DE10339880B3 - Operating force-heat coupling system involves regulating oil circuit oil temperature and utilizing very high bearing temperature by controlling speed-regulated pump - Google Patents

Operating force-heat coupling system involves regulating oil circuit oil temperature and utilizing very high bearing temperature by controlling speed-regulated pump Download PDF

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Abstract

The method involves regulating the oil temperature in the oil circuit according to a screw engine (1) bearing temperature. The regulator (9) utilizes a very high bearing temperature by controlling at least one revolution rate-regulated pump in the oil circuit and/or in the circuit to at least one thermal load (7) without exceeding a specified desired value for the maximum permissible bearing temperature. An independent claim is also included for the following: (a) a device for implementing the inventive method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a method for operating a combined heat and power plant according to the preamble of claim 1.

Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW), sind dezentrale, meistens mit Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Die bei der Verbrennung über die Kühlmedien ausgetragene Wärme wird dabei möglichst vollständig zur Beheizung geeigneter Objekte genutzt. Zur Deckung des Wärmebedarfs eines Objektes wird ein BHKW üblicherweise durch weitere Komponenten wie Spitzenkessel oder Wärmespeicher ergänzt.Attachments for combined heat and power, so-called combined heat and power plants (CHP), are decentralized, mostly Power generating plants driven by internal combustion engines with simultaneous use of waste heat. The over-burning the cooling media discharged heat will be possible Completely used for heating suitable objects. To cover the heat requirement An object becomes a CHP usually through other components such as tip boiler or heat storage added.

Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen werden nach dem Wärme- oder Strombedarf gefahren. Wenn nur eine begrenzte elektrische Leistung erzeugt werden soll und die gleichzeitig anfallende Wärme sicher genutzt werden kann, legt man die Anlage nach dem Strombedarf aus und benötigt die elektrische Leistung als Führungsgröße. Dabei kann die Stromerzeugung mit Synchron- oder Asynchrongeneratoren erfolgen. Synchronanlagen erlauben – im Gegensatz zu Asynchronanlagen – neben dem Netzparallelbetrieb auch einen Netzersatz- oder Inselbetrieb. Weiterhin nutzen die Energieversorgungsunternehmen ihre Blockheizkraftwerke zur Deckung des Spitzenlastbedarts. Durch Fernwirkanlagen werden sie in kürzester Zeit ans Netz geschaltet.Cogeneration plants be after the heat or electricity demand. If only limited electrical power should be generated and used simultaneously the resulting heat safely can be set, you put out the system according to the power requirements and requires the electrical power as a reference variable. there can generate power with synchronous or asynchronous generators respectively. Synchronous systems allow - in contrast to asynchronous systems - in addition the grid parallel operation also a net replacement or island operation. Continue to use the power companies cover their combined heat and power plants to cover of peak load requirement. Through telecontrol systems, they will be in the shortest possible time Time connected to the grid.

Die gattungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage besitzt einen in einen beliebigen Dampfkreislauf eingebundenen Schraubenmotor zum Antrieb eines Generators. Dabei ist auch die Kombination mehrerer Schraubenmotoren, beispielsweise auf Hochdruck- und Niederdruckdampf ausgelegt, möglich. In diesem Fall ist der Generator über ein Getriebe an die Schraubenmotoren gekoppelt. Im Dampfkreislauf befinden sich weiterhin Dampferzeuger, Speisewasserpumpe, Speisewasserbehälter und Kondensator. Zur Kühlung der Lagerstellen des Schraubenmotors und Wärmeabgabe an mindestens einen Wärme verbraucher dient ein Ölkreislauf. Eine Regeleinrichtung ist für die Drehzahl des Generators sowie die Leistung über die dem Schraubenmotor zugeführte Dampfmenge vorgesehen und eine weitere sorgt für die Wärmeabgabe an den mindestens einen Wärmeverbraucher.The generic combined heat and power plant has a screw motor integrated in any steam cycle for driving a generator. It is also the combination of several Screw motors, for example, on high pressure and low pressure steam designed, possible. In this case, the generator is via a gearbox to the screw motors coupled. In the steam cycle are still steam generator, feedwater pump, Feedwater tank and capacitor. For cooling the bearing points of the screw motor and heat dissipation to at least one Heat consumer serves an oil circuit. A control device is for the speed of the generator and the power over the screw motor supplied Steam quantity provided and another ensures the heat transfer to the at least a heat consumer.

