EP3414440A1 - Wärmekraftmaschine und verfahren zum betreiben einer wärmekraftmaschine - Google Patents

Wärmekraftmaschine und verfahren zum betreiben einer wärmekraftmaschine

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EP3414440A1
EP3414440A1 EP17704220.7A EP17704220A EP3414440A1 EP 3414440 A1 EP3414440 A1 EP 3414440A1 EP 17704220 A EP17704220 A EP 17704220A EP 3414440 A1 EP3414440 A1 EP 3414440A1
Authority
EP
European Patent Office
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supply air
heat engine
exhaust gas
combustion chamber
gas
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Withdrawn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
EP17704220.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Roland STOLL
Axel Widenhorn
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.)
Duerr Systems AG
Original Assignee
Duerr Systems AG
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Duerr Systems AG filed Critical Duerr Systems AG
Publication of EP3414440A1 publication Critical patent/EP3414440A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02C9/18—Control of working fluid flow by bleeding, bypassing or acting on variable working fluid interconnections between turbines or compressors or their stages
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    • Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a heat engine, which comprises, for example, a gas turbine, in particular a micro gas turbine.
  • Heat engines and methods for operating the same are known for example from DE 10 2013 203 448 AI and DE 10 2013 005 764 AI.
  • the present invention has for its object to provide a method for operating a heat engine, which allows reliable operation of the heat engine, especially at variable boundary conditions.
  • a portion of the supply air and / or a portion of the exhaust gas Passing a portion of the supply air and / or a portion of the exhaust gas to the heat exchanger by means of a bypass guide, wherein a mass flow and / or volume flow of passing on the heat exchanger portion of the supply air and / or the exhaust gas is controlled and / or regulated such that a thermal Performance and / or mechanical performance of the heat engine are at least approximately constant over time.
  • the control and / or regulation of the mass flow and / or volume flow of the part of the supply air and / or the exhaust gas past the heat exchanger can preferably react flexibly to varying boundary conditions, in particular the thermal output and / or the mechanical power of the heat engine at least approximately constant over time.
  • the invention can offer the advantage that fluctuations in the composition of the gas containing combustible constituents, in particular different concentrations of the combustible constituents, can be compensated and / or compensated.
  • a constant operation of the heat engine can be made possible.
  • this can preferably be prevented that a designed as a gas turbine heat engine, for example, designed as a micro gas turbine heat engine, due to temporarily increased concentrations of the combustible components of the gas supplied with increased, in particular excessive rotational speed (speed) is operated, which ultimately leads to damage to the Heat engine could lead.
  • the heat engine can thus be used for example for exhaust air purification and thereby with an exhaust gas stream with fluctuating
  • Concentration of the combustible components are supplied as supply air to the combustion chamber, without this would have an undesirable fluctuation or at least undesirably large fluctuation in the operating parameters of the heat engine result.
  • a mass flow and / or volume flow of the fuel supplied to the combustion chamber is constant over time, in particular independently of a change in the mass flow and / or volume flow.
  • the mass flow and / or the volume flow of the fuel supplied to the combustion chamber is preferably kept constant over time, independently of a change over time of the concentration of the combustible constituents of the gas supplied as supply air.
  • a mass flow and / or volume flow of the supply air supplied to the combustion chamber is preferably constant over time.
  • the mass flow and / or volume flow of the supply air supplied to the combustion chamber is preferably kept constant independently of whether there is a change in concentration of the combustible constituents of the gas supplied as supply air during operation of the heat engine.
  • a fluctuation in a concentration of the combustible constituents of the gas and the resulting fluctuating heat output in the combustion chamber is compensated by controlling and / or regulating the heat transfer from the exhaust gas to the supply air.
  • the mass flow and / or volumetric flow of the part of the supply air and / or the exhaust gas passed by the heat exchanger is varied.
  • one or more or all of the following parameters are determined by means of one or more sensor devices and used for controlling and / or regulating the bypass guide:
  • an operating parameter or several operating parameters of a system which generates the gas containing the combustible components are used to control and / or regulate the bypass guide.
  • a direct influence on the control and / or regulation of the bypass guide may be provided, for example by the selection of predefined bypass operating modes.
  • a concentration of the combustible components of the gas is known and a corresponding control and / or regulation of the bypass guide is performed, in particular to operate the heat engine in an optimal operating point ,
  • a correspondingly changed control and / or regulation of the bypass guide of the heat engine preferably take place thermal power and / or mechanical Power of the heat engine regardless of the operating modes of the system to keep at least approximately constant in time.
  • the bypass guide is then preferably controlled and / or regulated such that the temperature of the gas supplied as supply air to the combustion chamber and / or the temperature within the heat exchanger is always below a predetermined limit value. For example, by suitable control and / or regulation of the bypass guide, the temperature within the heat exchanger can be reduced in order to avoid exothermic reactions of the combustible constituents of the gas in the heat exchanger.
  • the gas containing combustible constituents is preferably process offgas, which is purified in particular by means of the heat engine.
  • a "cleaning” is to be understood in particular as a chemical reaction, in particular rendering harmless, of volatile organic compounds and other impurities or pollutants.
  • an exhaust gas of the combustion chamber is passed through a catalyst device or a catalyst device is supplied, which is in particular provided and designed to oxidize a portion remaining in the exhaust gas volatile organic compounds (VOC) and / / or to reduce a proportion of nitrogen oxides (NO x ).
  • VOC exhaust gas volatile organic compounds
  • NO x nitrogen oxides
  • the inventive method is particularly suitable for implementation on a heat engine or by means of a heat engine.
  • the present invention therefore also relates to a heat engine.
  • the invention is in this respect the task of providing a heat engine, which is simple in construction and allows reliable operation even with fluctuating boundary conditions.
  • a heat engine which comprises:
  • a combustion device including a combustion chamber
  • a supply air supply for supplying supply air to the combustion chamber
  • a fuel supply for supplying fuel to the combustion chamber; an exhaust gas outlet for removing exhaust gas from the combustion chamber;
  • a heat exchanger by means of which the exhaust gas outlet and the supply air supply are thermally coupled to one another;
  • a bypass guide by means of which at least part of the supply air and / or the exhaust gas can be guided past the heat exchanger, in particular while avoiding heat transfer from the exhaust gas to the supply air;
  • a control device by means of which a mass flow and / or volume flow of bypassed by the heat exchanger portion of the supply air and / or the exhaust gas is controlled and / or regulated such that a thermal power and / or mechanical power of the heat engine at least approximately constant are .
