DE19610915A1 - District heating power station for operating in existing electric power network - Google Patents

District heating power station for operating in existing electric power network

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Abstract

The power station (1) consists of a heat engine (2), a generator (3) equipment for utilising the waste heat (14), with the generator driven as a motor to start up the heat engine. The generator can be a three-phase asynchronous machine which is connected to the three-phase supply to act as a motor driving the heat engine until it overhauls and drives the generator. The power station can be equipped with a water container as a buffer store and with a ripple control receiver. This enables a supply undertaking to notify power requirements to several decentralised power stations to enable them to be started up if the heat stored is not sufficient to meet anticipated demand and to shut them down again when the heat requirements are met.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a combined heat and power plant according to the preamble of claim 1.

Üblicherweise enthalten Blockheizkraftwerke im wesentlichen eine Wärmekraftmaschine, einen Generator und eine Einrichtung zum Nutzen der Abwärme des Abgases und der Wärmekraftmaschine. Damit solche Anlagen gestartet werden können, müssen sie mit einem Anlasser mit der entsprechenden Steuerung und Energieversorgung und mit einer Schaltkupplung ausgestattet werden. Weiterhin sind solche Anlagen so ausgestattet, daß sie wie Notstromaggregate auch ohne Koppelung an ein bestehendes Elektroversorgungsnetz betrieben werden können. Diese Ausführung bedingt aber einen aufwendigen Generator mit eigener Erregung und führt dazu, daß sich ein Parallelbetrieb, also Einspeisen des elektrischen Stroms in ein bestehendes Elektroversorgungsnetz nur mit hohem Aufwand realisieren läßt.Cogeneration plants usually contain essentially one heat engine, one Generator and a device for utilizing the waste heat of the exhaust gas and Heat engine. So that such systems can be started, they must be started with a Starter with the appropriate control and power supply and with a clutch be equipped. Furthermore, such systems are equipped so that they like Emergency generators can also be operated without coupling to an existing electrical supply network can be. However, this version requires a complex generator with its own Excitation and leads to the fact that a parallel operation, ie feeding the electrical current in an existing electrical supply network can only be implemented with great effort.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das sich durch einen einfachen Aufbau und durch eine einfache Betriebsweise auszeichnet.The aim of the invention is to avoid these disadvantages and a cogeneration unit at the beginning to propose the kind mentioned, which is a simple structure and a simple Operating mode.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Blockheizkraftwerk der eingangs näher bezeichneten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Durch die Verwendung des Generators als Motor zum Starten der Wärmekraftmaschine kann auf einen Anlasser einschließlich Ansteuerung und Energieversorgung verzichtet werden.According to the invention this is in a combined heat and power plant of the type described in the introduction achieved by the characterizing features of claim 1. By using the Generator as a motor for starting the heat engine can be started on a starter including control and power supply.

In den Merkmalen des Anspruchs 2 wird die Verwendung einer Drehstromasynchronmaschine als Generator und Starter und die Anbindung an das Elektroversorgungsnetz beschrieben.In the features of claim 2, the use of a three-phase asynchronous machine as Generator and starter and the connection to the electrical supply network described.

Die Merkmale des Anspruchs 3 beschreiben die zentrale Ansteuerung mehrerer Blockheizkraftwerke bei Lastspitzen durch ein Elektroversorgungsunternehmen.The features of claim 3 describe the central control of several Block heat and power plants at peak loads by an electrical supply company.

Die Merkmale der Ansprüche 4 bis 11 zeigen weitere mögliche erfindungsgemäße Anordnungen auf.The features of claims 4 to 11 show further possible inventive Orders on.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung, Fig. 1 shows schematically an arrangement according to the invention,

Fig. 2 die Einbindung der Brennkammerkühlung in den Heizwasserkreislauf, Fig. 2 shows the integration of the combustion chamber cooling in the heating water circuit,

Fig. 3 die Ankopplung der Brennkammerkühlung an den Heizwasserkreislauf über einen Wärmetauscher Fig. 3 shows the coupling of the combustion chamber cooling to the heating water circuit via a heat exchanger

Fig. 4 und 5 eine Anordnung zur Anlaßstrombegrenzung, FIGS. 4 and 5 an arrangement for starting current limitation,

Fig. 6 eine Anordnung zur Blindstromkompensation. Fig. 6 shows an arrangement for reactive current compensation.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelheiten.The same reference numerals mean the same details in all figures.

