WO2008067855A2 - Method and apparatus for increasing the performance and efficiency of an orc power plant process - Google Patents

Method and apparatus for increasing the performance and efficiency of an orc power plant process Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for increasing the power and efficiency of an ORC power plant process according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for increasing the power and efficiency of an ORC power plant process according to the preamble of claim 16.
  • the ORC (Organic Rankine Cycle) process is a thermodynamic cyclic process, and in ORC plants, thermal energy is converted into electricity at temperatures and pressures far below the levels commonly found in conventional steam power plants.
  • low-boiling vapors such as hydrocarbons, such as butane, pentane, propane, and hexane
  • NT heat low-temperature heat
  • MT heat medium-temperature heat
  • HT heat high-temperature heat
  • Fig. 7 exemplifies the circuit of a known geothermal ORC power plant in combination with a gas turbine power plant.
  • a combustion chamber 2 is preceded by an air compressor 3, and on the same shaft 5, a gas turbine 1 and a generator 4 generating current are arranged.
  • the exhaust gas 7 formed in the combustion chamber 2 is supplied to a heat recovery steam boiler 6, and the generated steam passes into a steam turbine 14, which sits in this example on a common shaft 15 of an ORC turbine 8 and an ORC generator 9.
  • the ORC turbine 8 is fed with the working medium vapor from an ORC evaporator 10.
  • the heat is supplied by thermal water 18, which at a temperature of about 100 ° to 165 ° C heat exchanger surfaces 11 fed in the evaporator 10, wherein heat to the compressed, liquid working fluid, such as liquid hydrocarbons, is discharged, so that the working fluid evaporates.
  • the cooled thermal water 19 is discharged at a temperature of about 80 ° C.
  • the ORC cycle is functionally closed after the ORC turbine 8 by a condenser 13 and a compression device 12, for example a recirculation pump.
  • Such geothermal power plants which emit low-temperature heat, have relatively low efficiencies due to the low enthalpy difference.
  • the ratio of investment costs and yield of electricity often does not reach the limit of economy.
  • NT waste heat from chemical, metallurgical and process engineering processes for example, cement plants
  • MT heat is also available for an ORC power plant, it is usually decoupled with the aid of a carrier medium, for example thermal oil, and coupled into the ORC evaporator.
  • the invention is based on the invention of providing a method and a device with which both the power and the efficiency of an ORC power plant process are significantly increased in order to achieve the required economy.
  • an ORC working fluid such as hydrocarbons of the general formula C n H mi without the interposition of a heat transfer medium, such as.
  • a heat transfer medium such as.
  • thermal oil to evaporate with NT heat and in addition by MT heat and / or HT heat and also to overheat the working medium vapors in the range of MT and / or HT heat.
  • the liquid and compressed working medium of the ORC plant is split into at least two waste heat streams, which produce a have different temperature level, preheated, evaporated and superheated.
  • a hot gas generator fired, for example, with bio-oil can be installed, whereby it can be integrated, for example, into an MT exhaust gas flow.
  • the method according to the invention for increasing the power and efficiency in the ORC power plant process is based on a circulating ORC working fluid which evaporates after compression in an evaporator with the aid of a low-temperature heat source and condenses after expansion in an ORC turbine in a condenser becomes.
  • the working medium vapor of the evaporator which may for example have about 145 ° C., is supplied to a superheater and superheated.
  • the superheated hot steam is fed to the ORC turbine for power generation.
  • the superheater is arranged separately and connected on the input side with the ORC evaporator via a steam line for the working medium vapor and the output side with the ORC turbine via a hot steam line for the superheated working medium vapor.
  • the ORC evaporator with a larger NT heat source such as thermal water
  • a heat extraction can also be done from smoke or process gases of a process plant as well as by direct evaporation of the liquid working fluid or by means of a thermal oil-heat extraction.
  • the superheater at least in two stages and to supply the working medium vapor from the evaporator to a first superheater stage and to a second superheater stage.
  • the working medium vapor is overheated and finally overheated in the second superheater stage.
  • a bypassing of the first superheater stage is provided, which may have a three-way valve and a bypass line.
  • Hydrocarbons for example butane, pentane, propane, hexane, or halogenated hydrocarbons, for example chlorocarbons, can advantageously be used as ORC working fluids.
  • Hydrogen or perfluoropentane, or ammonia are used and are evaporated using a low-temperature heat source in a temperature range of about 100 ° to 300 ° C.
  • the overheating of the working medium vapor in the superheater stages can be done by smoke or process gases or by heat radiation, with MT and / or HT heat sources can be used with a temperature of 300 ° C to a maximum of 800 ° C.
  • the heat exchanger surfaces are provided for preheating at least a subset of the recirculating, condensed and compressed working fluid.
  • the heat exchanger surfaces are connected downstream of the superheater stages for preheating and at least partial evaporation of the working fluid, the amount of exhaust gas supplied to the heat exchanger can be cooled lower than is possible for example in a heat extraction by means of thermal oil or steam.
  • the usable for electricity generation, decoupled Abissennenge is thus greater.
  • waste heat can be used in a heat exchanger system with migratory pinch point, with a corresponding control system optimizes the use of waste heat and contributes to increasing the efficiency of the system.
  • the pinch point PP is the smallest temperature difference between the cooling curves of the MT heat and the warm-up curves of the ORC working fluid.
  • control of this three-way valve for optimizing performance can be advantageously carried out with the aid of a control system, in particular a NC control system, for example a so-called split-range power controller, which is operatively designed as a follow-up control and divided control pulses of, for example, 4 to 16 mA for a three-way valve is formed between the two superheater stages and 16 to 20 mA for the three-way valve for the division or displacement of the amounts of working medium to be evaporated.
  • a control system in particular a NC control system, for example a so-called split-range power controller, which is operatively designed as a follow-up control and divided control pulses of, for example, 4 to 16 mA for a three-way valve is formed between the two superheater stages and 16 to 20 mA for the three-way valve for the division or displacement of the amounts of working medium to be evaporated.
  • a gas turbine in addition to thermal water, exhaust gases from other processes and MT heat-emitting plant, a gas turbine, a chemical, metallurgical or process engineering process and / or a fired with oil, gas or biomass hot gas generator can be used as NT heat source can.
  • a heat of condensation of the hot gases can be used in the heat exchanger surfaces for preheating or evaporation.
  • the Beitsstoff superheater used noble fuel quantity in the form of oil, gas or bio-fuel is emitted with high efficiency, since in the form of fuels additionally used energy no heat of condensation is lost.
  • the overall efficiency of the ORC system is thereby significantly increased and, depending on the temperature level of the NT heat source, rises from 9% to 13% to approximately 16% to 20%.
  • the efficiencies can be further increased by means of a directly fired superheater or by a hot gas generator connected upstream of the superheater stages and the heat exchanger surfaces.
  • Fig. 1 shows the basic circuit of an ORC power plant according to the invention
  • Fig. 3 shows the T-Q diagram of the ORC power plant according to the invention
  • FIG. 4 shows the circuit and flow diagram of a geothermal ORC power plant with coupling of the heat from a gas turbine plant
  • Fig. 5 is a circuit and flow diagram of a diesel engine power plant with an inventive integration of an ORC power plant and
  • Fig. 6 shows the circuit and flow diagram of FIG. 5 with an alternative
  • FIG. 1 shows an ORC power plant with an ORC turbine 8, a connected ORC generator 9, an evaporator 10 and a condenser 13, and a circulating ORC working fluid.
  • the ORC working fluid which, after expansion in the ORC turbine 8 in the condenser 13, which here is an air condenser, is liquefied and, via a compression device 12, for example a recirculation pump, in a working fluid line 22 as a subset to the evaporator 10. reached, with the aid of a low-temperature heat source 18, 19, which is thermal water in this embodiment, evaporated and then passes through a steam line 20 in a superheater 25th
  • the division of the compressed working fluid takes place in this embodiment by means of a second three-way valve 32 so that controllable subsets of the working fluid via a first line 22.1 the evaporator 10 and a second line 22.2 heat exchanger surfaces 24 for preheating and / or at least partial evaporation can be supplied.
  • a connecting line 23 the preheated or evaporated to the heat exchanger surfaces 24 working fluid enters the evaporator 10 and then via the steam line 20 in the superheater 25th
  • the superheater 25 is divided into a first superheater stage 25.1 and a second superheater stage 25.2, and a first three-way valve 31 enables steam temperature control by partial bypassing the first superheater stage 25.1. In this way, it can be ensured that the second superheater stage 25.2 is always supplied with the total amount of working medium vapor for a final superheating of the working medium vapor in all load cases. At the same time, the heat exchanger surface 24 can be acted upon by a larger, adjustable amount of heat.
  • the superheater 25 and the heat exchanger surface 24 for preheating and at least partial evaporation of at least a subset of the working fluid are arranged in this embodiment in an exhaust gas heat exchanger 26, which flows through, for example, exhaust gases 7 of a gas turbine power plant (see also Fig. 4) for direct extraction of MT heat becomes.
  • the heat exchanger surfaces 24 for preheating at least a subset of the compressed working fluid with respect to the flow direction of the exhaust gases 7 the superheater stages 25.1, 25.2 downstream.
  • the first superheater stage 25.1 is connected downstream for overheating the compressed working medium vapor of the second superheater stage 25.2, which serves for final superheating.
  • the working medium hot steam passes at a temperature of about 190 ° to 210 ° C in the ORC turbine 8 and is discharged by means of the generator 9.
  • a controllable, plant-specific amount of working fluid can be preheated and evaporated.
  • the decoupled waste heat quantity that can be used for electricity generation becomes larger.
