be optimized.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks mit wenigstens einer Turbine zur Erzeugung elektrischer Energie durch Entspannung eines in einem Kreislauf zirkulierenden Arbeitsfluids, welches wenigstens durch Einkoppeln von Niedertemperaturwärme in den Kreislauf erwärmt wird, wobei das Arbeitsfluid vor Eintritt in die Turbine erwärmt und in wenigstens einen ersten und zweiten Teilstrom aufgeteilt wird, dabei in dem zweiten Teilstrom eine Zustandsänderung des Arbeitsfluids mit Temperaturerhöhung herbeigeführt und daraufhin das Arbeitsfluid in jedem der Teilströme verdampft wird.The object is achieved by a method for operating a low-temperature power plant with at least one turbine for generating electrical energy by relaxing a circulating in a circulating working fluid, which is heated at least by coupling low-temperature heat into the circuit, wherein the working fluid heated before entering the turbine and is divided into at least a first and second partial flow, thereby causing a change in state of the working fluid with temperature increase in the second partial flow and then the working fluid is evaporated in each of the partial flows.
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Niedertemperaturkraftwerk, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, umfassend wenigstens einen Kreislauf zur Zirkulation eines Arbeitsfluids, wobei in dem Kreislauf wenigstens ein Wärmetauscher, wenigstens eine Pumpe und wenigstens eine Turbine angeordnet sind, wobei der Kreislauf zwischen Wärmetauscher und Turbine über eine Verzweigung in wenigstens einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt ist und in beiden Teilströmen jeweils wenigstens ein Verdampfer und in dem zweiten Teilstrom vor dem Verdampfer zusätzlich wenigstens eine Pumpe angeordnet ist.The object is further achieved by a low-temperature power plant, in particular for carrying out the method comprising at least one circuit for circulating a working fluid, wherein in the circuit at least one heat exchanger, at least one pump and at least one turbine are arranged, wherein the circuit between the heat exchanger and turbine via a branch is divided into at least a first and a second partial flow and in each of the two partial flows at least one evaporator and in the second partial flow upstream of the evaporator additionally at least one pump is arranged.
Niedertemperaturwärme im Sinne der Erfindung ist Wärme, die mit Hilfe eines Niedertemperaturmassenstroms von einen geeigneten Wärmequelle bereitgestellt wird. Als geeignete Wärmequellen sind beispielsweise solche aus der Geothermie, der Solarthermie oder bei Faul- oder Gärprozessen, wie z. B. in einer Mülldeponie, denkbar.Low-temperature heat in the context of the invention is heat which is provided by means of a low-temperature mass flow from a suitable heat source. Suitable sources of heat are, for example, those from geothermal, solar thermal or digester or fermentation processes, such. B. in a landfill, conceivable.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass beim Einkoppeln mehrerer Wärmeströme mit unterschiedlichen Temperaturniveaus der Kraftwerkskreislauf durch die Aufteilung in mehrere Teilströme so betrieben werden kann, dass die Verdampfungstemperatur des Arbeitsfluids in jedem der Teilströme individuell an das jeweils zur Verfügung stehende Temperaturniveau des dort genutzten Wärmestroms angeglichen werden kann. Mit Bezug auf den jeweiligen Teilstrom können so Teilkreisläufe realisiert werden, bei denen jeweils ein für das Temperaturniveau des in den Kreislauf eingekoppelten Wärmestroms optimaler Wirkungsgrad erreicht werden kann. Der Gesamtwirkungsgrad des Kraftwerks wird dabei durch die individuelle Berücksichtigung der zur Verfügung stehenden Wärmeströme optimiert.The advantage of the method according to the invention is that when coupling several heat flows with different temperature levels of the power plant cycle can be operated by the division into several streams so that the evaporation temperature of the working fluid in each of the partial flows individually to the respective available temperature level of the heat flow used there can be adjusted. With reference to the respective partial flow, partial circuits can thus be realized in which an optimum efficiency can be achieved in each case for the temperature level of the heat flow coupled into the circuit. The overall efficiency of the power plant is optimized by the individual consideration of the available heat flows.