Das Blockheizkraftwerk 1 nach Fig. 1 besteht aus einer beispielsweise als Dieselmotor ausgebildeten Wärmekraftmaschine 2 und einem Generator 3, die mit einer nicht schaltbaren Kupplung 4 verbunden sind. Die Wärmekraftmaschine 2 beinhaltet im wesentlichen Kurbelgehäuse 5, Zylinder 6 und Kolben 7, wobei der Zylinder 6 als wassergekühlter Brennraum 8 ausgebildet ist. Die Abwärme des Brennraumes 8 der Wärmekraftmaschine 2 und die Abwärme des Abgases 9 wird über entsprechende Wärmetauscheinrichtungen abgenommen und zur Erwärmung von Heizwasser 10 genutzt. Zum Starten der Wärmekraftmaschine 2 dient der Generator 3, der in diesem Fall als Motor betrieben wird und dafür elektrische Energie aus dem Elektroversorgungsnetz 11 entnimmt.The block-type thermal power station 1 according to FIG. 1 consists of a heat engine 2, for example a diesel engine, and a generator 3 , which are connected to a non-switchable clutch 4 . The heat engine 2 essentially contains the crankcase 5 , the cylinder 6 and the piston 7 , the cylinder 6 being designed as a water-cooled combustion chamber 8 . The waste heat from the combustion chamber 8 of the heat engine 2 and the waste heat from the exhaust gas 9 are removed via corresponding heat exchange devices and used for heating heating water 10 . The generator 3 , which in this case is operated as a motor and takes electrical energy from the electrical supply network 11 for this purpose, is used to start the heat engine 2 .

Die Abgasanlage 12 des Blockheizkraftwerkes 1 ist wie folgt aufgebaut. Das aus der Wärmekraftmaschine 2 ausströmende Abgas 9 wird als erstes in einen Auspufftopf 13 geleitet, der einen Rußfilter oder einen Abgaskatalysator enthalten kann. Dann strömt es weiter in einen Wärmetauscher 14, wo es durch das von einer Pumpe 15 geförderte Heizwasser 10 abgekühlt wird, bis der im Abgas 9 enthaltene Wasserdampf kondensiert und über eine Kondensatabführeinrichtung 16 abgeleitet wird. Schließlich wird das Abgas 9 in einem weiteren Wärmetauscher 17 wieder soweit erwärmt, daß es ohne Kondensationsgefahr weitergeleitet werden kann. Dabei können die beiden Wärmetauscher 14 und 17 auch in einem Gehäuse untergebracht sein.The exhaust system 12 of the cogeneration unit 1 is constructed as follows. The exhaust gas 9 flowing out of the heat engine 2 is first led into a muffler 13 , which may contain a soot filter or an exhaust gas catalytic converter. Then it flows further into a heat exchanger 14 , where it is cooled by the heating water 10 conveyed by a pump 15 until the water vapor contained in the exhaust gas 9 condenses and is discharged via a condensate discharge device 16 . Finally, the exhaust gas 9 is heated again in a further heat exchanger 17 to such an extent that it can be passed on without the risk of condensation. The two heat exchangers 14 and 17 can also be accommodated in one housing.

Damit auch bei niedrigen Temperaturen des Heizwassers 10 eine für schadstoffarme Verbrennung optimale Brennraumtemperatur der Wärmekraftmaschine 2 erreicht werden kann, wird wie in Fig. 2 gezeigt vorgeschlagen, einen thermisch gesteuerten Bypass 19 parallel zum wassergekühlten Brennraum 8 zu schalten. Eine weitere Möglichkeit, für schadstoffarme Verbrennung optimale Brennraumtemperaturen zu erhalten, ist wie in Fig. 3 gezeigt die Abkopplung des Brennraumkreislaufs 20 vom Wasserkreislauf 18 der Gesamtanlage. Hier kann im Brennraumkühlkreislauf 20 ein beliebiges Kühlmedium eingesetzt werden. Die Wärme wird dann mit einem Wärmetauscher 21 übertragen, wobei der Brennraumkühlkreislauf 20 durch thermische Strömung in Gang kommt, wenn der Wärmetauscher 21 oberhalb des Brennraumes 8 angeordnet ist. So that a combustion chamber temperature of the heat engine 2 that is optimal for low-pollutant combustion can be achieved even at low temperatures of the heating water 10 , it is proposed, as shown in FIG. 2, to connect a thermally controlled bypass 19 in parallel to the water-cooled combustion chamber 8 . A further possibility of obtaining optimal combustion chamber temperatures for low-pollutant combustion is, as shown in FIG. 3, the decoupling of the combustion chamber circuit 20 from the water circuit 18 of the overall system. Any cooling medium can be used here in the combustion chamber cooling circuit 20 . The heat is then transferred using a heat exchanger 21 , the combustion chamber cooling circuit 20 being set in motion by thermal flow when the heat exchanger 21 is arranged above the combustion chamber 8 .

