EP2655810A1 - Waste heat recovery installation - Google Patents

Waste heat recovery installation

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EP2655810A1
EP2655810A1 EP11802938.8A EP11802938A EP2655810A1 EP 2655810 A1 EP2655810 A1 EP 2655810A1 EP 11802938 A EP11802938 A EP 11802938A EP 2655810 A1 EP2655810 A1 EP 2655810A1
Authority
EP
European Patent Office
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waste heat
speed
orc
expansion
heat recovery
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11802938.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Müller
Konrad Herrmann
Anayet Temelci-Andon
Harald Köhler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP2655810A1 publication Critical patent/EP2655810A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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    • Y02P80/10—Efficient use of energy, e.g. using compressed air or pressurized fluid as energy carrier
    • Y02P80/15—On-site combined power, heat or cool generation or distribution, e.g. combined heat and power [CHP] supply

Definitions

  • the invention relates to a waste heat recovery system according to the preamble of claim 1.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • ORC plants for example, in the utilization of biomass in connection with combined heat and power, especially at relatively low power, so if the conventional biomass combustion technology seems relatively expensive.
  • Biomass plants often have a fermenter for biogas production, which usually has to be heated.
  • US Pat. No. 4,901,531 discloses a diesel unit integrated into a Rankine process, one cylinder serving for the expansion according to Rankine and the others working as a diesel engine.
  • US Pat. No. 4,334,409 discloses a Rankine process in which the working fluid is preheated by a heat exchanger through which the air is passed from the outlet of a compressor of an internal combustion engine.
  • Combined heat and power plants as plants for combined heat and power are well known. These are decentralized, usually powered by internal combustion engines power generation systems with simultaneous waste heat recovery. The discharged during the combustion of the cooling media heat is used as completely as possible for the heating of suitable objects.
  • the engine manufacturers prescribe a cooling water inlet temperature of only approx. 40 to 50 ° C for the mixture cooling so that the mixture can be sufficiently cooled. Since this temperature level is relatively low, the heat extracted from the fuel gas mixture in the previously known combined heat and power plants is released to the environment, for example with a table cooler.
  • a second heating circuit draws heat from engine cooling water and exhaust gas of the internal combustion engine and is connected to the second heat exchanger after the feed pump, the heat from the cooling circuit and the exhaust gas for overheating and evaporation of the process medium in ORC and coupled as high temperature heat in the second heat exchanger after the feed pump becomes.
  • the invention is therefore based on the object to optimize an existing from a waste heat source downstream ORC waste heat recovery system in terms of structure and performance.
  • the waste heat recovery system is characterized in that the expansion machine for steam expansion in ORC is approached by means of the generator operating in engine operation and brought to a presettable in a control device minimum starting speed.
  • the minimum starting speed preferably corresponds to about two-thirds of a minimum operating speed.
  • the steam valve upon reaching the minimum starting speed, the steam valve is opened at the inlet of the steam expansion expansion machine in the ORC, and during the further opening of the steam valve, the speed is raised again, so that the generator changes from the engine operation to the normal generator operation.
  • This is advantageous because the expansion machine is connected to the generator or Fangs on this as an electric motor hangs and does not have to be synchronized to the network.
  • a control device for the expansion engine for steam expansion in ORC optimal for a current operating point speed In this case, in a first step, starting from a minimum speed, a slow up-control under evaluation of the generator power, until in a second step with increasing speed and at the same time falling generator power exceeding an apex is detected. In a third step, the speed is reduced, and in further steps, the sequences of steps two and three are repeated until the speed settles at the point of maximum generator power.
  • the optimum for a current operating point for the expansion engine for steam expansion in ORC speed in a control device via a map is predetermined.
  • in a map of input and / or output pressure at the expander of an optimal speed associated with the current operating condition and the current input and / or output pressure is measured on the expansion machine, evaluated and in the control device matched with the map, in order to regulate the speed.
  • the inlet and / or outlet temperature at the expander can be assigned to an optimum speed in a map and to determine the current operating state, the current inlet and / or outlet temperature is measured at the expansion machine, evaluated and in the control device with the Characteristic adjusted to control the speed.
  • the generator integrated with the steam expansion expansion machine in the ORC has a coupled frequency converter for variable speed operation.
  • a controlled bypass with at least one throttle valve in the ORC circuit is provided around the expansion machine. hen.
  • This bypass is in the start-up phase, ie at a relatively low temperature of the working medium, initially opened, so that the working medium is passed around the expansion machine to avoid the unwanted ingress of liquid phase residues in the working medium in the expansion machine.
  • the bypass is closed and a steam valve connected upstream of the expansion machine is opened.
