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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Stromverbundnetz mit Wechselstrom und eine Anlage zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein solches Stromverbundnetz, im Einzelnen gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Stromverbundnetze, insbesondere öffentliche Stromverbundnetze, wie sie die vorliegende Erfindung beispielsweise betrifft, werden mit Wechselstrom mit einer vorgegebenen Frequenz, beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz, betrieben. Wenn Generatoren zur Erzeugung von elektrischer Energie zum Einspeisen in ein solches Stromverbundnetz mit einer Antriebsmaschine mit wechselnder Drehzahl betrieben werden, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, so wird den Generatoren herkömmlich ein Stromrichter nachgeschaltet, um wechselnde Frequenzen des Generators an die vorgegebene konstante Frequenz des Stromverbundnetzes anzupassen. Ferner ist es möglich, eine Stützung des Antriebsstrangs, mit welchem der Generator angetrieben wird, durch einen Elektromotor vorzusehen, der aus dem Stromverbundnetz mit elektrischer Energie gespeist wird. Ein solcher Elektromotor kann in bestimmten Betriebszuständen durch den Generator selbst gebildet werden.
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Die bekannten Lösungen zum Anpassen der Frequenz des Antriebsstrangs, über welcher der Generator angetrieben wird, an die Vorgaben des Stromverbundnetzes weisen Nachteile auf, da ein solcher Stromrichter, auch elektrischer Wechselrichter genannt, hohe Herstellungskosten aufweist und zum anderen die über den Generator in das Stromverbundnetz einspeisbare elektrische Leistung begrenzt. Eine Rückspeisung von elektrischem Strom aus dem Stromverbundnetz in die Energieerzeugungsanlage, um den Antriebsstrang in bestimmten Betriebssituationen elektromotorisch zu stützen, ist besonders für kleine Stromverbundnetze ungeeignet. Solche kleinen Verbundnetze, wie sie die vorliegende Erfindung besonders betrifft, können beispielsweise durch Generatoren mit elektrischer Energie gespeist werden, die mittels eines Verbrennungsmotors angetrieben werden, der Erdgas, Biogas, Grubengas oder ein Deponiegas verbrennt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und ein Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Stromverbundnetz mit Wechselstrom sowie eine entsprechende Anlage zum Erzeugen von elektrischer Energie anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Stromverbundnetz, insbesondere öffentliches oder lokales Stromverbundnetz, mit Wechselstrom weist die folgenden Schritte auf:
- – Verbrennen eines Erdgases, Biogases, Grubengases oder Deponiegases mit einem Verbrennungsmotor, der einen Abgasstrom erzeugt;
- – Antreiben eines ersten elektrischen Generators oder einer anderen Arbeitsmaschine mit dem Verbrennungsmotor;
- – Beaufschlagen eines Verdampfers eines Arbeitsmediumkreislaufes eines Dampfmotors mit Abwärme aus dem Abgasstrom, um das Arbeitsmedium des Dampfmotors zu verdampfen;
- – Zuführen von dampfförmigem Arbeitsmedium aus dem Verdampfer in den Dampfmotor, Expandieren desselben in diesem, um mechanische Energie zu erzeugen, und Antreiben des ersten oder eines zweiten elektrischen Generators mit dem Dampfmotor;
- – Einspeisen wenigstens eines Teils des mittels dem oder den elektrischen Generatoren erzeugten elektrischen Stromes in das Stromverbundnetz; wobei
- – die Zufuhr von dampfförmigem Arbeitsmedium aus dem Verdampfer in den Dampfmotor durch Umleiten eines variierenden Anteils des dampfförmigen Arbeitsmediums aus dem Verdampfer durch einen Bypass an dem Dampfmotor vorbei wird dynamisch geregelt, und dadurch die Frequenz des in das Stromverbundnetz eingespeisten Stromes konstant gehalten wird.
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Insbesondere wird die Frequenz zusammen mit der Drehzahl des Dampfmotors und/oder des Generators konstant gehalten. Besonders vorteilhaft wird die Frequenz des in das Stromverbundnetz eingespeisten Stromes ausschließlich durch die dynamische Regelung des in den Dampfmotor geführten Anteils des dampfförmigen Arbeitsmediums aus dem Verdampfer konstant gehalten.
