DE102014201751A1 - Combined heat and power plant and method for operating such a plant - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein eine Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit Kraftwärmekopplung, insbesondere eines Blockheizkraftwerkes oder einer Industrieanlage mit Wärmeauskopplung, wobei mit einem Verbrennungsmotor Antriebsleistung und ein Abgasstrom erzeugt werden und die Antriebsleistung zum Antrieb eines elektrischen Generators oder einer anderen Arbeitsmaschine verwendet wird; mit einem Abwärmenutzsystem der Anlage Abwärme aus dem Abgasstrom abgeführt und einem Dampfkreislauf des Abwärmenutzsystems zugeführt wird, wobei im Dampfkreislauf mittels einer Speisepumpe ein Arbeitsmedium umgewälzt wird, das in einem der Speisepumpe im Dampfkreislauf nachgeschalteten Verdampfer teilweise oder vollständig verdampft wird, anschließend in einem Expander unter Erzeugung mechanischer Arbeit expandiert wird und hiernach in einem Kondensator kondensiert wird, und die Kondensationswärme des Kondensators einer Wärmeauskopplung der Anlage zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Anlage ein Bypass, der im Dampfkreislauf hinter dem Verdampfer abzweigt und unter Umgehung des Expanders vor oder im Kondensator einmündet, variabel mit einem Arbeitsmediumstrom aus dem Dampfkreislauf beschickt wird, um den Wärmeeintrag in den Kondensator dadurch zu variieren.The invention relates to a method for operating a plant with cogeneration, in particular a combined heat and power plant or an industrial plant with heat extraction, with an internal combustion engine drive power and an exhaust stream are generated and the drive power is used to drive an electric generator or other work machine; With a Abwärmenutzsystem the system waste heat removed from the exhaust stream and a steam cycle of Abwärmenutzsystems is fed, wherein in the steam cycle by means of a feed pump, a working medium is circulated in one of the feed pump in the steam cycle downstream evaporator partially or completely evaporated, then in an expander to produce mechanical work is expanded and thereafter condensed in a condenser, and the heat of condensation of the condenser is supplied to a heat extraction of the plant. The inventive method is characterized in that during operation of the system, a bypass which branches off in the steam cycle behind the evaporator and bypassing the expander before or in the condenser, is variably charged with a working medium flow from the steam cycle to the heat input into the condenser to vary.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit Kraftwärmekopplung, insbesondere eines Blockheizkraftwerkes oder einer Industrieanlage mit Wärmeauskopplung, sowie eine entsprechende Anlage zur Kraftwärmekopplung, insbesondere Blockheizkraftwerk oder Industrieanlage mit Wärmeauskopplung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The present invention relates to a method for operating a plant with combined heat and power, in particular a cogeneration plant or an industrial plant with heat extraction, and a corresponding plant for combined heat and power, especially cogeneration or industrial plant with heat extraction according to the preambles of the independent claims.

Aus der WO 2012/107177 A1 ist bekannt, ein stationäres Kraftwerk, insbesondere Gaskraftwerk, zur Stromerzeugung, wie es die vorliegende Erfindung gemäß einer möglichen Ausführungsform betrifft, mit einem Abwärmenutzsystem zu versehen, in welchem in einem Dampfkreislauf Wärme des Abgasstroms des Verbrennungsmotors in Antriebsleistung umgewandelt wird, um zusätzliche Antriebsleistung für einen vom Verbrennungsmotor angetriebenen elektrischen Generator zur Verfügung zu stellen. Die Kondensationswärme eines im Dampfkreislauf des Abwärmenutzsystems vorgesehenen Kondensators wird zusammen mit weiterer dem Abgasstrom entzogener Wärme einem Wärmenutzungssystem, beispielsweise Nahwärmenetz, Fernwärmenetz oder Prozesswärmenetz, zugeführt. Eine solche Nutzung von Abwärme in einer Anlage mit Kraftwärmekopplung, wozu das dargestellte Gaskraftwerk zählt, wird auch als Wärmeauskopplung bezeichnet.From the WO 2012/107177 A1 It is known to provide a stationary power plant, in particular gas power plant, for power generation, as in the present invention according to a possible embodiment, with a Abwärmenutzsystem in which in a steam cycle heat of the exhaust gas stream of the engine is converted into drive power to additional drive power for a provided by the internal combustion engine driven electric generator. The heat of condensation of a condenser provided in the steam circuit of the waste heat recovery system, together with further heat extracted from the exhaust gas flow, is fed to a heat utilization system, for example local heat network, district heating network or process heat network. Such use of waste heat in a combined heat and power plant, including the illustrated gas power plant, is also referred to as heat extraction.

