EP3375990A1

EP3375990A1 - Modellbasierte überwachung des betriebszustandes einer expansionsmaschine

Info

Publication number: EP3375990A1
Application number: EP17161565.1A
Authority: EP
Inventors: Andreas Schuster; Roy Langer; Jens-Patrick Springer; Fabian Kricke
Original assignee: Orcan Energy AG
Current assignee: Orcan Energy AG
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: RU2724806C1; WO2018166642A1; EP3375990B1; US20200095897A1; BR112019018768A8; BR112019018768B1; BR112019018768A2; CN110730855A; US11035258B2; CN110730855B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere einer ORC-Vorrichtung, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Speisepumpe umfasst und die Expansionsmaschine im Normalbetrieb mit einer externen Vorrichtung gekoppelt ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Messen eines Abdampfdrucks stromabwärts der Expansionsmaschine; und Einstellen eines Volumenstroms der Speisepumpe gemäß einem computerimplementierten Regelungsmodell der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Abdampfdruck und einer Solldrehzahl der Expansionsmaschine als Eingangsgrößen des Regelungsmodells und mit dem Volumenstrom der Speisepumpe als Ausgangsgröße des Regelungsmodells. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende thermodynamische Kreisprozessvorrichtung.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere einer Organic-Rankine-Cycle-Vorrichtung (ORC-Vorrichtung) mit einer Expansionsmaschine sowie eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann.

