DE10229250B4

DE10229250B4 - Leistungssteuerung für Dampfkreisprozesse

Info

Publication number: DE10229250B4
Application number: DE10229250A
Authority: DE
Inventors: Michael Hoetger
Original assignee: Amovis GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: DE10229250A1

Abstract

Dampfkreisprozess (10) enthaltend
(a) Mittel zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms, welche mit unterschiedlicher Leistung betreibbar sind,
(b) einen von dem Rauchgasstrom beaufschlagten Dampferzeuger (12),
(c) eine Pumpe (16) zur Erzeugung eines Massenstroms eines Arbeitsmediums in dem Dampferzeuger (12), und
(d) eine Expansionsmaschine (14) mit Einlass- und Auslassorganen an einer abgeschlossenen Expansionskammer mit veränderlichem Volumen, welches von einem beweglichen Kolben begrenzt wird, zur Expansion des Volumens unter Arbeitsleistung,
gekennzeichnet durch
(e) Mittel (20) zur Einstellung des Massenstroms in dem Dampferzeuger (12) auf einen gewünschten Wert und
(f) Mittel zur Optimierung des Wirkungsgrads, bei denen die Leistung der Mittel zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms und der durch die Pumpe (16) geförderte Arbeitsmittelmassenstrom jeweils auf einen Wert regelbar sind, bei dem sich eine gewünschte Leistung der Expansionsmaschine einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dampfkreisprozess enthaltend Mittel zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms, welche mit unterschiedlicher Leistung betreibbar sind, einen von dem Rauchgasstrom beaufschlagten Dampferzeuger, eine Pumpe zur Erzeugung eines Massenstroms eines Arbeitsmediums in dem Dampferzeuger, und eine Expansionsmaschine mit Einlass- und Auslassorganen an einer abgeschlossenen Expansionskammer mit veränderlichem Volumen, welches von einem beweglichen Kolben begrenzt wird, zur Expansion des Volumens unter Arbeitsleistung.
Unter einer Expansionsmaschine soll hier eine Kraftmaschine verstanden werden, die mit einem gas- oder dampfförmigen Arbeitsmedium arbeitet. Das Arbeitsmedium steht unter Druck. Als Arbeitsmedium ist insbesondere Wasserdampf geeignet, der unter Abgabe von Arbeit entspannt wird. Eine Verbrennung findet außerhalb der Kraftmaschine statt, um das Wasser zu verdampfen. Zu unterscheiden sind davon Kraftmaschinen mit innerer Verbrennung, wie z.B. ein Zweitaktmotor, bei denen ein Brennstoff innerhalb der Kraftmaschine verbrannt wird. Bei solchen Expansionsmaschinen wird das Arbeitsmedium unter Druck in eine Expansionskammer eingeleitet. Die Expansionskammer ist von einem "Kolben" begrenzt. Der Druck des Arbeitsmediums wirkt auf den Kolben und bewegt diesen, wobei mechanische Arbeit abgegeben wird. Dabei vergrößert sich die Expansionskammer. Das Arbeitsmedium wird nach Maßgabe dieser Vergrößerung entspannt. Das entspannte Arbeitsmedium tritt dann nach einem bestimmten Weg des Kolbens an einem Auslass aus.