Obwohl bei der bekannten Anlage mit Kraftwärmekopplung ein im Verhältnis zu entsprechenden Anlagen ohne Abwärmenutzsystem besserer Wirkungsgrad und damit eine effizientere Ausnutzung des im Verbrennungsmotor verbrannten Energieträgers erreicht werden kann, ergeben sich in der Praxis Betriebszustände, in denen die durch das Abwärmenutzsystem erzielbare erhöhte elektrische Leistung des Generators gar nicht benötigt wird. Die bekannten Anlagen können hierauf nicht flexibel reagieren ohne zumindest den Wirkungsgrad zu verschlechtern. Zudem besteht keine Möglichkeit, kurzfristig einen besonders hohen Wärmebedarf in der Wärmeauskopplung zu bedienen, wie er in der Praxis gelegentlich, meist über zeitlich eng begrenzte Intervalle, vorkommt.Although in the known system with cogeneration in relation to corresponding systems without Abwärmenutzsystem better efficiency and thus a more efficient use of burned in the engine energy carrier can be achieved in practice operating conditions in which recoverable by the Abwärmenutzsystem increased electrical power of the generator not needed at all. The known systems can not react flexibly to this without at least deteriorating the efficiency. In addition, there is no possibility to serve a particularly high heat demand in the heat extraction in the short term, as it occasionally occurs in practice, usually over tightly limited intervals.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit Kraftwärmekopplung sowie eine entsprechende Anlage anzugeben, mit welchen die genannten Nachteile vermieden werden. Dabei sollen zusätzliche Herstellungs- und Betriebskosten weitgehend vermieden werden.The present invention is therefore an object of the invention to provide a method for operating a plant with combined heat and power and a corresponding system with which the mentioned disadvantages are avoided. In this case, additional manufacturing and operating costs should be largely avoided.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 und eine Anlage mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.The object of the invention is achieved by a method having the features of claim 1 and a system having the features of claim 7. In the dependent claims advantageous and particularly expedient embodiments of the invention are given.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit Kraftwärmekopplung, insbesondere zum Betreiben eines Blockheizkraftwerkes oder einer Industrieanlage mit Wärmeauskopplung, wird mit einem Verbrennungsmotor Antriebsleistung erzeugt, die dann zum Antrieb eines elektrischen Generators oder einer anderen Arbeitsmaschine verwendet wird. Der Verbrennungsmotor erzeugt einen Abgasstrom, dessen Abwärme in einem nachgeschalteten Abwärmenutzsystem genutzt wird. Hierzu wird Abwärme aus dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors abgeführt und einem Dampfkreislauf des Abwärmenutzsystems zugeführt. Im Dampfkreislauf wird mittels einer Speisepumpe ein Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes umgewälzt, beispielsweise Wasser oder ein Wassergemisch oder auch Ethanol oder ein Ethanolgemisch oder anderes, das dann in einem der Speisepumpe im Dampfkreislauf nachgeschalteten Verdampfer teilweise oder vollständig verdampft wird. Die Verdampfung erfolgt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ausschließlich mit der aus dem Abgasstrom abgeführten Abwärme. Jedoch kann auch noch andere Wärme der Anlage hierfür herangezogen werden.According to the inventive method for operating a plant with combined heat and power, in particular for operating a cogeneration plant or an industrial plant with heat extraction, drive power is generated with an internal combustion engine, which is then used to drive an electric generator or other work machine. The internal combustion engine generates an exhaust gas stream whose waste heat is used in a downstream waste heat recovery system. For this purpose, waste heat is removed from the exhaust gas stream of the internal combustion engine and fed to a steam cycle of the waste heat recovery system. In the steam cycle, a working medium of the steam cycle is circulated by means of a feed pump, for example water or a water mixture or ethanol or an ethanol mixture or other, which is then partially or completely evaporated in one of the feed pump in the steam cycle downstream evaporator. The evaporation takes place according to an embodiment of the invention exclusively with the waste heat discharged from the exhaust gas stream. However, other heat of the plant can be used for this purpose.

Nach seiner Verdampfung wird das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes in einem Expander unter Erzeugung mechanischer Arbeit expandiert und anschließend in einem Kondensator kondensiert. Die mechanische Arbeit kann beispielsweise zusätzlich zu dem Verbrennungsmotor zum Antrieb des elektrischen Generators oder der anderen Arbeitsmaschine verwendet werden, sie kann jedoch auch in einem anderen Aggregat als dem von dem Verbrennungsmotor angetriebenen als Antriebsleistung genutzt werden. Die Kondensationswärme, die im Kondensator bei der Kondensation des Arbeitsmediums des Dampfkreislaufs anfällt, wird einer Wärmeauskopplung der Anlage zugeführt.After its evaporation, the working medium of the steam cycle is expanded in an expander to produce mechanical work and then condensed in a condenser. The mechanical work may be used, for example, in addition to the engine for driving the electric generator or the other work machine, but it may also be used in a unit other than that driven by the engine as a drive power. The heat of condensation, which accumulates in the condenser in the condensation of the working medium of the steam cycle, is supplied to a heat extraction of the system.

