DE102016201974A1 - Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine und Wärmekraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Um ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine bereitzustellen, welches einen zuverlässigen Betrieb der Wärmekraftmaschine insbesondere bei variablen Randbedingungen ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren Folgendes umfasst: Zuführen von brennbare Bestandteile enthaltendem Gas als Zuluft zu einer Brennkammer einer Verbrennungsvorrichtung der Wärmekraftmaschine; Zuführen von Brennstoff zu der Brennkammer; Abführen von Abgas aus der Brennkammer und Zuführen des Abgases zu einem Wärmeübertrager der Wärmekraftmaschine; Übertragen von Wärme von dem Abgas auf zumindest einen Teil der Zuluft mittels des Wärmeübertragers; Vorbeiführen eines Teils der Zuluft und/oder eines Teils des Abgases an dem Wärmeübertrager mittels einer Bypassführung, wobei ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine zumindest näherungsweise zeitlich konstant sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, welche beispielsweise eine Gasturbine, insbesondere eine Mikrogasturbine, umfasst.
  • Wärmekraftmaschinen und Verfahren zum Betreiben derselben sind beispielsweise aus der DE 10 2013 203 448 A1 und aus der DE 10 2013 005 764 A1 bekannt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine bereitzustellen, welches einen zuverlässigen Betrieb der Wärmekraftmaschine insbesondere bei variablen Randbedingungen ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
    Zuführen von brennbare Bestandteile enthaltendem Gas als Zuluft zu einer Brennkammer einer Verbrennungsvorrichtung der Wärmekraftmaschine;
    Zuführen von Brennstoff zu der Brennkammer;
    Abführen von Abgas aus der Brennkammer und Zuführen des Abgases zu einem Wärmeübertrager der Wärmekraftmaschine;
    Übertragen von Wärme von dem Abgas auf zumindest einen Teil der Zuluft mittels des Wärmeübertragers;
    Vorbeiführen eines Teils der Zuluft und/oder eines Teils des Abgases an dem Wärmeübertrager mittels einer Bypassführung, wobei ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine zumindest näherungsweise zeitlich konstant sind.
  • Durch die erfindungsgemäße Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms und/oder Volumenstroms des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft- und/oder des Abgases kann vorzugsweise flexibel auf variierende Randbedingungen reagiert werden, insbesondere um die thermische Leistung und/oder die mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine zumindest näherungsweise zeitlich konstant zu halten.
  • Günstig kann es sein, wenn ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs zeitlich konstant ist, insbesondere unabhängig von einer Veränderung des Massenstroms und/oder Volumenstroms des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils des Abgases und/oder der Zuluft.
  • Ferner wird der Massenstrom und/oder der Volumenstrom des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs vorzugsweise unabhängig von einer zeitlichen Veränderung der Konzentration der brennbaren Bestandteile des als Zuluft zugeführten Gases zeitlich konstant gehalten.
  • Ein Massenstrom und/oder Volumenstrom der der Brennkammer zugeführten Zuluft ist vorzugsweise zeitlich konstant. Insbesondere wird der Massenstrom und/oder Volumenstrom der der Brennkammer zugeführten Zuluft vorzugsweise unabhängig davon konstant gehalten, ob sich eine Konzentrationsänderung der brennbaren Bestandteile des als Zuluft zugeführten Gases während des Betriebs der Wärmekraftmaschine ergibt.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch eine Steuerung und/oder Regelung der Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft eine Schwankung in einer Konzentration der brennbaren Bestandteile des Gases und der daraus resultierenden schwankenden Heizleistung in der Brennkammer ausgeglichen wird.
  • Zur Steuerung und/oder Regelung der Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft wird insbesondere der Massenstrom und/oder Volumenstrom des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases variiert.
