DE19610915A1 - District heating power station for operating in existing electric power network - Google Patents

Abstract

The power station (1) consists of a heat engine (2), a generator (3) equipment for utilising the waste heat (14), with the generator driven as a motor to start up the heat engine. The generator can be a three-phase asynchronous machine which is connected to the three-phase supply to act as a motor driving the heat engine until it overhauls and drives the generator. The power station can be equipped with a water container as a buffer store and with a ripple control receiver. This enables a supply undertaking to notify power requirements to several decentralised power stations to enable them to be started up if the heat stored is not sufficient to meet anticipated demand and to shut them down again when the heat requirements are met.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung bezieht sich auf ein Blockheizkraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a combined heat and power plant according to the preamble of claim 1.

Üblicherweise enthalten Blockheizkraftwerke im wesentlichen eine Wärmekraftmaschine, einen Generator und eine Einrichtung zum Nutzen der Abwärme des Abgases und der Wärmekraftmaschine. Damit solche Anlagen gestartet werden können, müssen sie mit einem Anlasser mit der entsprechenden Steuerung und Energieversorgung und mit einer Schaltkupplung ausgestattet werden. Weiterhin sind solche Anlagen so ausgestattet, daß sie wie Notstromaggregate auch ohne Koppelung an ein bestehendes Elektroversorgungsnetz betrieben werden können. Diese Ausführung bedingt aber einen aufwendigen Generator mit eigener Erregung und führt dazu, daß sich ein Parallelbetrieb, also Einspeisen des elektrischen Stroms in ein bestehendes Elektroversorgungsnetz nur mit hohem Aufwand realisieren läßt.Cogeneration plants usually contain essentially one heat engine, oneGenerator and a device for utilizing the waste heat of the exhaust gas andHeat engine. So that such systems can be started, they must be started with aStarter with the appropriate control and power supply and with a clutchbe equipped. Furthermore, such systems are equipped so that they likeEmergency generators can also be operated without coupling to an existing electrical supply networkcan be. However, this version requires a complex generator with its ownExcitation and leads to the fact that a parallel operation, ie feeding the electrical current inan existing electrical supply network can only be implemented with great effort.

Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Blockheizkraftwerk der eingangs erwähnten Art vorzuschlagen, das sich durch einen einfachen Aufbau und durch eine einfache Betriebsweise auszeichnet.The aim of the invention is to avoid these disadvantages and a cogeneration unit at the beginningto propose the kind mentioned, which is a simple structure and a simpleOperating mode.

Erfindungsgemäß wird dies bei einem Blockheizkraftwerk der eingangs näher bezeichneten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erreicht. Durch die Verwendung des Generators als Motor zum Starten der Wärmekraftmaschine kann auf einen Anlasser einschließlich Ansteuerung und Energieversorgung verzichtet werden.According to the invention this is in a combined heat and power plant of the type described in the introductionachieved by the characterizing features of claim 1. By using theGenerator as a motor for starting the heat engine can be started on a starterincluding control and power supply.

In den Merkmalen des Anspruchs 2 wird die Verwendung einer Drehstromasynchronmaschine als Generator und Starter und die Anbindung an das Elektroversorgungsnetz beschrieben.In the features of claim 2, the use of a three-phase asynchronous machine asGenerator and starter and the connection to the electrical supply network described.

Die Merkmale des Anspruchs 3 beschreiben die zentrale Ansteuerung mehrerer Blockheizkraftwerke bei Lastspitzen durch ein Elektroversorgungsunternehmen.The features of claim 3 describe the central control of severalBlock heat and power plants at peak loads by an electrical supply company.

Die Merkmale der Ansprüche 4 bis 11 zeigen weitere mögliche erfindungsgemäße Anordnungen auf.The features of claims 4 to 11 show further possible inventiveOrders on.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:The invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. Show:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Anordnung,Fig. 1 shows schematically an arrangement according to the invention,

Fig. 2 die Einbindung der Brennkammerkühlung in den Heizwasserkreislauf,Fig. 2 shows the integration of the combustion chamber cooling in the heating water circuit,

Fig. 3 die Ankopplung der Brennkammerkühlung an den Heizwasserkreislauf über einen WärmetauscherFig. 3 shows the coupling of the combustion chamber cooling to the heating water circuit via a heat exchanger

Fig. 4 und 5 eine Anordnung zur Anlaßstrombegrenzung,FIGS. 4 and 5 an arrangement for starting current limitation,

Fig. 6 eine Anordnung zur Blindstromkompensation.Fig. 6 shows an arrangement for reactive current compensation.

