DE102013005764A1

DE102013005764A1 - Method and combined heat and power system with an internal combustion engine for carrying out the method

Info

Publication number: DE102013005764A1
Application number: DE102013005764.7A
Authority: DE
Inventors: Axel Widenhorn; Thilo Kissel; Dominik Lebküchner
Original assignee: Duerr Systems AG
Current assignee: Duerr Systems AG
Priority date: 2013-04-05
Filing date: 2013-04-05
Publication date: 2014-10-09
Also published as: WO2014161661A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem (1) sowie ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem (1), umfassend eine solche Verbrennungskraftmaschine. Das Kraft-Wärme-Kopplungssystem (1) umfasst die Verbrennungskraftmaschine mit einem Brennkammersystem (8), einen mit der Verbrennungskraftmaschine antriebsverbundenen Kraftwandler (3), eine von der Verbrennungskraftmaschine gespeiste Abwärmevorrichtung, einen Rekuperator (5) mit mindestens einer hinsichtlich eines Durchflusses steuerbaren Bypassleitung (6, 7), sowie eine Steuereinheit (20). In einem ersten Betriebszustand wird ein in das Brennkammersystem (8) führender Brennstoffmassenstrom derart eingestellt, dass eine erste mechanische Leistung an der Abtriebsvorrichtung sowie eine erste thermische Leistung an der Abwärmevorrichtung bereitgestellt werden. Bei sich gegenüber dem ersten Betriebszustand änderndem thermischem Leistungsbedarf des Wärmenutzers wird ein zweiter Betriebszustand herbeigeführt, wozu der Durchfluss durch die mindestens eine Bypassleitung (6, 7) bei steigendem thermischen Leistungsbedarf vergrößert und bei sinkendem thermischen Leistungsbedarf verringert wird. Und/oder für die Herbeiführung des zweiten Betriebszustandes, insbesondere im Wesentlichen synchron zur Änderung des Durchflusses durch die mindestens eine Bypassleitung (6, 7), wird der in das Brennkammersystem (8) führende Brennstoffmassenstrom bei steigendem thermischen Leistungsbedarf vergrößert und bei sinkendem thermischen Leistungsbedarf verringert.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine in a combined heat and power system (1) and a combined heat and power system (1), comprising such an internal combustion engine. The combined heat and power system (1) comprises the internal combustion engine with a combustion chamber system (8), a power converter (3) connected to the internal combustion engine, a waste heat device fed by the internal combustion engine, a recuperator (5) with at least one bypass line that can be controlled with regard to flow ( 6, 7), and a control unit (20). In a first operating state, a fuel mass flow leading into the combustion chamber system (8) is set such that a first mechanical power is provided on the output device and a first thermal power is provided on the waste heat device. If the thermal power requirement of the heat user changes compared to the first operating state, a second operating state is brought about, for which purpose the flow through the at least one bypass line (6, 7) is increased as the thermal power requirement increases and is reduced as the thermal power requirement decreases. And / or to bring about the second operating state, in particular essentially in synchronism with the change in the flow through the at least one bypass line (6, 7), the fuel mass flow leading into the combustion chamber system (8) is increased as the thermal power requirement increases and reduced as the thermal power requirement decreases ,

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem sowie ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer solchen Verbrennungskraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens.The invention relates to a method for operating an internal combustion engine in a combined heat and power system and a combined heat and power system with such an internal combustion engine for carrying out the method.

Für die dezentrale Versorgung beispielsweise von Unternehmen mit elektrischer, thermischer und/oder mechanischer Energie werden zunehmend Kraft-Wärme-Kopplungssysteme eingesetzt, die mit einer Verbrennungskraftmaschine insbesondere in Form einer Mikrogasturbine betrieben werden. Solche Mikrogasturbinen sind Gasturbinen der unteren Leistungsklasse, also bis etwa 500 kW Nennleistung. Kraft-Wärme-Kopplungssysteme dieser Art umfassen in bekannter Bauform neben der Verbrennungskraftmaschine selbst noch einen von der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Kraftwandler insbesondere in Form eines elektrischen Generators sowie eine Abwärmevorrichtung für die Nutzung der im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Abwärme.For the decentralized supply, for example, of companies with electrical, thermal and / or mechanical energy increasingly combined heat and power systems are used, which are operated with an internal combustion engine, in particular in the form of a micro gas turbine. Such micro gas turbines are gas turbines of the lower power class, ie up to about 500 kW nominal power. Combined heat and power systems of this type include in a known design in addition to the internal combustion engine itself nor a drivable by the internal combustion engine force transducer, in particular in the form of an electric generator and a waste heat for the use of waste heat contained in the exhaust gas of the internal combustion engine.

Typischerweise basiert eine Mikrogasturbine auf einem Einwellensystem, wobei auf einer zentralen Welle der Verdichter, die Turbine und der Generator angebracht sind. Für eine gute Wirtschaftlichkeit ist ein hoher Brennstoffnutzungsgrad zwingend erforderlich. Als Maßnahme zur Steigerung des Brennstoffnutzungsgrades sind die genannten Mikrogasturbinen mit einem Rekuperator versehen. Der Rekuperator ist ein in der Regel in das System integrierter Wärmetauscher, in dem die thermische Energie des Abgases auf die verdichtete Verbrennungsluft übertragen wird. Die im Verdichter komprimierte und dadurch vorgeheizte Verbrennungsluft wird also im Rekuperator weiter aufgeheizt. In der Brennkammer wird dieser komprimierten und vorgewärmten Luft Brennstoff zugeführt und verbrannt, wodurch sich die Temperatur weiter erhöht. Durch die Entspannung des entstehenden Abgases in der Turbine wird diese Energie in mechanische Energie umgewandelt, wodurch Verdichter und Generator angetrieben werden.Typically, a micro gas turbine is based on a single shaft system with the compressor, turbine and generator mounted on a central shaft. For a good economy, a high fuel efficiency is imperative. As a measure to increase the fuel efficiency, the mentioned micro gas turbines are provided with a recuperator. The recuperator is a heat exchanger usually integrated in the system in which the thermal energy of the exhaust gas is transferred to the compressed combustion air. The compressed in the compressor and thus preheated combustion air is thus further heated in the recuperator. In the combustion chamber of this compressed and preheated air fuel is supplied and burned, whereby the temperature further increases. By relaxing the resulting exhaust gas in the turbine, this energy is converted into mechanical energy, which drives the compressor and generator.

Konventionelle Mikrogasturbinen-Systeme werden derzeit auf einen Betriebspunkt optimiert, so dass im Volllastfall der elektrische Wirkungsgrad wie auch die Abgabe von thermischer Energie maximal ist. In der Praxis zeigt sich jedoch ein variierender Bedarf insbesondere an thermischer Energie, die aus dem Abgasstrom gewonnen wird. Bei herkömmlichen Mikrogasturbinen ist es jedoch nicht möglich, ausgehend vom optimierten Betriebspunkt bei gleich bleibender elektrischer Leistung die thermische Energie des Abgases, wie beispielsweise durch eine Anhebung der Temperatur, weiter zu erhöhen. Folgende Nachteile seien in diesem Zusammenhang aufgeführt:

– Das System ist für einen Betriebspunkt ausgelegt und optimiert.
– Es ist nicht möglich, bei gleicher elektrischer Leistung die thermische Leistung auf sich ändernde/gestiegene Anforderungen zu adaptieren.
– Flexibilität ist nur durch Teillast gegeben. In diesem Fall sinkt sowohl die Abgabe von elektrischer als auch thermischer Energie. In Teillast wird aber der elektrische Wirkungsgrad verkleinert und der thermische Wirkungsgrad überproportional vergrößert, während die Mikrogasturbine insgesamt nicht in ihrem optimierten Betriebspunkt arbeitet.
– Der Rekuperator sorgt sowohl beim Verbrennungsluft- als auch beim Abgasmassenstrom für einen Druckabfall, welcher sich negativ auf den elektrischen Wirkungsgrad auswirkt.

Conventional micro gas turbine systems are currently being optimized to an operating point, so that in the case of full load, the electrical efficiency as well as the release of thermal energy is maximum. In practice, however, there is a varying demand, in particular for thermal energy, which is obtained from the exhaust gas flow. In conventional micro gas turbines, however, it is not possible, starting from the optimized operating point with constant electrical power, the thermal energy of the exhaust gas, such as by increasing the temperature to increase further. The following disadvantages are listed in this context:

- The system is designed and optimized for one operating point.
- It is not possible, with the same electrical power, to adapt the thermal power to changing / increased requirements.
- Flexibility is only given by partial load. In this case, both the output of electrical and thermal energy decreases. In partial load but the electrical efficiency is reduced and the thermal efficiency increased disproportionately, while the micro gas turbine does not work in its total optimized operating point.
- The recuperator ensures both the combustion air and the exhaust gas mass flow for a pressure drop, which has a negative effect on the electrical efficiency.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Betriebsverfahren für eine Verbrennungskraftmaschine in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem anzugeben, mittels dessen bei variierendem Wärmebedarf ein verbesserter Brennstoffnutzungsgrad erzielbar ist.The invention is therefore based on the object to provide an operating method for an internal combustion engine in a combined heat and power system, by means of which an improved fuel efficiency can be achieved with varying heat demand.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of claim 1.

Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennkraftmaschine anzugeben, welches bei variierendem Wärmebedarf einen verbesserten Brennstoffnutzungsgrad aufweist.The invention is further based on the object to provide a combined heat and power system with an internal combustion engine, which has an improved fuel efficiency with varying heat demand.

Diese Aufgabe wird durch ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.This object is achieved by a combined heat and power system with the features of claim 9.

Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraft-Wärme-Kopplungssystem eine mit einem steuerbaren Brennstoffmassenstrom versorgte Verbrennungskraftmaschine, einen mit der Verbrennungskraftmaschine antriebsverbundenen Kraftwandler, insbesondere einen Generator, eine von der Verbrennungskraftmaschine gespeiste Abwärmevorrichtung insbesondere zur Beheizung eines optional vorgesehenen Wärmetauschers, einen Rekuperator mit mindestens einer hinsichtlich eines Durchflusses steuerbaren Bypassleitung sowie eine Steuereinheit umfasst. Das zugehörige erfindungsgemäße Betriebsverfahren umfasst folgende Verfahrensschritte, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, im Kraft-Wärme-Kopplungssystem das Verfahren mit diesen Schritten auszuführen:

– In einem ersten Betriebszustand wird ein in das Brennkammersystem führender Brennstoffmassenstrom derart eingestellt, dass eine erste mechanische Leistung an der Abtriebsvorrichtung sowie eine erste thermische Leistung an der Abwärmevorrichtung bereitgestellt wird;
– Bei sich gegenüber dem ersten Betriebszustand änderndem thermischen Leistungsbedarf des Wärmenutzers wird ein zweiter Betriebszustand herbeigeführt, wozu der Durchfluss durch die mindestens eine Bypassleitung bei steigendem thermischen Leistungsbedarf vergrößert und bei sinkendem thermischen Leistungsbedarf verringert wird;
– Und/oder für die Herbeiführung des zweiten Betriebszustandes, insbesondere im Wesentlichen synchron zur Änderung des Durchflusses durch die mindestens eine Bypassleitung, wird der in das Brennkammersystem führende Brennstoffmassenstrom bei steigendem thermischen Leistungsbedarf vergrößert und bei sinkendem thermischen Leistungsbedarf verringert.

According to the invention, it is provided that the combined heat and power system supplied with a controllable fuel mass flow internal combustion engine, a drive connected to the internal combustion engine force transducer, in particular a generator, a powered by the internal combustion engine waste heat, in particular for heating an optional heat exchanger, a recuperator with at least a controllable with respect to a flow bypass line and a control unit comprises. The associated operating method according to the invention comprises the following method steps, wherein the control unit is designed to carry out the method in the cogeneration system with these steps:

In a first operating state, a fuel mass flow leading into the combustion chamber system is set such that a first mechanical power is output at the output device and providing a first thermal power to the waste heat device;
- When compared to the first operating state changing thermal power consumption of the heat user, a second operating state is brought about, to which the flow through the at least one bypass line increases with increasing thermal power consumption and is reduced with decreasing thermal power consumption;
- And / or for bringing about the second operating state, in particular substantially synchronously with the change in the flow through the at least one bypass line, leading into the combustion chamber fuel mass flow is increased with increasing thermal power consumption and reduced with decreasing thermal power consumption.

Das erfindungsgemäße Gestaltungs- und Verfahrenskonzept ermöglicht, dass bei gleicher elektrischer Leistung eine größere thermische Leistung bei verbessertem Brennstoffnutzungsgrad zur Verfügung gestellt wird. Die Teillastfähigkeit wird ebenfalls deutlich erweitert, da bei einem geringen elektrischen bzw. mechanischen Output ein hoher thermischer Output ermöglicht wird. Diese beiden Größen waren zuvor in ihrer Abhängigkeit stärker verknüpft. Die Vielfalt möglicher Betriebszustände wird erheblich erweitert. Die Brennkraftmaschine kann noch stärker in die Prozesse integriert werden. Der Einsatz der Bypassleitungen führt zu geringeren Druckverlusten bei der Strömungsführung, wodurch eine mögliche Absenkung des elektrischen Wirkungsgrads aufgrund fehlender Rekuperation zumindest teilweise kompensiert werden kann. Transiente Vorgänge bei sich ändernden Temperaturanforderungen können mit gutem Brennstoffnutzungsgrad ausgeführt werden.The design and method concept according to the invention makes it possible to provide greater thermal performance with improved fuel efficiency for the same electrical output. The partial load capacity is also significantly extended, since a low electrical or mechanical output, a high thermal output is made possible. These two variables were previously more interdependent in their dependence. The variety of possible operating states is considerably expanded. The internal combustion engine can be integrated even more in the processes. The use of the bypass lines leads to lower pressure losses in the flow guide, whereby a possible reduction in electrical efficiency due to lack of recuperation can be at least partially compensated. Transient processes with changing temperature requirements can be carried out with good fuel efficiency.

Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann es zweckmäßig sein, sowohl die mechanische als auch die thermische Abgabeleistung zu variieren bzw. an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Bevorzugt wird aber der Brennstoffmassenstrom derart angepasst, dass die erste mechanische Leistung des ersten Betriebszustandes auch im zweiten Betriebszustand zumindest näherungsweise gleich bleibt. Dies kommt typischen Systemanforderungen entgegen, bei denen der mechanische bzw. elektrische Leistungsbedarf zumindest näherungsweise konstant ist, während der thermische Leistungsbedarf des Wärmenutzers signifikanten Schwankungen unterliegen kann. Dies lässt sich beispielsweise durch eine einfache Steuerung bzw. Kennfeldsteuerung realisieren. Bevorzugt wird der Brennstoffmassenstrom mittels eines geschlossenen Regelkreises derart angepasst, dass die mechanische Leistung unabhängig vom Betriebszustand auf einen zumindest näherungsweise konstanten Wert eingeregelt wird. Mit geringem Aufwand kann eine hohe Genauigkeit der Leistungsregelung und der Temperaturführung im System erzielt werden.Under certain conditions of use, it may be appropriate to vary both the mechanical and the thermal power output or to adapt it to the actual needs. Preferably, however, the fuel mass flow is adjusted such that the first mechanical power of the first operating state remains at least approximately the same even in the second operating state. This counteracts typical system requirements, in which the mechanical or electrical power requirement is at least approximately constant, while the thermal power requirement of the heat user can be subject to significant fluctuations. This can be realized for example by a simple control or map control. Preferably, the fuel mass flow is adjusted by means of a closed control loop such that the mechanical power is adjusted independently of the operating state to an at least approximately constant value. With little effort, a high accuracy of the power control and the temperature control in the system can be achieved.

Die Brennkraftmaschine kann ein Kolbenmotor oder dergleichen sein und ist bevorzugt als Gasturbinenvorrichtung, insbesondere als eine Mikrogasturbine ausgeführt. Die Gasturbinenvorrichtung bzw. die Mikrogasturbine weist ein Brennkammersystem, eine auf einer Turbinenwelle angeordnete und durch das Brennkammersystem befeuerte Turbine sowie einen vorzugsweise auf der Turbinenwelle drehfest angeordneten Verdichter auf. Der Verdichter ist dazu vorgesehen und ausgestaltet, das Brennkammersystem mit einem verdichteten Oxidationsmittelstrom, insbesondere mit einem verdichteten Verbrennungsluftstrom zu versorgen. Das Brennkammersystem weist mindestens eine steuerbare Brennstoffversorgung auf. Der Rekuperator ist dazu vorgesehen und ausgestaltet, zumindest einen Teil der thermischen Leistung eines Abgasstroms des Brennkammersystems auf den Oxidationsmittelstrom zu übertragen. Hierzu sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:

– Die Mikrogasturbine wird zunächst im ersten Betriebszustand betrieben, bei dem durch die exotherme Umsetzung mittels des Brennkammersystems eine Bezugstemperatur im Abgasstrom, insbesondere eine Turbinenaustrittstemperatur des Abgasstroms in Höhe einer definierten Solltemperatur vorherrscht, und bei dem ausgangsseitig des Rekuperators im Bereich der Abwärmevorrichtung eine Nutztemperatur des Abgasgasstroms vorherrscht;
– Für die Herbeiführung des zweiten Betriebszustandes wird im Wesentlichen synchron zur Anpassung des Durchflusses durch die mindestens eine Bypassleitung der Brennstoffmassenstrom derart angepasst, dass einer Änderung der Bezugstemperatur gegenüber der Solltemperatur zumindest teilweise entgegengewirkt wird.