  • Günstig kann es sein, wenn mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen einer oder mehrere oder sämtliche der folgenden Parameter ermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung verwendet werden:
    eine Brennkammereintrittstemperatur;
    eine Brennkammeraustrittstemperatur;
    eine Turbineneintrittstemperatur;
    eine Turbinenaustrittstemperatur;
    eine Zulufttemperatur stromaufwärts des Wärmeübertragers;
    eine Zulufttemperatur stromabwärts des Wärmeübertragers.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen einer oder mehrere oder sämtliche der folgenden Parameter ermittelt und zur Steuerung und/oder der Regelung der Bypassführung verwendet werden:
    eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas;
    eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter einer Anlage, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung verwendet werden. Insbesondere kann bei bekannter Korrelation zwischen den Betriebsparametern der Anlage einerseits und der Gaszusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases andererseits eine direkte Einflussnahme auf die Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung vorgesehen sein, beispielsweise durch die Auswahl vordefinierter Bypassbetriebsmodi.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei einem Betriebsmodus der das Gas erzeugenden Anlage eine Konzentration der brennbaren Bestandteile des Gases bekannt ist und eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung durchgeführt wird, insbesondere um die Wärmekraftmaschine in einem optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Bei einer Variation des Betriebsmodus der Anlage, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, kann unter Ausnutzung einer bekannten Konzentration der brennbaren Bestandteile im erzeugten Gas bei diesem Betriebsmodus vorzugsweise eine entsprechend geänderte Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung der Wärmekraftmaschine erfolgen, insbesondere um die thermische Leistung und/oder mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine unabhängig von den genannten Betriebsmodi der Anlage zumindest näherungsweise zeitlich konstant zu halten.
  • Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mittels einer Sensorvorrichtung ermittelt wird, ob bereits die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft zur exothermen Reaktion der brennbaren Bestandteile des Gases führt. Die Bypassführung wird dann vorzugsweise derart gesteuert und/oder geregelt, dass die Temperatur des als Zuluft zu der Brennkammer geführten Gases und/oder die Temperatur innerhalb des Wärmeübertragers stets unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt. Beispielsweise kann durch geeignete Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung die Temperatur innerhalb des Wärmeübertragers reduziert werden, um exotherme Reaktionen der brennbaren Bestandteile des Gases im Wärmeübertrager zu vermeiden.
  • Das brennbare Bestandteile enthaltende Gas ist vorzugsweise Prozessabgas, welches insbesondere mittels der Wärmekraftmaschine gereinigt wird.
  • Unter einem "Reinigen" ist dabei insbesondere ein chemisches Umsetzen, insbesondere Unschädlichmachen, von flüchtigen organischen Verbindungen und sonstigen Verunreinigungen oder Schadstoffen zu verstehen.
  • Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass ein Abgas der Brennkammer durch eine Katalysatorvorrichtung durchgeleitet oder einer Katalysatorvorrichtung zugeführt wird, welche insbesondere dazu vorgesehen und ausgebildet ist, einen im Abgas verbleibenden Anteil von leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen (volatile organic compounds, VOC) zu oxidieren und/oder ein Anteil von Stickoxiden (NOx) zu reduzieren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Durchführung auf einer Wärmekraftmaschine oder mittels einer Wärmekraftmaschine.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Wärmekraftmaschine.
  • Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine bereitzustellen, welche einfach aufgebaut ist und auch bei schwankenden Randbedingungen einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmekraftmaschine gelöst, welche Folgendes umfasst:
    eine Verbrennungsvorrichtung, welche eine Brennkammer umfasst;
    eine Zuluftzuführung zur Zuführung von Zuluft zu der Brennkammer;
    eine Brennstoffzuführung zur Zuführung von Brennstoff zu der Brennkammer;
    eine Abgasabführung zur Abführung von Abgas aus der Brennkammer;
    einen Wärmeübertrager, mittels welchem die Abgasabführung und die Zuluftzuführung thermisch miteinander gekoppelt sind;
    eine Bypassführung, mittels welcher zumindest ein Teil der Zuluft und/oder des Abgases an dem Wärmeübertrager vorbeiführbar ist, insbesondere unter Vermeidung einer Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft;
    eine Steuervorrichtung, mittels welcher ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des mittels der Bypassführung an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart steuerbar und/oder regelbar ist, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine zumindest näherungsweise konstant sind.
  • Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
  • Ferner weist vorzugsweise das erfindungsgemäße Verfahren einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
  • Günstig kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine Gasturbine, insbesondere eine Mikrogasturbine, umfasst.
