DE112012003006B4

DE112012003006B4 - Verfahren zum Betreiben einer stationären Kraftanlage sowie mit dem Verfahren betriebene stationäre Kraftanlage

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Publication number: DE112012003006B4
Application number: DE112012003006.0T
Authority: DE
Inventors: Friedrich Gruber; Günther Wall
Original assignee: GE Jenbacher GmbH and Co OHG
Current assignee: Innio Jenbacher GmbH and Co OG
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2012-07-13
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2032-07-14
Also published as: US20140116362A1; AT511734A1; DE112012003006A5; CN103717853B; CN103717853A; WO2013010195A1; AT511734B1; US8936005B2

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer stationären Kraftanlage (1) umfassend einen Gasmotor (2) mit mindestens einer Vorkammer (3) und mindestens einem Hauptbrennraum (4), wobei der stationären Kraftanlage (1) ein – insbesondere im Wesentlichen kontinuierlicher – Gasstrom (5) zugeführt wird, der ein schwer entflammbares Gas umfasst, und wobei in der stationären Kraftanlage (1) der Gasstrom (5) in einen Hauptstrom (5a) und in einen Teilstrom (5b) aufgeteilt wird, wobei der Hauptstrom (5a) dem mindestens einen Hauptbrennraum (4) zugeführt wird und wobei der Teilstrom (5b) zur Erhöhung der Entflammbarkeit aufbereitet und der mindestens einen Vorkammer (3) des Gasmotors (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der stationären Kraftanlage (1) ein Gasstrom (5) zugeführt wird, der eine erste laminare Flammengeschwindigkeit (V1) aufweist, die kleiner gleich 15 cm/s, vorzugsweise kleiner gleich 12 cm/s, besonders bevorzugt kleiner gleich 10 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 ist, wobei der Gasstrom (5) vor der Aufteilung in den Hauptstrom (5a) und in den Teilstrom (5b) in einer Gasvorbereitung behandelt wird, wobei durch die Gasvorbereitung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom (5) abgeschieden wird oder dem Gasstrom (5) zugeführt wird, und wobei durch die Gasvorbereitung dem Gasstrom (5) ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, zugeführt wird, falls die erste laminare Flammengeschwindigkeit (V1) größer als 10 cm/s ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer stationären Kraftanlage umfassend einen Gasmotor mit mindestens einer Vorkammer und mindestens einem Hauptbrennraum, wobei der stationären Kraftanlage ein – insbesondere im Wesentlichen kontinuierlicher – Gasstrom zugeführt wird, der ein schwer entflammbares Gas umfasst, sowie eine stationäre Kraftanlage, in der das vorgeschlagene Verfahren zum Einsatz kommt.
Schwer entflammbare Gase werden häufig auch als Low BTU (British thermal unit) Gase bezeichnet. Häufig handelt es sich dabei um Gase oder Gasgemische mit einem geringen Heizwert, der beispielsweise nur ein Drittel oder die Hälfte des Heizwertes von Methan beträgt. Solche Gase sind beispielsweise Begleitgase, die bei der Erdölförderung anfallen oder Gase aus methanarmen Erdgasquellen. Insbesondere wird als schwer entflammbares Gas ein Gas mit einem volumenbezogenen Heizwert von weniger als 22,3 Megajoule pro Normkubikmeter (MJ/Nm³) verstanden. Im Vergleich dazu weist ein typisches Erdgas der Qualitätskategorie H einen volumenbezogenen Heizwert von ca. 37 MJ/Nm³ auf.
Schwer entflammbare Gase weisen aufgrund ihres geringen Heizwertes oftmals eine zu geringe Zündwilligkeit bzw. Entflammbarkeit auf, sodass sie für einen direkten Betrieb einer Brennkraftmaschine nicht geeignet sind. So zeigt beispielsweise die US 2007/0209642 A1 eine Kraftanlage, der ein Low BTU-Gas zugeführt wird, wobei dem der Kraftanlage zugeführten Gasstrom in einem Gasmischer eine für ein solches Gas gegenüber heizwertstärkeren Gasen geringere Luftmenge zugeführt wird, um ein geeignetes Luft-Brennstoffverhältnis für einen Betrieb einer Brennkraftmaschine der Kraftanlage einzustellen.