Stand der Technik

Wird eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung, beispielsweise eine Organic-Rankine-Cycle-Vorrichtung, mit einem Generator oder einer Motor/Generator-Einheit gekoppelt, um Energie in ein Stromnetz einzuspeisen, werden der Expansionsmaschine bedingt durch die Netzfrequenz Drehzahlen aufgeprägt. Ähnliches erfolgt bei einer Kopplung mit einer anderen externen Vorrichtung, wie beispielsweise einer Vorrichtung mit einem Verbrennungsmotor, um diesen zu unterstützen.
Es hat sich herausgestellt, dass etwa bei einem Ankopplungsvorgang der externen Vorrichtung Schäden an der Expansionsmaschine der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung entstehen können, insbesondere im Lager der rotierenden Elemente der Expansionsmaschine. Diese Schäden treten nach den Erfahrungen des Anmelders dann auf, wenn der Expansionsmaschine effektiv Leistung zugeführt wird. Dies betrifft insbesondere Schraubenexpansionsmaschinen.
Ein Koppeln eines mit einem ORC-System betriebenen Generators wird in EP 1759094 B1 beschrieben. Die Kopplung mit dem Stromnetz erfolgt dann, wenn die gemessene Generatordrehzahl zur Netzfrequenz passt, was deshalb eine leistungsfreie Ankopplung impliziert. Diese Drehzahlmessung stellt jedoch einen zusätzlichen Kostenaufwand dar bzw. ist bei (halb-) hermetischen Maschinen sogar extrem aufwändig, weil die Welle von außen nicht direkt zugänglich ist. Eine Drehzahlmessung aufgrund der erzeugten Spannung ist bei Aysnchrongeneratoren, die nicht mit dem Netz verbunden oder anderweitig nicht magnetisiert sind, nicht möglich.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden.
Die Erfindung beschreibt die Lösung des oben genannten Problems, indem dem Betrieb (Startvorgang, Normalbetrieb, Abschaltvorgang) der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung mit der Expansionsmaschine eine modellbasierte Regelung und/oder Überwachung hinzugefügt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung wird definiert durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1.
Die Erfindung offenbart somit ein Verfahren zur Regelung einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere einer ORC-Vorrichtung, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Speisepumpe umfasst und die Expansionsmaschine im Normalbetrieb mit einer externen Vorrichtung gekoppelt ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Messen eines Abdampfdrucks stromabwärts der Expansionsmaschine; und Einstellen eines Volumenstroms der Speisepumpe gemäß einem computerimplementierten Regelungsmodell der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Abdampfdruck und einer Solldrehzahl der Expansionsmaschine als Eingangsgrößen des Regelungsmodells und mit dem Volumenstrom der Speisepumpe als Ausgangsgröße des Regelungsmodells.
Das Messen des Abdampfdrucks stromabwärts der Expansionsmaschine kann zwischen der Expansionsmaschine und der Speisepumpe erfolgen, insbesondere zwischen der Expansionsmaschine und dem Kondensator oder zwischen dem Kondensator und der Speisepumpe. Bei einer Messung zwischen dem Kondensator und der Speisepumpe kann der Druckverlust des Kondensators entweder vernachlässigt werden oder er ist bekannt und wird in der Regelung mit berücksichtigt.
In das Regelungsmodell geht (außer der Solldrehzahl der Expansionsmaschine) als Eingangsgröße nur der gemessene Abdampfdruck oder ein um einen Korrekturwert korrigierter Messwert des Abdampfdrucks ein. Im Falle einer Messung des Abdampfdrucks zwischen Kondensator und Speisepumpe kann somit ein Druckverlust des Kondensators und/oder von Rohrleitungen zwischen der Expansionsmaschine und der Messtelle berücksichtigt werden und der gemessene Abdampfdruck entsprechend korrigiert werden.
Der Volumenstrom des durch die Speisepumpe gepumpten Arbeitsmediums kann auf verschiede Art und Weise geregelt werden. Das Einstellen der Drehzahl der Speisepumpe ist eine Möglichkeit zur Anpassung des Volumenstroms der Speisepumpe, andere Möglichkeiten wären eine Drossel (Drosselventil) oder ein 3-Wege-Ventil nach der Pumpe oder eine Anpassung der Fördercharakteristik der Speisepumpe durch Verstellung eines Leitrades oder eines Kolbenhubes.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass die gemäß Stand der Technik erforderliche Messstelle für die Drehzahlmessung mit Hilfe der modellbasierten Regelung im Rahmen der vorliegenden Erfindung vermieden werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahingehend weitergebildet werden, dass ein Startvorgang der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die folgenden Schritte umfassen kann: Regeln der Expansionsmaschine in einen Zustand, in dem die Solldrehzahl der Expansionsmaschine größer oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl der an die Expansionsmaschine zu koppelnden externen Vorrichtung ist, wobei die zu koppelnde externe Vorrichtung insbesondere einen Generator, eine Generator/Motor-Einheit oder eine mit einem separaten Motor betriebene Vorrichtung umfasst; und nachfolgendes Koppeln der Expansionsmaschine mit der externen Vorrichtung. Wenn die Drehzahlen gleich sind, so erfolgt eine leistungsneutrale Kopplung. Wenn die Drehzahl der Expansionsvorrichtung bei der Kopplung (etwas) größer ist als eine Synchrondrehzahl, dann ist die effektive Leistung der Expansionsmaschine positiv und somit nicht lagerschädigend.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die folgenden weiteren Schritte ausgeführt werden können: Messen des Frischdampfdrucks stromaufwärts der Expansionsmaschine; Vergleich des gemessenen Frischdampfdrucks mit einem aktuellen Modell-Frischdampfdruck gemäß dem Regelungsmodell; und Einleiten eines Abfahrvorgangs und/oder Abbrechen des Startvorgangs, falls der gemessene Frischdampfdruck um mehr als einen vorbestimmten Betrag oder um mehr als einen vorbestimmten Bruchteil unter dem Modell-Frischdampfdruck liegt, welcher vom gemessenen Abdampfdruck abhängt.
Das Messen des Frischdampfdrucks stromaufwärts der Expansionsmaschine kann zwischen der Speisepumpe und der Expansionsmachine erfolgen, insbesondere zwischen dem Verdampfer und der Expansionsmaschine oder zwischen der Speisepumpe und dem Verdampfer. Der Frischdampfdruck könnte beispielsweise am Ausgang der Speisepumpe / Einlass des Verdampfers gemessen werden und um den Druckverlust des Verdampfers und/oder der Rohrleitungen bis zum Einlass in die Expansionsmaschine korrigiert werden.
Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass während des Startvorgangs das Koppeln der Expansionsmaschine mit der externen Vorrichtung nur dann erfolgt, wenn der gemessene Frischdampfdruck größer oder gleich dem Modell-Frischdampfdruck ist.
Gemäß einer anderen Weiterbildung können die folgenden weiteren Schritte ausgeführt werden: Messen einer Wärmequellentemperatur einer Wärmequelle, die der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung über den Verdampfer Wärme zuführt; und Durchführen des Startvorgangs nur dann, wenn die gemessene Wärmequellentemperatur größer oder gleich einer aktuellen Modell-Wärmequellentemperatur gemäß dem Regelungsmodell ist.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass ein Abfahrvorgang der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die folgenden Schritte umfassen kann: Entkoppeln der Expansionsmaschine von der externen Vorrichtung, falls der Frischdampfdruck und/oder die Wärmequellentemperatur unter einen jeweiligen vorgegebenen Schwellwert fallen; und Öffnen einer Bypassleitung zur Umgehung der Expansionsmaschine.
Dies kann dahingehend weitergebildet werden, dass weiterhin der folgende Schritt ausgeführt wird: Reduzieren des Volumenstroms (insbesondere durch Reduzieren der Drehzahl) der Speisepumpe bis gemäß Regelungsmodell ein leistungsneutraler oder kräftefreier Zustand der Expansionsvorrichtung erreicht ist, in dem die von der Expansionsvorrichtung aufgenommene Leistung gleich der von der Expansionsvorrichtung abgegebenen Leistung ist bzw. die auf die Expansionsvorrichtung in Richtung einer Drehachse der Expansionsvorrichtung wirkende Gesamtkraft gleich Null ist.
Das erfindungsgemäße Regelungsmodell kann analytische und/oder numerische und/oder tabellarische Zusammenhänge der Eingangs- und Ausgangsgrößen umfassen.
Die oben genannte Aufgabe wird auch gelöst durch eine thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach Anspruch 10.
Die erfindungsgemäße thermodynamische Kreisprozessvorrichtung (insbesondere eine ORC-Vorrichtung) umfasst einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator, und eine Speisepumpe, wobei die Expansionsmaschine im Normalbetrieb mit einer externen Vorrichtung gekoppelt ist; wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung weiterhin umfasst: eine Abdampfdruck-Messvorrichtung zum Messen eines Abdampfdrucks stromabwärts der Expansionsmaschine; und eine Regelungsvorrichtung zum Einstellen eines Volumenstroms der Speisepumpe gemäß einem in einem Speicher der Regelungsvorrichtung gespeicherten Regelungsmodell der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Abdampfdruck und einer Solldrehzahl der Expansionsmaschine als Eingangsgrößen des Regelungsmodells und mit dem Volumenstrom der Speisepumpe als Ausgangsgröße des Regelungsmodells. Das Messen des Abdampfdrucks stromabwärts der Expansionsmaschine kann an den oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Stellen erfolgen.
Die erfindungsgemäße thermodynamische Kreisprozessvorrichtung kann dahingehend weitergebildet werden, dass die Regelungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, während eines Startvorgangs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die folgenden Schritte auszuführen: Regeln der Expansionsmaschine in einen Zustand, in dem die Solldrehzahl der Expansionsmaschine größer oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl der an die Expansionsmaschine zu koppelnden externen Vorrichtung ist, wobei die zu koppelnde externe Vorrichtung insbesondere einen Generator, eine Generator/Motor-Einheit oder eine mit einem separaten Motor betriebene Vorrichtung umfasst; und nachfolgendes Koppeln der Expansionsmaschine mit der externen Vorrichtung.
Gemäß einer anderen Weiterbildung umfasst die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung weiterhin eine Frischdampfdruck-Messvorrichtung zum Messen eines Frischdampfdrucks stromaufwärts der Expansionsmaschine; wobei die Regelungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, den gemessenen Frischdampfdruck mit einem aktuellen Modell-Frischdampfdruck gemäß dem Regelungsmodell zu vergleichen, und einen Abfahrvorgang einzuleiten und/oder einen Startvorgang abzubrechen, falls der gemessene Frischdampfdruck um mehr als einen vorbestimmten Betrag oder um mehr als einen vorbestimmten Bruchteil unter dem Modell-Frischdampfdruck liegt. Das Messen des Frischdampfdrucks stromaufwärts der Expansionsmaschine kann an den bereits oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Stellen erfolgen.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung weiterhin umfasst: eine Wärmequellentemperatur-Messvorrichung zum Messen einer Wärmequellentemperatur einer Wärmequelle, die der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung über den Verdampfer Wärme zuführt; wobei die Regelungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Startvorgangs nur dann durchzuführen, wenn die gemessene Wärmequellentemperatur größer oder gleich einer aktuellen Modell-Wärmequellentemperatur gemäß dem Regelungsmodell ist.
Gemäß einer anderen Weiterbildung umfasst die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung weiterhin eine Bypassleitung als direkte Verbindung zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator zur Umgehung der Expansionsmaschine; wobei die Regelungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, während eines Abfahrvorgangs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die folgenden Schritte auszuführen: Entkoppeln der Expansionsmaschine von der externen Vorrichtung, falls der Frischdampfdruck und/oder die Wärmequellentemperatur unter einen jeweiligen vorgegebenen Schwellwert fallen; und Öffnen der Bypassleitung mittels eines Ventils in der Bypassleitung.
Eine andere Weiterbildung besteht darin, dass die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung weiterhin umfasst: eine Kupplung zum Koppeln der Expansionsvorrichtung mit der externen Vorrichtung; und/oder ein Getriebe zum Einstellen eines Drehzahlverhältnisses von der Expansionsvorrichtung zur externen Vorrichtung.
Die genannten Weiterbildungen können einzeln eingesetzt oder wie beansprucht 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