  • FIGS. 2 and 3 show the cooling curves (TWT) with their areas of preheating (TE) 1 evaporation (Tv) and overheating (TUE) and their smallest temperature difference, which is referred to as pinch point (PP).
  • TWT cooling curves
  • TE preheating
  • Tv evaporation
  • TUE overheating
  • PP pinch point
  • T E i working medium preheater temperature which also indicates the decoupled preheating heat
  • Tv 2 working medium evaporator temperature which also indicates the decoupled heat of vaporization
  • T E2 working medium preheater temperature which also indicates the decoupled preheating heat.
  • the TQ diagram shows the change in the heat recordings and the temperature curves in the event that the heat absorption in the ORC evaporator 10 by a value X has decreased.
  • Such thermal power reduction in the ORC evaporator 10 may be due to temporary changes in the thermal water levels and / or temperatures, or from salt deposits on the ORC evaporator heating surfaces
  • the working medium vapor production can be increased by the amount by which the heat absorption of the working medium superheater stages 25.1, 25.2 in the ORC evaporator 10 decreases.
  • the corresponding division or displacement of the amounts of working medium to be evaporated from the ORC evaporator 10 into the heat exchanger surfaces 24 of the exhaust gas heat exchanger 26 is controlled by means of the second three-way valve 32.
  • Fig. 4 shows the circuit and flow diagram of a geothermal ORC power plant, in which an exhaust gas heat exchanger 26 of a gas turbine power plant with a gas turbine 1, a combustion chamber 2, an air compressor 3, a generator 4 and a common shaft 5 power and efficiency is integrated increasing ,
  • the ORC plant again consists of the main components evaporator 10, ORC turbine 8 with generator 9, condenser 13 and compression device 12, for example recirculation pump.
  • the geothermal heat of thermal water as NT heat source 18, 19 is supplied to the evaporator 10 and discharged as cooled thermal water 19.
  • the quantity distribution is effected by a second three-way valve 32 which is connected downstream of the recirculation pump and which is regulated by a control device, for example an NC power regulator 33.
  • the superheater 25 in turn consists of a first superheater stage 25.1 for preheating and a second superheater stage 25.2 for the final superheating of the working medium vapor supplied in a steam line 20.
  • the first superheater stage 25.1 can be partially loaded by the control device 33 depending on the operation, while the second Overheater stage 25.2 is always supplied with the entire working medium vapor quantity.
  • a power regulator such as a so-called split-range power regulator, which acts as a follow-up to the three-way valves 31, 32, for example, by divided control pulses of 4 to 16 mA for the first three-way valve 31 for the superheater stages 25.1, 25.2 and 16 to 20 mA for the second three-way valve 32 for the quantitative distribution of the compressed working fluid.
  • FIG. 5 shows the circuit and flow diagram of a diesel engine power plant 41, 42 with the integration of an ORC turbogenerator 8, 9 by means of a waste heat recovery plant 40 for the ORC working fluid.
  • the waste heat recovery plant 40 has heat exchanger surfaces 44 for preheating the condensed in the condenser 13 and compressed by means of the compression device 12 ORC working fluid, which passes through the working medium line 22 to the heat exchanger surfaces 44 and after preheating and partial evaporation via a connecting line 23 of an ORC evaporation 36th is supplied.
  • the heat exchanger surfaces 44 upstream of the MT and / or HT heat source with respect to the flow direction are heat exchanger surfaces or heating surfaces 43 for evaporating the working medium guided in a forced circulation with the ORC evaporation drum 36.
  • a circulation pump 37 is arranged in the forced circulation system.
  • the working medium vapor passes from the ORC evaporation drum 36 via a steam line 20 into a first superheater stage 45. 1, which is designed to be passable by means of a bypass line 27 and a first three-way valve 31.
  • a hot gas generator 46 Upstream of the waste heat recovery plant 40 is a hot gas generator 46, in which a second superheater stage 45.2 is integrated for the final superheating of the working medium vapor. From this final superheater stage 45.2, the superheated steam passes via a superheated steam line 21 to the ORC turbine 8.
  • cooled flue gases 47 are injected into the hot gas generator 46 via a recirculation channel 48 in order to reduce the hot gas temperature before the second superheater stage 45.2 or the final superheater of the working medium to approximately 650 ° C., maximum 780 ° C. This counteracts a cracking operation of the superheated working medium vapor and prolongs the life of the recirculating ORC working fluid.
  • the exhaust gases 38 of the diesel engine 41 pass through an engine exhaust duct 39 into an exhaust gas collector 49, which is also supplied with the hot gases 35 from the hot gas generator 46.
  • An effective-fine fine-tuning takes place with the aid of a control system 51 which regulates the admission of the first superheater stage 45.1 and the fuel supply 50 for the hot gas generator 46 as a function of the turbine output.
  • the efficiency of the diesel engine power plant is increased from about 40% to 42% to 45% to 52% by the invented combined hot gas generator - ORC technology.
  • Fig. 6 shows in principle the system according to Fig. 5 and has the same reference numerals for identical features.
  • the evaporator heat exchanger surfaces 43 are connected as a continuous evaporator. In this way, an optimization of the pinch point (PP) situation described in connection with FIGS. 2 and 3 and a reduction of the flue gas temperature in the exhaust pipe 53 can be achieved.
  • PP pinch point
  • the system according to FIG. 6 enables a further increase in the efficiency of an ORC power plant process. Associated with this are an improvement in economic efficiency and a wider utilization of the available MT, NT and HT heat.

Abstract

The invention relates to a method and an apparatus for increasing the performance and efficiency of an ORC power plant process. According to the invention, an ORC working medium which is substantially evaporated with the help of a low-temperature heat source (18, 19) is superheated by means of a medium-temperature heat source and/or a high-temperature heat source (7). The vapor of the working medium is superheated in a separate superheater (25) that is subdivided into at least one first superheater stage (25.1) which is charged with some of the working medium and a second fully charged superheater stage (25.2). In addition, heat exchanger areas (24) are provided for preheating and/or at least partially evaporating the compressed working medium. The efficiency is increased from 9-13 percent to at least 16-20 percent or more by optimizing the charge of the superheater stages and the heat exchanger areas.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad eines ORC- Kraftwerkprozesses Method and apparatus for increasing the power and efficiency of an ORC power plant process
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad eines ORC-Kraftwerkprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad eines ORC-Kraftwerkprozesses gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.The invention relates to a method for increasing the power and efficiency of an ORC power plant process according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for increasing the power and efficiency of an ORC power plant process according to the preamble of claim 16.
Der ORC-Prozess (Organic Rankine Cycle) ist ein thermodynamischer Kreisprozess, und in ORC-Anlagen wird thermische Energie in elektrischen Strom bei Temperaturen und Drücken weit unter den in herkömmlichen Wasserdampfkraftwerken üblichen Werten umgewandelt. Im ORC-Kraftwerkprozess werden niedrig siedende Dämpfe, beispielsweise von Kohlenwasserstoffen wie Butan, Pentan, Propan und Hexan, verwendet, um in einer ORC-Turbine durch Entspannung Expansionsarbeit zu leisten, welche in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dabei ist es von Vorteil, dass sogenannte Niedertemperatur-Wärme (NT-Wärme), deren Temperaturniveau unterhalb von 280° bis 300° C liegt, verströmt werden kann. Unter Mitteltemperatur-Wärme (MT-Wärme) wird im Kraftwerksbau ein Temperaturniveau von 220° bis etwa 600° C verstanden. Oberhalb dieses Temperaturniveaus liegt der Bereich der sogenannten Hochtemperatur-Wärme (HT-Wärme).The ORC (Organic Rankine Cycle) process is a thermodynamic cyclic process, and in ORC plants, thermal energy is converted into electricity at temperatures and pressures far below the levels commonly found in conventional steam power plants. In the ORC power plant process, low-boiling vapors, such as hydrocarbons, such as butane, pentane, propane, and hexane, are used to perform expansion work in an ORC turbine by relaxation, which can be converted into electrical energy in a generator. It is advantageous that so-called low-temperature heat (NT heat) whose temperature level is below 280 ° to 300 ° C, can be exuded. Under medium-temperature heat (MT heat) is understood in power plant construction, a temperature level of 220 ° to about 600 ° C. Above this temperature level is the area of so-called high-temperature heat (HT heat).
Es ist bekannt, Niedertemperaturwärme in geothermischen Kraftwerken mit Hilfe des ORC-Prozesses zu verströmen. Bei Thermalwassertemperaturen von 100° bis 165° C werden jedoch nur Wirkungsgrade von 9% bis 13%, maximal 14% erreicht. Wenn neben NT-Wärme auch MT-Wärme zur Verfügung steht, wird diese mit Hilfe eines Trägermediums, in aller Regel mit einem Thermoöl, ausgekoppelt und in einen ORC- Verdampfer eingekoppelt. Aufgrund der MT-Wärme wird die Leistung des ORC-Kraftwerkes entsprechend erhöht. Jedoch bleibt der Wirkungsgrad der Anlage auf dem vorgenannten niedrigen Niveau, da die in der Regel größere NT-Wärmemenge die Höhe des verstrombaren Energiegefälles bestimmt. Zudem kann durch die Zwischenschaltung der Thermoöl- Wärmeauskopplung das mögliche Temperaturgefälle aus dem MT-Wärmeangebot nicht optimal genutzt werden, so dass für den ORC-Prozess nutzbare Wärme verloren geht.It is known to exhale low-temperature heat in geothermal power plants using the ORC process. At thermal water temperatures of 100 ° to 165 ° C, however, only efficiencies of 9% to 13%, a maximum of 14% are achieved. If MT heat is available in addition to NT heat, it is decoupled with the aid of a carrier medium, usually with a thermal oil, and coupled into an ORC evaporator. Due to the MT heat, the power of the ORC power plant is increased accordingly. However, the efficiency of the system remains at the aforementioned low level, since the usually larger NT amount of heat determines the height of the verstrombaren energy gap. In addition, through the interposition of the thermal oil heat extraction, the potential temperature gradient from the MT heat supply can not be optimally utilized, so that useful heat is lost for the ORC process.