The internal combustion engine may be a piston engine or the like and is preferably designed as a gas turbine device, in particular as a micro gas turbine. The gas turbine apparatus or the micro gas turbine has a combustion chamber system, a turbine arranged on a turbine shaft and fired by the combustion chamber system, and a compressor, which is preferably arranged non-rotatably on the turbine shaft. The compressor is designed and configured to supply the combustor system with a compressed oxidant stream, in particular a compressed combustion air stream. The combustion chamber system has at least one controllable fuel supply. The recuperator is provided and configured to transfer at least a portion of the thermal power of an exhaust stream of the combustor system to the oxidant stream. For this purpose, the following method steps are provided:

- The micro gas turbine is initially operated in the first operating state in which by the exothermic reaction by means of the combustion chamber a reference temperature in the exhaust stream, in particular a turbine outlet temperature of the exhaust stream in the amount of a defined nominal temperature prevails, and at the output side of the recuperator in the region of the waste heat a useful temperature of the exhaust gas stream predominates;
- In order to bring about the second operating state, the fuel mass flow is adjusted substantially in synchronism with the adaptation of the flow through the at least one bypass line in such a way that a change in the reference temperature with respect to the setpoint temperature is at least partially counteracted.

Anstelle der Turbinenaustrittstemperatur kann auch eine andere Bezugstemperatur wie beispielsweise die Turbineneintrittstemperatur oder die Brennkammertemperatur gewählt werden. Unabhängig davon wird angestrebt, über die jeweilige Bezugstemperatur eine bestimmte Verbrennungstemperatur in der Brennkammer bzw. im Brennkammersystem einzustellen bzw. sie innerhalb bestimmter Grenzen zu halten. Es kann ausreichen, den Brennstoffmassenstrom nur soweit zu erhöhen, dass die Brennkammer-Temperatur infolge des Bypass-Einsatzes nicht unter einen bestimmten unteren Grenzwert absinkt. Bevorzugt wird der Brennstoffmassenstrom derart angepasst, dass die Bezugstemperatur zumindest näherungsweise konstant auf der Solltemperatur gehalten wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Brennkraftmaschine bzw. die Mikrogasturbine in ihrem Auslegungsbetriebspunkt bei optimalem Brennstoffnutzungsgrad betrieben wird.Instead of the turbine outlet temperature, another reference temperature, such as the turbine inlet temperature or the combustion chamber temperature, may also be selected. Regardless of the aim is to set on the respective reference temperature, a certain combustion temperature in the combustion chamber or in the combustion chamber system or to keep them within certain limits. It may be sufficient to increase the fuel mass flow only to the extent that the combustion chamber temperature does not fall below a certain lower limit as a result of the bypass insert. Preferably, the fuel mass flow is adjusted so that the reference temperature is maintained at least approximately constant at the target temperature. This ensures that the internal combustion engine or the micro gas turbine is operated at its design operating point with optimum fuel efficiency.

Es kann zweckmäßig sein, die Brennkammer-Temperatur über eine geeignete Steuerlogik von Steuerventilen und der Steuereinheit zumindest näherungsweise innerhalb einer gewünschten Toleranz zu halten. In vorteilhafter Weiterbildung weist die mindestens eine Bypassleitung ein über einen Aktuator antreibbares oder verstellbares Steuerelement, insbesondere ein Steuerventil oder eine Steuerklappe zur Steuerung des Gasdurchflusses auf, wobei eine zum Brennkammersystem führende Brennstoffleitung ein über einen Aktuator antreibbares oder verstellbares Steuerelement, insbesondere ein Steuerventil, eine Steuerklappe und/oder einen Brennstoffinjektor zur Steuerung des Brennstoffdurchflusses aufweist, wobei die Steuereinheit mit dem Steuerelement der mindestens einen Bypassleitung und dem Steuerelement der Brennstoffleitung wirkverbunden ist, und wobei vorzugsweise das Steuerelement der mindestens einen Bypassleitung, das Steuerelement der Brennstoffleitung, die Steuereinheit sowie insbesondere ein Temperatursensor Teil eines geschlossenen Regelkreises zur Regelung der mechanischen Abgabeleistung der Verbrennungskraftmaschine sind. Mit einem solchen Regelkreis lässt sich eine sehr genaue Temperaturführung erzielen, in deren Folge der Wirkungsgrad der Mikrogasturbine bzw. des Kraft-Wärme-Kopplungssystems insgesamt selbst bei variierenden, transienten Wärmeanforderungen optimal bleibt. It may be expedient to maintain the combustion chamber temperature at least approximately within a desired tolerance via suitable control logic of control valves and the control unit. In an advantageous development, the at least one bypass line has an actuator drivable or adjustable control, in particular a control valve or a control valve for controlling the gas flow, wherein a leading to the combustion chamber fuel line via an actuator drivable or adjustable control, in particular a control valve, a control valve and / or a fuel injector for controlling the fuel flow, wherein the control unit is operatively connected to the control of the at least one bypass line and the control element of the fuel line, and preferably wherein the control of the at least one bypass line, the control element of the fuel line, the control unit and in particular a temperature sensor Part of a closed loop for regulating the mechanical power output of the internal combustion engine are. With such a control loop can be achieved a very accurate temperature control, as a result, the efficiency of the micro gas turbine or the combined heat and power system remains optimal overall even with varying, transient heat requirements.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bypassleitung als Kaltluftbypass zur Umgehung des Verbrennungsluftbereichs ausgelegt. Im Falle einer Veränderung des thermischen Leistungsbedarfs wird die Nutztemperatur des Abgasstroms durch Veränderung des Verbrennungsluftdurchflusses durch den Kaltluftbypass angepasst. Der Kaltluftbypass und dessen Ansteuerung arbeitet bei vergleichsweise geringen Temperaturen, so dass dessen thermische Belastung gering ist und die konstruktive Ausgestaltung einfach gehalten werden kann.In a preferred embodiment, the bypass line is designed as a cold air bypass for bypassing the combustion air area. In the event of a change in the thermal power requirement, the useful temperature of the exhaust gas flow is adjusted by changing the combustion air flow through the cold air bypass. The cold air bypass and its control operates at relatively low temperatures, so that its thermal load is low and the structural design can be kept simple.

In einer zweckmäßigen Alternative ist die Bypassleitung als Abgasbypass zur Umgehung des Abgasbereichs ausgelegt. Im Falle einer Veränderung des thermischen Leistungsbedarfs wird die Nutztemperatur des Abgasstroms durch Veränderung des Abgasdurchflusses durch den Abgasbypass angepasst. Die thermische Auslegung des Rekuperators erfordert Betriebssicherheit für den Fall von geschlossenen Bypassleitungen, wobei hier die Wärmebelastung des Rekuperators am höchsten ist. Ausgehend hiervon führt ein Öffnen des Abgasbypasses zu einer Temperatursenkung und damit zu einer Verringerung der Temperaturbelastung. Dies erleichtert es, die Konstruktion einfach zu halten und die Lebensdauer zu erhöhen.In an expedient alternative, the bypass line is designed as an exhaust bypass for bypassing the exhaust area. In the event of a change in the thermal power requirement, the useful temperature of the exhaust gas flow is adjusted by changing the exhaust gas flow through the exhaust gas bypass. The thermal design of the recuperator requires reliability in the case of closed bypass lines, in which case the heat load of the recuperator is highest. Proceeding from this, opening the exhaust gas bypass leads to a reduction in temperature and thus to a reduction in the temperature load. This makes it easy to keep the design simple and increase the life.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind sowohl ein Kaltluftbypass als auch ein Abgasbypass vorgesehen. Hierbei wird eine Steuerung bzw. Regelung der Brennkammer-Temperatur durch koordinierte und gegenseitige Anpassung des Brennstoffmassenstroms und der Durchflussmengen durch die beiden Bypassleitungen vorgenommen. Neben erweiterten Möglichkeiten zur Temperaturführung des Verbrennungsluftstromes und des Abgasstromes ergeben sich auch zusätzliche Möglichkeiten, die Temperaturbelastung einzelner Komponenten des Kraft-Wärme-Kopplungssystems zu kontrollieren bzw. gering zu halten.In a further preferred embodiment, both a cold air bypass and an exhaust gas bypass are provided. Here, a control or regulation of the combustion chamber temperature is carried out by coordinated and mutual adjustment of the fuel mass flow and the flow rates through the two bypass lines. In addition to extended possibilities for temperature control of the combustion air flow and the exhaust gas flow, there are also additional possibilities to control the temperature load of individual components of the combined heat and power system or to keep it low.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are described below with reference to the drawing. Show it:

1 in einer schematischen Blockdarstellung ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Mikrogasturbine, mit einem Rekuperator und mit einer Steuereinheit, wobei ein Verbrennungsluftbereich des Rekuperators mittels einer als Kaltluftbypass ausgebildeten Bypassleitung umgehbar ist, und wobei mittels der Steuereinheit die Brennkammer-Temperatur der Mikrogasturbine bei variierendem Durchfluss durch den Kaltluftbypass nachgeführt wird, 1 in a schematic block diagram of an inventive design combined heat and power system with a micro gas turbine, with a recuperator and with a control unit, wherein a combustion air range of the recuperator is bypassed by means designed as a cold air bypass bypass line, and wherein by means of the control unit, the combustion chamber temperature of the micro gas turbine variable flow is tracked through the cold air bypass,

2 eine Variante der Anordnung nach 1, bei der ein Abgasbereich des Rekuperators mittels einer als Abgasbypass ausgebildeten Bypassleitung umgehbar ist, und wobei mittels der Steuereinheit die Brennkammer-Temperatur der Mikrogasturbine bei variierendem Durchfluss durch den Abgasbypass nachgeführt wird, 2 a variant of the arrangement according to 1 in which an exhaust area of the recuperator can be bypassed by means of a bypass line formed as an exhaust bypass, and wherein the combustion chamber temperature of the micro gas turbine is tracked by the exhaust gas bypass with varying flow through the exhaust gas control unit,

3 in einer schematischen Blockdarstellung ein weiteres erfindungsgemäß ausgebildetes Kraft-Wärme-Kopplungssystem sowohl mit einem Kaltluftbypass nach 1 als auch mit einem Abgasbypass nach 2. 3 in a schematic block diagram of another inventively designed cogeneration system with both a cold air bypass after 1 as well as with an exhaust bypass 2 ,

1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems 1, welches eine mit einem steuerbaren Brennstoffmassenstrom versorgte Verbrennungskraftmaschine, einen mit der Verbrennungskraftmaschine antriebsverbundenen Kraftwandler 3, eine von der Verbrennungskraftmaschine gespeiste Abwärmevorrichtung insbesondere zur Beheizung eines optional vorgesehenen Wärmetauschers 4, einen Rekuperator 5 mit mindestens einer hinsichtlich eines Durchflusses steuerbaren Bypassleitung 6 sowie eine Steuereinheit 20 umfasst. Die Brennkraftmaschine kann ein Kolbenmotor oder dergleichen sein und ist im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Gasturbinenvorrichtung, hier eine Mikrogasturbine 2. Die Nennleistung der Mikrogasturbine 2 liegt bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 25 kW bis einschließlich 500 kW. 1 shows a schematic block diagram of a first inventive embodiment of a combined heat and power system 1 which is an internal combustion engine supplied with a controllable fuel mass flow, a force converter drivingly connected to the internal combustion engine 3 , A waste heat-fed by the internal combustion engine, in particular for heating an optional heat exchanger 4 , a recuperator 5 with at least one controllable with respect to a flow bypass line 6 and a control unit 20 includes. The internal combustion engine may be a piston engine or the like and in the preferred embodiment shown is a gas turbine device, here a micro gas turbine 2 , The rated power of the micro gas turbine 2 is preferably in the range of 25 kW to 500 kW inclusive.

Die Mikrogasturbine 2 ist als Ein-Wellen-Turbine mit einer zentralen und durchgehenden Turbinenwelle 19 ausgebildet, und umfasst ferner einen auf der Turbinenwelle 19 drehfest angeordneten Verdichter 17 für einen Oxidationsmittelstrom, hier Verbrennungsluft, ein Brennkammersystem 8 für die Verbrennung von Kraftstoff mit der verdichteten Verbrennungsluft, sowie eine auf der Turbinenwelle 19 drehfest angeordnete und durch das Brennkammersystem 8 befeuerte Turbine 18 für die Entspannung der entstehenden komprimierten und heißen Abgase bei gleichzeitiger Gewinnung von mechanischer Energie. Durch die Entspannung eines aus den Abgasen gebildeten Abgasstromes 16 in der Turbine 18 wird die Turbinenwelle 19 drehend angetrieben, die ihrerseits den an der Turbinenwelle 19 angebrachten Verdichter 17 sowie den ebenfalls daran angebrachten bzw. damit antriebsverbundenen Kraftwandler 3 antreibt. Der Kraftwandler 3 ist im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein elektrischer Generator für die Gewinnung von elektrischer Energie, kann aber auch eine andere Art von Kraftmaschine beispielsweise zur Bereitstellung von mechanischer Energie oder eine Kombination von beidem sein. Mittels des optional vorgesehenen Wärmetauschers 4 wird dem Abgasstrom 16 thermische Leistung entnommen und dem Wärmenutzer zugeführt. Bei einer Ausführung der Abwärmevorrichtung ohne Wärmetauscher 4 kann der Abgasstrom 16 auch direkt beispielsweise für einen Trocknungsprozess eingesetzt werden. The micro gas turbine 2 is as a single-shaft turbine with a central and continuous turbine shaft 19 formed, and further includes one on the turbine shaft 19 rotatably mounted compressor 17 for an oxidant stream, here combustion air, a combustor system 8th for the combustion of fuel with the compressed combustion air, as well as one on the turbine shaft 19 rotatably arranged and through the combustion chamber system 8th fired turbine 18 for the relaxation of the resulting compressed and hot exhaust gases while at the same time obtaining mechanical energy. By the relaxation of an exhaust gas stream formed from the exhaust gases 16 in the turbine 18 becomes the turbine shaft 19 driven in rotation, which in turn the at the turbine shaft 19 attached compressor 17 as well as the likewise attached or thus drive-connected force transducer 3 drives. The force converter 3 For example, in the preferred embodiment shown, it is an electrical generator for generating electrical energy, but it may be another type of engine, for example, to provide mechanical energy or a combination of both. By means of the optional heat exchanger 4 becomes the exhaust gas flow 16 taken thermal power and fed to the heat user. In one embodiment of the waste heat without heat exchanger 4 can the exhaust gas flow 16 also be used directly for example for a drying process.

In Einzelnen ist für einen nachfolgend beschriebenen ersten Betriebszustand bzw. Ausgangs- oder Normalzustand vorgesehen, dass mittels des Verdichters 17 Verbrennungsluft aus der Umgebung angesaugt wird. Es kann zweckmäßig sein, diese angesaugte Verbrennungsluft gleichzeitig auch als Kühlluft für den Kraftwandler 3 einzusetzen. In diesem Falle erfährt die angesaugte Verbrennungsluft eine erste Vorwärmung. Die Verbrennungsluft wird im Verdichter zu einem Verbrennungsluftstrom 15 mit ca. 4 bar Druck verdichtet und dabei auf ca. 220°C vorgeheizt. Der verdichtete und vorgeheizte Verbrennungsluftstrom 15 wird durch einen Verbrennungsluftbereich 13 des Rekuperators 5 geleitet und dabei weiterhin auf ca. 600°C, ggf. bis zu 620°C aufgeheizt.Specifically, it is provided for a first operating state or initial or normal state described below that by means of the compressor 17 Combustion air is sucked from the environment. It may be appropriate, this sucked combustion air at the same time as cooling air for the force transducer 3 use. In this case, the intake combustion air undergoes a first preheating. The combustion air becomes a combustion air flow in the compressor 15 compressed with about 4 bar pressure and preheated to about 220 ° C. The compressed and preheated combustion air stream 15 is through a combustion air area 13 of the recuperator 5 while still heated to about 600 ° C, possibly up to 620 ° C.

In diesem Zustand wird der Verbrennungsluftstrom 15 durch das Brennkammersystem 8 geführt, in welches auch Brennstoff mittels einer schematisch angedeuteten Brennstoffleitung 11 eingebracht wird. Das Brennkammersystem 8 ist bevorzugt für die flammenlose Oxidation des Brennstoffes (FLOX-Verbrennung) ausgelegt, kann aber auch für eine diffusionsbasierte oder vorgemischte Oxidation ausgelegt sein. Für die bevorzugte FLOX-Verbrennung ist das hier nur schematisch angedeutete Brennkammersystem in der Praxis in eine Pilotstufe und in eine nachgeschaltete Hauptstufe aufgeteilt. Durch die Verbrennung entsteht ein komprimierter Abgasstrom 16 mit erneut erhöhter Brennkammertemperatur. Im hier beschriebenen ersten Betriebszustand oder Ausgangszustand, der auch den Auslegungsbetriebspunkt der Mikrogasturbine 2 darstellt, liegt die Brennkammertemperatur eingangsseitig der Turbine 18 in Höhe einer definierten Brennkammer-Solltemperatur von bis zu 960°C. Der erste Betriebszustand kann aber beispielsweise im Falle eines geringeren mechanischen bzw. elektrischen Energiebedarfs am Kraftwandler 3 auch ein Teillastzustand mit geringerer Brennkammer-Solltemperatur sein.In this state, the combustion air flow 15 through the combustion chamber system 8th in which also fuel by means of a schematically indicated fuel line 11 is introduced. The combustion chamber system 8th is preferably designed for the flameless oxidation of the fuel (FLOX combustion), but can also be designed for a diffusion-based or premixed oxidation. For the preferred FLOX combustion, the combustion chamber system, which is only schematically indicated here, is in practice divided into a pilot stage and a downstream main stage. The combustion creates a compressed exhaust gas flow 16 with again increased combustion chamber temperature. In the first operating state or initial state described here, which also includes the design operating point of the micro gas turbine 2 represents the combustion chamber temperature on the input side of the turbine 18 in the amount of a defined nominal combustion chamber temperature of up to 960 ° C. However, the first operating state can, for example, in the case of a lower mechanical or electrical energy requirement on the force transducer 3 also be a partial load condition with lower target combustion chamber temperature.

