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1. DE102013005764 - Verfahren und Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Verbrennungskraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens

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[ DE ]
Beschreibung  

[0001]  Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem sowie ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer solchen Verbrennungskraftmaschine zur Ausführung des Verfahrens.

[0002]  Für die dezentrale Versorgung beispielsweise von Unternehmen mit elektrischer, thermischer und/oder mechanischer Energie werden zunehmend Kraft-Wärme-Kopplungssysteme eingesetzt, die mit einer Verbrennungskraftmaschine insbesondere in Form einer Mikrogasturbine betrieben werden. Solche Mikrogasturbinen sind Gasturbinen der unteren Leistungsklasse, also bis etwa 500 kW Nennleistung. Kraft-Wärme-Kopplungssysteme dieser Art umfassen in bekannter Bauform neben der Verbrennungskraftmaschine selbst noch einen von der Verbrennungskraftmaschine antreibbaren Kraftwandler insbesondere in Form eines elektrischen Generators sowie eine Abwärmevorrichtung für die Nutzung der im Abgas der Verbrennungskraftmaschine enthaltenen Abwärme.

[0003]  Typischerweise basiert eine Mikrogasturbine auf einem Einwellensystem, wobei auf einer zentralen Welle der Verdichter, die Turbine und der Generator angebracht sind. Für eine gute Wirtschaftlichkeit ist ein hoher Brennstoffnutzungsgrad zwingend erforderlich. Als Maßnahme zur Steigerung des Brennstoffnutzungsgrades sind die genannten Mikrogasturbinen mit einem Rekuperator versehen. Der Rekuperator ist ein in der Regel in das System integrierter Wärmetauscher, in dem die thermische Energie des Abgases auf die verdichtete Verbrennungsluft übertragen wird. Die im Verdichter komprimierte und dadurch vorgeheizte Verbrennungsluft wird also im Rekuperator weiter aufgeheizt. In der Brennkammer wird dieser komprimierten und vorgewärmten Luft Brennstoff zugeführt und verbrannt, wodurch sich die Temperatur weiter erhöht. Durch die Entspannung des entstehenden Abgases in der Turbine wird diese Energie in mechanische Energie umgewandelt, wodurch Verdichter und Generator angetrieben werden.

[0004]  Konventionelle Mikrogasturbinen-Systeme werden derzeit auf einen Betriebspunkt optimiert, so dass im Volllastfall der elektrische Wirkungsgrad wie auch die Abgabe von thermischer Energie maximal ist. In der Praxis zeigt sich jedoch ein variierender Bedarf insbesondere an thermischer Energie, die aus dem Abgasstrom gewonnen wird. Bei herkömmlichen Mikrogasturbinen ist es jedoch nicht möglich, ausgehend vom optimierten Betriebspunkt bei gleich bleibender elektrischer Leistung die thermische Energie des Abgases, wie beispielsweise durch eine Anhebung der Temperatur, weiter zu erhöhen. Folgende Nachteile seien in diesem Zusammenhang aufgeführt:

– Das System ist für einen Betriebspunkt ausgelegt und optimiert.

– Es ist nicht möglich, bei gleicher elektrischer Leistung die thermische Leistung auf sich ändernde/gestiegene Anforderungen zu adaptieren.

– Flexibilität ist nur durch Teillast gegeben. In diesem Fall sinkt sowohl die Abgabe von elektrischer als auch thermischer Energie. In Teillast wird aber der elektrische Wirkungsgrad verkleinert und der thermische Wirkungsgrad überproportional vergrößert, während die Mikrogasturbine insgesamt nicht in ihrem optimierten Betriebspunkt arbeitet.

– Der Rekuperator sorgt sowohl beim Verbrennungsluft- als auch beim Abgasmassenstrom für einen Druckabfall, welcher sich negativ auf den elektrischen Wirkungsgrad auswirkt.

[0005]  Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Betriebsverfahren für eine Verbrennungskraftmaschine in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem anzugeben, mittels dessen bei variierendem Wärmebedarf ein verbesserter Brennstoffnutzungsgrad erzielbar ist.

[0006]  Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

[0007]  Der Erfindung liegt des Weiteren die Aufgabe zugrunde, ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Brennkraftmaschine anzugeben, welches bei variierendem Wärmebedarf einen verbesserten Brennstoffnutzungsgrad aufweist.

[0008]  Diese Aufgabe wird durch ein Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.