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Unter dynamischer Regelung wird vorliegend eine permanente Echtzeitregelung verstanden, welche Frequenzabweichungen zwischen dem mittels dem Dampfmotor angetriebenen elektrischen Generators – der erste Generator oder der zweite Generator, je nachdem, ob der Dampfmotor denselben Generator wie der Verbrennungsmotor antreibt – minimiert. Vorliegend wird die Bezeichnung zweiter elektrischer Generator, den der Dampfmotor antreibt, beibehalten, auch wenn in einer Ausführungsform der Verbrennungsmotor eine andere Arbeitsmaschine antreibt und kein erster Generator vorgesehen ist.
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Günstig ist es, wenn zum Aufteilen des dampfförmigen Arbeitsmediums aus dem Verdampfer auf einerseits den Dampfmotor und andererseits den Bypass ein Bypassventil mit einer Stellzeit von weniger als 500 ms vorgesehen ist. Diese Stellzeit bezieht sich dabei auf eine Schaltung des Bypassventils von einer maximalen Freigabe eines Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zum Dampfmotor zu einem maximalen Verschluss des Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zum Dampfmotor, oder umgekehrt. Die maximale Freigabe des Strömungsquerschnitts kann insbesondere eine vollständige Freigabe des Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zum Dampfmotor sein, sodass sämtliches Arbeitsmedium aus dem Verdampfer zum Dampfmotor und kein Arbeitsmedium durch den Bypass strömt. Der maximale Verschluss des Strömungsquerschnitts für das Arbeitsmedium zum Dampfmotor kann insbesondere ein vollständiger Verschluss sein, sodass sämtliches Arbeitsmedium aus dem Verdampfer am Dampfmotor vorbei durch den Bypass strömt.
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Besonders vorteilhaft wird die Aufteilung des dampfförmigen Arbeitsmediums aus dem Verdampfer auf den Dampfmotor und den Bypass mittels eines 3/2-Wegeventils erreicht, wobei ein solches 3/2-Wegeventil beispielsweise in einer Abzweigstelle des Bypasses aus der Leitung des Arbeitsmediums zum Dampfmotor positioniert sein kann. Alternativ kommt eine Positionierung im Bypass oder an einer Stelle der Einmündung des Bypasses in den Hauptzweig des Arbeitsmediums hinter dem Dampfmotor, der in der Regel zu einem Kondensator führt, in Betracht.
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Eine besonders kostengünstige Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass auf die Zwischenschaltung eines elektrischen Frequenzumrichters (Stromrichters) in die elektrische Verbindung zwischen den Generator und das Stromverbundnetz verzichtet wird. Besonders günstig ist es, wenn ferner der mittels des Dampfmotors angetriebene Generator ausschließlich generatorisch, das heißt nicht motorisch betrieben wird und somit keine Rückspeisung von elektrischer Energie aus dem Stromverbundnetz in den Generator erfolgt.
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Eine erfindungsgemäße Anlage zum Erzeugen von elektrischer Energie für ein Stromverbundnetz mit Wechselstrom mit vorgegebener Frequenz weist einen Erdgas-, Biogas-, Grubengas- oder Deponiegas-Verbrennungsmotor auf, der mit einem ersten elektrischen Generator zu dessen Antrieb in Triebverbindung steht. Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass zusätzlich oder alternativ eine andere Arbeitsmaschine angetrieben wird, beispielsweise eine Fördereinrichtung für Öl oder Gas.
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Ferner ist ein Arbeitsmediumkreislauf vorgesehen, umfassend einen Verdampfer und einen Dampfmotor, wobei der Verdampfer in einem Abgasstrom des Verbrennungsmotors zur Verdampfung des Arbeitsmediums positioniert ist. Wichtig ist dabei nur, dass Wärme aus dem Abgasstrom zur Verdampfung des Arbeitsmediums im Verdampfer übertragen wird, unabhängig davon, ob der Verdampfer unmittelbar im Abgasstrom positioniert ist oder über einen wärmeübertragenden Zwischenkreislauf.
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Der Dampfmotor steht zum Antrieb des ersten elektrischen Generators oder eines zweiten elektrischen Generators in Triebverbindung mit diesem.
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Erfindungsgemäß ist ein Bypass im Arbeitsmediumkreislauf in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Verdampfer vorgesehen, der vor dem Dampfmotor abzweigt und hinter dem Dampfmotor einmündet. Die Einmündung ist vorteilhaft in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vom Dampfmotor zu einem nachgeschalteten Kondensator vor dem Kondensator vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist nun an der Abzweigstelle, im Bypass oder an der Einmündung ein Bypassventil mit einer Stellzeit von weniger als 500 ms (Millisekunden) vorgesehen, wobei die Stellzeit, wie zuvor anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurde, definiert ist.
