DE102020002276A1 - Power generation system and method for speed control of a drive unit in a power supply system - Google Patents

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Abstract

Der Erfindung, welche eine Stromerzeugungsanlage (1) und ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage (1) betrifft, liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung anzugeben, womit eine netzfrequenzabhängige Regelung der Drehzahl eines mit der Antriebseinheit gekoppelten Generators (3) auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl erreicht wird. Diese Aufgabe wird anordnungsseitig dadurch gelöst, dass die Antriebseinheit ein drehzahlgeregelter Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation ist. Die Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, dass als Antriebseinheit ein den elektrischen Generator (3) antreibender drehzahlgeregelter Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation bereitgestellt wird und dass zur Regelung auf die vorgegebene Soll-Drehzahl eine Veränderung eines dem Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation zugeführten Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs erfolgt.

Figure DE102020002276A1_0000
The invention, which relates to a power generation plant (1) and a method for regulating the speed of a drive unit in a power generation plant (1), is based on the object of specifying a solution whereby a network frequency-dependent control of the speed of a generator (3) coupled to the drive unit is applied to a specified target speed is reached. This object is achieved in terms of the arrangement in that the drive unit is a speed-controlled hydrogen motor (2) with operating gas circulation. In terms of the method, the object is achieved in that a speed-controlled hydrogen engine (2) with operating gas circulation that drives the electric generator (3) is provided as the drive unit, and that a change in an operating gas that is supplied to the hydrogen engine (2) with operating gas circulation for regulation to the specified target speed. Oxygen-hydrogen mixture takes place.
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Description

Die Erfindung betrifft eine Stromerzeugungsanlage, welche einen elektrischen Generator und eine Antriebseinheit zum Antreiben des elektrischen Generators aufweist.The invention relates to a power generation plant which has an electric generator and a drive unit for driving the electric generator.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromversorgungsanlage, welche mit einem elektrischen Generator zur Stromerzeugung bereitgestellt wird und bei welchem eine Ist-Drehzahl des elektrischen Generators oder der Antriebseinheit bestimmt wird und bei welchem eine Regelung der Ist-Drehzahl auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl erfolgt.The invention also relates to a method for regulating the speed of a drive unit in a power supply system, which is provided with an electric generator for generating electricity and in which an actual speed of the electric generator or the drive unit is determined and in which the actual speed is regulated to a predetermined value Target speed takes place.

Bekannt sind Stromerzeugungsanlagen, beispielsweise für eine dezentrale Erzeugung von elektrischer Energie, in verschiedenen Größen beziehungsweise mit verschiedenen elektrischen Leistungen. Derartige Stromerzeugungsanlagen umfassen mindestens eine Antriebseinheit und einen von der Antriebseinheit angetriebenen elektrischen Generator, in welchem die von der Antriebseinheit gelieferte mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt und vom Generator abgegeben wird. Diese Abgabe der elektrischen Energie erfolgt üblicherweise an ein Energieübertragungsnetz, welches auch als Stromversorgungsnetz bezeichnet wird, oder an direkt angeschlossene elektrische Verbraucher.Power generation systems are known, for example for the decentralized generation of electrical energy, in various sizes or with various electrical powers. Such power generation systems comprise at least one drive unit and an electrical generator driven by the drive unit, in which the mechanical energy supplied by the drive unit is converted into electrical energy and output by the generator. This delivery of electrical energy is usually carried out to an energy transmission network, which is also referred to as a power supply network, or to directly connected electrical consumers.

In derartigen Stromerzeugungsanlagen arbeiten üblicherweise sogenannte konventionelle Verbrennungskraftmaschinen beziehungsweise Brennkraftmaschinen als Antriebseinheit, welche beispielsweise mit Benzin, Dieselkraftstoff oder Gasbrennstoff betrieben werden. Ein wesentlicher Nachteil derartiger Brennkraftmaschinen besteht darin, dass bei der Verbrennung beispielsweise eines Kraftstoff-Luft-Gemischs im Brennraum beziehungsweise einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine Schadstoffe wie beispielsweise Stickoxide (NOx), Kohlenwasserstoffe (HC), Kohlenmonoxid (CO) und andere entstehen und in die Umwelt emittiert beziehungsweise ausgestoßen werden. Zusätzlich wird auch das als besonders problematisch eingestufte klimaschädliche Abgas Kohlendioxid (CO2) emittiert.So-called conventional internal combustion engines or internal combustion engines, which are operated, for example, with gasoline, diesel fuel or gas fuel, usually work as drive units in such power generation systems. A major disadvantage of such internal combustion engines is that the combustion of, for example, a fuel-air mixture in the combustion chamber or a combustion chamber of an internal combustion engine produces pollutants such as nitrogen oxides (NOx), hydrocarbons (HC), carbon monoxide (CO) and others and releases them into the environment are emitted or emitted. In addition, the climate-damaging exhaust gas carbon dioxide (CO2), which is classified as particularly problematic, is emitted.

Somit weist dieser bekannte Stand der Technik erhebliche Nachteile für die Umwelt und die Gesundheit auf.This known state of the art thus has considerable disadvantages for the environment and health.

Aus dem Stand der Technik sind auch sogenannte abgasemissionsfreie Hocheffizienzmotoren bekannt.So-called exhaust emission-free, high-efficiency motors are also known from the prior art.

Diese Art von Motoren unterscheiden sich von bekannten Brennkraftmaschinen dadurch, dass diese Motoren einen sogenannten Zirkulationsweg aufweisen. Der Zirkulationsweg wird durch das Verbinden eines Auslasskanals des Hocheffizienzmotors, durch den nach der Verbrennung erzeugtes Abgas strömt, und eines Einlasskanals des Hocheffizienzmotors, durch den ein in den Brennraum einzuleitendes Gas strömt, gebildet.This type of engine differs from known internal combustion engines in that these engines have a so-called circulation path. The circulation path is formed by connecting an exhaust passage of the high-efficiency engine through which exhaust gas generated after combustion flows and an intake passage of the high-efficiency engine through which a gas to be introduced into the combustion chamber flows.

In solchen Hocheffizienzmotoren werden beispielsweise Wasserstoff, der als Kraftstoff verwendet wird, und Sauerstoff, der den Wasserstoff oxidiert, dem Brennraum zugeführt. Zusätzlich wird beispielsweise Argon, das als Arbeitsgas beziehungsweise Betriebsgas über den Auslasskanal und über den Zirkulationsweg zum Einlasskanal zirkuliert, dem Brennraum zurückgeführt. Es handelt sich hierbei um einen geschlossenen Kreislauf, welcher eine Verbrennung ohne Umgebungsluft realisiert. Durch die Verwendung von Argon als Arbeitsgas beziehungsweise Betriebsgas wird ein besserer thermischer Wirkungsgrad im Vergleich zu konventionellen Brennkraftmaschinen erreicht. Nachfolgen wird ein derartiger Hocheffizienzmotor mit einem Zirkulationsweg als Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation oder mit einem umlaufenden Arbeitsmedium oder kürzer nur als Wasserstoffmotor bezeichnet.In such high-efficiency engines, for example, hydrogen, which is used as fuel, and oxygen, which oxidizes the hydrogen, are supplied to the combustion chamber. In addition, argon, for example, which circulates as working gas or operating gas via the outlet channel and via the circulation path to the inlet channel, is returned to the combustion chamber. This is a closed circuit that realizes combustion without ambient air. By using argon as the working gas or operating gas, a better thermal efficiency is achieved compared to conventional internal combustion engines. In the following, such a high-efficiency motor with a circulation path is referred to as a hydrogen motor with operating gas circulation or with a circulating working medium or, for a shorter time, only as a hydrogen motor.

