DE102010056272A1 - Abwärmenutzungsanlage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage für eine Abwärmequelle (10), bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle), wobei die Abwärmequelle (10) mit der Beheizungsvorrichtung des ORC in Verbindung steht, sowie mit einer mit einem Generator (5) gekoppelten Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, eine aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehende Abwärmenutzungsanlage im Hinblick auf Aufbau und Betriebsverhalten zu optimieren. Erfindungsgemäß wird daher die Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC mittels des im motorischen Betrieb arbeitenden Generators (5) angefahren und auf eine in einer Regeleinrichtung vorgebbare Mindest-Startdrehzahl gebracht wird.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Bei einem ORC (Organic-Rankine-Cycle) handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess nach Rankine. Dies bedeutet, dass ein Arbeitsmedium verschiedene thermodynamische Zustände durchläuft, um am Ende wieder in den flüssigen Ausgangszustand überführt zu werden. Dabei wird das Arbeitsmedium mit einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht. Danach wird das Arbeitsmedium auf die Verdampfungstemperatur vorgewärmt und anschließend verdampft.
- Es handelt sich somit um einen Dampfprozess, bei dem an Stelle von Wasser ein organisches Medium verdampft wird. Der entstandene Dampf treibt eine Expansionsmaschine an, beispielsweise eine Turbine, einen Kolben- oder Schraubenmotor, welcher wiederum mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, um Strom zu erzeugen. Nach der Arbeitsmaschine gelangt das Prozessmedium in einen Verflüssiger und wird dort unter Wärmeabgabe zurückgekühlt. Da Wasser unter atmosphärischen Bedingungen bei 100°C verdampft, kann Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau, wie zum Beispiel Industrieabwärme oder Erdwärme, oftmals nicht zur Stromerzeugung genutzt werden. Verwendet man allerdings organische Medien mit niedrigeren Siedetemperaturen, so lässt sich Niedertemperaturdampf erzeugen.
- Vorteilhaft in der Anwendung sind ORC-Anlagen beispielsweise auch bei der Verwertung von Biomasse im Zusammenhang mit Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere bei relativ kleinen Leistungen, also wenn die herkömmliche Biomasse-Feuerungstechnik relativ teuer erscheint. Biomasseanlagen besitzen häufig einen Fermenter zur Biogaserzeugung, welcher in der Regel beheizt werden muss.
- Gattungsgemäße Abwärmenutzungsanlagen sind aus dem Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung bekannt und bestehen aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten BHKW, also einem Blockheizkraftwerk. Aus der
DE 195 41 521 A1 geht eine Anlage zur Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei der Verstromung von Sondergasen mittels Verbrennungsmotoren hervor, bei der die Abwärme des Motors in einer nachgeschalteten Energieumwandlungsanlage zur weiteren Stromerzeugung genutzt wird. Allerdings ist dabei nur die Hochtemperaturwärme aus dem Kühlwasserkreislauf sowie aus dem Abgaswärmetauscher des Motors zur Verwertung vorgesehen. - Weiterhin ist aus der
US 4 901 531 ein in einen Rankine-Prozess integriertes Diesel-Aggregat bekannt, wobei ein Zylinder der Expansion gemäß Rankine dient und die anderen als Dieselmotor arbeiten. Aus derUS 4 334 409 geht eine nach dem Rankine-Prozess arbeitende Anordnung hervor, bei der das Arbeitsfluid mit einem Wärmetauscher vorgeheizt wird, über den die Luft aus dem Auslass eines Kompressors einer Maschine mit innerer Verbrennung geführt ist. - Blockheizkraftwerke (BHKW) als Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um dezentrale, meistens mit Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Die bei der Verbrennung über die Kühlmedien ausgetragene Wärme wird dabei möglichst vollständig zur Beheizung geeigneter Objekte genutzt.
- Insbesondere bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit nachgeschaltetem ORC als Abwärmekraftwerk haben sich Maschinen durchgesetzt, die auf Motoren mit einem Abgasturbolader zur Aufladung basieren. Man kommt damit der Forderung nach Maschinen mit sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden nach, die sich nur mit Turboaufladung und Rückkühlung des durch die Verdichtung erhitzten Brenngasgemisches erreichen lassen. Generell ist eine Kühlung des Brenngasgemisches erforderlich, weil ansonsten die Füllung der Zylinder relativ schlecht wäre. Mit der Kühlung wird die Dichte des angesaugten Gemisches größer und es verbessert sich der Füllungsgrad. Damit steigen die Leistungsausbeute und der mechanische Wirkungsgrad des Motors.
