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Kombikraftwerk - Dokument DE60015621T2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60015621T2 22.12.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001028233
Titel Kombikraftwerk
Anmelder Wärtsilä Finland Oy, Vaasa, FI
Erfinder Hägglund, Thomas, 65410 Sundom, FI
Vertreter Zipse & Habersack, 80639 München
DE-Aktenzeichen 60015621
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 10.02.2000
EP-Aktenzeichen 003010535
EP-Offenlegungsdatum 16.08.2000
EP date of grant 10.11.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.12.2005
IPC-Hauptklasse F01K 23/06
IPC-Nebenklasse B24B 33/04   F02G 5/02   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft ein Kombikraftwerk gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere umfaßt das Kombikraftwerk mindestens eine Mehrfachzylinder-Brennkraftmaschineneinheit, wie beispielsweise eine große Verbrennungskraftmaschine, mit zwei angrenzenden Sätzen von Zylindern, die in einer Reihe vorgesehen sind, sowie mit zwei Turbovorrichtungen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Intensivierung der Erzeugung von Dampf und/oder elektrischem Strom in einem Kombikraftwerk.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind mit dem Begriff "große Verbrennungskraftmaschine, z.B. Dieselmotor" solche Maschinen gemeint, die beispielsweise Haupt- oder Hilfsmaschinen eines Schiffs umfassen oder für die Erzeugung von Wärme und/oder elektrischem Strom geeignet sind.

Die Leistung einer Brennkraftmaschine kann mittels Turbovorrichtungen verbessert werden, wobei die Energie von Abgasen genutzt wird, um die Einlaßluft der Maschine zu verdichten. Der Wirkungsgrad im Rahmen der Erfindung kann weiterhin durch Zwischenkühlung der verdichteten Luft verbessert werden. Das Verdichten der eintretenden Luft in mindestens zwei Phasen, wobei zwei oder mehrere Turbovorrichtungen hintereinandergeschaltet sind, ist an sich bekannt. Insbesondere sind die Turbinen der Vorrichtungen und die Verdichter der Vorrichtungen hintereinander vorgesehen (siehe z.B. GB-A-2121474). Die Leistung wird somit erhöht, weil der Wirkungsgrad der Luftverdichtung von der Volumenströmungsrate abhängig ist, die wiederum von der Temperatur der Einlaßluft abhängt.

Weitere Anordnungen sind in den EP 0434419 A und GB 182 787 A beschrieben.

In einem sogenannten V-Motor ist jede Zylinderreihe üblicherweise mit einer eigenen Turbovorrichtung ausgestattet. Somit führt die vorerwähnte zweiphasige Verdichtung in der Praxis zu sehr komplizierten Anordnungen und dadurch, aufgrund einer höheren Anzahl von Bauteilen, zu höheren Investitionskosten. Die Lösung kann besonders kompliziert sein, wenn die Turbovorrichtungen und auch mögliche Zwischenkühler in einer an sich bekannten Weise teilweise an einem Maschinenende integriert sind.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Abgaszuführungs- und Dampferzeugungsanordnung für Kombikraftwerke unter Verwendung großer Verbrennungskraftmaschinen bereitzustellen. Die Erfindung kann vorzugsweise speziell in Verbindung mit V-Motoren zum Einsatz kommen, die auf zweiphasiger Verdichtung basierende Turbovorrichtungen haben, eine einfache Konstruktion aufweisen und den Wirkungsgrad des Kraftwerks verbessern. Es besteht somit eine Absicht, ein Kombikraftwerk mit einem verbesserten Gesamtwirkungsgrad bereitzustellen, das für eine intensivierte Erzeugung von Dampf und/oder elektrischem Strom geeignet ist.