Schraubenmotoren sind allgemein als Entspannungsmaschinen für Gase und Dämpfe aus dem Chemieanlagenbau bekannt. Dagegen kamen bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen bisher hauptsächlich dampfbetriebene Kolbenmaschinen zur Anwendung. Schraubenmotoren gehören in die Gruppe der mehrwelligen Rotationsverdrängetmaschinen. Sie besitzen zwei schrägverzahnte, rotierende Wellen mit Gleitlagerung, die von einem Gehäuse eng umschlossen werden. Das Arbeitsspiel entspricht etwa dem eines ventillosen Zweitakt-Hubkolbenmotors und der Arbeitsraum wird durch den Zahnlückentaum der Rotoren sowie das Gehäuse gebildet. Dampf als Arbeitsfluid strömt durch den Einlass in einen Profillückentaum ein und bei fortschreitender Umdrehung wächst das Volumen der Profillücke. Der Füllvorgang ist beendet, wenn dieser Raum bei weiterer Rotordrehung vom Einlassquerschnitt des Gehäuses vollständig getrennt wird. Durch den Expansionsvorgang drehen sich die Rotoren im Sinne einer Profillückenzunahme, bis die Rotorzahnköpfe die Auslassgehäusekanten überfahren. Bei weiterer Umdrehung wird das Arbeitsfluid nach beendeter Expansion aus dem Profilückenraum verdrängt. Das beschriebene Arbeitsspiel läuft, je nach Zähnezahl des Hauptrotors, mehrmals pro Umdrehung ab.screw motors are commonly used as relaxation machines for gases and vapors from the Chemieanlagenbau known. On the other hand came in combined heat and power plants so far mainly steam-powered piston machines for use. screw motors belong into the group of multi-shaft rotary displacement machines. You own two helical, rotating shafts with plain bearings, which are closely enclosed by a housing become. The working cycle corresponds approximately to that of a valveless two-stroke reciprocating engine and the working space is characterized by the gap of the rotors as well the housing educated. Steam as the working fluid flows through the inlet into one Profillückentaum As the revolution progresses, the volume of the profile gap increases. The filling process is finished when this room at further rotor rotation of the inlet cross-section of the housing Completely is disconnected. Through the expansion process, the rotors rotate in the sense of a profile gap increase, until the rotor tooth heads drive over the outlet housing edges. Upon further rotation, the working fluid after completion of expansion from the profile gap space repressed. The described working game is running, depending on the number of teeth of the main rotor, several times per turn.

Ein Dampfschraubenmotor bietet die Möglichkeit zur Energiewandlung von Wärmepotenzialen auf niedrigem Temperaturniveau. Durch den robusten Aufbau der Maschine ergeben sich nur geringe Anforderungen an die Dampfqualität, so dass eine Expansion bis weit in das Nassdampfgebiet möglich ist. Daher kann ein Dampfschraubenmotor auch als Energiewandler in Sattdampf- und Nassdampfprozessen, also einem für Turbinen nicht zugänglichen Bereich, eingesetzt werden.One Steam screw motor offers the possibility on the energy conversion of heat potentials low temperature level. Due to the robust construction of the machine There are only small requirements for the steam quality, so that an expansion far into the wet steam area is possible. Therefore, a steam screw motor also as an energy converter in saturated steam and wet steam processes, ie one for Turbines inaccessible area, be used.

Für einen günstigen Wirkungsgrad der gattungsgemäßen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist es unter anderem wichtig, dass ein eingesetzter Schraubenmotor immer mit möglichst großer Leistung läuft. Begrenzt ist die Leistung, abhängig vom jeweiligen Betriebszustand der Anlage, im Wesentlichen durch die Lagertemperaturen. Daher muss darauf geachtet werden, dass immer eine ausreichende Ölschmierung und -kühlung durch Wärmeabgabe an Wärmeverbraucher sichergestellt ist.For one Great Efficiency of the generic combined heat and power plant Among other things, it is important that an inserted screw motor always with as possible greater Performance is running. Limited is the performance, dependent from the respective operating condition of the plant, essentially by the Storage temperatures. Therefore, care must be taken that always adequate oil lubrication and cooling by heat release to heat consumers is ensured.