[0009]  Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kraft-Wärme-Kopplungssystem eine mit einem steuerbaren Brennstoffmassenstrom versorgte Verbrennungskraftmaschine, einen mit der Verbrennungskraftmaschine antriebsverbundenen Kraftwandler, insbesondere einen Generator, eine von der Verbrennungskraftmaschine gespeiste Abwärmevorrichtung insbesondere zur Beheizung eines optional vorgesehenen Wärmetauschers, einen Rekuperator mit mindestens einer hinsichtlich eines Durchflusses steuerbaren Bypassleitung sowie eine Steuereinheit umfasst. Das zugehörige erfindungsgemäße Betriebsverfahren umfasst folgende Verfahrensschritte, wobei die Steuereinheit dazu ausgelegt ist, im Kraft-Wärme-Kopplungssystem das Verfahren mit diesen Schritten auszuführen:

– In einem ersten Betriebszustand wird ein in das Brennkammersystem führender Brennstoffmassenstrom derart eingestellt, dass eine erste mechanische Leistung an der Abtriebsvorrichtung sowie eine erste thermische Leistung an der Abwärmevorrichtung bereitgestellt wird;

– Bei sich gegenüber dem ersten Betriebszustand änderndem thermischen Leistungsbedarf des Wärmenutzers wird ein zweiter Betriebszustand herbeigeführt, wozu der Durchfluss durch die mindestens eine Bypassleitung bei steigendem thermischen Leistungsbedarf vergrößert und bei sinkendem thermischen Leistungsbedarf verringert wird;

– Und/oder für die Herbeiführung des zweiten Betriebszustandes, insbesondere im Wesentlichen synchron zur Änderung des Durchflusses durch die mindestens eine Bypassleitung, wird der in das Brennkammersystem führende Brennstoffmassenstrom bei steigendem thermischen Leistungsbedarf vergrößert und bei sinkendem thermischen Leistungsbedarf verringert.

[0010]  Das erfindungsgemäße Gestaltungs- und Verfahrenskonzept ermöglicht, dass bei gleicher elektrischer Leistung eine größere thermische Leistung bei verbessertem Brennstoffnutzungsgrad zur Verfügung gestellt wird. Die Teillastfähigkeit wird ebenfalls deutlich erweitert, da bei einem geringen elektrischen bzw. mechanischen Output ein hoher thermischer Output ermöglicht wird. Diese beiden Größen waren zuvor in ihrer Abhängigkeit stärker verknüpft. Die Vielfalt möglicher Betriebszustände wird erheblich erweitert. Die Brennkraftmaschine kann noch stärker in die Prozesse integriert werden. Der Einsatz der Bypassleitungen führt zu geringeren Druckverlusten bei der Strömungsführung, wodurch eine mögliche Absenkung des elektrischen Wirkungsgrads aufgrund fehlender Rekuperation zumindest teilweise kompensiert werden kann. Transiente Vorgänge bei sich ändernden Temperaturanforderungen können mit gutem Brennstoffnutzungsgrad ausgeführt werden.

[0011]  Unter bestimmten Einsatzbedingungen kann es zweckmäßig sein, sowohl die mechanische als auch die thermische Abgabeleistung zu variieren bzw. an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Bevorzugt wird aber der Brennstoffmassenstrom derart angepasst, dass die erste mechanische Leistung des ersten Betriebszustandes auch im zweiten Betriebszustand zumindest näherungsweise gleich bleibt. Dies kommt typischen Systemanforderungen entgegen, bei denen der mechanische bzw. elektrische Leistungsbedarf zumindest näherungsweise konstant ist, während der thermische Leistungsbedarf des Wärmenutzers signifikanten Schwankungen unterliegen kann. Dies lässt sich beispielsweise durch eine einfache Steuerung bzw. Kennfeldsteuerung realisieren. Bevorzugt wird der Brennstoffmassenstrom mittels eines geschlossenen Regelkreises derart angepasst, dass die mechanische Leistung unabhängig vom Betriebszustand auf einen zumindest näherungsweise konstanten Wert eingeregelt wird. Mit geringem Aufwand kann eine hohe Genauigkeit der Leistungsregelung und der Temperaturführung im System erzielt werden.

[0012]  Die Brennkraftmaschine kann ein Kolbenmotor oder dergleichen sein und ist bevorzugt als Gasturbinenvorrichtung, insbesondere als eine Mikrogasturbine ausgeführt. Die Gasturbinenvorrichtung bzw. die Mikrogasturbine weist ein Brennkammersystem, eine auf einer Turbinenwelle angeordnete und durch das Brennkammersystem befeuerte Turbine sowie einen vorzugsweise auf der Turbinenwelle drehfest angeordneten Verdichter auf. Der Verdichter ist dazu vorgesehen und ausgestaltet, das Brennkammersystem mit einem verdichteten Oxidationsmittelstrom, insbesondere mit einem verdichteten Verbrennungsluftstrom zu versorgen. Das Brennkammersystem weist mindestens eine steuerbare Brennstoffversorgung auf. Der Rekuperator ist dazu vorgesehen und ausgestaltet, zumindest einen Teil der thermischen Leistung eines Abgasstroms des Brennkammersystems auf den Oxidationsmittelstrom zu übertragen. Hierzu sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:

– Die Mikrogasturbine wird zunächst im ersten Betriebszustand betrieben, bei dem durch die exotherme Umsetzung mittels des Brennkammersystems eine Bezugstemperatur im Abgasstrom, insbesondere eine Turbinenaustrittstemperatur des Abgasstroms in Höhe einer definierten Solltemperatur vorherrscht, und bei dem ausgangsseitig des Rekuperators im Bereich der Abwärmevorrichtung eine Nutztemperatur des Abgasgasstroms vorherrscht;

– Für die Herbeiführung des zweiten Betriebszustandes wird im Wesentlichen synchron zur Anpassung des Durchflusses durch die mindestens eine Bypassleitung der Brennstoffmassenstrom derart angepasst, dass einer Änderung der Bezugstemperatur gegenüber der Solltemperatur zumindest teilweise entgegengewirkt wird.