  • Die Wärmekraftmaschine und/oder die Steuervorrichtung sind vorzugsweise so ausgebildet und eingerichtet, dass mittels der Wärmekraftmaschine das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
  • Günstig kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine oder mehrere Sensorvorrichtungen zur Ermittlung einzelner oder mehrerer oder sämtlicher der folgenden Parameter umfasst:
    eine Brennkammereintrittstemperatur;
    eine Brennkammeraustrittstemperatur;
    eine Turbineneintrittstemperatur;
    eine Turbinenaustrittstemperatur;
    eine Zulufttemperatur stromabwärts des Wärmeübertragers;
    eine Zulufttemperatur stromaufwärts des Wärmeübertragers;
    eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas;
    und/oder
    eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
  • Günstig kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine Signalkopplungsvorrichtung zur informationstechnischen Kopplung der Wärmekraftmaschine mit einer Anlage, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, umfasst. Mittels der Signalkopplungsvorrichtung sind vorzugsweise ein Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter der Anlage, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung an die Wärmekraftmaschine, insbesondere die Steuervorrichtung der Wärmekraftmaschine, übertragbar.
  • Die Wärmekraftmaschine eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Wärmekraftsystem, welches eine Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung sowie eine Anlage umfasst, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt.
  • Eine solche Anlage kann beispielsweise eine Lackieranlage, eine Trockneranlage oder eine sonstige Behandlungsanlage zur Behandlung von Werkstücken sein.
  • Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Die erfindungsgemäße Verwendung weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
  • Ferner können das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine und/oder die erfindungsgemäße Verwendung einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen:
    Günstig kann es sein, wenn der Wärmeübertrager ein Rekuperator ist.
  • Die Wärmekraftmaschine umfasst vorzugsweise eine Gasturbine, insbesondere eine Mikrogasturbine, welche als Verbrennungsvorrichtung der Wärmekraftmaschine dient.
  • Das brennbare Bestandteile enthaltende Gas, welches als Zuluft zu der Brennkammer zugeführt wird, ist vorzugsweise Abgas aus Industrieprozessen oder Vergasungsprozessen. Beispielsweise ist das Gas ein Schwachgas aus einem Vergasungsprozess.
  • Das Gas enthält insbesondere leicht flüchtige Kohlenwasserstoffe (volatile organic compounds VOC).
  • Durch die erfindungsgemäße Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung kann vorzugsweise eine überhöhte Temperatur im Brennraum, welche sowohl eine Beschädigung des Brennraums als auch der nachfolgenden Turbine zur Folge haben kann, vermieden werden.
  • Erfindungsgemäß ist insbesondere ein stabiler und konstanter Betrieb der Wärmekraftmaschine unabhängig von einem zeitlich variierenden Heizwert des als Zuluft zugeführten Gasstroms realisiert.
  • Günstig kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine Katalysatorvorrichtung umfasst. Mittels einer solchen Katalysatorvorrichtung kann insbesondere eine Abgasreinigung in der Abgasabführung durchgeführt werden. Vorzugsweise kann mittels der Katalysatorvorrichtung ein Anteil von leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen (volatile organic compounds, VOC) oxidiert und/oder ein Anteil von Stickoxiden (NOx) reduziert werden.
  • Günstig kann es sein, wenn die Katalysatorvorrichtung bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases vor (stromaufwärts) und/oder in und/oder nach (stromabwärts) dem Wärmeübertrager angeordnet und/oder ausgebildet ist.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Abgas aus der Brennkammer abgeführt und mittels einer Katalysatorvorrichtung gereinigt wird. Das Abgas wird vorzugsweise bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts einer Turbine und/oder stromaufwärts des Wärmeübertragers und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers und/oder innerhalb des Wärmeübertragers katalytisch gereinigt. Das Abgas wird vorzugsweise derart gereinigt, dass ein Anteil von leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen (volatile organic compounds, VOC) oxidiert und/oder ein Anteil von Stickoxiden (NOx) reduziert wird.
  • Weitere bevorzugte Merkmale oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
  • In der Zeichnung zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Wärmekraftmaschine, bei welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft vorgesehen ist.
  • Eine in 1 dargestellte Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Wärmekraftmaschine dient insbesondere zur Umwandlung von mittels Brennstoff erzeugter Wärme in mechanische Energie. Diese mechanische Energie kann beispielsweise mittels eines Generators 102 der Wärmekraftmaschine 100 in elektrische Energie umgewandelt werden.
  • Die Wärmekraftmaschine 100 umfasst insbesondere eine Gasturbine 104, beispielsweise eine Mikrogasturbine 106.