Erfindungsgemäß wird nun im Betrieb der Anlage ein Bypass, der im Dampfkreislauf hinter dem Verdampfer abzweigt und unter Umgehung des Expanders vor oder im Kondensator einmündet, variabel mit einem Arbeitsmediumstrom aus dem Dampfkreislauf beschickt, um dadurch den Wärmeeintrag in den Kondensator zu variieren. Aufgrund dessen, dass das aus dem Expander nach seiner Expansion austretende Arbeitsmedium eine geringere Temperatur hat als das aus dem Bypass austretende Arbeitsmedium, kann der Wärmeeintrag in den Kondensator dadurch erhöht werden, dass mehr Arbeitsmedium durch den Bypass und weniger Arbeitsmedium durch den Expander geleitet wird, und der Wärmeeintrag in den Kondensator kann dadurch vermindert werden, dass mehr Arbeitsmedium durch den Expander und weniger Arbeitsmedium durch den Bypass geleitet wird. Entsprechend kann durch eine Massenstromregelung des Arbeitsmediumstromes in dem Bypass der Wärmeeintrag in den Kondensator gezielt erhöht oder erniedrigt werden.According to the invention, a bypass which branches off in the steam cycle behind the evaporator and opens in or out of the condenser, bypassing the expander, is variably charged with a working medium flow from the steam cycle, thereby varying the heat input into the condenser. Due to the fact that the working medium emerging from the expander after its expansion has a lower temperature than the working medium emerging from the bypass, the heat input into the condenser can be increased by passing more working medium through the bypass and less working medium through the expander, and the heat input into the condenser can be reduced by passing more working fluid through the expander and less working fluid through the bypass becomes. Accordingly, by a mass flow control of the working medium flow in the bypass, the heat input into the condenser can be selectively increased or decreased.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Arbeitsmediumstrom im Bypass oder der Arbeitsmediumstrom durch den Expander in Abhängigkeit eines vorgegebenen aktuellen Wärmebedarfs, der in der Wärmeauskopplung verlangt wird, variabel eingestellt. Beispielsweise kann dies mittels einer Steuervorrichtung erfolgen, die den aktuellen Wärmebedarf zumindest mittelbar erfasst beziehungsweise welcher der aktuelle Wärmebedarf mitgeteilt wird, und die dann in Abhängigkeit dieses erfassten oder mitgeteilten Wärmebedarfs auf eine oder mehrere entsprechende Regeleinrichtungen im Dampfkreislauf zugreift, um einzustellen, wie viel Arbeitsmedium durch den Expander und wie viel Arbeitsmedium an dem Expander vorbei durch den Bypass strömt. Eine solche vorteilhaft variable Aufteilung des Arbeitsmediumstroms auf den Expander und den Bypass kann gemäß einer besonders vorzuziehenden Ausführung auch Zustände beinhalten, in welchen der Arbeitsmediumstrom entweder vollständig durch den Expander oder vollständig durch den Bypass geleitet wird, neben Zwischenstellungen mit der genannten Aufteilung.According to an advantageous embodiment of the invention, the working medium flow in the bypass or the working medium flow through the expander in dependence on a predetermined current heat demand, which is required in the heat extraction, set variably. For example, this can be done by means of a control device that detects the current heat demand at least indirectly or which the current heat demand is communicated, and then accesses one or more corresponding control devices in the steam cycle depending on this detected or communicated heat demand to adjust how much working medium the expander and how much working fluid flows past the expander through the bypass. Such an advantageously variable division of the working medium flow to the expander and the bypass may according to a particularly preferred embodiment also include states in which the working medium flow is passed either completely through the expander or completely through the bypass, in addition to intermediate positions with said division.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist im Arbeitsmediumkreislauf ein Steuerventil vorgesehen, über welches der Arbeitsmediumstrom aus der Speisepumpe über den Verdampfer in den Bypass geleitet wird, sowie ein Hauptventil, über welches der verbleibende Anteil des Arbeitsmediumstromes aus der Speisepumpe über den Verdampfer in den Expander geleitet wird. Beim Inbetriebnehmen des Abwärmenutzsystems kann das Steuerventil nach und nach geschlossen und das Hauptventil nach und nach geöffnet werden, bis das Steuerventil vollständig geschlossen ist und das Hauptventil vollständig geöffnet ist, sodass der gesamte Arbeitsmediumstrom aus dem Verdampfer durch den Expander strömt und entsprechend viel mechanische Arbeit mit dem Expander erzeugt wird. Dies ist der Nennbetrieb. Wenn nun ein besonders hoher Wärmebedarf festgestellt wird, der über den Nennwärmebedarf in der Wärmeauskopplung hinausgeht, und/oder die benötigte Antriebsleistung unterhalb der Nennleistung des Expanders liegt, so kann das Hauptventil teilweise oder vollständig, je nach Wärmebedarf beziehungsweise benötigter Antriebsleistung des Expanders, geschlossen werden und das Steuerventil entsprechend geöffnet werden, um den heißen Arbeitsmediumstrom aus dem Verdampfer teilweise oder vollständig am Expander vorbei in den Kondensator zu leiten, sodass in diesem entsprechend mehr Kondensationswärme entsteht, die dann der Wärmeauskopplung zugeführt wird.According to a particularly advantageous embodiment, a control valve is provided in the working medium circuit, via which the working medium flow from the feed pump via the evaporator is passed into the bypass, and a main valve, via which the remaining portion of the working medium flow from the feed pump is passed through the evaporator in the expander , When commissioning the waste heat recovery system, the control valve can be gradually closed and the main valve gradually opened until the control valve is fully closed and the main valve is fully open, so that the entire working medium flow from the evaporator flows through the expander and correspondingly much mechanical work with the expander is generated. This is the rated operation. If now a particularly high heat demand is determined, which goes beyond the nominal heat demand in the heat extraction, and / or the required drive power is below the rated power of the expander, the main valve can be partially or completely, depending on the heat demand or required drive power of the expander, closed and the control valve are opened accordingly to pass the hot working medium flow from the evaporator partially or completely past the expander in the condenser, so that in this correspondingly more heat of condensation is formed, which is then supplied to the heat extraction.