Aus der DE 43 34 558 A1 ist eine auf einem Verfahren zum Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage basierende Wärmekraftanlage mit Dampfeinblasung und Hochdruckexpansionsmaschine bekannt. Diese besteht insbesondere aus einem Dampferzeuger, einem Dampf-Kreislauf sowie mindestens einem in einen Dampfkreislauf eingebundenen Schraubenmotor zum Antrieb mindestens eines Generators.From the DE 43 34 558 A1 For example, there is known a steam injection and high pressure expansion engine thermal power plant based on a method of operating a combined heat and power plant. This consists in particular of a steam generator, a steam cycle and at least one integrated in a steam cycle screw motor for driving at least one generator.

Weiterhin offenbart die DD 209 229 ein Verfahren zum Steuern der Schmiermitteltemperatur in Brennkraftmaschinen, welche einen Ölkreislauf zur Kühlung der Lagerstellen einer angetriebenen Maschine besitzen, und wobei eine Regeleinrichtung für die Drehzahl des Generators sowie der Leistung über die der angetriebenen Maschine zugeführten Dampfmenge vorgesehen ist. Dabei wird die Öltemperatur im Ölkreislauf nach der Lagertemperatur an der angetriebenen Maschine geregelt. Dies erfolgt nach zulässigen Grenzwerten für den Schmierungszustand der Lager- und Schmierstellen.Furthermore, the disclosure DD 209 229 a method for controlling the lubricant temperature in internal combustion engines having an oil circuit for cooling the bearing points of a driven machine, and wherein a controller for the speed of the generator and the power over the amount of steam supplied to the driven machine is provided. The oil temperature in the oil circuit is regulated according to the storage temperature at the driven machine. This is done according to permissible limits for the lubrication condition of the bearing and lubrication points.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, den Wirkungsgrad einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere mit einem in einen Dampfkreislauf eingebundenen Schraubenmotor zum Antrieb eines Generators und einem Ölkreislauf zur Kühlung der Lagerstellen des Schraubenmotors, zu verbessern.Of the The invention is therefore based on the object, the efficiency of a Cogeneration plant in particular with a motor integrated into a steam cycle for the Drive a generator and an oil circuit to cool the Bearings of the screw motor to improve.

Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.According to the invention this is solved with the features of claim 1. Advantageous developments are the dependent claims refer to.

Das Verfahren zum Betrieb einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Öltemperatur im Ölkreislauf nach der Lagertemperatur geregelt wird, um im jeweiligen Betriebszustand immer den maximal möglichen Wirkungsgrad zu erzielen.The Method for operating a cogeneration plant is characterized characterized in that the oil temperature in the oil circuit is regulated according to the storage temperature, in the respective operating state always the maximum possible Efficiency to achieve.

Dazu ist in der Regeleinrichtung für die Drehzahl des Generators sowie der Leistung und/oder der Regeleinrichtung für die Wärmeabgabe an mindestens einen Wärmeverbraucher ein Sollwert für die maximal zulässige Lagertemperatur vorzugeben. Dieser Sollwert ergibt sich aus Versuchen oder Herstellerangaben. Er kann auch automatisch, abhängig vom Betriebszustand, vom Regler vorgegeben werden.To is in the regulator for the speed of the generator and the power and / or the control device for the heat to at least one heat consumer a setpoint for the maximum allowable Preset storage temperature. This setpoint results from trials or manufacturer's information. He can also automatically, depending on Operating state, specified by the controller.

Die Regeleinrichtung nutzt durch das Ansteuern mindestens einer drehzahlgeregelten Pumpe im Ölkreislauf und/oder im Kreislauf zu mindestens einem Wärmeverbraucher eine möglichst hohe Lagertemperatur am Schraubenmotor aus, ohne dabei den vorzugebenden Sollwert für die maximal zulässige Lagertemperatur zu überschreiten.The Control device uses by controlling at least one speed-controlled Pump in the oil circuit and / or in the circulation to at least one heat consumer one possible high storage temperature on the screw motor, without doing the vorzugebenden Setpoint for the maximum allowable Storage temperature to exceed.