Gleiche Bezugszeichen bedeuten in allen Figuren gleiche Einzelheiten.The same reference numerals mean the same details in all figures.

Das Blockheizkraftwerk1 nachFig. 1 besteht aus einer beispielsweise als Dieselmotor ausgebildeten Wärmekraftmaschine2 und einem Generator3, die mit einer nicht schaltbaren Kupplung4 verbunden sind. Die Wärmekraftmaschine2 beinhaltet im wesentlichen Kurbelgehäuse5, Zylinder6 und Kolben7, wobei der Zylinder6 als wassergekühlter Brennraum8 ausgebildet ist. Die Abwärme des Brennraumes8 der Wärmekraftmaschine2 und die Abwärme des Abgases9 wird über entsprechende Wärmetauscheinrichtungen abgenommen und zur Erwärmung von Heizwasser10 genutzt. Zum Starten der Wärmekraftmaschine2 dient der Generator3, der in diesem Fall als Motor betrieben wird und dafür elektrische Energie aus dem Elektroversorgungsnetz11 entnimmt.The block-type thermal power station1 according toFIG. 1 consists of a heat engine2, for example a diesel engine, and a generator3 , which are connected to a non-switchable clutch4 . The heat engine2 essentially contains the crankcase5 , the cylinder6 and the piston7 , the cylinder6 being designed as a water-cooled combustion chamber8 . The waste heat from the combustion chamber8 of the heat engine2 and the waste heat from the exhaust gas9 are removed via corresponding heat exchange devices and used for heating heating water10 . The generator3 , which in this case is operated as a motor and takes electrical energy from the electrical supply network11 for this purpose, is used to start the heat engine2 .

Die Abgasanlage12 des Blockheizkraftwerkes1 ist wie folgt aufgebaut. Das aus der Wärmekraftmaschine2 ausströmende Abgas9 wird als erstes in einen Auspufftopf13 geleitet, der einen Rußfilter oder einen Abgaskatalysator enthalten kann. Dann strömt es weiter in einen Wärmetauscher14, wo es durch das von einer Pumpe15 geförderte Heizwasser10 abgekühlt wird, bis der im Abgas9 enthaltene Wasserdampf kondensiert und über eine Kondensatabführeinrichtung16 abgeleitet wird. Schließlich wird das Abgas9 in einem weiteren Wärmetauscher17 wieder soweit erwärmt, daß es ohne Kondensationsgefahr weitergeleitet werden kann. Dabei können die beiden Wärmetauscher14 und17 auch in einem Gehäuse untergebracht sein.The exhaust system12 of the cogeneration unit1 is constructed as follows. The exhaust gas9 flowing out of the heat engine2 is first led into a muffler13 , which may contain a soot filter or an exhaust gas catalytic converter. Then it flows further into a heat exchanger14 , where it is cooled by the heating water10 conveyed by a pump15 until the water vapor contained in the exhaust gas9 condenses and is discharged via a condensate discharge device16 . Finally, the exhaust gas9 is heated again in a further heat exchanger17 to such an extent that it can be passed on without the risk of condensation. The two heat exchangers14 and17 can also be accommodated in one housing.

Damit auch bei niedrigen Temperaturen des Heizwassers10 eine für schadstoffarme Verbrennung optimale Brennraumtemperatur der Wärmekraftmaschine2 erreicht werden kann, wird wie inFig. 2 gezeigt vorgeschlagen, einen thermisch gesteuerten Bypass19 parallel zum wassergekühlten Brennraum8 zu schalten. Eine weitere Möglichkeit, für schadstoffarme Verbrennung optimale Brennraumtemperaturen zu erhalten, ist wie inFig. 3 gezeigt die Abkopplung des Brennraumkreislaufs20 vom Wasserkreislauf18 der Gesamtanlage. Hier kann im Brennraumkühlkreislauf20 ein beliebiges Kühlmedium eingesetzt werden. Die Wärme wird dann mit einem Wärmetauscher21 übertragen, wobei der Brennraumkühlkreislauf20 durch thermische Strömung in Gang kommt, wenn der Wärmetauscher21 oberhalb des Brennraumes8 angeordnet ist.So that a combustion chamber temperature of the heat engine2 that is optimal for low-pollutant combustion can be achieved even at low temperatures of the heating water10 , it is proposed, as shown inFIG. 2, to connect a thermally controlled bypass19 in parallel to the water-cooled combustion chamber8 . A further possibility of obtaining optimal combustion chamber temperatures for low-pollutant combustion is, as shown inFIG. 3, the decoupling of the combustion chamber circuit20 from the water circuit18 of the overall system. Any cooling medium can be used here in the combustion chamber cooling circuit20 . The heat is then transferred using a heat exchanger21 , the combustion chamber cooling circuit20 being set in motion by thermal flow when the heat exchanger21 is arranged above the combustion chamber8 .