Der Abgasstrom 16 wird in der Turbine 18 entspannt, wobei seine Temperatur auf etwa 650°C sinkt. Dieser immer noch heiße Abgasstrom 16 wird durch einen vom Verbrennungsluftbereich 13 strömungstechnisch getrennten, jedoch wärmeübertragend verbundenen Abgasbereich 14 des Rekuperators 5 geleitet. Hierbei findet ein Wärmeübergang von Abgasstrom 16 auf den Verbrennungsluftstrom 15 statt, wobei der Verbrennungsluftstrom 15 wie oben beschrieben aufgeheizt, und wobei der Abgasstrom 16 weiter auf eine Nutztemperatur von ca. 300°C abgekühlt wird.The exhaust gas flow 16 will be in the turbine 18 relaxed, with its temperature drops to about 650 ° C. This still hot exhaust stream 16 is due to a combustion air area 13 fluidly separated, but heat transfer connected exhaust gas area 14 of the recuperator 5 directed. Here, a heat transfer of exhaust gas flow takes place 16 on the combustion air flow 15 instead, the combustion air flow 15 heated as described above, and wherein the exhaust gas flow 16 is further cooled to a useful temperature of about 300 ° C.

Nach dem Durchlaufen des Rekuperators 5 wird der Abgasstrom 16 zu der stromab positionierten Abwärmevorrichtung mit dem optionalen Wärmetauscher 4 geführt, wo eine erste thermische Leistung an der Abwärmevorrichtung bereitgestellt wird, und wo mittels der Abwärmevorrichtung je nach Bedarf die im auf Nutztemperatur abgekühlten Abgasstrom 16 noch enthaltene Abwärme abgeführt und als thermische Energie nutzbar gemacht werden kann. Gleichzeitig wird im hier beschriebenen ersten Betriebszustand eine erste mechanische Leistung an der Abtriebsvorrichtung, hier am Kraftwandler 3 bereitgestellt, im Generator in elektrische Leistung umgewandelt, und dem Nutzer zugeführt.After passing through the recuperator 5 becomes the exhaust gas flow 16 to the downstream positioned waste heat device with the optional heat exchanger 4 guided, where a first thermal power is provided to the waste heat device, and where by means of the waste heat device as needed, the exhaust gas flow cooled to the useful temperature 16 still contained waste heat can be dissipated and used as thermal energy. At the same time in the first operating state described here is a first mechanical power to the output device, here on the force transducer 3 provided, converted into electrical power in the generator, and supplied to the user.

Für den Fall, dass bei gleich bleibender elektromechanischer Energieabnahme am Kraftwandler 3 im Vergleich zum vorstehend beschriebenen Ausgangszustand ein veränderter Wärmebedarf am Wärmetauscher 4 eintritt, wird nach der Erfindung ein zweiter Betriebszustand herbeigeführt, wozu die Temperatur des Abgasstromes 16 im Bereich des Wärmetauschers 4 ebenfalls verändert wird. Hierzu ist mindestens eine, im Ausführungsbeispiel nach 1 genau eine bezüglich ihres Durchflusses steuerbare Bypassleitung 6 vorgesehen, die hier als Kaltluftbypass zur Umgehung des Verbrennungsluftbereichs 13 ausgelegt ist. Die Bypassleitung 6 ist mit einem durch einen Aktuator antreibbaren oder verstellbaren Steuerelement, insbesondere mit einem Steuerventil 9 oder einer Steuerklappe zur Steuerung des Gasdurchflusses versehen, wobei das Steuerventil 9 über eine angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch Letztere angesteuert wird. In dem nun beispielhaft herangezogenen Fall der Erhöhung des Nutzwärmebedarfs am Wärmetauscher 4 gegenüber dem oben beschriebenen ersten Betriebszustand wird die Abgastemperatur des Abgasstromes 16 durch Erhöhung des Verbrennungsluftdurchflusses durch den Kaltluftbypass erhöht. Hierzu wird das Steuerventil 9 über die Steuereinheit je nach Bedarf teilweise oder ganz geöffnet, in dessen Folge ein mehr oder weniger ausgeprägter Teilstrom des Verbrennungsluftstromes 15, bei voll geöffnetem Steuerventil 9 sogar näherungsweise der gesamte Verbrennungsluftstrom 15 nicht durch den Verbrennungsluftbereich 13 des Rekuperators 5, sondern um diesen herum geleitet wird. In der Folge wird dem Abgasstrom 16 im Rekuperator 5 nur noch eine verringerte oder gar keine Wärmemenge mehr entnommen. Im umgekehrten Fall, also bei gegenüber dem ersten Betriebszustand verringertem Nutzwärmebedarf wird die Abgastemperatur des Abgasstromes 16 durch Verringerung des Verbrennungsluftdurchflusses durch den Kaltluftbypass verringert. Je nach Öffnungsgrad des Steuerventils 9 kann also die Nutztemperatur des Abgasstromes 16 stromab des Rekuperators 5 in einem Bereich zwischen der oben schon beschriebenen ungestörten Temperatur direkt stromab des Verdichters 17 und der ebenfalls schon beschriebenen Nutztemperatur ohne Bypass-Einsatz eingestellt werden. Bei voll geöffnetem Steuerventil 9 nimmt der Rekuperator 5 die Temperatur des Abgasstromes 16 an, da hier keine Wärme mehr abgeführt wird.In the event that with constant electromechanical energy decrease at the force transducer 3 compared to the initial state described above, a changed heat demand on the heat exchanger 4 occurs, a second operating state is brought about according to the invention, including the temperature of the exhaust gas stream 16 in the area of the heat exchanger 4 is also changed. For this purpose, at least one, in the embodiment according to 1 exactly one with respect to their flow controllable bypass line 6 provided here as a cold air bypass to bypass the combustion air area 13 is designed. The bypass line 6 is with a controllable by an actuator or adjustable control element, in particular with a control valve 9 or a control valve provided for controlling the gas flow, wherein the control valve 9 via an indicated data and control line with the control unit 20 is connected and through The latter is controlled. In the now exemplary case of increasing the useful heat demand at the heat exchanger 4 compared to the first operating state described above, the exhaust gas temperature of the exhaust gas stream 16 Increased by increasing the combustion air flow through the cold air bypass. For this purpose, the control valve 9 Partially or completely opened via the control unit as needed, as a result of which a more or less pronounced partial flow of the combustion air flow 15 , with the control valve fully open 9 even approximately the entire combustion air flow 15 not through the combustion air area 13 of the recuperator 5 but is directed around it. As a result, the exhaust gas flow 16 in the recuperator 5 only removed a reduced or no amount of heat more. In the opposite case, that is, compared to the first operating state reduced useful heat demand, the exhaust gas temperature of the exhaust gas stream 16 Reduced by reducing the combustion air flow through the cold air bypass. Depending on the degree of opening of the control valve 9 So can the useful temperature of the exhaust stream 16 downstream of the recuperator 5 in a range between the above-described undisturbed temperature directly downstream of the compressor 17 and the useful temperature already described be set without bypass insert. With the control valve fully open 9 takes the recuperator 5 the temperature of the exhaust stream 16 because no heat is dissipated here.