Fig. 1: zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Fig. 2: zeigt Kräfte in der Expansionsmaschine.
Fig. 3: zeigt die Leistung der Expansionsmaschine in Abhängigkeit von dessen Drehzahl.

Fig. 4: zeigt die Leistung der Expansionsmaschine in Abhängigkeit von dem anliegenden Druckverhältnis.
Fig. 5: zeigt einen Regelungsvorgang im Leistung-Druckverhältnis-Diagramm.

Ausführungsformen

Beispielhaft wird im Folgenden ein ORC-Prozess als thermodynamischer Kreisprozess angenommen. Figur 1 zeigt eine Ausführungsform 100 der erfindungsgemäßen thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung. Der ORC-Kreisprozess umfasst eine Speisepumpe 40 zur Druckerhöhung, einen Verdampfer 10 zur Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung eines Arbeitsmediums, eine Expansionsmaschine 20 zur leistungserzeugenden Expansion des Arbeitsmediums, welcher mit oder ohne Kupplung 27 an einen Generator 25 (oder eine Motor-/Generator-Einheit) oder einen Fremdprozess 26 angeschlossen wird, einem möglichen Bypass 50 zur Umgehung der Expansionsmaschine 20 und einem Kondensator 30 zur Enthitzung, Kondensation und Unterkühlung des Arbeitsmediums.
Zusätzlich umfasst die erfindungsgemäße Kreisprozessvorrichtung 100 eine Abdampfdruck-Messvorrichtung 61 zum Messen eines Abdampfdrucks stromabwärts der Expansionsmaschine 20. Beispielhaft ist die Abdampfdruck-Messvorrichtung 61 hier zwischen der Expansionsmaschine 20 und dem Kondensator 30 vorgesehen. Es ist jedoch auch möglich, diese zwischen dem Kondensator 30 und der Speisepumpe anzuordnen, ggf. unter Berücksichtigung eines Druckverlustes im Kondensator 30 in Form eines Korrekturwertes zum gemessenen Abdampfdruck.
Weiterhin ist eine Regelungsvorrichtung 80 zum Einstellen eines Volumenstroms des durch die Speisepumpe 40 gepumpten Arbeitsmediums (z.B. durch Einstellen einer Drehzahl der Speisepumpe 40) gemäß einem in einem Speicher 81 der Regelungsvorrichtung 80 gespeicherten Regelungsmodell der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung 100 nur in Abhängigkeit von dem gemessenen Abdampfdruck (ggf. um den genannten Korrekturwert korrigiert) und einer Solldrehzahl der Expansionsmaschine 20 als Eingangsgrößen des Regelungsmodells und mit dem Volumenstrom der Speisepumpe 40 (z.B. in Form der Drehzahl der Speisepumpe 40) als Ausgangsgröße des Regelungsmodells.
Im Falle der Kopplung eines Generators 25 (oder einer Motor-/Generator-Einheit) kann weiterhin ein Kopplungsschalter 28 vorgesehen sein, der den Generator 25 (oder die Motor-/Generator-Einheit) an ein Stromnetz ankoppelt bzw. von diesem abkoppelt.
Die zu Grunde liegende Problematik der erfindungsgemäßen Lösung wird nachfolgend diskutiert.

