DE102010056272A1 - Waste heat utilization system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage für eine Abwärmequelle (10), bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle), wobei die Abwärmequelle (10) mit der Beheizungsvorrichtung des ORC in Verbindung steht, sowie mit einer mit einem Generator (5) gekoppelten Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, eine aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehende Abwärmenutzungsanlage im Hinblick auf Aufbau und Betriebsverhalten zu optimieren. Erfindungsgemäß wird daher die Expansionsmaschine (4) zur Dampfexpansion im ORC mittels des im motorischen Betrieb arbeitenden Generators (5) angefahren und auf eine in einer Regeleinrichtung vorgebbare Mindest-Startdrehzahl gebracht wird.The invention relates to a waste heat recovery system for a waste heat source (10), consisting of a downstream ORC (Organic Rankine Cycle), the waste heat source (10) being in connection with the heating device of the ORC, as well as with a generator (5) coupled expansion machine (4) for steam expansion in the ORC. It is the object of the invention to optimize a combined heat and power plant, a waste heat recovery system consisting of an ORC connected downstream from a waste heat source, with regard to structure and operating behavior. According to the invention, the expansion machine (4) for steam expansion in the ORC is therefore started up by means of the generator (5) operating in motor mode and brought to a minimum starting speed that can be predetermined in a control device.
Description
Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a waste heat recovery system according to the preamble of
Bei einem ORC (Organic-Rankine-Cycle) handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess nach Rankine. Dies bedeutet, dass ein Arbeitsmedium verschiedene thermodynamische Zustände durchläuft, um am Ende wieder in den flüssigen Ausgangszustand überführt zu werden. Dabei wird das Arbeitsmedium mit einer Pumpe auf ein höheres Druckniveau gebracht. Danach wird das Arbeitsmedium auf die Verdampfungstemperatur vorgewärmt und anschließend verdampft.An ORC (Organic Rankine Cycle) is a thermodynamic cycle according to Rankine. This means that a working medium passes through different thermodynamic states in order to be finally returned to the liquid initial state. The working medium is brought to a higher pressure level with a pump. Thereafter, the working medium is preheated to the evaporation temperature and then evaporated.
Es handelt sich somit um einen Dampfprozess, bei dem an Stelle von Wasser ein organisches Medium verdampft wird. Der entstandene Dampf treibt eine Expansionsmaschine an, beispielsweise eine Turbine, einen Kolben- oder Schraubenmotor, welcher wiederum mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist, um Strom zu erzeugen. Nach der Arbeitsmaschine gelangt das Prozessmedium in einen Verflüssiger und wird dort unter Wärmeabgabe zurückgekühlt. Da Wasser unter atmosphärischen Bedingungen bei 100°C verdampft, kann Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau, wie zum Beispiel Industrieabwärme oder Erdwärme, oftmals nicht zur Stromerzeugung genutzt werden. Verwendet man allerdings organische Medien mit niedrigeren Siedetemperaturen, so lässt sich Niedertemperaturdampf erzeugen.It is thus a steam process in which instead of water, an organic medium is evaporated. The resulting steam drives an expansion machine, such as a turbine, a piston or screw motor, which in turn is coupled to an electrical generator to generate power. After the working machine, the process medium enters a condenser and is cooled down there with the release of heat. Since water evaporates at 100 ° C under atmospheric conditions, heat at a low temperature level, such as industrial waste heat or geothermal heat, often can not be used to generate electricity. However, using organic media with lower boiling temperatures, low-temperature steam can be produced.
Vorteilhaft in der Anwendung sind ORC-Anlagen beispielsweise auch bei der Verwertung von Biomasse im Zusammenhang mit Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere bei relativ kleinen Leistungen, also wenn die herkömmliche Biomasse-Feuerungstechnik relativ teuer erscheint. Biomasseanlagen besitzen häufig einen Fermenter zur Biogaserzeugung, welcher in der Regel beheizt werden muss.Advantageous in the application are ORC plants, for example, in the utilization of biomass in connection with combined heat and power, especially at relatively low power, so if the conventional biomass combustion technology seems relatively expensive. Biomass plants often have a fermenter for biogas production, which usually has to be heated.
