WO2012084242A1 - Frischdampfbestimmung einer expansionsmaschine - Google Patents

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WO2012084242A1
WO2012084242A1 PCT/EP2011/006492 EP2011006492W WO2012084242A1 WO 2012084242 A1 WO2012084242 A1 WO 2012084242A1 EP 2011006492 W EP2011006492 W EP 2011006492W WO 2012084242 A1 WO2012084242 A1 WO 2012084242A1
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steam
live steam
physical parameter
expansion machine
determined
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PCT/EP2011/006492
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Andreas Schuster
Andreas Sichert
Richard Aumann
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Orcan Energy Gmbh
Technische Universität München
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    • F05D2220/70—Application in combination with
    • F05D2220/72—Application in combination with a steam turbine

Definitions

  • the present invention relates to the control or regulation and / or monitoring of a device with an expansion machine, the live steam of a working medium is supplied, which is expanded in the expansion machine to Abdampf.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the working medium is brought to a working pressure by a feed pump, and it is supplied to it in a heat exchanger energy in the form of heat, which is provided by a combustion or a waste heat flow available.
  • the working fluid flows via a pressure tube to an ORC turbine, where it is expanded to a lower pressure.
  • the expanded working medium vapor flows through a condenser, in which a heat exchange between the vaporous working medium and a cooling medium takes place, after which the condensed working medium is returned by a feed pump to the evaporator in a cyclic process.
  • the precise monitoring and control of the expansion machine is essential for efficient operation and, depending on the working medium and thermodynamic parameters of the same, a particular challenge.
  • the determination of the physical parameters of the expander machine supplied live steam of the working medium is of particular importance.
  • the live steam parameters such as the live steam entropy and live steam enthalpy, are determined as functions of the determined temperature and / or of the determined pressure of the live steam.
  • ORC systems it may be advantageous in terms of their efficiency that at the beginning of the relaxation of the working medium in the expansion machine, this medium is in a two-phase state.
  • the enthalpy can not be determined directly from the pressure and the temperature of the partially vaporized working medium, because in the wet steam area the enthalpy of fresh enthalpy and enthalpy in addition to pressure and / or temperature also depends on the vapor content.
  • the vapor content can not be readily determined.
  • the expansion machine with a working medium in the supercritical region near the critical point in the vicinity of which the density of vapor and liquid approach asymptotically at the same temperature operated, the live steam parameters can only be determined with great inaccuracies of pressure and / or temperature the isobars are approximately horizontal at the critical point. In the vicinity of the critical point, even very small temperature changes lead to very large enthalpy and entropy changes.
  • parameters (quantities) obtained for the exhaust steam are used to determine parameters (quantities) of the live steam which are of importance for the control of the device.
  • the device may in particular comprise means for supplying the live steam to the expansion machine and the control / monitoring / monitoring may in particular comprise the control / monitoring / monitoring of the live steam to the expansion machine.
  • the device may in particular be part of a steam power plant or a steam power plant in which the working fluid is supplied after passing through an evaporator of the expansion machine, which may be in particular a turbine.
  • the apparatus may include the evaporator and feeders to the evaporator and to the expansion machine.
  • the apparatus may further comprise a condenser for liquefying the exhaust steam and a feed pump for supplying the liquefied working medium to the evaporator.
  • the control / regulation can therefore relate in total to the control / regulation of the transport of the working medium in the device, wherein in particular the mass flow rate of the working medium, for example by appropriate control of the feed pump, can be controlled / regulated.
  • the operation of the expansion machine and / or the evaporator may be controlled according to the method of the invention based on the at least one specific physical parameter of the live steam.
  • the working medium may be an organic medium which is vaporized in an evaporator as part of an Organic Rankine Cycle (ORC) process and then supplied to the expansion machine.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the process according to the invention is of particular importance for ORC plants, since here the working medium advantageously approaches the expansion machine in two phases or, in particular, in the supercritical region, but near the critical point in the vicinity of which the density of the liquid phase and of the gaseous phase of the working medium approach each other asymptotically. is supplied.
  • the isentropic efficiency of the expansion machine is determined and the determination of the at least one physical parameter of the live steam is based on the determined efficiency of the expansion machine, ie after determination (for example measurement) of parameters of the exhaust steam can, with knowledge of the specific efficiency the expansion machine on relevant control / monitoring / monitoring parameters are closed. It is thus determined from the exhaust steam state of the live steam condition. In this case, the isentropic efficiency of the expansion machine is needed. However, since this depends on the state of live steam and steam, it is necessary to proceed iteratively.
  • the method may include the step of determining the working medium pressure ratio applied to the expansion machine and the mass flow of the working medium.
  • determining the isentropic efficiency of the expansion machine is based on the determined applied pressure ratio of the working fluid and mass flow of the working fluid.
  • the isentropic efficiency may depend on the speed of the expansion machine.
  • the method may further comprise the step of determining the speed of the expander machine, and in this case determining the isentropic efficiency of the expander machine based on the determined speed of the expander machine. This is particularly advantageous when the expansion machine is a piston expansion machine, a scroll expander or a screw expander.
  • the method may include modeling the operation of the expander with the working fluid based on thermodynamic equations and empirically determined parameter quantities, and determining the efficiency of the expander based on the result of modeling the operation of the expander.