Des Weiteren ist aus der EP 2 246 551 A1 ein Gasmotor bekannt, der als Brennstoff ein Gas mit niedrigem Heizwert mit einer Methankonzentration von 50% oder weniger verwendet. Der Gasmotor umfasst eine Hauptverbrennungskammer, in der ein Gasgemisch verbrannt wird, welches das Gas mit niedrigem Heizwert beinhaltet. Des Weiteren weist der Gasmotor eine Hilfsverbrennungskammer auf, die mit der Hauptverbrennungskammer durch ein Verbindungsloch verbunden ist. Der Gasmotor umfasst zudem eine in der Hilfsverbrennungskammer angeordnete Zündkerze zum Zünden des in die Hilfsverbrennungskammer gesprühten Gases mit niedrigem Heizwert. Dabei wird das Gasgemisch in der Hauptverbrennungskammer durch eine durch die Verbindungsöffnung ausgestoßene Zündflamme verbrannt. Weiter umfasst der Gasmotor eine PSA-Behandlungseinheit, um aus dem Gas mit niedrigem Heizwert durch Abscheiden von Verunreinigungen und inaktivem Gas ein Methangas mit hoher Methankonzentration zu gewinnen. Das Methangas mit hoher Methankonzentration wird in die Hilfsverbrennungskammer eingebracht, so dass es zum Erzeugen der Zündflamme durch die Zündkerze verbrannt wird.
Die DE 100 47 264 A1 offenbart ein Verfahren zur Nutzung von methanhaltigem Biogas, insbesondere von Deponiegas und Biogas aus Vergärungsanlagen oder Faulprozessen auf Kläranlagen. Das Biogas wird in einer Membrantrennanlage in zwei Gasströme getrennt. Der erste Gasstrom weist eine im Vergleich zur Biogaszusammensetzung höheren Methangehalt auf und wird als Brenngas zum Betrieb des Gasmotors eines Gasmotorgeneratorsatzes genutzt. Der zweite, mit CO₂ angereicherte Gasstrom wird in den das Biogas erzeugenden Prozess zurückgeführt.
Die DE 10 2008 032 864 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur begrenzten Anreicherung der Brenngasanteile, insbesondere Methan, in Eingangsgasen durch CO₂-Abscheidung mit Hilfe der Gaspermeation. Das Verfahren umfasst Beaufschlagen mindestens eines Gaspermeationsmoduls einer Membrantrennanlage mit zugeführtem Eingangsgas zur Teilabscheidung von CO₂ aus dem Eingangsgas unter Ausnutzung des CO₂-Partialdruckgefälles zwischen dem Eingangsgas und der Umgebungsluft. Dabei wird ein im Vergleich zum zugeführten Eingangsgas mit Methan angereichertes Produktgas mit weniger als 20 Vol.-% CO₂ und ein im Vergleich zum zugeführten Eingangsgas mit CO₂ angereichertes Trenngas mit mindestens 4 Vol.-% Methan erhalten. Des Weiteren umfasst das Verfahren die Schritte der energetischen Nutzung des Trenngases durch dessen Nachverbrennung und Weiterleitung des mit Brenngasanteilen angereicherten Produktgases zu einer Gasnetzeinspeiseanlage mit direkt angeschlossenen Verbrauchern oder zu einer Gasaufbereitungsanlage zur Erzeugung einer angestrebten hohen Konzentration von Brenngasen bei gleichzeitig starker Reduktion des CO2-Anteiles.
Aus der AT 410 007 B ist eine Zündeinrichtung für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen mehrzylindrigen Gasottomotor bekannt, welche pro Zylinder eine mit dem Hauptbrennraum oder mit einer Vorkammer desselben über ein Steuerventil zeitweise verbindbare Zündkammer aufweist. In der Zündkammer wird aus dem Hauptbrennraum bzw. der Vorkammer bei geöffnetem Ventil eintretendes, verdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet, wobei in die Zündkammer eine Gaszufuhrleitung zum Zuführen eines Gases oder Gasgemisches mündet.