Eine besonders einfache erfindungsgemäße Ausführung ergibt sich, wenn als Generator 3 ein Drehstromasynchronmotor 3′ eingesetzt wird. Zum Starten der Wärmekraftmaschine 2 wird der Drehstromasynchronmotor 3′ über eine Schafteinrichtung 22 an das Elektroversorgungsnetz 11 geschaltet. Läuft nun die Wärmekraftmaschine 2, treibt sie ihrerseits den Drehstromasynchronmotor 3′ an bis in den übersynchronen Bereich, wo er dann als Generator arbeitet und elektrische Energie in das Elektroversorgungsnetz 11 einspeist. Für den Übergang vom Motorbetrieb zum Generatorbetrieb ist keine Umschaltung erforderlich.A particularly simple embodiment of the invention is obtained when a three phase asynchronous motor is used 3 'as a generator. 3 To start the heat engine 2 , the three-phase asynchronous motor 3 'is connected to the electrical supply network 11 via a shaft device 22 . Now runs the heat engine 2 , it in turn drives the three-phase asynchronous motor 3 'to in the oversynchronous area, where it then works as a generator and feeds electrical energy into the electrical supply network 11 . No changeover is required for the transition from engine operation to generator operation.

Um die Leistungsaufnahme des Drehstromasynchronmotors 3′ beim Anlassen zu verringern, kann wie in Fig. 4 und 5 gezeigt, die Ständerwicklung 23 im Stern 24 geschaltet sein und erst nach dem Übergang in den Generatorbetrieb in Dreieck 25 umgeschaltet werden.In order to reduce the power consumption of the three-phase asynchronous motor 3 'when starting, as shown in FIGS. 4 and 5, the stator winding 23 can be switched in the star 24 and can only be switched to the triangle 25 after the transition to generator operation.

Der zur Erregung des Drehstromasynchronmotors 3′ nötige Blindstrom wird entweder aus dem Elektroversorgungsnetz 11 entnommen oder wie in Fig. 6 gezeigt durch parallel zur Ständerwicklung 23 geschaltete Kondensatoren 26 geliefert. Eine weitere Möglichkeit zur Blindstromkompensation ist der Einsatz eines Drehstromsynchronmotors statt des Asynchronmotors 3′.The reactive current required to excite the three-phase asynchronous motor 3 'is either taken from the electrical supply network 11 or, as shown in FIG. 6, is supplied by capacitors 26 connected in parallel with the stator winding 23 . Another possibility for reactive current compensation is the use of a three-phase synchronous motor instead of the asynchronous motor 3 '.

Um die Abwärme des Drehstrommotors dem Wasserkreislauf zuzuführen, kann ein Drehstrommotor mit Wasserkühlung eingesetzt werden.To supply the waste heat from the three-phase motor to the water circuit, a Three-phase motor with water cooling can be used.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß ein ein Elektroversorgungsunternehmen bei Lastspitzen im Elektroversorgungsnetz 11 mehrere dezentral aufgestellte erfindungsgemäße Blockheizkraftwerke 1, die mit einem Warmwasserbehälter als Pufferspeicher 27 und mit Rundsteuerempfänger 28 ausgerüstet sind, in Betrieb nehmen kann. Dazu meldet das Elektroversorgungsunternehmen den Bedarf an elektrischer Energie zentral über Schaltimpulse im Elektroversorgungsnetz 11 und Rundsteuerempfänger 28 an die einzelnen Blockheizkraftwerke 1. Ist bei den einzelnen Blockheizkraftwerken 1 Wärmebedarf zu erwarten, zum Beispiel ist der Pufferspeicher 27 nicht voll geladen, so gehen die Blockheizkraftwerke 1 in Betrieb. Die bei der Elektroenergiegewinnung anfallende Wärme wird dann bis zur Entnahme in den Pufferspeicher 27 gespeichert. Bei Sättigung des Wärmebedarfs schalten sich die einzelnen Blockheizkraftwerke 1 wieder ab.It is further proposed that an electrical supply company at peak loads in the electrical supply network 11 can put several decentralized combined heat and power plants 1 according to the invention, which are equipped with a hot water tank as a buffer storage 27 and with ripple control receiver 28 , into operation. For this purpose, the electrical supply company reports the need for electrical energy centrally to the individual combined heat and power plants 1 via switching impulses in the electrical supply network 11 and ripple control receiver 28 . If a heat requirement is to be expected in the individual cogeneration plants 1 , for example the buffer store 27 is not fully charged, the cogeneration plants 1 go into operation. The heat generated during the generation of electrical energy is then stored in the buffer store 27 until it is removed. When the heat demand is saturated, the individual combined heat and power plants 1 switch off again.