- Die Motorenhersteller schreiben für die Gemischkühlung eine Kühlwassereintrittstemperatur von nur etwa 40 bis 50°C vor, damit das Gemisch genügend abgekühlt werden kann. Da dieses Temperaturniveau relativ niedrig ist, wird die dem Brenngasgemisch entzogene Wärme bei den bisher bekannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen an die Umgebung abgegeben, beispielsweise mit einem Tischkühler.
- Bekannt ist weiterhin aus der
DE 10 2005 048 795 B3 die Vorwärmung des Arbeitsmediums im ORC in zwei Schritten in einer Beheizungsvorrichtung, nämlich dass das Prozessmedium im ORC über zwei in Reihe einer Speisepumpe nachgeschaltete Wärmetauscher erwärmt wird, wobei der erste Wärmetauscher nach der Speisepumpe als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme vorgesehen ist. Dabei ist die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine über einen Kreislauf mit dem ersten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden, wobei die Wärme aus der Kühlung des von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Brenngasgemisches zur Vorwärmung des Prozessmediums im ORC dient und als Niedertemperaturwärme im ersten Wärmetauscher eingekoppelt wird. Ein zweiter Heizkreislauf bezieht Wärme aus Motorkühlwasser und Abgas der Verbrennungskraftmaschine und ist mit dem zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden, wobei die Wärme aus dem Kühlkreislauf und dem Abgas zur Überhitzung und Verdampfung des Prozessmediums im ORC dient und als Hochtemperaturwärme im zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe eingekoppelt wird. - Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehende Abwärmenutzungsanlage im Hinblick auf Aufbau und Betriebsverhalten zu optimieren.
- Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Die Abwärmenutzungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC mittels des im motorischen Betrieb arbeitenden Generators angefahren und auf eine in einer Regeleinrichtung vorgebbare Mindest-Startdrehzahl gebracht wird. Dabei entspricht die Mindest-Startdrehzahl vorzugsweise etwa zwei Dritteln einer Mindest-Betriebsdrehzahl. Ein maßgeblicher Vorteil durch den im motorischen Betrieb arbeitenden Generator liegt in der geringen Lagebelastung in der Startphase, weil die Expansionsmaschine noch nicht mit Kältemittel beaufschlagt ist. Ansonsten könnte es eventuell in der noch kühlen Expansionsmaschine zur unerwünschten Kondensation von geringen Mengen an Kältemittel kommen. Deren Kühlung, ebenfalls durch einen Kältemittel-Teilstrom, allerdings in flüssiger Phase, arbeitet dann aber schon.
- Erfindungsgemäß wird beim Erreichen der Mindest-Startdrehzahl das Dampfventil am Einlass der Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC geöffnet und während des weiteren Öffnens des Dampfventils erfolgt ein weiteres Hochfahren der Drehzahl, so dass der Generator vom motorischen Betrieb in den normalen Generatorbetrieb übergeht. Dies ist vorteilhaft, weil die Expansionsmaschine gleich vom Start an am Generator bzw.
- anfangs an diesem als Elektromotor hängt und nicht zum Netz synchronisiert werden muss. Bei vollständig geöffnetem Dampfventil und erreichter Mindest-Betriebsdrehzahl in der Regeleinrichtung wird dann ein Prozess zur Drehzahloptimierung im Hinblick auf die aktuelle Betriebssituation freigegeben.
- In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ermittelt eine Regeleinrichtung für die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC die für einen aktuellen Betriebspunkt optimale Drehzahl. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt, ausgehend von einer Minimaldrehzahl, ein langsames Hochregeln unter Auswertung der Generatorleistung, bis in einem zweiten Schritt bei steigender Drehzahl und bei gleichzeitig fallender Generatorleistung ein Überschreiten eines Scheitelpunktes erkannt wird. In einem dritten Schritt erfolgt eine Reduzierung der Drehzahl, und in weiteren Schritten werden die Abläufe der Schritte zwei und drei so lange wiederholt, bis sich die Drehzahl am Punkt der maximalen Generatorleistung einpendelt.
- Vorteilhafterweise ist die für einen aktuellen Betriebspunkt für die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC optimale Drehzahl in einer Regeleinrichtung über ein Kennfeld vorgebbar.
