DE102019120817A1 - Arrangement for energy supply - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energiebereitstellung (1), die mindestens einen Verbrennungsmotor (2) zur Energiebereitstellung, eine Nutzturbine (3) zum Verwerten eines Teils eines Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors (2), ein an einer Welle (7) der Nutzturbine angeordnetes Planetengetriebe (6) und einen Generator (5), der zur Erzeugung von elektrischer Energie mit dem Planetengetriebe (6) antriebswirksam verbunden ist, umfasst, wobei an einer Abgasleitung (10) des Verbrennungsmotors (2) eine Hochdruckturbine (8), ein Hochdruckverdichter (9), eine Niederdruckturbine (11) mit einer variablen Turbinengeometrie und ein Niederdruckverdichter (12) strömungswirksam in Reihe zur Realsierung einer Abgasmassenstromregelung angeordnet sind, wobei die Abgasmassenstromregelung zumindest mittels der variablen Turbinengeometrie der Niederdruckturbine (11) erfolgt und wobei vor der Hochdruckturbine (8) eine regelbare Anzapfung (13) an der Abgasleitung (10) angeordnet ist, die zum Leiten eines Teils des Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors (2) zwischen diesem und der Nutzturbine (3) ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Anordnung.The invention relates to an arrangement for supplying energy (1), comprising at least one internal combustion engine (2) for supplying energy, a power turbine (3) for utilizing part of an exhaust gas mass flow of the internal combustion engine (2), a planetary gear (7) arranged on a shaft (7) of the power turbine ( 6) and a generator (5) which is operatively connected to the planetary gear (6) to generate electrical energy, with a high-pressure turbine (8), a high-pressure compressor (9) on an exhaust pipe (10) of the internal combustion engine (2) , a low-pressure turbine (11) with a variable turbine geometry and a low-pressure compressor (12) are arranged in a flow-effective manner in order to implement an exhaust-gas mass flow control, the exhaust-gas mass-flow control taking place at least by means of the variable turbine geometry of the low-pressure turbine (11) and a controllable one in front of the high-pressure turbine (8) Tap (13) is arranged on the exhaust pipe (10) leading to the Leite n of part of the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine (2) is formed between the latter and the power turbine (3). The invention also relates to a method for operating the arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energiebereitstellung, die mindestens einen Verbrennungsmotor zur Energiebereitstellung, eine Nutzturbine zum Verwerten eines Teils eines Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors, ein an einer Welle der Nutzturbine angeordnetes Planetengetriebe und einen Generator, der zur Erzeugung von elektrischer Energie mit dem Planetengetriebe antriebswirksam verbunden ist, umfasst. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb dieser Anordnung.The invention relates to an arrangement for supplying energy, which has at least one internal combustion engine for supplying energy, a power turbine for utilizing part of an exhaust gas mass flow of the internal combustion engine, a planetary gear arranged on a shaft of the power turbine and a generator which is drivingly connected to the planetary gear to generate electrical energy , includes. The invention also relates to a method for operating this arrangement.