  • the at least one particular physical parameter of the live steam used for the control of the apparatus can be the temperature and / or (specific) enthalpy and / or (specific) entropy and / or the volume ratio of gaseous to liquid phase and or the density ratio of gaseous to liquid phase of the live steam.
  • particularly suitable parameters for the live steam are obtained for the control / regulation / monitoring.
  • the at least one specific physical parameter of the exhaust steam may include the temperature and / or pressure thereof.
  • the method according to the invention comprises the step of determining (for example measuring) the pressure of the live steam, which is different from the at least one physical parameter of the live steam determined on the basis of the determined at least one physical parameter of the exhaust steam, and at least determines a physical parameter of the live steam based on the determined pressure of the live steam (different from this parameter).
  • an organic working fluid may be provided as the working fluid, and the expansion engine may be operated in an Organic Rankine Cycle (ORC) electric power generation process.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the live steam of the organic working medium can be in the supercritical state or in the wet steam region.
  • all "dry media” used in conventional ORC systems such as R245fa, "wet” media, such as ethanol or “isentropic media”, such as R134a, may be used, as well as silicone-based synthetic working media, such as GL160.
  • the device may be a steam power plant, in particular an Organic Rankine Cycle steam power plant, or a component thereof
  • the ORC plant itself may, for example, be a geothermal or solar thermal plant or else have the combustion of fossil fuels as heat source.
  • the parameters of the exhaust steam can be determined by measuring at corresponding measuring points of the device.
  • the present invention provides a thermal power plant comprising: an expansion machine to which live steam of a working medium is supplied, which is expanded to exhaust steam in the expansion machine; and a controller or controller; wherein the controller or controller is adapted to determine at least one physical parameter of the exhaust steam; determine at least one physical parameter of the live steam based on the determined at least one physical parameter of the exhaust steam; and control or regulate and / or monitor the thermal power plant based on the at least one particular physical parameter of the live steam.
  • the thermal power plant may be an ORC power plant in which an organic working fluid is vaporized in a heat exchanger and then supplied to the expansion machine to be liquefied after expansion by a condenser and returned to the heat exchanger in the course of an ORC cycle by a feed pump to be fed.
  • the heat exchanger can be acted upon by a flue gas, which is produced for example by the combustion of fossil fuels.
  • FIG. 1 represents measuring points for determining physical parameters which are used to determine various physical parameters of the live steam according to an example of the method according to the invention.
  • FIG. 2 illustrates the modeling of an expansion machine for determining the efficiency thereof and, finally, live steam parameters from specific exhaust steam parameters according to an example of the method according to the invention.
  • At least one physical parameter of the exhaust steam is determined in order to determine with its help physical parameters of the live steam.
  • the pressure and the temperature of the exhaust steam are measured at measuring points, or taken as information directly from the power electronics / MSR technology.
  • a working medium is supplied in the form of live steam 1 to an expansion machine 2, for example a turbine, and the mechanical energy obtained by the expansion of the live steam of the working medium is converted into electrical energy 3 by a generator.
  • measuring points for measuring various parameters are shown in FIG.
  • the pressure of the live steam 1 at a live steam pressure measuring point 4 is measured.
  • the Abdampfdruckmessstelle 5 and the Abdampftemperatur Wegstelle 6 provide the pressure or the temperature of the expanded exhaust steam 1 'of the working fluid ready.
  • the speed of the expansion machine at the measuring point 7 is measured. From the measurement data thus obtained, the isentropic efficiency of the expansion machine and the Control or regulation, for example, the supply of live steam to the expansion machine, required physical parameters of the live steam can be determined.
  • the temperature, the enthalpy or the volume ratio of gaseous to liquid phase and / or the vapor content (quotient of the mass of the vapor fraction and the total mass) or the density ratio of gaseous to liquid phase of the live steam with the measured at the measuring points 4-7 Parameters are determined.
  • the determination of the physical parameters of the live steam in particular allows the control or regulation of the mass flow of the working medium to a heat exchanger (evaporator) such that at the end of the expansion process just saturated steam is reached.
  • FIG. 2 illustrates an example according to the invention for the semi-empirical modeling of an expansion machine, by means of which the determination of relevant physical parameters of the live steam is made possible by way of example from the determination of physical parameters of the exhaust steam.
  • the flow of the working medium through the expansion machine is divided into different types of state change thereof, which are determined by different parameters.
  • the expander can be modeled using seven parameters to be empirically determined.
  • This adiabatic pressure loss 10 is essentially determined by the inlet cross section, which is thus used as the first empirical parameter in the modeling.
  • an isobaric cooling (FD1-FD2) of the working medium takes place.
  • the working medium then undergoes an isentropic expansion in a first stage A according to the built-in volume ratio, which is to be considered as the third empirical parameter.
  • Volumetric expansion machines have a built-in volume ratio. It's going to be steam in one Chamber is included, which is expanded and ejected after opening the chamber. The volume ratio is the quotient of the volume of the steam when opening the chamber and the volume of the vapor when closing the chamber.
  • a construction-related post-expansion or recompression of the exhaust steam (-> AD2) is taken into account in a second stage B.