Wenn anschließend sich der Wärmebedarf in der Wärmeauskopplung reduziert oder sich wieder eine höhere geforderte Antriebsleistung der Expansionsmaschine ergibt, kann das Steuerventil wieder weiter oder vollständig geschlossen und das Hauptventil entsprechend geöffnet werden, sodass mit dem Expander die gewünschte Antriebsleistung, die insbesondere auf die Antriebsleistung des Verbrennungsmotors aufaddiert wird, erzeugt wird, wobei sich jedoch zugleich die Kondensationswärme im Kondensator reduziert und aus dem Kondensator weniger Wärme in die Wärmeauskopplung übertragen wird. Das Abwärmenutzsystem ist wieder in seinem Nennbetriebszustand.If then the heat demand in the heat extraction reduced or again results in a higher required drive power of the expansion machine, the control valve can be closed again or completely closed and the main valve accordingly, so with the expander the desired drive power, in particular to the drive power of the engine is added, but at the same time the condensation heat is reduced in the condenser and less heat is transferred from the condenser in the heat extraction. The waste heat recovery system is back in its nominal operating condition.

Durch die Erfindung ist eine nahezu vollständige Übertragung der im Abgasstrom des Verbrennungsmotors vorhandenen Wärme in die Wärmeauskopplung möglich, ohne dass mit Ausnahme des erforderlichen Bypasses beziehungsweise der Steuer- oder Regelkomponenten zusätzliche Komponenten erforderlich sind. Zusätzlich ist eine flexible Verschiebung der Energiemengen zwischen der Antriebsleistungserzeugung und Wärmeerzeugung in der Wärmeauskopplung möglich, die insbesondere stetig, das heißt stufenlos oder in Stufen erfolgen kann.By means of the invention, an almost complete transfer of the heat present in the exhaust gas flow of the internal combustion engine into the heat extraction is possible without additional components being required, with the exception of the required bypass or the control or regulating components. In addition, a flexible shift of the amount of energy between the drive power generation and heat generation in the heat extraction is possible, in particular, can be continuous, that is stepless or in stages.

Besonders vorteilhaft wird der Verbrennungsmotor mit einem Kühlkreislauf gekühlt, in welchem ein Kühlmedium, insbesondere Wasser oder ein Wassergemisch, zirkuliert wird, und die Wärme aus dem Kühlkreislauf wird der Wärmeauskopplung zugeführt. In diesem Fall kann die Kondensationswärme des Kondensators über den Kühlkreislauf der Wärmeauskopplung zugeführt werden, beispielsweise indem der Kondensator derart in den Kühlkreislauf integriert wird, dass er mit dem Kühlmedium des Kühlkreislaufes durchströmt oder überströmt wird, wobei das Kühlmedium die Kondensationswärme aufnimmt. Anschließend kann dann die Wärme aus dem Kühlmedium der Wärmeauskopplung zugeführt werden, entweder durch einen nachgeschalteten Heizkreiswärmetauscher im Kühlkreislauf oder dadurch, dass das Kühlmedium zugleich als Transportmedium der Wärmeauskopplung verwendet wird. Unter Kühlung des Verbrennungsmotors mit dem Kühlkreislauf ist die Durchleitung des Kühlmediums durch den Verbrennungsmotor beziehungsweise Überströmung des Verbrennungsmotors mit dem Kühlmedium zu verstehen, um die Bauteilwärme des Verbrennungsmotors aufzunehmen, und/oder die Anordnung eines Wärmetauschers im Abgasstrom, um eine Abgaswärme aufzunehmen.Particularly advantageously, the internal combustion engine is cooled with a cooling circuit, in which a cooling medium, in particular water or a water mixture, is circulated, and the heat from the cooling circuit is supplied to the heat extraction. In this case, the condensation heat of the condenser can be supplied via the cooling circuit of the heat extraction, for example by the capacitor is integrated into the cooling circuit, that it flows through or overflowed with the cooling medium of the cooling circuit, wherein the cooling medium absorbs the heat of condensation. Subsequently, the heat from the cooling medium of the heat extraction can then be supplied, either by a downstream heating circuit in the cooling circuit or in that the cooling medium is also used as a transport medium of the heat extraction. Under cooling of the engine with the cooling circuit is the passage of the cooling medium through the engine or overflow of the engine with the cooling medium to understand the component heat of the engine to record, and / or the arrangement of a heat exchanger in the exhaust stream to receive an exhaust heat.

Eine erfindungsgemäße Anlage zur Kraftwärmekopplung, insbesondere Blockheizkraftwerk oder Industrieanlage mit Wärmeauskopplung, weist einen Verbrennungsmotor als Antriebsmotor zur Erzeugung von Antriebsleistung auf, wobei der Verbrennungsmotor einen Abgasstrom erzeugt. Der Verbrennungsmotor ist beispielsweise als Kolbenmotor ausgeführt. Jedoch kommen auch andere Bauarten in Betracht. A plant according to the invention for combined heat and power, in particular cogeneration plant or industrial plant with heat extraction, has an internal combustion engine as a drive motor for generating drive power, wherein the internal combustion engine generates an exhaust gas flow. Of the Internal combustion engine is designed for example as a piston engine. However, other types come into consideration.

Ferner ist Abwärmenutzsystem vorgesehen, umfassend einen ein arbeitsmediumführenden Dampfkreislauf, der mit Abwärme des Verbrennungsmotors aus dessen Abgasstrom gespeist wird. Demgemäß steht der Dampfkreislauf in wärmeübertragender Verbindung mit dem Abgasstrom des Verbrennungsmotors beziehungsweise ist an einer entsprechenden Abgasführung des Verbrennungsmotors angeschlossen beziehungsweise in diese integriert.Furthermore, waste heat recovery system is provided, comprising a working medium carrying steam cycle, which is fed with waste heat of the internal combustion engine from the exhaust gas stream. Accordingly, the steam cycle is in heat-transferring connection with the exhaust gas stream of the internal combustion engine or is connected to a corresponding exhaust system of the internal combustion engine or integrated into it.