Gattungsgemäße Abwärmenutzungsanlagen sind aus dem Bereich der Kraft-Wärme-Kopplung bekannt und bestehen aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten BHKW, also einem Blockheizkraftwerk. Aus der
Weiterhin ist aus der
Blockheizkraftwerke (BHKW) als Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um dezentrale, meistens mit Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Die bei der Verbrennung über die Kühlmedien ausgetragene Wärme wird dabei möglichst vollständig zur Beheizung geeigneter Objekte genutzt.Combined heat and power plants (CHP) as plants for combined heat and power are well known. These are decentralized, usually powered by internal combustion engines power generation systems with simultaneous waste heat recovery. The discharged during the combustion of the cooling media heat is used as completely as possible for the heating of suitable objects.
Insbesondere bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit nachgeschaltetem ORC als Abwärmekraftwerk haben sich Maschinen durchgesetzt, die auf Motoren mit einem Abgasturbolader zur Aufladung basieren. Man kommt damit der Forderung nach Maschinen mit sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden nach, die sich nur mit Turboaufladung und Rückkühlung des durch die Verdichtung erhitzten Brenngasgemisches erreichen lassen. Generell ist eine Kühlung des Brenngasgemisches erforderlich, weil ansonsten die Füllung der Zylinder relativ schlecht wäre. Mit der Kühlung wird die Dichte des angesaugten Gemisches größer und es verbessert sich der Füllungsgrad. Damit steigen die Leistungsausbeute und der mechanische Wirkungsgrad des Motors.In particular, in combined heat and power plants with downstream ORC as a waste heat power plant, machines have prevailed that are based on engines with an exhaust gas turbocharger for charging. This meets the demand for machines with very high electrical efficiencies, which can only be achieved with turbocharging and recooling of the fuel gas mixture heated by the compression. Generally, a cooling of the fuel gas mixture is required because otherwise the filling of the cylinder would be relatively poor. With the cooling, the density of the sucked mixture is larger and it improves the degree of filling. This increases the power output and the mechanical efficiency of the engine.
Die Motorenhersteller schreiben für die Gemischkühlung eine Kühlwassereintrittstemperatur von nur etwa 40 bis 50°C vor, damit das Gemisch genügend abgekühlt werden kann. Da dieses Temperaturniveau relativ niedrig ist, wird die dem Brenngasgemisch entzogene Wärme bei den bisher bekannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen an die Umgebung abgegeben, beispielsweise mit einem Tischkühler.The engine manufacturers prescribe a cooling water inlet temperature of only approx. 40 to 50 ° C for the mixture cooling so that the mixture can be sufficiently cooled. Since this temperature level is relatively low, the heat extracted from the fuel gas mixture in the previously known combined heat and power plants is released to the environment, for example with a table cooler.
Bekannt ist weiterhin aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehende Abwärmenutzungsanlage im Hinblick auf Aufbau und Betriebsverhalten zu optimieren.The invention is therefore based on the object to optimize an existing from a waste heat source downstream ORC waste heat recovery system in terms of structure and performance.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This is achieved with the features of
Die Abwärmenutzungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC mittels des im motorischen Betrieb arbeitenden Generators angefahren und auf eine in einer Regeleinrichtung vorgebbare Mindest-Startdrehzahl gebracht wird. Dabei entspricht die Mindest-Startdrehzahl vorzugsweise etwa zwei Dritteln einer Mindest-Betriebsdrehzahl. Ein maßgeblicher Vorteil durch den im motorischen Betrieb arbeitenden Generator liegt in der geringen Lagebelastung in der Startphase, weil die Expansionsmaschine noch nicht mit Kältemittel beaufschlagt ist. Ansonsten könnte es eventuell in der noch kühlen Expansionsmaschine zur unerwünschten Kondensation von geringen Mengen an Kältemittel kommen. Deren Kühlung, ebenfalls durch einen Kältemittel-Teilstrom, allerdings in flüssiger Phase, arbeitet dann aber schon.The waste heat recovery system is characterized in that the expansion machine for steam expansion in ORC is approached by means of the generator operating in engine operation and brought to a presettable in a control device minimum starting speed. The minimum starting speed preferably corresponds to about two-thirds of a minimum operating speed. A significant advantage of working in motor operation generator is the low position load in the startup phase, because the expansion engine is not yet acted upon by refrigerant. Otherwise, it could possibly come in the still cool expansion machine for unwanted condensation of small amounts of refrigerant. Their cooling, also by a refrigerant partial flow, but in liquid phase, then works but already.