Bei derartigen Wasserstoffmotoren mit Betriebsgaszirkulation entsteht Wasser bei der Verbrennung von Wasserstoff. Dieses Wasser wird in einem im Zirkulationsweg vorgesehenen Kondensator kondensiert und vom Arbeitsgas Argon getrennt. Infolgedessen wird nur das Arbeitsgas über den Zirkulationsweg in den Brennraum des Wasserstoffmotors zurückgeführt.In such hydrogen engines with operating gas circulation, water is produced when hydrogen is burned. This water is condensed in a condenser provided in the circulation path and separated from the argon working gas. As a result, only the working gas is returned to the combustion chamber of the hydrogen engine via the circulation path.

Aus der WO2007/100115 ist ein derartiger Wasserstoffmotor bekannt, welcher unter Verwendung eines umlaufenden Arbeitsmediums betrieben wird, wobei Wasserstoff, Sauerstoff und das aus einem einatomigen Gas bestehende Arbeitsmedium einer Brennkammer zugeführt werden, um den Wasserstoff zu verbrennen, und wobei das Arbeitsmedium in einem Abgas enthalten ist, welches in die Brennkammer zurückgeführt wird.From the WO2007 / 100115 Such a hydrogen engine is known, which is operated using a circulating working medium, wherein hydrogen, oxygen and the working medium consisting of a monatomic gas are supplied to a combustion chamber in order to burn the hydrogen, and wherein the working medium is contained in an exhaust gas, which in the combustion chamber is returned.

Schmieröl, welches zum Betrieb des Motors verwendet wird, gelangt in die Brennkammer und führt unvermeidlich zu einer Bildung von Kohlendioxid in der Brennkammer, welches somit in den Zirkulationsweg des Motors gelangt und die Betriebsweise des Motors negativ beeinflusst. Somit besteht die zu lösende Aufgabe darin, derartige Verunreinigungen zu beseitigen.Lubricating oil, which is used to operate the engine, gets into the combustion chamber and inevitably leads to the formation of carbon dioxide in the combustion chamber, which thus gets into the circulation path of the engine and has a negative effect on the operation of the engine. Thus, the problem to be solved is to remove such contaminants.

Zur Lösung ist es angegeben, dass der Wasserstoffmotor ein Produktentfernungsmittel umfasst, welches in dem Umwälzkanal angeordnet ist und welches derartige, ungewollte Verunreinigungen beseitigt. Insbesondere wird in der Brennkammer entstehendes Kohlendioxid entfernt.As a solution, it is indicated that the hydrogen engine comprises a product removal means which is arranged in the circulation duct and which removes such unwanted impurities. In particular, any carbon dioxide produced in the combustion chamber is removed.

In Stromerzeugungsanlagen muss zur Herstellung einer Synchronität zwischen dem Stromversorgungsnetz und dem durch eine Antriebseinheit angetriebenen Generator eine netzfrequenz- und generatorpolanzahlabhängige Drehzahl beziehungsweise Soll-Drehzahl eingestellt werden. Für die korrekte Einstellung der Drehzahl einer Antriebseinheit, wie beispielsweise eines Wasserstoffmotors sowie einer korrekten Phasenlage ist eine exakte Drehzahlregelung des Wasserstoffmotors erforderlich.In power generation systems, a speed or target speed dependent on the network frequency and the number of generator poles must be set in order to establish synchronization between the power supply network and the generator driven by a drive unit. For the correct setting of the speed of a drive unit, such as a hydrogen motor, as well as a correct phase position, an exact speed control of the hydrogen motor is required.

Aus der EP 1929144 ist ein Verbrennungsmotor vom Betriebsgaszirkulationstyp mit einem geschlossenen Kreislauf bekannt, welcher Wasserstoff in einer Brennkammer verbrennt. Beschrieben wird auch ein Steuerverfahren, um eine Drehmomentregelung bei einer Verbrennungskraftmaschine mit Zirkulationsweg umzusetzen, welche vorzugsweise im automobilen Bereich Anwendung findet. Die Menge an eingeblasenem Wasserstoff, Sauerstoff und dem zugeführten Betriebsgas soll laut dieser Beschreibung so groß sein, dass ein Drehmoment erzeugt wird, welches einem erforderlichen Drehmoment entspricht. Dieses Steuerverfahren eignet sich für den Einsatz in einem Fahrzeug, bei welchem beispielsweise ein Fahrzeugführer durch eine Betätigung eines entsprechenden Pedals ein erforderliches Drehmoment vorgibt. Eine Drehzahlregelung ist nicht vorgesehen und derart auch nicht möglich.From the EP 1929144 For example, there is known a closed-cycle operating gas circulation type internal combustion engine which burns hydrogen in a combustion chamber. A control method is also described in order to implement torque regulation in an internal combustion engine with a circulation path, which is preferably used in the automotive sector. According to this description, the amount of hydrogen, oxygen and the operating gas supplied should be so large that a torque is generated which corresponds to a required torque. This control method is suitable for use in a vehicle in which, for example, a vehicle driver specifies a required torque by actuating a corresponding pedal. A speed control is not provided and also not possible in this way.

Der bisherige Stand der Technik ermöglicht somit keinen ordnungsgemäßen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit Betriebsgaszirkulation wie einem Wasserstoffmotor als Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage mit einem Synchrongenerator, bei welchem eine netzfrequenz- und generatorpolanzahlabhängige Regelung der Drehzahl erfolgen muss.The prior art thus far does not allow proper operation of an internal combustion engine with operating gas circulation such as a hydrogen engine as a drive unit in a power generation system with a synchronous generator, in which the speed must be regulated depending on the network frequency and number of generator poles.

Auf der Grundlage dieses Standes der Technik besteht ein Bedarf nach einer Drehzahlregelung für einen Wasserstoffmotor als Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage.On the basis of this prior art, there is a need for a speed control for a hydrogen engine as a drive unit in a power generation plant.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Stromerzeugungsanlage und ein Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage anzugeben, wobei eine netzfrequenzabhängige Regelung der Drehzahl eines mit der Antriebseinheit gekoppelten Generators auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl erreicht wird.The object of the invention now consists in specifying a power generation plant and a method for regulating the speed of a drive unit in a power generating plant, with a network frequency-dependent regulation of the speed of a generator coupled to the drive unit to a predetermined target speed.

Die Aufgabe wird durch eine Stromerzeugungsanlage mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Eine Weiterbildung ist in einem abhängigen Patentanspruch angegeben.The object is achieved by a power generation plant with the features according to claim 1 of the independent claims. A further development is specified in a dependent claim.

Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zur Drehzahlregelung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 3 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The object is also achieved by a method for speed control with the features according to claim 3 of the independent claims. Further developments are given in the dependent claims.

Vorgesehen ist es, dass zur Erzeugung des elektrischen Stroms durch einen sich drehenden elektrischen Generator beziehungsweise Synchrongenerator in einer Stromerzeugungsanlage statt eines gewöhnlichen Verbrennungsmotors ein abgasemissionsfreier Hocheffizienzmotor, also ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation, eingesetzt wird.It is envisaged that to generate the electrical current by a rotating electrical generator or synchronous generator in a power generation system, instead of a conventional internal combustion engine, a high-efficiency engine free of exhaust emissions, i.e. a hydrogen engine with operating gas circulation, is used.

Zur Übertragung einer vom Wasserstoffmotor erzeugten Drehbewegung auf den Generator sind beide Einheiten mittels einer Verbindungswelle gekoppelt. In order to transfer a rotary movement generated by the hydrogen engine to the generator, both units are coupled by means of a connecting shaft.