  • the heat engine according to the invention preferably has one or more of the features and / or advantages described in connection with the method according to the invention.
  • the method according to the invention preferably has one or more of the features and / or advantages described in connection with the heat engine according to the invention. It may be favorable if the heat engine comprises a gas turbine, in particular a micro gas turbine.
  • the heat engine and / or the control device are preferably designed and set up so that the method according to the invention can be carried out by means of the heat engine.
  • Sensor devices for determining one or more or all of the following parameters include:
  • the heat engine comprises a signal coupling device for information technology coupling of the heat engine with a system which generates the gas containing the combustible constituents.
  • the signal coupling device are preferably an operating parameter or several operating parameters of the system, which generates the gas containing the combustible components, for controlling and / or regulating the bypass guide to the heat engine, in particular the control device of the heat engine, transferable.
  • the heat engine is particularly suitable for use in a thermal energy system, which is a heat engine according to the present invention. the invention and a system comprising the combustible
  • Such a plant may be, for example, a paint shop, a dryer or other treatment plant for the treatment of workpieces.
  • the heat engine according to the invention is particularly suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the present invention therefore also relates to the use of a heat engine according to the invention for carrying out the method according to the invention.
  • the use according to the invention preferably has one or more of the features and / or advantages described in connection with the method according to the invention and / or the heat engine according to the invention.
  • the method according to the invention, the heat engine according to the invention and / or the use according to the invention can have one or more of the features and / or advantages described below:
  • the heat exchanger is a recuperator.
  • the heat engine preferably comprises a gas turbine, in particular a micro gas turbine, which serves as a combustion device of the heat engine.
  • the gas containing flammable components which is supplied as supply air to the combustion chamber, is preferably exhaust gas from industrial processes or Gasification processes.
  • the gas is a lean gas from a gasification process.
  • the gas contains especially volatile hydrocarbons (volatile organic compounds VOC).
  • the inventive control and / or regulation of the bypass guide may preferably be an excessive temperature in the combustion chamber, which may result in both damage to the combustion chamber and the subsequent turbine result.
  • a stable and constant operation of the heat engine is realized independently of a temporally varying heating value of the gas flow supplied as supply air.
  • the heat engine comprises a catalyst device.
  • a catalyst device By means of such a catalyst device, in particular, an exhaust gas purification in the exhaust gas removal can be carried out.
  • a proportion of volatile organic compounds (VOC) can be oxidized and / or a proportion of nitrogen oxides (NO x ) can be reduced.
  • VOC volatile organic compounds
  • NO x nitrogen oxides
  • an exhaust gas is removed from the combustion chamber and cleaned by means of a catalyst device.
  • the exhaust gas is preferably downstream of a turbine and / or upstream of the heat exchanger and / or downstream of the heat exchanger and / or within the heat exchanger with respect to a flow direction of the exhaust gas catalytically purified.
  • the exhaust gas is preferably purified in such a way that a proportion of volatile organic compounds (VOCs) is oxidized and / or a proportion of nitrogen oxides (NO x ) is reduced.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Heat engine in which a control and / or regulation of the heat transfer from the exhaust gas to the supply air is provided.
  • FIG. 1 illustrated embodiment of a designated as a whole with 100 heat engine is used in particular for the conversion of heat generated by means of fuel into mechanical energy.
  • This mechanical energy can be converted, for example by means of a generator 102 of the heat engine 100 into electrical energy.
  • the heat engine 100 comprises in particular a gas turbine 104, for example a micro gas turbine 106.
  • a combustion device 108 of the heat engine 100 preferably comprises a combustion chamber 110, which can be supplied with fuel by means of a fuel feed 112 and with supply air, in particular an oxidizer, by means of a supply air feed 114.
  • the heat engine 100 in particular the gas turbine 104, preferably comprises a compression device 116 for compressing supply air and a turbine 118 for releasing exhaust gas generated in the combustion chamber 110.
  • the compression device 116, the turbine 118 and preferably also the generator 102 are preferably arranged on a common shaft 120, so that the mechanical energy gained by the expansion of the exhaust gas by means of the turbine 118 is simply transferred and compressed by the compression device 116 and for compressing the supply air Generation of electrical energy by means of the generator 102 can be used.
  • the gas turbine 104 further preferably comprises a heat exchanger 122 for transmitting heat contained in the exhaust gas of the combustion chamber 110 to the supply air.
  • the heat exchanger 122 is therefore in particular a recuperator 124.
  • the supply air feed 114 is thermally coupled to an exhaust discharge 126 of the heat engine 100.
  • the exhaust gas removal 126 serves in particular for the removal of exhaust gas generated in the combustion chamber 110.
  • a supply air for example, fresh air can be used.
  • the supply air feed 114 may thus include, for example, a fresh air supply 128.
  • the heat engine 100 is for cleaning a
  • Gas stream which contains in particular combustible components.
  • the heat engine 100 can be connected to or otherwise connected to a system 130 which contains gas containing combustible constituents.
  • the gas generated in the plant 130 for example, process or
  • Low gas from gasification processes in particular can be supplied as supply air via the supply air supply 114 to the combustion chamber 110.
  • the heat engine 100 thus preferably serves to purify a gas stream of any plant 130.
  • the heat engine 100 is preferably to operate with the most constant operating parameters, in particular to ensure efficient energy conversion and at the same time to avoid undesired damage of components of the heat engine 100.
  • the heat engine 100 preferably enables a compensation of the fluctuating gas composition of the gas supplied as supply air.
  • the heat engine 100 is used for exhaust air purification by exhaust air containing combustible components is supplied as supply air to the combustion chamber 110 of the heat engine 100.
  • By targeted control and / or regulation of the heat engine 100 it is possible to compensate for fluctuations in the concentration of the combustible constituents in the exhaust air. Over-rotation of the heat engine 100, which could result in damage or even destruction of the heat engine 100 is thus excluded.
  • the heat engine 100 comprises in particular a bypass guide 132, by means of which supply air and / or exhaust gas can be guided past the heat exchanger 122.
  • the bypass guide 132 preferably comprises an exhaust gas bypass 134, by means of which at least part of the exhaust gas can be guided past the heat exchanger 122, and / or a supply air bypass 136, by means of which at least part of the supply air can be guided past the heat exchanger 122.