In dem durch den Rekuperator 5 führenden Verbrennungsluftkanal-Abschnitt, welcher durch die Bypassleitung 6 umgehbar ist, ist optional noch eine Steuerdrossel 22 angeordnet, die über eine schematisch angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch Letztere angesteuert wird. Bei geschlossener Bypassleitung 6 wird die Steuerdrossel 22 vollständig geöffnet gehalten, um einen ungehinderten Durchfluss des Verbrennungsluftstromes 15 durch den Rekuperator zu ermöglichen. Mit steigendem Öffnungsgrad des Steuerventils 9 bzw. mit steigendem Durchfluss durch den Kaltluftbypass kann mittels der Steuerdrossel 22 der Durchfluss des Verbrennungsluftstromes 15 durch den Verbrennungsluftbereich 13 des Rekuperators 5 gedrosselt oder sogar ganz unterbunden werden, um eine bestimmte Durchflussmenge durch den Kaltluftbypass zu erzwingen. Die Steuerdrossel 22 ist – wie hier gezeigt – bevorzugt eingangsseitig des Verbrennungsluftbereiches 13 angeordnet, kann aber auch ausgangsseitig davon positioniert sein.In that by the recuperator 5 leading combustion air duct section passing through the bypass line 6 is bypassable, is optional nor a control throttle 22 arranged, via a schematically indicated data and control line to the control unit 20 is connected and is controlled by the latter. With closed bypass line 6 becomes the control throttle 22 kept fully open to allow unimpeded flow of the combustion air stream 15 to allow through the recuperator. With increasing degree of opening of the control valve 9 or with increasing flow through the cold air bypass can by means of the control throttle 22 the flow of the combustion air stream 15 through the combustion air area 13 of the recuperator 5 be throttled or even completely stopped to force a certain flow through the cold air bypass. The control throttle 22 is - as shown here - preferred input side of the combustion air area 13 arranged, but can also be positioned on the output side of it.

2 zeigt eine Variante der Anordnung nach 1, bei der ebenfalls für die bedarfsweise Erhöhung der Temperatur des Abgasstromes 16 mindestens eine, hier genau eine bezüglich ihres Durchflusses steuerbare Bypassleitung 7 vorgesehen ist. Im Unterschied zur Bypassleitung 6 nach 1 ist die Bypassleitung 7 nach 2 als Abgasbypass zur Umgehung des Abgasbereichs 14 ausgelegt. Die Bypassleitung 7 ist mit einem durch einen Aktuator antreibbaren oder verstellbaren Steuerelement, insbesondere mit einem Steuerventil 10 oder einer Steuerklappe zur Steuerung des Gasdurchflusses versehen, wobei das Steuerventil 10 über eine angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch letztere angesteuert wird. In dem hier beispielhaft herangezogenen Fall der Erhöhung des Nutzwärmebedarfs am Wärmetauscher 4 wird die Abgastemperatur des Abgasstromes 16 durch Erhöhung des Abgasdurchflusses durch den Abgasbypass erhöht. Hierzu wird das Steuerventil 10 über die Steuereinheit je nach Bedarf teilweise oder ganz geöffnet, in dessen Folge ein mehr oder weniger ausgeprägter Teilstrom des Abgasstromes 16, bei voll geöffnetem Steuerventil 10 sogar näherungsweise der gesamte Abgasstrom 16 nicht durch den Abgasbereich 14 des Rekuperators 5, sondern um diesen herum geleitet wird. Ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach 1 wird in der Folge dem Abgasstrom 16 im Rekuperator 5 nur noch eine verringerte oder gar keine Wärmemenge mehr entnommen. Im umgekehrten Fall, also bei gegenüber dem ersten Betriebszustand verringertem Nutzwärmebedarf wird die Abgastemperatur des Abgasstromes 16 durch Verringerung des Abgasdurchflusses durch den Abgasbypass verringert. Je nach Öffnungsgrad des Steuerventils 10 kann also die Nutztemperatur des Abgasstromes 16 stromab des Rekuperators 5 in einem Bereich zwischen der oben schon beschriebenen ungestörten Temperatur direkt stromab des Verdichters 17 und der ebenfalls schon beschriebenen Nutztemperatur ohne Bypass-Einsatz eingestellt werden. Bei voll geöffnetem Steuerventil 10 nimmt der Rekuperator 5 die Temperatur des verdichteten Verbrennungsluftstromes 15 an, da hier keine Wärme mehr vom Abgasstrom 16 eingetragen wird. 2 shows a variant of the arrangement according to 1 , in which also for the as needed increase the temperature of the exhaust gas stream 16 at least one, here exactly one with respect to their flow controllable bypass line 7 is provided. In contrast to the bypass line 6 to 1 is the bypass line 7 to 2 as an exhaust bypass to bypass the exhaust area 14 designed. The bypass line 7 is with a controllable by an actuator or adjustable control element, in particular with a control valve 10 or a control valve provided for controlling the gas flow, wherein the control valve 10 via an indicated data and control line with the control unit 20 is connected and is driven by the latter. In the case exemplified here of increasing the useful heat demand at the heat exchanger 4 becomes the exhaust gas temperature of the exhaust gas flow 16 Increased by increasing the exhaust gas flow through the exhaust gas bypass. For this purpose, the control valve 10 Partially or completely open via the control unit as needed, as a result of which a more or less pronounced partial flow of the exhaust gas flow 16 , with the control valve fully open 10 even approximately the entire exhaust flow 16 not through the exhaust area 14 of the recuperator 5 but is directed around it. As in the embodiment according to 1 is subsequently the exhaust gas flow 16 in the recuperator 5 only removed a reduced or no amount of heat more. In the opposite case, that is, compared to the first operating state reduced useful heat demand, the exhaust gas temperature of the exhaust gas stream 16 Reduced by reducing the exhaust gas flow through the exhaust gas bypass. Depending on the degree of opening of the control valve 10 So can the useful temperature of the exhaust stream 16 downstream of the recuperator 5 in a range between the above-described undisturbed temperature directly downstream of the compressor 17 and the useful temperature already described be set without bypass insert. With the control valve fully open 10 takes the recuperator 5 the temperature of the compressed combustion air stream 15 on, because here no more heat from the exhaust gas flow 16 is registered.

In dem durch den Rekuperator 5 führenden Abgaskanal-Abschnitt, welcher durch die Bypassleitung 7 umgehbar ist, ist optional noch eine Steuerdrossel 23 angeordnet, die über eine schematisch angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch Letztere angesteuert wird. Bei geschlossener Bypassleitung 7 wird die Steuerdrossel 23 vollständig geöffnet gehalten, um einen ungehinderten Durchfluss des Abgasstromes 16 durch den Rekuperator zu ermöglichen. Mit steigendem Öffnungsgrad des Steuerventils 10 bzw. mit steigendem Durchfluss durch den Abgasbypass kann mittels der Steuerdrossel 23 der Durchfluss des Abgasstromes 16 durch den Abgasbereich 14 des Rekuperators 5 gedrosselt oder sogar ganz unterbunden werden, um eine bestimmte Durchflussmenge durch den Abgasbypass zu erzwingen. Die Steuerdrossel 23 ist – wie hier gezeigt – bevorzugt ausgangsseitig des Abgasbereiches 14 angeordnet, kann aber auch eingangsseitig davon positioniert sein.In that by the recuperator 5 leading exhaust passage section, which through the bypass line 7 is bypassable, is optional nor a control throttle 23 arranged, via a schematically indicated data and control line to the control unit 20 is connected and is controlled by the latter. With closed bypass line 7 becomes the control throttle 23 kept fully open to allow unimpeded flow of the exhaust stream 16 to allow through the recuperator. With increasing degree of opening of the control valve 10 or with increasing flow through the exhaust gas bypass can by means of the control throttle 23 the flow of the exhaust stream 16 through the exhaust area 14 of the recuperator 5 throttled or even stopped completely to force a certain flow through the exhaust gas bypass. The control throttle 23 is - as shown here - preferably the output side of the exhaust gas area 14 arranged, but can also be positioned on the input side of it.

3 zeigt eine weitere Variante der Anordnungen nach den 1, 2, bei der für die bedarfsweise Erhöhung der Temperatur des Abgasstromes 16 zwei bezüglich ihres Durchflusses steuerbare Bypassleitungen 6, 7 vorgesehen sind, nämlich die als Kaltluftbypass ausgeführte Bypassleitung 6 nach 1 und zusätzlich die als Abgasbypass ausgeführte Bypassleitung nach 2. Die körperliche Ausgestaltung der Bypassleitungen 6, 7 und die Ansteuerung der Steuerventile 9, 10 bzw. der Steuerdrosseln 22, 23 ist identisch wie oben beschrieben, mit dem Unterschied, dass hier beide Bypassleitungen vorhanden und je nach Bedarf wechselseitig oder in Kombination miteinander betrieben werden. Eine Steuerung bzw. Regelung der Brennkammer-Temperatur wird durch koordinierte und gegenseitige Anpassung des Brennstoffmassenstroms und der Durchflussmengen durch die beiden Bypassleitungen 6, 7 vorgenommen. Bei voll geöffneten Steuerventilen 9, 10 nimmt der Rekuperator 5 zumindest näherungsweise die Umgebungstemperatur an, da hier weder Wärme vom Verbrennungsluftstrom 15 noch vom Abgasstrom 16 eingetragen wird. 3 shows a further variant of the arrangements according to the 1 . 2 in which, if necessary, increase the temperature of the exhaust gas stream 16 two bypass lines controllable with respect to their flow 6 . 7 are provided, namely designed as cold air bypass bypass line 6 to 1 and additionally the bypass line designed as an exhaust gas bypass 2 , The physical design of the bypass lines 6 . 7 and the control of the control valves 9 . 10 or the control throttles 22 . 23 is identical as described above, with the difference that here both bypass lines are present and operated as needed alternately or in combination with each other. Control of the combustion chamber temperature is achieved by coordinated and mutual adjustment of the fuel mass flow and the flow rates through the two bypass lines 6 . 7 performed. With fully open control valves 9 . 10 takes the recuperator 5 At least approximately the ambient temperature, since here neither heat from the combustion air flow 15 still from the exhaust gas flow 16 is registered.