BezugszeichenlisteReference list

1 Blockheizkraftwerk
2 Wärmekraftmaschine
3 Generator
3′ Drehstromasynchronmotor
4 Kupplung
3 Kurbelgehäuse
6 Zylinder
7 Kolben
8 Brennraum
9 Abgas
10 Heizwasser
11 Elektroversorgungsnetz
12 Abgasanlage
13 Auspufftopf
14 Wärmetauscher
15 Pumpe
16 Kondensatabführeinrichtung
17 Wärmetauscher
18 Wasserkreislauf
19 thermisch gesteuerter Bypass
20 Brennraumkühlkreislauf
21 Wärmetauscher
22 Schalteinrichtung
23 Ständerwicklung
24 Sternschaltung
25 Dreieckschaltung
26 Kondensator
27 Pufferspeicher
28 Rundsteuerempfänger. 1 combined heat and power plant
2 heat engine
3 generator
3 ′ three-phase asynchronous motor
4 clutch
3 crankcase
6 cylinders
7 pistons
8 combustion chamber
9 exhaust gas
10 heating water
11 electrical supply network
12 exhaust system
13 muffler
14 heat exchangers
15 pump
16 condensate discharge device
17 heat exchangers
18 water cycle
19 thermally controlled bypass
20 combustion chamber cooling circuit
21 heat exchangers
22 switching device
23 stator winding
24 star connection
25 delta connection
26 capacitor
27 buffer memory
28 ripple control receivers.

Claims (11)