Bei einer derartigen Kopplung ist die Drehzahl einer Kurbelwelle des Wasserstoffmotors gleich der Drehzahl des anzutreibenden Generators. Alternativen mit einer Drehzahlveränderung beziehungsweise Drehzahlanpassung durch ein Getriebe sind möglich, werden hier aber nicht weiter ausgeführt.With such a coupling, the speed of a crankshaft of the hydrogen engine is equal to the speed of the generator to be driven. Alternatives with a speed change or speed adjustment by means of a gearbox are possible, but will not be discussed further here.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit wie einem Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation in einer Stromerzeugungsanlage löst das Problem einer Drehzahlregelung dadurch, dass die in den Brennraum des Wasserstoffmotors mit Betriebsgaszirkulation eingeführte beziehungsweise eingeblasene Menge an Sauerstoff und/oder Wasserstoff anhand einer vorgegebenen Soll-Drehzahl bestimmt und geregelt wird.The method according to the invention for regulating the speed of a drive unit such as a hydrogen engine with operating gas circulation in a power generation system solves the problem of speed control in that the amount of oxygen and / or hydrogen introduced or blown into the combustion chamber of the hydrogen engine with operating gas circulation is determined and regulated on the basis of a specified target speed will.

Diese Soll-Drehzahl wird in Abhängigkeit der benötigten Netzfrequenz des Stromversorgungsnetzes bestimmt, also in Abhängigkeit der vom Synchrongenerator der Stromerzeugungsanlage bereitzustellenden Frequenz der zu erzeugenden Spannung, um eine Synchronität der Frequenz der erzeugten Spannung mit der Netzfrequenz des Stromversorgungsnetzes zu erreichen. Diese Netzfrequenz liegt in Europa, Asien, Australien und in weiteren Gebieten beispielsweise bei 50 Hz. Je nach Bauweise des Synchrongenerators der Stromerzeugungsanlage kann die Anzahl der Paare von magnetischen Polen innerhalb einer rotierenden elektrischen Maschine wie einem Synchrongenerator variieren. Auf der Grundlage des Wissens über die Bauweise des Synchrongenerators und der einzustellenden Netzfrequenz kann ein Fachmann die für den Synchrongenerator benötigte Drehzahl beziehungsweise Soll-Drehzahl bestimmen.This target speed is determined depending on the required network frequency of the power supply network, i.e. depending on the frequency of the voltage to be generated to be provided by the synchronous generator of the power generation system, in order to achieve synchronism of the frequency of the voltage generated with the network frequency of the power supply network. This network frequency is in Europe, Asia, Australia and in other areas, for example 50 Hz. Depending on the design of the synchronous generator of the power generation system, the number of pairs of magnetic poles within a rotating electrical machine such as a synchronous generator can vary. On the basis of knowledge about the construction of the synchronous generator and the line frequency to be set, a person skilled in the art can determine the speed or the set speed required for the synchronous generator.

Diese Bestimmung ist nicht Teil der hier vorgestellten Stromerzeugungsanlage oder des Verfahrens zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage und wird daher nicht weiter ausgeführt. Unter der Annahme, dass eine zur Übertragung des Drehmoments an den Synchrongenerator geeignete Welle des Wasserstoffmotors ohne ein Getriebe, also beispielsweise über eine Verbindungswelle direkt mit der Welle des Synchrongenerators, verbunden ist, so sind die Drehzahlen der Wellen gleich. Die Drehzahlregelung kann somit auf die ein Drehmoment vom kann somit auf die ein Drehmoment vom Wasserstoffmotor abgebende Welle, wie beispielsweise eine Kurbelwelle, erfolgen.This provision is not part of the power generation plant presented here or the method for regulating the speed of a drive unit in a power generation plant and is therefore not continued. Assuming that a shaft of the hydrogen engine suitable for transmitting the torque to the synchronous generator is connected without a gearbox, for example directly to the shaft of the synchronous generator via a connecting shaft, the speeds of the shafts are the same. The speed control can thus be carried out on the shaft, such as, for example, a crankshaft, which delivers a torque from the hydrogen engine.

Vorgesehen ist es, dass ein Vergleich einer messtechnisch ermittelten Ist-Drehzahl des Generators oder der Kurbelwelle mit der vorgegebenen Soll-Drehzahl erfolgt, wobei für den Fall, dass die Ist-Drehzahl und die Soll-Drehzahl übereinstimmen, keine Veränderung des dem Wasserstoffmotor zugeführten Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs erfolgt.Provision is made for a measurement-based actual speed of the generator or the crankshaft to be compared with the specified target speed, with no change in the operating gas supplied to the hydrogen engine in the event that the actual speed and the target speed match Oxygen-hydrogen mixture takes place.

Für den Fall, dass die Ist-Drehzahl kleiner als die Soll-Drehzahl ist, wird die zugeführte Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff im Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemisch erhöht. Für den Fall, dass die Ist-Drehzahl größer als die Soll-Drehzahl ist, wird die zugeführte Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff im Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemisch verringert. Somit wird die Drehzahl der Kurbelwelle des Wasserstoffmotors solange verändert, bis die Kurbelwelle die Soll-Drehzahl aufweist, wobei die Kurbelwelle ihre Drehbewegung beispielsweise über eine Verbindungswelle auf eine Welle des Generators überträgt und diesen mit der gleichen Drehzahl antreibt.In the event that the actual speed is less than the target speed, the amount of oxygen and / or hydrogen supplied in the operating gas-oxygen-hydrogen mixture is increased. In the event that the actual speed is greater than the target speed, the amount of oxygen and / or hydrogen supplied in the operating gas-oxygen-hydrogen mixture is reduced. Thus, the speed of the crankshaft of the hydrogen engine is changed until the crankshaft has the target speed, the crankshaft transmitting its rotary motion, for example via a connecting shaft, to a shaft of the generator and driving it at the same speed.

Vorgesehen ist es auch, dass ein Toleranzbereich für die zu erreichende Soll-Drehzahl mit einer unteren Drehzahlgrenze Nu und einer obere Drehzahlgrenze No gebildet wird. Die Bildung eines derartigen Toleranzbereichs gestattet ein Zulassen von geringen Abweichungen von der vorgegebenen Soll-Drehzahl ohne einen Regeleingriff, also ohne eine Veränderung der Dosierung der Mengen an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff im Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemisch.It is also provided that a tolerance range for the target speed to be achieved is formed with a lower speed limit N u and an upper speed limit N o . The formation of such a tolerance range allows slight deviations from the specified target speed without a control intervention, that is, without changing the dosage of the amounts of oxygen and / or hydrogen in the operating gas-oxygen-hydrogen mixture.

Ebenfalls vorgesehen ist es, dass nur für den Fall, dass die Ist-Drehzahl außerhalb des gebildeten Toleranzbereichs liegt, eine Veränderung der zugeführten Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff im Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemisch erfolgt. Liegt die Ist-Drehzahl innerhalb des gebildeten Toleranzbereichs, so arbeitet der Wasserstoffmotor mit einer Drehzahl, welche ausreichend ist, um die Norm einer geforderten Netzfrequenz von beispielsweise 50 Hz zu erfüllen und ein Eingriff in den laufenden Betrieb des Wasserstoffmotors ist nicht notwendig.It is also provided that the amount of oxygen and / or hydrogen supplied in the operating gas-oxygen-hydrogen mixture is changed only in the event that the actual speed is outside the tolerance range formed. If the actual speed is within the tolerance range established, the hydrogen engine operates at a speed which is sufficient to meet the standard of a required network frequency of 50 Hz, for example, and there is no need to intervene in the ongoing operation of the hydrogen engine.

Es ist vorgesehen, den Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl kontinuierlich durchzuführen, um eine kontinuierliche Arbeitsweise der Stromversorgungsanlage mit der geforderten Netzfrequenz zu erreichen.Provision is made for the comparison of the actual speed with the target speed to be carried out continuously in order to achieve continuous operation of the power supply system with the required network frequency.