[0013]  Anstelle der Turbinenaustrittstemperatur kann auch eine andere Bezugstemperatur wie beispielsweise die Turbineneintrittstemperatur oder die Brennkammertemperatur gewählt werden. Unabhängig davon wird angestrebt, über die jeweilige Bezugstemperatur eine bestimmte Verbrennungstemperatur in der Brennkammer bzw. im Brennkammersystem einzustellen bzw. sie innerhalb bestimmter Grenzen zu halten. Es kann ausreichen, den Brennstoffmassenstrom nur soweit zu erhöhen, dass die Brennkammer-Temperatur infolge des Bypass-Einsatzes nicht unter einen bestimmten unteren Grenzwert absinkt. Bevorzugt wird der Brennstoffmassenstrom derart angepasst, dass die Bezugstemperatur zumindest näherungsweise konstant auf der Solltemperatur gehalten wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Brennkraftmaschine bzw. die Mikrogasturbine in ihrem Auslegungsbetriebspunkt bei optimalem Brennstoffnutzungsgrad betrieben wird.

[0014]  Es kann zweckmäßig sein, die Brennkammer-Temperatur über eine geeignete Steuerlogik von Steuerventilen und der Steuereinheit zumindest näherungsweise innerhalb einer gewünschten Toleranz zu halten. In vorteilhafter Weiterbildung weist die mindestens eine Bypassleitung ein über einen Aktuator antreibbares oder verstellbares Steuerelement, insbesondere ein Steuerventil oder eine Steuerklappe zur Steuerung des Gasdurchflusses auf, wobei eine zum Brennkammersystem führende Brennstoffleitung ein über einen Aktuator antreibbares oder verstellbares Steuerelement, insbesondere ein Steuerventil, eine Steuerklappe und/oder einen Brennstoffinjektor zur Steuerung des Brennstoffdurchflusses aufweist, wobei die Steuereinheit mit dem Steuerelement der mindestens einen Bypassleitung und dem Steuerelement der Brennstoffleitung wirkverbunden ist, und wobei vorzugsweise das Steuerelement der mindestens einen Bypassleitung, das Steuerelement der Brennstoffleitung, die Steuereinheit sowie insbesondere ein Temperatursensor Teil eines geschlossenen Regelkreises zur Regelung der mechanischen Abgabeleistung der Verbrennungskraftmaschine sind. Mit einem solchen Regelkreis lässt sich eine sehr genaue Temperaturführung erzielen, in deren Folge der Wirkungsgrad der Mikrogasturbine bzw. des Kraft-Wärme-Kopplungssystems insgesamt selbst bei variierenden, transienten Wärmeanforderungen optimal bleibt.

[0015]  In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bypassleitung als Kaltluftbypass zur Umgehung des Verbrennungsluftbereichs ausgelegt. Im Falle einer Veränderung des thermischen Leistungsbedarfs wird die Nutztemperatur des Abgasstroms durch Veränderung des Verbrennungsluftdurchflusses durch den Kaltluftbypass angepasst. Der Kaltluftbypass und dessen Ansteuerung arbeitet bei vergleichsweise geringen Temperaturen, so dass dessen thermische Belastung gering ist und die konstruktive Ausgestaltung einfach gehalten werden kann.

[0016]  In einer zweckmäßigen Alternative ist die Bypassleitung als Abgasbypass zur Umgehung des Abgasbereichs ausgelegt. Im Falle einer Veränderung des thermischen Leistungsbedarfs wird die Nutztemperatur des Abgasstroms durch Veränderung des Abgasdurchflusses durch den Abgasbypass angepasst. Die thermische Auslegung des Rekuperators erfordert Betriebssicherheit für den Fall von geschlossenen Bypassleitungen, wobei hier die Wärmebelastung des Rekuperators am höchsten ist. Ausgehend hiervon führt ein Öffnen des Abgasbypasses zu einer Temperatursenkung und damit zu einer Verringerung der Temperaturbelastung. Dies erleichtert es, die Konstruktion einfach zu halten und die Lebensdauer zu erhöhen.