  • Waste heat sources can be, for example, combined heat and power plants, industrial plants or boiler plants.
  • the starting phase of the expansion machine is also optimized according to the invention. At the same time maximum reliability and protection against refrigerant condensation is achieved when the coupled with the motor-driven generator run-up of the expansion machine takes place without refrigerant. Because the refrigerant partial flow used for this purpose is conducted via the generator unit on the cooling side, it absorbs the heat produced by losses during the engine operation.
  • the thermal state of the expander is monitored as well as other constraints. These include as starting conditions, for example, a minimum pressure of the refrigerant in the ORC cycle, switch-on conditions for a magnetic bearing of a turbine rotor and a review of all operationally necessary units.
  • the drawing illustrates an embodiment of the invention and shows in a single figure the schematic structure of a waste heat recovery system, consisting of one of these downstream ORC.
  • ORC circuit 1 The essential components for the ORC are an ORC circuit 1, a feed pump 2, an evaporator 3, a steam expansion expansion machine 4, which is coupled to a generator 5, a condenser 6 for recooling via a heat pump. Valley 7 and the heat exchanger 8, 9 for preheating the working medium in the ORC circuit. 1
  • the two heat exchangers 8, 9 are connected downstream of the feed pump 2 in series.
  • the first heat exchanger 8 after the feed pump 2 serves as a first stage for coupling low-temperature heat and the subsequent heat exchanger 9 as a second stage for coupling high-temperature heat from a waste heat source 10th
  • a second heating circuit 1 1 is connected to its flow area with the evaporator 3 of the ORC, because the temperature level is initially high enough for its direct heating. Thereafter, the second heating circuit 1 1 opens the return side in the second heat exchanger 9 and there are still residual heat from the ORC.
  • a liquid refrigerant partial stream 12 for cooling the expansion machine 4 is branched off and initially passed through the generator 5. Thereafter, the cooling medium flows through the housing of the expansion machine 4, where it ensures sufficient heat dissipation.
  • a steam valve 13 is opened at the inlet of the expansion machine 4 for steam expansion in ORC and during the further opening s of the steam valve 13 is a further ramping up the speed, so that the generator 5 passes from the engine operation in the normal generator operation.
  • a controlled bypass 14 with at least one throttle valve 15 is provided around the expansion machine 4.
  • This bypass 14 is initially open in the starting phase, ie at a still relatively low temperature of the working medium.
  • the working medium is passed around the expansion machine 4 around.
  • the throttle valve 15 in the bypass 14 is closed and the expansion valve 4 upstream steam valve 13 is opened.

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Abstract

The invention relates to a waste heat recovery installation for a waste heat source (10), comprising an ORC (Organic-Rankine-Cycle) that is mounted downstream of said waste heat source, the waste heat source (10) being connected to the heating device of the ORC, and an expansion engine (4) coupled to a generator (5) for steam expansion in the ORC. The aim of the invention is to optimize a combined heat and power plant, a waste heat recovery installation consisting of an ORC mounted downstream of a waste heat source, with respect to design and operating behavior. According to the invention, the expansion engine (4) for steam expansion in the ORC is started up by the generator (5) which operates in the motor mode and is brought to a minimum starting rotational speed predefined in a regulation device.

Description

BESCHREIBUNG  DESCRIPTION
Abwärmenutzunqsanlaqe Abwärmenutzunqsanlaqe
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. The invention relates to a waste heat recovery system according to the preamble of claim 1.
Bei einem ORC (Organic-Rankine-Cycle) handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess nach Rankine. Dies bedeutet, dass ein Arbeitsmedium verschiedene thermo- dynamische Zustände durchläuft, um am Ende wieder in den flüssigen Ausgangszustand überführt zu werden. Dabei wird das Arbeitsmedium mit einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht. Danach wird das Arbeitsmedium auf die Verdampfungstemperatur vorgewärmt und anschließend verdampft. An ORC (Organic Rankine Cycle) is a thermodynamic cycle according to Rankine. This means that a working medium passes through various thermodynamic states in order to be finally returned to the liquid initial state. The working medium is brought to a higher pressure level with a pump. Thereafter, the working medium is preheated to the evaporation temperature and then evaporated.