  • the heat engine 100 preferably further comprises a control device 138 for controlling and / or regulating the mass flow and / or volumetric flow of the part of the supply air and / or the mass flow and / or volumetric flow past the heat exchanger 122.
  • the heat engine 100 comprises one or more control elements 140, for example valves 142 or flaps, by means of which it is possible to vary which mass flow and / or volume flow of the supply air and / or of the exhaust gas passes through or past the heat exchanger 122.
  • control elements 140 for example valves 142 or flaps, by means of which it is possible to vary which mass flow and / or volume flow of the supply air and / or of the exhaust gas passes through or past the heat exchanger 122.
  • control elements 140 are in particular flow path branches or flow path branches. mergers or flow path deflections or flow path blockages for branching, merging, diverting or blocking of (partial) supply air streams and / or (partial) exhaust gas streams.
  • control elements 140 in particular the heat transfer from the exhaust gas to the supply air can be influenced in order to obtain different combustion chamber inlet temperatures.
  • the combustion chamber inlet temperatures are chosen in particular so that a varying heating value of the supplied supply air is compensated in order to ultimately obtain a constant combustion chamber outlet temperature.
  • control and / or regulation by means of the control device 138 can be carried out in particular depending on measured values of one or more sensor devices 144.
  • the one or more sensor devices 144 in particular the combustion chamber inlet temperature, the combustion chamber outlet temperature, a turbine inlet temperature, a turbine outlet temperature, a supply air temperature downstream of the heat exchanger 122 and / or an inlet air temperature upstream of the heat exchanger 122 can be determined and / or for the control and / or regulation of the control elements 140 the control device 138 are used.
  • a concentration of the combustible constituents in the gas supplied as supply air and / or a chemical composition of the gas supplied as supply air can be determined and / or used for controlling and / or regulating the control elements 140 of the control device 138.
  • the heat engine 100 comprises a signal coupling device 146, by means of which the heat engine 100 is signal coupled or coupled to the system 130 for generating the combustible constituents of the gas.
  • the heat engine 100 in particular the control device 138, can then be controlled and / or regulated in particular depending on different operating states of the system 130, in particular to adapt the supply air temperature to already known or expected heating values of the gas generated by the system 130.
  • the above-described heat engine 100 preferably operates as follows:
  • the combustion chamber 110 is supplied with fuel by means of the fuel feed 112 and supply air, in particular an oxidizer, by means of the supply air feed 114.
  • fresh air and / or gas is supplied via the fresh air feed 128 from a gas-producing plant 130 via the supply air feed 114 to the combustion chamber 110.
  • the supplied substances are chemically converted. In particular, this results in an exothermic reaction, so that heat is released.
  • thermal energy is partially converted by relaxation over the turbine 118 into mechanical energy and transmitted via the shaft 120 on the one hand to the compression device 116 for compressing the supply air and on the other hand to the generator 102 for generating electrical energy.
  • the exhaust gas discharged via the turbine 118 from the combustion chamber 110 is not immediately removed, but is used further. In particular, heat is removed from the exhaust gas and used to heat the supply air.
  • Heat exchanger 122 brought into thermal contact, so that heat, in particular indirectly, can be transmitted from the exhaust gas to the supply air.
  • control device 138 By means of the control device 138, in particular of the control elements 140, it is controlled and / or regulated which part of the total supply air supplied and / or which part of the total exhaust gas passed is passed through the heat exchanger 122 or via the bypass guide 132 on the same. In this way, it is ultimately possible, in particular, to vary which temperature the supply air supplied has at the combustion chamber inlet.
  • the gas supplied from the plant 130 of the heat engine 100 preferably contains combustible components. Depending on the operating mode of the system 130, different concentrations of the combustible components may result.
  • a calorific value of the supply air supplied via the supply air feed 114 to the combustion chamber 110 varies.
  • influence is exerted on the control elements 140 and thus on the bypass guide 132 by means of the control device 138.
  • the part of the exhaust gas passed through the heat exchanger 122 and / or the part of the supply air passed through the heat exchanger 122 is Mass flow and / or flow varies.
  • a larger bypass flow in the supply air bypass 136 and / or in the exhaust gas bypass 134 is then preferably selected in order to reduce the combustion chamber inlet temperature.
  • the heat transfer from the exhaust gas to the supply air is increased by enlarging the mass flow and / or volumetric flow of the supply air and / or the exhaust gas flowing through the heat exchanger 122, in particular ultimately an increased combustion chamber inlet temperature to create.
  • a variation or fluctuation in the calorific value of the supply air is thus preferably compensated in order ultimately to preferably obtain a constant thermal output and / or mechanical output of the heat engine 100.

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Abstract

Um ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine bereitzustellen, welches einen zuverlässigen Betrieb der Wärmekraftmaschine insbesondere bei variablen Randbedingungen ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass das Verfahren Folgendes umfasst: Zuführen von brennbare Bestandteile enthaltendem Gas als Zuluft zu einer Brennkammer einer Verbrennungsvorrichtung der Wärmekraftmaschine; Zuführen von Brennstoff zu der Brennkammer; Abführen von Abgas aus der Brennkammer und Zuführen des Abgases zu einem Wärmeübertrager der Wärmekraftmaschine; Übertragen von Wärme von dem Abgas auf zumindest einen Teil der Zuluft mittels des Wärmeübertragers; Vorbeiführen eines Teils der Zuluft und/oder eines Teils des Abgases an dem Wärmeübertrager mittels einer Bypassführung, wobei ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine zumindest näherungsweise zeitlich konstant sind.

Description

WÄRMEKRAFTMASCHINE UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER WÄRMEKRAFTMASCHINE
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine, welche beispielsweise eine Gasturbine, insbesondere eine Mikrogasturbine, umfasst.