Die DE 103 56 192 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Gasmotors, deren Brennraum ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird, das mittels einer Zündvorrichtung mit zugeordneter Vorkammer entzündet wird. Dabei ist der Brennkraftmaschine zusätzlich zu dem Kraftstoff ein Zusatzkraftstoff in Form von Wasserstoff zuführbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte stationäre Kraftanlage anzugeben, durch das bzw. durch die der Betrieb einer Brennkraftmaschine der stationären Kraftanlage, insbesondere eines Gasmotors, mit einem der stationären Kraftanlage zugeführten Gasstrom, der ein schwer entflammbares Gas umfasst, ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird beim vorgeschlagenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der stationären Kraftanlage ein Gasstrom zugeführt wird, der eine erste laminare Flammengeschwindigkeit aufweist, die kleiner gleich 15 cm/s, vorzugsweise kleiner gleich 12 cm/s, besonders bevorzugt kleiner gleich 10 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 ist, wobei der Gasstrom vor der Aufteilung in einen Haupt- und einen Teilstrom in einer Gasvorbereitung behandelt wird, wobei durch die Gasvorbereitung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom abgeschieden wird oder dem Gasstrom zugeführt wird, und wobei durch die Gasvorbereitung dem Gasstrom ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, zugeführt wird, falls die erste laminare Flammengeschwindigkeit größer als 10 cm/s ist. Bei einer gattungsgemäßen stationären Kraftanlage ist zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgesehen, dass einer Verteileinrichtung eine Gasvorbereitungseinrichtung vorgeschaltet ist, durch die ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom abscheidbar ist oder dem Gasstrom zuführbar ist, wobei die Gasvorbereitungseinrichtung eine Regeleinrichtung umfasst, durch die der Gasstrom auf eine laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit regelbar ist, wobei zur Regelung der laminaren Hauptstromflammengeschwindigkeit auf einen vorgebbaren Sollwert die durch die Gasvorbereitungseinrichtung vom Gasstrom abscheidbare oder dem Gasstrom zuführbare Menge an inertem Gas über die Regeleinrichtung regelbar ist.
Ein Vorteil des vorgeschlagenen Verfahrens liegt darin, dass lediglich ein Teil des der stationären Kraftanlage zugeführten Gasstroms zur Erhöhung der Entflammbarkeit aufbereitet wird. Dieser aufbereitete Teilstrom weist eine gegenüber dem Gasstrom erhöhte Zündwilligkeit bzw. Entflammbarkeit auf und wird den Vorkammern des Gasmotors zugeführt. Durch die erhöhte Entflammbarkeit des Teilstroms in den Vorkammern wird ermöglicht, dass die Hauptbrennräume des Gasmotors mit dem Hauptstrom, der von der Gasaufbereitung nicht behandelt wurde, betrieben werden können. Die geringe Menge an aufbereitetem Gas für eine Vorkammer reicht zur sicheren Entflammung des nicht aufbereiteten Gases im der Vorkammer zugeordneten Hauptbrennraum aus. Vorzugsweise kann dabei vorgesehen sein, dass vom Gasstrom maximal 5%, vorzugsweise maximal 2%, als Teilstrom abgezweigt wird.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der stationären Kraftanlage ein Gasstrom zugeführt wird, der eine erste laminare Flammengeschwindigkeit aufweist, die kleiner gleich 15 cm/s, vorzugsweise kleiner gleich 12 cm/s, besonders bevorzugt kleiner gleich 10 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 ist.
Der Grad der Entflammbarkeit eines Gases lässt sich durch die laminare Flammengeschwindigkeit, die das Gas aufweist, angeben. Die laminare Flammengeschwindigkeit eines Gases oder Gasgemisches ist, wie in der einschlägigen Literatur beschrieben, die Geschwindigkeit, mit der sich die Flamme des entzündeten Gases oder Gasgemischs normal zur Flammenfront relativ zum unverbrannten Gas oder Gasgemisch bewegt. Im Rahmen der Erfindung wird als schwer entflammbares Gas ein Gas oder Gasgemisch mit einer geringen laminaren Flammengeschwindigkeit verstanden, insbesondere ein Gas oder Gasgemisch mit einer laminaren Flammengeschwindigkeit kleiner als 15 cm/s bei Normbedingungen wie in der einschlägigen Literatur beschrieben, also z. B. bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 und bei Atmosphärendruck.
Die Ermittlung der laminaren Flammengeschwindigkeit eines Gases kann dabei auf im Stand der Technik bekannte Art und Weise erfolgen, wie z. B. durch bekannte experimentelle Methoden wie die Bunsenbrennermethode oder die Flache Flammen-Methode. Darüber hinaus sind dem Fachmann auch numerische Berechnungsmethoden bekannt, durch die die laminare Flammengeschwindigkeit eines Gases aus dessen Gaszusammensetzung berechnet werden kann. Die Gaskomponenten, welche die laminare Flammengeschwindigkeit eines Gases im Wesentlichen bestimmen, sind Methan und Kohlendioxid. Gemessene Werte der Methan- und Kohlendioxid-Konzentrationen im Gasstrom können als Grundlage für die Berechnung der laminaren Flammengeschwindigkeit herangezogen werden. Die Gaszusammensetzung des im Wesentlichen kontinuierlichen Gasstroms ist dabei typischerweise keinen großen Schwankungen unterworfen, insbesondere wenn der Gasstrom aus einer Gasquelle einer Erdölförderung stammt.