Alternativ zu der Wärmeauskopplung mittels Thermoöl ist es bekannt, im MT-Bereich auch konventionelle Abhitze-Dampfkessel, welchen eine separate Wasserdampfturbine zugeordnet ist, einzusetzen. Fig. 7 zeigt beispielhaft die Schaltung eines bekannten geothermischen ORC-Kraftwerkes in Kombination mit einem Gasturbinen-Kraftwerk.As an alternative to heat extraction by means of thermal oil, it is also known to use conventional waste heat steam boilers in the MT range, to which a separate steam turbine is assigned. Fig. 7 exemplifies the circuit of a known geothermal ORC power plant in combination with a gas turbine power plant.
Einer Brennkammer 2 ist ein Luftverdichter 3 vorgeschaltet, und auf gleicher Welle 5 sind eine Gasturbine 1 und ein Strom erzeugender Generator 4 angeordnet. Das in der Brennkammer 2 gebildete Abgas 7 wird einem Abhitzedampfkessel 6 zugeführt, und der erzeugte Dampf gelangt in eine Wasserdampfturbine 14, welche in diesem Beispiel auf einer gemeinsamen Welle 15 einer ORC-Turbine 8 und eines ORC-Generators 9 sitzt.A combustion chamber 2 is preceded by an air compressor 3, and on the same shaft 5, a gas turbine 1 and a generator 4 generating current are arranged. The exhaust gas 7 formed in the combustion chamber 2 is supplied to a heat recovery steam boiler 6, and the generated steam passes into a steam turbine 14, which sits in this example on a common shaft 15 of an ORC turbine 8 and an ORC generator 9.
Die ORC-Turbine 8 wird mit dem Arbeitsmitteldampf aus einem ORC-Verdampfer 10 gespeist. Die Wärmezufuhr erfolgt durch Thermalwasser 18, welches mit einer Temperatur von etwa 100° bis 165° C Wärmetauscherflächen 11 im Verdampfer 10 zugeleitet, wobei Wärme an das verdichtete, flüssige Arbeitsmittel, beispielsweise flüssige Kohlenwasserstoffe, abgegeben wird, so dass das Arbeitsmittel verdampft. Das abgekühlte Thermalwasser 19 wird mit einer Temperatur von etwa 80° C abgeleitet. Der ORC- Kreisprozess wird nach der ORC-Turbine 8 durch einen Kondensator 13 und eine Verdichtungseinrichtung 12, beispielsweise eine Rezirkulationspumpe, funktionell geschlossen.The ORC turbine 8 is fed with the working medium vapor from an ORC evaporator 10. The heat is supplied by thermal water 18, which at a temperature of about 100 ° to 165 ° C heat exchanger surfaces 11 fed in the evaporator 10, wherein heat to the compressed, liquid working fluid, such as liquid hydrocarbons, is discharged, so that the working fluid evaporates. The cooled thermal water 19 is discharged at a temperature of about 80 ° C. The ORC cycle is functionally closed after the ORC turbine 8 by a condenser 13 and a compression device 12, for example a recirculation pump.
Derartige geothermische Kraftwerke, welche Niedertemperaturwärme verströmen, haben aufgrund des niedrigen Enthalpiegefälles relativ geringe Wirkungsgrade. Das Verhältnis von Investitionskosten und Ausbeute an elektrischem Strom erreicht häufig nicht die Grenze der Wirtschaftlichkeit. Dies trifft auch dann zu, wenn NT-Abwärme aus chemischen, metallurgischen und verfahrenstechnischen Prozessen, beispielsweise von Zementanlagen, genutzt werden kann und auch mehrere Abwärmequellen und mit unterschiedlichem Temperaturniveau eingesetzt werden können. Wenn für eine ORC-Kraftwerksanlage neben NT-Wärme auch MT-Wärme zur Verfügung steht, so wird diese in der Regel mit Hilfe eines Trägermediums, beispielsweise Thermoöl, ausgekoppelt und in den ORC-Verdampfer eingekoppelt.Such geothermal power plants, which emit low-temperature heat, have relatively low efficiencies due to the low enthalpy difference. The ratio of investment costs and yield of electricity often does not reach the limit of economy. This also applies if NT waste heat from chemical, metallurgical and process engineering processes, for example, cement plants, can be used and also several waste heat sources and can be used with different temperature levels. If, in addition to NT heat, MT heat is also available for an ORC power plant, it is usually decoupled with the aid of a carrier medium, for example thermal oil, and coupled into the ORC evaporator.
Die Leistung des ORC-Kraftwerkes wird entsprechend erhöht. Der Wirkungsgrad der Anlage bleibt jedoch auf einem relativ niedrigen Niveau, da die in der Regel auch hier größere NT-Wärmemenge die Höhe des verstrombaren Energiegefälles bestimmt. Durch die Zwischenschaltung einer Thermoöl-Wärmeauskopplung kann das mögliche Temperaturgefälle auch aus dem MT-Wärmeangebot nicht optimal genutzt werden, so dass für den ORC-Prozess nutzbare Wärme verloren geht.The performance of the ORC power plant will be increased accordingly. However, the efficiency of the system remains at a relatively low level, since the usually larger NT amount of heat determines the height of the verstrombaren energy gap. Through the interposition of a thermal oil heat extraction, the potential temperature gradient can not be optimally used even from the MT heat supply, so that for the ORC process usable heat is lost.
Das in Fig. 7 gezeigte Wärmeauskopplungssystem für MT-Wärme, welche mit Hilfe eines Dampfkessels ausgekoppelt wird, zeigt im Vergleich zur Wärmeauskopplung mittels Thermoöl ebenfalls keine höhere Kraftwerksleistung oder höhere Wirkungsgrade.The heat extraction system for MT heat shown in Fig. 7, which is coupled by means of a steam boiler, also shows no higher power plant performance or higher efficiencies compared to the heat extraction by means of thermal oil.
Nachteilig ist des Weiteren, dass Lastschwankungen nicht kompensiert werden können. Zudem sind die Investitionskosten relativ hoch.Another disadvantage is that load fluctuations can not be compensated. In addition, the investment costs are relatively high.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit welchen zur Erreichung der erforderlichen Wirtschaftlichkeit sowohl die Leistung als auch der Wirkungsgrad eines ORC-Kraftwerkprozesses deutlich erhöht werden.The invention is based on the invention of providing a method and a device with which both the power and the efficiency of an ORC power plant process are significantly increased in order to achieve the required economy.
Verfahrensmäßig wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und vorrichtungsmäßig durch die Merkmale des Anspruchs 16 gelöst. Zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen und in der Figurenbeschreibung enthalten.The method, the object is achieved according to the invention by the features of claim 1 and device by the features of claim 16. Advantageous and advantageous embodiments are contained in the subclaims and in the description of the figures.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung basieren auf dem Grundgedanken, ein ORC-Arbeitsmittel, beispielsweise Kohlenwasserstoffe der allgemeinen Formel CnHmi ohne Zwischenschaltung eines Wärmeträgermediums, wie z. B. Thermoöl, mit NT-Wärme und zusätzlich durch MT-Wärme und/oder HT-Wärme zu verdampfen und die Arbeitsmitteldämpfe im Bereich der MT- und/oder HT-Wärme außerdem zu überhitzen.The inventive method and apparatus of the invention are based on the idea, an ORC working fluid, such as hydrocarbons of the general formula C n H mi without the interposition of a heat transfer medium, such as. As thermal oil to evaporate with NT heat and in addition by MT heat and / or HT heat and also to overheat the working medium vapors in the range of MT and / or HT heat.
Bei dem erfindungsgemäßen Kraftwerkskonzept wird das flüssige und verdichtete Arbeitsmittel der ORC-Anlage in wenigstens zwei Abwärmeströmen, welche ein unter- schiedliches Temperaturniveau aufweisen, vorgewärmt, verdampft und überhitzt. Zusätzlich oder alternativ zu einem der Abwärmeströme kann ein beispielsweise mit Bio- Öl gefeuerter Heißgaserzeuger installiert werden, wobei dieser beispielsweise in einen MT-Abgasstrom integriert werden kann.In the power plant concept according to the invention, the liquid and compressed working medium of the ORC plant is split into at least two waste heat streams, which produce a have different temperature level, preheated, evaporated and superheated. In addition or as an alternative to one of the waste heat streams, a hot gas generator fired, for example, with bio-oil can be installed, whereby it can be integrated, for example, into an MT exhaust gas flow.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad im ORC-Kraftwerkprozess geht von einem im Kreislauf geführten ORC-Arbeitsmittel aus, welches nach einer Verdichtung in einem Verdampfer mit Hilfe einer Niedertemperatur- Wärmequelle verdampft und nach Entspannung in einer ORC-Turbine in einem Kondensator kondensiert wird. Erfindungsgemäß wird der Arbeitsmitteldampf des Verdampfers, welcher beispielsweise etwa 145° C aufweisen kann, einem Überhitzer zugeführt und überhitzt. Der überhitzte Heißdampf wird der ORC-Turbine zur Verstromung zugeführt.The method according to the invention for increasing the power and efficiency in the ORC power plant process is based on a circulating ORC working fluid which evaporates after compression in an evaporator with the aid of a low-temperature heat source and condenses after expansion in an ORC turbine in a condenser becomes. According to the invention, the working medium vapor of the evaporator, which may for example have about 145 ° C., is supplied to a superheater and superheated. The superheated hot steam is fed to the ORC turbine for power generation.
Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Überhitzer separat angeordnet und eingangsseitig mit dem ORC-Verdampfer über eine Dampfleitung für den Arbeitsmitteldampf und ausgangsseitig mit der ORC-Turbine über eine Heißdampfleitung für den überhitzten Arbeitsmitteldampf verbunden.According to the device according to the invention, the superheater is arranged separately and connected on the input side with the ORC evaporator via a steam line for the working medium vapor and the output side with the ORC turbine via a hot steam line for the superheated working medium vapor.
Zweckmäßigerweise wird der ORC-Verdampfer mit einer größeren NT-Wärmequelle, beispielsweise Thermalwasser, beaufschlagt. An Stelle von Thermalwasser kann eine Wärmeauskopplung auch aus Rauch- oder Prozessgasen einer verfahrenstechnischen Anlage sowie auch durch Direktverdampfung des flüssigen Arbeitsmittels oder auch mittels einer Thermoöl-Wärme-Auskopplung erfolgen.Conveniently, the ORC evaporator with a larger NT heat source, such as thermal water, applied. In place of thermal water, a heat extraction can also be done from smoke or process gases of a process plant as well as by direct evaporation of the liquid working fluid or by means of a thermal oil-heat extraction.
Es ist vorteilhaft, den Überhitzer wenigstens zweistufig auszubilden und den Arbeitsmitteldampf aus dem Verdampfer einer ersten Überhitzerstufe und einer zweiten Überhitzerstufe zuzuführen. In der ersten Überhitzerstufe wird der Arbeitsmitteldampf vorüberhitzt und in der zweiten Überhitzerstufe endüberhitzt.It is advantageous to design the superheater at least in two stages and to supply the working medium vapor from the evaporator to a first superheater stage and to a second superheater stage. In the first superheater stage, the working medium vapor is overheated and finally overheated in the second superheater stage.
Um sicherzustellen, dass die Endüberhitzerstufe in allen Lastfällen immer mit der gesamten Arbeitsmitteldampfmenge beaufschlagt wird, ist eine Bypassierung der ersten Überhitzerstufe vorgesehen, welche ein Dreiwegeventil und eine Bypassleitung aufweisen kann.In order to ensure that the final superheater stage is always supplied with the total amount of working medium steam in all load cases, a bypassing of the first superheater stage is provided, which may have a three-way valve and a bypass line.
Als ORC-Arbeitsmittel können vorteilhaft Kohlenwasserstoffe, beispielsweise Butan, Pentan, Propan, Hexan, oder Halogenkohlenwasserstoffe, beispielsweise Chlorkohlen- Wasserstoffe oder Perfluorpentan, oder auch Ammoniak eingesetzt werden und mit Hilfe einer Niedertemperaturwärmequelle in einem Temperaturbereich von etwa 100° bis 300° C verdampft werden.Hydrocarbons, for example butane, pentane, propane, hexane, or halogenated hydrocarbons, for example chlorocarbons, can advantageously be used as ORC working fluids. Hydrogen or perfluoropentane, or ammonia are used and are evaporated using a low-temperature heat source in a temperature range of about 100 ° to 300 ° C.
Die Überhitzung des Arbeitsmitteldampfes in den Überhitzerstufen kann durch Rauchoder Prozessgase oder auch durch Wärmestrahlung erfolgen, wobei MT- und/oder HT- Wärmequellen mit einer Temperatur von 300° C bis maximal 800° C eingesetzt werden können.The overheating of the working medium vapor in the superheater stages can be done by smoke or process gases or by heat radiation, with MT and / or HT heat sources can be used with a temperature of 300 ° C to a maximum of 800 ° C.
Zur Maximierung der in einen ORC-Kreislauf einkoppelbaren MT-Abwärmemenge und zur Vermeidung von Überhitzung und Cracken der Arbeitsmitteldämpfe ist es zweckmäßig, den Überhitzerheizflächen weitere Verdampfer- und Vorwärmerheizflächen, nachstehend auch als Wärmetauscherflächen bezeichnet, nachzuschalten. Diese Wärmetauscherflächen sind in Bezug auf die einen Abgaswärmetauscher durchströmenden Abgase den Überhitzerstufen vorzugsweise nachgeschaltet und können vorteilhafterweise auch mit einer größeren regelbaren Wärmemenge beaufschlagt werden. Auf diese Weise können mögliche Schieflagen =f (geringe Überhitzerdruckverluste von 1 beziehungsweise maximal 2 bar), das heißt, mögliche Überhitzungen und ein Cracken des Arbeitsmittels vermieden werden.To maximize the amount of MT waste heat which can be coupled into an ORC cycle and to avoid overheating and cracking of the working medium vapors, it is expedient to connect additional superheater heating surfaces to further evaporator and preheater heating surfaces, also referred to below as heat exchanger surfaces. These heat exchanger surfaces are preferably downstream of the superheater stages in relation to the exhaust gases flowing through an exhaust gas heat exchanger and can advantageously also be exposed to a larger controllable amount of heat. In this way, possible imbalances = f (low superheater pressure losses of 1 or a maximum of 2 bar), that is, possible overheating and cracking of the working fluid can be avoided.
Es ist vorteilhaft, dass die Wärmetauscherflächen zur Vorwärmung wenigstens einer Teilmenge des im Kreislauf geführten, kondensierten und verdichteten Arbeitsmittels vorgesehen sind. Indem die Wärmetauscherflächen zur Vorwärmung und zumindest teilweisen Verdampfung des Arbeitsmittels den Überhitzerstufen rauchgasmäßig nachgeschaltet sind, kann die dem Wärmetauscher zugeführte Abgasmenge tiefer abgekühlt werden als dies beispielsweise bei einer Wärmeauskopplung mittels Thermoöl oder Wasserdampf möglich ist. Die für die Verstromung nutzbare, ausgekoppelte Abwärmennenge ist somit größer.It is advantageous that the heat exchanger surfaces are provided for preheating at least a subset of the recirculating, condensed and compressed working fluid. By the heat exchanger surfaces are connected downstream of the superheater stages for preheating and at least partial evaporation of the working fluid, the amount of exhaust gas supplied to the heat exchanger can be cooled lower than is possible for example in a heat extraction by means of thermal oil or steam. The usable for electricity generation, decoupled Abwärmennenge is thus greater.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Abwärmenutzung in einem Wärmetauschersystem mit wanderndem Pinch-Point erfolgen kann, wobei ein entsprechendes Regelsystem die Abwärmenutzung optimiert und zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades beiträgt.Another advantage is that the waste heat can be used in a heat exchanger system with migratory pinch point, with a corresponding control system optimizes the use of waste heat and contributes to increasing the efficiency of the system.
Als Pinch-Point PP wird die kleinste Temperaturdifferenz zwischen den Abkühlkurven der MT-Wärme und den Aufwärmkurven des ORC-Arbeitsmittels bezeichnet. Indem Wärmetauscherflächen zur Vorwärmung zumindest einer Teilmenge des verdichteten ORC-Arbeitsmittels vorgesehen sind, kann die aus einem Abgasstrom auskoppelbare Wärme maximiert werden.The pinch point PP is the smallest temperature difference between the cooling curves of the MT heat and the warm-up curves of the ORC working fluid. By providing heat exchange surfaces for preheating at least a subset of the compressed ORC working fluid, the heat extractable from an exhaust flow can be maximized.
In Verbindung mit den geteilten Überhitzerstufen wird neben einer schieflagenfreien Arbeitsmittel-Heißdampftemperaturregelung auch eine Verlagerung des Wärmeangebotes vom ORC-Verdampfer auf die Wärmetauscherflächen zum Vorwärmen und zumindest teilweisen Verdampfen des Arbeitsmittels ermöglicht.In conjunction with the divided superheater stages, in addition to a fault-free working medium hot steam temperature control, a shift of the heat supply from the ORC evaporator to the heat exchanger surfaces for preheating and at least partial evaporation of the working medium is made possible.
So kann es in geothermischen Kraftwerken im ORC-Verdampfer zu temporären Änderungen der Thermalwassermenge und/oder -temperatur kommen, welche zu einer Wärmeleistungsreduzierung führen. Diese kann auch durch Salzablagerungen auf den ORC-Verdampferheizflächen hervorgerufen werden. Durch die gemäß der Erfindung mögliche Erhöhung des Wärmeangebotes im Bereich der Wärmetauscherflächen eines Abgaswärmetauschers kann die Arbeitsmitteldampfproduktion vorteilhafterweise um den Betrag erhöht werden, um den die Wärmeaufnahme im ORC-Verdampfer sinkt.Thus, in geothermal power plants in the ORC evaporator, temporary changes in the amount of thermal water and / or temperature can occur, which lead to a reduction in heat output. This can also be caused by salt deposits on the ORC evaporator heating surfaces. By the possible increase of the heat supply in the region of the heat exchanger surfaces of an exhaust gas heat exchanger according to the invention, the working medium vapor production can advantageously be increased by the amount by which the heat absorption in the ORC evaporator decreases.