Wärmekraftmaschinen und Verfahren zum Betreiben derselben sind beispielsweise aus der DE 10 2013 203 448 AI und aus der DE 10 2013 005 764 AI bekannt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine bereitzustellen, welches einen zuverlässigen Betrieb der Wärmekraftmaschine insbesondere bei variablen Randbedingungen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine gelöst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst:
Zuführen von brennbare Bestandteile enthaltendem Gas als Zuluft zu einer Brennkammer einer Verbrennungsvorrichtung der Wärmekraftmaschine;
Zuführen von Brennstoff zu der Brennkammer;
Abführen von Abgas aus der Brennkammer und Zuführen des Abgases zu einem Wärmeübertrager der Wärmekraftmaschine;
Übertragen von Wärme von dem Abgas auf zumindest einen Teil der Zuluft mittels des Wärmeübertragers;
Vorbeiführen eines Teils der Zuluft und/oder eines Teils des Abgases an dem Wärmeübertrager mittels einer Bypassführung, wobei ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine zumindest näherungsweise zeitlich konstant sind . Durch die erfindungsgemäße Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms und/oder Volumenstroms des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft- und/oder des Abgases kann vorzugsweise flexibel auf variierende Randbedingungen reagiert werden, insbesondere um die thermische Leistung und/oder die mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine zumindest näherungsweise zeitlich konstant zu halten.
Die Erfindung kann insbesondere den Vorteil bieten, dass Schwankungen in der Zusammensetzung des brennbare Bestandteile enthaltenden Gases, insbesondere unterschiedliche Konzentrationen der brennbaren Bestandteile, kompensiert und/oder ausgeglichen werden können. Hierdurch kann vorzugsweise ein konstanter Betrieb der Wärmekraftmaschine ermöglicht werden. Insbesondere kann hierdurch vorzugsweise verhindert werden, dass eine als Gasturbine ausgebildete Wärmekraftmaschine, beispielsweise eine als Mikrogasturbine ausgebildete Wärmekraftmaschine, aufgrund temporär erhöhter Konzentrationen der brennbaren Bestandteile des zugeführten Gases mit erhöhter, insbesondere überhöhter, Rotationsgeschwindigkeit (Drehzahl) betrieben wird, was letztlich zu Schäden an der Wärmekraftmaschine führen könnte.
Die Wärmekraftmaschine kann somit beispielsweise zur Abluftreinigung verwendet und dabei mit einem Abluft-Gasstrom mit schwankender
Konzentration der brennbaren Bestandteile als Zuluft zur Brennkammer versorgt werden, ohne dass dies eine unerwünschte Schwankung oder zumindest unerwünscht starke Schwankung in den Betriebsparametern der Wärmekraftmaschine zur Folge hätte.
Günstig kann es sein, wenn ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs zeitlich konstant ist, insbesondere unabhängig von einer Veränderung des Massenstroms und/oder Volumen- Stroms des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils des Abgases und/oder der Zuluft.
Ferner wird der Massenstrom und/oder der Volumenstrom des der Brennkammer zugeführten Brennstoffs vorzugsweise unabhängig von einer zeitlichen Veränderung der Konzentration der brennbaren Bestandteile des als Zuluft zugeführten Gases zeitlich konstant gehalten.
Ein Massenstrom und/oder Volumenstrom der der Brennkammer zugeführten Zuluft ist vorzugsweise zeitlich konstant. Insbesondere wird der Massenstrom und/oder Volumenstrom der der Brennkammer zugeführten Zuluft vorzugsweise unabhängig davon konstant gehalten, ob sich eine Konzentrationsänderung der brennbaren Bestandteile des als Zuluft zugeführten Gases während des Betriebs der Wärmekraftmaschine ergibt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass durch eine Steuerung und/oder Regelung der Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft eine Schwankung in einer Konzentration der brennbaren Bestandteile des Gases und der daraus resultierenden schwankenden Heizleistung in der Brennkammer ausgeglichen wird .
Zur Steuerung und/oder Regelung der Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft wird insbesondere der Massenstrom und/oder Volumenstrom des an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases variiert.
Günstig kann es sein, wenn mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen einer oder mehrere oder sämtliche der folgenden Parameter ermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung verwendet werden :
eine Brennkammereintrittstemperatur;
eine Brennkammeraustrittstemperatur;
eine Turbineneintrittstemperatur; eine Turbinenaustrittstemperatur;
eine Zulufttemperatur stromaufwärts des Wärmeübertragers;
eine Zulufttemperatur stromabwärts des Wärmeübertragers.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen einer oder mehrere oder sämtliche der folgenden Parameter ermittelt und zur Steuerung und/oder der Regelung der Bypassführung verwendet werden :
eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas;
eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter einer Anlage, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung verwendet werden. Insbesondere kann bei bekannter Korrelation zwischen den Betriebsparametern der Anlage einerseits und der Gaszusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases andererseits eine direkte Einflussnahme auf die Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung vorgesehen sein, beispielsweise durch die Auswahl vordefinierter Bypassbetriebsmodi.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei einem Betriebsmodus der das Gas erzeugenden Anlage eine Konzentration der brennbaren Bestandteile des Gases bekannt ist und eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung durchgeführt wird, insbesondere um die Wärmekraftmaschine in einem optimalen Betriebspunkt zu betreiben. Bei einer Variation des Betriebsmodus der Anlage, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, kann unter Ausnutzung einer bekannten Konzentration der brennbaren Bestandteile im erzeugten Gas bei diesem Betriebsmodus vorzugsweise eine entsprechend geänderte Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung der Wärmekraftmaschine erfolgen, insbesondere um die thermische Leistung und/oder mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine unabhängig von den genannten Betriebsmodi der Anlage zumindest näherungsweise zeitlich konstant zu halten.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mittels einer Sensorvorrichtung ermittelt wird, ob bereits die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft zur exothermen Reaktion der brennbaren Bestandteile des Gases führt. Die Bypassführung wird dann vorzugsweise derart gesteuert und/oder geregelt, dass die Temperatur des als Zuluft zu der Brennkammer geführten Gases und/oder die Temperatur innerhalb des Wärmeübertragers stets unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt. Beispielsweise kann durch geeignete Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung die Temperatur innerhalb des Wärmeübertragers reduziert werden, um exotherme Reaktionen der brennbaren Bestandteile des Gases im Wärmeübertrager zu vermeiden.
Das brennbare Bestandteile enthaltende Gas ist vorzugsweise Prozessabgas, welches insbesondere mittels der Wärmekraftmaschine gereinigt wird .
Unter einem "Reinigen" ist dabei insbesondere ein chemisches Umsetzen, insbesondere Unschädlichmachen, von flüchtigen organischen Verbindungen und sonstigen Verunreinigungen oder Schadstoffen zu verstehen.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass ein Abgas der Brennkammer durch eine Katalysatorvorrichtung durchgeleitet oder einer Katalysatorvorrichtung zugeführt wird, welche insbesondere dazu vorgesehen und ausgebildet ist, einen im Abgas verbleibenden Anteil von leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen (volatile organic Compounds, VOC) zu oxidieren und/oder ein Anteil von Stickoxiden (NOx) zu reduzieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Durchführung auf einer Wärmekraftmaschine oder mittels einer Wärmekraftmaschine. Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Wärmekraftmaschine.
Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, eine Wärmekraftmaschine bereitzustellen, welche einfach aufgebaut ist und auch bei schwankenden Randbedingungen einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Wärmekraftmaschine gelöst, welche Folgendes umfasst:
eine Verbrennungsvorrichtung, welche eine Brennkammer umfasst;
eine Zuluftzuführung zur Zuführung von Zuluft zu der Brennkammer;
eine Brennstoffzuführung zur Zuführung von Brennstoff zu der Brennkammer; eine Abgasabführung zur Abführung von Abgas aus der Brennkammer;
einen Wärmeübertrager, mittels welchem die Abgasabführung und die Zuluftzuführung thermisch miteinander gekoppelt sind;
eine Bypassführung, mittels welcher zumindest ein Teil der Zuluft und/oder des Abgases an dem Wärmeübertrager vorbeiführbar ist, insbesondere unter Vermeidung einer Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft;
eine Steuervorrichtung, mittels welcher ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des mittels der Bypassführung an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart steuerbar und/oder regelbar ist, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine zumindest näherungsweise konstant sind .
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner weist vorzugsweise das erfindungsgemäße Verfahren einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf. Günstig kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine Gasturbine, insbesondere eine Mikrogasturbine, umfasst.
Die Wärmekraftmaschine und/oder die Steuervorrichtung sind vorzugsweise so ausgebildet und eingerichtet, dass mittels der Wärmekraftmaschine das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Günstig kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine oder mehrere
Sensorvorrichtungen zur Ermittlung einzelner oder mehrerer oder sämtlicher der folgenden Parameter umfasst:
eine Brennkammereintrittstemperatur;
eine Brennkammeraustrittstemperatur;
eine Turbineneintrittstemperatur;
eine Turbinenaustrittstemperatur;
eine Zulufttemperatur stromabwärts des Wärmeübertragers;
eine Zulufttemperatur stromaufwärts des Wärmeübertragers;
eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten
Gas;
und/oder
eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
Günstig kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine Signalkopplungsvorrichtung zur informationstechnischen Kopplung der Wärmekraftmaschine mit einer Anlage, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, umfasst. Mittels der Signalkopplungsvorrichtung sind vorzugsweise ein Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter der Anlage, welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung an die Wärmekraftmaschine, insbesondere die Steuervorrichtung der Wärmekraftmaschine, übertragbar.
Die Wärmekraftmaschine eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem Wärmekraftsystem, welches eine Wärmekraftmaschine gemäß der vorliegen- den Erfindung sowie eine Anlage umfasst, welche das die brennbaren
Bestandteile enthaltende Gas erzeugt.
Eine solche Anlage kann beispielsweise eine Lackieranlage, eine Trockneranlage oder eine sonstige Behandlungsanlage zur Behandlung von Werkstücken sein.
Die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die erfindungsgemäße Verwendung weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder der erfindungsgemäßen Wärmekraftmaschine beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Ferner können das erfindungsgemäße Verfahren, die erfindungsgemäße Wärmekraftmaschine und/oder die erfindungsgemäße Verwendung einzelne oder mehrere der nachfolgend beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile aufweisen :
Günstig kann es sein, wenn der Wärmeübertrager ein Rekuperator ist.
Die Wärmekraftmaschine umfasst vorzugsweise eine Gasturbine, insbesondere eine Mikrogasturbine, welche als Verbrennungsvorrichtung der Wärmekraftmaschine dient.
Das brennbare Bestandteile enthaltende Gas, welches als Zuluft zu der Brennkammer zugeführt wird, ist vorzugsweise Abgas aus Industrieprozessen oder Vergasungsprozessen. Beispielsweise ist das Gas ein Schwachgas aus einem Vergasungsprozess.
Das Gas enthält insbesondere leicht flüchtige Kohlenwasserstoffe (volatile organic Compounds VOC).
Durch die erfindungsgemäße Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung kann vorzugsweise eine überhöhte Temperatur im Brennraum, welche sowohl eine Beschädigung des Brennraums als auch der nachfolgenden Turbine zur Folge haben kann, vermieden werden.
Erfindungsgemäß ist insbesondere ein stabiler und konstanter Betrieb der Wärmekraftmaschine unabhängig von einem zeitlich variierenden Heizwert des als Zuluft zugeführten Gasstroms realisiert.
Günstig kann es sein, wenn die Wärmekraftmaschine eine Katalysatorvorrichtung umfasst. Mittels einer solchen Katalysatorvorrichtung kann insbesondere eine Abgasreinigung in der Abgasabführung durchgeführt werden. Vorzugsweise kann mittels der Katalysatorvorrichtung ein Anteil von leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen (volatile organic Compounds, VOC) oxidiert und/oder ein Anteil von Stickoxiden (NOx) reduziert werden.
Günstig kann es sein, wenn die Katalysatorvorrichtung bezüglich einer
Strömungsrichtung des Abgases vor (stromaufwärts) und/oder in und/oder nach (stromabwärts) dem Wärmeübertrager angeordnet und/oder ausgebildet ist.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Abgas aus der Brennkammer abgeführt und mittels einer Katalysatorvorrichtung gereinigt wird . Das Abgas wird vorzugsweise bezüglich einer Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts einer Turbine und/oder stromaufwärts des Wärmeübertragers und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers und/oder innerhalb des Wärmeübertragers katalytisch gereinigt. Das Abgas wird vorzugsweise derart gereinigt, dass ein Anteil von leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen (volatile organic Compounds, VOC) oxidiert und/oder ein Anteil von Stickoxiden (NOx) reduziert wird .
Weitere bevorzugte Merkmale oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.
In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer
Wärmekraftmaschine, bei welcher eine Steuerung und/oder Regelung der Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft vorgesehen ist.
Eine in Fig . 1 dargestellte Ausführungsform einer als Ganzes mit 100 bezeichneten Wärmekraftmaschine dient insbesondere zur Umwandlung von mittels Brennstoff erzeugter Wärme in mechanische Energie. Diese mechanische Energie kann beispielsweise mittels eines Generators 102 der Wärmekraftmaschine 100 in elektrische Energie umgewandelt werden.