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Besonders vorteilhaft ist das Bypassventil als 3/2-Wegeventil ausgeführt.
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Das 3/2-Wegeventil kann beispielsweise einen hydraulischen und/oder pneumatischen Antrieb oder auch einen elektrischen beziehungsweise elektromagnetischen Antrieb aufweisen, um die gewünschte Stellgeschwindigkeit zu erreichen. Besonders günstig kann auch eine Stellzeit von weniger als 400 ms vorgesehen sein.
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Der Antrieb (auch Stellantrieb genannt) des Bypassventils weist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung eine Einrichtung zur Positionsrückmeldung auf, welche die aktuelle Stellungsposition des Antriebs beziehungsweise des Bypassventils und damit des Öffnungsquerschnitts (Strömungsquerschnitt für das Arbeitsmedium) signalisiert.
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Der erste Generator und/oder der zweite Generator kann/können als Synchrongenerator ausgeführt sein. Dabei können ein oder mehrere Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (iGBT) vorgesehen sein.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren exemplarisch beschrieben werden.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Förderanlage für Öl oder Gas mit einem elektrischen Generator, der elektrische Energie in ein Stromverbundnetz mit Wechselstrom einspeist;
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2 eine Anlage zum Erzeugen von elektrischer Energie ohne Fördereinrichtung.
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In der 1 ist eine Förderanlage für Öl oder Gas dargestellt, umfassend einen Verbrennungsmotor 1, der einen Abgasstrom 2 erzeugt. Der Verbrennungsmotor 1 treibt die Fördereinrichtung 3 an, welche Öl oder Gas fördert, siehe den Förderstrom 4.
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Im Abgasstrom 2 ist ein Wärmetauscher 5 mit Wärme aus dem Abgasstrom 2 beaufschlagt angeordnet. In dem Wärmetauscher 5 wird Arbeitsmedium eines Arbeitsmediumkreislaufes 6 teilweise oder vollständig verdampft.
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Zur Aufrechterhaltung einer Kreislaufströmung im Arbeitsmediumkreislauf 6 ist eine Speisepumpe 7 vorgesehen, die das Arbeitsmedium aus einem Arbeitsmediumtank 8, der stets einen bestimmten Vorrat von Arbeitsmedium aufnimmt, fördert. Das verdampfte Arbeitsmedium wird über das Bypassventil 9 entweder in den Dampfmotor 10 oder über den Bypass 11 an diesem vorbei gefördert. In der strömungsleitenden Verbindung zwischen dem Bypassventil 9 und dem Dampfmotor 10 ist ein Schnellschlussventil 12 vorgesehen, mit dem eine Schnellabschaltung des Dampfmotors 10 möglich ist.
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Der Dampfmotor 10 treibt einen Generator 13 an. Der Generator 13 speist seine elektrische Energie in ein Stromverbundnetz 25.
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Das Arbeitsmedium aus dem Bypass 11 und/oder dem Dampfmotor 10 wird einem Kondensator 14 im Arbeitsmediumkreislauf 6 zugeführt, in welchem das Arbeitsmedium teilweise oder vollständig kondensiert wird. Vorliegend ist dem Kondensator 14 ein Sekundärkreislauf 15 zugeordnet, um die Kondensationswärme abzuführen. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig. So könnte der Kondensator 14 auch beispielsweise luftgekühlt ausgeführt sein.
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Im Sekundärkreislauf 15, der insbesondere mit einem flüssigen oder gasförmigen Fluid, beispielsweise einem Kältemittel oder Wasser, letzteres beispielsweise mit einem Frostschutzmittel versehen, betrieben wird, ist eine Sekundärkreislaufpumpe 16 vorgesehen. Die Sekundärkreislaufpumpe 16 wird beispielsweise über eine eigene Antriebsmaschine, hier als Elektromotor 17 dargestellt, angetrieben oder kann auch gemeinsam mit einem anderen Aggregat einen Verbrennungsmotor aufweisen, insbesondere auch durch den Dampfmotor 10 angetrieben werden.