Bei einer Ausführungsvariante ist an jeder Lagerstelle des Schraubenmotors ein Temperaturfühler angeordnet. Dabei fließt ein Mittelwert aller gemessenen Lagertemperaturen und/oder der jeweils höchste Messwert in die Regelung als Wert für die Lagertemperatur ein und gilt alternativ oder ergänzend zu einem einzigen Sollwert für die maximal zulässige Lagertemperatur. Sobald der mindestens eine Wärmeverbraucher keine oder nur wenig Wärme abnimmt, leitet die Regeleinrichtung die Wärme aus dem Ölkreislauf und dem Kondensator an eine Kühleinrichtung ab.at an embodiment variant At each bearing point of the screw motor, a temperature sensor is arranged. It flows an average of all measured storage temperatures and / or the highest measured value into the scheme as a value for the storage temperature and applies as an alternative or in addition to a single setpoint for the maximum allowable Storage temperature. Once the at least one heat consumer no or only little heat decreases, the controller derives the heat from the oil circuit and the condenser to a cooling device from.

Zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Regelverfahrens ist an jeder Lagerstelle des Schraubenmotors ein Temperaturfühler angeordnet oder es befindet sich nur ein Temperaturfühler an der Lagerstelle des Schraubenmotors mit der höchsten Wärmebelastung.to execution of the control method described above is at each storage location the screw motor, a temperature sensor arranged or it is only a temperature sensor at the bearing point of the screw motor with the highest heat load.

Mit der Erfindung steht ein einfaches Verfahren zur Verfügung, mit dem der Wirkungsgrad einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere mit einem in einen Dampfkreislauf eingebundenen Schraubenmotor und einem Ölkreislauf zur Kühlung der Lagerstellen des Schraubenmotors, verbessert wird. Die Wirkungsgrad-Vorteile zeigen sich bei einer derartigen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage besonders im Winter, weil dann die Vorlauftemperatur im Kreislauf zu einem Wärmeverbraucher hoch und die Rücklauftemperatur niedrig ist. Dies begünstigt eine maximale Durchströmung im Ölkreislauf und lässt hohe Leistungen des Schraubenmotors zu. Gleichzeitig werden mögliche Schäden am Schraubenmotor durch Überhitzungen ausgeschlossen.With The invention is a simple method available, with the efficiency of a cogeneration plant, in particular with an integrated in a steam cycle screw motor and an oil circuit for cooling the Bearing points of the screw motor, is improved. The efficiency advantages show up in such a combined heat and power plant particularly in winter, because then the flow temperature in the circuit to a heat consumer high and the return temperature is low. This favors a maximum flow in the oil circuit and leaves high Performances of the screw motor to. At the same time possible damage to the screw motor due to overheating locked out.

Der anlagentechnische Aufwand für das Regelverfahren ist relativ gering, denn schon gängige Temperaturfühler reichen zur Erfassung der Lagertemperatur aus. Trotzdem wird ein sehr genaues Mess-, Überwachungs- und Regelverfahren geschaffen, weil die Temperatur der Lagerstellen charakteristisch für den Betriebszustand bzw. die Belastung des ansonsten fast wartungsarmen Schraubenmotors ist.Of the plant technical expenditure for The control method is relatively low, because already common temperature sensors are sufficient for detecting the storage temperature. Nevertheless, a very accurate measuring, monitoring and and control method created because the temperature of the bearings characteristic of the operating state or the load of otherwise almost low maintenance Screw motor is.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur den schematischen Aufbau einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The Drawing represents an embodiment of Invention represents and shows in a single figure the schematic Construction of a combined heat and power plant to carry out the method according to the invention.

Die gattungsgemäße Kraft-Wärme-Kopplungsanlage besteht im Wesentlichen aus einem in einen Dampfkreislauf eingebundenen Schraubenmotor 1 zum Antrieb eines Generators 2. Im Dampfkreislauf wird Wasser aus einem Speisewasserbehälter 3 von einer Speisewasserpumpe 4 in einen Dampferzeuger 5 gefördert. Dann gelangt der Dampf in den Schraubenmotor 1, wird dort entspannt und strömt zum Kondensator 6. Dort erfolgt mit der Kondensation der Wärmeübergang an mindestens einen Kreislauf zu einem Wärmeverbraucher 7. Auch ein nicht dargestellter Ölkreislauf zur Kühlung der Lagerstellen des Schraubenmotors 1 gibt Wärme an den Kreislauf zu einem Wärmeverbraucher 7 ab.The generic combined heat and power plant consists essentially of an integrated into a steam cycle screw motor 1 for driving a generator 2 , In the steam cycle water from a feedwater tank 3 from a feedwater pump 4 into a steam generator 5 promoted. Then the steam gets into the screw motor 1 , relaxes there and flows to the condenser 6 , There, with the condensation of the heat transfer to at least one circuit to a heat consumer 7 , Also, an unillustrated oil circuit for cooling the bearings of the screw motor 1 gives heat to the circuit to a heat consumer 7 from.