  • the heat transfer capacity of the exhaust steam As the fourth empirical parameter, heating or cooling of the expanded exhaust steam (AD2-AD1) then occurs either. Also contributing to the flow of working medium after expansion is a portion of the live steam after isobaric cooling (FD2), which bypasses the leakage level flow at the rh rhage rate according to a leakage cross section as the fifth empirical parameter at the expansion stage. For this leakage mass flow, the heat loss Q FD over the isothermal shell of the expansion machine according to the heat transfer capacity of the isobar cooled live steam (FD2) is taken into account as the sixth empirical parameter. Ultimately, the seventh empirical parameter is a mechanical loss moment
  • the following iterative method for determining relevant live steam parameters is useful.
  • the pressure and the tempera- Determination of the exhaust steam for example, measured. From this, the entropy of the exhaust steam can be determined.
  • live steam parameters such as the live steam temperature, the steam content of the live steam and the entropy of the same, are determined.
  • the iterated isentropic efficiency ⁇ (1 + ⁇ ) is determined using the speed, the steam content of the live steam and the temperatures and pressures of both the live steam and the exhaust steam.
  • the new values for the live steam parameters such as the live steam temperature, the steam content of the live steam and the entropy of the steam, are to be determined. Steps 3 and 4 must be iterated until a desired predetermined accuracy has been achieved for the live steam parameters to be determined.
  • the isentropic efficiency is i.a. depends on several parameters. Thus, it can be determined as a function of the rotational speed, the live steam parameter, the exhaust steam parameter but also the geometry of the expansion machine, as is familiar to the person skilled in the art.
  • the isentropic efficiency can be determined, for example, by numerical simulation, in particular fluid mechanical simulation calculations. Alternatively, it can be determined empirically by a compensation function based on measured values or semi-empirically by a parameterization of determination equations, wherein parameters are generated from measured values. These methods for determining isentropic efficiency are well known to those skilled in the art.

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung und/oder Überwachung einer Vorrichtung mit einer Expansionsmaschine (2), der Frischdampf eines Arbeitsmediums zugeführt wird, der in der Expansionsmaschine zu Abdampf expandiert wird, mit den Schritten zur Verfügung: Bestimmen zumindest eines physikalischen Parameters des Abdampfes (5, 6); Bestimmen zumindest eines physikalischen Parameters des Frischdampfes (1) auf der Grundlage des bestimmten zumindest einen physikalischen Parameters des Abdampfes; und Steuern oder Regeln und/oder Überwachen der Vorrichtung auf der Grundlage des zumindest einen bestimmten physikalischen Parameters des Frischdampfes. Ebenso wird ein Wärmekraftwerk zur Verfügung gestellt, in dem das Verfahren realisiert ist.

Description

Frischdampfbestimmung einer Expansionsmaschine
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung oder Regelung und/oder Überwachung einer Vorrichtung mit einer Expansionsmaschine, der Frischdampf eines Arbeitsmediums zugeführt wird, der in der Expansionsmaschine zu Abdampf expandiert wird.
Stand der Technik
Der Betrieb von Expansionsmaschinen, wie z.B. Dampfturbinen und mit Hilfe des Or- ganic Rankine Cycle (ORC)-Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie durch den Einsatz organischer Medien, beispielsweise organischer Medien mit niedriger Verdampfungstemperatur, die bei gleichen Temperaturen verglichen mit Wasser als Arbeitsmedium im allgemeinen höhere Verdampfungsdrücke aufweisen, ist im Stand der Technik bekannt. ORC-Anlagen stellen eine Realisierung des Clausius-Rankine- Kreisprozesses dar, in dem beispielsweise prinzipiell über adiabatische und isobare Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums elektrische Energie gewonnen wird. Über Verdampfung, Expansion und anschließende Kondensation des Arbeitsmediums wird hierbei mechanische Energie gewonnen und in elektrische Energie gewandelt. Prinzipiell wird das Arbeitsmedium durch eine Speisepumpe auf Betriebsdruck gebracht, und es wird ihm in einem Wärmeübertrager Energie in Form von Wärme, die durch eine Verbrennung oder einen Abwärmestrom zur Verfügung gestellt wird, zugeführt. Vom Verdampfer aus strömt das Arbeitsmedium über ein Druckrohr zu einer ORC- Turbine, wo es auf einen niedrigeren Druck entspannt wird. Im Anschluss strömt der entspannte Arbeitsmediumsdampf durch einen Kondensator, in dem ein Wärmeaustausch zwischen dem dampfförmigen Arbeitsmedium und einem Kühlmedium stattfindet, wonach das auskondensierte Arbeitsmedium durch eine Speisepumpe zu dem Verdampfer in einem Kreisprozess zurückgeführt wird. Die genaue Überwachung und Steuerung der Expansionsmaschine ist für den effizienten Betrieb unerlässlich und stellt, je nach Arbeitsmedium und thermodynami- schen Parametern desselben, eine besondere Herausforderung dar. Hierbei ist die Bestimmung der physikalischen Parameter des der Expansionsmaschine zugeführten Frischdampfes des Arbeitsmediums von besonderer Bedeutung. Herkömmlich werden die Frischdampfparameter, wie die Frischdampfentropie und Frischdampfenthalpie, als Funktionen der ermittelten Temperatur und/oder des ermittelten Drucks des Frischdampfs bestimmt. Bei ORC-Anlagen kann es jedoch hinsichtlich ihres Wirkungsgrads vorteilhaft sein, dass zu Beginn der Entspannung des Arbeitsmediums in der Expansionsmaschine dieses Medium in einem Zwei-Phasen-Zustand vorliegt.