Selbstverständlich kann das Arbeitsfluid auch in mehr als zwei Teilströme aufgeteilt werden, so dass eine individuelle Anpassung an mehrere Wärmeströme möglich ist.Of course, the working fluid can also be divided into more than two partial flows, so that an individual adaptation to a plurality of heat flows is possible.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Kreislauf als Organic-Rankine-Kreislauf (ORC) betrieben. Der Organic-Rankine-Kreislauf entspricht weitgehend dem Clausius-Rankine-Kreislauf, bei dem in der konventionellen Stromerzeugung Wasser als Arbeitsfluid benutzt wird. Beim ORC wird anstatt von Wasser ein organisches Fluid, wie z. B. Butan, Pentan, Propan oder Hexan verwendet. Ein solches Arbeitsfluid hat den Vorteil, dass es im Vergleich zu Wasser bereits bei niedrigeren Temperaturen verdampft und trotzdem ein in einer Turbine nutzbarerer Druck erreicht werden kann. Ferner weist ein solches Arbeitsfluid einen im Vergleich zu Wasser günstigeren Verlauf und eine günstigere Lage der dazu gehörigen Dampfdruckkurve auf.In a particularly advantageous embodiment of the invention, the circuit is operated as an Organic Rankine cycle (ORC). The Organic Rankine cycle largely corresponds to the Clausius Rankine cycle, in which water is used as the working fluid in conventional power generation. In ORC, instead of water, an organic fluid, such. As butane, pentane, propane or hexane used. Such a working fluid has the advantage that, in comparison to water, it evaporates already at lower temperatures and, nevertheless, a pressure that can be used in a turbine can be achieved. Furthermore, such a working fluid has a more favorable course compared to water and a more favorable position of the associated vapor pressure curve.
Zweckmäßigerweise wird in einer Ausgestaltung der Erfindung das Arbeitsfluid in dem ersten Teilstrom verdampft, ohne zuvor eine weitere Zustandsänderung des Arbeitsfluids herbeizuführen. Die Erwärmung des Arbeitsfluids erfolgt bereits vor dem Aufteilen des Arbeitsfluids in zwei Teilströme, so dass, wenn die Temperatur des erwärmten Arbeitsfluids an die optimale Verdampfungstemperatur des Teilkreislaufes mit Bezug auf den zum Verdampfen des Arbeitsfluids im ersten Teilstrom einzukoppelnden Wärmestrom angepasst ist, keine weitere Zustandsänderung vor dem Verdampfen des Arbeitsfluids notwendig ist.Conveniently, in one embodiment of the invention, the working fluid is evaporated in the first partial flow, without previously bring about a further change in state of the working fluid. The heating of the working fluid is carried out before dividing the working fluid into two partial flows, so that when the temperature of the heated working fluid is adapted to the optimum evaporating temperature of the partial circuit with respect to the heat flow to be coupled for vaporizing the working fluid in the first partial flow, no further change in state the evaporation of the working fluid is necessary.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird Niedertemperaturwärme in den ersten Teilstrom zum Verdampfen des Arbeitsfluids eingekoppelt. So kann der bereits zum Erwärmen genutzte Niedertemperaturmassenstrom ebenfalls dazu genutzt werden die zum Verdampfen des Arbeitsfluids notwendige Niedertemperaturwärme in den Kreislauf einzukoppeln.In an advantageous embodiment of the invention, low-temperature heat is coupled into the first partial flow for evaporating the working fluid. Thus, the low-temperature mass flow already used for heating can also be used to couple into the circuit the low-temperature heat necessary for the evaporation of the working fluid.