Neben erweiterten Möglichkeiten zur Temperaturführung des Verbrennungsluftstromes 15 und des Abgasstromes 16 ergeben sich auch zusätzliche Möglichkeiten, die Temperaturbelastung einzelner Komponenten des Kraft-Wärme-Kopplungssystems 1 zu kontrollieren bzw. gering zu halten.In addition to extended possibilities for temperature control of the combustion air flow 15 and the exhaust stream 16 There are also additional possibilities, the temperature load of individual components of the combined heat and power system 1 to control or keep low.

Sofern nicht ausdrücklich abweichend beschrieben oder zeichnerisch dargestellt, stimmen die Ausführungsbeispiele nach den 1, 2 und 3 in den übrigen Merkmalen, Bezugszeichen, Eigenschaften und Einzelheiten der Verfahrensführung miteinander überein.Unless otherwise expressly described or illustrated in the drawings, the embodiments according to the 1 . 2 and 3 in the other features, reference numerals, characteristics and details of the procedure coincide with each other.

Allerdings ist es in allen drei gezeigten Ausführungsbeispielen der 1, 2 und 3 so, dass mit mehr oder weniger steigendem Öffnungsgrad der Bypassleitung 6, 7 nicht nur die Nutztemperatur des Abgasstromes 16 steigt, sondern gleichzeitig auch die Temperatur des Verbrennungsluftstromes 15 ausgangsseitig des Rekuperators sinkt. Dies würde ohne weitere Maßnahmen zu einem Absinken der Brennkammer-Temperatur von der oben beschriebenen Brennkammer-Solltemperatur und damit zu einem Absinken der mechanischen bzw. elektrischen Abgabeleistung am Kraftwandler 3 führen. Umgekehrt würde mit sinkendem Öffnungsgrad der Bypassleitung 6, 7 ein Anstieg der Brennkammertemperatur gegenüber der oben beschriebenen Brennkammer-Solltemperatur und damit ein Anstieg der mechanischen bzw. elektrischen Abgabeleistung am Kraftwandler 3 einhergehen. Die Mikrogasturbine würde mit verringertem Brennstoffnutzungsgrad nicht mehr in ihrem optimierten Betriebspunkt entsprechend dem obigen Ausgangszustand bzw. ersten Betriebszustand arbeiten. Beide Fälle würden außerdem der gewünschten Veränderung der Nutztemperatur des Abgasstromes 16 entgegenwirken.However, in all three embodiments shown it is the 1 . 2 and 3 so that with more or less increasing opening degree of the bypass line 6 . 7 not only the useful temperature of the exhaust gas flow 16 increases, but at the same time the temperature of the combustion air stream 15 the output side of the recuperator drops. This would without further measures to a decrease in the combustion chamber temperature of the above-described combustion chamber target temperature and thus to a decrease in the mechanical or electrical power output at the force transducer 3 to lead. Conversely, with decreasing opening degree of the bypass line 6 . 7 an increase in the combustion chamber temperature with respect to the above-described combustion chamber target temperature and thus an increase in the mechanical or electrical output power at the force transducer 3 accompanied. The micro gas turbine would no longer operate at its optimized operating point corresponding to the above initial state or first operating state with reduced fuel efficiency. Both cases would also the desired change in the useful temperature of the exhaust stream 16 counteract.

Es ist deshalb nach der Erfindung für die Herbeiführung des zweiten Betriebszustandes vorgesehen, alternativ zur oder insbesondere in Kombination mit der oben beschriebenen Änderung des Durchflusses durch die mindestens eine Bypassleitung 6, 7, und bevorzugt im Wesentlichen synchron mit der Veränderung des Durchflusses durch die Bypassleitung 6 und/oder durch die Bypassleitung 7 auch den in das Brennkammersystem 8 eingeleiteten Brennstoffmassenstrom zu verändern, um einer Veränderung der mechanischen bzw. elektrischen Abgabeleistung und/oder einer Veränderung der Brennkammer-Temperatur gegenüber der Brennkammer-Solltemperatur des ersten Betriebszustandes zumindest teilweise entgegenzuwirken. Hierzu weist eine in das Brennkammersystem 8 führende Brennstoffleitung 11 ein über einen Aktuator antreibbares oder verstellbares Steuerelement, insbesondere ein Steuerventil 12, eine Steuerklappe und/oder einen Brennstoffinjektor zur Steuerung des Brennstoffdurchflusses auf, wobei das Steuerventil 12 ebenfalls über eine angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch letztere angesteuert wird. Mittels des Steuerventils 12 kann der Brennstoffmassenstrom ausgehend vom oben beschriebenen Ausgangszustand verändert werden. Bei der Verbrennung wird dann gegenüber dem ersten Betriebszustand mehr oder weniger Wärmeenergie freigesetzt, wodurch eine Abweichung der Brennkammer-Temperatur von der Brennkammer-Solltemperatur zumindest verringert wird. Bevorzugt wird der Brennstoffmassenstrom in seinem Betrag so weit verändert, dass die Brennkammertemperatur zumindest näherungsweise konstant auf der Brennkammer-Solltemperatur gehalten wird.It is therefore provided according to the invention for bringing about the second operating state, alternatively or in particular in combination with the above-described change in the flow through the at least one bypass line 6 . 7 , and preferably in substantially synchronism with the change in the flow through the bypass line 6 and / or through the bypass line 7 also in the combustion chamber system 8th to change introduced fuel mass flow to at least partially counteract a change in the mechanical or electrical power output and / or a change in the combustion chamber temperature relative to the target combustion chamber temperature of the first operating state. For this purpose, one points into the combustion chamber system 8th leading fuel line 11 a controllable via an actuator or adjustable control element, in particular a control valve 12 , a control flap and / or a fuel injector for controlling the fuel flow, wherein the control valve 12 also via an indicated data and control line with the control unit 20 is connected and is driven by the latter. By means of the control valve 12 For example, the fuel mass flow can be changed starting from the initial state described above. During combustion, more or less heat energy is released compared to the first operating state, whereby a deviation of the combustion chamber temperature from the nominal combustion chamber temperature is at least reduced. Preferably, the fuel mass flow is changed in its amount so far that the combustion chamber temperature is maintained at least approximately constant on the combustion chamber target temperature.

Es kann ausreichen, die Brennkammertemperatur über eine geeignete Steuerlogik der Steuerventile 9, 10, 12, der optionalen Steuerdrosseln 22, 23 und der Steuereinheit 20 zumindest näherungsweise innerhalb einer gewünschten Toleranz zu halten. Bevorzugt bilden das mindestens eine Steuerventil 9, 10 der mindestens einen Bypassleitung 6, 7, das Steuerventil 12 der Brennstoffleitung 11, die Steuerdrosseln 22, 23, die Steuereinheit 20 sowie ein Temperatursensor 21 einen geschlossenen Regelkreis. Der Temperatursensor 21 ist hier beispielhaft am Ausgang der Turbine 18 zur Ermittlung der Turbinenaustrittstemperatur angeordnet, kann aber auch an anderer geeigneter Stelle wie beispielsweise am Eingang der Turbine 18 oder im Brennkammersystem 8 positioniert sein. In jedem Falle wird mittels des Temperatursensors 21 entweder direkt oder indirekt über bekannte thermodynamische Zusammenhänge die Brennkammertemperatur sowie deren Abweichung von der Brennkammer-Solltemperatur ermittelt. Mit einem solchen geschlossenen Regelkreis wird dann die Brennkammertemperatur insbesondere auf die Brennkammer-Solltemperatur eingeregelt, wodurch eine sehr genaue Temperaturführung möglich ist.It may be sufficient, the combustion chamber temperature via a suitable control logic of the control valves 9 . 10 . 12 , the optional control chokes 22 . 23 and the control unit 20 at least approximately within a desired tolerance. Preferably, these form at least one control valve 9 . 10 the at least one bypass line 6 . 7 , the control valve 12 the fuel line 11 , the control chokes 22 . 23 , the control unit 20 and a temperature sensor 21 a closed loop. The temperature sensor 21 Here is an example of the output of the turbine 18 arranged to determine the turbine outlet temperature, but can also be at another suitable location such as at the entrance of the turbine 18 or in the combustion chamber system 8th be positioned. In any case, by means of the temperature sensor 21 either determined directly or indirectly via known thermodynamic relationships, the combustion chamber temperature and their deviation from the target combustion chamber temperature. With such a closed control loop, the combustion chamber temperature is then regulated in particular to the nominal setting of the combustion chamber, whereby a very accurate temperature control is possible.