Es handelt sich somit um einen Dampfprozess, bei dem an Stelle von Wasser ein organisches Medium verdampft wird. Der entstandene Dampf treibt eine Expansionsmaschine an, beispielsweise eine Turbine, einen Kolben- oder Schraubenmotor, welcher wiederum mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, um Strom zu erzeugen. Nach der Arbeitsmaschine gelangt das Prozessmedium in einen Verflüssiger und wird dort unter Wärmeabgabe zurückgekühlt. Da Wasser unter atmosphärischen Bedingungen bei 100 °C verdampft, kann Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau, wie zum Beispiel Industrieabwärme oder Erdwärme, oftmals nicht zur Stromerzeugung genutzt werden. Verwendet man allerdings organische Medien mit niedrigeren Siedetemperaturen, so lässt sich Niedertemperaturdampf erzeugen. It is thus a steam process in which instead of water, an organic medium is evaporated. The resulting steam drives an expansion machine, such as a turbine, a piston or screw motor, which in turn is coupled to an electrical generator to generate power. After the working machine, the process medium enters a condenser and is cooled down there with the release of heat. Since water evaporates at 100 ° C under atmospheric conditions, heat at a low temperature level, such as industrial waste heat or geothermal heat, often can not be used to generate electricity. However, using organic media with lower boiling temperatures, low-temperature steam can be produced.
Vorteilhaft in der Anwendung sind ORC-Anlagen beispielsweise auch bei der Verwertung von Biomasse im Zusammenhang mit Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere bei relativ kleinen Leistungen, also wenn die herkömmliche Biomasse-Feuerungstechnik relativ teuer erscheint. Biomasseanlagen besitzen häufig einen Fermenter zur Biogaserzeugung, welcher in der Regel beheizt werden muss. Advantageous in the application are ORC plants, for example, in the utilization of biomass in connection with combined heat and power, especially at relatively low power, so if the conventional biomass combustion technology seems relatively expensive. Biomass plants often have a fermenter for biogas production, which usually has to be heated.
Gattungsgemäße Abwärmenutzungsanlagen sind aus dem Bereich der Kraft-Wärme- Kopplung bekannt und bestehen aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten BHKW, also einem Blockheizkraftwerk. Aus der DE 195 41 521 A1 geht eine Anlage zur Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei der Verstromung von Sondergasen mittels Verbrennungsmotoren hervor, bei der die Abwärme des Motors in einer nachge- schalteten Energieumwandlungsanlage zur weiteren Stromerzeugung genutzt wird. Allerdings ist dabei nur die Hochtemperaturwärme aus dem Kühlwasserkreislauf sowie aus dem Abgaswärmetauscher des Motors zur Verwertung vorgesehen. Generic waste heat recovery systems are known from the field of combined heat and power and consist of a combined with a downstream ORC CHP, so a combined heat and power plant. DE 195 41 521 A1 discloses a system for increasing the electrical efficiency in the power generation of special gases by means of internal combustion engines, in which the waste heat of the engine in a downstream switched energy conversion plant is used for further power generation. However, only the high-temperature heat from the cooling water circuit and from the exhaust gas heat exchanger of the engine is provided for recovery.
Weiterhin ist aus der US 4 901 531 ein in einen Rankine-Prozess integriertes Diesel- Aggregat bekannt, wobei ein Zylinder der Expansion gemäß Rankine dient und die anderen als Dieselmotor arbeiten. Aus der US 4 334 409 geht eine nach dem Rankine-Prozess arbeitende Anordnung hervor, bei der das Arbeitsfluid mit einem Wärmetauscher vorgeheizt wird, über den die Luft aus dem Auslass eines Kompressors einer Maschine mit innerer Verbrennung geführt ist. Furthermore, US Pat. No. 4,901,531 discloses a diesel unit integrated into a Rankine process, one cylinder serving for the expansion according to Rankine and the others working as a diesel engine. US Pat. No. 4,334,409 discloses a Rankine process in which the working fluid is preheated by a heat exchanger through which the air is passed from the outlet of a compressor of an internal combustion engine.
Blockheizkraftwerke (BHKW) als Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um 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. Combined heat and power plants (CHP) as plants for combined heat and power are well known. These are decentralized, usually powered by internal combustion engines power generation systems with simultaneous waste heat recovery. The discharged during the combustion of the cooling media heat is used as completely as possible for the heating of suitable objects.
Insbesondere bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit nachgeschaltetem ORC als Abwär- mekraftwerk haben sich Maschinen durchgesetzt, die auf Motoren mit einem Abgasturbolader zur Aufladung basieren. Man kommt damit der Forderung nach Maschinen mit sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden nach, die sich nur mit Turboaufladung und Rückküh- lung des durch die Verdichtung erhitzten Brenngasgemisches erreichen lassen. Generell ist eine Kühlung des Brenngasgemisches erforderlich, weil ansonsten die Füllung der Zylinder relativ schlecht wäre. Mit der Kühlung wird die Dichte des angesaugten Gemisches größer und es verbessert sich der Füllungsgrad. Damit steigen die Leistungsausbeute und der mechanische Wirkungsgrad des Motors. In particular in combined heat and power plants with downstream ORC as the waste heat power plant, machines have prevailed which are based on engines with an exhaust gas turbocharger for charging. This meets the demand for machines with very high electrical efficiencies, which can only be achieved with turbocharging and recooling of the fuel gas mixture heated by the compression. Generally, a cooling of the fuel gas mixture is required because otherwise the filling of the cylinder would be relatively poor. With the cooling, the density of the sucked mixture is larger and it improves the degree of filling. This increases the power output and the mechanical efficiency of the engine.