Aufgrund der in dem zweiten Teilstrom erfolgten Zustandsänderung des Arbeitsfluids mit Temperaturerhöhung liegt das Temperaturniveau des Arbeitsfluids im zweiten Teilstrom vor dem Verdampfen über dem Temperaturniveau des Arbeitsfluids in dem ersten Teilstrom. Zweckmäßigerweise erfolgt die Zustandsänderung des Arbeitsfluids mit Temperaturerhöhung im zweiten Teilstrom derart, dass das Temperaturniveau des Arbeitsfluids im zweiten Teilstrom optimal an das Temperaturniveau eines dort eingekoppelten Wärmestroms angepasst ist. Zweckmäßigerweise wird zum Verdampfen des Arbeitsfluids in dem zweiten Teilstrom Abwärme aus einem mit dem Verfahren gekoppelten Prozess, beispielsweise einer Kraftwärmekopplungsanlage, in den Kreislauf eingekoppelt. Beispielsweise bietet sich hierzu die Verwendung von Biogas in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) an, wobei in dem BHKW sowohl Strom, als auch Wärme erzeugt wird. Die dort erzeugte Wärme kann erfindungsgemäß als Abwärme in den zweiten Teilstrom eingekoppelt werden.Due to the change in state of the working fluid with temperature increase occurring in the second partial flow, the temperature level of the working fluid in the second partial flow before evaporation is above the temperature level of the working fluid in the first partial flow. Appropriately, the change in state of the working fluid with temperature increase in the second partial flow is such that the temperature level of the working fluid in the second partial flow is optimally adapted to the temperature level of a heat flow coupled there. Expediently, for the evaporation of the working fluid in the second partial flow, waste heat from a process coupled with the method, for example a combined heat and power plant, is coupled into the circuit. For example, for this purpose, the use of biogas in a combined heat and power plant (CHP), wherein in the CHP both electricity and heat is generated. The heat generated there can be coupled according to the invention as waste heat in the second partial stream.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Zustandsänderung in dem zweiten Teilstrom derart, dass der Druck erhöht wird. Dies hat zur Folge, dass nach der Zustandsänderung in dem zweiten Teilstrom ein höheres Druckniveau vorliegt, als in dem ersten Teilstrom. Ein gegenüber dem Druckniveau in dem ersten Teilstrom höheres Druckniveau in dem zweiten Teilstrom hat den Vorteil, dass die unterschiedlichen Teilströme in einer mit unterschiedlichen Druckstufen ausgestatteten Turbine oder in mehreren, z. B. über Getriebe verbundene Turbinen entspannt werden können, so dass durch das Bereitstellen der verschiedenen Druckniveaus der Wirkungsgrad der Verstromung weiter optimiert werden kann.In an advantageous embodiment of the invention, the state change in the second partial flow is such that the pressure is increased. This has the consequence that after the state change in the second partial flow, a higher pressure level is present, as in the first partial flow. A relation to the pressure level in the first partial flow higher pressure level in the second partial flow has the advantage that the different partial flows in a turbine equipped with different pressure levels or in several, z. B. connected via gear turbines can be relaxed, so that by providing the various pressure levels of the efficiency of the power generation can be further optimized.
Es ist daher zweckmäßig, wenn die Teilströme in einer Ausführungsform entsprechend Ihres jeweils vorliegenden Druckniveaus in verschiedene Turbinenstufen, z. B. einen Hochdruck-, Mitteldruck- und/oder Niederdruckteil, in die Turbine eingeleitet werden. Die Teilströme können aber auch im Niederdruckteil der Turbine, oder bereits vor dem Niederdruckteil der Turbine wieder zusammengeführt werden.It is therefore expedient if the partial flows in one embodiment according to their respective existing pressure levels in different turbine stages, for. B. a high-pressure, medium-pressure and / or low-pressure part, are introduced into the turbine. However, the partial flows can also be brought together again in the low-pressure part of the turbine, or even before the low-pressure part of the turbine.