Diskussion der Problemstellung

Der Erfindung liegt die folgende Problemstellung zu Grunde. Wird die Expansionsmaschine 20 motorisch betrieben, d.h. Leistung wird beispielsweise durch den Generator 25 im motorischen Betrieb auf Grund einer festen Drehzahlvorgabe oder durch den Fremdprozess 26 eingetragen, besteht die Gefahr der Schädigung, da der Kraftfluss nicht dem Auslegungspunkt entspricht ("schadhafter Betrieb"). Die Kraftrichtung auf die Läufer der Expansionsmaschine (wie in Figur 2 dargestellt), wird von der Kraftwirkung der Drucklage von Frischdampf und Abdampf (abhängig von der Druckdifferenz über die Expansionsmaschine) sowie der Kräfte auf Grund der Leistungsabgabe bzw. Leistungsaufnahme ("Übertragungskraft", abhängig vom Druckquotienten über die Expansionsmaschine, vgl. auch Figur 4) bestimmt. Im Betriebs- und somit Auslegepunkt der Expansionsmaschine sind diese so gestaltet, dass die resultierende Kraft in Richtung der Kraftaufnahmefähigkeit der Lagerung wirkt. Im dargestellten Beispiel ist die Expansionsmaschine 20 ein Schraubenexpander.
Ein Schaden entsteht zum Beispiel durch Abrieb bzw. Spanbildung durch Berührung von drehenden Körpern mit dem Gehäuse, da die Kraftwirkung nicht durch die Lagerung abgestützt wird (Figur 2). Hierbei kann es ebenfalls zu einem Verschieben in Achsrichtung und unter Umständen zu einer Rotation des Lagerrings auf Grund der Entlastung kommen, was zu einer Schädigung des Lagers führen kann.
Dieser motorische Betrieb ergibt sich jedoch automatisch, wenn die Expansionsmaschine im Zuschaltpunkt noch im Stillstand (vorliegende Drucklage kann die nötige Nachkompression nicht überwinden) ist oder die Drehzahl unterhalb der Zuschaltsynchrondrehzahl liegt (Zuschaltpunkt a) in Figur 3). In diesen Punkten wird die Expansionsmaschine beschleunigt und es wird Leistung dafür aufgewendet. Die verfügbare Leistung des Expanders ist somit negativ.
Zum besseren Verständnis wird hier von Nachkompression (genauer: Nachkompressionsleistung) und Nachexpansion (genauer: Nachexpansionsleistung) gesprochen. Im Prinzip handelt es sich hierbei jedoch um einen anderen Anteil der Ausschiebearbeit (P_AA), welche durch die Expansionsmaschine zum Ausschieben des am Ende der Expansion in der Kammer der Expansionsmaschine befindlichen Mediums gegen den Abdampfdruck p_AD aufzubringen ist. Diese Unterscheidung bezieht sich somit auf die Referenz (P_AA,ref), bei der der Öffnungsdruck der Kammer gleich dem Abdampfdruck hinter der Kammer ist.
Es gilt demnach:

Für P_Kammer > p_AD : $P_{Nachexpansion} = P_{AA; ref} - P_{AA; ist}; P_{Nachkompression} = 0$
Für p_Kammer < p_AD : $P_{Nachkompression} = P_{AA; ref} - P_{AA; ist}; P_{Nachexpansion} = 0$
Für p_Kammer = p_AD : $P_{Nachexpansion} = 0; P_{Nachko m pression} = 0$