Erfindungsgemäß wird beim Erreichen der Mindest-Startdrehzahl das Dampfventil am Einlass der Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC geöffnet und während des weiteren Öffnens des Dampfventils erfolgt ein weiteres Hochfahren der Drehzahl, so dass der Generator vom motorischen Betrieb in den normalen Generatorbetrieb übergeht. Dies ist vorteilhaft, weil die Expansionsmaschine gleich vom Start an am Generator bzw.According to the steam valve is opened at the inlet of the expansion engine for steam expansion in ORC when reaching the minimum start speed and during further opening of the steam valve is another ramp up the speed, so that the generator passes from the engine operation in the normal generator operation. This is advantageous because the expansion machine right from the start on the generator or
anfangs an diesem als Elektromotor hängt und nicht zum Netz synchronisiert werden muss. Bei vollständig geöffnetem Dampfventil und erreichter Mindest-Betriebsdrehzahl in der Regeleinrichtung wird dann ein Prozess zur Drehzahloptimierung im Hinblick auf die aktuelle Betriebssituation freigegeben.initially attached to this as an electric motor and does not need to be synchronized to the mains. When the steam valve is fully open and the minimum operating speed in the control device is reached, a process for speed optimization is released with regard to the current operating situation.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ermittelt eine Regeleinrichtung für die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC die für einen aktuellen Betriebspunkt optimale Drehzahl. Dabei erfolgt in einem ersten Schritt, ausgehend von einer Minimaldrehzahl, ein langsames Hochregeln unter Auswertung der Generatorleistung, bis in einem zweiten Schritt bei steigender Drehzahl und bei gleichzeitig fallender Generatorleistung ein Überschreiten eines Scheitelpunktes erkannt wird. In einem dritten Schritt erfolgt eine Reduzierung der Drehzahl, und in weiteren Schritten werden die Abläufe der Schritte zwei und drei so lange wiederholt, bis sich die Drehzahl am Punkt der maximalen Generatorleistung einpendelt.In a further advantageous embodiment of the invention determines a control device for the expansion engine for steam expansion in ORC optimal for a current operating point speed. In this case, in a first step, starting from a minimum speed, a slow up-control under evaluation of the generator power, until in a second step with increasing speed and at the same time falling generator power exceeding an apex is detected. In a third step, the speed is reduced, and in further steps, the sequences of steps two and three are repeated until the speed settles at the point of maximum generator power.
Vorteilhafterweise ist die für einen aktuellen Betriebspunkt für die Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC optimale Drehzahl in einer Regeleinrichtung über ein Kennfeld vorgebbar.Advantageously, the optimum for a current operating point for the expansion engine for steam expansion in ORC speed in a control device via a map is predetermined.
So sind in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einem Kennfeld der Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine einer optimalen Drehzahl zugeordnet und zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes wird der aktuelle Ein- und/oder Ausgangsdruck an der Expansionsmaschine gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen, um damit die Drehzahl einzuregeln. Alternativ oder ergänzend dazu können in einem Kennfeld die Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine einer optimalen Drehzahl zugeordnet sein und zur Ermittlung des aktuellen Betriebszustandes wird die aktuelle Ein- und/oder Austrittstemperatur an der Expansionsmaschine gemessen, ausgewertet und in der Regeleinrichtung mit dem Kennfeld abgeglichen, um damit die Drehzahl einzuregeln.Thus, in a preferred embodiment of the invention in a map of input and / or output pressure at the expander of an optimal speed associated with the current operating condition and the current input and / or output pressure is measured on the expansion machine, evaluated and in the control device matched with the map, in order to regulate the speed. Alternatively or additionally, the inlet and / or outlet temperature at the expander can be assigned to an optimum speed in a map and for determining the current operating state, the current inlet and / or outlet temperature is measured at the expansion machine, evaluated and in the control device with the Characteristic adjusted to control the speed.