Die Motorenhersteller schreiben für die Gemischkühlung eine Kühlwassereintrittstemperatur von nur etwa 40 bis 50 °C vor, damit das Gemisch genügend abgekühlt werden kann. Da dieses Temperaturniveau relativ niedrig ist, wird die dem Brenngasgemisch entzogene Wärme bei den bisher bekannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen an die Umgebung abgegeben, beispielsweise mit einem Tischkühler. The engine manufacturers prescribe a cooling water inlet temperature of only approx. 40 to 50 ° C for the mixture cooling so that the mixture can be sufficiently cooled. Since this temperature level is relatively low, the heat extracted from the fuel gas mixture in the previously known combined heat and power plants is released to the environment, for example with a table cooler.
Bekannt ist weiterhin aus der DE 10 2005 048 795 B3 die Vorwärmung des Arbeitsmediums im ORC in zwei Schritten in einer Beheizungsvorrichtung, nämlich dass das Prozessmedium im ORC über zwei in Reihe einer Speisepumpe nachgeschaltete Wärmetauscher erwärmt wird, wobei der erste Wärmetauscher nach der Speisepumpe als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme vorgesehen ist. Dabei ist die Gemisch- kühlung der Verbrennungskraftmaschine über einen Kreislauf mit dem ersten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden, wobei die Wärme aus der Kühlung des von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Brenngasgemisches zur Vorwärmung des Prozessmediums im ORC dient und als Niedertemperaturwärme im ersten Wärmetauscher eingekoppelt wird. Ein zweiter Heizkreislauf bezieht Wärme aus Motorkühlwasser und Abgas der Verbrennungskraftmaschine und ist mit dem zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden, wobei die Wärme aus dem Kühlkreislauf und dem Abgas zur Überhitzung und Verdampfung des Prozessmediums im ORC dient und als Hochtemperaturwärme im zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe eingekoppelt wird. It is also known from DE 10 2005 048 795 B3 the preheating of the working medium in ORC in two steps in a heating device, namely that the process medium in the ORC via two in series a feed pump downstream heat exchanger is heated, wherein the first heat exchanger is provided after the feed pump as a first stage for coupling low-temperature heat and the subsequent heat exchanger as a second stage for coupling high-temperature heat. The mixture cooling of the internal combustion engine is connected via a circuit with the first heat exchanger after the feed pump, the heat from the cooling of the fuel gas sucked by the internal combustion engine for preheating the process medium in ORC and is coupled as low-temperature heat in the first heat exchanger. A second heating circuit draws heat from engine cooling water and exhaust gas of the internal combustion engine and is connected to the second heat exchanger after the feed pump, the heat from the cooling circuit and the exhaust gas for overheating and evaporation of the process medium in ORC and coupled as high temperature heat in the second heat exchanger after the feed pump becomes.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehende Abwärmenutzungsanlage im Hinblick auf Aufbau und Betriebsverhalten zu optimieren. The invention is therefore based on the object to optimize an existing from a waste heat source downstream ORC waste heat recovery system in terms of structure and performance.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. This is achieved with the features of claim 1 according to the invention. Advantageous developments can be found in the dependent claims.
Die Abwärmenutzungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC mittels des im motorischen Betrieb arbeitenden Generators angefahren und auf eine in einer Regeleinrichtung vorgebbare Mindest-Startdrehzahl gebracht wird. Dabei entspricht die Mindest-Startdrehzahl vorzugsweise etwa zwei Dritteln einer Mindest-Betriebsdrehzahl. Ein maßgeblicher Vorteil durch den im motorischen Betrieb arbeitenden Generator liegt in der geringen Lagebelastung in der Startphase, weil die Expansionsmaschine noch nicht mit Kältemittel beaufschlagt ist. Ansonsten könnte es eventuell in der noch kühlen Expansionsmaschine zur unerwünschten Kondensation von geringen Mengen an Kältemittel kommen. Deren Kühlung, ebenfalls durch einen Kältemittel-Teilstrom, allerdings in flüssiger Phase, arbeitet dann aber schon. The waste heat recovery system is characterized in that the expansion machine for steam expansion in ORC is approached by means of the generator operating in engine operation and brought to a presettable in a control device minimum starting speed. The minimum starting speed preferably corresponds to about two-thirds of a minimum operating speed. A significant advantage of working in motor operation generator is the low position load in the startup phase, because the expansion engine is not yet acted upon by refrigerant. Otherwise, it could possibly come in the still cool expansion machine for unwanted condensation of small amounts of refrigerant. Their cooling, also by a refrigerant partial flow, but in liquid phase, then works but already.