Wie bereits erwähnt erfolgt die Zustandsänderung des Arbeitsfluids in dem zweiten Teilstrom zweckmäßigerweise durch Druckerhöhung. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass im zweiten Teilstrom, stromabwärts der Verzweigung durch die das Arbeitsfluids in zwei Teilströme aufgeteilt wird, eine Pumpe eingesetzt wird. Zum Erreichen der optimalen Verdampfungstemperatur im zweiten Teilstrom kann das Arbeitsfluid neben der Zustandsänderung durch Druckerhöhung auch zusätzlich durch Einleiten eines entsprechenden Wärmestroms weiter erwärmt werden.As already mentioned, the state change of the working fluid in the second partial flow expediently takes place by increasing the pressure. This can be realized, for example, in that a pump is used in the second partial flow, downstream of the branching, by which the working fluid is divided into two partial flows. To achieve the optimum evaporation temperature in the second partial flow, the working fluid can be further heated in addition to the change in state by pressure increase by introducing a corresponding heat flow.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Arbeitsfluid nach dem Kondensieren und vor dem Erwärmen, sowie Aufteilen in mehrere Teilströme durch beispielsweise eine Druckerhöhung verdichtet. Eine Veränderung des Drucks und damit des Temperaturniveaus des Arbeitsfluids nach dem Kondensieren ist üblich und in der Regel notwendig. Eine Druckerhöhung hat auch den Vorteil, dass das Temperaturniveau des Arbeitsfluids vor dem Erwärmen unabhängig von der Zustandsänderung ist, die durch die Entspannung in der Turbine und der darauffolgenden Kondensation bewirkt wird. Mithilfe eines geeigneten Ausmaßes der Druckerhöhung kann der Wirkungsgrad des Verfahrens zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks weiter optimiert werden. Eine entsprechende Druckveränderung kann beispielsweise mithilfe einer Kondensatpumpe erfolgen.In a further embodiment of the invention, the working fluid after condensing and before heating, and dividing into a plurality of partial flows is compressed by, for example, a pressure increase. A change in the pressure and thus the temperature level of the working fluid after condensation is common and usually necessary. An increase in pressure also has the advantage that the temperature level of the working fluid before heating is independent of the change of state caused by the relaxation in the turbine and the subsequent condensation. By using a suitable degree of pressure increase, the efficiency of the method for operating a low temperature power plant can be further optimized. A corresponding pressure change can take place for example by means of a condensate pump.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Niedertemperaturkraftwerk, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Erfindungsgemäß umfasst das Niedertemperaturkraftwerk wenigstens einen Kreislauf zur Zirkulation eines Arbeitsfluids, wobei in dem Kreislauf wenigstens ein Wärmetauscher und wenigstens eine Turbine angeordnet sind, wobei der Kreislauf zwischen Wärmetauscher und Turbine über eine Verzweigung in wenigstens einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt ist und in beiden Teilströmen jeweils wenigstens ein Verdampfer und in dem zweiten Teilstrom vor dem Verdampfer zusätzlich wenigstens eine Pumpe angeordnet ist.Another object of the present invention is a low-temperature power plant, in particular for carrying out the method according to the invention. According to the invention, the low-temperature power plant comprises at least one circuit for circulating a working fluid, wherein in the circuit at least one heat exchanger and at least one turbine are arranged, wherein the circuit between the heat exchanger and turbine is split via a branch into at least a first and a second partial flow and in both partial flows in each case at least one evaporator and in the second partial flow before the evaporator additionally at least one pump is arranged.
Erfindungsgemäß wird mithilfe der Pumpe der Druck des Arbeitsfluids und damit auch die Temperatur erhöht. Erfindungsgemäß kann bei einem kompressiblen Arbeitsfluid unter einer Pumpe auch ein Verdichter verstanden werden.According to the invention, the pressure of the working fluid and thus also the temperature are increased by means of the pump. According to the invention can be understood in a compressible working fluid under a pump and a compressor.