Hierbei kann der Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl zu festgelegten Zeitpunkten erfolgen oder innerhalb festgelegter Zeiteinheiten wiederholt werden.Here, the comparison of the actual speed with the target speed can take place at defined times or be repeated within defined time units.

Weiterhin vorgesehen ist es, dass der Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl nur für den Fall erfolgt, dass der Wasserstoffmotor in einer Betriebsphase ist. Für den Fall, dass der Wasserstoffmotor in einer Ruhephase ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlregelung unterbrochen.It is also provided that the comparison of the actual speed with the target speed only takes place in the event that the hydrogen engine is in an operating phase. In the event that the hydrogen engine is in a resting phase, the method according to the invention for speed control is interrupted.

Ebenso wird das erfindungsgemäße Verfahren unterbrochen, für den Fall, dass der Wasserstoffmotor abgeschaltet werden soll.The method according to the invention is also interrupted in the event that the hydrogen engine is to be switched off.

Vorgesehen ist es, dass durch die Drehzahlregelung eine Soll-Drehzahl von beispielsweise 1500 1/min eingeregelt wird und dass somit eine Netzfrequenz von 50 Hz beim Einsatz eines entsprechend ausgelegten Generators erreicht wird. Mit dieser Netzfrequenz wird die vom Generator der Stromversorgungsanlage erzeugte Energie in das Stromversorgungsnetz eingespeist. In einer Alternative kann die vom Generator der Stromversorgungsanlage erzeugte Energie angeschlossenen elektrischen Verbrauchern direkt zur Verfügung gestellt werden.Provision is made for the speed control to regulate a setpoint speed of, for example, 1500 1 / min, so that a network frequency of 50 Hz is achieved when using a correspondingly designed generator. With this network frequency, the energy generated by the generator of the power supply system is fed into the power supply network. In an alternative, the energy generated by the generator of the power supply system can be made available directly to connected electrical consumers.

Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:

  • 1: eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Stromerzeugungsanlage und
  • 2: eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Drehzahlregelung.
The previously explained features and advantages of this invention can be better understood and assessed after careful study of the following detailed description of the preferred, non-limiting example embodiments of the invention with the accompanying drawings, which show:
  • 1 : a schematic diagram of the power generation plant according to the invention and
  • 2 : a schematic representation of the method according to the invention for speed control.

Die 1 zeigt eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Stromerzeugungsanlage 1.the 1 shows a schematic diagram of the power generation plant according to the invention 1 .

Der Wasserstoffmotor 2 mit Betriebsgaszirkulation als Verbrennungskraftmaschine dient der Umwandlung von zugeführter chemischer Energie, in Form eines Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs, in abgegebene mechanische Energie, während ein elektrischer Generator 3 beziehungsweise ein Synchrongenerator diese mechanische Energie in eine gewünschte elektrische Energie umwandelt, welche vom Generator 3 über elektrische Leitungen 4 beispielsweise in ein Stromversorgungsnetz 5 abgegeben wird. Zu diesem Zweck ist der Wasserstoffmotor 2 über eine Verbindungswelle 6 zur Übertragung eines Drehmoments 7 mit dem Generator 3 verbunden. Im Beispiel der 1 ist ein drei Phasen aufweisendes Stromversorgungsnetz 5 dargestellt.The hydrogen engine 2 with operating gas circulation as an internal combustion engine, the conversion of chemical energy supplied, in the form of an operating gas-oxygen-hydrogen mixture, into released mechanical energy, while an electrical generator 3 or a synchronous generator converts this mechanical energy into a desired electrical energy, which is generated by the generator 3 via electrical lines 4th for example in a power supply network 5 is delivered. For this purpose is the hydrogen engine 2 via a connecting shaft 6th for the transmission of a torque 7th with the generator 3 tied together. In the example of the 1 is a three-phase power supply network 5 shown.

Durch den Wasserstoffmotor 2 wird ein Betriebsgas-Sauerstoffgemisch, welches beispielsweise Argon als Betriebsgas aufweist, über die jeweilige Betriebsgaszuführungseinrichtung 8 durch einen sich im Brennraum 9 des Wasserstoffmotors 2 abwärts bewegenden Kolben angesaugt. Eine derartige abwärts gerichtete Bewegung ist dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kolben im Brennraum 9 von seinem sogenannten oberen Totpunkt zu seinem sogenannten unteren Totpunkt bewegt, unabhängig von der genauen Ausrichtung beziehungsweise Einbaulage des Brennraums 9 beziehungsweise eines den Brennraum 9 umgebenden Zylinders im Wasserstoffmotor 2.By the hydrogen engine 2 an operating gas-oxygen mixture, which has, for example, argon as the operating gas, via the respective operating gas supply device 8th through one in the combustion chamber 9 of the hydrogen engine 2 downward moving piston sucked. Such a downward movement is characterized in that the piston is in the combustion chamber 9 moved from its so-called top dead center to its so-called bottom dead center, regardless of the exact alignment or installation position of the combustion chamber 9 or one of the combustion chamber 9 surrounding cylinder in the hydrogen engine 2 .

Kurz nachdem der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, bewegt sich der Kolben wieder in Richtung des oberen Totpunkts, wobei das Betriebsgas-Sauerstoffgemisch durch diese Bewegung des Kolbens im Brennraum 9 verdichtet wird. Diese Verdichtung wird dadurch ermöglicht, dass die jeweilige Betriebsgaszuführungseinrichtung 8 und die jeweilige Auslassvorrichtung 12 geschlossen sind.Shortly after the piston has reached bottom dead center, the piston moves again in the direction of top dead center, with the operating gas-oxygen mixture in the combustion chamber as a result of this movement of the piston 9 is compressed. This compression is made possible by the fact that the respective operating gas supply device 8th and the respective outlet device 12th are closed.

Vorgesehen ist es, dass zeitgleich zum Vorgang der Verdichtung Wasserstoff mit einem entsprechend hohem Druck in den Brennraum 9 über eine Wasserstoffzuführungseinrichtung 10 eindosiert wird. Das somit entstehende komprimierte Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemisch wird kurz vor dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens durch eine Zündkerze 11 im Brennraum 9 gezündet und somit der Verbrennungsvorgang des Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs eingeleitet. Durch diese Verbrennung entsteht Wärme, wodurch das Betriebsgas, welches ein größeres spezifisches Wärmeverhältnis als Sauerstoff oder Luft besitzt, expandiert und damit den Kolben in eine Abwärtsbewegung, in Richtung des unteren Totpunkts des Kolbens, versetzt. In einer alternativen Ausführung eines Wasserstoffmotors 2 mit Betriebsgaszirkulation kann statt einer Zündkerze 11 eine Glühkerze zum Einsatz kommen.Provision is made for hydrogen to enter the combustion chamber at a correspondingly high pressure at the same time as the compression process 9 via a hydrogen supply device 10 is dosed. The compressed operating gas-oxygen-hydrogen mixture that is produced in this way is released by a spark plug shortly before the piston reaches top dead center 11 in the combustion chamber 9 ignited and thus initiated the combustion process of the operating gas-oxygen-hydrogen mixture. This combustion generates heat, whereby the operating gas, which has a higher specific heat ratio than oxygen or air, expands and thus sets the piston in a downward movement in the direction of the bottom dead center of the piston. In an alternative version of a hydrogen engine 2 with operating gas circulation can be used instead of a spark plug 11 a glow plug can be used.