Erfindungsgemäß wird beim Erreichen der Mindest-Startdrehzahl das Dampfventil am Ein- lass der Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC geöffnet und während des weiteren Öffnens des Dampfventils erfolgt ein weiteres Hochfahren der Drehzahl, so dass der Generator vom motorischen Betrieb in den normalen Generatorbetrieb übergeht. Dies ist vorteilhaft, weil die Expansionsmaschine gleich vom Start an am Generator bzw. an- fangs an diesem als Elektromotor hängt und nicht zum Netz synchronisiert werden muss. Bei vollständig geöffnetem Dampfventil und erreichter Mindest-Betriebsdrehzahl in der Regeleinrichtung wird dann ein Prozess zur Drehzahloptimierung im Hinblick auf die aktuelle Betriebssituation freigegeben. According to the invention, upon reaching the minimum starting speed, the steam valve is opened at the inlet of the steam expansion expansion machine in the ORC, and during the further opening of the steam valve, the speed is raised again, so that the generator changes from the engine operation to the normal generator operation. This is advantageous because the expansion machine is connected to the generator or Fangs on this as an electric motor hangs and does not have to be synchronized to the network. When the steam valve is fully open and the minimum operating speed in the control device is reached, a process for speed optimization is released with regard to the current operating situation.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ermittelt eine Regeleinrichtung für die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC die für einen aktuellen Betriebspunkt optimale Drehzahl. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt, ausgehend von einer Minimaldrehzahl, ein langsames Hochregeln unter Auswertung der Generatorleistung, bis in einem zweiten Schritt bei steigender Drehzahl und bei gleichzeitig fallender Generatorleistung ein Überschreiten eines Scheitelpunktes erkannt wird. In einem dritten Schritt erfolgt eine Reduzierung der Drehzahl, und in weiteren Schritten werden die Abläufe der Schritte zwei und drei so lange wiederholt, bis sich die Drehzahl am Punkt der maximalen Generatorleistung einpendelt. In a further advantageous embodiment of the invention determines a control device for the expansion engine for steam expansion in ORC optimal for a current operating point speed. In this case, in a first step, starting from a minimum speed, a slow up-control under evaluation of the generator power, until in a second step with increasing speed and at the same time falling generator power exceeding an apex is detected. In a third step, the speed is reduced, and in further steps, the sequences of steps two and three are repeated until the speed settles at the point of maximum generator power.
Vorteilhafterweise ist die für einen aktuellen Betriebspunkt für die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC optimale Drehzahl in einer Regeleinrichtung über ein Kennfeld vorgebbar. Advantageously, the optimum for a current operating point for the expansion engine for steam expansion in ORC speed in a control device via a map is predetermined.
So sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem Kennfeld der Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine einer optimalen Drehzahl zugeordnet und zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes wird der aktuelle Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen, um damit die Drehzahl einzuregeln. Alternativ oder ergänzend dazu können in einem Kennfeld die Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine einer optimalen Drehzahl zugeordnet sein und zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes wird die aktuelle Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen, um damit die Drehzahl einzuregeln. Thus, in a preferred embodiment of the invention in a map of input and / or output pressure at the expander of an optimal speed associated with the current operating condition and the current input and / or output pressure is measured on the expansion machine, evaluated and in the control device matched with the map, in order to regulate the speed. Alternatively or additionally, the inlet and / or outlet temperature at the expander can be assigned to an optimum speed in a map and to determine the current operating state, the current inlet and / or outlet temperature is measured at the expansion machine, evaluated and in the control device with the Characteristic adjusted to control the speed.
