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

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[ DE ]

Ansprüche  



1. Verfahren zum Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem ( 1), wobei die Verbrennungskraftmaschine ein Brennkammersystem ( 8) zur exothermen Umsetzung eines steuerbaren Brennstoffmassenstroms mit einem Verbrennungsluftstroms ( 15) in einen Abgasstrom ( 16), eine Abtriebsvorrichtung zur Bereitstellung einer bei der exothermen Umsetzung entstehenden mechanischen Leistung sowie eine Abwärmevorrichtung zur Bereitstellung einer bei der exothermen Umsetzung im Abgasstrom ( 16) entstehenden thermischen Leistung an einen Wärmenutzer umfasst, wobei weiters ein mit dem Abgasstrom ( 16) beheizter Rekuperator ( 5) vorgesehen ist, welcher einen Verbrennungsluftbereich ( 13) für den Verbrennungsluftstrom ( 15), einen Abgasbereich ( 14) für den Abgasstrom ( 16) sowie mindestens eine bezüglich ihres Durchflusses steuerbare Bypassleitung ( 6, 7) aufweist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
– In einem ersten Betriebszustand wird ein in das Brennkammersystem ( 8) 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 ( 6, 7) 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 ( 6, 7), wird der in das Brennkammersystem ( 8) führende Brennstoffmassenstrom bei steigendem thermischen Leistungsbedarf vergrößert und bei sinkendem thermischen Leistungsbedarf verringert.
 
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffmassenstrom derart angepasst wird, dass die erste mechanische Leistung des ersten Betriebszustandes auch im zweiten Betriebszustand zumindest näherungsweise gleich bleibt.
 
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffmassenstrom mittels eines geschlossenen Regelkreises derart angepasst wird, dass die mechanische Leistung unabhängig vom Betriebszustand auf einen zumindest näherungsweise konstanten Wert eingeregelt wird.
 
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung ( 6) als Kaltluftbypass zur Umgehung des Verbrennungsluftbereichs ( 13) ausgelegt ist, und wobei im Falle einer Veränderung des thermischen Leistungsbedarfs die Nutztemperatur des Abgasstroms ( 16) durch Veränderung des Verbrennungsluftdurchflusses durch den Kaltluftbypass angepasst wird.
 
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung ( 7) als Abgasbypass zur Umgehung des Abgasbereichs ( 14) ausgelegt ist, und wobei im Falle einer Veränderung des thermischen Leistungsbedarfs die Nutztemperatur des Abgasstroms ( 16) durch Veränderung des Abgasdurchflusses durch den Abgasbypass angepasst wird.
 
6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl ein Kaltluftbypass als auch ein Abgasbypass vorgesehen sind, und dass eine Steuerung bzw. Regelung der mechanischen Leistung durch koordinierte und gegenseitige Anpassung des Brennstoffmassenstroms und der Durchflussmengen durch die beiden Bypassleitungen ( 6, 7) vorgenommen wird.
 
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkraftmaschine eine Mikrogasturbine ( 2) ist, dass mittels der Abwärmevorrichtung die Abwärme im Abgasstrom ( 16) der Mikrogasturbine ( 2) genutzt wird, und dass folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:
– Die Mikrogasturbine ( 2) wird zunächst im ersten Betriebszustand betrieben, bei dem durch die exothermen Umsetzung mittels des Brennkammersystems ( 8) eine Bezugstemperatur im Abgasstrom ( 16), insbesondere eine Turbinenaustrittstemperatur des Abgasstroms ( 16) in Höhe einer definierten Solltemperatur vorherrscht, und bei dem ausgangsseitig des Rekuperators ( 5) im Bereich der Abwärmevorrichtung eine Nutztemperatur des Abgasgasstroms ( 16) vorherrscht;
– Für die Herbeiführung des zweiten Betriebszustandes wird im Wesentlichen synchron zur Anpassung des Durchflusses durch die mindestens eine Bypassleitung ( 6, 7) der Brennstoffmassenstrom derart angepasst, dass einer Änderung der Bezugstemperatur gegenüber der Solltemperatur zumindest teilweise entgegengewirkt wird.
 
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffmassenstrom derart angepasst wird, dass die Bezugstemperatur zumindest näherungsweise konstant auf der Solltemperatur gehalten wird.
 
9. Kraft-Wärme-Kopplungssystem ( 1), umfassend eine mit einem steuerbaren Brennstoffmassenstrom versorgte Verbrennungskraftmaschine, einen mit der Verbrennungskraftmaschine antriebsverbundenen Kraftwandler ( 3), insbesondere Generator, 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, 7), sowie eine Steuereinheit ( 20), wobei die Steuereinheit ( 20) dazu ausgelegt ist, im Kraft-Wärme-Kopplungssystem ( 1) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
 
10. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungskraftmaschine als eine Gasturbinenvorrichtung, insbesondere als eine Mikrogasturbine ( 2) ausgeführt ist, welche ein Brennkammersystem ( 8), eine auf einer Turbinenwelle ( 19) drehfest angeordnete und durch das Brennkammersystem ( 8) befeuerte Turbine ( 18) sowie einen, vorzugsweise auf der Turbinenwelle ( 19) drehfest angeordneten Verdichter ( 17) aufweist, wobei der Verdichter ( 17) dazu vorgesehen ist, das Brennkammersystem ( 8) mit einem verdichteten Oxidationsmittelstrom, insbesondere mit einem verdichteten Verbrennungsluftstrom ( 15) zu versorgen, wobei das Brennkammersystem ( 8) mindestens eine steuerbare Brennstoffversorgung aufweist, und wobei der Rekuperator ( 5) dazu vorgesehen ist, zumindest einen Teil der thermischen Leistung eines Abgasstroms ( 16) des Brennkammersystems ( 8) auf den Oxidationsmittelstrom zu übertragen.
 
11. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bypassleitung ( 6, 7) ein über einen Aktuator antreibbares oder verstellbares Steuerelement, insbesondere ein Steuerventil ( 9, 10) oder eine Steuerklappe zur Steuerung des Gasdurchflusses aufweist, und dass eine zum 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 aufweist, wobei die Steuereinheit ( 20) mit dem Steuerelement der mindestens einen Bypassleitung ( 6, 7) und dem Steuerelement der Brennstoffleitung ( 11) wirkverbunden ist, und wobei vorzugsweise das Steuerelement der mindestens einen Bypassleitung ( 6, 7), das Steuerelement der Brennstoffleitung ( 11), die Steuereinheit ( 20) sowie insbesondere ein Temperatursensor ( 21) Teil eines geschlossenen Regelkreises zur Regelung der mechanischen Abgabeleistung der Verbrennungskraftmaschine sind.
 
12. Kraft-Wärme-Kopplungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Bypassleitungen ( 6, 7) vorgesehen sind, wobei eine Bypassleitung ( 6) als Kaltluftbypass und eine Bypassleitung ( 7) als Abgasbypass ausgeführt ist, und dass eine Steuerung bzw. Regelung der mechanischen Abgabeleistung der Verbrennungskraftmaschine durch koordinierte und gegenseitige Anpassung des Brennstoffmassenstroms und der Durchflussmengen durch die beiden Bypassleitungen ( 6, 7) mittels der Steuereinheit ( 20) vorgesehen ist.