Die Kurbelwelle des Wasserstoffmotors 2, welche wie üblich mittels eines Pleuels beziehungsweise einer Pleuelstange mit den Kolben des Wasserstoffmotors 2 verbunden ist, ist zumindest mittelbar mit der Verbindungswelle 6 verbunden. Die Kurbelwelle, die Pleuelstangen sowie die Kolben sind in der Prinzipdarstellung in der 1 nicht dargestellt. Über die Verbindungswelle 6 wird das vom Wasserstoffmotor 2 erzeugte Drehmoment 7 beziehungsweise eine Drehbewegung zum Generator 3 übertragen. Insbesondere durch die Bewegung des Kolbens in Richtung des unteren Totpunkts bei der Verbrennung des Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs wird die entstehende mechanische Energie auf die Kurbelwelle übertragen, welche in eine Drehbewegung versetzt wird.The crankshaft of the hydrogen engine 2 which as usual by means of a connecting rod or a connecting rod with the pistons of the hydrogen engine 2 is connected, is at least indirectly to the connecting shaft 6th tied together. The crankshaft, the connecting rods and the pistons are shown in the schematic diagram in 1 not shown. Via the connecting shaft 6th that is what the hydrogen engine will do 2 generated torque 7th or a rotary movement to the generator 3 transfer. In particular, through the movement of the piston in the direction of bottom dead center during the combustion of the operating gas-oxygen-hydrogen mixture, the resulting mechanical energy is transferred to the crankshaft, which is set in rotation.

Nachdem der Kolben den unteren Totpunkt erreicht hat, wird der Kolben durch die Massenträgheit der rotierenden Teile des Wasserstoffmotors 2 wieder in Richtung des oberen Totpunkts bewegt, wobei das bei der Verbrennung entstehende Abgas über die jeweilige Auslassvorrichtung 12 aus dem Brennraum 9 des Wasserstoffmotors 2 ausgestoßen wird. Dieses Abgas umfasst hauptsächlich das Betriebsgas und den bei der Verbrennung entstehenden Wasserdampf.After the piston has reached bottom dead center, the piston is driven by the inertia of the rotating parts of the hydrogen engine 2 moved again in the direction of top dead center, with the exhaust gas resulting from the combustion via the respective outlet device 12th from the combustion chamber 9 of the hydrogen engine 2 is expelled. This exhaust gas mainly comprises the operating gas and the water vapor produced during combustion.

Der durch die Verbrennung entstandene Wasserdampf und das erwärmte Betriebsgas zirkulieren anschließend über den Betriebsgaszirkulationsweg 13 bis zu den Betriebsgaszuführungseinrichtungen 8 zum Brennraum 9 und das Arbeitsspiel des Wasserstoffmotors 2 beginnt erneut von vorn.The water vapor produced by the combustion and the heated operating gas then circulate via the operating gas circulation path 13th up to the operating gas supply devices 8th to the combustion chamber 9 and the working cycle of the hydrogen engine 2 starts all over again.

Auch wenn sich die vorliegende Beschreibung beispielhaft auf einen Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Viertakt-Otto-Verfahren bezieht, kann an dessen Stelle beispielsweise auch ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Zweitakt-Otto-Verfahren zum Einsatz kommen, dessen Drehzahl mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromversorgungsanlage geregelt wird. Weitere Alternativen sind ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Viertakt-Diesel-Verfahren, ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation nach dem Zweitakt-Diesel-Verfahren oder ein Wasserstoffmotor mit Betriebsgaszirkulation in einer Ausführung als Rotationskolbenmotor beziehungsweise Wankelmotor.Even if the present description refers by way of example to a hydrogen engine with operating gas circulation according to the four-stroke Otto process, a hydrogen engine with operating gas circulation according to the two-stroke Otto process can also be used instead, the speed of which can be used with the inventive method for speed control a drive unit in a power supply system. Further alternatives are a hydrogen engine with operating gas circulation based on the four-stroke diesel method, a hydrogen engine with operating gas circulation based on the two-stroke diesel method, or a hydrogen engine with operating gas circulation in a version as a rotary piston engine or Wankel engine.

Bei der Zirkulation des Betriebsgases innerhalb des Betriebsgaszirkulationswegs 13 passiert das Betriebsgas beziehungsweise das umlaufende Arbeitsmedium auch mindestens einen Betriebsgaskühler 14, welcher zur Abscheidung von Wasser aus dem Betriebsgas im Betriebsgaszirkulationsweg 13 angeordnet ist. Das bei der Abscheidung von Wasser aus dem Betriebsgas entstehende Kondensat gelangt über eine Kondensatleitung 15 in einen entsprechenden Kondensat-Auffangbehälter 16.When the process gas is circulated within the process gas circulation path 13th the operating gas or the circulating working medium also passes through at least one operating gas cooler 14th , which is used to separate water from the process gas in the process gas circulation path 13th is arranged. The condensate produced when water is separated from the operating gas passes through a condensate line 15th into a suitable condensate collecting container 16 .

Im Falle einer Undichtigkeit oder bei einer neuen Befüllung des Betriebsgaszirkulationsweges 13 wird neues Betriebsgas aus der Betriebsgasversorgungseinrichtung 17 über die Betriebsgaszuführungsleitung 18 und das entsprechende erste Ventil 19 in den Betriebsgaszirkulationsweg 13 zugeführt.In the event of a leak or when the operating gas circulation path is refilled 13th becomes new operating gas from the operating gas supply facility 17th via the operating gas supply line 18th and the corresponding first valve 19th into the process gas circulation path 13th fed.

Der elektrische Generator 3 wird beispielsweise so ausgelegt, dass eine Drehzahl von 1500 1/min der typischen Netzfrequenz des Stromversorgungsnetzes von 50 Hz entspricht und somit die zu erreichende Soll-Drehzahl darstellt. Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sich selbstverständlich bei einer anderen Generatorauslegung (Polpaaranzahl) oder einer anderen Netzfrequenz andere Drehzahlen ergeben.The electric generator 3 is designed, for example, so that a speed of 1500 1 / min corresponds to the typical network frequency of the power supply network of 50 Hz and thus represents the target speed to be achieved. It is pointed out at this point that, of course, a different generator design (number of pole pairs) or a different network frequency results in different speeds.

Damit der Wasserstoffmotor 2 mit Betriebsgaszirkulation eine Drehzahl entsprechend der Solldrehzahl erzeugen kann, muss Wasserstoff, welcher aus einer Wasserstoffversorgungseinrichtung 20 über eine Wasserstoffzuführungsleitung 21 in einer Menge, die zur Erzeugung der Soll-Drehzahl erforderlich ist, in die Brennräume 9 zugeführt und in diesen verbrannt werden. Die Menge an Wasserstoff, die im jeweiligen Brennraum 9 verbrannt wird, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Drehzahlregelung eines Wasserstoffmotors 2 in einer Stromerzeugungsanlage 1 gesteuert.So the hydrogen engine 2 can generate a speed corresponding to the target speed with operating gas circulation, hydrogen must be supplied from a hydrogen supply device 20th via a hydrogen supply line 21 into the combustion chambers in an amount that is required to generate the target speed 9 are supplied and burned in these. The amount of hydrogen in the respective combustion chamber 9 is burned, is by the inventive method for speed control of a hydrogen engine 2 in a power generation plant 1 controlled.