Zur Erhöhung der Entflammbarkeit des Teilstroms kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass durch die Gasaufbereitung des Teilstroms die laminare Flammengeschwindigkeit des Teilstroms auf eine zweite laminare Flammengeschwindigkeit erhöht wird, die größer ist als die laminare Flammengeschwindigkeit vor der Gasaufbereitung. Dabei kann vorzugsweise durch die Gasaufbereitung des Teilstroms die zweite laminare Flammengeschwindigkeit des Teilstroms auf einen Wert größer 10 cm/s, vorzugsweise größer 30 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 erhöht werden.
Zur Gasaufbereitung des Teilstroms können prinzipiell im Stand der Technik bekannte Einrichtungen verwendet werden. So kann zur Gasaufbereitung des Teilstroms eine Reformiereinrichtung verwendet werden, wobei von der Reformiereinrichtung der Teilstrom mit Wasserstoff angereichert wird.
Es kann zur Gasaufbereitung des Teilstroms auch eine Abscheideeinrichtung verwendet werden, wobei von der Abscheideeinrichtung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, aus dem Teilstrom abgeschieden wird. Bei einer solchen Abscheideeinrichtung kann es sich beispielsweise um eine Membran oder einen Aminwäscher handeln. Das abgeschiedene inerte Gas kann dem Hauptstrom zugeführt werden, um eine Emission des inerten Gases an die Umwelt zu vermeiden.
Weiters kann vorgesehen sein, dass zur Gasaufbereitung des Teilstroms eine Wasserelektrolyseeinrichtung verwendet wird, wobei von der Wasserelektrolyseeinrichtung der Teilstrom mit Wasserstoff angereichert wird. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Gasmotor mit einem Generator verbunden ist, wobei der Generator elektrische Energie abgibt, wobei ein Teil der abgegebenen elektrischen Energie der Wasserelektrolyseeinrichtung zugeführt wird. Der bei der Wasserelektrolyse anfallende Sauerstoff kann dabei dem Luftstrom zugeführt werden, der üblicherweise dem Hauptstrom vor der Einleitung in die Hauptbrennräume des Gasmotors zugeführt wird. Dadurch lässt sich bei gleichem Verbrennungsluftverhältnis die benötigte Luftstrommenge verringern.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Gasstrom vor der Aufteilung in den Hauptstrom und in den Teilstrom in einer Gasvorbereitung behandelt wird, wobei durch die Gasvorbereitung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom abgeschieden wird oder dem Gasstrom zugeführt wird. Dabei wird erfindungsgemäß durch die Gasvorbereitung dem Gasstrom ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, zugeführt, falls die erste laminare Flammengeschwindigkeit größer als 10 cm/s ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann durch die Gasvorbereitung vom Gasstrom ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, abgeschieden werden, falls die erste laminare Flammengeschwindigkeit kleiner als 10 cm/s ist.
Um insbesondere den Hauptbrennräumen eines Gasmotors ein Gas mit im Wesentlichen konstanter Entflammbarkeit zuführen zu können, ist jene Ausführungsform besonders vorteilhaft, bei welcher der der stationären Kraftanlage zugeführte Gasstrom durch die Gasvorbereitung auf eine laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit eingestellt oder geregelt wird. Dabei kann durch die Gasvorbereitung die laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit auf einen Wert von 10 cm/s bis 15 cm/s, vorzugsweise von 10 cm/s bis 12 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 eingestellt oder geregelt werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn bei einer Abweichung der laminaren Hauptstromflammengeschwindigkeit von einem Sollwert durch die Gasvorbereitung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom abgeschieden wird oder dem Gasstrom zugeführt wird, sodass die laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit auf den Sollwert nachgeführt wird. Durch die Regelung der Entflammbarkeit des Hauptstroms auf eine im Wesentlichen konstante laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit ist der Gasmotor keinen wesentlichen Schwankungen der ihm zugeführten Gasqualität ausgesetzt. Dies hat den Vorteil, dass der Gasmotor insgesamt stabiler läuft und die Motorsteuerung seltener eingreifen braucht. Dadurch kann der Gasmotor auch näher an Klopf- oder Aussetzergrenzen betrieben werden, was speziell bei modernen Hochleistungsmotoren von Vorteil ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden auch durch eine stationäre Kraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser stationären Kraftanlage sind durch die davon abhängigen Ansprüche dargelegt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung erläutert. Dabei zeigt bzw. zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer vorteilhaften stationären Kraftanlage;