Der Dampfkreislauf weist eine Speisepumpe, einen dieser im Dampfkreislauf nachgeschalteten Verdampfer, einen weiter nachgeschalteten Expander und einen nachgeschalteten Kondensator auf, wobei der Kondensator zur Übertragung der Kondensationswärme in wärmeübertragender Verbindung mit einer Wärmeauskopplung der Anlage zur Kraftwärmekopplung steht. Der Expander ist vorteilhaft als Hubkolbenmaschine ausgeführt. Jedoch kommen auch andere Maschinen in Betracht. Beispielsweise ist der Expander über ein Getriebe mit Übersetzung oder Untersetzung oder ein variables Getriebe an eine Antriebswelle des Verbrennungsmotors angeschlossen, oder er steht in direkter mechanischer Verbindung mit der Antriebswelle, mit oder ohne Zwischenschaltung einer lösbaren Kupplung, oder treibt eine separate Maschine an.The steam cycle has a feed pump, one of these in the steam cycle downstream evaporator, a further downstream expander and a downstream capacitor, wherein the capacitor for transmitting the heat of condensation is in heat-transmitting connection with a heat extraction of the plant for cogeneration. The expander is advantageously designed as a reciprocating engine. However, other machines come into consideration. For example, the expander is connected to a drive shaft of the internal combustion engine via a gearbox with ratio or reduction or a variable transmission, or it is in direct mechanical connection with the drive shaft, with or without the interposition of a releasable coupling, or drives a separate machine.

Erfindungsgemäß ist im Dampfkreislauf ein Bypass vorgesehen, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Verdampfer abzweigt und unter Umgehung des Expanders vor dem Kondensator einmündet.According to the invention, a bypass is provided in the steam circuit, which branches off in the flow direction of the working medium behind the evaporator and opens, bypassing the expander in front of the condenser.

Besonders vorteilhaft ist in der Abzweigung des Bypasses und/oder im Bypass ein Steuerventil vorgesehen, mittels welchem der durch den Bypass strömende Arbeitsmediumstrom variabel einstellbar ist, sodass in Abhängigkeit der Ventilstellung mehr oder weniger Arbeitsmedium durch den Bypass und entsprechend weniger oder mehr Arbeitsmedium durch den Expander strömt. Wie zuvor dargelegt wurde, können auch mehrere Ventile vorgesehen sein, beispielsweise eines in der Abzweigung und eines in der Arbeitsmediumführung zum Expander.Particularly advantageously, a control valve is provided in the branch of the bypass and / or in the bypass, by means of which the bypassing working medium flow is variably adjustable, so depending on the valve position more or less working fluid through the bypass and correspondingly less or more working fluid through the expander flows. As stated above, several valves may be provided, for example one in the branch and one in the working medium guide to the expander.

Die erfindungsgemäße Anlage weist vorteilhaft eine elektronische Steuervorrichtung auf, welche den durch den Bypass strömenden Arbeitsmediumstrom und damit vorteilhaft indirekt auch den durch den Expander strömenden Arbeitsmediumstrom steuert. Selbstverständlich kann auch eine direkte Steuerung des durch den Expander strömenden Arbeitsmediumstromes und damit eine indirekte Steuerung des durch den Bypass strömenden Arbeitsmediumstromes beziehungsweise der entsprechenden Anteile vorgesehen sein. Die Steuervorrichtung ist in der Regel als elektronische Steuervorrichtung ausgeführt und weist demgemäß wenigstens eine Recheneinheit und einen Speicher auf, wie dies bei elektronischen Steuervorrichtungen üblich ist. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Steuervorrichtung eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen, beispielsweise indem ein entsprechendes durch sie ausführbares Programm in dem Speicher hinterlegt ist.The system according to the invention advantageously has an electronic control device which controls the working medium flow flowing through the bypass and thus advantageously also indirectly the working medium flow flowing through the expander. Of course, a direct control of the working medium flow flowing through the expander and thus an indirect control of the flowing through the bypass working medium flow or the corresponding proportions can be provided. The control device is usually designed as an electronic control device and accordingly has at least one arithmetic unit and a memory, as is common in electronic control devices. According to an advantageous embodiment of the invention, the control device is set up to carry out a method according to the invention, for example by storing a corresponding program that can be executed by it in the memory.

Besonders vorteilhaft ist der Kondensator einem Heizkreiswärmetauscher im Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors vorgeschaltet, bezogen auf die Strömungsrichtung des Kühlmediums im Kühlkreislauf. Vorteilhaft wird die gesamte Kondensationswärme damit dem Heizkreiswärmetauscher über das Kühlmedium zugeführt oder gemäß einer alternativen Ausführungsform, bei welchem das Kühlmedium des Kühlkreislaufes zugleich das Transportmedium für die Wärmeauskopplung ist, zur Aufheizung dieses Mediums herangezogen.Particularly advantageously, the capacitor is connected upstream of a heating circuit heat exchanger in the cooling circuit of the internal combustion engine, based on the flow direction of the cooling medium in the cooling circuit. Advantageously, the entire heat of condensation is thus supplied to the heating circuit heat exchanger via the cooling medium or according to an alternative embodiment, in which the cooling medium of the cooling circuit is at the same time the transport medium for the heat extraction, used for heating this medium.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Figur exemplarisch beschrieben werden.The invention will be described below by way of example with reference to an embodiment and the figure.