Ein solches Niedertemperaturkraftwerk hat den Vorteil, dass die in den Teilströmen angeordneten Verdampfer mit unterschiedlichen, sich auf verschiedenen Temperaturniveaus befindenden Wärmeströmen betrieben werden können. In dem Verdampfer wird jeweils einem Massenstrom ein Wärmestrom entzogen, der daraufhin in den Kreislauf, in dem das Arbeitsfluid zirkuliert, eingekoppelt wird. Dabei wird der Massenstrom abgekühlt. Entsprechendes erfolgt bei der Erwärmung des Arbeitsfluids im Wärmetauscher, wobei sich die Abkühlung des Massenstroms über eine Abkühlkurve darstellen lässt.Such a low-temperature power plant has the advantage that the evaporators arranged in the partial flows can be operated with different heat flows located at different temperature levels. In the evaporator in each case a mass flow, a heat flow is withdrawn, which is then coupled into the circuit in which the working fluid circulates, is coupled. The mass flow is cooled. The same occurs when the working fluid in the heat exchanger is heated, whereby the cooling of the mass flow can be represented by a cooling curve.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Niedertemperaturkraftwerk so ausgestaltet, dass der Massenstrom, der zur Verdampfung des Arbeitsfluids im ersten Teilstrom durch den dort angeordneten Verdampfer genutzt wird, durch Abgabe einer Restwärme zur Erwärmung des Arbeitsfluids im Wärmetauscher verwendet werden kann. Dazu umfasst das Kraftwerk Mittel zum Führen des Massenstroms vom Verdampfer zum Wärmetauscher.In an advantageous embodiment of the invention, the low-temperature power plant is designed so that the mass flow, which is used for evaporation of the working fluid in the first partial flow through the evaporator arranged there, can be used by emitting a residual heat to heat the working fluid in the heat exchanger. For this purpose, the power plant comprises means for guiding the mass flow from the evaporator to the heat exchanger.
Als Massenstrom ist erfindungsgemäß ein Fluid oder ein Gas zu verstehen, dass durch eine Wärmequelle mit Wärmeenergie beladen wird und anschließend diese Energie von der Wärmequelle zum Niedertemperaturkraftwerk transportiert. Wie zuvor bei der Beschreibung des Verfahrens zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks bereits erwähnt, kann ein solcher Massenstrom erfindungsgemäß aus Thermalwasser bestehen, welches einer Thermalquelle entnommen wird oder aus Abwärme, z. B. als Wasserdampf oder Abgas, aus einem herkömmlichen Kraftwärmekraftwerk bzw. Kraftwärmekopplungsanlage oder einem Wasserdampfkraftwerk.As a mass flow according to the invention is a fluid or a gas to understand that is charged by a heat source with heat energy and then transported this energy from the heat source to the low temperature power plant. As already mentioned in the description of the method for operating a low-temperature power plant, such a mass flow can According to the invention consist of thermal water, which is taken from a thermal source or waste heat, for. B. as water vapor or exhaust gas from a conventional combined heat and power plant or combined heat and power plant or a steam power plant.
