EP2886811A1 - Verfahren zur Regelung eines Kondensators ini einer thermischen Kreisprozessvorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines Kondensators ini einer thermischen Kreisprozessvorrichtung Download PDF

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EP2886811A1
EP2886811A1 EP13198793.5A EP13198793A EP2886811A1 EP 2886811 A1 EP2886811 A1 EP 2886811A1 EP 13198793 A EP13198793 A EP 13198793A EP 2886811 A1 EP2886811 A1 EP 2886811A1
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pressure
condensation
nominal
temperature
cycle device
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Andreas Grill
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Orcan Energy AG
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    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a capacitor in a thermal cycle device, in particular in an ORC device and a corresponding device.
  • a system for the recovery of electrical energy from heat energy with the Organic Rankine Cycle as a thermodynamic cycle consists of the following main components: A feed pump, which promotes the liquid working fluid with pressure increase to an evaporator, the evaporator itself, in which the working medium vaporized with the addition of heat and optionally additionally superheated, an expansion machine in which the high pressure steam is expanded, thereby generating mechanical energy, which is converted by a generator into electrical energy, and a condenser, in which the low pressure steam from the Expansion machine is liquefied. From the condenser, the liquid working fluid returns to the feed pump of the system via an optional reservoir (food container) and a suction line.
  • condensation pressure For each load condition of an ORC plant, there is a condensing pressure that maximizes net output within the plant specification (optimal condensing pressure).
  • the condensation pressure here and below refers to the pressure at the outlet of the condenser.
  • the usable electrical power resulting from the ORC process is the net power. This is composed of the gross output less the own demand of the system.
  • the personal need is independent of the load condition Variables, such as the power supply of the controller, and load-dependent variables together.
  • Important dependent variables are the power requirement of the feed pump and the power requirement of the fan or the fans of the condenser. When the power requirement of the fan of the condenser shows a very strong, disproportionate relationship between the self-consumption and the fan speed. At higher speeds, the condensation pressure decreases, which increases the enthalpy gradient of the upstream expansion machine. Thus, this can achieve a higher (gross) performance. The question now arises as to whether this increase in gross output exceeds or even exceeds the increased domestic demand due to the increased electrical power consumption of the condenser fan.
  • condensation pressure is in a given load state. Which condensation pressure is optimal depends on the plant condition. The condition of the system is influenced by two factors: the actual power (thermal power, gross power) and the ambient conditions (temperature).
  • the condenser should therefore always regulate the pressure at which the best possible net yield can be achieved.
  • This pressure depends on the load condition, the specifications of the condenser and the air temperature, possibly also on the condition of the condenser, for example, when the heat transfer coefficient or the available area changes due to soiling.
  • the load condition can be measured or calculated.
  • the properties of the capacitor are known.
  • the outside temperature must be measured. However, this measurement is often unreliable and error prone. This is because, for example, the solar radiation can falsify the measurement result.
  • the measurement result depends on the exact location of the temperature sensor on the system and thus requires a respective calibration.
  • a reliable measurement of the outside temperature with the desired accuracy is therefore in many cases a difficult task, as influencing factors such as solar radiation, thermal radiation of buildings and facilities, exhaust air from Processes, etc. can significantly complicate or distort the measurement.
  • it is not the general ambient temperature but the average temperature of the air at the inlet to the condenser that determines the condensation.
  • a measurement with several sensors in the supply air (supplied air), which are shielded from the heat radiation of the condensation surfaces, is economically unfavorable.
  • the object of the invention is at least partially overcome the disadvantages described above. If possible, a temperature measurement should be avoided. Furthermore, suitable setpoint values of the condensation pressure for the starting process of the system are preferably to be defined.
  • a method for controlling a capacitor in a thermal cycle device in particular in an ORC device provided, wherein the thermal cycle device a feed pump for conveying liquid working fluid with pressure increase to an evaporator, the Evaporator for vaporizing and optionally additional overheating of the working medium with the supply of heat, an expansion machine for generating mechanical energy by relaxing the vaporized working medium, a generator for at least partially converting the mechanical energy into electrical energy, and the condenser for condensing the expanded working medium
  • the method comprises the following steps: determining, in particular measuring a rotational speed of the generator or of the expansion machine; temperature sensorless determining a temperature of the condenser supplied cooling air; Determining a nominal condensing pressure at which the net electrical output of the thermal cycle device is at a maximum from the determined, in particular measured generator or expansion engine speed and the determined cooling air temperature; and controlling or regulating the condensation pressure with the nominal condensing pressure as a target
  • the advantages are that it is always possible to control the optimum condensation pressure, resulting in a higher net yield.
  • no outside temperature must be measured, resulting in a cost reduction and a lower installation error probability result, since the determination of the temperature of the cooling air, which is supplied to the capacitor without temperature sensor.
  • the temperature thus determined may also be referred to as the effective outside temperature or effective air temperature.