Eine mit einem Temperaturfühler 8 an einer Lagerstelle des Schraubenmotors 1 verknüpfte Regeleinrichtung 9 sorgt für die richtige Drehzahl des Generators 2, die geforderte Leistung des Schraubenmotors 1 und für die entsprechende Wärmeabgabe an mindestens einen Wärmeverbraucher 7 im jeweiligen Betriebszustand.One with a temperature sensor 8th at a bearing point of the screw motor 1 linked control device 9 ensures the correct speed of the generator 2 , the required power of the screw motor 1 and for the corresponding Wärmeabga Be at least one heat consumer 7 in the respective operating state.

Claims (6)

Verfahren zum Betrieb einer Kraft-Warme-Kopplungsanlage, besteht aus einem Dampferzeuger, einem Dampfkreislauf mit Speisewasserpumpe, Speisewasserbehälter und Kondensator, mindestens einem in den Dampfkreislauf eingebundenen Schraubenmotor zum Antrieb mindestens eines Generators, einem Ölkreislauf zur Kühlung von Lagerstellen des Schraubenmotors und Wärmeabgabe an mindestens einen Wärmeverbraucher, einer Regeleinrichtung (9) für die Drehzahl des Generators sowie der Leistung über die dem Schraubenmotor zugeführte Dampfmenge und einer Regeleinrichtung für die Wärmeabgabe an den mindestens einen Wärmeverbraucher, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öltemperatur im Ölkreislauf nach ein Lagertemperatur am Schraubenmotor (1) geregelt wird.Method for operating a combined heat and power plant, consists of a steam generator, a steam cycle with feed water pump, feed water tank and condenser, at least one integrated in the steam cycle screw motor for driving at least one generator, an oil circuit for cooling bearings of the screw motor and heat to at least one Heat consumer, a control device ( 9 ) for the rotational speed of the generator and the power over the screw motor supplied amount of steam and a control device for the heat to the at least one heat consumer, characterized in that an oil temperature in the oil circuit after a storage temperature at the screw motor ( 1 ) is regulated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (9) durch das Ansteuern mindestens einer drehzahlgeregelten Pumpe im Ölkreislauf und/oder im Kreislauf zu mindestens einem Wärmeverbraucher (7) eine möglichst hohe Lagertemperatur am Schraubenmotor (1) ausnutzt, ohne dabei einen vorzugebenden Sollwert für die maximal zulässige Lagertemperatur zu überschreiten.Method according to claim 1, characterized in that the control device ( 9 ) by controlling at least one speed-controlled pump in the oil circuit and / or in the circuit to at least one heat consumer ( 7 ) the highest possible storage temperature at the screw motor ( 1 ), without exceeding a predetermined setpoint for the maximum allowable storage temperature. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Lagerstelle des Schraubenmotors (1) ein Temperaturfühler (8) angeordnet ist, wobei ein Mittelwert aller gemessenen Lagertemperaturen und/oder der jeweils höchste Messwert in die Regelung als Wert für die Lagertemperatur einfließt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that at each bearing point of the screw motor ( 1 ) a temperature sensor ( 8th ), wherein an average value of all measured storage temperatures and / or the respectively highest measured value flows into the control as a value for the storage temperature. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (9) die Wärme an eine Kühleinrichtung ableitet, sobald mindestens ein Wärmeverbraucher (7) keine oder nur wenig Wärme abnimmt.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the control device ( 9 ) derives the heat to a cooling device as soon as at least one heat consumer ( 7 ) no or little heat decreases. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Lagerstelle des Schraubenmotors (1) ein Temperaturfühler (8) angeordnet ist.Device for carrying out the method according to claims 1 to 4, characterized in that at each bearing point of the screw motor ( 1 ) a temperature sensor ( 8th ) is arranged. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Temperaturfühler (8) an der Lagerstelle des Schraubenmotors (1) mit der höchsten Wärmebelastung angeordnet ist.Device for carrying out the method according to claims 1 to 4, characterized in that only one temperature sensor ( 8th ) at the bearing point of the screw motor ( 1 ) is arranged with the highest heat load.
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