Entsprechend zum zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks kann eine Zustandsänderung des Arbeitsfluids mithilfe einer Pumpe bzw. wie oben angedeutet mithilfe eines Verdichters realisiert werden. Letzterer wird im folgenden nicht weiter erwähnt. Mithilfe der Pumpe wird der Druck des Arbeitsfluids und damit auch die Temperatur erhöht. Die Temperatur des Arbeitsfluids kann ferner durch einen Vorwärmer weiter erhöht werden. Die Pumpe und/oder der Vorwärmer kann derart betrieben werden, dass die Temperatur des Arbeitsfluids stromabwärts der Pumpe und/oder des Vorwärmers so an die Abkühlkurve des Massenstroms angepasst wird, dass bei der dort vorliegenden Temperatur die optimale Verdampfungstemperatur vorherrscht. Durch Nachschalten des Verdampfers im zweiten Teilstrom wird das Arbeitsfluid bei dieser Temperatur verdampft. Zweckmäßigerweise kann als Verdampfer ein kombinierter Verdampfer und Vorwärmer eingesetzt werden. In diesem Fall wird der kombinierte Verdampfer und Vorwärmer der Pumpe bzw. dem Verdichter nachgeschaltet. Das Arbeitsfluid kann zum Erreichen der optimalen Verdampfungstemperatur in dem kombinierten Verdampfer und Vorwärmer vor dem Verdampfen weiter erwärmt werden.According to the previously described method according to the invention for operating a low-temperature power plant, a change in state of the working fluid can be realized by means of a pump or, as indicated above, by means of a compressor. The latter will not be mentioned further below. The pump increases the pressure of the working fluid and thus the temperature. The temperature of the working fluid may be further increased by a preheater. The pump and / or the preheater can be operated such that the temperature of the working fluid downstream of the pump and / or the preheater is adapted to the cooling curve of the mass flow, that prevails at the temperature present there, the optimum evaporation temperature. By downstream of the evaporator in the second partial flow, the working fluid is evaporated at this temperature. Conveniently, a combined evaporator and preheater can be used as the evaporator. In this case, the combined evaporator and preheater of the pump or the compressor downstream. The working fluid may be further heated to achieve the optimum evaporating temperature in the combined evaporator and preheater prior to evaporation.
Zweckmäßigerweise ist ausschließlich in dem zweiten Teilstrom eine Pumpe vor dem Verdampfer bzw. kombinierten Vorwärmer und Verdampfer angeordnet. Erfindungsgemäß kann das Arbeitsfluid bereits mithilfe des Wärmetauschers auf eine Temperatur erwärmt werden, die an die Abkühlkurve des Massenstroms angepasst ist. Wie zuvor schon erwähnt bedingt die Wechselwirkung zwischen Massenstrom und Arbeitsfluid eine optimale, auf den maximalen Wirkungsgrad ausgerichtete Verdampfungstemperatur des Arbeitsfluids. Eine zusätzliche Pumpe, der dem Verdampfer im ersten Teilstrom vorgeschaltet ist, ist erfindungsgemäß nicht notwendig, was eine Verringerung der Komplexität des erfindungsgemäßen Niedertemperaturkraftwerks und somit Bauteileinsparungen zum Vorteil hat.Appropriately, a pump is arranged in front of the evaporator or combined preheater and evaporator exclusively in the second partial flow. According to the invention, the working fluid can already be heated by means of the heat exchanger to a temperature which is adapted to the cooling curve of the mass flow. As already mentioned above, the interaction between the mass flow and the working fluid results in an optimum evaporation temperature of the working fluid, which is oriented towards the maximum efficiency. An additional pump, which is connected upstream of the evaporator in the first partial flow, according to the invention is not necessary, which has a reduction in the complexity of the low-temperature power plant according to the invention and thus component savings to the advantage.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, mit den Vorteilen, wie sie bereits bei der Erläuterung des entsprechenden Verfahrens beschrieben wurden, ist der Kreislauf ein Organic-Rankine-Kreislauf (ORC).In a particularly advantageous embodiment of the invention, with the advantages, as have already been described in the explanation of the corresponding method, the circuit is an Organic Rankine cycle (ORC).