Wenn das Arbeitsmedium im Wärmeübertrager nur teilweise verdampft wird, lässt sich die Enthalpie nicht direkt aus dem Druck und der Temperatur des teilweise verdampften Arbeitsmediums ermitteln, weil im Nassdampfgebiet die Frischdampfenthalpie und -entropie neben Druck und / oder Temperatur auch vom Dampfgehalt abhängig ist.
Der Dampfgehalt lässt sich jedoch nicht ohne weiteres bestimmen. Wird andererseits die Expansionsmaschine mit einem Arbeitsmedium im überkritischen Bereich nahe dem kritischen Punkt, in dessen Umgebung sich die Dichte von Dampf und Flüssigkeit bei gleicher Temperatur asymptotisch annähern, betrieben, können die Frischdampfparameter nur mit großen Ungenauigkeiten aus Druck und/oder Temperatur bestimmt werden, da die Isobaren an dem kritischen Punkt annähernd horizontal verlaufen. In der Umgebung des kritischen Punkts führen bereits sehr kleine Temperaturänderungen zu sehr großen Enthalpie- und Entropieänderungen.
Es besteht somit ein Bedarf dafür und es liegt somit der vorliegenden Erfindung als Aufgabe zugrunde, die Steuerung oder Regelung bzw. Überwachung einer Expansionsmaschine, die mit einem zweiphasigen Arbeitsmedium beaufschlagt wird, auf eine verlässliche Weise derart zu steuern oder regeln, dass die oben genannten Probleme überwunden werden können. Beschreibung der Erfindung
Die oben genannte Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Steuerung oder Regelung und/oder Überwachung einer Vorrichtung mit einer Expansionsmaschine gemäß Anspruch 1 , wobei der Expansionsmaschine der Frischdampf eines Arbeitsmediums zugeführt wird, der in der Expansionsmaschine zu Abdampf expandiert wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Bestimmen zumindest eines physikalischen Parameters des Abdampfes;
Bestimmen zumindest eines physikalischen Parameters des Frischdampfes auf der Grundlage des bestimmten zumindest einen physikalischen Parameters des Abdampfes; und
Steuern oder Regeln und/oder Überwachen der Vorrichtung auf der Grundlage des zumindest einen bestimmten physikalischen Parameters des Frischdampfes.
Es liegt eine Besonderheit der vorliegenden Erfindung darin, dass Parameter (Größen), die für den Abdampf gewonnen werden, benutzt werden, um Parameter (Größen) des Frischdampfes zu bestimmen, die für die Steuerung/Regelung oder Überwachung der Vorrichtung von Belang sind. Hierdurch werden die oben genannten Probleme der technisch nicht möglichen oder ungenauen Bestimmung der Frischdampfparameter auf Grundlage von Temperatur und Druck, besonders im Nassdampfgebiet oder bei überkritischen Dampfparametern, umgangen bzw. vermieden.
Die Vorrichtung kann insbesondere Mittel zur Zuführung des Frischdampfes zur Expansionsmaschine umfassen und die Regelung/Steuerung/Überwachung kann insbesondere die Regelung/Steuerung/Überwachung des Frischdampfes zur Expansionsmaschine umfassen. Die Vorrichtung kann insbesondere Bestandteil eines Dampfkraftwerks oder ein Dampfkraftwerk sein, in dem das Arbeitsmedium nach Passieren eines Verdampfers der Expansionsmaschine, die insbesondere eine Turbine sein kann, zugeführt wird. Beispielsweise kann das die Vorrichtung den Verdampfer sowie Zuführeinrichtungen zu dem Verdampfer und zu der Expansionsmaschine umfassen. Die Vorrichtung kann weiterhin einen Kondensator zum Verflüssigen des Abdampfes und eine Speisepumpe zum Zuführen des verflüssigten Arbeitsmediums zu dem Verdampfer umfassen. Die Steuerung/Regelung kann sich also insgesamt auf die Steuerung/Regelung des Transports des Arbeitsmediums in der Vorrichtung beziehen, wobei insbesondere die Massenstromrate des Arbeitsmediums, beispielsweise durch entsprechende Steuerung der Speisepumpe, gesteuert/geregelt werden kann. Ebenso kann der Betrieb der Expansionsmaschine und/oder des Verdampfers gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren auf der Grundlage des zumindest einen bestimmten physikalischen Parameters des Frischdampfes gesteuert/geregelt werden.