Eine besonders einfache erfindungsgemäße Ausführung ergibt sich, wenn als Generator3 ein Drehstromasynchronmotor3′ eingesetzt wird. Zum Starten der Wärmekraftmaschine2 wird der Drehstromasynchronmotor3′ über eine Schafteinrichtung22 an das Elektroversorgungsnetz11 geschaltet. Läuft nun die Wärmekraftmaschine2, treibt sie ihrerseits den Drehstromasynchronmotor3′ an bis in den übersynchronen Bereich, wo er dann als Generator arbeitet und elektrische Energie in das Elektroversorgungsnetz11 einspeist. Für den Übergang vom Motorbetrieb zum Generatorbetrieb ist keine Umschaltung erforderlich.A particularly simple embodiment of the invention is obtained when a three phase asynchronous motor is used3 'as a generator.3 To start the heat engine2 , the three-phase asynchronous motor3 'is connected to the electrical supply network11 via a shaft device22 . Now runs the heat engine2 , it in turn drives the three-phase asynchronous motor3 'to in the oversynchronous area, where it then works as a generator and feeds electrical energy into the electrical supply network11 . No changeover is required for the transition from engine operation to generator operation.

Um die Leistungsaufnahme des Drehstromasynchronmotors3′ beim Anlassen zu verringern, kann wie inFig. 4 und 5 gezeigt, die Ständerwicklung23 im Stern24 geschaltet sein und erst nach dem Übergang in den Generatorbetrieb in Dreieck25 umgeschaltet werden.In order to reduce the power consumption of the three-phase asynchronous motor3 'when starting, as shown inFIGS. 4 and 5, the stator winding23 can be switched in the star24 and can only be switched to the triangle25 after the transition to generator operation.

Der zur Erregung des Drehstromasynchronmotors3′ nötige Blindstrom wird entweder aus dem Elektroversorgungsnetz11 entnommen oder wie inFig. 6 gezeigt durch parallel zur Ständerwicklung23 geschaltete Kondensatoren26 geliefert. Eine weitere Möglichkeit zur Blindstromkompensation ist der Einsatz eines Drehstromsynchronmotors statt des Asynchronmotors3′.The reactive current required to excite the three-phase asynchronous motor3 'is either taken from the electrical supply network11 or, as shown inFIG. 6, is supplied by capacitors26 connected in parallel with the stator winding23 . Another possibility for reactive current compensation is the use of a three-phase synchronous motor instead of the asynchronous motor3 '.

Um die Abwärme des Drehstrommotors dem Wasserkreislauf zuzuführen, kann ein Drehstrommotor mit Wasserkühlung eingesetzt werden.To supply the waste heat from the three-phase motor to the water circuit, aThree-phase motor with water cooling can be used.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß ein ein Elektroversorgungsunternehmen bei Lastspitzen im Elektroversorgungsnetz11 mehrere dezentral aufgestellte erfindungsgemäße Blockheizkraftwerke1, die mit einem Warmwasserbehälter als Pufferspeicher27 und mit Rundsteuerempfänger28 ausgerüstet sind, in Betrieb nehmen kann. Dazu meldet das Elektroversorgungsunternehmen den Bedarf an elektrischer Energie zentral über Schaltimpulse im Elektroversorgungsnetz11 und Rundsteuerempfänger28 an die einzelnen Blockheizkraftwerke1. Ist bei den einzelnen Blockheizkraftwerken1 Wärmebedarf zu erwarten, zum Beispiel ist der Pufferspeicher27 nicht voll geladen, so gehen die Blockheizkraftwerke1 in Betrieb. Die bei der Elektroenergiegewinnung anfallende Wärme wird dann bis zur Entnahme in den Pufferspeicher27 gespeichert. Bei Sättigung des Wärmebedarfs schalten sich die einzelnen Blockheizkraftwerke1 wieder ab.It is further proposed that an electrical supply company at peak loads in the electrical supply network11 can put several decentralized combined heat and power plants1 according to the invention, which are equipped with a hot water tank as a buffer storage27 and with ripple control receiver28 , into operation. For this purpose, the electrical supply company reports the need for electrical energy centrally to the individual combined heat and power plants1 via switching impulses in the electrical supply network11 and ripple control receiver28 . If a heat requirement is to be expected in the individual cogeneration plants1 , for example the buffer store27 is not fully charged, the cogeneration plants1 go into operation. The heat generated during the generation of electrical energy is then stored in the buffer store27 until it is removed. When the heat demand is saturated, the individual combined heat and power plants1 switch off again.