Hierfür ist es vorgesehen, dass entweder die Menge des dem jeweiligen Brennraum 9 zugeführten Wasserstoffs oder die Menge des dem jeweiligen Brennraum 9 zugeführten Sauerstoffs gesteuert und die Menge des jeweils anderen so geregelt wird, dass eine ausreichende Menge der Reaktanten im jeweiligen Brennraum 9 vorliegt, um diese durch eine Verbrennung miteinander zu verbinden. In einer alternativen Ausführung wird sowohl die Menge des dem jeweiligen Brennraum 9 zugeführten Wasserstoffs als auch die Menge des dem jeweiligen Brennraum 9 zugeführten Sauerstoffs verfahrensgemäß geregelt.For this purpose, it is provided that either the amount of the respective combustion chamber 9 supplied hydrogen or the amount of the respective combustion chamber 9 supplied oxygen controlled and the amount of each other is regulated so that a sufficient amount of the reactants in the respective combustion chamber 9 is present in order to connect them to one another by a combustion. In an alternative embodiment, both the amount of the respective combustion chamber 9 supplied hydrogen as well as the amount of the respective combustion chamber 9 supplied oxygen regulated according to the process.

In einem derartigen Regelkreis ist die vorgegebene Soll-Drehzahl von beispielsweise 1500 1/min eine Führungsgröße und die Ist-Drehzahl der Kurbelwelle des Wasserstoffmotors 2 beziehungsweise die Ist-Drehzahl des Generators 3 eine Regelgröße. Eine Regelabweichung beziehungsweise Regeldifferenz ergibt sich somit aus einer Differenz der Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl. Mittels dieser Regelabweichung, welche einen positiven oder einen negativen Wert annehmen kann, wird bestimmt, ob die zu dosierende Menge beispielsweise an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff erhöht, beibehalten oder verringert werden muss, um die vorgegebene Soll-Drehzahl zu erreichen.In such a control loop, the specified setpoint speed of 1500 rpm, for example, is a reference variable and the actual speed of the crankshaft of the hydrogen engine 2 or the actual speed of the generator 3 a controlled variable. A control deviation or control difference thus results from a difference between the target speed and the actual speed. This control deviation, which can assume a positive or a negative value, is used to determine whether the amount of hydrogen and / or oxygen to be metered, for example, has to be increased, maintained or decreased in order to achieve the specified target speed.

Für den Fall, dass die Regelabweichung Null ist, stimmen Soll-Drehzahl und Ist-Drehzahl genau überein und die bisher dosierte Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff wird beibehalten. Für den Fall, dass die Regelabweichung positiv ist, ist die Soll-Drehzahl größer als die Ist-Drehzahl. Somit muss die bisher dosierte Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff erhöht werden. Für den Fall, dass die Regelabweichung negativ ist, ist die Soll-Drehzahl kleiner als die Ist-Drehzahl. In diesem Fall muss die bisher dosierte Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff verringert werden.In the event that the control deviation is zero, the setpoint speed and the actual speed match exactly and the amount of hydrogen and / or oxygen that has been dosed up to now is retained. In the event that the control deviation is positive, the target speed is greater than the actual speed. The amount of hydrogen and / or oxygen that has been dosed up to now must therefore be increased. In the event that the control deviation is negative, the target speed is lower than the actual speed. In this case, the previously metered amount of hydrogen and / or oxygen must be reduced.

Basierend auf diesem Konzept wird die zu dosierende Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff bestimmt. Die benötigte Menge an Wasserstoff wird aus der Wasserstoffversorgungseinrichtung 20 entnommen und über die Wasserstoffzuführungsleitung 21 und die jeweilige Wasserstoffzuführungseinrichtung 10 in den jeweiligen Brennraum 9 eindosiert. Die benötigte Menge an Sauerstoff wird aus der Sauerstoffversorgungseinrichtung 22 entnommen und über die Sauerstoffzuführungsleitung 23 und das zweite Ventil 24 in den Betriebsgaszirkulationsweg 13 eindosiert.Based on this concept, the amount of hydrogen and / or oxygen to be dosed is determined. The required amount of hydrogen is obtained from the hydrogen supply device 20th removed and via the hydrogen supply line 21 and the respective hydrogen supply device 10 in the respective combustion chamber 9 dosed. The required amount of oxygen is obtained from the oxygen supply device 22nd removed and via the oxygen supply line 23 and the second valve 24 into the process gas circulation path 13th dosed.

Werden somit die benötigten Mengen an Wasserstoff im Brennraum 9 und an Sauerstoff im Betriebsgaszirkulationsweg 13 zur Verfügung gestellt, erreicht der Wasserstoffmotor 2 beziehungsweise der Generator 3 die Soll-Drehzahl.This means that the required amounts of hydrogen are in the combustion chamber 9 and of oxygen in the process gas circulation path 13th made available, the hydrogen engine achieves 2 or the generator 3 the target speed.

Die vom Generator 3 erzeugte elektrische Leistung kann über die elektrischen Leitungen 4 abgegriffen und in das Stromversorgungsnetz 5 frequenzsynchron und phasensynchron eingespeist werden.The one from the generator 3 Generated electrical power can be via the electrical lines 4th tapped and into the power supply network 5 be fed in frequency-synchronously and phase-synchronously.

Wie üblich, erfolgt ein Zusammenschalten von synchronen Wechselspannungsquellen wie dem elektrischen Generator 3 und dem Stromnetz 5 erst nach erfolgter Phasensynchronisation. Hierfür können übliche Vorgehensweisen beziehungsweise aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Einsatz kommen. Aus diesem Grund wird auf die Umsetzung der Phasensynchronisation nicht ausführlich eingegangen.As usual, synchronous AC voltage sources such as the electrical generator are interconnected 3 and the power grid 5 only after phase synchronization has taken place. Customary procedures or methods known from the prior art can be used for this. For this reason, the implementation of phase synchronization is not discussed in detail.

Die 2 zeigt eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromerzeugungsanlage. Das Flussdiagramm zeigt die Steuerung der Wasserstoff und/oder Sauerstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Momentandrehzahl beziehungsweise der Ist-Drehzahl Nist des Wasserstoffmotors 2 mit Betriebsgaszirkulation.the 2 shows a schematic diagram of the method according to the invention for regulating the speed of a drive unit in a power generation plant. The flowchart shows the control of the hydrogen and / or oxygen supply as a function of the instantaneous speed or the actual speed N ist of the hydrogen engine 2 with operating gas circulation.

Im Schritt 25 startet das Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit, wie beispielsweise einem Wasserstoffmotor 2, in einer Stromerzeugungsanlage 1.In step 25th starts the method for regulating the speed of a drive unit, such as a hydrogen engine 2 , in a power generation plant 1 .

In einem nachfolgenden Schritt 26 erfolgt eine Zustandsprüfung, ob sich der Wasserstoffmotor 2 im Betrieb beziehungsweise in einer sogenannten Betriebsphase befindet oder ob sich der Wasserstoffmotor 2 nicht im Betrieb beziehungsweise in einer sogenannten Ruhephase befindet. Der Zustand der Betriebsphase wird beispielhaft durch den Zusammenhang MIB=1 und der Zustand der Ruhephase durch MIB=0 abgebildet.In a subsequent step 26th a condition check is carried out to determine whether the hydrogen engine is running 2 is in operation or in a so-called operating phase or whether the hydrogen engine is 2 not in operation or in a so-called resting phase. The status of the operating phase is exemplified by the Relationship MIB = 1 and the state of the resting phase represented by MIB = 0.

Befindet sich der Wasserstoffmotor 2 in seiner Ruhephase, wobei gilt MIB=0, wird das Verfahren mit dem Schritt 32 fortgesetzt beziehungsweise beendet. An dieser Stelle kann das Verfahren beendet werden oder in einer Schleife fortgesetzt werden, wobei das Verfahren dann im Schritt 26 mit einer erneuten Zustandsprüfung fortgesetzt werden kann, was in der 2 nicht dargestellt ist. Wie üblich können derartige Verfahren in einer wiederkehrenden Schleife abgearbeitet werden, wobei sowohl die Anzahl der Wiederholungen sowie auch ihre zeitliche Abfolge wie eine Wiederholrate beziehungsweise Abtastrate bedarfsgerecht festgelegt werden können.Is the hydrogen engine 2 in its resting phase, where MIB = 0, the method starts with step 32 continued or ended. At this point, the method can be ended or continued in a loop, the method then in step 26th can continue with a new health check, which is in the 2 is not shown. As usual, such methods can be processed in a recurring loop, with both the number of repetitions and their chronological sequence, such as a repetition rate or sampling rate, being able to be defined as required.