Vorrichtungsmäßig ist es vorteilhaft, dass die erforderliche Aufteilung beziehungsweise Verschiebung der zu verdampfenden Arbeitsmittelmengen vom ORC-Verdampfer zu den Wärmetauscherflächen eines Abgaswärmetauschers mit Hilfe eines zweiten Dreiwegeventils gesteuert werden kann, welches nach einer Verdichtungseinrichtung für das kondensierte Arbeitsmittel in der Arbeitsmittelleitung angeordnet sein kann. Die Steuerung dieses Dreiwegeventils zur Leistungsoptimierung kann vorteilhaft mit Hilfe eines Regelsystems, insbesondere eines NC-Regelsystems, beispielsweise einem sogenannten Split-Range-Leistungsregler, durchgeführt werden, welcher wirkungsmäßig als Folgeregelung ausgebildet ist und durch geteilte Regelimpulse von beispielsweise 4 bis 16 mA für ein Dreiwegeventil zwischen den zwei Überhitzerstufen und 16 bis 20 mA für das Dreiwegeventil zur Aufteilung beziehungsweise Verschiebung der zu verdampfenden Arbeitsmittelmengen ausgebildet ist.In terms of apparatus, it is advantageous that the required division or displacement of the quantities of working medium to be evaporated from the ORC evaporator to the heat exchanger surfaces of an exhaust gas heat exchanger using a second three-way valve can be controlled, which can be arranged after a condensing device for the condensed working fluid in the working fluid line. The control of this three-way valve for optimizing performance can be advantageously carried out with the aid of a control system, in particular a NC control system, for example a so-called split-range power controller, which is operatively designed as a follow-up control and divided control pulses of, for example, 4 to 16 mA for a three-way valve is formed between the two superheater stages and 16 to 20 mA for the three-way valve for the division or displacement of the amounts of working medium to be evaporated.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass als NT-Wärmequelle neben Thermalwasser auch Abgase aus anderen Prozessen und als MT-Wärme abgebende Anlage eine Gasturbine, ein chemischer, metallurgischer oder verfahrenstechnischer Prozess und/oder ein mit Öl, Gas oder Biomasse gefeuerter Heißgaserzeuger verwendet werden können. In den Wärmetauscherflächen zur Vorwärmung beziehungsweise Verdampfung kann insbesondere eine Kondensationswärme der Heißgase genutzt werden. Die für den Ar- beitsmittel-Überhitzer eingesetzte Edelbrennstoffmenge in Form von Öl, Gas oder Bio- Brennstoff wird mit hohem Wirkungsgrad verströmt, da bei der in Form der Brennstoffe zusätzlich eingesetzten Energie keine Kondensationswärme verloren geht. Der Gesamtwirkungsgrad der ORC-Anlage wird dadurch deutlich erhöht und steigt je nach Temperaturniveau der NT-Wärmequelle von 9% bis 13% auf etwa 16% bis 20%.It is within the scope of the invention that, in addition to thermal water, exhaust gases from other processes and MT heat-emitting plant, a gas turbine, a chemical, metallurgical or process engineering process and / or a fired with oil, gas or biomass hot gas generator can be used as NT heat source can. In particular, a heat of condensation of the hot gases can be used in the heat exchanger surfaces for preheating or evaporation. The Beitsmittel superheater used noble fuel quantity in the form of oil, gas or bio-fuel is emitted with high efficiency, since in the form of fuels additionally used energy no heat of condensation is lost. The overall efficiency of the ORC system is thereby significantly increased and, depending on the temperature level of the NT heat source, rises from 9% to 13% to approximately 16% to 20%.
Durch eine entsprechende Wärmebilanzverteilung in diesem kombinierten ORC-System können mit Hilfe eines direkt gefeuerten Überhitzers beziehungsweise durch einen den Überhitzerstufen und den Wärmetauscherflächen vorgeschalteten Heißgaserzeuger die Wirkungsgrade weiter erhöht werden.By means of a corresponding heat balance distribution in this combined ORC system, the efficiencies can be further increased by means of a directly fired superheater or by a hot gas generator connected upstream of the superheater stages and the heat exchanger surfaces.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung weiter erläutert; in dieser zeigen:The invention will be further explained below with reference to a drawing; in this show:
Fig. 1 die Prinzipschaltung eines erfindungsgemäßen ORC-Kraftwerkes;Fig. 1 shows the basic circuit of an ORC power plant according to the invention;
Fig. 2 das T-Q-Diagramm des erfindungsgemäßen ORC-Kraftwerkes gemäß2 shows the T-Q diagram of the ORC power plant according to the invention
Fig. 1 ;Fig. 1;
Fig. 3 das T-Q-Diagramm des erfindungsgemäßen ORC-Kraftwerkes gemäßFig. 3 shows the T-Q diagram of the ORC power plant according to the invention
Fig. 1 bei einer veränderten Wärmeaufnahme im ORC-Verdampfer;Figure 1 at a changed heat absorption in the ORC evaporator.
Fig. 4 das Schalt- und Fließschema eines geothermischen ORC-Kraftwerkes mit Einkopplung der Wärme aus einer Gasturbinenanlage;4 shows the circuit and flow diagram of a geothermal ORC power plant with coupling of the heat from a gas turbine plant;
Fig. 5 ein Schalt- und Fließschema eines Dieselmotor-Kraftwerkes mit einer erfindungsgemäßen Einbindung eines ORC-Kraftwerkes undFig. 5 is a circuit and flow diagram of a diesel engine power plant with an inventive integration of an ORC power plant and
Fig. 6 das Schalt- und Fließschema gemäß Fig. 5 mit einem alternativenFig. 6 shows the circuit and flow diagram of FIG. 5 with an alternative
Durchlaufverdampfer.Flow evaporator.
Fig. 1 zeigt ein ORC-Kraftwerk mit einer ORC-Turbine 8, einem angeschlossenen ORC- Generator 9, einem Verdampfer 10 und einem Kondensator 13 sowie einem im Kreislauf geführten ORC-Arbeitsmittel. Das ORC-Arbeitsmittel, welches nach Entspannung in der ORC-Turbine 8 in dem Kondensator 13, welcher hier ein Luftkondensator ist, verflüssigt und über eine Verdichtungseinrichtung 12, beispielsweise einer Rezirkulati- onspumpe, in einer Arbeitsmittelleitung 22 als eine Teilmenge zum Verdampfer 10 ge- langt, wird mit Hilfe einer Niedertemperatur-Wärmequelle 18, 19, welche in diesem Ausführungsbeispiel Thermalwasser ist, verdampft und gelangt danach über eine Dampfleitung 20 in einen Überhitzer 25.1 shows an ORC power plant with an ORC turbine 8, a connected ORC generator 9, an evaporator 10 and a condenser 13, and a circulating ORC working fluid. The ORC working fluid which, after expansion in the ORC turbine 8 in the condenser 13, which here is an air condenser, is liquefied and, via a compression device 12, for example a recirculation pump, in a working fluid line 22 as a subset to the evaporator 10. reached, with the aid of a low-temperature heat source 18, 19, which is thermal water in this embodiment, evaporated and then passes through a steam line 20 in a superheater 25th
Die Aufteilung des verdichteten Arbeitsmittels erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel mit Hilfe eines zweiten Dreiwegeventils 32, so dass regelbare Teilmengen des Arbeitsmittels über eine erste Leitung 22.1 dem Verdampfer 10 und über eine zweite Leitung 22.2 Wärmetauscherflächen 24 zur Vorwärmung und/oder wenigstens teilweisen Verdampfung zugeführt werden können. Über eine Verbindungsleitung 23 gelangt das an den Wärmetauscherflächen 24 vorgewärmte oder verdampfte Arbeitsmittel in den Verdampfer 10 und danach über die Dampfleitung 20 in den Überhitzer 25.The division of the compressed working fluid takes place in this embodiment by means of a second three-way valve 32 so that controllable subsets of the working fluid via a first line 22.1 the evaporator 10 and a second line 22.2 heat exchanger surfaces 24 for preheating and / or at least partial evaporation can be supplied. Via a connecting line 23, the preheated or evaporated to the heat exchanger surfaces 24 working fluid enters the evaporator 10 and then via the steam line 20 in the superheater 25th
Der Überhitzer 25 ist in eine erste Überhitzerstufe 25.1 und eine zweite Überhitzerstufe 25.2 geteilt, und ein erstes Dreiwegeventil 31 ermöglicht eine Dampftemperaturregelung durch eine Teil-Bypassierung der ersten Überhitzerstufe 25.1. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die zweite Überhitzerstufe 25.2 für eine Endüberhitzung des Arbeitsmitteldampfes in allen Lastfällen immer mit der gesamten Arbeitsmitteldampfmenge beaufschlagt wird. Gleichzeitig kann die Wärmetauscherfläche 24 mit einer größeren, regelbaren Wärmemenge beaufschlagt werden.The superheater 25 is divided into a first superheater stage 25.1 and a second superheater stage 25.2, and a first three-way valve 31 enables steam temperature control by partial bypassing the first superheater stage 25.1. In this way, it can be ensured that the second superheater stage 25.2 is always supplied with the total amount of working medium vapor for a final superheating of the working medium vapor in all load cases. At the same time, the heat exchanger surface 24 can be acted upon by a larger, adjustable amount of heat.
Der Überhitzer 25 und die Wärmetauscherfläche 24 zur Vorwärmung und wenigstens teilweisen Verdampfung wenigstens einer Teilmenge des Arbeitsmittels sind in diesem Ausführungsbeispiel in einem Abgaswärmetauscher 26 angeordnet, welcher beispielsweise von Abgasen 7 eines Gasturbinenkraftwerkes (siehe auch Fig. 4) zur direkten Auskopplung von MT-Wärme durchströmt wird. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, sind die Wärmetauscherflächen 24 zur Vorwärmung zumindest einer Teilmenge des verdichteten Arbeitsmittels in Bezug auf die Strömungsrichtung der Abgase 7 den Überhitzerstufen 25.1 , 25.2 nachgeschaltet. Ebenso ist die erste Überhitzerstufe 25.1 zur Vorüberhit- zung des verdichteten Arbeitsmitteldampfes der zweiten Überhitzerstufe 25.2, welche der Endüberhitzung dient, nachgeschaltet. Der Arbeitsmittel-Heißdampf gelangt mit einer Temperatur von etwa 190° bis 210° C in die ORC-Turbine 8 und wird mit Hilfe des Generators 9 verströmt.The superheater 25 and the heat exchanger surface 24 for preheating and at least partial evaporation of at least a subset of the working fluid are arranged in this embodiment in an exhaust gas heat exchanger 26, which flows through, for example, exhaust gases 7 of a gas turbine power plant (see also Fig. 4) for direct extraction of MT heat becomes. As is apparent from Fig. 1, the heat exchanger surfaces 24 for preheating at least a subset of the compressed working fluid with respect to the flow direction of the exhaust gases 7 the superheater stages 25.1, 25.2 downstream. Likewise, the first superheater stage 25.1 is connected downstream for overheating the compressed working medium vapor of the second superheater stage 25.2, which serves for final superheating. The working medium hot steam passes at a temperature of about 190 ° to 210 ° C in the ORC turbine 8 and is discharged by means of the generator 9.