Für das schadfreie Zuschalten muss die Expansionsmaschine demnach mindestens in einem neutralen Leistungspunkt bei Zuschaltdrehzahl (Zuschaltpunkt b) in Figur 3) oder darüber sein (Zuschaltpunkt c) in Figur 3), so dass die Expansionsmaschine zumindest nicht beschleunigt oder aber gebremst wird, und somit zumindest keine negative Leistung abgeben wird.
Vor dem Zuschalten des Generators oder Fremdprozesses wiederum kann keine Leistung abgeführt werden, d.h. die Maschine würde bei undefinierter Dampfzufuhr möglicherweise unkontrolliert bis zu einem Schaden beschleunigt werden.
Die Kenntnis über die aktuelle Expansionsmaschinendrehzahl wäre zwar prinzipiell mit Hilfe einer Drehzahlmessung möglich. Diese Drehzahlmessung stellt jedoch einen zusätzlichen Kostenaufwand dar bzw. ist nur sehr aufwändig zu realisieren.
Der schadhafte Zustand durch Leistungszufuhr an die Expansionsmaschine ergibt sich weiterhin im Betrieb und Abschaltvorgang, wenn die Nachkompressionsleistung die Expansionsleistung auf Grund zu geringer Drucklagen übersteigt (siehe Figur 4). Hierbei kommt es zu einer Expansion des Gases in der geschlossenen Expansionskammer der Expansionsmaschine. Nach dem Öffnen ist der Druck in der Kammer jedoch unter dem Niveau der Abdampfseite, weshalb die Expansionsmaschine dieses beim Ausschieben teilweise wieder verdichten und das zusätzlich vom Kondensator in die Kammer zurückgeströmte Medium ebenfalls ausschieben muss ("Nachkompression"). Es gilt: $P_{brutto} = P_{Expansion} + P_{Nachexpansion} + P_{Nachkompression}$
Das Druckverhältnis π ist definiert als Quotient aus Frischdampfdruck zu Abdampfdruck: $π = p_{FD} / p_{AD}$
mit

p_FD = Frischdampf druck
p_AD = Abdamp f druck

Neben dem hier verwendeten und direkt messbaren Druckverhältnis kann statt diesem auch das Volumenverhältnis Φ verwendet werden: $Φ = ρ_{AD} / ρ_{FD}$
mit

ρ_FD = Frischdamp f dichte
ρ_AD = Abdampf dichte

Beide Kennzahlen (π, Φ) liefern in erster Näherung das gleiche Ergebnis.

Erfindungsgemäße Lösungen der Problemstellung

Startvorgang

Hierbei wird die Expansionsmaschine 20 auf einen definierten Ausgangspunkt (Drehzahl) gebracht, welcher Schaden an der Expansionsmaschine im Zuschalten verhindert. Die notwendigen, durch teure Messtechnik ermittelbaren Messwerte von Durchfluss und Drehzahl der Expansionsmaschine werden durch modellbasierte Regelung umgangen.
Diese modellbasierte Regelung stützt sich hierbei auf die Grundlagen der Kenntnis des leistungsneutralen Punktes der Expansionsmaschine (wie in Figur 4 gezeigt, es gilt P_brutto = 0 und somit P_Expansion = -P_{Nachkompression}). Dies bedeutet, dass abhängig vom Abdampfdruck p_AD ein entsprechender Frischdampfdruck p_FD erreicht werden muss.
Weiter ist die Drehzahl bei welcher die Expansionsmaschine in diesem leistungsfreien Zustand betrieben wird von dem zugeführten Dampfvolumenstrom V̇_FD abhängig: $n_{EM} = {\dot{V}}_{FD} / (V_{Kammer} * K)$
mit

n_EM = Expansionsmaschinendrehzahl
V̇_FD = Frischdampf volumenstrom
V_Kammer = Hochdruckkammervolumen der Expansionsmaschine
K = Kammerzahl pro Umdrehung

Somit ist der Zustand der Expansionsmaschine 20 (insbesondere deren Drehzahl) eindeutig über die Kenntnis von Frischdampfdruck, Abdampfdruck und Frischdampfvolumenstrom (abhängig von der gewünschten Zuschaltdrehzahl) ermittelbar. Die obige Gleichung zur Ermittlung der Expansionsmaschinendrehzahl stellt zunächst die einfachste Form dar und kann z.B. durch die Korrektur mittels eines drehzahlvariablen Leckagevolumenstroms in der Genauigkeit weiter verbessert werden. Aus der Expansionsmaschinendrehzahl und den weiteren thermodynamischen Größen kann die elektrische Leistung und damit z.B. ein Zustand des thermodynamischen Kreisprozesses abgeleitet werden.
Die Messung des Frischdampfvolumenstromes ist jedoch eine relativ kostenintensive Messung, welche somit die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems negativ beeinflusst.
Aus dem Frischdampfvolumenstrom lässt sich zwar relativ einfach auch der Frischdampfmassenstrom bestimmen, welcher sich ebenfalls in der flüssigen Phase zwischen Speisepumpe 40 und Verdampfer 10 messen ließe. Die hierfür nötigen Messgeräte (z.B. Coriolis) sind jedoch ebenfalls mit erheblichen Kosten verbunden.
Es besteht jedoch ferner ein direkter Zusammenhang zwischen Frischdampfvolumenstrom und durch die Speisepumpe 40 flüssig gefördertem Volumenstrom, welcher sich über die Dichten bestimmen lässt: ${\dot{V}}_{SP} = {\dot{V}}_{FD} * ρ_{FD} / ρ_{fl}$
mit

V̇_SP = Volumenstrom durch die Speisepumpe
V̇_FD = Volumenstrom durch die Expansionsmaschine
ρ_FD = Dichte des Frischdampfes durch die Expansionsmaschine
ρ_fl = Dichte des f lüssigen Mediums in der Speisepumpe