[0017]  In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind sowohl ein Kaltluftbypass als auch ein Abgasbypass vorgesehen. Hierbei wird eine Steuerung bzw. Regelung der Brennkammer-Temperatur durch koordinierte und gegenseitige Anpassung des Brennstoffmassenstroms und der Durchflussmengen durch die beiden Bypassleitungen vorgenommen. Neben erweiterten Möglichkeiten zur Temperaturführung des Verbrennungsluftstromes und des Abgasstromes ergeben sich auch zusätzliche Möglichkeiten, die Temperaturbelastung einzelner Komponenten des Kraft-Wärme-Kopplungssystems zu kontrollieren bzw. gering zu halten.

[0018]  Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:

[0019]  Fig. 1 in einer schematischen Blockdarstellung ein erfindungsgemäß ausgebildetes Kraft-Wärme-Kopplungssystem mit einer Mikrogasturbine, mit einem Rekuperator und mit einer Steuereinheit, wobei ein Verbrennungsluftbereich des Rekuperators mittels einer als Kaltluftbypass ausgebildeten Bypassleitung umgehbar ist, und wobei mittels der Steuereinheit die Brennkammer-Temperatur der Mikrogasturbine bei variierendem Durchfluss durch den Kaltluftbypass nachgeführt wird,

[0020]  Fig. 2 eine Variante der Anordnung nach Fig. 1, bei der ein Abgasbereich des Rekuperators mittels einer als Abgasbypass ausgebildeten Bypassleitung umgehbar ist, und wobei mittels der Steuereinheit die Brennkammer-Temperatur der Mikrogasturbine bei variierendem Durchfluss durch den Abgasbypass nachgeführt wird,

[0021]  Fig. 3 in einer schematischen Blockdarstellung ein weiteres erfindungsgemäß ausgebildetes Kraft-Wärme-Kopplungssystem sowohl mit einem Kaltluftbypass nach Fig. 1 als auch mit einem Abgasbypass nach Fig. 2.

[0022]  Fig. 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Kraft-Wärme-Kopplungssystems 1, welches eine mit einem steuerbaren Brennstoffmassenstrom versorgte Verbrennungskraftmaschine, einen mit der Verbrennungskraftmaschine antriebsverbundenen Kraftwandler 3, eine von der Verbrennungskraftmaschine gespeiste Abwärmevorrichtung insbesondere zur Beheizung eines optional vorgesehenen Wärmetauschers 4, einen Rekuperator 5 mit mindestens einer hinsichtlich eines Durchflusses steuerbaren Bypassleitung 6 sowie eine Steuereinheit 20 umfasst. Die Brennkraftmaschine kann ein Kolbenmotor oder dergleichen sein und ist im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Gasturbinenvorrichtung, hier eine Mikrogasturbine 2. Die Nennleistung der Mikrogasturbine 2 liegt bevorzugt in einem Bereich von einschließlich 25 kW bis einschließlich 500 kW.

[0023]  Die Mikrogasturbine 2 ist als Ein-Wellen-Turbine mit einer zentralen und durchgehenden Turbinenwelle 19 ausgebildet, und umfasst ferner einen auf der Turbinenwelle 19 drehfest angeordneten Verdichter 17 für einen Oxidationsmittelstrom, hier Verbrennungsluft, ein Brennkammersystem 8 für die Verbrennung von Kraftstoff mit der verdichteten Verbrennungsluft, sowie eine auf der Turbinenwelle 19 drehfest angeordnete und durch das Brennkammersystem 8 befeuerte Turbine 18 für die Entspannung der entstehenden komprimierten und heißen Abgase bei gleichzeitiger Gewinnung von mechanischer Energie. Durch die Entspannung eines aus den Abgasen gebildeten Abgasstromes 16 in der Turbine 18 wird die Turbinenwelle 19 drehend angetrieben, die ihrerseits den an der Turbinenwelle 19 angebrachten Verdichter 17 sowie den ebenfalls daran angebrachten bzw. damit antriebsverbundenen Kraftwandler 3 antreibt. Der Kraftwandler 3 ist im gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel ein elektrischer Generator für die Gewinnung von elektrischer Energie, kann aber auch eine andere Art von Kraftmaschine beispielsweise zur Bereitstellung von mechanischer Energie oder eine Kombination von beidem sein. Mittels des optional vorgesehenen Wärmetauschers 4 wird dem Abgasstrom 16 thermische Leistung entnommen und dem Wärmenutzer zugeführt. Bei einer Ausführung der Abwärmevorrichtung ohne Wärmetauscher 4 kann der Abgasstrom 16 auch direkt beispielsweise für einen Trocknungsprozess eingesetzt werden.