Die Wärmekraftmaschine 100 umfasst insbesondere eine Gasturbine 104, beispielsweise eine Mikrogasturbine 106.
Eine Verbrennungsvorrichtung 108 der Wärmekraftmaschine 100 umfasst vorzugsweise eine Brennkammer 110, welcher mittels einer Brennstoffzuführung 112 Brennstoff und mittels einer Zuluftzuführung 114 Zuluft, insbesondere Oxidator, zuführbar ist.
Die Wärmekraftmaschine 100, insbesondere die Gasturbine 104, umfasst vorzugsweise eine Kompressionsvorrichtung 116 zum Komprimieren von Zuluft und eine Turbine 118 zum Entspannen von in der Brennkammer 110 erzeugtem Abgas.
Die Kompressionsvorrichtung 116, die Turbine 118 und vorzugsweise auch der Generator 102 sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Welle 120 angeordnet, so dass die durch das Entspannen des Abgases mittels der Turbine 118 gewonnene mechanische Energie einfach übertragen und zum Komprimieren der Zuluft mittels der Kompressionsvorrichtung 116 sowie zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels des Generators 102 genutzt werden kann.
Die Gasturbine 104 umfasst ferner vorzugsweise einen Wärmeübertrager 122 zur Übertragung von im Abgas der Brennkammer 110 enthaltener Wärme auf die Zuluft.
Der Wärmeübertrager 122 ist somit insbesondere ein Rekuperator 124.
Mittels des Wärmeübertragers 122 ist insbesondere die Zuluftzuführung 114 mit einer Abgasabführung 126 der Wärmekraftmaschine 100 thermisch gekoppelt.
Die Abgasabführung 126 dient insbesondere der Abführung von in der Brennkammer 110 erzeugtem Abgas.
Als Zuluft kann beispielsweise Frischluft verwendet werden.
Die Zuluftzuführung 114 kann somit beispielsweise eine Frischluftzuführung 128 umfassen .
Vorzugsweise dient die Wärmekraftmaschine 100 der Reinigung eines
Gasstroms, welcher insbesondere brennbare Bestandteile enthält. Die Wärmekraftmaschine 100 kann hierzu beispielsweise an eine Anlage 130, welche brennbare Bestandteile enthaltendes Gas erzeugt, angeschlossen oder sonst wie mit dieser verbunden werden.
Das in der Anlage 130 erzeugte Gas, beispielsweise Prozessabgas oder
Schwachgas aus Vergasungsprozessen, ist insbesondere als Zuluft über die Zuluftzuführung 114 zu der Brennkammer 110 zuführbar.
Aufgrund der in der Brennkammer 110 herrschenden hohen Temperaturen werden in der Zuluft enthaltene brennbare Bestandteile sowie Schadstoffe und sonstige Verunreinigungen vorzugsweise chemisch umgesetzt und dabei unschädlich gemacht.
Die Wärmekraftmaschine 100 dient somit vorzugsweise zur Reinigung eines Gasstroms einer beliebigen Anlage 130.
Die Wärmekraftmaschine 100 ist vorzugsweise mit möglichst konstanten Betriebsparametern zu betreiben, insbesondere um eine effiziente Energieumwandlung zu gewährleisten und zugleich um eine unerwünschte Beschädigung von Komponenten der Wärmekraftmaschine 100 zu vermeiden.
Insbesondere bei schwankender Gaszusammensetzung des von der Anlage 130 erzeugten und als Zuluft genutzten Gases kann sich ein unterschiedlicher Heizwert der Zuluft ergeben, was letztlich zu variierenden Temperaturen in der Brennkammer 110 und somit unterschiedlichen Drehzahlen der Turbine 118 führen kann.
Um hier einen möglichst konstanten Betrieb der Wärmekraftmaschine 100 und somit konstantere Temperaturen in der Brennkammer 110 und konstante Drehzahlen der Turbine 118 gewährleisten zu können, ermöglicht die Wärmekraftmaschine 100 vorzugsweise einen Ausgleich der schwankenden Gaszusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases. Beispielsweise dient die Wärmekraftmaschine 100 zur Abluftreinigung, indem brennbare Bestandteile enthaltende Abluft als Zuluft zu der Brennkammer 110 der Wärmekraftmaschine 100 zugeführt wird. Durch gezielte Steuerung und/oder Regelung der Wärmekraftmaschine 100 können vorzugsweise Schwankungen der Konzentration der brennbaren Bestandteile in der Abluft ausgeglichen werden. Ein Überdrehen der Wärmekraftmaschine 100, woraus eine Beschädigung oder gar Zerstörung der Wärmekraftmaschine 100 resultieren könnte, ist somit ausgeschlossen.
Die Wärmekraftmaschine 100 umfasst hierzu insbesondere eine Bypass- führung 132, mittels welcher Zuluft und/oder Abgas an dem Wärmeübertrager 122 vorbeiführbar ist.
Die Bypassführung 132 umfasst dabei vorzugsweise einen Abgasbypass 134, mittels welchem zumindest ein Teil des Abgases an dem Wärmeübertrager 122 vorbeiführbar ist, und/oder einen Zuluftbypass 136, mittels welchem zumindest ein Teil der Zuluft an dem Wärmeübertrager 122 vorbeiführbar ist.
Die Wärmekraftmaschine 100 umfasst ferner vorzugsweise eine Steuervorrichtung 138 zur Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms und/oder Volumenstroms des an dem Wärmeübertrager 122 vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Massenstroms und/oder Volumenstroms des an dem Wärmeübertrager 122 vorbeigeführten Teils des Abgases.
Insbesondere umfasst die Wärmekraftmaschine 100 ein oder mehrere Steuerelemente 140, beispielsweise Ventile 142 oder Klappen, mittels welchen variierbar ist, welcher Massenstrom und/oder Volumenstrom der Zuluft und/oder des Abgases durch den Wärmeübertrager 122 hindurch oder an demselben vorbeigeführt wird.
Die Steuerelemente 140, insbesondere die Ventile 142 oder Klappen, sind dabei insbesondere Strömungswegverzweigungen oder Strömungsweg- zusammenführungen oder Strömungswegumlenkungen oder Strömungswegblockaden zur Verzweigung, Zusammenführung, Umlenkung oder Blockade von (Teil-) Zuluftströmen und/oder (Teil-) Abgasströmen.