2 eine stationäre Kraftanlage mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Gasvorbereitungseinrichtung in schematischer Darstellung;
3 eine stationäre Kraftanlage mit einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäß vorgesehenen Gasvorbereitungseinrichtung in schematischer Darstellung;
4 bis 5 weitere Beispiele von stationären Kraftanlagen mit vorteilhaften Ausbildungen der Gasvorbereitungseinrichtung in schematischen Darstellungen; und
6 eine stationäre Kraftanlage gemäß einer Ausführung der Erfindung mit einer eine Regeleinrichtung umfassenden Gasvorbereitungseinrichtung in schematischer Darstellung.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine stationäre Kraftanlage 1, die einen Gasmotor 2 mit einer Vorkammer 3 und einem Hauptbrennraum 4 umfasst. Der stationären Kraftanlage 1 wird ein im Wesentlichen kontinuierlicher Gasstrom 5 zugeführt, der ein schwer entflammbares Gas umfasst. Der Gasstrom 5 weist eine erste laminare Flammengeschwindigkeit V₁ auf. Innerhalb der stationären Kraftanlage 1 wird der Gasstrom 5 einer Verteileinrichtung 6 zugeführt, die den Gasstrom 5 in einen Hauptstrom 5a und einen Teilstrom 5b aufteilt. Im gezeigten Beispiel wird durch die Verteileinrichtung 6 ein Prozent des Gasstroms 5 als Teilstrom 5b vom Gasstrom 5 abgezweigt. Die restlichen 99 Prozent des Gasstroms 5 bilden den Hauptstrom 5a, der nach Zuführung von Luft L dem Hauptbrennraum 4 des Gasmotors 2 zugeführt wird.
Der Teilstrom 5b wird einer Gasaufbereitungseinrichtung 7 zugeführt. In der Gasaufbereitungseinrichtung 7 wird die Entflammbarkeit des Teilstroms 5b erhöht. Die Erhöhung der Entflammbarkeit des Teilstroms 5b kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die mindestens eine Gasaufbereitungseinrichtung 7 als Reformiereinrichtung ausgeführt ist, wobei durch die Reformiereinrichtung der Teilstrom 5b mit Wasserstoff anreicherbar ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die mindestens eine Gasaufbereitungseinrichtung 7 als Abscheideeinrichtung ausgeführt ist, wobei durch die Abscheideeinrichtung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, aus dem Teilstrom 5b abscheidbar ist. Weiters kann die mindestens eine Gasaufbereitungseinrichtung 7 als Wasserelektrolyseeinrichtung ausgeführt sein, wobei durch die Wasserelektrolyseeinrichtung der Teilstrom 5b mit Wasserstoff anreicherbar ist. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn der Gasmotor 2 mit einem Generator verbunden ist, wobei der Generator elektrische Energie abgibt, wobei ein Teil der abgegebenen elektrischen Energie der Wasserelektrolyseeinrichtung zuführbar ist.
Nach der Gasaufbereitungseinrichtung 7 weist der Teilstrom 5b eine zweite laminare Flammengeschwindigkeit V₂ auf, wobei die zweite laminare Flammengeschwindigkeit V₂ größer ist als die erste laminare Flammengeschwindigkeit V₁ des Teilstroms 5b vor der Gasaufbereitungseinrichtung 7. Vorzugsweise beträgt die zweite laminare Flammengeschwindigkeit V₂ nach der Gasaufbereitungseinrichtung 7 einen Wert größer 10 cm/s, vorzugsweise größer 30 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1.
2 zeigt eine stationäre Kraftanlage 1 gemäß 1, wobei der Verteileinrichtung 6 erfindungsgemäß eine Gasvorbereitungseinrichtung 8 vorgeschaltet ist, durch die ein inertes Gas 10, beispielsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom 5 abgeschieden wird. Zu diesem Zweck umfasst die Gasvorbereitungseinrichtung 8 eine Membran 11, durch die der Gasstrom 5 durchgeführt wird, wobei als Retentat das inerte Gas 10 anfällt und beispielsweise an die Atmosphäre abgegeben wird. Anstelle der Membran 11 kann die Gasvorbereitungseinrichtung 8 auch andere Vorrichtungen umfassen, die ein Abscheiden von inerten Gasbestandteilen des Gasstroms 5 ermöglichen, wie beispielsweise einen Aminwäscher. Durch das Abscheiden des inerten Gases 10 aus dem Gasstrom 5 weist der Gasstrom 5 nach der Gasvorbereitungseinrichtung 8 eine laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit V₁' auf, die größer ist als die erste laminare Flammengeschwindigkeit V₁ vor der Gasvorbereitungseinrichtung 8. Diese Art der Gasvorbereitung ist insbesondere dann wichtig, wenn die Entflammbarkeit des Gasstroms 5 so gering ist, dass eine Entzündung im Hauptbrennraum 4 des Gasmotors 2 nicht möglich wäre.