Die Expansionsmaschine kann eine Maschine sein, bei welcher sich ein Kolben linear in einem Zylinder bewegt und mechanische Arbeit über eine Kurbelwelle abgibt, wobei die Expansionskammer in dem Zylinder vor der Stirnfläche des Kolbens gebildet wird. Der "Kolben" kann aber auch ein "Rotationskolben" einer Rotationskolbenmaschine sein. Ein Beispiel einer als Rotationskolbenmaschine ausgebildeten Expansionsmaschine ist eine Flügelzellenmaschine. Weitere Beispiele sind der Wankelmotor, Schraubenverdichter und Roots- Maschinen. Eine Flügelzellenmaschine enthält ein Gehäuse, das eine Gehäusebohrung aufweist. Ein Rotor ist exzentrisch zu der Gehäusebohrung drehbar gelagert. Eine Mehrzahl von Flügelschiebern sind radial beweglich in dem Rotor geführt. Die Flügelschieber liegen an der Innenwandung der Gehäusebohrung an, so dass zwischen benachbarten Flügelschiebern, der Innenwandung und dem Rotor als Flügelkammern ausgebildete Expansionskammern gebildet sind. Über einen Einlass wird Arbeitsmedium unter Druck in einer Einlassposition jeder Expansionskammer, in welcher diese Expansionskammer ein relativ geringes Volumen hat, in diese Expansionskammer eingeleitet. Über einen Auslass tritt das entspannte Arbeitsmedium in einer Auslassposition jeder Expansionskammer, in welcher die Expansionskammer ein relativ großes Volumen hat, aus der Expansionskammer aus. Der "Kolben" ist hier der Rotor mit den Flügelschiebern. An der Welle des Rotors kann die mechanische Arbeit abgegriffen werden.
Die Erfindung wird der Anschaulichkeit halber nachstehend anhand einer solchen Flügelzellenmaschine erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Flügelzellenmaschine beschränkt.
Bei solchen Expansionsmaschinen sind verschiedene Bedingungen miteinander in Einklang zu bringen: Die bei jedem "Hub", also z. B. jeder Drehung einer Flügelkammer einer Flügelzellenmaschine aus der Einlassposition in die Auslassposition aufgenommene und expandierte Masse muss ausreichend groß sein. Weiterhin muss ein ausreichender Eingangsdruck vorliegen. Das ist der Druck, unter dem das Arbeitsmedium steht, wenn es über den Einlass in die Flügelkammer eingeleitet wird. Weiterhin ist ein Ausgangsdruck vorgegeben. Das ist z. B. Atmosphärendruck, bei welchem das Arbeitsmedium aus der Expansionskammer wieder austritt. Die Expansion des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine ist andererseits bestimmt durch das Verhältnis der Volumina der Expansionskammer in der Einlassposition und in der Auslassposition. Das sind rein geometrisch bestimmte Größen, die durch die Ausbildung des Kolbens und der Expansionskammer festgelegt sind. Die Expansionsmaschine arbeitet dann mit konstanter Leistung.
Die von einer Expansionskraftmaschine pro Zyklus abgegebene Arbeit ergibt sich bekanntermaßen aus einem p-V-Diagramm. Man kann zur Variation der Arbeit pro Zyklus einer Expansionskraftmaschine das Expansionsvolumen, also das Volumen auf welches das Arbeitsmedium expandiert wird, verändern. Das ist schwierig. Einfacher ist die Änderung des Einlassvolumens durch variable Steuerwinkel (Hubkolbenmaschinen) oder durch Änderung des Einlassdampfzustandes (Druck/Temperatur). Letzteres eignet sich vor allem bei reinen Strömungsmaschinen wie die Turbine.
Stand der Technik
Es ist bekannt, bei Strömungsmaschinen eine Einstellung unterschiedlicher Leistungen durch Variation des Einlassdampfdruckes bzw. der -temperatur zu ermöglichen.
Aus der DE 100 01 995 A1 ist ein Dampfkreisprozess bekannt, bei dem die Dampftemperatur von Frischdampf zum Betrieb einer mehrstufigen Dampfturbine geregelt wird. Bei dem beschriebenen Verfahren wird dem Frischdampf aus einem Abhitzekessel energiearmer Dampf mit veränderlichem Speisewassermassenstroms zugemischt. Dadurch kann eine Teillast in einem Verbundkraftwerk realisiert werden. Das Verbundkraftwerk arbeitet mit Dampfturbinen. Dabei handelt es sich um Strömungsmaschinen und nicht um Expansionsmaschinen mit einem abgeschlossenen, veränderlichen Volumen („Expansionskammer"), welches expandiert wird. Strömungsmaschinen arbeiten kontinuierlich ohne Expansionskammer und ohne Einlaßorgene. Sie sind daher prinzipiell mit anderen Probleme belastet als Expansionsmaschinen. Insbesondere arbeiten die als Wärmeerzeuger vorgesehenen Gasturbinen mit gleichbleibender Leistung.