  • the determination of the rotational speed of the generator can be carried out, for example, from the electrical signals to or from the generator, or by measuring by means of a rotational speed sensor.
  • the inventive method can be further developed such that the temperature sensorless determination of the cooling air temperature comprises calculating the temperature from a determined, in particular measured speed of the generator or the expansion machine, a determined, in particular measured speed of the condenser fan and a determined, in particular measured condensation pressure comprises; or wherein the temperature sensorless determination of the cooling air temperature comprises a readout of the temperature from a predetermined table as a function of a determined, in particular measured speed of the generator or the expansion machine, a determined, in particular measured speed of the condenser fan and a determined, in particular measured condensation pressure.
  • MPC model-predictive control strategies
  • Determining the speed of the condenser fan can be done for example from the electrical signals from or to the condenser fan.
  • the condensation pressure can also be determined, for example, from a measured temperature of the condensate.
  • thermodynamic cycle device when the thermodynamic cycle device is started up, the following steps can first be carried out: determining a starting value for the nominal condensation pressure; Starting the thermodynamic cycle device and controlling the condensation pressure with the start value of the nominal condensing pressure as the target value by adjusting the condenser fan speed; and replacing the starting value for the nominal condensing pressure with the condensing nominal pressure determined during operation of the thermodynamic cycle device.
  • the desired subcooling designates the temperature difference by which the condensate is undercooled with respect to the condensation saturation temperature. This has the advantage that the risk of cavitation in the feed pump is reduced.
  • the replacement during start-up by means of controlling or regulating the condensation pressure takes place from the start value of the condensation pressure to the condensation nominal pressure determined after the start during the operation of the thermodynamic cycle device.
  • This has the advantage that a smooth transition of the control or regulation takes place, and thus sudden changes are avoided. It should be a transition from a starting value to the optimum condensation nominal pressure.
  • the starting value can be determined using various methods and is set once when the system starts up. Now, however, should be transferred from this value to the optimum condensation target pressure without too rapid pressure changes take place, as would be the case, for example, in a sudden switching to the optimum condensing nominal pressure. Therefore, the setpoint should be changed from the start value with a maximum rate of change to the optimum condensation target pressure. As soon as the desired value has reached the optimum condensation nominal pressure, it is possible to switch over to the control method according to the invention already described.
  • thermodynamic cycle device when the thermodynamic cycle device is shut down, the following steps can then be carried out: determination of a departure value for the nominal condensation pressure; Replacing the condensing setpoint pressure determined during operation of the thermodynamic cycle apparatus with the value of the condensation nominal pressure; and controlling or regulating the condensation pressure with the departure value of the nominal condensing pressure as the target value by adjusting the condenser fan speed and stopping the operation of the thermodynamic cycle device.
  • the substitution during shutdown by means of controlling or regulating the condensation pressure is carried out by the condensation target pressure determined during operation of the thermodynamic cycle device to the value for the nominal condensation pressure.
  • the optimum condensation pressure may decrease too quickly, so that the pump is under-pressurized compared to the fluid temperature, causing the pump to cavitate.
  • the rate of change of the nominal condensing pressure is limited to a maximum rate of pressure change even in normal operation (after start-up operation). This value can be different for positive and negative pressure changes in amount.
  • the thermal cycle device in particular an ORC device, comprises: a feed pump for conveying liquid working fluid under pressure increase to an evaporator; the evaporator for evaporation and optionally additional overheating of the working medium with the supply of heat; an expansion machine for generating mechanical energy by relaxing the vaporized working medium; a generator for at least partially converting the mechanical energy into electrical energy; the condenser for condensing the expanded working medium; and a control or regulating device for temperature sensorless determination of a temperature of the condenser supplied cooling air; Determining a nominal condensing pressure at which the net electrical output of the thermal cycle device is at a maximum from a determined or measured generator or expansion engine speed and the determined cooling air temperature; and controlling or regulating the condensation pressure with the nominal condensing pressure as a target value, in particular by setting a condenser fan speed.
  • the device according to the invention can be further developed in that it further comprises a speed sensor for measuring a rotational speed of the generator or the expansion machine; and / or another speed sensor for measuring a condenser fan speed; and / or may include a pressure sensor for measuring the condensation pressure.
  • the said developments can be used individually or combined with each other.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention. For the description of the method according to the invention is also referred to.
  • the thermal cycle device comprises a feed pump 1 for conveying liquid working fluid under pressure increase to an evaporator 2, the evaporator 2 for evaporation and optionally additional overheating of the working medium with the supply of heat, an expansion machine 3 for generating mechanical energy by relaxing the vaporized working medium, a Generator 4 for at least partially converting the mechanical energy into electrical energy, and the condenser 5 for condensing the relaxed working medium.
  • a speed sensor 6 may be provided for measuring the rotational speed of the generator 4.
  • the generator speed can also be determined from electrical signals to or from the generator 4.