Es ist zu beachten, dass auch die Frischdampfdichte somit von der Lage des Abdampfdruckes abhängt, da sie eine Funktion des Frischdampfdruckes (und der Frischdampftemperatur) ist. Der Frischdampfdruck selbst ist in diesem Falle des leistungsfreien Expansionsmaschinenbetriebs eine Funktion des Abdampfdruckes. Dieser Umstand (p_FD und V̇_SP variieren) führt auch dazu, dass ein statisches Startverhalten mit Festdrehzahlvorgabe der Speisepumpe je nach Abdampfdruck, welcher von den Kondensationsbedingungen wie z.B. Wärmesenkentemperatur abhängt, zu einem Startvorgang mit motorischem Antrieb (hoher Abdampfdruck p_AD; untersynchron bis Stillstand der Expansionsmaschine) oder zu einem Beschleunigen des Expanders über die zulässige Drehzahl hinaus (tiefes p_AD) führen kann.
Ferner ist die notwendige Druckdifferenz aus dem leistungsneutralen Punkt, welche die Speisepumpe 40 aufbringen muss, gegeben als $p_{SP} = p_{FD} - p_{AD}$
Hierdurch sind somit der Volumenstrom in der Speisepumpe 40 sowie die Druckdifferenz, welche die Speisepumpe 40 aufbringen muss, bekannt. Durch Modellbildung der Speisepumpe 40 kann nun ein Drehzahlpunkt der Speisepumpe 40 gefunden werden, an welchem diese Bedingung von Druckdifferenz und Durchfluss erfüllt ist.
Somit ergibt sich eine Startregelung, welche jedem Abdampfdruck und zugehöriger Zuschaltdrehzahl (Solldrehzahl der Expansionsmaschine 20) einen Wert für die Speisepumpendrehzahl zuordnet, ohne dass zusätzliche Messstellen notwendig sind. Als nachteilig ist zu erwähnen, dass die tatsächlichen Werte dieser wichtigen Messgrößen somit durch ein Modell abgebildet werden und tatsächlich im System jedoch unbekannt bleiben.
Folgende Mechanismen können jedoch ein schadfreies Zuschalten dennoch gefährden:

1) Ein Versagen der Speisepumpe (Kavitation, Motorschädigung etc.) führt zu einem zu geringeren Druckniveau / Durchfluss als für den schadfreien Betrieb benötigt wird.
2) Ein nicht oder nicht vollständig geschlossener Bypass 50 (Figur 1) oder anderweitiger Abfluss von Kältemittel, der nicht durch die Expansionskammern geführt wird, führt im Zuschalten zu einem zu geringen Druckniveau.
3) Das Temperaturniveau der Wärmequelle liegt unterhalb des notwendigen Niveaus, um das Arbeitsmedium auf dem notwendigen Frischdampfdruck verdampfen zu können.

Die Problematik unter 1) + 2) kann vermieden werden, indem dem Zuschaltvorgang zusätzlich eine Überwachung der erreichten Prozessgröße des Frischdampfdrucks vorgeschaltet wird. Verhalten sich Pumpe und Bypass regulär, muss dieser dem in der Modellbildung bestimmten Wert entsprechen. Weicht er nach unten ab, so kann der Start abgebrochen werden, ohne die Expansionsmaschine 20 zu schädigen.
Die Problematik unter 3) wird vermieden, indem ebenfalls ein Modell der notwendigen Wärmequellentemperatur (T_HW, Figur 1) hinterlegt wird und der Startvorgang erst vollzogen wird, wenn mindestens dieser für den sicheren Start notwendige Wert erreicht oder überschritten wurde.

Normalbetrieb

Im Betrieb kann es bei fehlender Wärmezufuhr und schlechter Wärmeabfuhr (z.B. hohe Lufttemperatur/Wassertemperatur) zu sehr geringen Druckdifferenzen von p_FD zu p_AD kommen. Dabei ist es ebenfalls möglich, dass dies wiederum zu einem schadhaften Betrieb der Anlage wie in Figur 2 und Figur 4 gezeigt kommt. Anstatt hier eine Bruttoleistungsauswertung vorzunehmen, welche noch weitere Einflussfaktoren hat, soll mit der gewählten Modellbildung das schadensverursachende Unterschreiten des notwendigen Druckquotienten π bzw. Volumenverhältnisses Φ mittels Überwachung des notwendigen Frischdampfdrucks p_FD bezogen auf den Abdampfdruck vorgenommen werden. Wird hier ein kritischer Schwellwert erreicht, wird das System kontrolliert abgefahren, bevor schadhafte Zustände erreicht werden können. Eine weitere Möglichkeit stellt die Überwachung der elektrischen Leistung der Expansionsmaschine dar. Unterschreitet diese einen kritischen Schwellwert, so wird das System kontrolliert abgefahren.