Gleichzeitig kann eine regelbare, anlagenspezifische Arbeitsmittelmenge vorgewärmt und verdampft werden. Die für die Verstromung nutzbare ausgekoppelte Abwärme- menge wird größer. Außerdem zeigt ein Temperaturverlauf in der Wärmetauscherfläche 24 aufgrund deren Ausbildung als Durchlauferhitzer zur Vorwärmung und Verdampfung des Arbeitsmittels nur einen, lastabhängig wandernden optimalen Pinch-Point (PP).At the same time, a controllable, plant-specific amount of working fluid can be preheated and evaporated. The decoupled waste heat quantity that can be used for electricity generation becomes larger. In addition, shows a temperature profile in the heat exchanger surface 24 due to their training as a water heater for preheating and evaporation of the working fluid only one, load-dependent migratory optimum pinch point (PP).
Aus den Figuren 2 und 3 gehen die Abkühlkurven (TWT) mit ihren Bereichen Vorwärmung (TE)1 Verdampfung (Tv) und Überhitzung (TUE) und deren kleinste Temperaturdifferenz, welche als Pinch-Point (PP) bezeichnet wird, hervor.FIGS. 2 and 3 show the cooling curves (TWT) with their areas of preheating (TE) 1 evaporation (Tv) and overheating (TUE) and their smallest temperature difference, which is referred to as pinch point (PP).
In den in den Figuren 2 und 3 gezeigten T-Q-Diagrammen und Temperatur- Verlaufskurven f (ausgetauschte Wärmemenge ΔQ) im ORC-Gasturbinenkraftwerk gemäß Fig. 1 bedeuten:In the T-Q diagrams and temperature curves f (exchanged heat quantity ΔQ) shown in FIGS. 2 and 3 in the ORC gas turbine power plant according to FIG.
ΔQwn in den Überhitzerstufen 25.1 , 25.2 und an den Wärmetauscherflächen 24 ausgekoppelte MT-Wärme;ΔQwn in the superheater stages 25.1, 25.2 and on the heat exchanger surfaces 24 coupled MT heat;
ΔQwτ2 im Verdampfer 10 ausgekoppelte NT-Wärme;ΔQwτ2 in the evaporator 10 decoupled NT heat;
Twτi MT-Temperaturverlauf im Abgaswärmetauscher 26;Twτi MT temperature profile in the exhaust gas heat exchanger 26;
Twτ2 NT-Temperaturverlauf im Verdampfer 10;Twτ 2 NT temperature profile in the evaporator 10;
TUE Arbeitsmitteldampf-Temperaturverlauf im Überhitzer 25 beziehungsweise in den Überhitzerstufen 25.1 , 25.2;T UE working medium vapor temperature profile in the superheater 25 or in the superheater stages 25.1, 25.2;
PP1 Pinch-Point im MT-Bereich;PP1 pinch point in the MT range;
PP2 Pinch-Point im NT-Bereich;PP2 pinch point in the NT range;
Tvi Arbeitsmittel-Verdampfungs-Temperatur, welche auch die ausgekoppelteTvi working medium evaporation temperature, which is also the decoupled
Verdampfungswärme anzeigt;Indicating heat of vaporization;
TEi Arbeitsmittel-Vorwärmer-Temperatur, welche auch die ausgekoppelte Vor- wärmungswärme anzeigt;T E i working medium preheater temperature, which also indicates the decoupled preheating heat;
Tv2 Arbeitsmittel-Verdampfer-Temperatur, welche auch die ausgekoppelte Verdampfungswärme anzeigt;Tv 2 working medium evaporator temperature, which also indicates the decoupled heat of vaporization;
TE2 Arbeitsmittel-Vorwärmer-Temperatur, welche auch die ausgekoppelte Vor- wärmungswärme angibt.T E2 working medium preheater temperature, which also indicates the decoupled preheating heat.
In Fig. 3 gibt das T-Q-Diagramm die Veränderung der Wärmeaufnahmen und der Temperaturverläufe für den Fall wieder, dass sich die Wärmeaufnahme im ORC-Verdampfer 10 um einen Wert X verringert hat. Eine derartige Wärmeleistungsreduzierung im ORC- Verdampfer 10 kann aus temporären Änderungen der Thermalwassermengen und/oder -temperaturen oder auch aus Salzablagerungen auf den ORC-Verdampfer-HeizflächenIn Fig. 3, the TQ diagram shows the change in the heat recordings and the temperature curves in the event that the heat absorption in the ORC evaporator 10 by a value X has decreased. Such thermal power reduction in the ORC evaporator 10 may be due to temporary changes in the thermal water levels and / or temperatures, or from salt deposits on the ORC evaporator heating surfaces
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Durch Erhöhung des Wärmeangebots im Bereich der Wärmetauscherflächen 24 kann die Arbeitsmitteldampfproduktion um den Betrag erhöht werden, um den die Wärmeaufnahme der Arbeitsmittel-Überhitzer Stufen 25.1 , 25.2 im ORC-Verdampfer 10 sinkt. Die entsprechende Aufteilung beziehungsweise Verschiebung der zu verdampfenden Arbeitsmittelmengen vom ORC-Verdampfer 10 in die Wärmetauscherflächen 24 des Abgaswärmetauschers 26 wird mit Hilfe des zweiten Dreiwegeventils 32 gesteuert.By increasing the heat supply in the area of the heat exchanger surfaces 24, the working medium vapor production can be increased by the amount by which the heat absorption of the working medium superheater stages 25.1, 25.2 in the ORC evaporator 10 decreases. The corresponding division or displacement of the amounts of working medium to be evaporated from the ORC evaporator 10 into the heat exchanger surfaces 24 of the exhaust gas heat exchanger 26 is controlled by means of the second three-way valve 32.
Fig. 4 zeigt das Schalt- und Fließschema eines geothermischen ORC-Kraftwerkes, in welches ein Abgaswärmetauscher 26 eines Gasturbinenkraftwerkes mit einer Gasturbine 1 , einer Brennkammer 2, einem Luftverdichter 3, einem Generator 4 und einer gemeinsamen Welle 5 Leistungs- und Wirkungsgrad erhöhend eingebunden ist. Die ORC- Anlage besteht wiederum aus den Hauptkomponenten Verdampfer 10, ORC-Turbine 8 mit Generator 9, Kondensator 13 und Verdichtungseinrichtung 12, beispielsweise Re- zirkulationspumpe.Fig. 4 shows the circuit and flow diagram of a geothermal ORC power plant, in which an exhaust gas heat exchanger 26 of a gas turbine power plant with a gas turbine 1, a combustion chamber 2, an air compressor 3, a generator 4 and a common shaft 5 power and efficiency is integrated increasing , The ORC plant again consists of the main components evaporator 10, ORC turbine 8 with generator 9, condenser 13 and compression device 12, for example recirculation pump.
Für identische Merkmale werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.For identical features, the same reference numerals are used.
Die geothermische Wärme von Thermalwasser als NT-Wärmequelle 18, 19 wird dem Verdampfer 10 zugeführt und als abgekühltes Thermalwasser 19 abgeführt. Das im Kondensator 13 anfallende flüssige Arbeitsmittel, beispielsweise Kohlenwasserstoffe der allgemeinen Formel CnHm, wird mit Hilfe der Verdichtungseinrichtung 12 über die Arbeitsmittelleitung 22 und als Teilmenge über eine erste Leitung 22.1 dem Verdampfer 10 und eine zweite Leitung 22.2 den Wärmetauscherflächen 24 im Abgaswärmetauscher 26 zugeführt. Die Mengenverteilung erfolgt durch ein der Rezirkulationspumpe nachgeschaltetes, zweites Dreiwegeventil 32, welches durch eine Regeleinrichtung, beispielsweise einen NC-Leistungsregler 33, geregelt wird.The geothermal heat of thermal water as NT heat source 18, 19 is supplied to the evaporator 10 and discharged as cooled thermal water 19. The resulting in the condenser 13 liquid working fluid, such as hydrocarbons of the general formula C n H m, with the aid of the compression device 12 via the working fluid line 22 and a partial amount via a first line 22.1 the evaporator 10 and a second line 22.2 the heat exchanger surfaces 24 in the exhaust gas heat exchanger 26th fed. The quantity distribution is effected by a second three-way valve 32 which is connected downstream of the recirculation pump and which is regulated by a control device, for example an NC power regulator 33.