Durch geeignete Steuerung der Steuerelemente 140 kann insbesondere die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft beeinflusst werden, um unterschiedliche Brennkammereintrittstemperaturen zu erhalten.
Die Brennkammereintrittstemperaturen werden dabei insbesondere so gewählt, dass ein variierender Heizwert der zugeführten Zuluft ausgeglichen wird, um letztlich eine konstante Brennkammeraustrittstemperatur zu erhalten.
Die Steuerung und/oder Regelung mittels der Steuervorrichtung 138 kann dabei insbesondere abhängig von Messwerten einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen 144 durchgeführt werden.
Mittels der einen oder mehreren Sensorvorrichtungen 144 kann dabei insbesondere die Brennkammereintrittstemperatur, die Brennkammeraustrittstemperatur, eine Turbineneintrittstemperatur, eine Turbinenaustrittstemperatur, eine Zulufttemperatur stromabwärts des Wärmeübertragers 122 und/oder eine Zulufttemperatur stromaufwärts des Wärmeübertragers 122 ermittelt und/oder zur Steuerung und/oder Regelung der Steuerelemente 140 der Steuervorrichtung 138 verwendet werden.
Ferner kann mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen 144 eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas und/oder eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases ermittelt werden und/oder zur Steuerung und/oder Regelung der Steuerelemente 140 der Steuervorrichtung 138 verwendet werden. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Wärmekraftmaschine 100 eine Signalkopplungsvorrichtung 146 umfasst, mittels welcher die Wärmekraftmaschine 100 signaltechnisch mit der Anlage 130 zur Erzeugung des brennbare Bestandteile enthaltenen Gases koppelbar oder gekoppelt ist.
Die Wärmekraftmaschine 100, insbesondere die Steuervorrichtung 138, kann dann insbesondere abhängig von verschiedenen Betriebszuständen der Anlage 130 gesteuert und/oder geregelt werden, insbesondere um die Zuluft- temperatur an bereits bekannte oder erwartete Heizwerte des mittels der Anlage 130 erzeugten Gases anzupassen.
Die vorstehend beschriebene Wärmekraftmaschine 100 funktioniert vorzugsweise wie folgt:
Zum Betrieb der Wärmekraftmaschine 100 wird der Brennkammer 110 mittels der Brennstoffzuführung 112 Brennstoff und mittels der Zuluftzuführung 114 Zuluft, insbesondere Oxidator, zugeführt.
Insbesondere wird dabei über die Frischluftzuführung 128 Frischluft und/oder Gas aus einer gasproduzierenden Anlage 130 über die Zuluftzuführung 114 zu der Brennkammer 110 zugeführt.
In der Brennkammer 110 werden die zugeführten Stoffe chemisch umgesetzt. Insbesondere ergibt sich hierbei eine exotherme Reaktion, so dass Wärme freigesetzt wird.
Diese somit erzeugte thermische Energie wird durch Entspannung über die Turbine 118 teilweise in mechanische Energie umgewandelt und über die Welle 120 einerseits auf die Kompressionsvorrichtung 116 zur Kompression der Zuluft und andererseits auf den Generator 102 zur Erzeugung von elektrischer Energie übertragen. Zur Optimierung des Wirkungsgrads der Wärmekraftmaschine 100 wird das über die Turbine 118 abgeführte Abgas aus der Brennkammer 110 nicht umgehend abgeführt, sondern weiter genutzt. Insbesondere wird Wärme aus dem Abgas entnommen und zum Aufheizen der Zuluft genutzt.
Hierzu werden das Abgas einerseits und die Zuluft andererseits in dem
Wärmeübertrager 122 in thermischen Kontakt gebracht, so dass Wärme, insbesondere indirekt, von dem Abgas auf die Zuluft übertragen werden kann.
Mittels der Steuervorrichtung 138, insbesondere der Steuerelemente 140, wird dabei gesteuert und/oder geregelt, welcher Teil der insgesamt zugeführten Zuluft und/oder welcher Teil des insgesamt abgeführten Abgases durch den Wärmeübertrager 122 hindurch oder aber über die Bypassführung 132 an demselben vorbeigeführt wird. Hierdurch kann letztlich insbesondere variiert werden, welche Temperatur die zugeführte Zuluft am Brennkammereintritt aufweist.
Das aus der Anlage 130 der Wärmekraftmaschine 100 zugeführte Gas enthält vorzugsweise brennbare Bestandteile. Abhängig von dem Betriebsmodus der Anlage 130 können sich dabei unterschiedliche Konzentrationen der brennbaren Bestandteile ergeben.
Insbesondere variiert somit ein Heizwert der über die Zuluftzuführung 114 der Brennkammer 110 zugeführten Zuluft.
Aufgrund dieser Variation des Heizwerts ergibt sich bei im Übrigen konstanten Betriebsparametern der Wärmekraftmaschine 100, insbesondere bei konstantem Massenstrom und/oder Volumenstrom der Zuluft und/oder bei konstantem Massenstrom und/oder Volumenstrom des Brennstoffs, eine schwankende Brennkammeraustrittstemperatur, was letztlich eine starke thermische und mechanische Belastung der Brennkammer 110 und/oder der Turbine 118 zur Folge haben kann. Die Wärmekraftmaschine 100 kann hierdurch schlimmstenfalls sogar beschädigt werden.
Für einen möglichst gleichmäßigen und beschädigungsfreien Betrieb der Wärmekraftmaschine 100 wird mittels der Steuervorrichtung 138 Einfluss auf die Steuerelemente 140 und somit Einfluss auf die Bypassführung 132 genommen.
Insbesondere wird abhängig von mittels der einen oder der mehreren Sensorvorrichtungen 144 ermittelten Werten, beispielsweise den herrschenden Temperaturen und/oder der Gaszusammensetzung der Zuluft, der Teil des durch den Wärmeübertrager 122 hindurchgeführten Abgases und/oder der Teil der durch den Wärmeübertrager 122 hindurchgeführten Zuluft hinsichtlich des Massenstroms und/oder Volumenstroms variiert.
Bei hohem Heizwert der Zuluft, welcher eine erhöhte Brennkammeraustrittstemperatur zur Folge haben kann, wird dann vorzugsweise ein größerer Bypassstrom im Zuluftbypass 136 und/oder im Abgasbypass 134 gewählt, um die Brennkammereintrittstemperatur zu reduzieren .