  • a control device 7 for temperature sensorless determination of an effective temperature of the cooling air, which is supplied to the capacitor; for determining a condensing setpoint pressure at which the net electrical output of the thermal cycle device is at a maximum, from the determined or measured generator speed and the determined cooling air temperature; and for controlling the condensing pressure with the condensing target pressure as the target value by adjusting a condenser fan speed.
  • a rotational speed sensor 8 for measuring the rotational speed of the condenser fan and a pressure sensor 9 for measuring the condensation pressure in the condenser 5 may be provided.
  • the essential idea of the invention is to control the condensation pressure in the condenser 5 without using a temperature sensor in such a way that the greatest possible net energy yield is achieved.
  • T ⁇ * f s GENE s COND p COND
  • This calculated value T ⁇ * for the outside temperature can be used in the equation (1) for the optimum condensation nominal pressure.
  • the generator speed S GEN , the condenser fan speed SKOND, and the condensation pressure P KOND enter into the calculation.
  • the generator speed S GEN is used. At higher speed (with a given live steam condition) more medium will be pumped through the system. The feed pump has to promote more accordingly. This also requires a higher thermal input power. Consequently, the generator speed can be used as a measure of the power supplied. In particular, when using volumetric expansion machines and approximately constant live steam parameters, this is an easy way to quantify the thermal performance, since the volume flow is then in a very good approximation proportional to the speed of the expansion machine. Due to the direct coupling of the generator, S GEN is equivalent to the expansion engine speed.
  • the condensation pressure prevailing in the condenser during operation is influenced by the heat dissipated in the condenser.
  • the heat dissipation of the capacitor can be described in different ways by means of 4 variables, namely T ⁇ , S KOND , S GEN , and P KOND . Because of these relationships, by eliminating heat dissipation in the equations, a relationship between the 4 variables can be derived. By determining this mathematical relationship, it is thus possible to present a quantitative statement about the current ambient conditions influencing the condensation. From this context, the temperature of the supplied air T ⁇ (ie the effective temperature T ⁇ *) can then be determined from the other three variables. The size, which can only be calculated from plant-internal variables, can thus be incorporated into the described capacitor control.
  • a method for regulating a capacitor in the thermal cycle device comprising the following steps: in particular measuring a rotational speed of the generator 4 or the expansion machine 3; temperature sensorless determination of a temperature T ⁇ * of the condenser 5 supplied cooling air; Determining a nominal condensation pressure at which the net electrical output of the thermal cycle device is at a maximum from the measured generator or expansion engine speed and the determined cooling air temperature; and controlling or regulating the condensation pressure with the nominal condensing pressure as a target value by adjusting a condenser fan speed.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kondensators (5) in einer thermischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere in einer ORC Vorrichtung, wobei die thermische Kreisprozessvorrichtung eine Speisepumpe (1) zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer, den Verdampfer (2) zum Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme, eine Expansionsmaschine (3) zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen Generator (4) zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrischer Energie, und den Kondensator (5) zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln einer Drehzahl (6) des Generators oder der Expansionsmaschine; temperatursensorloses Ermitteln einer Temperatur von dem Kondensator zugeführter Kühlluft; Ermitteln eines Kondensationssolldrucks, bei welchem die elektrische Nettoleistung der thermischen Kreisprozessvorrichtung maximal ist, aus der ermittelten Generator- oder Expansionsmaschinendrehzahl und der ermittelten Kühllufttemperatur; und Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Kondensationssolldruck als Zielwert mittels Einstellen einer Kondensatorlüfterdrehzahl.

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kondensators in einer thermischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere in einer ORC Vorrichtung und eine entsprechende Vorrichtung.
    • Stand der Technik
  • Ein System zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Wärmeenergie mit dem Organic Rankine Cycle als thermodynamischen Kreisprozess (ORC System), besteht aus den folgenden Hauptkomponenten: Eine Speisepumpe, die das flüssige Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer fördert, dem Verdampfer selbst, in dem das Arbeitsmedium unter Zuführung von Wärme verdampft und optional zusätzlich überhitzt wird, eine Expansionsmaschine, in welcher der unter hohem Druck stehende Dampf entspannt wird und dabei mechanische Energie erzeugt, welche über einen Generator zu elektrischer Energie gewandelt wird, und einem Kondensator, in dem der Niederdruckdampf aus der Expansionsmaschine verflüssigt wird. Aus dem Kondensator gelangt das flüssige Arbeitsmedium über einen optionalen Vorratsbehälter (Speisebehälter) und eine Saugleitung wieder zur Speisepumpe des Systems.
  • Zu jedem Lastzustand einer ORC-Anlage existiert ein Kondensationsdruck, der die Nettoleistung innerhalb der Anlagenspezifikation maximiert (optimaler Kondensationsdruck). Der Kondensationsdruck bezeichnet hier und im Folgenden den Druck am Auslass des Kondensators.