Bei dem Arbeitsmedium kann es sich insbesondere um ein organisches Medium handeln, dass im Rahmen eines Organic Rankine Cycle (ORC) - Prozesses in einem Verdampfer verdampft wird und dann der Expansionsmaschine zugeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist für ORC-Anlagen von besonderer Bedeutung, da hier das Arbeitsmedium vorteilhafterweise der Expansionsmaschine zweiphasig oder insbesondere im überkritischen Bereich, jedoch nahe dem kritischen Punkt, in dessen Umgebung sich die Dichte der flüssigen Phase und des gasförmigen Phase des Arbeitsmediums asymptotisch annähern, zugeführt wird.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der isentrope Wirkungsgrad der Expansionsmaschine bestimmt und das Bestimmen des zumindest einen physikalischen Parameters des Frischdampfes erfolgt auf der Grundlage des bestimmten Wirkungsgrad der Expansionsmaschine, d.h. nach Bestimmung (beispielsweise Messung) von Parametern des Abdampfes kann bei Kenntnis des bestimmten Wirkungsgrads der Expansionsmaschine auf für die Steuerung/Regelung/Überwachung relevante Parameter geschlossen werden. Es wird also aus dem Abdampf-Zustand der Frischdampfzustand bestimmt. Hierbei wird der isentrope Wirkungsgrad der Expansionsmaschine benötigt. Da dieser jedoch von Frischdampf- und Abdampfzustand abhängt, muss iterativ vorgegangen werden. In diesem Zusammenhang kann das Verfahren den Schritt des Bestimmens des an der Expansionsmaschine anliegenden Druckverhältnisses des Arbeitsmediums und des Massenstroms des Arbeitsmediums umfassen. In diesem Fall erfolgt das Bestimmen des isentropen Wirkungsgrads der Expansionsmaschine auf der Grundlage des bestimmten anliegenden Druckverhältnisses des Arbeitsmediums und Massenstroms des Arbeitsmediums. Je nach Ausbildung der Expansionsmaschine kann der isentro- pe Wirkungsgrad von der Drehzahl der Expansionsmaschine abhängen. Somit kann das Verfahren weiterhin den Schritt des Bestimmens der Drehzahl der Expansionsmaschine umfassen, und in diesem Fall erfolgt das Bestimmen des isentropen Wirkungsgrads der Expansionsmaschine auf der Grundlage der bestimmten Drehzahl der Expansionsmaschine. Das ist besonders vorteilhaft, wenn es sich bei der Expansionsmaschine um eine Kolbenexpansionsmaschine, einen Scrollexpander oder einen Schraubenexpander handelt.
In jedem der genannten Beispiele kann das Verfahren das Modellieren des Betriebs der Expansionsmaschine mit dem Arbeitsmedium auf der Grundlage thermodynami- scher Gleichungen und empirisch bestimmter Parametergrößen umfassen und der Wirkungsgrad der Expansionsmaschine auf der Grundlage des Ergebnisses des Modellierens des Betriebs der Expansionsmaschine bestimmt werden.
Der zumindest eine bestimmte physikalische Parameter des Frischdampfes, der für die Steuerung/Regelung/Überwachung der Vorrichtung verwendet wird, kann die Temperatur und/oder (spezifische) Enthalpie und/oder (spezifische) Entropie und/oder das Volumenverhältnis von gasförmiger zu flüssiger Phase und/oder das Dichteverhältnis von gasförmiger zu flüssiger Phase des Frischdampfs umfassen. Insbesondere kann auf den Dampfgehalt als Quotient aus Masse des Dampfanteils und Gesamtmasse und auf die Temperatur des Frischdampfes und mithilfe dieser auf die Entropie/Enthalpie desselben geschlossen werden. Somit werden für die Steuerung/Regelung/Überwachung besonders geeignete Parameter für den Frischdampf gewonnen.
Der zumindest eine bestimmte physikalische Parameter des Abdampfes kann die Temperatur und/oder den Druck desselben umfassen. Insbesondere kann der Schritt des Bestimmens der Temperatur des Frischdampfes auf der Grundlage der bestimmten Temperatur und des bestimmten Drucks des Abdampfes erfolgen.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den Schritt des Bestimmens (beispielsweise des Messens) des Drucks des Frischdampfes, der von dem zumindest einen auf der Grundlage des bestimmten zumindest einen physikalischen Parameters des Abdampfes bestimmten physikalischen Parameter des Frischdampfes verschieden ist, und es wird der zumindest eine physikalische Parameter des Frischdampfes auf der Grundlage des (von diesem Parameter verschiedenen) bestimmten Drucks des Frischdampfes bestimmt.
Wie bereits erwähnt kann ein organisches Arbeitsmedium als das Arbeitsmedium bereitgestellt werden, und es kann die Expansionsmaschine im Rahmen eines Organic Rankine Cycle (ORC)-Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie betrieben werden. Hierbei kann sich der Frischdampf des organischen Arbeitsmediums im überkritischen Zustand oder im Nassdampfbereich befinden. Als Arbeitsmedien kommen sämtliche in herkömmlichen ORC-Anlagen verwendeten „trockenen Medien", wie R245fa,„nasse" Medien, wie Ethanol oder„isentrope Medien", wie R134a, in Frage. Ebenso können synthetische Arbeitsmedien auf Silikonbasis, wie GL160, Verwendung finden. Die Vorrichtung kann ein Dampfkraftwerk, insbesondere ein Organic Rankine Cycle - Dampfkraftwerk, oder ein Bestandteil desselben sein. Die ORC-Anlage selbst kann beispielsweise eine geothermische oder solarthermische Anlage sein oder auch die Verbrennung fossiler Brennstoffe als Wärmequelle aufweisen.