  • Eine Verbrennungsvorrichtung 108 der Wärmekraftmaschine 100 umfasst vorzugsweise eine Brennkammer 110, welcher mittels einer Brennstoffzuführung 112 Brennstoff und mittels einer Zuluftzuführung 114 Zuluft, insbesondere Oxidator, zuführbar ist.
  • Die Wärmekraftmaschine 100, insbesondere die Gasturbine 104, umfasst vorzugsweise eine Kompressionsvorrichtung 116 zum Komprimieren von Zuluft und eine Turbine 118 zum Entspannen von in der Brennkammer 110 erzeugtem Abgas.
  • Die Kompressionsvorrichtung 116, die Turbine 118 und vorzugsweise auch der Generator 102 sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Welle 120 angeordnet, so dass die durch das Entspannen des Abgases mittels der Turbine 118 gewonnene mechanische Energie einfach übertragen und zum Komprimieren der Zuluft mittels der Kompressionsvorrichtung 116 sowie zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels des Generators 102 genutzt werden kann.
  • Die Gasturbine 104 umfasst ferner vorzugsweise einen Wärmeübertrager 122 zur Übertragung von im Abgas der Brennkammer 110 enthaltener Wärme auf die Zuluft.
  • Der Wärmeübertrager 122 ist somit insbesondere ein Rekuperator 124.
  • Mittels des Wärmeübertragers 122 ist insbesondere die Zuluftzuführung 114 mit einer Abgasabführung 126 der Wärmekraftmaschine 100 thermisch gekoppelt.
  • Die Abgasabführung 126 dient insbesondere der Abführung von in der Brennkammer 110 erzeugtem Abgas.
  • Als Zuluft kann beispielsweise Frischluft verwendet werden.
  • Die Zuluftzuführung 114 kann somit beispielsweise eine Frischluftzuführung 128 umfassen.
  • Vorzugsweise dient die Wärmekraftmaschine 100 der Reinigung eines Gasstroms, welcher insbesondere brennbare Bestandteile enthält.
  • Die Wärmekraftmaschine 100 kann hierzu beispielsweise an eine Anlage 130, welche brennbare Bestandteile enthaltendes Gas erzeugt, angeschlossen oder sonst wie mit dieser verbunden werden.
  • Das in der Anlage 130 erzeugte Gas, beispielsweise Prozessabgas oder Schwachgas aus Vergasungsprozessen, ist insbesondere als Zuluft über die Zuluftzuführung 114 zu der Brennkammer 110 zuführbar.
  • Aufgrund der in der Brennkammer 110 herrschenden hohen Temperaturen werden in der Zuluft enthaltene brennbare Bestandteile sowie Schadstoffe und sonstige Verunreinigungen vorzugsweise chemisch umgesetzt und dabei unschädlich gemacht.
  • Die Wärmekraftmaschine 100 dient somit vorzugsweise zur Reinigung eines Gasstroms einer beliebigen Anlage 130.
  • Die Wärmekraftmaschine 100 ist vorzugsweise mit möglichst konstanten Betriebsparametern zu betreiben, insbesondere um eine effiziente Energieumwandlung zu gewährleisten und zugleich um eine unerwünschte Beschädigung von Komponenten der Wärmekraftmaschine 100 zu vermeiden.
  • Insbesondere bei schwankender Gaszusammensetzung des von der Anlage 130 erzeugten und als Zuluft genutzten Gases kann sich ein unterschiedlicher Heizwert der Zuluft ergeben, was letztlich zu variierenden Temperaturen in der Brennkammer 110 und somit unterschiedlichen Drehzahlen der Turbine 118 führen kann.
  • Um hier einen möglichst konstanten Betrieb der Wärmekraftmaschine 100 und somit konstantere Temperaturen in der Brennkammer 110 und konstante Drehzahlen der Turbine 118 gewährleisten zu können, ermöglicht die Wärmekraftmaschine 100 vorzugsweise einen Ausgleich der schwankenden Gaszusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
  • Die Wärmekraftmaschine 100 umfasst hierzu insbesondere eine Bypassführung 132, mittels welcher Zuluft und/oder Abgas an dem Wärmeübertrager 122 vorbeiführbar ist.
  • Die Bypassführung 132 umfasst dabei vorzugsweise einen Abgasbypass 134, mittels welchem zumindest ein Teil des Abgases an dem Wärmeübertrager 122 vorbeiführbar ist, und/oder einen Zuluftbypass 136, mittels welchem zumindest ein Teil der Zuluft an dem Wärmeübertrager 122 vorbeiführbar ist.