[0024]  In Einzelnen ist für einen nachfolgend beschriebenen ersten Betriebszustand bzw. Ausgangs- oder Normalzustand vorgesehen, dass mittels des Verdichters 17 Verbrennungsluft aus der Umgebung angesaugt wird. Es kann zweckmäßig sein, diese angesaugte Verbrennungsluft gleichzeitig auch als Kühlluft für den Kraftwandler 3 einzusetzen. In diesem Falle erfährt die angesaugte Verbrennungsluft eine erste Vorwärmung. Die Verbrennungsluft wird im Verdichter zu einem Verbrennungsluftstrom 15 mit ca. 4 bar Druck verdichtet und dabei auf ca. 220°C vorgeheizt. Der verdichtete und vorgeheizte Verbrennungsluftstrom 15 wird durch einen Verbrennungsluftbereich 13 des Rekuperators 5 geleitet und dabei weiterhin auf ca. 600°C, ggf. bis zu 620°C aufgeheizt.

[0025]  In diesem Zustand wird der Verbrennungsluftstrom 15 durch das Brennkammersystem 8 geführt, in welches auch Brennstoff mittels einer schematisch angedeuteten Brennstoffleitung 11 eingebracht wird. Das Brennkammersystem 8 ist bevorzugt für die flammenlose Oxidation des Brennstoffes (FLOX-Verbrennung) ausgelegt, kann aber auch für eine diffusionsbasierte oder vorgemischte Oxidation ausgelegt sein. Für die bevorzugte FLOX-Verbrennung ist das hier nur schematisch angedeutete Brennkammersystem in der Praxis in eine Pilotstufe und in eine nachgeschaltete Hauptstufe aufgeteilt. Durch die Verbrennung entsteht ein komprimierter Abgasstrom 16 mit erneut erhöhter Brennkammertemperatur. Im hier beschriebenen ersten Betriebszustand oder Ausgangszustand, der auch den Auslegungsbetriebspunkt der Mikrogasturbine 2 darstellt, liegt die Brennkammertemperatur eingangsseitig der Turbine 18 in Höhe einer definierten Brennkammer-Solltemperatur von bis zu 960°C. Der erste Betriebszustand kann aber beispielsweise im Falle eines geringeren mechanischen bzw. elektrischen Energiebedarfs am Kraftwandler 3 auch ein Teillastzustand mit geringerer Brennkammer-Solltemperatur sein.

[0026]  Der Abgasstrom 16 wird in der Turbine 18 entspannt, wobei seine Temperatur auf etwa 650°C sinkt. Dieser immer noch heiße Abgasstrom 16 wird durch einen vom Verbrennungsluftbereich 13 strömungstechnisch getrennten, jedoch wärmeübertragend verbundenen Abgasbereich 14 des Rekuperators 5 geleitet. Hierbei findet ein Wärmeübergang von Abgasstrom 16 auf den Verbrennungsluftstrom 15 statt, wobei der Verbrennungsluftstrom 15 wie oben beschrieben aufgeheizt, und wobei der Abgasstrom 16 weiter auf eine Nutztemperatur von ca. 300°C abgekühlt wird.

[0027]  Nach dem Durchlaufen des Rekuperators 5 wird der Abgasstrom 16 zu der stromab positionierten Abwärmevorrichtung mit dem optionalen Wärmetauscher 4 geführt, wo eine erste thermische Leistung an der Abwärmevorrichtung bereitgestellt wird, und wo mittels der Abwärmevorrichtung je nach Bedarf die im auf Nutztemperatur abgekühlten Abgasstrom 16 noch enthaltene Abwärme abgeführt und als thermische Energie nutzbar gemacht werden kann. Gleichzeitig wird im hier beschriebenen ersten Betriebszustand eine erste mechanische Leistung an der Abtriebsvorrichtung, hier am Kraftwandler 3 bereitgestellt, im Generator in elektrische Leistung umgewandelt, und dem Nutzer zugeführt.