Befindet sich der Wasserstoffmotor 2 in seiner Betriebsphase, wobei gilt MIB=1, wird das Verfahren mit dem Schritt 27 fortgesetzt. In diesem Schritt 27 wird eine Prüfung auf eine End-Sequenz durchgeführt und festgestellt, ob bereits eine Endsequenz zum Beenden der Betriebsphase des Wasserstoffmotors 2 ausgelöst worden ist.Is the hydrogen engine 2 in its operating phase, where MIB = 1, the method starts with step 27 continued. In this step 27 a test is carried out for an end sequence and it is determined whether an end sequence for ending the operating phase of the hydrogen engine is already carried out 2 has been triggered.

Für den Fall, dass eine aktuelle Betriebsphase des Wasserstoffmotors 2 beendet werden soll und der Wasserstoffmotors 2 in seine Ruhephase überführt werden soll, ist eine verfahrensgemäße Drehzahlregelung nicht mehr notwendig und das Verfahren wird im Schritt 32 beendet.In the event that a current operating phase of the hydrogen engine 2 should be terminated and the hydrogen engine 2 is to be transferred to its resting phase, a speed control according to the method is no longer necessary and the method is in step 32 completed.

Für den Fall, dass die aktuelle Betriebsphase des Wasserstoffmotors 2 fortgesetzt werden soll, wird mit der verfahrensgemäßen Drehzahlregelung im Schritt 28 fortgesetzt.In the event that the current operating phase of the hydrogen engine 2 is to be continued with the speed control according to the method in step 28 continued.

Im Schritt 28 findet eine Drehzahlvergleich der Ist-Drehzahl des Wasserstoffmotors 2 beziehungsweise der Ist-Drehzahl Nist des Generators 3 mit der vorgegebenen Soll-Drehzahl Nsoll statt. Für diese Prüfung wird beispielsweise ein Toleranzbereich festgelegt, in welchem sich die Ist-Drehzahl Nist für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Generators 3 befinden soll. Dieser Toleranzbereich wird durch eine untere Drehzahlgrenze Nu und eine obere Drehzahlgrenze No gebildet. Somit gilt für den ordnungsgemäßem Betrieb des Wasserstoffmotors 2 beziehungsweise des Generators 3 N u < N ist < N o .

Figure DE102020002276A1_0001
In step 28 finds a speed comparison of the actual speed of the hydrogen engine 2 or the actual speed N ist of the generator 3 with the predetermined target rotational speed N is to take. For this test, for example, a tolerance range is defined in which the actual speed N ist for proper operation of the generator 3 should be located. This tolerance range is formed by a lower speed limit N u and an upper speed limit N o . Thus applies to the proper operation of the hydrogen engine 2 or the generator 3 N u < N is < N O .
Figure DE102020002276A1_0001

Wird bei der Drehzahlprüfung im Schritt 28 festgestellt, dass die Ist-Drehzahl Nist der Soll-Drehzahl Nsoll entspricht oder dass die Ist-Drehzahl Nist in dem festgelegten Toleranzbereich liegt, wird die zu dosierende Menge an Wasserstoff und/oder an Sauerstoff nicht verändert und das Verfahren im Schritt 32 beendet.Used when checking the speed in step 28 determined that the actual speed N is the target rotational speed N will equal or that the actual speed N is located in the specified tolerance range, which does not change to be metered amount of hydrogen and / or oxygen and the process of step 32 completed.

Wird bei der Drehzahlprüfung im Schritt 28 festgestellt, dass die Ist-Drehzahl Nist nicht der Soll-Drehzahl Nsoll entspricht, wird im nachfolgenden Schritt 29 in einer Abweichungsprüfung festgestellt, ob die Ist-Drehzahl Nist über der oberen Grenze No oder unterhalb der unteren Grenze Nu liegt.Used when checking the speed in step 28 determined that the actual rotational speed N is not the target rotational speed N corresponds to, is in the subsequent step 29 In a deviation check, it was determined whether the actual speed N act is above the upper limit N o or below the lower limit N u .

Ist die Ist-Drehzahl Nist über der oberen Grenze No, wird das Verfahren im Schritt 30 mit einer Verringerung der Dosierung fortgesetzt und die Zufuhr von Wasserstoff und/oder an Sauerstoff verringert.If the actual speed N ist above the upper limit N o , the method in step 30th continued with a decrease in dosage and decreased the supply of hydrogen and / or oxygen.

Ist die Ist-Drehzahl Nist unter der unteren Grenze Nu, wird das Verfahren im Schritt 31 mit einer Erhöhung der Dosierung fortgesetzt und die Zufuhr von Wasserstoff und/oder Sauerstoff wird erhöht.If the actual speed N ist is below the lower limit N u , the method in step 31 continued with an increase in the dosage and the supply of hydrogen and / or oxygen is increased.

Alternativ wird nur die Zufuhr von Wasserstoff oder nur die Zufuhr von Sauerstoff verfahrensgemäß verringert oder erhöht. Die entsprechende zugehörige Dosierung des jeweiligen andere Stoffs kann mittels eines vom erfindungsgemäßen Verfahren unabhängigen Verfahren erfolgen. Dieses vom erfindungsgemäßen Verfahren unabhängigen Verfahren dosiert den jeweiligen anderen Stoff in Abhängigkeit eines für eine ordnungsgemäße Verbrennung im Brennraum 9 notwendigen Mischungsverhältnis.Alternatively, only the supply of hydrogen or only the supply of oxygen is reduced or increased according to the method. The corresponding associated dosage of the respective other substance can be carried out by means of a method that is independent of the method according to the invention. This method, which is independent of the method according to the invention, doses the respective other substance as a function of one for proper combustion in the combustion chamber 9 necessary mixing ratio.

Die Verringerung im Schritt 30 sowie die Erhöhung im Schritt 31 wird beispielsweise in vorgegebenen Schritten durchgeführt. Hierfür können Werte in einer Tabelle hinterlegt werden. Beispielsweise kann eine derartige Änderung der Dosierung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff in Schritten zwischen 0,5 % und 25 % erfolgen. Für den Fall, dass die Abtastrate entsprechend klein ist und somit die Häufigkeit der Vergleiche der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl in sehr kleinen Zeitabschnitten wiederholt wird, sind auch Schritte kleiner 0,5 % möglich.The reduction in the crotch 30th as well as the increase in the crotch 31 is carried out, for example, in predetermined steps. For this purpose, values can be stored in a table. For example, such a change in the dosage of hydrogen and / or oxygen can take place in steps between 0.5% and 25%. In the event that the sampling rate is correspondingly low and thus the frequency of comparing the actual speed with the target speed is repeated in very small time segments, steps smaller than 0.5% are also possible.

In einer Alternative kann im Schritt 29 nicht nur geprüft werden, ob sich die Ist-Drehzahl Nist außerhalb des Toleranzbereichs befindet, sondern welche absolute Abweichung zwischen der Ist-Drehzahl Nist und der geforderten Soll-Drehzahl Nsoll aktuell auftritt. Mittels dieser absoluten Abweichung kann eine Auswahl von möglichen Schritten zur Änderung der Dosierung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff erfolgen. So wird ein größerer Schritt der Änderung der Dosierung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff für den Fall gewählt, dass die absolute Abweichung zwischen der Ist-Drehzahl Nist und der geforderten Soll-Drehzahl Nsoll größer ist und umgekehrt.In an alternative, the step 29 It is not only checked whether the actual speed N act is outside the tolerance range, but what absolute deviation between the actual speed N is and the required target speed N set is currently occurring. This absolute deviation can be used to select possible steps for changing the dosage of hydrogen and / or oxygen. Thus, a larger step of changing the dosage of hydrogen and / or oxygen is chosen for the case that the absolute deviation between the actual rotational speed N and the required target speed N will be greater and vice versa.