Kraftwerke zur Energieerzeugung werden in der Regel mittels eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise ein Diesel- oder Gasmotor, als Antriebsmaschine für den elektrischen Generator betrieben. Kraftwerke, insbesondere Kraftwerke um Spitzenlasten kompensieren zu können, die weitestgehend als Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke oder Gasturbinenkraftwerke ausgeführt sind, erreichen Änderungsgeschwindigkeiten bis zu 20 % der Nennleistung pro Minute und haben eine Anfahrzeit von nur wenigen Minuten. Die Leistung kann zwischen 20 % und 100 % geregelt werden. Sie werden dazu benutzt, die Schwankungen im Leistungsbedarf bzw. der Erzeugereinspeisung anzugleichen, die von den anderen Kraftwerkstypen nicht ausgeregelt werden können, oder bei denen dies wirtschaftlich nicht sinnvoll ist. Spitzenlastkraftwerke werden meist nur wenige Stunden pro Tag eingesetzt: zu den Verbrauchsspitzen, bei starken Lastanstiegen im Netz und bei ungeplanten Schwankungen von Stromverbrauch und Erzeugung. Durch den Verbrauch von Erdgas oder Pumpenergie ist der von ihnen erzeugte Strom deutlich teurer als der Strom anderer Kraftwerkstypen.Power plants for generating energy are usually operated by means of an internal combustion engine, preferably a diesel or gas engine, as the drive machine for the electric generator. Power plants, in particular power plants to compensate for peak loads, which are largely designed as pumped storage power plants, compressed air storage power plants or gas turbine power plants, reach rates of change of up to 20% of the nominal output per minute and have a start-up time of just a few minutes. The power can be regulated between 20% and 100%. They are used to adjust the fluctuations in the power requirement or the generator feed-in that cannot be compensated for by the other types of power plant or where this is not economically viable. Peak-load power plants are usually only used for a few hours a day: at peak consumption, when there is a strong load increase in the grid and when there are unplanned fluctuations in electricity consumption and generation. By consuming natural gas or pumping energy, the electricity they generate is significantly more expensive than electricity from other types of power plants.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zur Energiebereitstellung insbesondere eines Kraftwerks und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Anordnung bereitzustellen, die den Wirkungsgrad erhöht und folglich die Kosten für die Energiebereitstellung senkt.The object of the present invention is to provide an arrangement for supplying energy, in particular for a power plant, and a method for operating such an arrangement, which increases the efficiency and consequently lowers the costs for the energy supply.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the combination of features according to patent claim 1.

Erfindungsgemäß wird eine Anordnung zur Energiebereitstellung vorgeschlagen, die mindestens einen Verbrennungsmotor zur Energiebereitstellung, eine Nutzturbine zum Verwerten eines Teils eines Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors, ein an einer Welle der Nutzturbine angeordnetes Planetengetriebe und einen Generator, der zur Erzeugung von elektrischer Energie mit dem Planetengetriebe antriebswirksam verbunden ist, umfasst. An einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors sind eine Hochdruckturbine, ein Hochdruckverdichter, eine Niederdruckturbine mit einer variablen Turbinengeometrie und ein Niederdruckverdichter strömungswirksam in Reihe zur Realsierung einer Abgasmassenstromregelung angeordnet. Die Abgasmassenstromregelung erfolgt zumindest mittels der variablen Turbinengeometrie der Niederdruckturbine und vor der Hochdruckturbine ist eine regelbare Anzapfung an der Abgasleitung angeordnet, die zum Leiten eines Teils des Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors zwischen diesem und der Nutzturbine ausgebildet. Aufgrund des Turbocompoundings, bei dem ein Verbrennungsmotor, bei dem der Energiegehalt der Abgase durch eine nachgeschaltete Nutzturbine verwertet wird, in Kombination mit einer Abgasmassenstromregelung mittels der variablen Turbinengeometrie auf der Niederdruckturbine der Auflade-Gruppe resultiert eine Leistungssteigerung und eine Wirkungsgradsteigerung der mehrstufig aufgeladenen Verbrennungsmotoren. Ferner stellt sich eine Verbesserung des Ansprechverhaltens der Auflade-Gruppe in der Motorteillast und daraus resultierend ein besserer Teillastverbrauch des Verbrennungsmotors ein. Außerdem wird das Lastaufschaltverhalten verbessert. Die Entnahme des ab der Mindestleistung des Verbrennungsmotors zusätzlich zur Verfügung stehenden Abgasmassenstroms erfolgt bevorzugt über den ehemaligen Waste-Gate Anschluss in der Abgasleitung des Verbrennungsmotors vor der Hochdruckturbine.According to the invention, an arrangement for energy supply is proposed, which has at least one internal combustion engine for energy supply, a power turbine for utilizing part of an exhaust gas mass flow of the internal combustion engine, a planetary gear arranged on a shaft of the power turbine and a generator which is drivingly connected to the planetary gear to generate electrical energy , includes. A high-pressure turbine, a high-pressure compressor, a low-pressure turbine with a variable turbine geometry and a low-pressure compressor are arranged in series on an exhaust line of the internal combustion engine in order to implement an exhaust gas mass flow control. The exhaust gas mass flow control takes place at least by means of the variable turbine geometry of the low-pressure turbine and a controllable tap is arranged on the exhaust gas line in front of the high-pressure turbine, which is designed to guide part of the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine between this and the power turbine. Due to the turbo compounding, in which an internal combustion engine, in which the energy content of the exhaust gases is utilized by a downstream power turbine, in combination with exhaust gas mass flow control by means of the variable turbine geometry on the low-pressure turbine of the supercharging group, an increase in performance and an increase in the efficiency of the multi-stage supercharged internal combustion engines results. Furthermore, there is an improvement in the response behavior of the supercharger group in the partial engine load and, as a result, better partial load consumption of the internal combustion engine. In addition, the load switching behavior is improved. The exhaust gas mass flow, which is additionally available from the minimum output of the internal combustion engine, is preferably withdrawn via the former waste gate connection in the exhaust gas line of the internal combustion engine upstream of the high-pressure turbine.