In der 1 ist eine Anlage zur Kraftwärmekopplung mir einem Verbrennungsmotor 1 als Antriebsmotor gezeigt, der eine schematisch dargestellte Arbeitsmaschine 2 beispielsweise in Form eines elektrischen Generators antreibt. Die Arbeitsmaschine 2 kann ferner mittels des Expanders 3 angetrieben werden, der Bestandteil des Abwärmenutzsystems 4 des Verbrennungsmotors 1 ist. In the 1 is a plant for cogeneration with an internal combustion engine 1 shown as a drive motor, which is a schematically illustrated work machine 2 for example, in the form of an electric generator drives. The working machine 2 can also by means of the expander 3 be driven, the part of the waste heat recovery system 4 of the internal combustion engine 1 is.

Der Verbrennungsmotor 1 erzeugt einen Abgasstrom 5, der durch den Verdampfer 6 des Dampfkreislaufes 7 des Abwärmenutzsystems 4 geleitet wird, um ein Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes 7 zu verdampfen. Das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes 7 wird mittels einer Speisepumpe 8, die beispielsweise vom Expander 3 angetrieben wird, aus einem Vorratsbehälter 9 in den Verdampfer 6 gefördert, in welchem es dann teilweise oder vollständig, insbesondere allein aufgrund des Wärmeeintrags aus dem Abgasstrom 5, verdampft wird.The internal combustion engine 1 generates an exhaust gas flow 5 that by the evaporator 6 of the steam cycle 7 of waste heat recovery system 4 is passed to a working medium of the steam cycle 7 to evaporate. The working medium of the steam cycle 7 is by means of a feed pump 8th , for example, by the expander 3 is driven from a reservoir 9 in the evaporator 6 promoted, in which it then partially or completely, in particular solely due to the heat input from the exhaust stream 5 , is evaporated.

Das dampfförmige Arbeitsmedium wird über ein Hauptventil 10 dem Expander 3 zugeleitet und anschließend gegebenenfalls über einen Ölabscheider 11 dem Kondensator 12 zugeführt. Im Kondensator 12 wird das Arbeitsmedium des Dampfkreislaufes 7 kondensiert, wobei Kondensationswärme entsteht, und anschließend zurück in den Vorratsbehälter 9 geleitet.The vaporous working medium is via a main valve 10 the expander 3 fed and then optionally via an oil separator 11 the capacitor 12 fed. In the condenser 12 becomes the working medium of the steam cycle 7 condenses, creating condensation heat, and then back into the reservoir 9 directed.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist am Expander 3 ferner neben der Abdampfleitung 13 mit dem optionalen Ölabscheider 11 eine Ausdampfleitung 14 mit einem Ölabscheider 15 (ebenfalls optional) angeschlossen, wobei der über die Ausdampfleitung 14 geführte Dampf ebenfalls dem Kondensator 12 zur Kondensation zugeführt wird. In the illustrated embodiment is on the expander 3 also next to the exhaust steam line 13 With the optional oil separator 11 an exhaust pipe 14 with an oil separator 15 (also optional) connected, whereby the over the Ausdampfleitung 14 guided steam also the condenser 12 is fed to the condensation.

Schließlich ist ein Ölsystem 16 des Expanders 3 schematisch dargestellt, mit einem Ölwärmetauscher 17 und einem Ölfilter 18, um Wärme aus dem Schmieröl des Expanders 3 abzuleiten.Finally, an oil system 16 of the expander 3 shown schematically, with an oil heat exchanger 17 and an oil filter 18 To remove heat from the lubricating oil of the expander 3 derive.

Im Dampfkreislauf 7 ist ferner ein Sicherheitsventil 19 vorgesehen, dass unzulässige Druckzustände verhindert.In the steam cycle 7 is also a safety valve 19 provided that prevents impermissible pressure conditions.

Erfindungsgemäß ist nun ein Bypass 20 im Dampfkreislauf 7 vorgesehen, mittels welchem der Expander 3 umgehbar ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist im Bypass 20 ein Steuerventil 21 vorgesehen, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens den durch den Bypass 20 strömenden Arbeitsmediumstrom einstellt.According to the invention is now a bypass 20 in the steam cycle 7 provided by means of which the expander 3 is bypassable. In the illustrated embodiment is in the bypass 20 a control valve 21 provided, which for carrying out the method according to the invention by the bypass 20 adjusting working fluid flow.

Dem Verbrennungsmotor 1 ist ein Kühlkreislauf 22 zugeordnet, mittels welchem Wärme aus dem Verbrennungsmotor 1 und/oder dessen Abgasstrom 5 abgeleitet wird. Ferner wird das Kühlmedium des Kühlkreislaufes 22 hinter dem Verbrennungsmotor 1, bezogen auf die Strömungsrichtung des Kühlmediums, durch den Kondensator 12 geleitet, um die Kondensationswärme aus dem Kondensator 12 aufzunehmen. Anschließend wird das Kühlmedium durch den Heizkreiswärmetauscher 23 geleitet, um dort seine Wärme an eine nicht detailliert dargestellte Wärmeauskopplung 24 abzugeben.The internal combustion engine 1 is a cooling circuit 22 assigned, by means of which heat from the internal combustion engine 1 and / or its exhaust stream 5 is derived. Furthermore, the cooling medium of the cooling circuit 22 behind the combustion engine 1 , based on the flow direction of the cooling medium, through the condenser 12 directed to the condensation heat from the condenser 12 take. Subsequently, the cooling medium through the heating circuit heat exchanger 23 passed there to his heat to a not detailed heat extraction 24 leave.