- So sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem Kennfeld der Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine einer optimalen Drehzahl zugeordnet und zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes wird der aktuelle Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen, um damit die Drehzahl einzuregeln. Alternativ oder ergänzend dazu können in einem Kennfeld die Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine einer optimalen Drehzahl zugeordnet sein und zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes wird die aktuelle Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen, um damit die Drehzahl einzuregeln.
- Vorzugsweise weist der mit der Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC integrierte Generator einen gekoppelten Frequenzumrichter für einen drehzahlvariablen Betrieb auf.
- In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist um die Expansionsmaschine herum ein geregelter Bypass mit mindestens einem Drosselventil im ORC-Kreislauf vorgesehen. Dieser Bypass ist in der Startphase, also bei noch relativ niedriger Temperatur des Arbeitsmediums, zunächst geöffnet, so dass das Arbeitsmedium um die Expansionsmaschine herum geleitet wird, um das unerwünschte Eindringen von flüssigen Phasenresten im Arbeitsmedium in die Expansionsmaschine zu vermeiden. Sobald der ORC-Kreislauf seinen Soll-Betriebszustand erreicht hat und dies zum Beispiel über ein entsprechendes, vorgebbares Temperaturniveau oder andere Parameter detektiert wird, wird der Bypass geschlossen und ein der Expansionsmaschine vorgeschaltetes Dampfventil geöffnet.
- Mit der Erfindung werden Aufbau und Betriebsverhalten einer aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehenden Abwärmenutzungsanlage optimiert. Abwärmequellen können beispielsweise Blockheizkraftwerke, Industrieanlagen oder Kesselanlagen sein.
- Die Startphase der Expansionsmaschine wird erfindungsgemäß ebenfalls optimiert. Gleichzeitig wird eine maximale Betriebssicherheit und Schutz vor Kältemittelkondensation erreicht, wenn der mit dem motorisch betriebenen Generator gekoppelte Hochlauf der Expansionsmaschine ohne Kältemittel stattfindet. Weil auf der Kühlungsseite der dafür eingesetzte Kältemittel-Teilstrom über die Generatoreinheit geführt wird, nimmt dieser dort die durch Verluste entstehende Wärme während des motorischen Betriebes auf.
- Der thermische Zustand der Expansionsmaschine wird genauso überwacht, wie andere Randbedingungen. Dazu gehören als Startbedingungen beispielsweise ein Mindestdruck des Kältemittels im ORC-Kreislauf, Einschaltbedingungen für eine magnetische Lagerung eines Turbinenläufers sowie eine Überprüfung aller betriebsnotwendigen Aggregate.
- Erfindungsgemäß findet somit ein vollautomatisch und elektronischer Anfahrvorgang für die Abwärmenutzungsanlage statt. Ebenso ein automatisierter Normalbetrieb mit variablen, der aktuellen Betriebssituation angepassten Betriebsdrehzahlen sowie ein Abfahrbetrieb.
- Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur den schematischen Aufbau einer Abwärmenutzungsanlage, bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC.
- Die für den ORC betriebswichtigen Komponenten sind ein ORC-Kreislauf
1 , eine Speisepumpe2 , ein Verdampfer3 , eine Expansionsmaschine4 zur Dampfexpansion, welche mit einem Generator5 gekoppelt ist, ein Verflüssiger6 für die Rückkühlung über eine Wärmesenke7 sowie die Wärmetauscher8 ,9 zur Vorwärmung des Arbeitsmediums im ORC-Kreislauf1 . - Die beiden Wärmetauscher
8 ,9 sind in Reihe der Speisepumpe2 nachgeschaltet. Dabei dient der erste Wärmetauscher8 nach der Speisepumpe2 als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher9 als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme aus einer Abwärmequelle10 . - Ein zweiter Heizkreislauf
11 ist mit seinem Vorlaufbereich mit dem Verdampfer3 des ORC verbunden, weil das Temperaturniveau zunächst ausreichend hoch für dessen direkte Beheizung ist. Danach mündet der zweite Heizkreislauf11 rücklaufseitig in den zweiten Wärmetauscher9 und gibt dort noch vorhandene Restwärme an den ORC ab. - Ein flüssiger Kältemittel-Teilstrom
12 zur Kühlung der Expansionsmaschine4 wird abgezweigt und zunächst durch den Generator5 geführt. Danach strömt das Kühlmedium durch das Gehäuse der Expansionsmaschine4 und sorgt dort für ausreichende Wärmeabfuhr. - Beim Erreichen einer Mindest-Startdrehzahl wird ein Dampfventil