Die Ziele der Erfindung können in einer im nachstehenden Anspruch 1 beschriebenen Weise erreicht werden.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt das Einleiten der Abgase in den ersten Abgaskessel in der Strömungsrichtung, so daß die Abgase von einer Turbovorrichtung direkt in einen ersten Abgaskessel des Abgaskesselmittels geleitet und die Abgase von der anderen Turbovorrichtung über einen separaten Wärmetauscher in den ersten Abgaskessel geleitet werden. Um die Temperatur des erzeugten Dampfs zu maximieren, wird ein erster Dampferzeugungskreislauf, der mit dem ersten Abgaskessel verbunden ist, über den ersten Abgaskessel in den Wärmetauscher geleitet, bevor er in eine Dampfturbine eingespeist wird. Auf diese Weise wird die Temperatur des in die Dampfturbine eingespeisten Dampfs soweit wie möglich erhöht, wodurch die Leistung der Dampfturbine und daher der Gesamtwirkungsgrad des gesamten Kraftwerks verbessert werden. Dies beruht darauf, daß die Temperaturen der Abgase von den Turbovorrichtungen in einer Anordnung, in der eine zweiphasige Verdichtung gemäß der Erfindung zur Anwendung kommt, voneinander abweichen können. Der separate Wärmetauscher kann vorteilhafterweise hinter der Turbine angeschlossen werden, aus der Gase mit wahrscheinlich höherer Temperatur austreten. Dies kann durch Regulierung bewirkt werden, so daß die richtige Turbine gewählt wird.

Um die Wirkung weiterhin zu verbessern, kann die Anordnung einen zweiten Abgaskessel hinter dem ersten Abgaskessel in der Strömungsrichtung umfassen, in dem ein anderer Dampferzeugungskreislauf angeschlossen ist, der in betriebswirksamer Weise mit dem ersten Dampferzeugungskreislauf verbunden ist. Zusätzlich kann Dampf vom zweiten Dampferzeugungskreislauf auch direkt in die Dampfturbine eingeleitet werden.

Durch Zwischenkühlung ist es möglich, den Wirkungsgrad der Verdichter zu verbessern. Insbesondere kann die Luft, bevor die verdichtete Luft in die Zylinder eingeleitet wird, durch Zwischenkühlungsmittel geleitet werden. Zusätzlich kann zwischen dem ersten und dem zweiten Verdichter vorteilhafterweise eine Zwischenkühlung für verdichtete Luft vorgesehen werden. Durch die Lösung gemäß der Erfindung ist es auch möglich, die Energiemenge, die in der Zwischenkühlungsstufe der verdichteten Luft entfernt wird, zu reduzieren. Ein Teil dieser Energie kann als von der Maschine erhaltene mechanische Energie genutzt und ein Teil auch durch Erhöhung der Temperatur der Abgase erhalten werden. Diese erhöhte Temperatur der Abgase kann durch Rückgewinnung von Wärmeenergie aus Abgasen zur Dampferzeugung und/oder weiterhin zur Erzeugung von elektrischem Strom in einem Kombikraftwerk genutzt werden, um seinen Gesamtwirkungsgrad zu verbessern.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Intensivierung der Erzeugung von Dampf und/oder elektrischem Strom in einem Kombikraftwerk bereitgestellt, wobei das Verfahren dem nachstehenden Anspruch 6 entspricht.

Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr lediglich beispielhaft unter besonderer Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben; dabei sind:

1 eine schematische Ansicht einer Verbrennungskraftmaschine eines Kombikraftwerks gemäß der Erfindung mit zwei Turbovorrichtungen; und

2 eine schematische Ansicht eines Kombikraftwerks gemäß der Erfindung mit einer Verbrennungskraftmaschine.

In den Zeichnungen bezeichnet die Bezugszahl 1 eine große Verbrennungskraftmaschineneinheit, insbesondere einen V-Motor, die zwei angrenzende Sätze von Zylindern 1a und 1b umfaßt, die jeweils in Reihe vorgesehen sind. Die Abgase des Satzes von Zylindern 1a werden durch ein Abgasrohr 2a in eine Turbine 3a einer ersten Turbovorrichtung 3 und die Abgase des Satzes von Zylindern 1b entsprechend durch ein Abgasrohr 2b in eine Turbine 4a einer zweiten Turbovorrichtung 4 eingeleitet.