  • Die aus dem ORC-Prozess resultierende nutzbare elektrische Leistung ist die Nettoleistung. Diese setzt sich aus der Bruttoleistung abzüglich des Eigenbedarfs der Anlage zusammen. Der Eigenbedarf setzt sich aus vom Lastzustand unabhängigen Größen, wie zum Beispiel der Stromversorgung der Steuerung, und vom Lastzustand abhängigen Größen zusammen. Wichtige abhängige Größen sind der Leistungsbedarf der Speisepumpe und der Leistungsbedarf des Ventilators oder der Ventilatoren des Kondensators. Bei Leistungsbedarf des Ventilators des Kondensators zeigt sich ein sehr starker, überproportionaler Zusammenhang zwischen dem Eigenverbrauch und der Ventilatordrehzahl. Bei höherer Drehzahl sinkt der Kondensationsdruck, womit sich das Enthalpiegefälle der vorgelagerten Expansionsmaschine erhöht. Damit kann diese eine höhere (Brutto-) Leistung erzielen. Es stellt sich nun die Frage, ob diese Erhöhung der Bruttoleistung den gestiegenen Eigenbedarf durch die erhöhte elektrische Leistungsaufnahme des Kondensatorventilators übersteigt oder nicht.
  • Es muss nun betrachtet werden, wie sich der Eigenbedarf und die Bruttoleistung bei gegebenen Umgebungsbedingungen über den Kondensationsdruck verhalten. An dem Punkt, an dem die Bruttoleistung langsamer steigt als der Eigenbedarf des Kondensators abfällt, liegt das Optimum des Kondensationsdrucks in einem gegeben Lastzustand. Welcher Kondensationsdruck optimal ist, hängt vom Anlagenzustand ab. Der Zustand der Anlage wird durch zwei Faktoren beeinflusst: Die aktuelle Leistung (Thermische Leistung, Bruttoleistung) und die Umgebungsbedingungen (Temperatur).
  • Der Kondensator soll also immer auf den Druck regeln, bei dem ein möglichst optimaler Nettoertrag erzielt werden kann. Dieser Druck hängt vom Lastzustand, den Spezifikationen des Kondensators und der Lufttemperatur ab, möglicherweise auch vom Zustand des Kondensators, nämlich beispielsweise dann, wenn sich der Wärmeübergangskoeffizient oder die zur Verfügung stehende Fläche aufgrund von Verschmutzung ändert. Der Lastzustand kann gemessen bzw. berechnet werden. Die Eigenschaften des Kondensators sind bekannt. Die Außentemperatur muss gemessen werden. Diese Messung ist jedoch oft unzuverlässig und fehleranfällig. Dies liegt daran, dass beispielsweise die Sonneneinstrahlung das Messergebnis verfälschen kann. Zudem hängt das Messergebnis von der genauen Standortwahl des Temperatursensors an der Anlage ab und erfordert somit eine jeweilige Kalibrierung.
  • Eine zuverlässige Messung der Außentemperatur mit gewünschter Genauigkeit ist daher in vielen Fällen eine schwierige Aufgabe, da Einflussfaktoren wie Sonneneinstrahlung, Wärmestrahlung von Gebäuden und Anlagen, Abluft von Prozessen usw. die Messung signifikant erschweren oder verfälschen können. Hinzu kommt, dass nicht die allgemeine Umgebungstemperatur, sondern die mittlere Temperatur der Luft am Eintritt in den Kondensator die Kondensation bestimmt. Eine Messung mit mehreren Sensoren in der Zuluft (zugeführte Luft), welche jedoch von der Wärmestrahlung der Kondensationsflächen abgeschirmt sind, ist wirtschaftlich ungünstig.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Wenn möglich, sollte auf eine Temperaturmessung verzichtet werden. Weiter sind vorzugsweise geeignete Sollwerte des Kondensationsdrucks für den Anfahrvorgang der Anlage festzulegen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines Kondensators in einer thermischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere in einer ORC Vorrichtung, bereitgestellt, wobei die thermische Kreisprozessvorrichtung eine Speisepumpe zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer, den Verdampfer zum Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme, eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen Generator zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrischer Energie, und den Kondensator zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln, insbesondere Messen einer Drehzahl des Generators oder der Expansionsmaschine; temperatursensorloses Ermitteln einer Temperatur von dem Kondensator zugeführter Kühlluft; Ermitteln eines Kondensationssolldrucks, bei welchem die elektrische Nettoleistung der thermischen Kreisprozessvorrichtung maximal ist, aus der ermittelten, insbesondere gemessenen Generator- oder Expansionsmaschinendrehzahl und der ermittelten Kühllufttemperatur; und Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Kondensationssolldruck als Zielwert, insbesondere mittels Einstellen einer Kondensatorlüfterdrehzahl.