[0028]  Für den Fall, dass bei gleich bleibender elektromechanischer Energieabnahme am Kraftwandler 3 im Vergleich zum vorstehend beschriebenen Ausgangszustand ein veränderter Wärmebedarf am Wärmetauscher 4 eintritt, wird nach der Erfindung ein zweiter Betriebszustand herbeigeführt, wozu die Temperatur des Abgasstromes 16 im Bereich des Wärmetauschers 4 ebenfalls verändert wird. Hierzu ist mindestens eine, im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 genau eine bezüglich ihres Durchflusses steuerbare Bypassleitung 6 vorgesehen, die hier als Kaltluftbypass zur Umgehung des Verbrennungsluftbereichs 13 ausgelegt ist. Die Bypassleitung 6 ist mit einem durch einen Aktuator antreibbaren oder verstellbaren Steuerelement, insbesondere mit einem Steuerventil 9 oder einer Steuerklappe zur Steuerung des Gasdurchflusses versehen, wobei das Steuerventil 9 über eine angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch Letztere angesteuert wird. In dem nun beispielhaft herangezogenen Fall der Erhöhung des Nutzwärmebedarfs am Wärmetauscher 4 gegenüber dem oben beschriebenen ersten Betriebszustand wird die Abgastemperatur des Abgasstromes 16 durch Erhöhung des Verbrennungsluftdurchflusses durch den Kaltluftbypass erhöht. Hierzu wird das Steuerventil 9 über die Steuereinheit je nach Bedarf teilweise oder ganz geöffnet, in dessen Folge ein mehr oder weniger ausgeprägter Teilstrom des Verbrennungsluftstromes 15, bei voll geöffnetem Steuerventil 9 sogar näherungsweise der gesamte Verbrennungsluftstrom 15 nicht durch den Verbrennungsluftbereich 13 des Rekuperators 5, sondern um diesen herum geleitet wird. In der Folge wird dem Abgasstrom 16 im Rekuperator 5 nur noch eine verringerte oder gar keine Wärmemenge mehr entnommen. Im umgekehrten Fall, also bei gegenüber dem ersten Betriebszustand verringertem Nutzwärmebedarf wird die Abgastemperatur des Abgasstromes 16 durch Verringerung des Verbrennungsluftdurchflusses durch den Kaltluftbypass verringert. Je nach Öffnungsgrad des Steuerventils 9 kann also die Nutztemperatur des Abgasstromes 16 stromab des Rekuperators 5 in einem Bereich zwischen der oben schon beschriebenen ungestörten Temperatur direkt stromab des Verdichters 17 und der ebenfalls schon beschriebenen Nutztemperatur ohne Bypass-Einsatz eingestellt werden. Bei voll geöffnetem Steuerventil 9 nimmt der Rekuperator 5 die Temperatur des Abgasstromes 16 an, da hier keine Wärme mehr abgeführt wird.

[0029]  In dem durch den Rekuperator 5 führenden Verbrennungsluftkanal-Abschnitt, welcher durch die Bypassleitung 6 umgehbar ist, ist optional noch eine Steuerdrossel 22 angeordnet, die über eine schematisch angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch Letztere angesteuert wird. Bei geschlossener Bypassleitung 6 wird die Steuerdrossel 22 vollständig geöffnet gehalten, um einen ungehinderten Durchfluss des Verbrennungsluftstromes 15 durch den Rekuperator zu ermöglichen. Mit steigendem Öffnungsgrad des Steuerventils 9 bzw. mit steigendem Durchfluss durch den Kaltluftbypass kann mittels der Steuerdrossel 22 der Durchfluss des Verbrennungsluftstromes 15 durch den Verbrennungsluftbereich 13 des Rekuperators 5 gedrosselt oder sogar ganz unterbunden werden, um eine bestimmte Durchflussmenge durch den Kaltluftbypass zu erzwingen. Die Steuerdrossel 22 ist – wie hier gezeigt – bevorzugt eingangsseitig des Verbrennungsluftbereiches 13 angeordnet, kann aber auch ausgangsseitig davon positioniert sein.

[0030]  Fig. 2 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig. 1, bei der ebenfalls für die bedarfsweise Erhöhung der Temperatur des Abgasstromes 16 mindestens eine, hier genau eine bezüglich ihres Durchflusses steuerbare Bypassleitung 7 vorgesehen ist. Im Unterschied zur Bypassleitung 6 nach Fig. 1 ist die Bypassleitung 7 nach Fig. 2 als Abgasbypass zur Umgehung des Abgasbereichs 14 ausgelegt. Die Bypassleitung 7 ist mit einem durch einen Aktuator antreibbaren oder verstellbaren Steuerelement, insbesondere mit einem Steuerventil 10 oder einer Steuerklappe zur Steuerung des Gasdurchflusses versehen, wobei das Steuerventil 10 über eine angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch letztere angesteuert wird. In dem hier beispielhaft herangezogenen Fall der Erhöhung des Nutzwärmebedarfs am Wärmetauscher 4 wird die Abgastemperatur des Abgasstromes 16 durch Erhöhung des Abgasdurchflusses durch den Abgasbypass erhöht. Hierzu wird das Steuerventil 10 über die Steuereinheit je nach Bedarf teilweise oder ganz geöffnet, in dessen Folge ein mehr oder weniger ausgeprägter Teilstrom des Abgasstromes 16, bei voll geöffnetem Steuerventil 10 sogar näherungsweise der gesamte Abgasstrom 16 nicht durch den Abgasbereich 14 des Rekuperators 5, sondern um diesen herum geleitet wird. Ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wird in der Folge dem Abgasstrom 16 im Rekuperator 5 nur noch eine verringerte oder gar keine Wärmemenge mehr entnommen. Im umgekehrten Fall, also bei gegenüber dem ersten Betriebszustand verringertem Nutzwärmebedarf wird die Abgastemperatur des Abgasstromes 16 durch Verringerung des Abgasdurchflusses durch den Abgasbypass verringert. Je nach Öffnungsgrad des Steuerventils 10 kann also die Nutztemperatur des Abgasstromes 16 stromab des Rekuperators 5 in einem Bereich zwischen der oben schon beschriebenen ungestörten Temperatur direkt stromab des Verdichters 17 und der ebenfalls schon beschriebenen Nutztemperatur ohne Bypass-Einsatz eingestellt werden. Bei voll geöffnetem Steuerventil 10 nimmt der Rekuperator 5 die Temperatur des verdichteten Verbrennungsluftstromes 15 an, da hier keine Wärme mehr vom Abgasstrom 16 eingetragen wird.