In einer vorteilhaften Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Anzapfung eine regelbare Absperrvorrichtung aufweist, mittels der der Abgasmassenstrom von dem Verbrennungsmotor zu der Nutzturbine regelbar ist. Bei Lasten des Verbrennungsmotors die geringer ist als eine vorbestimmte Mindestleistung ist die Anzapfung mittels der Absperrvorrichtung geschlossen. Auf diese Weise kann der Verbrennungsmotor in diesem Betriebsbereich mittels der variablen Turbinengeometrie schnellere Lastrampen realisieren.In an advantageous embodiment it is provided that the tap has a controllable shut-off device, by means of which the exhaust gas mass flow from the internal combustion engine to the power turbine can be regulated. At loads of the internal combustion engine that is less than a predetermined minimum power, the tap is closed by means of the shut-off device. In this way, the internal combustion engine can implement faster load ramps in this operating range by means of the variable turbine geometry.

Vorzugsweise ist die Anordnung zur Energiebereitstellung so ausgebildet, dass der Verbrennungsmotor und die Nutzturbine jeweils einstufig oder mehrstufig aufgeladen sind. Dabei ist günstig, dass die Anordnung an die jeweiligen Randbedingungen angepasst werden kann.The arrangement for providing energy is preferably designed in such a way that the internal combustion engine and the power turbine are each charged in one or more stages. It is advantageous here that the arrangement can be adapted to the respective boundary conditions.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zweiter Verbrennungsmotor zur Energiebereitstellung strömungswirksam mit der Nutzturbine verbunden ist. Der aus der Verwendung des Planetengetriebes resultierende Leistungs-Regelbereich von ungefähr 50 % der Nennleistung der Nutzturbine bietet die Möglichkeit zwei Motoren auf eine Nutzturbine zu schalten. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Anordnung weiter optimiert. Das Verfahren ermöglicht auf diese Weise die Kombinationsmöglichkeit von einem Motor und einer Nutzturbine sowie von zwei Motoren und einer Nutzturbine.In one embodiment of the invention it is provided that a second internal combustion engine is connected to the power turbine in a flow-effective manner for providing energy. The power control range of approximately 50% of the nominal power of the power turbine resulting from the use of the planetary gear offers the possibility of switching two motors to one power turbine. This further optimizes the efficiency of the arrangement. In this way, the method enables a motor and a power turbine as well as two motors and a power turbine to be combined.

Ferner ist eine Ausführung günstig, bei der an dem jeweiligen Hochdruckverdichter und an dem jeweiligen Niederdruckverdichter jeweils zwei Ladeluftkühler zur Rückführung und Kühlung eines Teils des Abgasmassenstroms zu dem Verbrennungsmotor angeordnet sind. Zur Realisierung maximaler Verdichter-Wirkungsgrade und somit auch einem maximalen Gesamtwirkungsgrad der Anordnung, werden die Ladeluftkühler mit maximaler Kühlung betrieben.Furthermore, an embodiment is favorable in which two charge air coolers are arranged on the respective high pressure compressor and on the respective low pressure compressor for recirculating and cooling part of the exhaust gas mass flow to the internal combustion engine. In order to achieve maximum compressor efficiency and thus also a maximum overall efficiency of the arrangement, the charge air cooler is operated with maximum cooling.