  • Die Vorteile bestehen darin, dass stets auf den optimalen Kondensationsdruck geregelt werden kann, woraus sich ein höherer Nettoertrag ergibt. Zudem muss keine Außentemperatur gemessen werden, was eine Kostenreduktion und eine geringere Installationsfehlerwahrscheinlichkeit zur Folge hat, da die Ermittlung der Temperatur der Kühlluft, die dem Kondensator zugeführt wird, ohne Temperatursensor erfolgt. Die so ermittelte Temperatur kann auch als effektive Außentemperatur oder effektive Lufttemperatur bezeichnet werden. Das Ermitteln der Drehzahl des Generators kann beispielsweise aus den elektrischen Signalen vom oder zum Generator erfolgen, oder durch Messen mittels eines Drehzahlsensors.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet werden, dass das temperatursensorlose Ermitteln der Kühllufttemperatur ein Berechnen der Temperatur aus einer ermittelten, insbesondere gemessenen Drehzahl des Generators oder der Expansionsmaschine, einer ermittelten, insbesondere gemessenen Drehzahl des Kondensatorlüfters und einem ermittelten, insbesondere gemessenen Kondensationsdruck umfasst; oder wobei das temperatursensorlose Ermitteln der Kühllufttemperatur ein Auslesen der Temperatur aus einer vorbestimmten Tabelle in Abhängigkeit von einer ermittelten, insbesondere gemessenen Drehzahl des Generators oder der Expansionsmaschine, einer ermittelten, insbesondere gemessenen Drehzahl des Kondensatorlüfters und einem ermittelten, insbesondere gemessenen Kondensationsdruck umfasst. Die Ermittlung der Temperatur der Kühlluft erfolgt somit über modellprädiktive Regelungsstrategien (MPC), in denen definierte Prozessvariablen aus anderen Prozessvariablen unter Zuhilfenahme der Kenntnis des Prozesses und deren Komponenten über Modelle ermittelt werden. Das Ermitteln der Drehzahl des Kondensatorlüfters kann beispielsweise aus den elektrischen Signalen vom oder zum Kondensatorlüfter erfolgen. Die Ermittlung des Kondensationsdrucks kann beispielsweise auch aus einer gemessenen Temperatur des Kondensats erfolgen.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung können bei einem Anfahren der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung zunächst die folgenden Schritte durchgeführt werden: Bestimmen eines Startwerts für den Kondensationssolldruck; Starten der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung und Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Startwert des Kondensationssolldrucks als Zielwert mittels Einstellen der Kondensatorlüfterdrehzahl; und Ersetzen des Startwerts für den Kondensationssolldruck mit dem während des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ermittelten Kondensationssolldruck.
  • Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass als Startwert für den Kondensationssolldruck der Sättigungsdruck des Arbeitsmediums bei aktueller Kondensattemperatur oder der Sättigungsdruck bei der Temperatur des Arbeitsmediums an einem Einlauf der Speisepumpe, insbesondere mit zusätzlicher Sollunterkühlung des Arbeitsmediums, der aktuelle Druck im Stillstand der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, oder der letzte Kondensationssolldruck während des letzen Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung bestimmt werden kann. Die Sollunterkühlung bezeichnet dabei die Temperaturdifferenz, um die das Kondensat gegenüber der Kondensationssättigungstemperatur unterkühlt ist. Dies hat den Vorteil, dass die Kavitationsgefahr in der Speisepumpe reduziert wird.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung erfolgt das Ersetzen beim Anfahren mittels Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks vom Startwert des Kondensationsdrucks zum nach dem Start während des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ermittelten Kondensationssolldruck. Dies hat den Vorteil, dass ein gleitender Übergang der Steuerung bzw. Regelung erfolgt, und somit sprungartige Veränderungen vermieden werden. Es soll ein Übergang von einem Startwert auf den optimalen Kondensationssolldruck erfolgen. Der Startwert kann mit verschiedenen Methoden ermittelt werden und wird beim Anfahren der Anlage einmalig festgelegt. Nun soll aber von diesem Wert auf den optimalen Kondensationssolldruck übergegangen werden, ohne dass zu schnelle Druckänderungen stattfinden, wie es z.B. bei einem schlagartigen Umschalten auf den optimalen Kondensationssolldruck der Fall wäre. Es soll daher der Sollwert ausgehend vom Startwert mit einer maximalen Änderungsgeschwindigkeit bis zum optimalen Kondensationssolldruck geändert werden. Sobald der Sollwert den optimalen Kondensationssolldruck erreicht hat, kann auf das bereits beschriebene erfindungsgemäße Regelverfahren umgeschaltet werden.
  • Nach einer anderen Weiterbildung können bei einem Abfahren der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung anschließend die folgenden Schritte durchgeführt werden: Bestimmen eines Abfahrwerts für den Kondensationssolldruck; Ersetzen des während des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ermittelten Kondensationssolldruck mit dem Abfahrwert für den Kondensationssolldruck; und Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Abfahrwert des Kondensationssolldrucks als Zielwert mittels Einstellen der Kondensatorlüfterdrehzahl und Stoppen des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung.
  • Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass als Abfahrwert der letzte Kondensationssolldruck während des letzten Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung oder der Sättigungsdruck des Arbeitsmediums bei aktueller Kondensattemperatur, insbesondere mit einer zusätzlichen Sollunterkühlung des Kondensats, bestimmt werden kann.
  • Gemäß einer anderen Weiterbildung erfolgt das Ersetzen beim Abfahren mittels Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks vom während des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ermittelten Kondensationssolldruck zum Abfahrwert für den Kondensationssolldruck. Beim Abfahren kann der optimale Kondensationsdruck zu schnell abnehmen, so dass an der Pumpe ein zu geringer Druck im Vergleich zur Fluidtemperatur anliegt, so dass die Pumpe kavitiert. Durch die Begrenzung der maximalen Änderungsgeschwindigkeit des Kondensationssolldrucks kann dieses Problem umgangen werden.
  • Gemäß einer weiteren Weiterbildung wird auch im Regelbetrieb (nach dem Startbetrieb) die Änderungsgeschwindigkeit des Kondensationssolldrucks auf eine maximale Druckänderungsgeschwindigkeit limitiert. Dabei kann dieser Wert für positive und negative Druckänderungen vom Betrag her unterschiedlich sein.
  • Die obengenannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine thermische Kreisprozessvorrichtung nach Anspruch 9.
  • Die erfindungsgemäße thermische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC Vorrichtung, umfasst: eine Speisepumpe zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer; den Verdampfer zum Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme; eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums; einen Generator zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrischer Energie; dem Kondensator zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums; und einer Steuer- oder Regeleinrichtung zum temperatursensorlosen Ermitteln einer Temperatur von dem Kondensator zugeführter Kühlluft; Ermitteln eines Kondensationssolldrucks, bei welchem die elektrische Nettoleistung der thermischen Kreisprozessvorrichtung maximal ist, aus einer ermittelten oder gemessenen Generator- oder Expansionsmaschinendrehzahl und der ermittelten Kühllufttemperatur; und Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Kondensationssolldruck als Zielwert, insbesondere mittels Einstellen einer Kondensatorlüfterdrehzahl. Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile gelten hier gleichermaßen.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, dass sie weiterhin einen Drehzahlsensor zum Messen einer Drehzahl des Generators oder der Expansionsmaschine; und/oder einen weiteren Drehzahlsensor zum Messen einer Kondensatorlüfterdrehzahl; und/oder einen Drucksensor zum Messen des Kondensationsdrucks umfassen kann.
  • Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder geeignet miteinander kombiniert werden.
  • Weitere Merkmale und beispielhafte Ausführungsformen sowie Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es versteht sich, dass die Ausführungsformen nicht den Bereich der vorliegenden Erfindung erschöpfen. Es versteht sich weiterhin, dass einige oder sämtliche der im Weiteren beschriebenen Merkmale auch auf andere Weise miteinander kombiniert werden können.
    • Zeichnungen
    • Figur 1
    zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung
    Ausführungsformen
  • Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zur Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ebenfalls darauf Bezug genommen.
  • Die thermische Kreisprozessvorrichtung umfasst eine Speisepumpe 1 zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer 2, den Verdampfer 2 zum Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme, eine Expansionsmaschine 3 zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen Generator 4 zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrischer Energie, und den Kondensator 5 zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums. Weiterhin kann ein Drehzahlsensor 6 zum Messen der Drehzahl des Generators 4 vorgesehen sein. Die Generatordrehzahl kann jedoch auch aus elektrischen Signalen vom oder zum Generator 4 ermittelt werden. Zudem ist eine Regeleinrichtung 7 zum temperatursensorlosen Ermitteln einer effektiven Temperatur der Kühlluft, die dem Kondensator zugeführt wird; zum Ermitteln eines Kondensationssolldrucks, bei welchem die elektrische Nettoleistung der thermischen Kreisprozessvorrichtung maximal ist, aus der ermittelten oder gemessenen Generatordrehzahl und der ermittelten Kühllufttemperatur; und zum Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Kondensationssolldruck als Zielwert mittels Einstellen einer Kondensatorlüfterdrehzahl bereitgestellt. Weiterhin können ein Drehzahlsensor 8 zu Messen der Drehzahl des Kondensatorlüfters und ein Drucksensor 9 zum Messen des Kondensationsdrucks im Kondensator 5 vorgesehen sein.
  • Die wesentliche Idee der Erfindung ist, den Kondensationsdruck im Kondensator 5 ohne Verwendung eines Temperatursensors so zu steuern, dass ein möglichst großer Nettoenergieertrag erzielt wird. Dazu wird ein funktionaler Zusammenhang aus wichtigen Anlagenparametern und einem für jeden Lastpunkt optimalen Kondensationssolldruck formuliert. Dieser Zusammenhang leitet sich aus einem Modell der Anlage in seiner Umgebung ab: p KOND , opt = f s GEN T ∞
    Figure imgb0001
  • Dabei ist SGEN die Drehzahl des Generators und T∞ die Temperatur der zugeführten Luft (Außentemperatur). In einer Ausführungsform der Erfindung kann aus einem Modell der Anlage für jeden Anlagenzustand auf die entsprechende Außentemperatur zurückgeschlossen werden: T ∞ * = f s GEN s KOND p KOND
    Figure imgb0002
  • Dieser berechnete Wert T∞* für die Außentemperatur kann in der Gleichung (1) für den optimalen Kondensationssolldruck genutzt werden. Dabei gehen die Generatordrehzahl SGEN, die Kondensatorlüfterdrehzahl SKOND, und der Kondensationsdruck PKOND zur Berechnung ein.