Vorzugsweise weist der mit der Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC integrierte Generator einen gekoppelten Frequenzumrichter für einen drehzahlvariablen Betrieb auf. Preferably, the generator integrated with the steam expansion expansion machine in the ORC has a coupled frequency converter for variable speed operation.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist um die Expansionsmaschine herum ein geregelter Bypass mit mindestens einem Drosselventil im ORC-Kreislauf vorgese- hen. Dieser Bypass ist in der Startphase, also bei noch relativ niedriger Temperatur des Arbeitsmediums, zunächst geöffnet, so dass das Arbeitsmedium um die Expansionsmaschine herum geleitet wird, um das unerwünschte Eindringen von flüssigen Phasenresten im Arbeitsmedium in die Expansionsmaschine zu vermeiden. Sobald der ORC-Kreislauf seinen Soll-Betriebszustand erreicht hat und dies zum Beispiel über ein entsprechendes, vorgebbares Temperaturniveau oder andere Parameter detektiert wird, wird der Bypass geschlossen und ein der Expansionsmaschine vorgeschaltetes Dampfventil geöffnet. In yet another advantageous embodiment, a controlled bypass with at least one throttle valve in the ORC circuit is provided around the expansion machine. hen. This bypass is in the start-up phase, ie at a relatively low temperature of the working medium, initially opened, so that the working medium is passed around the expansion machine to avoid the unwanted ingress of liquid phase residues in the working medium in the expansion machine. As soon as the ORC cycle has reached its desired operating state and this is detected, for example, via a corresponding, specifiable temperature level or other parameters, the bypass is closed and a steam valve connected upstream of the expansion machine is opened.
Mit der Erfindung werden Aufbau und Betriebsverhalten einer aus einem einer Abwärme- quelle nachgeschalteten ORC bestehenden Abwärmenutzungsanlage optimiert. Abwärme- quellen können beispielsweise Blockheizkraftwerke, Industrieanlagen oder Kesselanlagen sein. The invention optimizes the design and operating behavior of a waste heat utilization system consisting of an ORC connected downstream of a waste heat source. Waste heat sources can be, for example, combined heat and power plants, industrial plants or boiler plants.
Die Startphase der Expansionsmaschine wird erfindungsgemäß ebenfalls optimiert. Gleichzeitig wird eine maximale Betriebssicherheit und Schutz vor Kältemittelkondensation erreicht, wenn der mit dem motorisch betriebenen Generator gekoppelte Hochlauf der Expansionsmaschine ohne Kältemittel stattfindet. Weil auf der Kühlungsseite der dafür eingesetzte Kältemittel-Teilstrom über die Generatoreinheit geführt wird, nimmt dieser dort die durch Verluste entstehende Wärme während des motorischen Betriebes auf. The starting phase of the expansion machine is also optimized according to the invention. At the same time maximum reliability and protection against refrigerant condensation is achieved when the coupled with the motor-driven generator run-up of the expansion machine takes place without refrigerant. Because the refrigerant partial flow used for this purpose is conducted via the generator unit on the cooling side, it absorbs the heat produced by losses during the engine operation.
Der thermische Zustand der Expansionsmaschine wird genauso überwacht, wie andere Randbedingungen. Dazu gehören als Startbedingungen beispielsweise ein Mindestdruck des Kältemittels im ORC-Kreislauf, Einschaltbedingungen für eine magnetische Lagerung eines Turbinenläufers sowie eine Überprüfung aller betriebsnotwendigen Aggregate. The thermal state of the expander is monitored as well as other constraints. These include as starting conditions, for example, a minimum pressure of the refrigerant in the ORC cycle, switch-on conditions for a magnetic bearing of a turbine rotor and a review of all operationally necessary units.
Erfindungsgemäß findet somit ein vollautomatisch und elektronischer Anfahrvorgang für die Abwärmenutzungsanlage statt. Ebenso ein automatisierter Normalbetrieb mit variablen, der aktuellen Betriebssituation angepassten Betriebsdrehzahlen sowie ein Abfahrbetrieb. Thus, according to the invention, a fully automatic and electronic starting process for the waste heat utilization system takes place. Likewise, an automated normal operation with variable, adapted to the current operating situation operating speeds and a shutdown.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur den schematischen Aufbau einer Abwärmenutzungsanlage, bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC. The drawing illustrates an embodiment of the invention and shows in a single figure the schematic structure of a waste heat recovery system, consisting of one of these downstream ORC.