In einer weiteren vorteilhaften Variante ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Anzapfung nach dem Niederdruckverdichter mit der Abgasleitung verbunden ist. Dadurch kann das Abgas von der Nutzturbine zurück in die Abgasleitung geführt werden und die weiteren Anlagenkomponenten wie beispielsweise Abgasnachbehandlungssysteme ebenfalls für dieses durch die Nutzturbine geführtes Abgas genutzt werden.In a further advantageous variant, it is provided according to the invention that the tap is connected to the exhaust pipe after the low-pressure compressor. As a result, the exhaust gas from the power turbine can be routed back into the exhaust pipe and the other system components such as exhaust gas aftertreatment systems can also be used for this exhaust gas passed through the power turbine.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung gemäß den vorstehenden Merkmalen, die folgenden Schritte umfassend:

  1. a. Erzeugen eines Überschusses des Abgasmassenstroms durch den Hochdruckverdichter, den Niederdruckverdichter und einen Ladeluftkühler ab einer vorbestimmten Leistung des Verbrennungsmotors,
  2. b. Öffnen der regelbaren Absperrvorrichtung der Anzapfung,
  3. c. Entnahme wenigstens eines Teils des zusätzlich erzeugten Abgasmassenstroms über die Anzapfung,
  4. d. Entspannen des entnommenen Abgasmassenstroms in der Nutzturbine.
According to the invention, a method for operating an arrangement for supplying energy according to the above features, comprising the following steps:
  1. a. Generating an excess of the exhaust gas mass flow by the high pressure compressor, the low pressure compressor and a charge air cooler from a predetermined output of the combustion engine,
  2. b. Opening the adjustable shut-off device for the tap,
  3. c. Extraction of at least part of the additionally generated exhaust gas mass flow via the tap,
  4. d. Relaxation of the extracted exhaust gas mass flow in the power turbine.

Die Auslegung der Auflade-Gruppe und der Ladeluftkühlung erfolgt derart, dass ab einer festzulegenden Mindestleistung ein Abgasmassenstrom-Überschuss erzeugt wird. Der Motorstart und die Synchronisation der Motoren erfolgt für jeden Motor separat. Ein Hochfahren der Motoren von 0 % Last bis zu der vorbestimmten Leistung des Verbrennungsmotors erfolgt mit geschlossener Absperrvorrichtung der Anzapfung ebenfalls für jeden Motor getrennt. Für die Zuschaltung der Nutzturbine wird ab Erreichen der vorbestimmten Leistung die Absperrvorrichtung langsam aufgefahren. Sobald die Nutzturbine im Eingriff steht, müssen beide zugeschalteten Motoren vergleichbare Abgasparameter liefern, um eine gegenseitige Beeinflussung der Motoren weitestgehend auszuschließen. Deshalb werden beide Verbrennungsmotoren mit derselben Last betrieben.The supercharging group and the charge air cooling are designed in such a way that an excess exhaust gas mass flow is generated from a minimum power to be specified. The engine start and the synchronization of the engines takes place separately for each engine. The engines are started up from 0% load to the predetermined output of the internal combustion engine with the tap shut-off device also closed separately for each engine. To switch on the power turbine, the shut-off device is slowly opened once the predetermined power has been reached. As soon as the power turbine is engaged, both connected engines must supply comparable exhaust gas parameters in order to largely rule out any mutual interference between the engines. Therefore, both internal combustion engines are operated with the same load.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in einer Ausführungsvariante durchgeführt, dass die Abgasmassenstromregelung in Schritt a) mittels der variablen Turbinengeometrie der Niederdruckturbine erfolgt.The method according to the invention is carried out in one embodiment variant that the exhaust gas mass flow control in step a) takes place by means of the variable turbine geometry of the low-pressure turbine.