Der Überhitzer 25 besteht wiederum aus einer ersten Überhitzerstufe 25.1 zur Vorüber- hitzung und einer zweiten Überhitzerstufe 25.2 zur Endüberhitzung des in einer Dampfleitung 20 zugeführten Arbeitsmitteldampfes. Die erste Überhitzerstufe 25.1 kann durch die Regeleinrichtung 33 betriebsabhängig teilbeaufschlagt werden, während die zweite Überhitzerstufe 25.2 immer mit der gesamten Arbeitsmitteldampfmenge beaufschlagt wird. Als Regeleinrichtung 33 kann ein Leistungsregler, beispielsweise ein sogenannter Split-Range-Leistungsregler, eingesetzt werden, welcher in der Wirkung als Folgeregelung auf die Dreiwegeventile 31 , 32 wirkt, beispielsweise durch geteilte Regelimpulse von 4 bis 16 mA für das erste Dreiwegeventil 31 für die Überhitzerstufen 25.1 , 25.2 und 16 bis 20 mA für das zweite Dreiwegeventil 32 für die Mengenverteilung des verdichteten Arbeitsmittels.The superheater 25 in turn consists of a first superheater stage 25.1 for preheating and a second superheater stage 25.2 for the final superheating of the working medium vapor supplied in a steam line 20. The first superheater stage 25.1 can be partially loaded by the control device 33 depending on the operation, while the second Overheater stage 25.2 is always supplied with the entire working medium vapor quantity. As a control device 33, a power regulator, such as a so-called split-range power regulator, are used, which acts as a follow-up to the three-way valves 31, 32, for example, by divided control pulses of 4 to 16 mA for the first three-way valve 31 for the superheater stages 25.1, 25.2 and 16 to 20 mA for the second three-way valve 32 for the quantitative distribution of the compressed working fluid.
Fig. 5 zeigt das Schalt- und Fließschema eines Diesel-Motorkraftwerkes 41 , 42 mit Einbindung eines ORC-Turbogenerators 8, 9 mit Hilfe einer Abhitzegewinnungsanlage 40 für das ORC-Arbeitsmittel. Die Abhitzegewinnungsanlage 40 weist Wärmetauscherflächen 44 zur Vorwärmung des im Kondensator 13 verflüssigten und mit Hilfe der Verdichtungseinrichtung 12 verdichteten ORC-Arbeitsmittels auf, welches über die Arbeitsmittelleitung 22 zu den Wärmetauscherflächen 44 gelangt und nach Vorwärmung und teilweisen Verdampfung über eine Verbindungsleitung 23 einer ORC- Ausdampftrommel 36 zugeführt wird. Den Wärmetauscherflächen 44 in Bezug auf die Strömungsrichtung der MT- und/oder HT-Wärmequelle vorgeschaltet sind Wärmetauscherflächen beziehungsweise Heizflächen 43 zum Verdampfen des in einem Zwangsumlauf mit der ORC-Ausdampftrommel 36 geführten Arbeitsmittels. In dem Zwangsumlaufsystem ist eine Umwälzpumpe 37 angeordnet. Der Arbeitsmitteldampf gelangt aus der ORC-Ausdampftrommel 36 über eine Dampfleitung 20 in eine erste Überhitzerstufe 45.1 , welche mit Hilfe einer Bypassleitung 27 und eines ersten Dreiwegeventils 31 by- passierbar gestaltet ist.5 shows the circuit and flow diagram of a diesel engine power plant 41, 42 with the integration of an ORC turbogenerator 8, 9 by means of a waste heat recovery plant 40 for the ORC working fluid. The waste heat recovery plant 40 has heat exchanger surfaces 44 for preheating the condensed in the condenser 13 and compressed by means of the compression device 12 ORC working fluid, which passes through the working medium line 22 to the heat exchanger surfaces 44 and after preheating and partial evaporation via a connecting line 23 of an ORC evaporation 36th is supplied. The heat exchanger surfaces 44 upstream of the MT and / or HT heat source with respect to the flow direction are heat exchanger surfaces or heating surfaces 43 for evaporating the working medium guided in a forced circulation with the ORC evaporation drum 36. In the forced circulation system, a circulation pump 37 is arranged. The working medium vapor passes from the ORC evaporation drum 36 via a steam line 20 into a first superheater stage 45. 1, which is designed to be passable by means of a bypass line 27 and a first three-way valve 31.
Der Abhitzegewinnungsanlage 40 vorgeschaltet ist ein Heißgaserzeuger 46, in welchen eine zweite Überhitzerstufe 45.2 zur Endüberhitzung des Arbeitsmitteldampfes integriert ist. Von dieser Endüberhitzerstufe 45.2 gelangt der Heißdampf über eine Heißdampfleitung 21 zu der ORC-Turbine 8.Upstream of the waste heat recovery plant 40 is a hot gas generator 46, in which a second superheater stage 45.2 is integrated for the final superheating of the working medium vapor. From this final superheater stage 45.2, the superheated steam passes via a superheated steam line 21 to the ORC turbine 8.
Mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses 54 werden über einen Rezirkulationskanal 48 abgekühlte Rauchgase 47 in den Heißgaserzeuger 46 eingedüst, um die Heißgastemperatur vor der zweiten Überhitzerstufe 45.2 beziehungsweise dem Endüberhitzer des Arbeitsmittels auf etwa 650° C, maximal 780° C zu reduzieren. Dadurch wird einem Vercrackungsvorgang des überhitzten Arbeitsmitteldampfes entgegengewirkt und die Lebensdauer des im Kreislauf geführten ORC-Arbeitsmittels wird verlängert. Die Abgase 38 des Dieselmotors 41 gelangen über einen Motorabgaskanal 39 in einen Abgassammler 49, welchem auch die Heißgase 35 aus dem Heißgaserzeuger 46 zugeführt werden.With the aid of a recirculation blower 54, cooled flue gases 47 are injected into the hot gas generator 46 via a recirculation channel 48 in order to reduce the hot gas temperature before the second superheater stage 45.2 or the final superheater of the working medium to approximately 650 ° C., maximum 780 ° C. This counteracts a cracking operation of the superheated working medium vapor and prolongs the life of the recirculating ORC working fluid. The exhaust gases 38 of the diesel engine 41 pass through an engine exhaust duct 39 into an exhaust gas collector 49, which is also supplied with the hot gases 35 from the hot gas generator 46.
Eine Wirkungsrad-Feinoptimierung erfolgt mit Hilfe eines Regelsystems 51 , welches in Abhängigkeit von der Turbinenleistung die Beaufschlagung der ersten Überhitzerstufe 45.1 und die Brennstoffzufuhr 50 für den Heißgaserzeuger 46 regelt. Der Wirkungsgrad des Dieselmotor-Kraftwerkes wird durch die erfindungsgemäß kombinierte Heißgaserzeuger - ORC-Technologie von etwa 40% bis 42% auf 45% bis 52% angehoben.An effective-fine fine-tuning takes place with the aid of a control system 51 which regulates the admission of the first superheater stage 45.1 and the fuel supply 50 for the hot gas generator 46 as a function of the turbine output. The efficiency of the diesel engine power plant is increased from about 40% to 42% to 45% to 52% by the invented combined hot gas generator - ORC technology.
Fig. 6 zeigt im Prinzip die Anlage gemäß Fig. 5 und weist für identische Merkmale dieselben Bezugszeichen auf. An Stelle des Zwangumlauf-Verdampfungssystems der Fig. 5 mit Arbeitsmittelverdampfer 43, Umwälzpumpe 37 und ORC-Ausdampftrommel 36 sind jedoch die Verdampfer-Wärmetauscherflächen 43 als Durchlaufverdampfer geschaltet. Auf diese Weise kann eine Optimierung der in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 beschriebenen Pinch-Point (PP)-Situation und eine Senkung der Rauchgastemperatur in der Abgasleitung 53 erreicht werden.Fig. 6 shows in principle the system according to Fig. 5 and has the same reference numerals for identical features. Instead of the forced circulation evaporation system of FIG. 5 with working medium evaporator 43, circulating pump 37 and ORC evaporation drum 36, however, the evaporator heat exchanger surfaces 43 are connected as a continuous evaporator. In this way, an optimization of the pinch point (PP) situation described in connection with FIGS. 2 and 3 and a reduction of the flue gas temperature in the exhaust pipe 53 can be achieved.