Im Kühlkreislauf 22 ist ferner in der Regel eine hier nicht näher dargestellte Kühlmediumpumpe sowie ein Kühlmittelvorratsbehälter vorgesehen, letzterer um Volumenschwankungen im Kühlkreislauf 22 auszugleichen.In the cooling circuit 22 Furthermore, as a rule, a cooling medium pump, not shown here, and a coolant reservoir are provided, the latter for volume fluctuations in the cooling circuit 22 compensate.

Eine dem Expander 3 zugeordnete Steuervorrichtung 25 greift steuernd auf das Hauptventil 10 und das Steuerventil 21 zu und stellt deren Öffnungsquerschnitte in Abhängigkeit eines Heizwärmebedarfs in der Wärmeauskopplung 24 ein. Zusätzlich oder alternativ könnte die Steuerung auch in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs der Arbeitsmaschine 2, insbesondere des elektrischen Generators, erfolgen.A the expander 3 associated control device 25 controls the main valve 10 and the control valve 21 and sets their opening cross-sections depending on a heating demand in the heat extraction 24 one. Additionally or alternatively, the control could also be dependent on the power requirement of the work machine 2 , in particular of the electric generator, take place.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2012/107177 A1 [0002] WO 2012/107177 A1 [0002]

Claims (11)