[0031]  In dem durch den Rekuperator 5 führenden Abgaskanal-Abschnitt, welcher durch die Bypassleitung 7 umgehbar ist, ist optional noch eine Steuerdrossel 23 angeordnet, die über eine schematisch angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch Letztere angesteuert wird. Bei geschlossener Bypassleitung 7 wird die Steuerdrossel 23 vollständig geöffnet gehalten, um einen ungehinderten Durchfluss des Abgasstromes 16 durch den Rekuperator zu ermöglichen. Mit steigendem Öffnungsgrad des Steuerventils 10 bzw. mit steigendem Durchfluss durch den Abgasbypass kann mittels der Steuerdrossel 23 der Durchfluss des Abgasstromes 16 durch den Abgasbereich 14 des Rekuperators 5 gedrosselt oder sogar ganz unterbunden werden, um eine bestimmte Durchflussmenge durch den Abgasbypass zu erzwingen. Die Steuerdrossel 23 ist – wie hier gezeigt – bevorzugt ausgangsseitig des Abgasbereiches 14 angeordnet, kann aber auch eingangsseitig davon positioniert sein.

[0032]  Fig. 3 zeigt eine weitere Variante der Anordnungen nach den Fig. 1, Fig. 2, bei der für die bedarfsweise Erhöhung der Temperatur des Abgasstromes 16 zwei bezüglich ihres Durchflusses steuerbare Bypassleitungen 6, 7 vorgesehen sind, nämlich die als Kaltluftbypass ausgeführte Bypassleitung 6 nach Fig. 1 und zusätzlich die als Abgasbypass ausgeführte Bypassleitung nach Fig. 2. Die körperliche Ausgestaltung der Bypassleitungen 6, 7 und die Ansteuerung der Steuerventile 9, 10 bzw. der Steuerdrosseln 22, 23 ist identisch wie oben beschrieben, mit dem Unterschied, dass hier beide Bypassleitungen vorhanden und je nach Bedarf wechselseitig oder in Kombination miteinander betrieben werden. Eine Steuerung bzw. Regelung der Brennkammer-Temperatur wird durch koordinierte und gegenseitige Anpassung des Brennstoffmassenstroms und der Durchflussmengen durch die beiden Bypassleitungen 6, 7 vorgenommen. Bei voll geöffneten Steuerventilen 9, 10 nimmt der Rekuperator 5 zumindest näherungsweise die Umgebungstemperatur an, da hier weder Wärme vom Verbrennungsluftstrom 15 noch vom Abgasstrom 16 eingetragen wird.

[0033]  Neben erweiterten Möglichkeiten zur Temperaturführung des Verbrennungsluftstromes 15 und des Abgasstromes 16 ergeben sich auch zusätzliche Möglichkeiten, die Temperaturbelastung einzelner Komponenten des Kraft-Wärme-Kopplungssystems 1 zu kontrollieren bzw. gering zu halten.

[0034]  Sofern nicht ausdrücklich abweichend beschrieben oder zeichnerisch dargestellt, stimmen die Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 in den übrigen Merkmalen, Bezugszeichen, Eigenschaften und Einzelheiten der Verfahrensführung miteinander überein.

[0035]  Allerdings ist es in allen drei gezeigten Ausführungsbeispielen der Fig. 1, Fig. 2 und Fig. 3 so, dass mit mehr oder weniger steigendem Öffnungsgrad der Bypassleitung 6, 7 nicht nur die Nutztemperatur des Abgasstromes 16 steigt, sondern gleichzeitig auch die Temperatur des Verbrennungsluftstromes 15 ausgangsseitig des Rekuperators sinkt. Dies würde ohne weitere Maßnahmen zu einem Absinken der Brennkammer-Temperatur von der oben beschriebenen Brennkammer-Solltemperatur und damit zu einem Absinken der mechanischen bzw. elektrischen Abgabeleistung am Kraftwandler 3 führen. Umgekehrt würde mit sinkendem Öffnungsgrad der Bypassleitung 6, 7 ein Anstieg der Brennkammertemperatur gegenüber der oben beschriebenen Brennkammer-Solltemperatur und damit ein Anstieg der mechanischen bzw. elektrischen Abgabeleistung am Kraftwandler 3 einhergehen. Die Mikrogasturbine würde mit verringertem Brennstoffnutzungsgrad nicht mehr in ihrem optimierten Betriebspunkt entsprechend dem obigen Ausgangszustand bzw. ersten Betriebszustand arbeiten. Beide Fälle würden außerdem der gewünschten Veränderung der Nutztemperatur des Abgasstromes 16 entgegenwirken.