3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine stationäre Kraftanlage 1, die erfindungsgemäß eine Gasvorbereitungseinrichtung 8 umfasst. Hierbei wird dem Gasstrom 5 in der Gasvorbereitungseinrichtung 8 ein inertes Gas 10, beispielsweise Kohlendioxid oder Stickstoff, zugeführt, um die laminare Flammengeschwindigkeit des Gasstroms 5 auf eine laminare Hauptflammengeschwindigkeit V₁' zu reduzieren. Diese Art der Gasvorbereitung kann dann zum Einsatz kommen, wenn sich die Entflammbarkeit des der stationären Kraftanlage 1 zugeführten Gasstroms 5 während des Betriebs des Gasmotors 2 erhöht, sodass dem Hauptbrennraum 4 des Gasmotors 2 durch diese Reduktion der Entflammbarkeit ein Hauptstrom 5a mit einer im Wesentlichen konstanten Entflammbarkeit bzw. im Wesentlichen konstanten laminaren Hauptflammengeschwindigkeit V₁' zugeführt wird.
4 zeigt eine stationäre Kraftanlage 1 gemäß 2, wobei in diesem Beispiel eine Teilmenge 10' des von der Membran 11 abgeschiedenen inerten Gases 10 dem Gasstrom 5 wieder zugeführt wird. Eine Membran 11 oder ein Aminwäscher einer Gasvorbereitungseinrichtung 8 werden oft auf die schlechteste zu erwartende Gasqualität im Sinne der Entflammbarkeit des Gasstroms 5 eingestellt. Wenn sich nun die Entflammbarkeit des kontinuierlich zugeführten Gasstroms 5 erhöhen sollte, so kann durch Zuführung einer Teilmenge 10' des zunächst abgeschiedenen inerten Gases 10 zum Gasstrom 5 die Einstellung der Entflammbarkeit des Gasstroms 5 auf eine gewünschte laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit V₁' erfolgen.
5 zeigt eine stationäre Kraftanlage 1 gemäß 4, wobei in diesem Beispiel dem Gasstrom 5 nach Durchlaufen der Gasvorbereitungseinrichtung 8 durch einen Bypass eine Teilmenge 14 des der stationären Kraftanlage zugeführten Gasstroms 5 zugeführt wird. Durch Regelung oder Steuerung der zugeführten Teilmenge 14 kann bei Schwankungen der Gasqualität die Einstellung der Entflammbarkeit des Gasstroms 5 auf eine gewünschte laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit V₁' erfolgen. Bei sehr langsamen Änderungen der Gasqualität im Sinne der Entflammbarkeit des Gasstroms 5 kann auch vorgesehen sein, die Betriebsweise der Gasvorbereitungseinrichtung 8 zu regeln oder steuern. Bei einer Gasvorbereitungseinrichtung 8 mit einem Aminwäscher kann beispielsweise der Fluiddurchsatz durch den Aminwäscher entsprechend geregelt oder gesteuert werden. Darüber hinaus wird in diesem Beispiel das in der als Membran ausgebildeten Gasaufbereitungseinrichtung 7 abgeschiedene Retentat 13, beispielsweise Kohlendioxid, dem Hauptstrom 5a zugeführt. Da es sich bei dem Retentat 13 nur um verhältnismäßig geringe Mengen handelt, kann es problemlos dem Hauptstrom 5a zugeführt werden anstatt es an die Umwelt abzuscheiden.