Aus der DE 197 50 125 A1 ist eine Primärregelung eines Dampfkraftwerkblocks bekannt, die dazu dient, das Leistungsgleichgewicht aufrechtzuerhalten. Die hierfür eingesetzten Turbinen werden mit der Energie unterschiedlicher Energiespeicher in einer Reihenfolge beaufschlagt, bei der der Dampferzeuger und die Turbinen über ihre Lebensdauer möglichst wenig belastet werden.
Die Einstellung bei einer Expansionsmaschine erfolgt durch Einstellung der Brennerleistung und kann auf diese Weise an den Bedarf anpasst werden. Zur Verringerung der Leistung wird dem Brenner zum Beispiel weniger Brennstoff zugeführt und so die Brennerleistung verringert. Dadurch wird weniger Wärmeenergie auf das Arbeitmedium übertragen, wodurch Druck und Temperatur fallen. Umgekehrt kann zur Erhöhung der Leistung die Brennerleistung erhöht werden.
Die Einstellung der Leistung über den Brenner hat den Nachteil, dass die Werte nur mit sehr grober Einstellgenauigkeit verändert werden können. Weiterhin ist die Einstellung der Leistung träge, wodurch auch eine Regelung auf einen eingestellten Wert verlangsamt und erschwert wird. Die Brennertemperatur ist auch nur in vorgegebenen Grenzen steuerbar. Unterhalb einer Grenztemperatur ist keine ökonomische Verbrennung mehr möglich und der Schadstoffausstoß steigt stark an. Oberhalb einer oberen Grenztemperatur ist das Material zu stark belastet und auch hier steigt die Schadstoffbelastung.
Es ist weiterhin bekannt, die Leistungsregelung über ein Einlassorgan vorzunehmen. Der Brenner arbeitet mit konstanter maximaler Temperatur. Durch Steuerventile am Einlass der Expansionskammer wird dann der in die Expansionskammer eingelassene Massenstrom kontrolliert. Hierfür sind aufwendige Ventile und eine Steuermechanik erforderlich. Ein Versagen der Teile ist mit hohem Service-Aufwand verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Leistung einer Expansionsmaschine der eingangs genannten Art schnell und präzise bei hohem Wirkungsgrad zu verändern. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Mittel zur Einstellung des Massenstroms in dem Dampferzeuger auf einen gewünschten Wert und Mittel zur Optimierung des Wirkungsgrads, bei denen die Leistung der Mittel zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms und der durch die Pumpe geförderte Arbeitsmittelmassenstrom jeweils auf einen Wert regelbar sind, bei dem sich eine gewünschte Leistung der Expansionsmaschine einstellt. Die Leistung der Expansionsmaschine kann dann über die Förderleistung der Pumpe eingestellt werden. Dieser Vorgang ist erheblich schneller als die Einstellung mittels des Brenners. Dieser hat somit die Funktion, die Dampftemperatur auf einen voreingestellten Wert zu regeln. Die Förderleistung der Pumpe wird auf einen Wert eingestellt, welcher einer gewünschten Leistung bei der vorliegenden Dampftemperatur entspricht. Die Leistungssteuerung erfolgt zusätzlich mit dem Brenner. Die Feineinstellung über Massenstrom, d. h. mit der Förderleistung der Pumpe ermöglicht einen hohen Wirkungsgrad. Dies ist insbesondere bei solchen Maschinen vorteilhaft, bei denen das Volumen des Wärmetauschers klein ist. Weiterhin ist kein gesteuertes Einlassorgan erforderlich. Es braucht nur eine Expansionsmaschine verwendet werden, die geeignete Öffnungswinkel ihrer Expansionszylinder oder -zellen haben. Das erlaubt einen optimalen Füllgrad. Gegenüber üblichen Hubkolben- oder Wankelmotoren wird der Wirkungsgrad verbessert. Bei diesen würden bei ständig geöffneten Einlassorganen zu viel Dampf bis an den Steuerwinkel Auslass Öffnet ansaugen, so dass keine Expansion stattfindet und der gesamte Einlassdampf in den Auslass entweicht.