  • Zur Quantifizierung der durch das System transportierten Leistung (Lastpunkt) wird die Generatordrehzahl SGEN verwendet. Bei höherer Drehzahl wird (bei gegebenem Frischdampfzustand) mehr Medium durch das System gefördert. Die Speisepumpe muss entsprechend mehr fördern. Damit wird auch eine höhere thermische Eintrittsleistung benötigt. Folglich kann die Generatordrehzahl als Maß für die zugeführte Leistung genutzt werden. Insbesondere bei der Verwendung von volumetrischen Expansionsmaschinen und annähernd konstanten Frischdampfparametern ist dies eine einfache Möglichkeit, die thermische Leistung zu quantifizieren, da der Volumenstrom dann in sehr guter Näherung proportional zur Drehzahl der Expansionsmaschine ist. Durch die direkte Ankopplung des Generators ist SGEN äquivalent zu der Expansionsmaschinendrehzahl.
  • Betrachtet man den optimalen Kondensationsdruck über einen relevanten Bereich von Umgebungstemperatur und Generatordrehzahlen, so lässt sich ein mathematischer Zusammenhang dieser drei Größen ermitteln. Diese formale Beschreibung kann in die Regelung des Kondensationsdrucks über die Steuerung der Kondensatordrehzahl einfließen.
  • Trägt man diesen mathematischen Zusammenhang grafisch auf, so sieht man, dass sich zu jeder Umgebungstemperatur und Generatordrehzahl ein eindeutiger optimaler Kondensationssolldruck zuordnen lässt, siehe Gleichung (1). Mit zunehmender Außentemperatur bei konstanter Drehzahl ergibt sich ein höherer optimaler Kondensatorsolldruck. Bei konstanter Außentemperatur ergibt sich mit zunehmender Generator- und damit Expansionsmaschinendrehzahl ein höherer optimaler Kondensatorsolldruck.
  • Außentemperaturbestimmung ohne Messung: Ziel ist es nun, eine quantitative Aussage über die Umgebungsbedingungen (Temperatur der zugeführten Luft) aus anlageninternen Größen zu bestimmen.
  • Der im Kondensator während des Betriebs vorherrschende Kondensationsdruck wird durch die im Kondensator abgeführte Wärme beeinflusst. Es kann gezeigt werden, dass sich die Wärmeabfuhr des Kondensators auf verschiedene Weise anhand von 4 Variablen beschreiben lässt, nämlich T∞, SKOND, SGEN, und PKOND. Aufgrund dieser Zusammenhänge kann dann durch Eliminieren der Wärmeabfuhr in den Gleichungen ein Zusammenhang zwischen den 4 Variablen abgeleitet werden. Durch Ermittlung dieses mathematischen Zusammenhangs kann somit eine quantitative Aussage über die aktuellen, die Kondensation beeinflussenden, Umgebungsbedingungen dargestellt werden. Aus diesem Zusammenhang kann dann die Temperatur der zugeführten Luft T∞ (also die effektive Temperatur T∞*) aus den anderen drei Größen ermittelt werden. Die nur aus anlageninternen Größen berechenbare Größe kann somit in die beschriebene Kondensatorregelung einfließen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Regelung eines Kondensators in der thermischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere in einer ORC Vorrichtung, bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln, insbesondere Messen einer Drehzahl des Generators 4 oder der Expansionsmaschine 3; temperatursensorloses Ermitteln einer Temperatur T∞* von dem Kondensator 5 zugeführter Kühlluft; Ermitteln eines Kondensationssolldrucks, bei welchem die elektrische Nettoleistung der thermischen Kreisprozessvorrichtung maximal ist, aus der gemessenen Generator- oder Expansionsmaschinendrehzahl und der ermittelten Kühllufttemperatur; und Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Kondensationssolldruck als Zielwert mittels Einstellen einer Kondensatorlüfterdrehzahl.
  • Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regelung eines Kondensators in einer thermischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere in einer ORC Vorrichtung, wobei die thermische Kreisprozessvorrichtung eine Speisepumpe zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer, den Verdampfer zum Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme, eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums, einen Generator zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrischer Energie, und dem Kondensator zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums umfasst, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    Ermitteln, insbesondere Messen einer Drehzahl des Generators oder der Expansionsmaschine;
    temperatursensorloses Ermitteln einer Temperatur von dem Kondensator zugeführter Kühlluft;
    Ermitteln eines Kondensationssolldrucks, bei welchem die elektrische Nettoleistung der thermischen Kreisprozessvorrichtung maximal ist, aus der ermittelten, insbesondere gemessenen Generator- oder Expansionsmaschinendrehzahl und der ermittelten Kühllufttemperatur; und
    Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Kondensationssolldruck als Zielwert, insbesondere mittels Einstellen einer Kondensatorlüfterdrehzahl.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das temperatursensorlose Ermitteln der Kühllufttemperatur ein Berechnen der Temperatur aus einer ermittelten, insbesondere gemessenen Drehzahl des Generators oder der Expansionsmaschine, einer ermittelten, insbesondere gemessenen Drehzahl des Kondensatorlüfters und einem ermittelten, insbesondere gemessenen Kondensationsdruck umfasst; oder wobei das temperatursensorlose Ermitteln der Kühllufttemperatur ein Auslesen der Temperatur aus einer vorbestimmten Tabelle in Abhängigkeit von einer ermittelten, insbesondere gemessenen Drehzahl des Generators oder der Expansionsmaschine, einer ermittelten, insbesondere gemessenen Drehzahl des Kondensatorlüfters und einem ermittelten, insbesondere gemessenen Kondensationsdruck umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei einem Anfahren der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung zunächst die folgenden Schritte durchgeführt werden:
    Bestimmen eines Startwerts für den Kondensationssolldruck;
    Starten der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung und Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Startwert des Kondensationssolldrucks als Zielwert mittels Einstellen der Kondensatorlüfterdrehzahl; und
    Ersetzen des Startwerts für den Kondensationssolldruck mit dem während des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ermittelten Kondensationssolldruck.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Startwert für den Kondensationssolldruck der Sättigungsdruck des Arbeitsmediums bei aktueller Kondensattemperatur oder der Sättigungsdruck bei der Temperatur des Arbeitsmediums an einem Einlauf der Speisepumpe, insbesondere mit einer zusätzlichen Sollunterkühlung des Arbeitsmediums, der aktuelle Druck im Stillstand der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, oder der letzte Kondensationssolldruck während des letzten Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Ersetzen ein Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks vom Startwert des Kondensationsdrucks zum während des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ermittelten Kondensationssolldruck umfasst.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei bei einem Abfahren der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung anschließend die folgenden Schritte durchgeführt werden:
    Bestimmen eines Abfahrwerts für den Kondensationssolldruck;
    Ersetzen des während des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ermittelten Kondensationssolldrucks mit dem Abfahrwert für den Kondensationssolldruck; und
    Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Abfahrwert des Kondensationssolldrucks als Zielwert mittels Einstellen der Kondensatorlüfterdrehzahl und Stoppen der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Abfahrwert der letzte Kondensationssolldruck während des letzen Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung oder der Sättigungsdruck des Arbeitsmediums bei aktueller Kondensattemperatur, insbesondere mit einer zusätzlichen Sollunterkühlung des Kondensats, bestimmt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Ersetzen ein Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks vom während des Betriebs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung ermittelten Kondensationssolldruck zum Abfahrwert für den Kondensationssolldruck umfasst.
  9. Thermische Kreisprozessvorrichtung, insbesondere eine ORC Vorrichtung, umfassend:
    eine Speisepumpe zum Fördern von flüssigem Arbeitsmedium unter Druckerhöhung zu einem Verdampfer;
    den Verdampfer zum Verdampfen und optional zusätzlichen Überhitzen des Arbeitsmediums unter Zuführung von Wärme;
    eine Expansionsmaschine zum Erzeugen von mechanischer Energie durch Entspannen des verdampften Arbeitsmediums;
    einen Generator zum zumindest teilweisen Wandeln der mechanischen Energie in elektrischer Energie;
    dem Kondensator zum Kondensieren des entspannten Arbeitsmediums; und
    eine Steuer- oder Regeleinrichtung zum temperatursensorlosen Ermitteln einer Temperatur von dem Kondensator zugeführter Kühlluft; Ermitteln eines Kondensationssolldrucks, bei welchem die elektrische Nettoleistung der thermischen Kreisprozessvorrichtung maximal ist, aus einer ermittelten Generator- oder Expansionsmaschinendrehzahl und der ermittelten Kühllufttemperatur; und Steuern oder Regeln des Kondensationsdrucks mit dem Kondensationssolldruck als Zielwert, insbesondere mittels Einstellen einer Kondensatorlüfterdrehzahl.
  10. Thermische Kreisprozessvorrichtung nach Anspruch 9, weiterhin umfassend:
    einen Drehzahlsensor zum Messen einer Drehzahl des Generators oder der Expansionsmaschine; und/oder
    einen Drucksensor zum Messen des Kondensationsdrucks; und/oder
    einen weiteren Drehzahlsensor zum Messen einer Kondensatorlüfterdrehzahl.
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