Weiter vorteilhaft ist es, wenn die vorbestimmte Leistung des Verbrennungsmotors im zuvor genannten Schritt a) 85 % bis 90 % beträgt.It is further advantageous if the predetermined output of the internal combustion engine in the aforementioned step a) is 85% to 90%.

In einer Ausführung des vorliegenden Verfahrens ist ferner vorgesehen, dass in Schritt a) die Ladeluftkühler mit mindestens 95% ihrer möglichen Kühlleistung betrieben werden. Dadurch wird ein maximaler Verdichterwirkungsgrad und in der Folge auch ein maximaler Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens ermöglicht. Eine Garantietemperatur ist hierbei 10 °C.In one embodiment of the present method it is further provided that in step a) the charge air coolers are operated with at least 95% of their possible cooling capacity. This enables maximum compressor efficiency and, as a consequence, maximum overall efficiency of the process. A guaranteed temperature is 10 ° C.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mittels der variablen Turbinengeometrie der Niederdruckturbine ein Spüldruckgefälle reduziert. Die Reduzierung des Spüldruckgefälles, beispielsweise von 1,4 bar auf 1 bar, stellt zusätzliches Abgas-Druck-Potential für die Nutzturbine zur Verfügung und steigert damit den Gesamtwirkungsgrad des Verfahrens.In a preferred embodiment of the method, a flushing pressure gradient is reduced by means of the variable turbine geometry of the low-pressure turbine. The reduction of the scavenging pressure gradient, for example from 1.4 bar to 1 bar, provides additional exhaust gas pressure potential for the power turbine and thus increases the overall efficiency of the process.

In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt d) die Leistung der Nutzturbine mittels des Planetengetriebes und eines Bypasses geregelt wird. Vorzugsweise wird das Verfahren so durchgeführt, dass bei einem schnellen Lastwechsel des Verbrennungsmotors oder einem Ausfall der Nutzturbine der Bypass geöffnet wird. Bei dynamischen Betriebsanforderungen, wie beispielsweise schnellen Motor-Lastwechseln, sowie bei Ausfall der Nutzturbine kann mittels einer schnellen Bypass-Regelung die Nutzturbine umgangen werden.In one embodiment of the method it is provided that in step d) the power of the power turbine is regulated by means of the planetary gear and a bypass. The method is preferably carried out in such a way that the bypass is opened in the event of a rapid load change of the internal combustion engine or a failure of the power turbine. In the event of dynamic operating requirements, such as rapid engine load changes, as well as failure of the power turbine, the power turbine can be bypassed by means of a fast bypass control.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass eine Rückführung des entnommenen Abgasmassenstroms über die Anzapfung in die Abgasleitung nach dem Niederdruckverdichter erfolgt.In an advantageous embodiment it is provided that the extracted exhaust gas mass flow is fed back via the tap into the exhaust gas line after the low-pressure compressor.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

  • 1 eine Prinzipskizze einer Anordnung zur Energiebereitstellung.
Other advantageous developments of the invention are characterized in the subclaims or are shown in more detail below together with the description of the preferred embodiment of the invention with reference to the figures. It shows:
  • 1 a schematic diagram of an arrangement for energy supply.

In 1 ist eine Prinzipskizze einer Anordnung zur Energiebereitstellung 1 mit zwei Verbrennungsmotoren 2 dargestellt. An jedem der beiden Verbrennungsmotoren 2 ist eine Abgasleitung 10 ausgebildet, die das Abgas des Verbrennungsmotors 2 durch eine Hochdruckturbine 8, einen Hochdruckverdichter 9, eine Niederdruckturbine 11 mit einer variablen Turbinengeometrie und ein Niederdruckverdichter 12 leitet. Diese vier an der jeweiligen Abgasleitung 10 angeordneten Komponenten, die auch als Auflade-Gruppe bezeichnet werden, sind strömungswirksam in Reihe zur Realsierung einer Abgasmassenstromregelung angeordnet. Dabei ist zumindest die variable Turbinengeometrie der Niederdruckturbine 11 für die Abgasmassenstromregelung vorgesehen.In 1 is a schematic diagram of an arrangement for energy supply 1 with two combustion engines 2 shown. On each of the two combustion engines 2 is an exhaust pipe 10 formed that the exhaust gas of the internal combustion engine 2 by a high pressure turbine 8th , a high pressure compressor 9 , a low pressure turbine 11 with a variable turbine geometry and a low pressure compressor 12 directs. These four on the respective exhaust pipe 10 arranged components, which are also referred to as supercharging groups, are arranged in series in a flow-effective manner in order to implement an exhaust gas mass flow control. At least the variable turbine geometry is the low-pressure turbine 11 intended for exhaust gas mass flow control.