  • Die Wärmekraftmaschine 100 umfasst ferner vorzugsweise eine Steuervorrichtung 138 zur Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms und/oder Volumenstroms des an dem Wärmeübertrager 122 vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Massenstroms und/oder Volumenstroms des an dem Wärmeübertrager 122 vorbeigeführten Teils des Abgases.
  • Insbesondere umfasst die Wärmekraftmaschine 100 ein oder mehrere Steuerelemente 140, beispielsweise Ventile 142 oder Klappen, mittels welchen variierbar ist, welcher Massenstrom und/oder Volumenstrom der Zuluft und/oder des Abgases durch den Wärmeübertrager 122 hindurch oder an demselben vorbeigeführt wird.
  • Die Steuerelemente 140, insbesondere die Ventile 142 oder Klappen, sind dabei insbesondere Strömungswegverzweigungen oder Strömungswegzusammenführungen oder Strömungswegumlenkungen oder Strömungswegblockaden zur Verzweigung, Zusammenführung, Umlenkung oder Blockade von (Teil-)Zuluftströmen und/oder (Teil-)Abgasströmen.
  • Durch geeignete Steuerung der Steuerelemente 140 kann insbesondere die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft beeinflusst werden, um unterschiedliche Brennkammereintrittstemperaturen zu erhalten.
  • Die Brennkammereintrittstemperaturen werden dabei insbesondere so gewählt, dass ein variierender Heizwert der zugeführten Zuluft ausgeglichen wird, um letztlich eine konstante Brennkammeraustrittstemperatur zu erhalten.
  • Die Steuerung und/oder Regelung mittels der Steuervorrichtung 138 kann dabei insbesondere abhängig von Messwerten einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen 144 durchgeführt werden.
  • Mittels der einen oder mehreren Sensorvorrichtungen 144 kann dabei insbesondere die Brennkammereintrittstemperatur, die Brennkammeraustrittstemperatur, eine Turbineneintrittstemperatur, eine Turbinenaustrittstemperatur, eine Zulufttemperatur stromabwärts des Wärmeübertragers 122 und/oder eine Zulufttemperatur stromaufwärts des Wärmeübertragers 122 ermittelt und/oder zur Steuerung und/oder Regelung der Steuerelemente 140 der Steuervorrichtung 138 verwendet werden.
  • Ferner kann mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen 144 eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas und/oder eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases ermittelt werden und/oder zur Steuerung und/oder Regelung der Steuerelemente 140 der Steuervorrichtung 138 verwendet werden.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Wärmekraftmaschine 100 eine Signalkopplungsvorrichtung 146 umfasst, mittels welcher die Wärmekraftmaschine 100 signaltechnisch mit der Anlage 130 zur Erzeugung des brennbare Bestandteile enthaltenen Gases koppelbar oder gekoppelt ist.
  • Die Wärmekraftmaschine 100, insbesondere die Steuervorrichtung 138, kann dann insbesondere abhängig von verschiedenen Betriebszuständen der Anlage 130 gesteuert und/oder geregelt werden, insbesondere um die Zulufttemperatur an bereits bekannte oder erwartete Heizwerte des mittels der Anlage 130 erzeugten Gases anzupassen.
  • Die vorstehend beschriebene Wärmekraftmaschine 100 funktioniert vorzugsweise wie folgt:
    Zum Betrieb der Wärmekraftmaschine 100 wird der Brennkammer 110 mittels der Brennstoffzuführung 112 Brennstoff und mittels der Zuluftzuführung 114 Zuluft, insbesondere Oxidator, zugeführt.
  • Insbesondere wird dabei über die Frischluftzuführung 128 Frischluft und/oder Gas aus einer gasproduzierenden Anlage 130 über die Zuluftzuführung 114 zu der Brennkammer 110 zugeführt.
  • In der Brennkammer 110 werden die zugeführten Stoffe chemisch umgesetzt. Insbesondere ergibt sich hierbei eine exotherme Reaktion, so dass Wärme freigesetzt wird.
  • Diese somit erzeugte thermische Energie wird durch Entspannung über die Turbine 118 teilweise in mechanische Energie umgewandelt und über die Welle 120 einerseits auf die Kompressionsvorrichtung 116 zur Kompression der Zuluft und andererseits auf den Generator 102 zur Erzeugung von elektrischer Energie übertragen.