In den genannten obigen Beispielen können die Parameter des Abdampfes durch Messen an entsprechenden Messstellen der Vorrichtung bestimmt werden.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung zur Lösung der oben genannten Aufgabe ein Wärmekraftwerk bereit, das umfasst: eine Expansionsmaschine, der Frischdampf eines Arbeitsmediums zugeführt wird, der in der Expansionsmaschine zu Abdampf expandiert wird; und eine Steuerung oder Regelung; wobei die Steuerung oder Regelung dazu ausgebildet ist, zumindest einen physikalischen Parameter des Abdampfes zu bestimmen; zumindest einen physikalischen Parameter des Frischdampfes auf der Grundlage des bestimmten zumindest einen physikalischen Parameters des Abdampfes zu bestimmen; und das Wärmekraftwerk auf der Grundlage des zumindest einen bestimmten physikalischen Parameters des Frischdampfes zu steuern oder regeln und/oder zu überwachen.
Sämtliche Spezifizierungen hinsichtlich des Arbeitsmediums und der Art der physikalischen Parameter sowie der Bestimmung derselben, wie sie in den obigen Beispielen für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben sind, können in Weiterbildungen des Wärmekraftwerks realisiert sein. Insbesondere kann das Wärmekraftwerk ein ORC-Kraftwerk sein, in dem ein organisches Arbeitsmedium in einem Wärmeübertrager verdampft wird und dann der Expansionsmaschine zugeführt wird, um nach der Expansion durch einen Kondensator verflüssigt zu werden und im Rahmen eines ORC-Kreislaufes durch eine Speisepumpe dem Wärmeübertrager wieder zugeführt zu werden. Der Wärmeübertrager kann hierbei durch ein Rauchgas beaufschlagt werden, das beispielsweise durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe entsteht.
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.
Figur 1 stellt Messstellen zur Bestimmung von physikalischen Parametern dar, die zur Bestimmung hiervon verschiedener physikalischer Parameter des Frischdampfes gemäß einem Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.
Figur 2 veranschaulicht die Modellierung einer Expansionsmaschine zur Bestimmung des Wirkungsgrads derselben und schließlich von Frischdampfparametern aus bestimmten Abdampfparametern gemäß einem Beispiel für das erfindungsgemäße Verfahren.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zumindest ein physikalischer Parameter des Abdampfes bestimmt, um mit seiner Hilfe physikalische Parameter des Frischdampfes zu bestimmen. Wie es in Figur 1 gezeigt ist, werden gemäß einer Ausführungsform der Druck und die Temperatur des Abdampfes an Messstellen gemessen, oder aber als Information direkt aus der Leistungselektronik / MSR-Technik entnommen. Ein Arbeitsmedium wird in Form von Frischdampf 1 einer Expansionsmaschine 2, beispielsweise einer Turbine, zugeführt, und es wird die durch die Expansion des Frischdampfes des Arbeitsmediums gewonnenen mechanischen Energie durch einen Generator in elektrische Energie 3 gewandelt.
In Figur 1 sind zudem Messstellen zur Messung verschiedener Parameter gezeigt. Zum einen wird gemäß dem gezeigten Beispiel der Druck des Frischdampfes 1 an einer Frischdampfdruckmessstelle 4 gemessen. Die Abdampfdruckmessstelle 5 und die Abdampftemperaturmessstelle 6 stellen den Druck bzw. die Temperatur des expandierten Abdampfes 1 ' des Arbeitsmediums bereit. Zudem wird die Drehzahl der Expansionsmaschine an der Messstelle 7 gemessen. Aus den derart erhaltenen Messdaten können der isentrope Wirkungsgrad der Expansionsmaschine und zur Steuerung oder Regelung, beispielsweise der Zufuhr des Frischdampfes zur Expansionsmaschine, benötigte physikalische Parameter des Frischdampfes bestimmt werden. Beispielsweise können die Temperatur, die Enthalpie oder das Volumenverhältnis von gasförmiger zu flüssiger Phase und/oder der Dampfgehalt (Quotient des Masse des Dampfanteils und der Gesamtmasse) oder auch das Dichteverhältnis von gasförmiger zu flüssiger Phase des Frischdampfs mithilfe der an den Messstellen 4 bis 7 gemessenen Parameter bestimmt werden. Die Bestimmung der physikalischen Parameter des Frischdampfes erlaubt insbesondere die Steuerung oder Regelung des Massenstroms des Arbeitsmediums zu einem Wärmeübertrager (Verdampfer) derart, dass am Ende des Expansionsprozesses gerade noch Sattdampf erreicht wird.
In Figur 2 wird ein erfindungsgemäßes Beispiel für die halb-empirische Modellierung einer Expansionsmaschine veranschaulicht, durch die die Bestimmung relevanter physikalischer Parameter des Frischdampfes ausgehend von der Bestimmung physikalischer Parameter des Abdampfes beispielhaft ermöglicht wird. Hierzu wird die Strömung des Arbeitsmediums durch die Expansionsmaschine in unterschiedliche Arten der Zustandsänderung desselben, die durch unterschiedliche Parameter bestimmt sind, unterteilt.