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Die im Kondensator 14 in den Sekundärkreislauf 15 eingeführte Wärme wird über die Außeneinheit 18, beispielsweise einem luftgekühlten Wärmetauscher, an die Umgebung abgeführt. Beispielsweise kann die Außeneinheit 18 das einzige Bauteil sein, das außerhalb eines Gebäudes oder Containers positioniert ist, wohingegen der Arbeitsmediumkreislauf im frostsicheren Bereich innerhalb eines Gebäudes oder Containers vorgesehen werden kann. Somit kann als Arbeitsmedium ein frostgefährdetes Arbeitsmedium verwendet werden, beispielsweise reines Wasser.
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Das kondensierte Arbeitsmedium wird aus dem Kondensator 14 mittels der Kondensatabsaugpumpe 19 in den Arbeitsmediumtank 8 gefördert, um einen Unterdruck, insbesondere konstanten Unterdruck, im Kondensator 14 sicherzustellen. Auch die Kondensatabsaugpumpe kann einen eigenen Antrieb, insbesondere in Form eines Elektromotors 20, aufweisen, oder durch einen anderen Antrieb, insbesondere den Dampfmotor 10, angetrieben werden.
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Vorliegend in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Wärmetauscher 5 und vor dem Bypassventil 9, wobei andere Positionen jedoch möglich sind, sind ein aktives Druckablassventil 21 und ein passives Überdruckventil 22 am Arbeitsmediumkreislauf 6 angeschlossen. Das aktive Druckablassventil 21 öffnet, wenn es mit einem entsprechenden Steuersignal angesteuert wird. Das passive Überdruckventil 22 öffnet oberhalb eines fest eingestellten Druckwertes.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden das Schnellschlussventil 12, das Bypassventil 9 und das Druckablassventil 21 mit einem gemeinsamen Steuerdruck, insbesondere Steuerluftdruck, aus einem Steuerdrucksystem 23 angesteuert. Hierfür kann eine gemeinsame Steuerleitung 24 vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Ansteuerung derart gestaltet sein, dass unterhalb eines vorgegebenen Steuerdruckes das Schnellschlussventil 12 geöffnet, das Druckablassventil 21 hingegen geschlossen bleibt und der Öffnungsquerschnitt des Bypassventils 9 in Richtung zur Expanionsmaschine 10 und/oder den Bypass 11 in Abhängigkeit des Steuerdruckes variabel eingestellt wird, um den Arbeitsmediumstrom auf den Bypass 11 und den Dampfmotor 10 aufzuteilen. Ferner ist eine variable Aufteilung durch getaktetes Ansteuern des Bypassventils 9 denkbar.
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Selbstverständlich könnte die Ansteuerung des Schnellschlussventils 12, des Bypassventils 9 und des Druckablassventils 21 jeweils getrennt erfolgen oder nur das Schnellschlussventil 12 und das Druckablassventil 21 könnten gemeinsam angesteuert werden, das Bypassventil 9 getrennt hiervon. Andere Kombinationen sind vorstellbar.
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Erfindungsgemäß ist das Bypassventil 9 mit einem derart schnellen Stellantrieb 9.1 ausgeführt, dass eine besonders kurze Stellzeit von beispielsweise weniger als 500 ms erreicht werden kann und somit eine dynamische Regelung der vom Generator 13 in ein Stromverbundnetz 25 ohne Zwischenschaltung eines Umrichters möglich ist und dabei die Drehzahl des Dampfmotors 10 und die Frequenz des eingespeisten Stromes konstant gehalten wird, entsprechend der Vorgaben im Stromverbundnetz 25.
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In der 2 ist eine erfindungsgemäße Anlage dargestellt, die ausschließlich dem Erzeugen von elektrischer Energie für ein Stromverbundnetz 25 mit Wechselstrom dient. Die den Aggregaten im Ausführungsbeispiel der 1 entsprechenden Aggregate sind mit denselben Bezugszeichen beziffert.
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Abweichend zu der Ausführungsform gemäß der 1 treibt der Verbrennungsmotor 1, der mit Erdgas, Biogas, Grubengas oder Deponiegas betrieben wird, einen ersten elektrischen Generator 26 an, wohingegen der elektrische Generator 13, der vom Dampfmotor 10 angetrieben wird, als zweiter elektrischer Generator vorgesehen ist. Alternativ könnten beide Motoren 1, 10 auch auf denselben elektrischen Generator wirken.