Abfahren

Im Abfahrprogramm wird die Temperaturlage auf der Wärmeeintragsseite des Systems in gewünschter Weise reduziert, um einen sicheren Stillstandszustand des Systems bei moderaten Temperaturen zu erreichen. Dieses Absenken reduziert jedoch den anliegenden Frischdampfdruck p_FD und somit den Druckquotienten π. Im Extremfall kann es hier während des Abfahrens deshalb ebenfalls zu einem schadhaften Betrieb kommen.
Um dies zu verhindern, wird ebenfalls die für den sicheren Betrieb notwendige Heißwassertemperatur (T_HW) mittels einer Messvorrichtung 63 und der Frischdampfdruck (p_FD) mittels einer Messvorrichtung 62 überwacht. Wird ein definierter Schwellwert unterschritten, wird die Expansionsmaschine von der Leistungsanbindung entkoppelt, d.h. es wird weder Leistung ab noch zugeführt, und gleichzeitig der Bypass 50 mittels Ventil 51 geöffnet, um den Druck auf der Frischdampfseite abzubauen und das System ggfs. weiter nachlaufen zu lassen. Das Abschalten bezogen auf einen Frischdampfdruck abhängig vom Abdampfdruck vermeidet zum einen den schadhaften Betrieb zum anderen aber auch, dass die Drucklage noch derart hoch ist, dass ein Abschalten der Expanderleistungsanbindung (Entkoppeln der Expansionsvorrichtung) diesen unkontrolliert hochdrehen lässt, bevor sich der Druck über den Bypass 50 weit genug abbauen kann. Diese Sicherheit kann zusätzlich hergestellt werden, indem die Speisepumpendrehzahl allmählich bis auf einen Wert reduziert wird, der dem Nullleistungspunkt aus der Modellbildung entspricht. Hierdurch wird ein Betriebszustand erreicht, bei dem bei einer weiteren Regelung der Expansionsmaschine (des Expanders) 20 oder eines Fehlers der Bypassöffnung die Expansionsmaschine 20 auf definierter Drehzahl unterhalb einer schadhaften Drehzahl leistungsneutral betrieben wird. Insgesamt sind auch die Betriebszeiten im leistungsneutralen Bereich zu minimieren, da durch die sehr geringe Lagerbelastung hierbei ein lebenszeitverkürzender Betrieb vorliegt.
Der Rahmen der Regelstrategie ist nachfolgend nochmals kurz zusammengefasst und in Figur 5 verdeutlicht:

Als Ergebnis der Modellbildung steht eine Reglungsvorrichtung 80 der Speisepumpe 40, welche ohne Messwerte der Expanderdrehzahl oder des Durchflusses arbeitet und als Eingangsgröße den Niederdruck (Abdampfdruck) beinhaltet, um auf eine Solldrehzahl der Expansionsvorrichtung 20 zu regeln.

Um die korrekte Funktion der Speisepumpe 40 und des Bypasses 50 zu gewährleisten (ein Versagen führt wiederum zu motorischem schadhaften Betrieb) wird zudem der Frischdampfdruck und die Heißwassertemperatur aus der Modellbildung als Überwachungsgröße verwendet (Unterschreiten von Modellwert bedeutet Abweichung im System mit Schadenspotential).
Die dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft und der vollständige Umfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert.

Claims

Verfahren zur Regelung einer thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung, insbesondere einer ORC-Vorrichtung, wobei die thermodynamische Kreisprozessvorrichtung einen Verdampfer, eine Expansionsmaschine, einen Kondensator und eine Speisepumpe umfasst und die Expansionsmaschine im Normalbetrieb mit einer externen Vorrichtung gekoppelt ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Messen eines Abdampfdrucks stromabwärts der Expansionsmaschine; und

Einstellen eines Volumenstroms der Speisepumpe gemäß einem computerimplementierten Regelungsmodell der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Abdampfdruck und einer Solldrehzahl der Expansionsmaschine als Eingangsgrößen des Regelungsmodells und mit dem Volumenstrom der Speisepumpe als Ausgangsgröße des Regelungsmodells.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einstellen des Volumenstroms der Speisepumpe umfasst:
Einstellen einer Drehzahl der Speisepumpe; und/oder

Einstellen eines Drosselventils oder eines 3-Wege-Ventils nach der Pumpe; und/oder

Einstellen einer Fördercharakteristik der Speisepumpe, insbesondere durch Einstellen eines Leitrades im Falle einer Kreiselpumpe als Speisepumpe oder durch Einstellen eines Kolbenhubs im Falle einer Kolbenpumpe als Speisepumpe.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Startvorgang der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die folgenden Schritte umfasst:
Regeln der Expansionsmaschine in einen Zustand, in dem die Solldrehzahl der Expansionsmaschine größer oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl der an die Expansionsmaschine zu koppelnden externen Vorrichtung ist, wobei die zu koppelnde externe Vorrichtung insbesondere einen Generator, eine Generator/Motor-Einheit oder eine mit einem separaten Motor betriebene Vorrichtung umfasst; und

nachfolgendes Koppeln der Expansionsmaschine mit der externen Vorrichtung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den weiteren Schritten:
Messen des Frischdampfdrucks stromaufwärts der Expansionsmaschine;

Vergleich des gemessenen Frischdampfdrucks mit einem aktuellen Modell-Frischdampfdruck gemäß dem Regelungsmodell; und

Einleiten eines Abfahrvorgangs und/oder Abbrechen des Startvorgangs, falls der gemessene Frischdampfdruck um mehr als einen vorbestimmten Betrag oder um mehr als einen vorbestimmten Bruchteil unter dem Modell-Frischdampfdruck liegt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei während des Startvorgangs das Koppeln der Expansionsmaschine mit der externen Vorrichtung nur dann erfolgt, wenn der gemessene Frischdampfdruck größer oder gleich dem Modell-Frischdampfdruck ist.
Verfahren nach einem Ansprüche 3 bis 5, mit den weiteren Schritten:
Messen einer Wärmequellentemperatur einer Wärmequelle, die der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung über den Verdampfer Wärme zuführt; und