BezugszeichenlisteReference list

1 Blockheizkraftwerk
2 Wärmekraftmaschine
3 Generator
3′ Drehstromasynchronmotor
4 Kupplung
3 Kurbelgehäuse
6 Zylinder
7 Kolben
8 Brennraum
9 Abgas
10 Heizwasser
11 Elektroversorgungsnetz
12 Abgasanlage
13 Auspufftopf
14 Wärmetauscher
15 Pumpe
16 Kondensatabführeinrichtung
17 Wärmetauscher
18 Wasserkreislauf
19 thermisch gesteuerter Bypass
20 Brennraumkühlkreislauf
21 Wärmetauscher
22 Schalteinrichtung
23 Ständerwicklung
24 Sternschaltung
25 Dreieckschaltung
26 Kondensator
27 Pufferspeicher
28 Rundsteuerempfänger.1 combined heat and power plant
2 heat engine
3 generator
3 ′ three-phase asynchronous motor
4 clutch
3 crankcase
6 cylinders
7 pistons
8 combustion chamber
9 exhaust gas
10 heating water
11 electrical supply network
12 exhaust system
13 muffler
14 heat exchangers
15 pump
16 condensate discharge device
17 heat exchangers
18 water cycle
19 thermally controlled bypass
20 combustion chamber cooling circuit
21 heat exchangers
22 switching device
23 stator winding
24 star connection
25 delta connection
26 capacitor
27 buffer memory
28 ripple control receivers.

Claims (11)