In dem gezeigten Beispiel kann die Expansionsmaschine mithilfe von sieben empirisch zu bestimmenden Parametern modelliert werden.
Zunächst erfolgt ein adiabatischer Druckverlust 10 des Frischdampfes (FD -»· FD1) des Arbeitsmediums, das mit der Massenrate rhFD geliefert wird, am Einlass der Expansionsmaschine. Dieser adiabatische Druckverlust 10 ist wesentlich durch den Einlassquerschnitt bestimmt, der somit als erster empirischer Parameter bei der Modellierung Verwendung findet. Gemäß der Wärmeübertragungskapazität des Frischdampfes als zweiten empirischen Parameter erfolgt eine isobare Abkühlung (FD1—► FD2) des Arbeitsmediums. Das Arbeitsmedium erfährt dann 20 in einer ersten Stufe A eine isentrope Expansion gemäß dem eingebauten Volumenverhältnis, das als dritter empirischer Parameter zu berücksichtigen ist. Volumetrische arbeitende Expansionsmaschinen besitzen ein sog. eingebautes Volumenverhältnis. Es wird Dampf in einer Kammer eingeschlossen, der expandiert wird und nach dem öffnen der Kammer ausgeschoben wird. Das Volumenverhältnis ist der Quotient aus dem Volumen des Dampfes beim Öffnen der Kammer und dem Volumen des Dampfes beim Schließen der Kammer.
Eine konstruktionsbedingte Nachexpansion oder Rückkompression des Abdampfes (—> AD2) wird in einer zweiten Stufe B berücksichtigt.
Gemäß der Wärmeübertragungskapazität des Abdampfes als vierten empirischen Parameter kommt es sodann entweder zu einer Erwärmung oder Abkühlung des expandierten Abdampfes (AD2—► AD1). Zu dem Strom des Arbeitsmediums nach der Expansion trägt auch ein Anteil des Frischdampfes nach der isobaren Abkühlung (FD2) bei, der als Leckagemassenstrom mit der Rate rhLekage gemäß einem Leckagequerschnitt als fünften empirischen Parameter an der Expansionsstufe vorbeiströmt. Für diesen Leckagemassenstrom ist der Wärmeverlust QFD über die isotherme Hülle der Expansionsmaschine gemäß der Wärmeübertragungskapazität des isobar abgekühlten Frischdampfes (FD2) als sechsten empirischen Parameter zu berücksichtigen. Letztlich findet als siebter empirischer Parameter ein mechanisches Verlustmoment
Wmech der Expansionsmaschine Berücksichtigung. Das Arbeitsmedium verlässt schließlich als Abdampf AD die Expansionsmaschine.
Zur Ermittlung der empirischen Parameter werden in relevanten Betriebsbereichen Messwerte aufgenommen. Sodann kann für unterschiedliche Drehzahlen aus dem Frischdampfdruck und den Abdampfpara meiern, wie sie beispielsweise gemäß Figur 1 ermittelt werden, der isentrope Wirkungsgrad der Expansionsmaschine auf der Grundlage thermodynamischer Modellgleichungen, die dem Fachmann wohlvertraut sind, bestimmt werden. Mithilfe des bestimmten Wirkungsgrads kann dann auf die relevanten Frischdampfparameter, wie Entropie und Enthalpie oder auch Temperatur, geschlossen werden.
Im Einzelnen bietet sich das folgende iterative Verfahren zur Bestimmung relevanter Frischdampfparameter an. In einem ersten Schritt werden der Druck und die Tempe- ratur des Abdampfes bestimmt, beispielsweise gemessen. Hieraus lässt sich die Entropie des Abdampfes bestimmen. In einem zweiten Schritt werden mithilfe eines Anfangswerts für den isentropen Wirkungsgrad η(1) Frischdampfparameter, wie die Frischdampftemperatur, der Dampfgehalt des Frischdampfes und die Entropie desselben, bestimmt. In einem dritten Schritt wird unter Verwendung der Drehzahl, des Dampfgehalts des Frischdampfes sowie der Temperaturen und Drücke sowohl des Frischdampfes als auch des Abdampfes der iterierte isentropen Wirkungsgrad η(1 +η) bestimmt. Im vierten Schritt sind mithilfe des iterierten isentropen Wirkungsgrads η(1 +η) nunmehr die neue Werte für die Frischdampfparameter, wie die Frischdampftemperatur, der Dampfgehalt des Frischdampfes und die Entropie desselben, zu bestimmen. Die Schritte 3 und 4 sind solange zu iterieren, bis eine gewünschte vorbestimmte Genauigkeit für die zu bestimmenden Frischdampfparameter erreicht worden ist.