Ferner sind an den beiden Hochdruckverdichtern 9 und an den beiden Niederdruckverdichtern 12 jeweils zwei Ladeluftkühler 15 zur Kühlung und zur Rückführung eines Teils des Abgasmassenstroms zu dem jeweiligen Verbrennungsmotor 2 angeordnet.There are also two high-pressure compressors 9 and on the two low-pressure compressors 12 two intercoolers each 15th for cooling and for returning part of the exhaust gas mass flow to the respective internal combustion engine 2 arranged.

1 zeigt weiterhin, dass an den beiden Verbrennungsmotoren 2 jeweils vor der Hochdruckturbine 8 eine regelbare Anzapfung 13 an der Abgasleitung 10 angeordnet ist. Diese Anzapfung 13 leitet einen Teil des Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors 2 strömungswirksam von diesem zu einer Nutzturbine 3, die zwischen den beiden Verbrennungsmotoren 2 zur Energiebereitstellung angeordnet ist. Die Nutzturbine 3 dient zum Verwerten des abgeleiteten Teils des Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors 2 mittels eines an einer Welle der Nutzturbine 3 angeordneten Planetengetriebes 6 und eines Generators 5, der zur Erzeugung von elektrischer Energie mit dem Planetengetriebe 6 antriebswirksam verbunden ist. 1 further shows that on the two internal combustion engines 2 each in front of the high pressure turbine 8th an adjustable tap 13 on the exhaust pipe 10 is arranged. This tap 13 directs part of the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine 2 effective flow from this to a power turbine 3 that is between the two internal combustion engines 2 is arranged to provide energy. The power turbine 3 serves to utilize the derived part of the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine 2 by means of one on a shaft of the power turbine 3 arranged planetary gear 6 and a generator 5 that is used to generate electrical energy with the planetary gear 6 is effectively connected to the drive.

Desweiteren weist die Anzapfung 13 eine Absperrvorrichtung 14 auf, mittels der der Abgasmassenstrom von dem Verbrennungsmotor 2 zu der Nutzturbine 3 regelbar ist. An der Nutzturbine 3 ist außerdem ein Bypass 16 ausgebildet, durch den der Abgasmassenstrom an der Nutzturbine 3 vorbeigeleitet werden kann. Anschließend an den Generator 5 ist die Anzapfung 13 nach dem Ausgang des Niederdruckverdichters 12 mit der Abgasleitung 10 verbunden ist. Dieses Ausführungsbeispiel lässt sich mit dem oben näher beschriebenen Verfahren betreiben.Furthermore, the tap points 13 a shut-off device 14th on, by means of which the exhaust gas mass flow from the internal combustion engine 2 to the power turbine 3 is adjustable. At the power turbine 3 is also a bypass 16 formed through which the exhaust gas mass flow to the power turbine 3 can be bypassed. Then to the generator 5 is the tap 13 after the outlet of the low pressure compressor 12 with the exhaust pipe 10 connected is. This exemplary embodiment can be operated with the method described in more detail above.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Anordnung zur EnergiebereitstellungArrangement for energy supply
22
VerbrennungsmotorInternal combustion engine
33
NutzturbinePower turbine
55
Generatorgenerator
66th
PlanetengetriebePlanetary gear
88th
HochdruckturbineHigh pressure turbine
99
HochdruckverdichterHigh pressure compressor
1010
AbgasleitungExhaust pipe
1111
NiederdruckturbineLow pressure turbine
1212
NiederdruckverdichterLow pressure compressor
1313
AnzapfungTapping
1414th
AbsperrvorrichtungShut-off device
1515th
LadeluftkühlerIntercooler
1616
Bypassbypass