  • Zur Optimierung des Wirkungsgrads der Wärmekraftmaschine 100 wird das über die Turbine 118 abgeführte Abgas aus der Brennkammer 110 nicht umgehend abgeführt, sondern weiter genutzt. Insbesondere wird Wärme aus dem Abgas entnommen und zum Aufheizen der Zuluft genutzt.
  • Hierzu werden das Abgas einerseits und die Zuluft andererseits in dem Wärmeübertrager 122 in thermischen Kontakt gebracht, so dass Wärme, insbesondere indirekt, von dem Abgas auf die Zuluft übertragen werden kann.
  • Mittels der Steuervorrichtung 138, insbesondere der Steuerelemente 140, wird dabei gesteuert und/oder geregelt, welcher Teil der insgesamt zugeführten Zuluft und/oder welcher Teil des insgesamt abgeführten Abgases durch den Wärmeübertrager 122 hindurch oder aber über die Bypassführung 132 an demselben vorbeigeführt wird. Hierdurch kann letztlich insbesondere variiert werden, welche Temperatur die zugeführte Zuluft am Brennkammereintritt aufweist.
  • Das aus der Anlage 130 der Wärmekraftmaschine 100 zugeführte Gas enthält vorzugsweise brennbare Bestandteile. Abhängig von dem Betriebsmodus der Anlage 130 können sich dabei unterschiedliche Konzentrationen der brennbaren Bestandteile ergeben.
  • Insbesondere variiert somit ein Heizwert der über die Zuluftzuführung 114 der Brennkammer 110 zugeführten Zuluft.
  • Aufgrund dieser Variation des Heizwerts ergibt sich bei im Übrigen konstanten Betriebsparametern der Wärmekraftmaschine 100, insbesondere bei konstantem Massenstrom und/oder Volumenstrom der Zuluft und/oder bei konstantem Massenstrom und/oder Volumenstrom des Brennstoffs, eine schwankende Brennkammeraustrittstemperatur, was letztlich eine starke thermische und mechanische Belastung der Brennkammer 110 und/oder der Turbine 118 zur Folge haben kann. Die Wärmekraftmaschine 100 kann hierdurch schlimmstenfalls sogar beschädigt werden.
  • Für einen möglichst gleichmäßigen und beschädigungsfreien Betrieb der Wärmekraftmaschine 100 wird mittels der Steuervorrichtung 138 Einfluss auf die Steuerelemente 140 und somit Einfluss auf die Bypassführung 132 genommen.
  • Insbesondere wird abhängig von mittels der einen oder der mehreren Sensorvorrichtungen 144 ermittelten Werten, beispielsweise den herrschenden Temperaturen und/oder der Gaszusammensetzung der Zuluft, der Teil des durch den Wärmeübertrager 122 hindurchgeführten Abgases und/oder der Teil der durch den Wärmeübertrager 122 hindurchgeführten Zuluft hinsichtlich des Massenstroms und/oder Volumenstroms variiert.
  • Bei hohem Heizwert der Zuluft, welcher eine erhöhte Brennkammeraustrittstemperatur zur Folge haben kann, wird dann vorzugsweise ein größerer Bypassstrom im Zuluftbypass 136 und/oder im Abgasbypass 134 gewählt, um die Brennkammereintrittstemperatur zu reduzieren.
  • Bei geringerem Heizwert, welcher eine geringere Brennkammeraustrittstemperatur zur Folge haben kann, wird die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft durch Vergrößerungen des durch den Wärmeübertrager 122 strömenden Massenstroms und/oder Volumenstroms der Zuluft und/oder des Abgases erhöht, insbesondere um letztlich eine erhöhte Brennkammereintrittstemperatur zu erzeugen.