Vorzugsweise weist der mit der Expansionsmaschine zur Dampfexpansion im ORC integrierte Generator einen gekoppelten Frequenzumrichter für einen drehzahlvariablen Betrieb auf.Preferably, the generator integrated with the steam expansion expansion machine in the ORC has a coupled frequency converter for variable speed operation.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist um die Expansionsmaschine herum ein geregelter Bypass mit mindestens einem Drosselventil im ORC-Kreislauf vorgesehen. Dieser Bypass ist in der Startphase, also bei noch relativ niedriger Temperatur des Arbeitsmediums, zunächst geöffnet, so dass das Arbeitsmedium um die Expansionsmaschine herum geleitet wird, um das unerwünschte Eindringen von flüssigen Phasenresten im Arbeitsmedium in die Expansionsmaschine zu vermeiden. Sobald der ORC-Kreislauf seinen Soll-Betriebszustand erreicht hat und dies zum Beispiel über ein entsprechendes, vorgebbares Temperaturniveau oder andere Parameter detektiert wird, wird der Bypass geschlossen und ein der Expansionsmaschine vorgeschaltetes Dampfventil geöffnet.In yet another advantageous embodiment, a controlled bypass with at least one throttle valve in the ORC circuit is provided around the expansion machine. This bypass is in the start-up phase, ie at a relatively low temperature of the working medium, initially opened, so that the working medium is passed around the expansion machine to avoid the unwanted ingress of liquid phase residues in the working medium in the expansion machine. As soon as the ORC cycle has reached its desired operating state and this, for example, over a corresponding, specifiable temperature level or other parameters is detected, the bypass is closed and opened a steam engine upstream of the expansion machine.
Mit der Erfindung werden Aufbau und Betriebsverhalten einer aus einem einer Abwärmequelle nachgeschalteten ORC bestehenden Abwärmenutzungsanlage optimiert. Abwärmequellen können beispielsweise Blockheizkraftwerke, Industrieanlagen oder Kesselanlagen sein.The invention optimizes the design and operating behavior of a waste heat utilization system consisting of an ORC downstream of a waste heat source. Waste heat sources can be, for example, combined heat and power plants, industrial plants or boiler plants.
Die Startphase der Expansionsmaschine wird erfindungsgemäß ebenfalls optimiert. Gleichzeitig wird eine maximale Betriebssicherheit und Schutz vor Kältemittelkondensation erreicht, wenn der mit dem motorisch betriebenen Generator gekoppelte Hochlauf der Expansionsmaschine ohne Kältemittel stattfindet. Weil auf der Kühlungsseite der dafür eingesetzte Kältemittel-Teilstrom über die Generatoreinheit geführt wird, nimmt dieser dort die durch Verluste entstehende Wärme während des motorischen Betriebes auf.The starting phase of the expansion machine is also optimized according to the invention. At the same time maximum reliability and protection against refrigerant condensation is achieved when the coupled with the motor-driven generator run-up of the expansion machine takes place without refrigerant. Because the refrigerant partial flow used for this purpose is conducted via the generator unit on the cooling side, it absorbs the heat produced by losses during the engine operation.
Der thermische Zustand der Expansionsmaschine wird genauso überwacht, wie andere Randbedingungen. Dazu gehören als Startbedingungen beispielsweise ein Mindestdruck des Kältemittels im ORC-Kreislauf, Einschaltbedingungen für eine magnetische Lagerung eines Turbinenläufers sowie eine Überprüfung aller betriebsnotwendigen Aggregate.The thermal state of the expander is monitored as well as other constraints. These include as starting conditions, for example, a minimum pressure of the refrigerant in the ORC cycle, switch-on conditions for a magnetic bearing of a turbine rotor and a review of all operationally necessary units.
Erfindungsgemäß findet somit ein vollautomatisch und elektronischer Anfahrvorgang für die Abwärmenutzungsanlage statt. Ebenso ein automatisierter Normalbetrieb mit variablen, der aktuellen Betriebssituation angepassten Betriebsdrehzahlen sowie ein Abfahrbetrieb.Thus, according to the invention, a fully automatic and electronic starting process for the waste heat utilization system takes place. Likewise, an automated normal operation with variable, adapted to the current operating situation operating speeds and a shutdown.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur den schematischen Aufbau einer Abwärmenutzungsanlage, bestehend aus einem dieser nachgeschalteten ORC.The drawing illustrates an embodiment of the invention and shows in a single figure the schematic structure of a waste heat recovery system, consisting of one of these downstream ORC.
Die für den ORC betriebswichtigen Komponenten sind ein ORC-Kreislauf
Die beiden Wärmetauscher
Ein zweiter Heizkreislauf
Ein flüssiger Kältemittel-Teilstrom
Beim Erreichen einer Mindest-Startdrehzahl wird ein Dampfventil
Um die Expansionsmaschine
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