Wie aus 1 ersichtlich, sind Verdichter 3b und 4b der Turbovorrichtungen 3 und 4 hintereinander oder in Reihe miteinander verbunden, so daß verdichtete Luft zur Einleitung in alle Zylinder der Maschine zunächst in den Verdichter 3b und von dort aus durch eine Verbindung 5 in den Verdichter 4b eingeleitet wird, von dem aus sie weiterhin durch eine Verbindung 6 in Einlaß- oder Saugrohreinheiten 9a und 9b der Zylinder eingeleitet wird. Die Anordnung umfaßt weiterhin Zwischenkühler 7 und 8. Indem die verdichtete Luft in zwei Phasen, wie hierin vorgesehen, verdichtet wird, und mit einer vorgesehenen Zwischenkühlung, kann der Wirkungsgrad der Maschine verbessert und gleichzeitig die Ausrüstungskonfiguration einfacher als in herkömmlichen Zweiphasen-Anordnungen gestaltet werden.

In der Kombikraftwerksanwendung der 2 wird die Maschinenanordnung gemäß 1 für eine intensivere Erzeugung von Dampf und/oder elektrischem Strom genutzt. Die Abgase eines großen V-Dieselmotors 1 werden durch die Turbovorrichtungen 3 und 4, wie vorstehend beschrieben, in eine Abgaskesseleinheit 10 eingeleitet. In der dargestellten Anordnung umfaßt die Kesseleinheit 10 drei hintereinandergeschaltete Abgaskessel 10a, 10b und 10c. Davon sind die Abgaskessel 10a und 10b mit Dampferzeugungsmitteln 11a bzw. 11b ausgestattet. Die Anordnung umfaßt auch eine Dampfturbine 13, mit der ein Stromgenerator 14, ein Kondensator 15, ein Wärmetauscher 16, der seinerseits zur Kühlung der Maschine genutzt werden kann, sowie ein Speisewassertank 17 verbunden sind.

Wenn die (in 2 nicht dargestellten) Verdichter 3b und 4b in Übereinstimmung mit 1 miteinander verbunden sind, wird die optimale Energiemenge, die zur Verdichtung der Einlaßluft mittels der Turbinen 3a und 4a der Turbovorrichtungen 3 und 4 zur Verfügung steht, nicht notwendigerweise gleichmäßig zwischen den Turbovorrichtungen verteilt, so daß als eine Folge davon die Temperaturen der austretenden Abgase entsprechend voneinander abweichen. Diese Tatsache kann vorteilhafterweise genutzt werden, so daß der vom Dampferzeuger 11a erzeugte Dampf hinter dem Abgaskessel in einen Wärmetauscher 12 eingeleitet wird, bevor er in die Dampfturbine 13 eingespeist wird. Somit bewirken die eine höhere Temperatur aufweisenden Abgase unmittelbar vor der Dampfeinspeisung in die Dampfturbine letztlich eine Überhitzung des Dampfs, wodurch die Temperatur des Dampfs, verglichen mit einer Situation, in der der Dampf mit den Abgasen, die aus den Turbovorrichtungen austreten und die Durchschnittstemperatur davon repräsentieren, erwärmt wird, entsprechend erhöht werden kann. Somit können der Wirkungsgrad der Dampferzeugung und mit der Anordnung der 1 gleichzeitig der Gesamtwirkungsgrad eines ganzen Kombikraftwerks wesentlich verbessert werden.

Die in den Zeichnungen dargestellten Ausrüstungskonfigurationen lassen sich natürlich in vielen alternativen Ausführungsformen realisieren, und zwar insbesondere abhängig davon, ob das Hauptinteresse der Dampferzeugung oder der Erzeugung von elektrischem Strom gilt. Die besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung betrifft V-Motoren, die Erfindung läßt sich aber grundsätzlich auch für Maschinenanordnungen in anderen Ausführungen anwenden. Somit ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt, sondern innerhalb des Schutzbereichs der beiliegenden Ansprüche sind mehrere Modifizierungen durchführbar.