[0036]  Es ist deshalb nach der Erfindung für die Herbeiführung des zweiten Betriebszustandes vorgesehen, alternativ zur oder insbesondere in Kombination mit der oben beschriebenen Änderung des Durchflusses durch die mindestens eine Bypassleitung 6, 7, und bevorzugt im Wesentlichen synchron mit der Veränderung des Durchflusses durch die Bypassleitung 6 und/oder durch die Bypassleitung 7 auch den in das Brennkammersystem 8 eingeleiteten Brennstoffmassenstrom zu verändern, um einer Veränderung der mechanischen bzw. elektrischen Abgabeleistung und/oder einer Veränderung der Brennkammer-Temperatur gegenüber der Brennkammer-Solltemperatur des ersten Betriebszustandes zumindest teilweise entgegenzuwirken. Hierzu weist eine in das Brennkammersystem 8 führende Brennstoffleitung 11 ein über einen Aktuator antreibbares oder verstellbares Steuerelement, insbesondere ein Steuerventil 12, eine Steuerklappe und/oder einen Brennstoffinjektor zur Steuerung des Brennstoffdurchflusses auf, wobei das Steuerventil 12 ebenfalls über eine angedeutete Daten- und Steuerleitung mit der Steuereinheit 20 verbunden ist und durch letztere angesteuert wird. Mittels des Steuerventils 12 kann der Brennstoffmassenstrom ausgehend vom oben beschriebenen Ausgangszustand verändert werden. Bei der Verbrennung wird dann gegenüber dem ersten Betriebszustand mehr oder weniger Wärmeenergie freigesetzt, wodurch eine Abweichung der Brennkammer-Temperatur von der Brennkammer-Solltemperatur zumindest verringert wird. Bevorzugt wird der Brennstoffmassenstrom in seinem Betrag so weit verändert, dass die Brennkammertemperatur zumindest näherungsweise konstant auf der Brennkammer-Solltemperatur gehalten wird.

[0037]  Es kann ausreichen, die Brennkammertemperatur über eine geeignete Steuerlogik der Steuerventile 9, 10, 12, der optionalen Steuerdrosseln 22, 23 und der Steuereinheit 20 zumindest näherungsweise innerhalb einer gewünschten Toleranz zu halten. Bevorzugt bilden das mindestens eine Steuerventil 9, 10 der mindestens einen Bypassleitung 6, 7, das Steuerventil 12 der Brennstoffleitung 11, die Steuerdrosseln 22, 23, die Steuereinheit 20 sowie ein Temperatursensor 21 einen geschlossenen Regelkreis. Der Temperatursensor 21 ist hier beispielhaft am Ausgang der Turbine 18 zur Ermittlung der Turbinenaustrittstemperatur angeordnet, kann aber auch an anderer geeigneter Stelle wie beispielsweise am Eingang der Turbine 18 oder im Brennkammersystem 8 positioniert sein. In jedem Falle wird mittels des Temperatursensors 21 entweder direkt oder indirekt über bekannte thermodynamische Zusammenhänge die Brennkammertemperatur sowie deren Abweichung von der Brennkammer-Solltemperatur ermittelt. Mit einem solchen geschlossenen Regelkreis wird dann die Brennkammertemperatur insbesondere auf die Brennkammer-Solltemperatur eingeregelt, wodurch eine sehr genaue Temperaturführung möglich ist.

[0038]  Insgesamt gilt für das erfindungsgemäße Gestaltungs- und Verfahrenskonzept:

– Die Abgastemperaturen können frei und kontinuierlich zwischen ca. 170 und 670°C, bevorzugt zwischen 200 und 650°C eingestellt werden. Hierdurch wird der Einsatzbereich der Mikrogasturbine 2 und damit des Kraft-Wärme-Kopplungssystems 1 erheblich vergrößert.

– Das erfindungsgemäße Gestaltungs- und Verfahrenskonzept ermöglicht, dass bei gleicher elektrischer Leistung eine größere thermische Leistung bei verbessertem Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt wird.

- Die Teillastfähigkeit wird ebenfalls deutlich erweitert, da bei einem geringen elektrischen bzw. mechanischen Output ein hoher thermischer Output ermöglicht wird. Diese beiden Größen waren zuvor in ihrer Abhängigkeit stärker verknüpft.

– Die Vielfalt möglicher Betriebszustände wird erheblich erweitert. Die Mikrogasturbine 2 kann noch stärker in die Prozesse integriert werden, bzw. kann den prozessseitigen Anforderungen besser folgen.

- Der Einsatz der Bypassleitungen 6, 7 führt zu geringeren Druckverlusten bei der Strömungsführung, wodurch eine mögliche Absenkung des elektrischen Wirkungsgrads aufgrund fehlender Rekuperation zumindest teilweise kompensiert werden kann.

– Transiente Vorgänge bei sich ändernden Temperaturanforderungen können mit gutem Wirkungsgrad ausgeführt werden.