Die für den ORC betriebswichtigen Komponenten sind ein ORC-Kreislauf 1 , eine Speisepumpe 2, ein Verdampfer 3, eine Expansionsmaschine 4 zur Dampfexpansion, welche mit einem Generator 5 gekoppelt ist, ein Verflüssiger 6 für die Rückkühlung über eine Wärme- senke 7 sowie die Wärmetauscher 8, 9 zur Vorwärmung des Arbeitsmediums im ORC- Kreislauf 1 . The essential components for the ORC are an ORC circuit 1, a feed pump 2, an evaporator 3, a steam expansion expansion machine 4, which is coupled to a generator 5, a condenser 6 for recooling via a heat pump. Valley 7 and the heat exchanger 8, 9 for preheating the working medium in the ORC circuit. 1
Die beiden Wärmetauscher 8, 9 sind in Reihe der Speisepumpe 2 nachgeschaltet. Dabei dient der erste Wärmetauscher 8 nach der Speisepumpe 2 als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher 9 als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme aus einer Abwärmequelle 10. The two heat exchangers 8, 9 are connected downstream of the feed pump 2 in series. In this case, the first heat exchanger 8 after the feed pump 2 serves as a first stage for coupling low-temperature heat and the subsequent heat exchanger 9 as a second stage for coupling high-temperature heat from a waste heat source 10th
Ein zweiter Heizkreislauf 1 1 ist mit seinem Vorlaufbereich mit dem Verdampfer 3 des ORC verbunden, weil das Temperaturniveau zunächst ausreichend hoch für dessen direkte Beheizung ist. Danach mündet der zweite Heizkreislauf 1 1 rücklaufseitig in den zweiten Wärmetauscher 9 und gibt dort noch vorhandene Restwärme an den ORC ab. A second heating circuit 1 1 is connected to its flow area with the evaporator 3 of the ORC, because the temperature level is initially high enough for its direct heating. Thereafter, the second heating circuit 1 1 opens the return side in the second heat exchanger 9 and there are still residual heat from the ORC.
Ein flüssiger Kältemittel-Teilstrom 12 zur Kühlung der Expansionsmaschine 4 wird abgezweigt und zunächst durch den Generator 5 geführt. Danach strömt das Kühlmedium durch das Gehäuse der Expansionsmaschine 4 und sorgt dort für ausreichende Wärmeabfuhr. A liquid refrigerant partial stream 12 for cooling the expansion machine 4 is branched off and initially passed through the generator 5. Thereafter, the cooling medium flows through the housing of the expansion machine 4, where it ensures sufficient heat dissipation.
Beim Erreichen einer Mindest-Startdrehzahl wird ein Dampfventil 13 am Einlass der Expansionsmaschine 4 zur Dampfexpansion im ORC geöffnet und während des weiteren Öffnen s des Dampfventils 13 erfolgt ein weiteres Hochfahren der Drehzahl, so dass der Generator 5 vom motorischen Betrieb in den normalen Generatorbetrieb übergeht. Upon reaching a minimum starting speed, a steam valve 13 is opened at the inlet of the expansion machine 4 for steam expansion in ORC and during the further opening s of the steam valve 13 is a further ramping up the speed, so that the generator 5 passes from the engine operation in the normal generator operation.
Um die Expansionsmaschine 4 herum ist ein geregelter Bypass 14 mit mindestens einem Drosselventil 15 vorgesehen. Dieser Bypass 14 ist in der Startphase, also bei noch relativ niedriger Temperatur des Arbeitsmediums, zunächst geöffnet. Damit wird das Arbeitsmedium um die Expansionsmaschine 4 herum geleitet. Sobald der ORC-Kreislauf 1 seinen Soll- Betriebszustand erreicht hat, wird das Drosselventil 15 im Bypass 14 geschlossen und das der Expansionsmaschine 4 vorgeschaltete Dampfventil 13 geöffnet. Around the expansion machine 4, a controlled bypass 14 with at least one throttle valve 15 is provided. This bypass 14 is initially open in the starting phase, ie at a still relatively low temperature of the working medium. Thus, the working medium is passed around the expansion machine 4 around. As soon as the ORC circuit 1 has reached its desired operating state, the throttle valve 15 in the bypass 14 is closed and the expansion valve 4 upstream steam valve 13 is opened.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Abwärmenutzungsanlage für eine Abwärmequelle (10), bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle), wobei die Abwärmequelle (10) mit der Beheizungsvorrichtung des ORC in Verbindung steht, sowie mit einer mit einem Generator (5) gekoppelten Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC, 1 . Waste heat recovery system for a waste heat source (10), consisting of one of these downstream ORC (Organic Rankine Cycle), wherein the waste heat source (10) with the heating device of the ORC is in communication, as well as with a with a generator (5) coupled to the expansion machine (4 ) for steam expansion in ORC,
dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC mittels des im motorischen Betrieb arbeitenden Generators (5) angefahren und auf eine in einer Regeleinrichtung vorgebbare Mindest-Startdrehzahl gebracht wird. characterized in that the expansion machine (4) for steam expansion in ORC is approached by means of the motor operating in the generator (5) and brought to a presettable in a control device minimum starting speed.
2. Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1 , 2. waste heat recovery system according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mindest-Startdrehzahl etwa zwei Dritteln einer Mindest- Betriebsdrehzahl entspricht. characterized in that the minimum starting speed corresponds to about two-thirds of a minimum operating speed.
3. Abwärmenutzungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, 3. waste heat recovery system according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass beim Erreichen der Mindest-Startdrehzahl ein Dampfventil (13) am Einlass der Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC geöffnet wird und dass während des weiteren Öffnen s des Dampfventils (13) ein weiteres Hochfahren der Drehzahl erfolgt und der Generator (5) vom motorischen Betrieb in den normalen Generatorbetrieb übergeht. characterized in that upon reaching the minimum starting speed, a steam valve (13) is opened at the inlet of the expansion machine (4) for steam expansion in ORC and that during further opening s of the steam valve (13), the speed is further ramped up and the generator ( 5) from the engine operation to the normal generator operation.
4. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Waste heat recovery system according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass bei vollständig geöffnetem Dampfventil (13) und erreichter Mindest-Betriebsdrehzahl in der Regeleinrichtung ein Prozess zur Drehzahloptimierung freigegeben wird. characterized in that at fully open steam valve (13) and reached minimum operating speed in the control device, a process for speed optimization is released.
5. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Waste heat recovery system according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung für die Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC die für einen aktuellen Betriebspunkt optimale Drehzahl ermittelt, indem in einem ersten Schritt ausgehend von einer Minimaldrehzahl ein langsames Hochregeln unter Auswertung der Generatorleistung erfolgt, in einem zweiten Schritt bei steigender Drehzahl und bei gleichzeitig fallender Generatorleistung ein Überschreiten eines Scheitelpunktes erkannt wird, in einem dritten Schritt eine Reduzierung der Drehzahl erfolgt, und indem in weiteren Schritten die Abläufe der Schritte zwei und drei so lange wiederholt werden, bis sich die Drehzahl am Punkt der maximalen Generatorleistung einpendelt. characterized in that a control device for the expansion engine (4) for steam expansion in the ORC determines the optimal speed for a current operating point by starting in a first step, starting from a minimum speed, a slow up-control under evaluation of the generator power, in a second step with increasing speed and at the same time falling generator power exceeding a vertex is detected, in a third step, a reduction of the speed takes place, and in further steps, the sequences of steps two and three are repeated until the speed settles at the point of maximum generator power.
6. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6. Waste heat recovery system according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass in einer Regeleinrichtung für die Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC für einen aktuellen Betriebspunkt die optimale Drehzahl über ein Kennfeld vorgebbar ist. characterized in that in a control device for the expansion machine (4) for steam expansion in ORC for a current operating point, the optimum speed is predetermined via a map.
7. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und 6, 7. Waste heat recovery system according to one of claims 1 to 4 and 6,
dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kennfeld der Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine (4) einer optimalen Drehzahl zugeordnet sind und dass zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes der aktuelle Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine (4) gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen wird, um damit die Drehzahl einzuregeln. characterized in that in a map of the input and / or output pressure at the expansion engine (4) are associated with an optimal speed and that measured to determine the current operating state of the current input and / or output pressure at the expansion machine (4), evaluated and is adjusted in the control device with the map in order to regulate the speed.
8. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Kennfeld die Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine (4) einer optimalen Drehzahl zugeordnet sind und dass zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes die aktuelle Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine (4) gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen wird, um damit die Drehzahl einzuregeln. 8. waste heat recovery system according to one of claims 1 to 4, 6 and 7, characterized in that in a map, the input and / or outlet temperature of the expander (4) are associated with an optimal speed and that for determining the current operating state, the current A - And / or outlet temperature at the expansion machine (4) measured, evaluated and adjusted in the control device with the map in order to regulate the speed.
9. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9. Waste heat recovery system according to one of claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC integrierte Generator (5) einen gekoppelten Frequenzumrichter für einen drehzahlvariablen Betrieb aufweist. characterized in that the integrated with the expansion machine (4) for steam expansion in the ORC generator (5) has a coupled frequency converter for a variable-speed operation.
10. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 10. waste heat recovery system according to one of claims 1 to 9,
dadurch gekennzeichnet, dass um die Expansionsmaschine (4) herum ein geregelter Bypass (14) mit mindestens einem Drosselventil (15) im ORC-Kreislauf (1 ) vorgesehen ist. characterized in that around the expander (4) around a controlled bypass (14) with at least one throttle valve (15) in the ORC circuit (1) is provided.
1 1. Abwärmenutzungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 1 1. Waste heat recovery system according to one of claims 1 to 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der geregelte Bypass (14) um die Expansionsmaschine (4) herum in der Startphase zunächst geöffnet ist, und dass dieser geschlossen wird, wenn der ORC-Kreislauf (1 ) ein vorgebbares Temperaturniveau erreicht hat. characterized in that the controlled bypass (14) around the expansion machine (4) is initially open in the starting phase, and that it is closed when the ORC circuit (1) has reached a predeterminable temperature level.
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