13 am Einlass der Expansionsmaschine4 zur Dampfexpansion im ORC geöffnet und während des weiteren Öffnens des Dampfventils13 erfolgt ein weiteres Hochfahren der Drehzahl, so dass der Generator5 vom motorischen Betrieb in den normalen Generatorbetrieb übergeht. - Um die Expansionsmaschine
4 herum ist ein geregelter Bypass14 mit mindestens einem Drosselventil15 vorgesehen. Dieser Bypass14 ist in der Startphase, also bei noch relativ niedriger Temperatur des Arbeitsmediums, zunächst geöffnet. Damit wird das Arbeitsmedium um die Expansionsmaschine4 herum geleitet. Sobald der ORC-Kreislauf1 seinen Soll-Betriebszustand erreicht hat, wird das Drosselventil15 im Bypass14 geschlossen und das der Expansionsmaschine4 vorgeschaltete Dampfventil13 geöffnet. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 19541521 A1 [0005]
- US 4901531 [0006]
- US 4334409 [0006]
- DE 102005048795 B3 [0010]
Claims (11)
- Abwärmenutzungsanlage für eine Abwärmequelle (
10 ), bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle), wobei die Abwärmequelle (10 ) mit der Beheizungsvorrichtung des ORC in Verbindung steht, sowie mit einer mit einem Generator (5 ) gekoppelten Expansionsmaschine (4 ) zur Dampfexpansion im ORC, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (4 ) zur Dampfexpansion im ORC mittels des im motorischen Betrieb arbeitenden Generators (5 ) angefahren und auf eine in einer Regeleinrichtung vorgebbare Mindest-Startdrehzahl gebracht wird. - Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindest-Startdrehzahl etwa zwei Dritteln einer Mindest-Betriebsdrehzahl entspricht.
- Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen der Mindest-Startdrehzahl ein Dampfventil (
13 ) am Einlass der Expansionsmaschine (4 ) zur Dampfexpansion im ORC geöffnet wird und dass während des weiteren Öffnens des Dampfventils (13 ) ein weiteres Hochfahren der Drehzahl erfolgt und der Generator (5 ) vom motorischen Betrieb in den normalen Generatorbetrieb übergeht. - Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei vollständig geöffnetem Dampfventil (
13 ) und erreichter Mindest-Betriebsdrehzahl in der Regeleinrichtung ein Prozess zur Drehzahloptimierung freigegeben wird. - Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung für die Expansionsmaschine (
4 ) zur Dampfexpansion im ORC die für einen aktuellen Betriebspunkt optimale Drehzahl ermittelt, indem in einem ersten Schritt ausgehend von einer Minimaldrehzahl ein langsames Hochregeln unter Auswertung der Generatorleistung erfolgt, in einem zweiten Schritt bei steigender Drehzahl und bei gleichzeitig fallender Generatorleistung ein Überschreiten eines Scheitelpunktes erkannt wird, in einem dritten Schritt eine Reduzierung der Drehzahl erfolgt, und indem in weiteren Schritten die Abläufe der Schritte zwei und drei so lange wiederholt werden, bis sich die Drehzahl am Punkt der maximalen Generatorleistung einpendelt. - Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Regeleinrichtung für die Expansionsmaschine (
4 ) zur Dampfexpansion im ORC für einen aktuellen Betriebspunkt die optimale Drehzahl über ein Kennfeld vorgebbar ist. - Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kennfeld der Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine (
4 ) einer optimalen Drehzahl zugeordnet sind und dass zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes der aktuelle Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine (4 ) gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen wird, um damit die Drehzahl einzuregeln. - Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kennfeld die Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine (
4 ) einer optimalen Drehzahl zugeordnet sind und dass zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes die aktuelle Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine (4 ) gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen wird, um damit die Drehzahl einzuregeln. - Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Expansionsmaschine (
4 ) zur Dampfexpansion im ORC integrierte Generator (5 ) einen gekoppelten Frequenzumrichter für einen drehzahlvariablen Betrieb aufweist. - Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass um die Expansionsmaschine (
4 ) herum ein geregelter Bypass (14 ) mit mindestens einem Drosselventil (15 ) im ORC-Kreislauf (1 ) vorgesehen ist. - Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der geregelte Bypass (
14 ) um die Expansionsmaschine (4 ) herum in der Startphase zunächst geöffnet ist, und dass dieser geschlossen wird, wenn der ORC-Kreislauf (1 ) ein vorgebbares Temperaturniveau erreicht hat.
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