Verfahren zum Betreiben einer Anlage mit Kraftwärmekopplung, insbesondere eines Blockheizkraftwerkes oder einer Industrieanlage mit Wärmeauskopplung (24), wobei mit einem Verbrennungsmotor (1) Antriebsleistung und ein Abgasstrom (5) erzeugt werden und die Antriebsleistung zum Antrieb eines elektrischen Generators oder einer anderen Arbeitsmaschine (2) verwendet wird; mit einem Abwärmenutzsystem (4) der Anlage Abwärme aus dem Abgasstrom (5) abgeführt und einem Dampfkreislauf (7) des Abwärmenutzsystems (4) zugeführt wird, wobei im Dampfkreislauf (7) mittels einer Speisepumpe (8) ein Arbeitsmedium umgewälzt wird, das in einem der Speisepumpe (8) im Dampfkreislauf (7) nachgeschalteten Verdampfer (6) teilweise oder vollständig verdampft wird, anschließend in einem Expander (3) unter Erzeugung mechanischer Arbeit expandiert wird und hiernach in einem Kondensator (12) kondensiert wird, und die Kondensationswärme des Kondensators (12) einer Wärmeauskopplung (24) der Anlage zugeführt wird; dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Anlage ein Bypass (20), der im Dampfkreislauf (7) hinter dem Verdampfer (6) abzweigt und unter Umgehung des Expanders (3) vor oder im Kondensator (12) einmündet, variabel mit einem Arbeitsmediumstrom aus dem Dampfkreislauf (7) beschickt wird, um den Wärmeeintrag in den Kondensator (12) dadurch zu variieren.Method for operating a plant with combined heat and power, in particular a cogeneration plant or an industrial plant with heat extraction ( 24 ), with an internal combustion engine ( 1 ) Drive power and an exhaust gas flow ( 5 ) and the drive power for driving an electric generator or other work machine ( 2 ) is used; with a waste heat recovery system ( 4 ) the plant waste heat from the exhaust stream ( 5 ) and a steam cycle ( 7 ) of the waste heat recovery system ( 4 ), wherein in the steam cycle ( 7 ) by means of a feed pump ( 8th ) is circulated a working medium in one of the feed pump ( 8th ) in the steam cycle ( 7 ) downstream evaporator ( 6 ) is partially or completely evaporated, then in an expander ( 3 ) is expanded to produce mechanical work and thereafter in a condenser ( 12 ) is condensed, and the heat of condensation of the capacitor ( 12 ) a heat extraction ( 24 ) is supplied to the system; characterized in that during operation of the system a bypass ( 20 ) in the steam cycle ( 7 ) behind the evaporator ( 6 ) branches off and bypassing the expander ( 3 ) before or in the condenser ( 12 ) opens, variable with a working medium flow from the steam cycle ( 7 ) is fed to the heat input into the capacitor ( 12 ) to vary. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumstrom im Bypass (20) oder der Arbeitsmediumstrom durch den Expander (3) in Abhängigkeit eines vorgegebenen aktuellen Wärmebedarfs in der Wärmeauskopplung (24) variabel eingestellt wird. A method according to claim 1, characterized in that the working medium flow in the bypass ( 20 ) or the working medium flow through the expander ( 3 ) depending on a given current heat demand in the heat extraction ( 24 ) is set variably. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmediumstrom aus dem Verdampfer (6) variabel auf den Expander (3) und den Bypass (20) aufgeteilt wird.Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the working medium flow from the evaporator ( 6 ) variable on the expander ( 3 ) and the bypass ( 20 ) is divided. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) mit einem Kühlkreislauf (22) gekühlt wird, in welchem ein Kühlmedium, insbesondere Wasser oder ein Wassergemisch, zirkuliert wird, und Wärme aus dem Kühlkreislauf (22) der Wärmeauskopplung (24) der Anlage zugeführt wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the internal combustion engine ( 1 ) with a cooling circuit ( 22 ) is cooled, in which a cooling medium, in particular water or a water mixture is circulated, and heat from the cooling circuit ( 22 ) of heat extraction ( 24 ) is supplied to the system. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensationswärme des Kondensators (12) über den Kühlkreislauf (22) der Wärmeauskopplung (24) zugeführt wird, insbesondere durch Durchströmen und/oder Umströmen des Kondensators (12) mit dem Kühlmedium.A method according to claim 4, characterized in that the heat of condensation of the capacitor ( 12 ) over the cooling circuit ( 22 ) of heat extraction ( 24 ) is supplied, in particular by flowing through and / or flowing around the capacitor ( 12 ) with the cooling medium. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zweitweise der gesamte Arbeitsmediumstrom aus dem Verdampfer (6) über den Bypass (20) unter Umgehung des Expanders (3) geleitet wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that secondarily the entire working medium flow from the evaporator ( 6 ) over the bypass ( 20 ) bypassing the expander ( 3 ). Anlage zur Kraftwärmekopplung, insbesondere Blockheizkraftwerk oder Industrieanlage mit Wärmeauskopplung (24), 7.1 mit einem Verbrennungsmotor (1) als Antriebsmotor zur Erzeugung von Antriebsleistung, wobei der Verbrennungsmotor (1) einen Abgasstrom (5) erzeugt; 7.2 mit einem Abwärmenutzsystem (4), umfassend einen ein Arbeitsmedium führenden Dampfkreislauf (7), der mit Abwärme des Verbrennungsmotors (1) aus dessen Abgasstrom (5) gespeist wird; wobei 7.3 der Dampfkreislauf (7) eine Speisepumpe (8), einen dieser nachgeschalteten Verdampfer (6), einen im Dampfkreislauf (7) folgenden Expander (3) und einen Kondensator (12) umfasst und der Kondensator (12) zur Übertragung von Kondensationswärme in wärmeübertragender Verbindung mit einer Wärmeauskopplung (24) der Anlage steht; dadurch gekennzeichnet, dass 7.4 im Dampfkreislauf (7) ein Bypass (20) vorgesehen ist, der in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums hinter dem Verdampfer (6) abzweigt und unter Umgehung des Expanders (3) vor dem Kondensator (12) einmündet.Plant for combined heat and power generation, in particular cogeneration plant or industrial plant with heat extraction ( 24 ), 7.1 with an internal combustion engine ( 1 ) as a drive motor for generating drive power, wherein the internal combustion engine ( 1 ) an exhaust gas stream ( 5 ) generated; 7.2 with a waste heat recovery system ( 4 ), comprising a steam cycle leading a working medium ( 7 ), the waste heat of the internal combustion engine ( 1 ) from the exhaust gas stream ( 5 ) is fed; 7.3 the steam cycle ( 7 ) a feed pump ( 8th ), one of these downstream evaporators ( 6 ), one in the steam cycle ( 7 ) following expander ( 3 ) and a capacitor ( 12 ) and the capacitor ( 12 ) for the transfer of heat of condensation in heat-transmitting connection with a heat extraction ( 24 ) stands the plant; characterized in that 7.4 in the steam cycle ( 7 ) a bypass ( 20 ) is provided, which in the flow direction of the working medium behind the evaporator ( 6 ) branches off and bypassing the expander ( 3 ) in front of the condenser ( 12 ). Anlage gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abzweigung des Bypasses (20) und/oder im Bypass (20) ein Steuerventil (21) vorgesehen ist, mittels welchem der durch den Bypass (20) strömende Arbeitsmediumstrom variabel einstellbar ist,Installation according to claim 7, characterized in that in the branch of the bypass ( 20 ) and / or in the bypass ( 20 ) a control valve ( 21 ) is provided, by means of which by the bypass ( 20 ) flowing working medium flow is variably adjustable, Anlage gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein ein Kühlmedium führender Kühlkreislauf (22) zur Abfuhr von Wärme aus dem Verbrennungsmotor (1) vorgesehen ist, der zur Übertragung der aus dem Verbrennungsmotor (1) abgeführten Wärme in wärmeübertragender Verbindung mit der Wärmeauskopplung (24) der Anlage steht, wobei der Kondensator (12) zur Übertragung von Kondensationswärme in wärmeübertragender Verbindung mit dem Kühlkreislauf (22) steht.Installation according to one of claims 7 or 8, characterized in that a cooling medium leading a cooling medium ( 22 ) for the removal of heat from the internal combustion engine ( 1 ) is provided for transmission of the from the internal combustion engine ( 1 ) dissipated heat in heat transfer connection with the heat extraction ( 24 ) of the plant, wherein the capacitor ( 12 ) for transferring heat of condensation in heat-transmitting connection with the cooling circuit ( 22 ) stands. Anlage gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Steuervorrichtung (25) vorgesehen ist, welche den durch den Bypass (20) strömenden Arbeitsmediumstrom steuert, wobei die Steuervorrichtung (25) wenigstens eine Recheneinheit und einen Speicher aufweist und eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zu steuern. Installation according to one of claims 7 to 9, characterized in that an electronic control device ( 25 ) provided by the bypass ( 20 ) controlling working medium flow, wherein the control device ( 25 ) comprises at least one arithmetic unit and a memory and is arranged to control a method according to one of claims 1 to 6. Anlage gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Hauptventil (10) den Medienstrom vollständig absperrt.Installation according to one of claims 7 to 10, characterized in that the main valve ( 10 ) completely shuts off the media stream.
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