  • In sämtlichen Fällen wird somit vorzugsweise eine Variation oder Schwankung im Heizwert der Zuluft ausgeglichen, um letztlich vorzugsweise eine konstante thermische Leistung und/oder mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine 100 zu erhalten.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013203448 A1 [0002]
    • DE 102013005764 A1 [0002]

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine (100), umfassend: – Zuführen von brennbare Bestandteile enthaltendem Gas als Zuluft zu einer Brennkammer (110) einer Verbrennungsvorrichtung (108) der Wärmekraftmaschine (100); – Zuführen von Brennstoff zu der Brennkammer (110); – Abführen von Abgas aus der Brennkammer (110) und Zuführen des Abgases zu einem Wärmeübertrager (122) der Wärmekraftmaschine (100); – Übertragen von Wärme von dem Abgas auf zumindest einen Teil der Zuluft mittels des Wärmeübertragers (122); – Vorbeiführen eines Teils der Zuluft und/oder eines Teils des Abgases an dem Wärmeübertrager (122) mittels einer Bypassführung (132), wobei ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des an dem Wärmeübertrager (122) vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine (100) zumindest näherungsweise zeitlich konstant sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des der Brennkammer (110) zugeführten Brennstoffs zeitlich konstant ist.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstrom und/oder Volumenstrom der der Brennkammer (110) zugeführten Zuluft zeitlich konstant ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuerung und/oder Regelung der Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft eine Schwankung in einer Konzentration der brennbaren Bestandteile des Gases und der daraus resultierenden schwankenden Heizleistung in der Brennkammer (110) ausgeglichen wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen (144) einer oder mehrere oder sämtliche der folgenden Parameter ermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung (132) verwendet werden: – eine Brennkammereintrittstemperatur; – eine Brennkammeraustrittstemperatur; – eine Turbineneintrittstemperatur; – eine Turbinenaustrittstemperatur; – eine Zulufttemperatur stromaufwärts und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers (122).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen (144) einer oder sämtliche der folgenden Parameter ermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung (132) verwendet werden: – eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas; – eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter einer Anlage (130), welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung (132) verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sensorvorrichtung (144) ermittelt wird, ob bereits die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft zur exothermen Reaktion der brennbaren Bestandteile des Gases führt, und dass die Bypassführung (132) derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass die Temperatur des als Zuluft zu der Brennkammer (110) zugeführten Gases und/oder die Temperatur innerhalb des Wärmeübertragers (122) stets unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Bestandteile enthaltende Gas Prozessabgas ist, welches mittels der Wärmekraftmaschine (100) gereinigt wird.
  10. Wärmekraftmaschine (100), umfassend: – eine Verbrennungsvorrichtung (108), welche eine Brennkammer (110) umfasst; – eine Zuluftzuführung (114) zur Zuführung von Zuluft zu der Brennkammer (110); – eine Brennstoffzuführung (112) zur Zuführung von Brennstoff zu der Brennkammer (110); – eine Abgasabführung (126) zur Abführung von Abgas aus der Brennkammer (110); – einen Wärmeübertrager (122), mittels welchem die Abgasabführung (126) und die Zuluftzuführung (114) thermisch miteinander gekoppelt sind; – eine Bypassführung (132), mittels welcher zumindest ein Teil der Zuluft und/oder des Abgases an dem Wärmeübertrager (122) vorbeiführbar ist, insbesondere unter Vermeidung einer Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft; – eine Steuervorrichtung (138), mittels welcher ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des mittels der Bypassführung (132) an dem Wärmeübertrager (122) vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart steuerbar und/oder regelbar ist, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine (100) zumindest näherungsweise konstant sind.
  11. Wärmekraftmaschine (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (100) eine Gasturbine (104), insbesondere eine Mikrogasturbine (106), umfasst.
  12. Wärmekraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (100) und/oder die Steuervorrichtung (138) so ausgebildet und eingerichtet sind, dass mittels der Wärmekraftmaschine (100) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführbar ist.
  13. Wärmekraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (100) eine oder mehrere Sensorvorrichtungen (144) zur Ermittlung einzelner oder mehrerer oder sämtlicher der folgenden Parameter umfasst: – eine Brennkammereintrittstemperatur; – eine Brennkammeraustrittstemperatur; – eine Turbineneintrittstemperatur; – eine Turbinenaustrittstemperatur; – eine Zulufttemperatur stromaufwärts und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers (122); – eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas; – eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
  14. Wärmekraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (100) eine Signalkopplungsvorrichtung (146) zur informationstechnischen Kopplung der Wärmekraftmaschine (100) mit einer Anlage (130), welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, umfasst, wobei mittels der Signalkopplungsvorrichtung (146) ein Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter der Anlage (130), welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung (132) an die Wärmekraftmaschine (100) übertragbar sind.
  15. Verwendung einer Wärmekraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 14 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
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