6 zeigt eine stationäre Kraftanlage 1 gemäß 4, wobei die Gasvorbereitungseinrichtung 8 erfindungsgemäß eine Regeleinrichtung 9 umfasst, durch die der Gasstrom 5 auf eine laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit V₁' regelbar ist, wobei zur Regelung der laminaren Hauptstromflammengeschwindigkeit V₁' auf einen vorgebbaren Sollwert V₁'' die durch die Gasvorbereitungseinrichtung 8 vom Gasstrom 5 abscheidbare oder dem Gasstrom 5 zuführbare Menge 10 an inertem Gas 10, vorzugsweise Kohlendioxid, über die Regeleinrichtung 9 regelbar ist. Der Istwert der laminaren Hauptstromgeschwindigkeit V₁' wird periodisch oder kontinuierlich ermittelt und an die Regeleinrichtung 9 gemeldet. Die Ermittlung kann beispielsweise durch Berechnungsprogramme oder Tabellen erfolgen, durch die aus einer erfassten Gaszusammensetzung des Gasstroms 5 die laminare Hauptstromgeschwindigkeit V₁' ermittelt werden kann oder durch experimentelle Methoden wie z. B. die Bunsenbrennermethode. Die Meldung der ermittelten laminaren Hauptstromgeschwindigkeit V₁' an die Regeleinrichtung 9 ist durch den strichlierten Pfeil 15 angedeutet. Abhängig von der Abweichung der laminaren Hauptstromflammengeschwindigkeit V₁' vom Sollwert V₁'' erfolgt die Ansteuerung eines regelbaren Ventils 12 (angedeutet durch den strichlierten Pfeil 16), durch das die dem Gasstrom 5 zuzuführende Menge 10' des von der Membran 11 abgeschiedenen inerten Gases 10 gesteuert wird, sodass die laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit V₁' dem Sollwert V₁'' nachgeführt werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer stationären Kraftanlage (1) umfassend einen Gasmotor (2) mit mindestens einer Vorkammer (3) und mindestens einem Hauptbrennraum (4), wobei der stationären Kraftanlage (1) ein – insbesondere im Wesentlichen kontinuierlicher – Gasstrom (5) zugeführt wird, der ein schwer entflammbares Gas umfasst, und wobei in der stationären Kraftanlage (1) der Gasstrom (5) in einen Hauptstrom (5a) und in einen Teilstrom (5b) aufgeteilt wird, wobei der Hauptstrom (5a) dem mindestens einen Hauptbrennraum (4) zugeführt wird und wobei der Teilstrom (5b) zur Erhöhung der Entflammbarkeit aufbereitet und der mindestens einen Vorkammer (3) des Gasmotors (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der stationären Kraftanlage (1) ein Gasstrom (5) zugeführt wird, der eine erste laminare Flammengeschwindigkeit (V₁) aufweist, die kleiner gleich 15 cm/s, vorzugsweise kleiner gleich 12 cm/s, besonders bevorzugt kleiner gleich 10 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 ist, wobei der Gasstrom (5) vor der Aufteilung in den Hauptstrom (5a) und in den Teilstrom (5b) in einer Gasvorbereitung behandelt wird, wobei durch die Gasvorbereitung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom (5) abgeschieden wird oder dem Gasstrom (5) zugeführt wird, und wobei durch die Gasvorbereitung dem Gasstrom (5) ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, zugeführt wird, falls die erste laminare Flammengeschwindigkeit (V₁) größer als 10 cm/s ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Gasvorbereitung vom Gasstrom (5) ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, abgeschieden wird, falls die erste laminare Flammengeschwindigkeit (V₁) kleiner als 10 cm/s ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der der stationären Kraftanlage (1) zugeführte Gasstrom (5) durch die Gasvorbereitung auf eine laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit (V₁') eingestellt oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Gasvorbereitung die laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit (V₁') auf einen Wert von 10 cm/s bis 15 cm/s, vorzugsweise von 10 cm/s bis 12 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 eingestellt oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der laminaren Hauptstromflammengeschwindigkeit (V₁') von einem Sollwert (V₁'') durch die Gasvorbereitung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom (5) abgeschieden wird oder dem Gasstrom (5) zugeführt wird, sodass die laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit (V₁') auf den Sollwert (V₁'') nachgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass vom Gasstrom (5) maximal 5%, vorzugsweise maximal 2%, als Teilstrom (5b) abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom (5b) einer Gasaufbereitungseinrichtung (7), in der die Entflammbarkeit des Teilstroms (5b) erhöht wird, zugeführt wird, wobei durch eine Gasaufbereitung des Teilstroms (5b) in der Gasaufbereitungseinrichtung (7) die laminare Flammengeschwindigkeit des Teilstroms (5b) auf eine zweite laminare Flammengeschwindigkeit (V₂) erhöht wird, die größer ist als die laminare Flammengeschwindigkeit (V₁, V₁') vor der Gasaufbereitung.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Gasaufbereitung des Teilstroms (5b) die zweite laminare Flammengeschwindigkeit (V₂) des Teilstroms auf einen Wert größer 10 cm/s, vorzugsweise größer 30 cm/s, bei einem Verbrennungsluftverhältnis von 1 erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gasaufbereitung des Teilstroms (5b) eine Reformiereinrichtung verwendet wird, wobei von der Reformiereinrichtung der Teilstrom (5b) mit Wasserstoff angereichert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gasaufbereitung des Teilstroms (5b) eine Abscheideeinrichtung verwendet wird, wobei von der Abscheideeinrichtung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, aus dem Teilstrom (5b) abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gasaufbereitung des Teilstroms (5b) eine Wasserelektrolyseeinrichtung verwendet wird, wobei von der Wasserelektrolyseeinrichtung der Teilstrom (5b) mit Wasserstoff angereichert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmotor (2) mit einem Generator verbunden ist, wobei der Generator elektrische Energie abgibt, wobei ein Teil der abgegebenen elektrischen Energie der Wasserelektrolyseeinrichtung zugeführt wird.