1. Blockheizkraftwerk, im wesentlichen enthaltend eine Wärmekraftmaschine, einen Generator und eine Einrichtung zum Nutzen der Abwärme, dadurch gekennzeichnet, daß zum Starten der Anlage der Generator als Motor betrieben wird.1. Combined heat and power plant, essentially containing a heat engine, a generator and a device for utilizing the waste heat, characterized in that the generator is operated as a motor to start the system. 2. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Generator als Drehstromasynchronmaschine ausgebildet ist, wobei zum Anlassen der Wärmekraftmaschine die Drehstrommaschine an ein Drehstromnetz geschaltet wird, im Motorbetrieb läuft und so die Wärmekraftmaschine antreibt, bis die Wärmekraftmaschine die Drehstrommaschine überholt und ihrerseits antreibt, bis diese übersynchron im Generatorbetrieb läuft.2. Combined heat and power plant according to claim 1, characterized in that the generator as Three-phase asynchronous machine is formed, wherein for starting the Heat engine the three-phase machine is connected to a three-phase network, in Engine operation runs and so drives the heat engine until the Heat engine overhauls the three-phase machine and in turn drives it until it runs oversynchronously in generator mode. 3. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blockheizkraftwerk mit einem als Pufferspeicher dienenden Wasserbehälter und mit einem Rundsteuerempfanger ausgerüstet ist, so das ein Elektroversorgungsunternehmen zentral über Schaftimpulse im Elektroversorgungsnetz und über Rundsteuerempfänger den Bedarf an elektrischer Energie an mehrere dezentral aufgestellte Blockheizkraftwerke melden kann und so die Blockheizkraftwerke in Betrieb nehmen kann, bei denen Wärmebedarf zu erwarten ist, erkennbar an nicht voll geladenen Pufferspeichern, und daß sich die einzelnen Blockheizkraftwerke bei Sättigung des Wärmebedarfs wieder abschalten.3. Combined heat and power plant according to one of claims 1 and 2, characterized in that the combined heat and power plant with a water tank serving as a buffer storage and with a ripple control receiver is equipped, according to an electrical supply company centrally via shaft impulses in the electrical supply network and via ripple control receivers the need for electrical energy to several decentralized Can report combined heat and power plants and thus put the combined heat and power plants into operation can, where heat is expected, recognizable by not fully charged Buffer storage, and that the individual combined heat and power plants when the Switch off the heat requirement again. 4. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anlassen zur Reduzierung der Leistungsaufnahme der Drehstrommaschine die Ständerwicklung im Stern geschaltet wird und daß beim Übergang in den Generatorbetrieb die Ständerwicklung in Dreieck umgeschaltet wird.4. Combined heat and power plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that when starting to reduce the power consumption of the three-phase machine Stator winding is switched in a star and that when transitioning to Generator operation the stator winding is switched into a triangle. 5. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Ständerwicklung der Drehstrommaschine Kondensatoren geschaltet sind, die den benötigten Erregerstrom als Blindstrom liefern. 5. Combined heat and power plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that capacitors are connected in parallel to the stator winding of the three-phase machine, that deliver the required excitation current as reactive current.   6. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator als Synchronmaschine ausgebildet ist.6. Combined heat and power plant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the generator is designed as a synchronous machine. 7. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Generator eine Drehstrommaschine mit Wasserkühlung eingesetzt wird, so daß die Abwärme der Drehstrommaschine dem Heizwasser des Blockheizkraftwerkes zugeführt wird.7. cogeneration plant according to one of claims 1 to 6, characterized in that as Generator a three-phase machine with water cooling is used so that the Waste heat from the three-phase machine is fed to the heating water of the combined heat and power plant becomes. 8. Abgasanlage für ein Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Wärmekraftmaschine ausströmende Abgas zuerst durch einen Auspufftopf strömt, der einen Rußfilter oder einen Abgaskatalysator enthält und daß das Abgas weiter durch einen Abgaswärmetauscher geleitet wird, wo das Abgas soweit abgekühlt wird, daß der darin enthaltene Wasserdampf kondensiert und daß das Abgas in einem weiteren Wärmetauscher wieder soweit erwärmt wird, daß es kondensatfrei weitergeleitet werden kann.8. Exhaust system for a combined heat and power plant according to one of claims 1 to 7, characterized characterized in that the exhaust gas flowing out of the heat engine first through a muffler flows containing a soot filter or catalytic converter and that the exhaust gas is passed further through an exhaust gas heat exchanger, where the exhaust gas is cooled so far that the water vapor contained therein condenses and that the Exhaust gas is heated again in a further heat exchanger until it is can be forwarded without condensate. 9. Abgaswärmetauscher für die Abgasanlage eines Blockheizkraftwerks nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher zur Gewinnung der Abwärme und der Wärmetauscher zum Wiedererwärmen des Abgases nach der Kondensation in einem Gehäuse untergebracht sind.9. exhaust gas heat exchanger for the exhaust system of a combined heat and power plant according to claim 8, characterized in that the heat exchanger to recover the waste heat and Heat exchanger for reheating the exhaust gas after condensation in one Housing are housed. 10. Wasserkühlung für den Brennmraum der Wärmekraftmaschine eines Blockheizkraftwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermisch gesteuerter Bypass parallel zum wassergekühlten Brennraum für eine für schadstoffarme Verbrennung optimale Brennraumtemperatur bei gegebener geringerer Wassertemperatur der Gesamtanlage geschaltet wird.10. Water cooling for the combustion chamber of the heat engine of a combined heat and power plant according to one of claims 1 to 9, characterized in that a thermal Controlled bypass parallel to the water-cooled combustion chamber for one for low-pollutant combustion optimal combustion chamber temperature at a given lower Water temperature of the entire system is switched. 11. Kühlung für den Brennraum der Wärmekraftmaschine eines Blockheizkraftwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf des Brennraumes ein beliebiges Kühlmedium enthält und vom Wasserkreislauf der Gesamtanlage getrennt ist und daß die Wärme mit einem Wärmetauscher übertragen wird, wobei der Kühlkreislauf des Brennraumes durch thermische Strömung in Gang kommt, wenn der Wärmetauscher oberhalb des Brennraumes angeordnet ist.11. Cooling for the combustion chamber of the heat engine of a combined heat and power plant one of claims 1 to 9, characterized in that the cooling circuit of the Combustion chamber contains any cooling medium and from the water cycle Entire plant is separated and that the heat is transferred with a heat exchanger is, the cooling circuit of the combustion chamber by thermal flow in motion comes when the heat exchanger is located above the combustion chamber.
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