Insgesamt gilt für das erfindungsgemäße Gestaltungs- und Verfahrenskonzept:

– Die Abgastemperaturen können frei und kontinuierlich zwischen ca. 170 und 670°C, bevorzugt zwischen 200 und 650°C eingestellt werden. Hierdurch wird der Einsatzbereich der Mikrogasturbine 2 und damit des Kraft-Wärme-Kopplungssystems 1 erheblich vergrößert.
– Das erfindungsgemäße Gestaltungs- und Verfahrenskonzept ermöglicht, dass bei gleicher elektrischer Leistung eine größere thermische Leistung bei verbessertem Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt wird.
- Die Teillastfähigkeit wird ebenfalls deutlich erweitert, da bei einem geringen elektrischen bzw. mechanischen Output ein hoher thermischer Output ermöglicht wird. Diese beiden Größen waren zuvor in ihrer Abhängigkeit stärker verknüpft.
– Die Vielfalt möglicher Betriebszustände wird erheblich erweitert. Die Mikrogasturbine 2 kann noch stärker in die Prozesse integriert werden, bzw. kann den prozessseitigen Anforderungen besser folgen.
- Der Einsatz der Bypassleitungen 6, 7 führt zu geringeren Druckverlusten bei der Strömungsführung, wodurch eine mögliche Absenkung des elektrischen Wirkungsgrads aufgrund fehlender Rekuperation zumindest teilweise kompensiert werden kann.
– Transiente Vorgänge bei sich ändernden Temperaturanforderungen können mit gutem Wirkungsgrad ausgeführt werden.

Overall, the following applies to the design and process concept according to the invention:

- The exhaust gas temperatures can be adjusted freely and continuously between about 170 and 670 ° C, preferably between 200 and 650 ° C. As a result, the field of application of the micro gas turbine 2 and thus the combined heat and power system 1 considerably enlarged.
- The design and process concept of the invention allows for the same electrical power a larger thermal performance is provided with improved efficiency.
- The partial load capacity is also significantly expanded, since with a low electrical or mechanical output, a high thermal output is possible. These two variables were previously more interdependent in their dependence.
- The variety of possible operating states is considerably expanded. The micro gas turbine 2 can be even more integrated into the processes, or can better follow the process requirements.
- The use of bypass lines 6 . 7 leads to lower pressure losses in the flow guide, whereby a possible reduction in electrical efficiency due to lack of recuperation can be at least partially compensated.
- Transient processes with changing temperature requirements can be carried out with good efficiency.

Claims

Method for operating an internal combustion engine in a cogeneration system ( 1 ), wherein the internal combustion engine is a combustion chamber system ( 8th ) for the exothermic conversion of a controllable fuel mass flow with a combustion air flow ( 15 ) in an exhaust gas stream ( 16 ), a power take-off device for providing a mechanical power resulting from the exothermic conversion, and a waste heat device for providing an exothermic reaction in the exhaust gas flow (US Pat. 16 ) comprises thermal energy to a heat user, wherein further with the exhaust gas flow ( 16 ) heated recuperator ( 5 ) is provided, which a combustion air area ( 13 ) for the combustion air flow ( 15 ), an exhaust area ( 14 ) for the exhaust gas flow ( 16 ) as well as at least one bypass line controllable with respect to its flow ( 6 . 7 ), wherein the method comprises the following method steps: In a first operating state, an entry into the combustion chamber system ( 8th ) fuel mass flow is adjusted such that a first mechanical power to the output device and a first thermal power is provided to the waste heat device; - When compared to the first operating state changing thermal power consumption of the heat user, a second operating state is brought about, including the flow through the at least one bypass line ( 6 . 7 ) is increased with increasing thermal power consumption and reduced with decreasing thermal power consumption; And / or for the bringing about of the second operating state, in particular substantially synchronously with the change of the flow through the at least one bypass line ( 6 . 7 ), which enters the combustion chamber system ( 8th ) leading fuel mass flow increases with increasing thermal power consumption and decreases with decreasing thermal power consumption.

A method according to claim 1, characterized in that the fuel mass flow is adjusted such that the first mechanical power of the first operating state remains at least approximately the same even in the second operating state.

A method according to claim 2, characterized in that the fuel mass flow is adjusted by means of a closed loop such that the mechanical power is adjusted independently of the operating state to an at least approximately constant value.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the bypass line ( 6 ) as cold air bypass for bypassing the combustion air area ( 13 ), and wherein in the case of a change in the thermal power requirement, the useful temperature of the exhaust gas flow ( 16 ) is adjusted by changing the combustion air flow through the cold air bypass.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the bypass line ( 7 ) as an exhaust gas bypass for bypassing the exhaust gas area ( 14 ), and wherein in the case of a change in the thermal power requirement, the useful temperature of the exhaust gas flow ( 16 ) is adjusted by changing the exhaust gas flow through the exhaust gas bypass.

Method according to claims 4 and 5, characterized in that both a cold air bypass and an exhaust gas bypass are provided, and that control of the mechanical power by coordinated and mutual adjustment of the fuel mass flow and the flow rates through the two bypass lines ( 6 . 7 ) is made.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the internal combustion engine is a micro gas turbine ( 2 ) is that by means of the waste heat device, the waste heat in the exhaust gas stream ( 16 ) of the micro gas turbine ( 2 ), and that the following method steps are provided: The micro gas turbine ( 2 ) is first operated in the first operating state, in which by the exothermic reaction by means of the combustion chamber system ( 8th ) a reference temperature in the exhaust stream ( 16 ), in particular a turbine outlet temperature of the exhaust gas flow ( 16 ) prevails at the level of a defined setpoint temperature, and at the output side of the recuperator ( 5 ) in the region of the waste heat device a useful temperature of the exhaust gas flow ( 16 ) prevails; - For the induction of the second operating state is substantially synchronous with the adjustment of the flow through the at least one bypass line ( 6 . 7 ), the fuel mass flow adapted such that a change in the reference temperature with respect to the target temperature is at least partially counteracted.

A method according to claim 7, characterized in that the fuel mass flow is adjusted such that the reference temperature is maintained at least approximately constant at the target temperature.

Combined heat and power system ( 1 ) comprising an internal combustion engine supplied with a controllable fuel mass flow, a force converter drivingly connected to the internal combustion engine ( 3 ), in particular generator, a waste heat device fed by the internal combustion engine, in particular for heating an optionally provided heat exchanger (US Pat. 4 ), a recuperator ( 5 ) with at least one bypass line which can be controlled with regard to a flow ( 6 . 7 ), as well as a control unit ( 20 ), the control unit ( 20 ) is designed in the cogeneration system ( 1 ) to carry out the method according to one of claims 1 to 8.

Combined heat and power system according to claim 9, characterized in that the internal combustion engine as a gas turbine device, in particular as a micro gas turbine ( 2 ) which is a combustion chamber system ( 8th ), one on a turbine shaft ( 19 ) rotationally fixed and through the combustion chamber system ( 8th ) fired turbine ( 18 ) and one, preferably on the turbine shaft ( 19 ) rotatably mounted compressor ( 17 ), wherein the compressor ( 17 ) is intended to provide the combustion chamber system ( 8th ) with a compressed oxidant stream, in particular with a compressed combustion air stream ( 15 ), whereby the combustion chamber system ( 8th ) has at least one controllable fuel supply, and wherein the recuperator ( 5 ) is provided, at least part of the thermal power of an exhaust gas stream ( 16 ) of the combustion chamber system ( 8th ) to the oxidant stream.

Cogeneration system according to claim 9 or 10, characterized in that the at least one bypass line ( 6 . 7 ) via an actuator drivable or adjustable control element, in particular a control valve ( 9 . 10 ) or a control flap for controlling the gas flow, and that one to Brennerkammersystem ( 8th ) leading fuel line ( 11 ) via an actuator drivable or adjustable control element, in particular a control valve ( 12 ), a control flap and / or a fuel injector for controlling the fuel flow, wherein the control unit ( 20 ) with the control of the at least one bypass line ( 6 . 7 ) and the fuel line control ( 11 ) is operatively connected, and wherein preferably the control of the at least one bypass line ( 6 . 7 ), the fuel line control ( 11 ), the control unit ( 20 ) and in particular a temperature sensor ( 21 ) Are part of a closed loop for regulating the mechanical power output of the internal combustion engine.

Combined heat and power system according to one of claims 9 to 11, characterized in that two bypass lines ( 6 . 7 ) are provided, wherein a bypass line ( 6 ) as a cold air bypass and a bypass line ( 7 ) is designed as an exhaust gas bypass, and that a control or regulation of the mechanical output of the internal combustion engine by coordinated and mutual adjustment of the fuel mass flow and the flow rates through the two bypass lines ( 6 . 7 ) by means of the control unit ( 20 ) is provided.