Stationäre Kraftanlage (1) mit einem Gasmotor (2), der mindestens eine Vorkammer (3) und mindestens einen Hauptbrennraum (4) aufweist, wobei der stationären Kraftanlage (1) ein – insbesondere im Wesentlichen kontinuierlicher – Gasstrom (5) zuführbar ist, der ein schwer entflammbares Gas umfasst, wobei die stationäre Kraftanlage (1) eine Verteileinrichtung (6) umfasst, durch die der Gasstrom (5) in einen Hauptstrom (5a) und einen Teilstrom (5b) aufteilbar ist, wobei der Hauptstrom (5a) dem mindestens einen Hauptbrennraum (4) zuführbar ist und der Teilstrom (5b) mindestens einer Gasaufbereitungseinrichtung (7) zuführbar ist, wobei durch die mindestens eine Gasaufbereitungseinrichtung (7) die Entflammbarkeit des Teilstroms (5b) erhöhbar ist, wobei der von der mindestens einen Gasaufbereitungseinrichtung (7) aufbereitete Teilstrom (5b) der mindestens einen Vorkammer (3) des Gasmotors (2) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteileinrichtung (6) eine Gasvorbereitungseinrichtung (8) vorgeschaltet ist, durch die ein inertes Gas (10), vorzugsweise Kohlendioxid, vom Gasstrom (5) abscheidbar ist oder dem Gasstrom (5) zuführbar ist, wobei die Gasvorbereitungseinrichtung (8) eine Regeleinrichtung (9) umfasst, durch die der Gasstrom (5) auf eine laminare Hauptstromflammengeschwindigkeit (V₁') regelbar ist, wobei zur Regelung der laminaren Hauptstromflammengeschwindigkeit (V₁') auf einen vorgebbaren Sollwert (V₁'') die durch die Gasvorbereitungseinrichtung (8) vom Gasstrom (5) abscheidbare oder dem Gasstrom (5) zuführbare Menge (10') an inertem Gas (10), vorzugsweise Kohlendioxid, über die Regeleinrichtung (9) regelbar ist.
Stationäre Kraftanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasvorbereitungseinrichtung (8) eine Membran (11) oder einen Aminwäscher umfasst.
Stationäre Kraftanlage nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der aufbereitete Teilstrom (5b) nach der mindestens einen Gasaufbereitungseinrichtung (7) eine zweite laminare Flammengeschwindigkeit (V₂) aufweist, wobei die zweite laminare Flammengeschwindigkeit (V₂) größer ist als die laminare Flammengeschwindigkeit (V₁, V₁') des Teilstroms (5b) vor der Gasaufbereitungseinrichtung (7).
Stationäre Kraftanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gasaufbereitungseinrichtung (7) als Reformiereinrichtung ausgeführt ist, wobei durch die Reformiereinrichtung der Teilstrom (5b) mit Wasserstoff anreicherbar ist.
Stationäre Kraftanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gasaufbereitungseinrichtung (7) als Abscheideeinrichtung ausgeführt ist, wobei durch die Abscheideeinrichtung ein inertes Gas, vorzugsweise Kohlendioxid, aus dem Teilstrom (5b) abscheidbar ist.
Stationäre Kraftanlage nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Gasaufbereitungseinrichtung (7) als Wasserelektrolyseeinrichtung ausgeführt ist, wobei durch die Wasserelektrolyseeinrichtung der Teilstrom (5b) mit Wasserstoff anreicherbar ist.
Stationäre Kraftanlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmotor (2) mit einem Generator verbunden ist, wobei der Generator elektrische Energie abgibt, wobei ein Teil der abgegebenen elektrischen Energie der Wasserelektrolyseeinrichtung zuführbar ist.