Der isentrope Wirkungsgrad ist i.a. von mehreren Parametern abhängig. So kann er als Funktion der Drehzahl, der Frischdampfparameter, der Abdampfparameter aber auch der Geometrie der Expansionsmaschine, wie es dem Fachmann geläufig ist, bestimmt werden. Der isentrope Wirkungsgrad kann beispielsweise durch numerische Simulation, insbesondere strömungsmechanische Simulationsrechnungen, bestimmt werden. Alternativ kann er empirisch durch eine Ausgleichsfunktion basierend auf Messwerten oder halb-empirisch durch eine Parametrisierung von Bestimmungsgleichungen, wobei Parameter aus Messwerten generiert werden, bestimmt werden. Diese Verfahren zur Bestimmung des isentropen Wirkungsgrads sind dem Fachmann wohl bekannt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Steuerung oder Regelung und/oder Überwachung einer Vorrichtung mit einer Expansionsmaschine, wobei der Expansionsmaschine Frischdampf eines Arbeitsmediums zugeführt wird, der in der Expansionsmaschine zu Abdampf expandiert wird, mit den Schritten
Bestimmen zumindest eines physikalischen Parameters des Abdampfes;
Bestimmen zumindest eines physikalischen Parameters des Frischdampfes auf der Grundlage des bestimmten zumindest einen physikalischen Parameters des Abdampfes; und
Steuern oder Regeln und/oder Überwachen der Vorrichtung auf der Grundlage des zumindest einen bestimmten physikalischen Parameters des Frischdampfes.
2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 , weiterhin den Schritt des Bestimmens des isentropen Wirkungsgrads der Expansionsmaschine umfassend, und in dem das Bestimmen des zumindest einen physikalischen Parameters des Frischdampfes auf der Grundlage des bestimmten Wirkungsgrads der Expansionsmaschine erfolgt.
3. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, weiterhin den Schritt des Bestimmens des an der Expansionsmaschine anliegenden Druckverhältnisses des Arbeitsmediums und des Massenstroms des Arbeitsmediums umfassend, und in dem das Bestimmen des isentropen Wirkungsgrads der Expansionsmaschine auf der Grundlage des bestimmten anliegenden Druckverhältnisses des Arbeitsmediums und Massenstroms des Arbeitsmediums erfolgt.
4. Das Verfahren gemäß Anspruch 2, in dem die Expansionsmaschine eine Verdrängermaschine, insbesondere eine Kolbenexpansionsmaschine, ein Scroll-Expander oder ein Schraubenexpander, ist, und weiterhin den Schritt des Bestimmens der Drehzahl der Expansionsmaschine umfassend, und in dem das Bestimmen des isentropen Wirkungsgrads der Expansionsmaschine auf der Grundlage der bestimmten Drehzahl der Expansionsmaschine erfolgt.
5. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, den Schritt des Modellierens des Betriebs der Expansionsmaschine mit dem Arbeitsmedium auf der Grundlage thermodynamischer Gleichungen und empirisch bestimmter Parametergrößen umfassend, und in dem der Wirkungsgrad der Expansionsmaschine auf der Grundlage des Ergebnisses des Modellierens des Betriebs der Expansionsmaschine erfolgt.
6. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der zumindest eine bestimmte physikalische Parameter des Abdampfes die Temperatur und/oder den Druck des Abdampfes umfasst.
7. Das Verfahren gemäß Anspruch 6, den Schritt des Bestimmens der Temperatur des Frischdampfes auf der Grundlage der bestimmten Temperatur und des bestimmten Drucks des Abdampfes umfassend.
8. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiterhin den Schritt des Bestimmens des Drucks des Frischdampfes umfasst, der von dem zumindest einen auf der Grundlage des bestimmten zumindest einen physikalischen Parameters des Abdampfes bestimmten physikalischen Parameter des Frischdampfes verschieden ist, und in dem der zumindest eine physikalische Parameter des Frischdampfes auf der Grundlage des bestimmten Drucks des Frischdampfes erfolgt.
9. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem der zumindest eine bestimmte physikalische Parameter des Frischdampfes die Temperatur und/oder Enthalpie und/oder Entropie und/oder das Volumenverhältnis von gasförmiger zu flüssiger Phase und/oder der Dampfgehalt und/oder das Dichteverhältnis von gasförmiger zu flüssiger Phase des Frischdampfs um- fasst.
10. Das Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem ein organisches Arbeitsmedium als das Arbeitsmedium bereitgestellt wird und die Expansionsmaschine im Rahmen eines Organic Rankine Cycle - Verfahrens zur Erzeugung elektrischer Energie betrieben wird.
11. Das Verfahren gemäß Anspruch 10, in dem sich der Frischdampf des organischen Arbeitsmediums im überkritischen Zustand oder im Nassdampfbereich befindet.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem die Vorrichtung ein Dampfkraftwerk, insbesondere ein Organic Rankine Cycle - Dampfkraftwerk, oder ein Bestandteil desselben ist.
13. Wärmekraftwerk, umfassend eine Expansionsmaschine, der Frischdampf eines Arbeitsmediums zugeführt wird, der in der Expansionsmaschine zu Abdampf expandiert wird; und eine Steuerung oder Regelung; wobei die Steuerung oder Regelung dazu ausgebildet ist, zumindest einen physikalischen Parameter des Abdampfes zu bestimmen; zumindest einen physikalischen Parameter des Frischdampfes auf der Grundlage des bestimmten zumindest einen physikalischen Parameters des Abdampfes zu bestimmen; und das Wärmekraftwerk auf der Grundlage des zumindest einen bestimmten physikalischen Parameters des Frischdampfes zu steuern oder regeln und/oder zu überwachen.
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