Die Messung der Ist-Drehzahl Nist erfolgt mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten üblichen Verfahrens zur Drehzahlmessung, welches beispielsweise auch als ein berührungslos arbeitendes Verfahren zur Drehzahlmessung ausgeführt sein kann.The actual speed N act is measured by means of a conventional method for speed measurement known from the prior art, which, for example, can also be implemented as a contactless method for speed measurement.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
StromversorgungsanlagePower supply system
22
WasserstoffmotorHydrogen engine
33
Generatorgenerator
44th
elektrische Leitungelectrical line
55
StromversorgungsnetzPower grid
66th
VerbindungswelleConnecting shaft
77th
DrehmomentTorque
88th
BetriebsgaszuführungseinrichtungOperating gas supply device
99
BrennraumCombustion chamber
1010
WasserstoffzuführungseinrichtungHydrogen supply device
1111
Zündkerze / GlühkerzeSpark plug / glow plug
1212th
AuslassvorrichtungOutlet device
1313th
Betriebsgaszirkulationsweg für das umlaufende ArbeitsmediumOperating gas circulation path for the circulating working medium
1414th
BetriebsgaskühlerOperating gas cooler
1515th
KondensatleitungCondensate line
1616
Kondensat-AuffangbehälterCondensate collecting tank
1717th
BetriebsgasversorgungseinrichtungOperating gas supply device
1818th
BetriebsgaszuführungsleitungOperating gas supply line
1919th
erstes Ventilfirst valve
2020th
WasserstoffversorgungseinrichtungHydrogen supply device
2121
WasserstoffzuführungsleitungHydrogen supply line
2222nd
SauerstoffversorgungseinrichtungOxygen supply device
2323
SauerstoffzuführungsleitungOxygen supply line
2424
zweites Ventilsecond valve
2525th
Startbegin
2626th
ZustandsprüfungHealth check
2727
Prüfung EndsequenzExamination of the end sequence
2828
DrehzahlvergleichSpeed comparison
2929
AbweichungsprüfungDeviation check
3030th
Verringerung der DosierungDecrease in dosage
3131
Erhöhung der DosierungIncreasing the dosage
3232
Endeend

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2007/100115 [0010]WO 2007/100115 [0010]
  • EP 1929144 [0014]EP 1929144 [0014]

Claims (10)

Stromerzeugungsanlage (1), welche einen elektrischen Generator (3) und eine Antriebseinheit zum Antreiben des elektrischen Generators (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit ein drehzahlgeregelter Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation ist.Power generation plant (1) which has an electric generator (3) and a drive unit for driving the electric generator (3), characterized in that the drive unit is a speed-controlled hydrogen engine (2) with operating gas circulation. Stromerzeugungsanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation und dem elektrischen Generator (3) eine Verbindungswelle zur Übertragung einer vom Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation erzeugten Drehbewegung auf den elektrischen Generator (3) angeordnet ist.Power generation plant (1) according to Claim 1 , characterized in that between the hydrogen engine (2) with operating gas circulation and the electric generator (3) a connecting shaft for transmitting a rotary movement generated by the hydrogen engine (2) with operating gas circulation to the electric generator (3) is arranged. Verfahren zur Drehzahlregelung einer Antriebseinheit in einer Stromversorgungsanlage (1), welche mit einem elektrischen Generator (3) zur Stromerzeugung bereitgestellt wird, bei welchem eine Ist-Drehzahl des elektrischen Generators (3) oder der Antriebseinheit bestimmt wird und bei welchem eine Regelung der Ist-Drehzahl auf eine vorgegebene Soll-Drehzahl erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass als Antriebseinheit ein den elektrischen Generator (3) antreibender drehzahlgeregelter Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation bereitgestellt wird und dass zur Regelung auf die vorgegebene Soll-Drehzahl eine Veränderung des dem Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation zugeführten Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs erfolgt.Method for regulating the speed of a drive unit in a power supply system (1) which is provided with an electric generator (3) for generating electricity, in which an actual speed of the electric generator (3) or the drive unit is determined and in which a regulation of the actual Speed is carried out to a predetermined target speed, characterized in that a speed-controlled hydrogen motor (2) driving the electric generator (3) with operating gas circulation is provided and that for regulation to the predetermined target speed, a change in the hydrogen engine (2) takes place with operating gas circulation supplied operating gas-oxygen-hydrogen mixture. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl erfolgt, dass für den Fall, dass die Ist-Drehzahl und die Soll-Drehzahl übereinstimmen, keine Veränderung des dem Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation zugeführten Betriebsgas-Sauerstoff-Wasserstoffgemischs erfolgt, dass für den Fall, dass die Ist-Drehzahl kleiner als die Soll-Drehzahl ist, die zugeführte Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff erhöht wird und dass für den Fall, dass die Ist-Drehzahl größer als die Soll-Drehzahl ist, die zugeführte Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff verringert wird.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the actual speed is compared with the target speed, that in the event that the actual speed and the target speed match, there is no change in the operating gas-oxygen supplied to the hydrogen engine (2) with operating gas circulation Hydrogen mixture takes place that in the event that the actual speed is less than the target speed, the supplied amount of oxygen and / or hydrogen is increased and that in the event that the actual speed is greater than the target speed is, the amount of oxygen and / or hydrogen supplied is reduced. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Toleranzbereich für die Soll-Drehzahl mit einer unteren Drehzahlgrenze Nu und einer obere Drehzahlgrenze No gebildet wird.Procedure according to Claim 3 or 4th , characterized in that a tolerance range for the target speed is formed with a lower speed limit N u and an upper speed limit N o . Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nur für den Fall, dass die Ist-Drehzahl außerhalb des gebildeten Toleranzbereichs liegt, eine Veränderung der zugeführten Menge an Sauerstoff und/oder an Wasserstoff erfolgt.Procedure according to Claim 5 , characterized in that only in the event that the actual speed is outside the tolerance range formed, a change in the amount of oxygen and / or hydrogen supplied takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl kontinuierlich in festgelegten Zeiteinheiten erfolgt.Method according to one of the Claims 3 until 6th , characterized in that the comparison of the actual speed with the target speed takes place continuously in fixed time units. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich der Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl nur für den Fall erfolgt, dass der Wasserstoffmotor (2) mit Betriebsgaszirkulation in einer Betriebsphase ist.Method according to one of the Claims 3 until 7th , characterized in that the comparison of the actual speed with the target speed only takes place in the event that the hydrogen engine (2) with operating gas circulation is in an operating phase. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Drehzahl des elektrischen Generators (3) 1500 1/min beträgt und dass der elektrische Generator (3) bei dieser Soll-Drehzahl seine elektrische Energie mit einer Netzfrequenz von 50 Hz erzeugt.Method according to one of the Claims 3 until 8th , characterized in that the target speed of the electric generator (3) is 1500 1 / min and that the electric generator (3) generates its electrical energy at this target speed with a mains frequency of 50 Hz. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die vom elektrischen Generator (3) erzeugte elektrische Energie in ein Stromversorgungsnetz (5) eingespeist wird.Method according to one of the Claims 3 until 9 , characterized in that the electrical energy generated by the electrical generator (3) is fed into a power supply network (5).
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