Anspruch[de]
  1. Kombikraftwerk, das mindestens eine Mehrfachzylinder-Brennkraftmaschineneinheit umfaßt, deren Abgase so vorgesehen sind, daß sie einem Abgaskesselmittel (10) zugeführt werden, und die Wärmeenergie der Abgase zur Erzeugung von Dampf und/oder elektrischem Strom zurückgewonnen wird, wobei die Brennkraftmaschineneinheit zwei angrenzende Sätze (1a, 1b) von Zylindern umfaßt, die jeweils in einer Reihe vorgesehen sind und jeweils eine diesen zugeordnete separate Turbovorrichtung (3, 4) haben, durch die die Abgase vom zugeordneten Zylindersatz (1a, 1b) geleitet werden, wobei Verdichter (3b, 4b) der Turbovorrichtungen hintereinander miteinander gekoppelt sind, so daß die verdichtete Luft für jeden der Zylindersätze (1a, 1b) der Kraftmaschineneinheit über den Verdichter (3b) der ersten Turbovorrichtung zum Verdichter (4b) der zweiten Turbovorrichtung und anschließend zu den Zylindern geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kraftwerk Mittel, um die Abgase von einer der Turbovorrichtungen (4) direkt zu einem ersten Abgaskessel (10a) des Abgaskesselmittels (10) zu leiten, Mittel, um die Abgase von der anderen der Turbovorrichtungen (3) über einen separaten Wärmetauscher (12) zum ersten Abgaskessel (10a) zu leiten, ein erstes dampferzeugendes Mittel (11a), das mit dem ersten Abgaskessel (10a) verbunden ist, sowie Mittel hat, um vom ersten dampferzeugenden Mittel (11a) erzeugten Dampf vom Abgaskessel (10a) in den Wärmetauscher (12), um die Dampftemperatur zu maximieren, und anschließend zu einer Dampfturbine (13) zu leiten.
  2. Kombikraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zweiten Abgaskessel (10b), der in der Strömungsrichtung hinter dem ersten Abgaskessel (10a) positioniert ist, sowie ein zweites dampferzeugendes Mittel (11b) umfaßt, das dem zweiten Abgaskessel zugeordnet und betriebswirksam mit dem ersten dampferzeugenden Mittel (11a) verbunden ist.
  3. Kombikraftwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es weiterhin Mittel umfaßt, um Dampf vom zweiten dampferzeugenden Mittel (11b) direkt in die Dampfturbine (13) einzuleiten.
  4. Kombikraftwerk nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zwischenkühler (8) vorgesehen ist, um die verdichtete Luft vor ihrer Einleitung in die Zylinder zu kühlen.
  5. Kombikraftwerk nach einem der vorstehend aufgeführten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschineneinheit (1) einen V-Motor umfaßt.
  6. Verfahren zur Intensivierung der Erzeugung von Dampf und/oder elektrischem Strom in einem Kombikraftwerk, das mindestens eine Mehrfachzylinder-Brennkraftmaschineneinheit umfaßt, wobei das Verfahren das Zuführen von Abgasen von mindestens einer Mehrfachzylinder-Brennkraftmaschineneinheit zum Abgaskesselmittel (10) sowie die Rückgewinnung der Wärmeenergie der Abgase zur Erzeugung von Dampf und/oder elektrischem Strom umfaßt, wobei die Brennkraftmaschine zwei angrenzende Sätze (1a, 1b) von Zylindern umfaßt, die jeweils in einer Reihe vorgesehen sind und jeweils eine diesen zugeordnete separate Turbovorrichtung (3, 4) haben, durch die die Abgase vom zugeordneten Zylindersatz (1a, 1b) geleitet werden, wobei Verdichter (3b, 4b) der Turbovorrichtungen hintereinander miteinander gekoppelt sind, so daß die verdichtete Luft für jeden der Zylindersätze (1a, 1b) der Kraftmaschineneinheit über den Verdichter (3b) der ersten Turbovorrichtung zum Verdichter (4b) der zweiten Turbovorrichtung und anschließend zu den Zylindern geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren weiterhin das direkte Zuleiten der Abgase von einer der Turbovorrichtungen (4) zu einem ersten Abgaskessel (10a) des Abgaskesselmittels (10), das Leiten der Abgase von der anderen der Turbovorrichtungen (3) über einen separaten Wärmetauscher (12) zum ersten Abgaskessel (10a) sowie das Leiten von Dampf, der von einem ersten dampferzeugenden Mittel (11a), das dem ersten Abgaskesselmittel zugeordnet ist, erzeugt wurde, durch den Wärmetauscher (12), um die Dampftemperatur zu maximieren, und anschließend zu einer Dampfturbine (13) umfaßt.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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