Bei geringerem Heizwert, welcher eine geringere Brennkammeraustrittstemperatur zur Folge haben kann, wird die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft durch Vergrößerungen des durch den Wärmeübertrager 122 strömenden Massenstroms und/oder Volumenstroms der Zuluft und/oder des Abgases erhöht, insbesondere um letztlich eine erhöhte Brennkammereintrittstemperatur zu erzeugen.
In sämtlichen Fällen wird somit vorzugsweise eine Variation oder Schwankung im Heizwert der Zuluft ausgeglichen, um letztlich vorzugsweise eine konstante thermische Leistung und/oder mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine 100 zu erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmekraftmaschine (100), umfassend :
Zuführen von brennbare Bestandteile enthaltendem Gas als Zuluft zu einer Brennkammer (110) einer Verbrennungsvorrichtung (108) der Wärmekraftmaschine (100);
Zuführen von Brennstoff zu der Brennkammer (110); Abführen von Abgas aus der Brennkammer (110) und Zuführen des Abgases zu einem Wärmeübertrager (122) der Wärmekraftmaschine (100);
Übertragen von Wärme von dem Abgas auf zumindest einen Teil der Zuluft mittels des Wärmeübertragers (122);
Vorbeiführen eines Teils der Zuluft und/oder eines Teils des Abgases an dem Wärmeübertrager (122) mittels einer Bypass- führung (132), wobei ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des an dem Wärmeübertrager (122) vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische Leistung der Wärmekraftmaschine (100) zumindest näherungsweise zeitlich konstant sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des der Brennkammer (110) zugeführten Brennstoffs zeitlich konstant ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Massenstrom und/oder Volumenstrom der der Brennkammer (110) zugeführten Zuluft zeitlich konstant ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Steuerung und/oder Regelung der Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft eine Schwankung in einer Konzentration der brennbaren Bestandteile des Gases und der daraus resultierenden schwankenden Heizleistung in der Brennkammer (110) ausgeglichen wird .
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen (144) einer oder mehrere oder sämtliche der folgenden Parameter ermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung (132) verwendet werden :
eine Brennkammereintrittstemperatur;
eine Brennkammeraustrittstemperatur;
eine Turbineneintrittstemperatur;
eine Turbinenaustrittstemperatur;
eine Zulufttemperatur stromaufwärts und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers (122).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer oder mehrerer Sensorvorrichtungen (144) einer oder sämtliche der folgenden Parameter ermittelt und zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung (132) verwendet werden :
eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas;
eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter einer Anlage (130), welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung (132) verwendet wird .
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sensorvorrichtung (144) ermittelt wird, ob bereits die Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft zur exothermen Reaktion der brennbaren Bestandteile des Gases führt, und dass die Bypassführung (132) derart gesteuert und/oder geregelt wird, dass die Temperatur des als Zuluft zu der Brennkammer (110) zugeführten Gases und/oder die Temperatur innerhalb des Wärmeübertragers (122) stets unterhalb eines vorgegebenen Grenzwerts liegt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Bestandteile enthaltende Gas Prozessabgas ist, welches mittels der Wärmekraftmaschine (100) gereinigt wird.
10. Wärmekraftmaschine (100), umfassend :
eine Verbrennungsvorrichtung (108), welche eine Brennkammer (110) umfasst;
eine Zuluftzuführung (114) zur Zuführung von Zuluft zu der Brennkammer (110);
eine Brennstoffzuführung (112) zur Zuführung von Brennstoff zu der Brennkammer (110);
eine Abgasabführung (126) zur Abführung von Abgas aus der Brennkammer (110);
einen Wärmeübertrager (122), mittels welchem die Abgasabführung (126) und die Zuluftzuführung (114) thermisch miteinander gekoppelt sind;
eine Bypassführung (132), mittels welcher zumindest ein Teil der Zuluft und/oder des Abgases an dem Wärmeübertrager (122) vorbeiführbar ist, insbesondere unter Vermeidung einer Wärmeübertragung von dem Abgas auf die Zuluft;
eine Steuervorrichtung (138), mittels welcher ein Massenstrom und/oder Volumenstrom des mittels der Bypassführung (132) an dem Wärmeübertrager (122) vorbeigeführten Teils der Zuluft und/oder des Abgases derart steuerbar und/oder regelbar ist, dass eine thermische Leistung und/oder eine mechanische
Leistung der Wärmekraftmaschine (100) zumindest näherungsweise konstant sind.
11. Wärmekraftmaschine (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (100) eine Gasturbine (104), insbesondere eine Mikrogasturbine (106), umfasst.
12. Wärmekraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 10 oder 11,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (100) und/oder die Steuervorrichtung (138) so ausgebildet und eingerichtet sind, dass mittels der Wärmekraftmaschine (100) ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchführbar ist.
13. Wärmekraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (100) eine oder mehrere Sensorvorrichtungen (144) zur Ermittlung einzelner oder mehrerer oder sämtlicher der folgenden Parameter umfasst:
eine Brennkammereintrittstemperatur;
eine Brennkammeraustrittstemperatur;
eine Turbineneintrittstemperatur;
eine Turbinenaustrittstemperatur;
eine Zulufttemperatur stromaufwärts und/oder stromabwärts des Wärmeübertragers (122);
eine Konzentration der brennbaren Bestandteile in dem als Zuluft zugeführten Gas;
eine chemische Zusammensetzung des als Zuluft zugeführten Gases.
14. Wärmekraftmaschine (100) nach einem der Ansprüche 10 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekraftmaschine (100) eine Signalkopplungsvorrichtung (146) zur informationstechnischen Kopplung der Wärmekraftmaschine (100) mit einer Anlage (130), welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, umfasst, wobei mittels der Signalkopplungsvorrichtung (146) ein Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter der Anlage (130), welche das die brennbaren Bestandteile enthaltende Gas erzeugt, zur Steuerung und/oder Regelung der Bypassführung (132) an die Wärmekraftmaschine (100) übertragbar sind.
Verwendung einer Wärmekraftmaschine (100) nach einem der
Ansprüche 10 bis 14 zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
EP17704220.7A 2016-02-10 2017-02-07 Wärmekraftmaschine und verfahren zum betreiben einer wärmekraftmaschine Withdrawn EP3414440A1 (de)

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