Translated fromGerman

1. Blockheizkraftwerk, im wesentlichen enthaltend eine Wärmekraftmaschine, einen Generator und eine Einrichtung zum Nutzen der Abwärme,dadurch gekennzeichnet, daß zum Starten der Anlage der Generator als Motor betrieben wird.1. Combined heat and power plant, essentially containing a heat engine, a generator and a device for utilizing the waste heat,characterized in that the generator is operated as a motor to start the system.2. Blockheizkraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Generator als Drehstromasynchronmaschine ausgebildet ist, wobei zum Anlassen der Wärmekraftmaschine die Drehstrommaschine an ein Drehstromnetz geschaltet wird, im Motorbetrieb läuft und so die Wärmekraftmaschine antreibt, bis die Wärmekraftmaschine die Drehstrommaschine überholt und ihrerseits antreibt, bis diese übersynchron im Generatorbetrieb läuft.2. Combined heat and power plant according to claim 1, characterized in that the generator asThree-phase asynchronous machine is formed, wherein for starting theHeat engine the three-phase machine is connected to a three-phase network, inEngine operation runs and so drives the heat engine until theHeat engine overhauls the three-phase machine and in turn drives it until itruns oversynchronously in generator mode.3. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blockheizkraftwerk mit einem als Pufferspeicher dienenden Wasserbehälter und mit einem Rundsteuerempfanger ausgerüstet ist, so das ein Elektroversorgungsunternehmen zentral über Schaftimpulse im Elektroversorgungsnetz und über Rundsteuerempfänger den Bedarf an elektrischer Energie an mehrere dezentral aufgestellte Blockheizkraftwerke melden kann und so die Blockheizkraftwerke in Betrieb nehmen kann, bei denen Wärmebedarf zu erwarten ist, erkennbar an nicht voll geladenen Pufferspeichern, und daß sich die einzelnen Blockheizkraftwerke bei Sättigung des Wärmebedarfs wieder abschalten.3. Combined heat and power plant according to one of claims 1 and 2, characterized in thatthe combined heat and power plant with a water tank serving as a buffer storage and witha ripple control receiver is equipped, according to an electrical supply companycentrally via shaft impulses in the electrical supply network and via ripple control receiversthe need for electrical energy to several decentralizedCan report combined heat and power plants and thus put the combined heat and power plants into operationcan, where heat is expected, recognizable by not fully chargedBuffer storage, and that the individual combined heat and power plants when theSwitch off the heat requirement again.4. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anlassen zur Reduzierung der Leistungsaufnahme der Drehstrommaschine die Ständerwicklung im Stern geschaltet wird und daß beim Übergang in den Generatorbetrieb die Ständerwicklung in Dreieck umgeschaltet wird.4. Combined heat and power plant according to one of claims 1 to 3, characterized in thatwhen starting to reduce the power consumption of the three-phase machineStator winding is switched in a star and that when transitioning toGenerator operation the stator winding is switched into a triangle.5. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Ständerwicklung der Drehstrommaschine Kondensatoren geschaltet sind, die den benötigten Erregerstrom als Blindstrom liefern.5. Combined heat and power plant according to one of claims 1 to 4, characterized in thatcapacitors are connected in parallel to the stator winding of the three-phase machine,that deliver the required excitation current as reactive current. 6. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator als Synchronmaschine ausgebildet ist.6. Combined heat and power plant according to one of claims 1 to 5, characterized in thatthe generator is designed as a synchronous machine.7. Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Generator eine Drehstrommaschine mit Wasserkühlung eingesetzt wird, so daß die Abwärme der Drehstrommaschine dem Heizwasser des Blockheizkraftwerkes zugeführt wird.7. cogeneration plant according to one of claims 1 to 6, characterized in that asGenerator a three-phase machine with water cooling is used so that theWaste heat from the three-phase machine is fed to the heating water of the combined heat and power plantbecomes.8. Abgasanlage für ein Blockheizkraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Wärmekraftmaschine ausströmende Abgas zuerst durch einen Auspufftopf strömt, der einen Rußfilter oder einen Abgaskatalysator enthält und daß das Abgas weiter durch einen Abgaswärmetauscher geleitet wird, wo das Abgas soweit abgekühlt wird, daß der darin enthaltene Wasserdampf kondensiert und daß das Abgas in einem weiteren Wärmetauscher wieder soweit erwärmt wird, daß es kondensatfrei weitergeleitet werden kann.8. Exhaust system for a combined heat and power plant according to one of claims 1 to 7, characterizedcharacterized in that the exhaust gas flowing out of the heat engine first througha muffler flows containing a soot filter or catalytic converter andthat the exhaust gas is passed further through an exhaust gas heat exchanger, where the exhaust gasis cooled so far that the water vapor contained therein condenses and that theExhaust gas is heated again in a further heat exchanger until it iscan be forwarded without condensate.9. Abgaswärmetauscher für die Abgasanlage eines Blockheizkraftwerks nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher zur Gewinnung der Abwärme und der Wärmetauscher zum Wiedererwärmen des Abgases nach der Kondensation in einem Gehäuse untergebracht sind.9. exhaust gas heat exchanger for the exhaust system of a combined heat and power plant according to claim 8,characterized in that the heat exchanger to recover the waste heat andHeat exchanger for reheating the exhaust gas after condensation in oneHousing are housed.10. Wasserkühlung für den Brennmraum der Wärmekraftmaschine eines Blockheizkraftwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein thermisch gesteuerter Bypass parallel zum wassergekühlten Brennraum für eine für schadstoffarme Verbrennung optimale Brennraumtemperatur bei gegebener geringerer Wassertemperatur der Gesamtanlage geschaltet wird.10. Water cooling for the combustion chamber of the heat engine of a combined heat and power plantaccording to one of claims 1 to 9, characterized in that a thermalControlled bypass parallel to the water-cooled combustion chamber for one forlow-pollutant combustion optimal combustion chamber temperature at a given lowerWater temperature of the entire system is switched.11. Kühlung für den Brennraum der Wärmekraftmaschine eines Blockheizkraftwerks nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkreislauf des Brennraumes ein beliebiges Kühlmedium enthält und vom Wasserkreislauf der Gesamtanlage getrennt ist und daß die Wärme mit einem Wärmetauscher übertragen wird, wobei der Kühlkreislauf des Brennraumes durch thermische Strömung in Gang kommt, wenn der Wärmetauscher oberhalb des Brennraumes angeordnet ist.11. Cooling for the combustion chamber of the heat engine of a combined heat and power plantone of claims 1 to 9, characterized in that the cooling circuit of theCombustion chamber contains any cooling medium and from the water cycleEntire plant is separated and that the heat is transferred with a heat exchangeris, the cooling circuit of the combustion chamber by thermal flow in motioncomes when the heat exchanger is located above the combustion chamber.