Zu jeder Leistung gibt es wenigstens eine Wertepaar aus gefördertem Massenstrom und Brennerleistung, bei welchem der Wirkungsgrad optimal ist. Diese Wertepaare können gespeichert oder auf andere Weise ermittelt werden und dienen dann als Sollwert bei der Regelung der Pumpenleistung und der Brennertemperatur. Die Leistung der Pumpe kann aber auch unabhängig von der Brennerleistung eingestellt werden. Dabei kann die Regelung auf der Pumpe über ihre Drehzahl oder den erzeugten Druck als Regelungsgrößen erfolgen.
Vorzugsweise ist die Expansionsmaschine eine Rotationskolben-Expansionsmaschine. Die Verwendung eines Rotationskolbens, insbesondere mit Flügelzellen, ermöglicht die Leistungseinstellung besonders effektiv und ohne große Wirkungsgradverluste, wie sie etwa bei Turbinen auftreten. Das Volumen wird durch die Kinematik dieser Maschine vom Einlass wegtransportiert und abgeschlossen. Die Leistungsregelung erfolgt ausschließlich über den Zustand des Arbeitsmediums.
Der Brenner kann als Porenbrenner ausgestaltet sein. Dieser kann mit einer Vielzahl von Brennstoffen arbeiten und ist aufgrund seiner Flexibilität auch zur Leistungseinstellung sehr gut geeignet. Es können aber auch andere Brenner, die mit unterschiedlicher Leistung betreibbar sind eingesetzt werden.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine Expansionsmaschine mit einstellbarer Pumpenleistung
2 zeigt einen typischen auf eine Temperatur geregelten Temperaturverlauf eines Brenners
3 zeigt einen typischen Druckverlauf bei Regelung der Förderleistung Pumpe auf zwei verschiedene Druckniveaus
4 zeigt einen typischen Leistungsverlauf, der zu dem Druckverlauf aus 3 und dem Temperaturverlauf aus 2 korrespondiert.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
In 1 ist schematisch der Dampfkreisprozess 10 einer Rotationskolben-Expansionsmaschine 10 dargestellt. Der Dampfkreisprozess umfasst eine Expansionsmaschine 14 und einen Durchlaufdampferzeuger 12. Der Durchlaufdampferzeuger 12 ist mit dem heißen Rauchgas eines Brenners beaufschlagt. Der Kreisprozess umfasst weiterhin eine drehzahlregelbare Speisewasserpumpe 16 und einen Kondensator 18. Der Durchlaufdampferzeuger 12 ist von Wasser oder Wasserdampf durchflossen. Das Wasser oder der Wasserdampf steht dabei unter einem erhöhten Druck, welcher von einer Pumpe 16 erzeugt wird. Dem Wasser oder Wasserdampf wird eine Wärmemenge Φ_H, aus dem Rauchgas zugeführt. Dadurch wird der Wasserdampf auf eine hohe Temperatur und ein höheres Druckniveau gebracht. Die innere Energie steigt. In einer Rotationskolbenmaschine 14 wird der Wasserdampf entspannt. Dabei sinkt der Druck wieder auf ein niedrigeres Druckniveau. Bei dieser Entspannung wird Arbeit frei.
Der entspannte Wasserdampf wird dann einem Kondensator 18 zugeführt, in welchem er kondensiert wird, damit das Wasser für den Kreisprozess weiter zur Verfügung steht. Dabei wird die Wärmemenge Φ_C frei. Das kondensierte Wasser wird erneut der Pumpe 16 zugeführt.