Claims (14)

Anordnung zur Energiebereitstellung (1), die mindestens einen Verbrennungsmotor (2) zur Energiebereitstellung, eine Nutzturbine (3) zum Verwerten eines Teils eines Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors (2), ein an einer Welle der Nutzturbine (3) angeordnetes Planetengetriebe (6) und einen Generator (5), der zur Erzeugung von elektrischer Energie mit dem Planetengetriebe (6) antriebswirksam verbunden ist, umfasst, wobei an einer Abgasleitung (10) des Verbrennungsmotors (2) eine Hochdruckturbine (8), ein Hochdruckverdichter (9), eine Niederdruckturbine (11) mit einer variablen Turbinengeometrie und ein Niederdruckverdichter (12) strömungswirksam in Reihe zur Realsierung einer Abgasmassenstromregelung angeordnet sind, wobei die Abgasmassenstromregelung zumindest mittels der variablen Turbinengeometrie der Niederdruckturbine (11) erfolgt und wobei vor der Hochdruckturbine (8) eine regelbare Anzapfung (13) an der Abgasleitung (10) angeordnet ist, die zum Leiten eines Teils des Abgasmassenstroms des Verbrennungsmotors (2) zwischen diesem und der Nutzturbine (3) ausgebildet ist.Arrangement for energy supply (1), the at least one internal combustion engine (2) for energy supply, a power turbine (3) for utilizing part of an exhaust gas mass flow of the internal combustion engine (2), a planetary gear (6) arranged on a shaft of the power turbine (3) and a Generator (5), which is connected to the planetary gear (6) so as to be drivingly effective to generate electrical energy, wherein a high-pressure turbine (8), a high-pressure compressor (9), a low-pressure turbine (11) with a variable turbine geometry and a low-pressure compressor (12) are arranged in series in a flow-effective manner for realizing an exhaust-gas mass flow control, on an exhaust line (10) of the internal combustion engine (2), with the exhaust gas mass flow control takes place at least by means of the variable turbine geometry of the low-pressure turbine (11) and a controllable tap (13) is arranged on the exhaust line (10) in front of the high-pressure turbine (8) and is designed to guide part of the exhaust gas mass flow of the internal combustion engine (2) between the latter and the power turbine (3). Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Anzapfung (13) eine regelbare Absperrvorrichtung (14) aufweist, mittels der der Abgasmassenstrom von dem Verbrennungsmotor (2) zu der Nutzturbine (3) regelbar ist.Arrangement for energy supply (1) according to Claim 1 wherein the tap (13) has a controllable shut-off device (14) by means of which the exhaust gas mass flow from the internal combustion engine (2) to the power turbine (3) can be regulated. Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbrennungsmotor (2) und die Nutzturbine (3) jeweils einstufig oder mehrstufig aufgeladen sind.Arrangement for energy supply (1) according to Claim 1 or 2 , the internal combustion engine (2) and the power turbine (3) each being charged in one or more stages. Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein zweiter Verbrennungsmotor (2) zur Energiebereitstellung strömungswirksam mit der Nutzturbine (3) verbunden ist.Arrangement for providing energy (1) according to one of the claims 1 to 3, a second internal combustion engine (2) being connected to the power turbine (3) in a flow-effective manner for providing energy. Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei an dem jeweiligen Hochdruckverdichter (9) und an dem jeweiligen Niederdruckverdichter (12) jeweils zwei Ladeluftkühler (15) zur Rückführung und Kühlung eines Teils des Abgasmassenstroms zu dem Verbrennungsmotor (2) angeordnet sind.Arrangement for supplying energy (1) according to one of the preceding claims, two charge air coolers (15) for recirculating and cooling part of the exhaust gas mass flow to the internal combustion engine (2) being arranged on the respective high pressure compressor (9) and on the respective low pressure compressor (12) . Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Anzapfung (13) nach dem Niederdruckverdichter (12) mit der Abgasleitung (10) verbunden ist.Arrangement for supplying energy (1) according to one of the preceding claims, wherein the tap (13) is connected to the exhaust pipe (10) after the low-pressure compressor (12). Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 4, die folgenden Schritte umfassend: a. Erzeugen eines Überschusses des Abgasmassenstroms durch den Hochdruckverdichter (9), den Niederdruckverdichter (12) und einen Ladeluftkühler (15) ab einer vorbestimmten Leistung des Verbrennungsmotors (2), b. Öffnen der regelbaren Absperrvorrichtung (14) der Anzapfung (13), c. Entnahme wenigstens eines Teils des zusätzlich erzeugten Abgasmassenstroms über die Anzapfung (13), d. Entspannen des entnommenen Abgasmassenstroms in der Nutzturbine (3).Method for operating an arrangement for energy supply (1) according to one of the preceding Claims 2 to 4th , comprising the following steps: a. Generating an excess of the exhaust gas mass flow by the high pressure compressor (9), the low pressure compressor (12) and a charge air cooler (15) from a predetermined output of the internal combustion engine (2), b. Opening the adjustable shut-off device (14) of the tap (13), c. Removal of at least part of the additionally generated exhaust gas mass flow via the tap (13), d. Relaxation of the extracted exhaust gas mass flow in the power turbine (3). Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß Anspruch 7, wobei die Abgasmassenstromregelung in Schritt a) mittels der variablen Turbinengeometrie der Niederdruckturbine (11) erfolgt.Method for operating an arrangement for energy supply (1) according to Claim 7 , the exhaust gas mass flow regulation in step a) taking place by means of the variable turbine geometry of the low-pressure turbine (11). Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die vorbestimmte Leistung des Verbrennungsmotors (2) in Schritt a) 85 % bis 90 % beträgt.Method for operating an arrangement for energy supply (1) according to Claim 7 or 8th , wherein the predetermined power of the internal combustion engine (2) in step a) is 85% to 90%. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei in Schritt a) die Ladeluftkühler (15) mit mindestens 95% ihrer möglichen Kühlleistung betrieben werden.Method for operating an arrangement for energy supply (1) according to one of the Claims 7 to 9 , wherein in step a) the charge air cooler (15) are operated with at least 95% of their possible cooling capacity. Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei mittels der variablen Turbinengeometrie der Niederdruckturbine (11) ein Spüldruckgefälle reduziert wird.Method for operating an arrangement for energy supply (1) according to one of the Claims 7 to 10 , whereby a flushing pressure gradient is reduced by means of the variable turbine geometry of the low-pressure turbine (11). Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei in Schritt d) die Leistung der Nutzturbine (3) mittels des Planetengetriebes (6) und eines Bypasses (16) geregelt wird.Method for operating an arrangement for energy supply (1) according to one of the Claims 7 to 11 , wherein in step d) the power of the power turbine (3) is regulated by means of the planetary gear (6) and a bypass (16). Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12, wobei bei einem schnellen Lastwechsel des Verbrennungsmotors (2) oder einem Ausfall der Nutzturbine (3) der Bypass (16) geöffnet wird.Method for operating an arrangement for energy supply (1) according to one of the Claims 7 to 12 , the bypass (16) being opened in the event of a rapid load change of the internal combustion engine (2) or a failure of the power turbine (3). Verfahren zum Betrieb einer Anordnung zur Energiebereitstellung (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei eine Rückführung des entnommenen Abgasmassenstroms über die Anzapfung (13) in die Abgasleitung (10) nach dem Niederdruckverdichter (12) erfolgt.Method for operating an arrangement for energy supply (1) according to one of the Claims 7 to 13 , the extracted exhaust gas mass flow being returned via the tap (13) into the exhaust line (10) after the low-pressure compressor (12).
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