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Teilstrom absperrbar. Eine solche Ausgestaltung hat den Vorteil, dass das Niedertemperaturkraftwerk zeitweise ohne den zweiten Teilstrom betrieben werden kann. Beispielsweise ist dies bei Wartungsarbeiten im zweiten Teilstrom oder Unregelmäßigkeiten im Wärmestrom, der über die Pumpe im zweiten Teilstrom in den Kreislauf eingekoppelt wird, günstig. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Volumenanteil des Arbeitsfluids, der durch den ersten bzw. zweiten Teilstrom geführt wird, variabel einstellbar. So kann der Volumenstrom des zweiten Teilstroms geregelt werden und das Niedertemperaturkraftwerk flexibel auf die zur Verfügung stehenden Wärmemengen in den jeweiligen Massenströmen angepasst werden.In an advantageous embodiment of the invention, the second partial flow can be shut off. Such an embodiment has the advantage that the low-temperature power plant can be operated temporarily without the second partial flow. For example, this is favorable for maintenance work in the second partial flow or irregularities in the heat flow, which is coupled via the pump in the second partial flow in the circuit. In a particularly advantageous embodiment of the invention, the volume fraction of the working fluid, which is guided by the first and second partial flow, can be variably adjusted. Thus, the volume flow of the second partial flow can be controlled and the low-temperature power plant can be flexibly adapted to the available amounts of heat in the respective mass flows.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines Niedertemperaturkraftwerks bzw. zur Realisierung eines Niedertemperaturkraftwerks wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.An advantageous embodiment of the method according to the invention for operating a low-temperature power plant or for realizing a low-temperature power plant will be explained with reference to the embodiment shown in the drawing.
Es zeigtIt shows
Die Erfindung wird nachstehend anhand des in
Innerhalb des Kreislaufs (
Das Arbeitsfluid (
Wie in
Durch Einkoppeln des Wärmestroms in den Kreislauf wird der Niedertemperaturmassenstrom (
Das Arbeitsfluid (
Erfindungsgemäß wird dem hier beschriebenen Niedertemperaturkraftwerk neben dem Niedertemperaturmassenstrom (
Die Druckveränderung in der Pumpe (
Das in dem zweiten Teilstrom (
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Arbeitsfluidworking fluid
- 22
- Organic-Rankine-KreislaufOrganic Rankine cycle
- 33
- NiedertemperaturmassenstromLow-temperature mass flow
- 44
- Turbineturbine
- 55
- Generatorgenerator
- 66
- Erster TeilstromFirst partial flow
- 77
- Zweiter TeilstromSecond partial flow
- 88th
- Pumpepump
- 99
- Kondensatorcapacitor
- 1010
- Abwärme aus gekoppeltem ProzessWaste heat from coupled process
- 1111
- Kondensatpumpecondensate pump
- 1212
- Wärmetauscherheat exchangers
- 1313
- Verdampfer im ersten TeilstromEvaporator in the first partial flow
- 1414
- Verdampfer bzw. kombinierter Vorwärmer/Verdampfer im zweiten TeilstromEvaporator or combined preheater / evaporator in the second partial flow
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102008005978 A1 [0003] DE 102008005978 A1 [0003]
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102010048292A DE102010048292A1 (en) | 2010-10-14 | 2010-10-14 | Method for operating low temperature power plant utilized to convert heat energy of low temperature mass flow into electricity, involves changing state of working fluid by increasing temperature, and vaporizing fluid in partial streams |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE102010048292A DE102010048292A1 (en) | 2010-10-14 | 2010-10-14 | Method for operating low temperature power plant utilized to convert heat energy of low temperature mass flow into electricity, involves changing state of working fluid by increasing temperature, and vaporizing fluid in partial streams |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102010048292A1 true DE102010048292A1 (en) | 2012-04-19 |
Family
ID=45895709
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DE (1) | DE102010048292A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102012021357A1 (en) | 2012-11-02 | 2014-05-08 | Diplomat Ges. zur Restrukturierung und Wirtschaftsförderung mbH | Low-temperature work process used in organic rankine cycle (ORC) power plants, involves generating vane surface evaporation of steam mass flow which is mixed by grating distributed steam outlet to guide blade profile ends |
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DE102006028746A1 (en) * | 2006-06-20 | 2007-12-27 | Gesellschaft für Motoren und Kraftanlagen mbH | Device for converting thermal energy into mechanical energy, comprises evaporator, turbine, recuperator and condenser, where organic working fluid is tetramethylsilane and has specific pressure and temperature |
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-
2010
- 2010-10-14 DE DE102010048292A patent/DE102010048292A1/en not_active Withdrawn
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