Die Förderleistung der Pumpe ist einstellbar. Dadurch ist der Massenstroms durch den Dampferzeuger 12 veränderbar. Bei unveränderter Brennertemperatur und Volumenänderung ändert sich die Leistung der Expansionsmaschine proportional zum Massenstrom. Durch Einstellmittel 20 kann die Leistung der Expansionsmaschine eingestellt werden. Die Einstellmittel wirken auf die Pumpe 16. Dabei wird eine Leistung vorgegeben und die Pumpe auf einen Wert geregelt, bei dem die gewünschte Leistung erzeugt wird. Dies ist durch eine gestrichelte Linie 21 dargestellt. Weiterhin wird das Brennstoff-Luft-Zufuhr zur Einstellung der Brennerleistung geregelt. Dies ist durch einen Pfeil 23 dargestellt.
In 2 ist ein Graph 22 dargestellt, der den Verlauf der Brennertemperatur über der Zeit darstellt. Die Brennertemperatur wird auf einen Wert T₁ geregelt. In 3 ist ein Graph 24 dargestellt, der den Verlauf des Drucks im Wärmetauscher 12 über der Zeit t darstellt. Der Druck p wird bis zu einem Zeitpunkt t₀ auf einen Wert p₂ geregelt. Dabei wird zunächst der tatsächliche Druck ermittelt und mit dem Sollwert p₂ verglichen. Liegt der tatsächliche Druck nicht innerhalb eines Intervalls um den Sollwert, so wird die Förderleistung der Pumpe 16 verändert, bis der tatsächliche Druck wieder innerhalb dieses Intervalls liegt.
Am Zeitpunkt t₀ wurde durch die Einstellmittel 20 die Leistung der Maschine auf einen niedrigeren Wert eingestellt. Über die Einstellmittel 20 wird nun ein neuer, niedrigerer Sollwert p₁ für den Druck im Wärmetauscher 12 ermittelt. Der tatsächliche Druck wird dann auf den neuen Sollwert ähnlich wie bei dem ursprünglichen Sollwert geregelt. Die Leistung W der Expansionsmaschine folgt dabei quasi ohne Verzögerung dem Druckverlauf im Wärmetauscher. Dies ist mit dem Verlauf der Leistung 26 in 4 dargestellt.
Wenn die Leistung über die Temperatur des Brenners und zugleich über den Druck im Wärmetauscher eingestellt werden soll, so wirken die Einstellmittel auch auf die Brennstoff/Sauerstoffzufuhr des Brenners. Für jede Leistung werden dann die Brennertemperatur und die Pumpenleistung eingestellt, bei der der optimale Wirkungsgrad der Maschine erreicht wird.

Claims

Dampfkreisprozess (10) enthaltend (a) Mittel zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms, welche mit unterschiedlicher Leistung betreibbar sind, (b) einen von dem Rauchgasstrom beaufschlagten Dampferzeuger (12), (c) eine Pumpe (16) zur Erzeugung eines Massenstroms eines Arbeitsmediums in dem Dampferzeuger (12), und (d) eine Expansionsmaschine (14) mit Einlass- und Auslassorganen an einer abgeschlossenen Expansionskammer mit veränderlichem Volumen, welches von einem beweglichen Kolben begrenzt wird, zur Expansion des Volumens unter Arbeitsleistung, gekennzeichnet durch (e) Mittel (20) zur Einstellung des Massenstroms in dem Dampferzeuger (12) auf einen gewünschten Wert und (f) Mittel zur Optimierung des Wirkungsgrads, bei denen die Leistung der Mittel zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms und der durch die Pumpe (16) geförderte Arbeitsmittelmassenstrom jeweils auf einen Wert regelbar sind, bei dem sich eine gewünschte Leistung der Expansionsmaschine einstellt.
Dampfkreisprozess nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine eine Rotationskolben-Expansionsmaschine (10) ist.
Dampfkreisprozess nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms ein Infrarotstrahlungsbrenner oder Porenbrenner ohne freie Flamme ist.
Dampfkreisprozess nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines heißen Rauchgasstroms einen Brenner umfassen und Mittel zur Einstellung des Brennstoff-Luft-Gemischmassenstroms zur Einstellung der Brennerleistung vorgesehen sind.