Durchführen des Startvorgangs nur dann, wenn die gemessene Wärmequellentemperatur größer oder gleich einer aktuellen Modell-Wärmequellentemperatur gemäß dem Regelungsmodell ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Abfahrvorgang der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die folgenden Schritte umfasst:
Entkoppeln der Expansionsmaschine von der externen Vorrichtung, falls der Frischdampfdruck und/oder die Wärmequellentemperatur unter einen jeweiligen vorgegebenen Schwellwert fallen; und

Öffnen einer Bypassleitung zur Umgehung der Expansionsmaschine.
Verfahren nach Anspruch 7, mit dem weiteren Schritt:
Reduzieren des Volumenstroms der Speisepumpe bis gemäß Regelungsmodell ein leistungsneutraler oder kräftefreier Zustand der Expansionsvorrichtung erreicht ist, in dem die von der Expansionsvorrichtung aufgenommene Leistung gleich der von der Expansionsvorrichtung abgegebenen Leistung ist bzw. die auf die Expansionsvorrichtung in Richtung einer Drehachse der Expansionsvorrichtung wirkende Gesamtkraft gleich Null ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Regelungsmodell analytische und/oder numerische und/oder tabellarische Zusammenhänge der Eingangs- und Ausgangsgrößen umfasst.
Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung (100), insbesondere eine ORC-Vorrichtung, die einen Verdampfer (10), eine Expansionsmaschine (20), einen Kondensator (30), und eine Speisepumpe (40) umfasst, wobei die Expansionsmaschine (20) im Normalbetrieb mit einer externen Vorrichtung (25, 26) gekoppelt ist; weiterhin umfassend:
eine Abdampfdruck-Messvorrichtung (61) zum Messen eines Abdampfdrucks stromabwärts der Expansionsmaschine (20); und

eine Regelungsvorrichtung (80) zum Einstellen eines Volumenstroms der Speisepumpe (40) gemäß einem in einem Speicher (81) der Regelungsvorrichtung (80) gespeicherten Regelungsmodell der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung in Abhängigkeit von dem gemessenen Abdampfdruck und einer Solldrehzahl der Expansionsmaschine (20) als Eingangsgrößen des Regelungsmodells und mit dem Volumenstrom der Speisepumpe (40) als Ausgangsgröße des Regelungsmodells.
Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Regelungsvorrichtung (80) dazu ausgebildet ist, während eines Startvorgangs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die folgenden Schritte auszuführen:
Regeln der Expansionsmaschine (20) in einen Zustand, in dem die Solldrehzahl der Expansionsmaschine größer oder gleich einer vorbestimmten Drehzahl der an die Expansionsmaschine zu koppelnden externen Vorrichtung ist, wobei die zu koppelnde externe Vorrichtung insbesondere einen Generator, eine Generator/Motor-Einheit oder eine mit einem separaten Motor betriebene Vorrichtung umfasst; und

nachfolgendes Koppeln der Expansionsmaschine (20) mit der externen Vorrichtung (25, 26).
Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, weiterhin umfassend:
eine Frischdampfdruck-Messvorrichtung (62) zum Messen eines Frischdampfdrucks stromaufwärts der Expansionsmaschine (20);

wobei die Regelungsvorrichtung (80) dazu ausgebildet ist, den gemessenen Frischdampfdruck mit einem aktuellen Modell-Frischdampfdruck gemäß dem Regelungsmodell zu vergleichen, und einen Abfahrvorgang einzuleiten und/oder einen Startvorgang abzubrechen, falls der gemessene Frischdampfdruck um mehr als einen vorbestimmten Betrag oder um mehr als einen vorbestimmten Bruchteil unter dem Modell-Frischdampfdruck liegt.
Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, weiterhin umfassend:
eine Wärmequellentemperatur-Messvorrichung (63) zum Messen einer Wärmequellentemperatur einer Wärmequelle, die der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung über den Verdampfer (10) Wärme zuführt; und

wobei die Regelungsvorrichtung (80) dazu ausgebildet ist, den Startvorgang nur dann durchzuführen, wenn die gemessene Wärmequellentemperatur größer oder gleich einer aktuellen Modell-Wärmequellentemperatur gemäß dem Regelungsmodell ist.
Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, weiterhin umfassend:
eine Bypassleitung (50) als direkte Verbindung zwischen dem Verdampfer (10) und dem Kondensator (30) zur Umgehung der Expansionsmaschine (20);

wobei die Regelungsvorrichtung (80) dazu ausgebildet ist, während eines Abfahrvorgangs der thermodynamischen Kreisprozessvorrichtung die folgenden Schritte auszuführen:
Entkoppeln der Expansionsmaschine (20) von der externen Vorrichtung (25, 26), falls der Frischdampfdruck und/oder die Wärmequellentemperatur unter einen jeweiligen vorgegebenen Schwellwert fallen; und

Öffnen der Bypassleitung (50) mittels eines Ventils (51) in der Bypassleitung.
Thermodynamische Kreisprozessvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, weiterhin umfassend:
eine Kupplung (27) zum Koppeln der Expansionsvorrichtung (20) mit der externen Vorrichtung (25, 26); und/oder

ein Getriebe zum Einstellen eines Drehzahlverhältnisses von der Expansionsvorrichtung (20) zur externen Vorrichtung (25, 26).