Die Anlage gemäß Fig. 6 ermöglicht eine weitere Erhöhung des Wirkungsgrads eines ORC-Kraftwerkprozesses. Damit verbunden sind eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit und eine breitere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden MT-, NT- und HT- Wärme. The system according to FIG. 6 enables a further increase in the efficiency of an ORC power plant process. Associated with this are an improvement in economic efficiency and a wider utilization of the available MT, NT and HT heat.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad eines ORC- Kraftwerkprozesses, bei welchem ein im Kreislauf geführtes ORC-Arbeitsmittel nach einer Verdichtung in einem Verdampfer (10) mit Hilfe einer NT-Wärmequelle (18, 19) verdampft und nach Entspannung in einer ORC-Turbine (8) in einem Kondensator (13) kondensiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmitteldampf nach dem Verdampfer (10) einem Überhitzer (25; 45) zugeführt und darin überhitzt wird, wobei die Überhitzerheizflächen in einem MT-Abwärmestrom liegen, und dass der Arbeitsmitteldampf dann als überhitzter Heißdampf der ORC- Turbine (8) zugeführt wird.A method for increasing the power and efficiency of an ORC power plant process in which a recirculated ORC work fluid evaporates after compression in an evaporator (10) by means of an NT heat source (18, 19) and after expansion in an ORC Turbine (8) is condensed in a condenser (13), characterized in that the working medium vapor is supplied to the superheater (25; that the working medium vapor is then supplied as superheated superheated steam to the ORC turbine (8).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmitteldampf in einer ersten Überhitzerstufe (25.1; 45.1) des Überhitzers (25; 45) vorüberhitzt und in einer zweiten Überhitzerstufe (25.2; 45.2) des Überhitzers (25; 45) endüberhitzt wird und dass durch eine Bypas- sierung der ersten Überhitzerstufe (25.1; 45.1) der Arbeitsmitteldampf in allen Laststufen wenigstens der zweiten Überhitzerstufe (25.2; 45.2) zugeführt und überhitzt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the working medium vapor in a first superheater stage (25.1; 45.1) of the superheater (25; 45) overheated and in a second superheater stage (25.2; 45.2) of the superheater (25; 45) is finally overheated and that by means of a bypassing of the first superheater stage (25.1; 45.1) the working medium vapor is supplied and superheated in all load stages of at least the second superheater stage (25.2; 45.2).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ORC-Arbeitsmittel Kohlenwasserstoffe, Halogenkohlenwasserstoffe oder Ammoniak verwendet und im Verdampfer (10) mit einer NT-Wärmequelle (18, 19) im NT-Temperaturbereich von etwa 200° bis 300° C verdampft und im MT-Abwärmestrom überhitzt werden.3. The method according to claim 1, characterized in that used as ORC working fluid hydrocarbons, halogenated hydrocarbons or ammonia and in the evaporator (10) with an NT heat source (18, 19) are evaporated in the NT temperature range of about 200 ° to 300 ° C and overheated in the MT waste heat stream.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmitteldampf in einer Dampfleitung (20) dem Überhitzer (25; 45) zugeführt und mit Hilfe einer MT- und/oder HT-Wärmequelle (7; 35, 38, 47), welche eine Temperatur im Bereich von 300° bis maximal 800° C aufweist, überhitzt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the working medium vapor in a steam line (20) to the superheater (25; 45) and supplied by means of a MT and / or HT heat source (7; 35, 38, 47) , which has a temperature in the range of 300 ° to a maximum of 800 ° C, is overheated.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsmitteldampf in dem Überhitzer (25; 45) durch Rauch- oder Prozessgase oder durch Wärmestrahlung überhitzt wird und danach in einer Heißdampfleitung (21) der ORC-Turbine (8) zugeführt wird.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the working medium vapor in the superheater (25; 45) is overheated by smoke or process gases or heat radiation and then in a hot steam line (21) of the ORC turbine (8) is supplied ,
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine regelbare Menge des verdichteten ORC-Arbeitsmittels Wärmetauscherflächen (24; 43, 44) zugeführt und vorgewärmt und/oder wenigstens teilweise verdampft und danach dem Verdampfer (10) oder einer ORC- Ausdampftrommel (36) zugeführt wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a controllable amount of the compressed ORC working fluid heat exchanger surfaces (24; 43, 44) supplied and preheated and / or at least partially evaporated and then the evaporator (10) or an ORC evaporation drum (36) is supplied.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen (24; 43, 44) mit der MT-Wärmequelle nach den Überhitzerstufen (25.1, 25.2; 45.1, 45.2) des Überhitzers (25; 45) beaufschlagt werden.7. The method according to claim 6, characterized in that the heat exchanger surfaces (24, 43, 44) with the MT heat source after the superheater stages (25.1, 25.2, 45.1, 45.2) of the superheater (25, 45) are acted upon.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengenverteilung des verdichteten ORC-Arbeitsmittels zum Verdampfer (10) und zu den Wärmetauscherflächen (24) eines Abgas- Wärmetauschers (26) in Abhängigkeit von der im Verdampfer (10) und im Ab- gas-Wärmetauscher (26) zur Verfügung stehenden, auskoppelbaren Wärme geregelt wird.8. The method according to claim 6 or 7, characterized in that the quantity distribution of the compressed ORC working fluid to the evaporator (10) and to the heat exchanger surfaces (24) of an exhaust gas heat exchanger (26) in dependence on the in the evaporator (10) and in From- Gas heat exchanger (26) available, decoupled heat is controlled.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Wärmetauscherflächen (24; 44) und den Überhitzerstufen (25.1, 25.2; 45.1, 45.2) ausgekoppelte Wärme durch eine lastoptimierte Regelung der dem Verdampfer (10) und/oder den Wärmetauscherflächen (24; 44) sowie den ersten und/oder zweiten Überhitzerstufen (25.1, 25.2; 45.1, 45.2) zugeführten Arbeitsmittelmenge maximiert wird.9. The method according to any one of claims 6 to 9, characterized in that at the heat exchanger surfaces (24, 44) and the superheater stages (25.1, 25.2, 45.1, 45.2) coupled out by a heat-optimized control of the evaporator (10) and / or the heat exchanger surfaces (24, 44) and the first and / or second superheater stages (25.1, 25.2, 45.1, 45.2) supplied amount of working fluid is maximized.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als NT-Wärmequelle (18, 19) Thermalwasser mit einer Temperatur von etwa 100° bis 170° C und als MT- und/oder HT-Wärmequelle (7; 35, 38, 47) Prozess- oder Rauchgase aus einem Gasturbinenprozess, einem chemischen, verfahrenstechnischen oder metallurgischen Prozess und/oder aus einem mit Öl, Gas oder Biomasse gefeuerten Heißgaserzeuger (46) verwendet werden.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that as NT heat source (18, 19) thermal water at a temperature of about 100 ° to 170 ° C and as MT and / or HT heat source (7, 35, 38 , 47) process or flue gases from a gas turbine process, a chemical, process engineering or metallurgical process and / or from an oil, gas or biomass fired hot gas generator (46) can be used.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ORC-Arbeitsmittel nach der Verdichtung einer Abhitzegewinnungsanlage (40) zugeführt, an der darin angeordneten Wärmetauscherfläche (44) vorgewärmt und einer ORC-Ausdampftrommel (36) zugeführt und in einem Zwangsumlauf Wärmetauscherflächen (43) zum zumindest teilweisen Verdampfen zugeführt wird und dass der Arbeitsmitteldampf aus der ORC- Ausdampftrommel (36) der ersten Überhitzerstufe (45.1) und danach der zweiten Überhitzerstufe (45.2) der Abhitzegewinnungsanlage (40) zugeführt und überhitzt wird und danach der ORC-Turbine (8) zur Verstromung zugeführt wird. 11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ORC working fluid after the compression of a waste heat recovery plant (40), preheated at the therein arranged heat exchanger surface (44) and fed to an ORC evaporation drum (36) and in a forced circulation heat exchanger surfaces (43) is supplied for at least partial evaporation and that the working medium vapor from the ORC evaporation drum (36) of the first superheater stage (45.1) and then the second superheater stage (45.2) of the waste heat recovery system (40) is supplied and overheated and then the ORC turbine (8) is supplied for power generation.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Abhitzegewinnungsanlage (40) Heißgase (35) aus einem vorgeschalteten Heißgaserzeuger (46) durch Rauchgase (47) aus einem Rezirkula- tionsgaskanal (48) mit Hilfe eines Rezirkulationsgebläses (54) auf etwa 650° bis 700° C abgekühlt werden, bevor sie den Überhitzerstufen (45.2, 45.1) und den Wärmetauscherflächen (43, 44) zum Verdampfen und Vorwärmen des verdichteten ORC-Arbeitsmittels zugeführt werden.12. The method according to claim 11, characterized in that in the waste heat recovery system (40) hot gases (35) from an upstream hot gas generator (46) by flue gases (47) from a recirculation gas duct (48) by means of a Rezirkulationsgebläses (54) to about 650 ° to 700 ° C are cooled before they are the superheater stages (45.2, 45.1) and the heat exchanger surfaces (43, 44) for evaporation and preheating of the compressed ORC-working fluid supplied.
13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass den Heißgasen (35) des Heißgaserzeugers (46) und den rezirkulierten Rauchgasen (47) Abgase (38) eines Dieselmotor-Kraftwerks (41, 42) in einem Abgassammler (49) zugemischt werden.13. The method according to claim 10 or 12, characterized in that the hot gases (35) of the hot gas generator (46) and the recirculated flue gases (47) exhaust gases (38) of a diesel engine power plant (41, 42) in an exhaust manifold (49) admixed become.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines Regelsystems, insbesondere eines NC-Regelsystems (51), in Abhängigkeit von der Leistung der ORC-Turbine (8) die Arbeitsmitteldampfmenge zur ersten und zweiten Überhitzerstufe (45.1, 45.2) und die Brennstoffmenge (50) des Heißgaserzeugers (46) geregelt werden.14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that with the aid of a control system, in particular an NC control system (51), depending on the power of the ORC turbine (8) the working medium vapor quantity to the first and second superheater stage (45.1 , 45.2) and the fuel quantity (50) of the hot gas generator (46) are regulated.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des verdichteten und vorerwärmten ORC- Arbeitsmittels mit Hilfe einer Umwälzpumpe (37) in einem Zwangumlauf- Verdampfersystem von der ORC-Ausdampftrommel (36) und den Verdampfer- Wärmetauscherflächen (43), welche, bezogen auf die Strömungsrichtung der Wärmequelle, der Wärmetauscherfläche (44) vorgeschaltet sind, geführt wird.15. The method according to any one of claims 10 to 14, characterized in that at least a portion of the compressed and preheated ORC working fluid by means of a circulating pump (37) in a forced circulation evaporator system of the ORC-evaporation drum (36) and the evaporator heat exchanger surfaces ( 43), which, based on the flow direction of the heat source, the heat exchanger surface (44) are connected upstream, is guided.
16. Vorrichtung zur Erhöhung von Leistung und Wirkungsgrad eines ORC- Kraftwerkprozesses, mit einem Verdampfer (10) für ein verdichtetes ORC-Arbeitsmittel, einer ORC- Turbine (8), welche mit dem Verdampfer (10) zur Zuführung des Arbeitsmitteldampfes verbunden ist, mit einem Kondensator (13), welchem der in der ORC-Turbine (8) entspannte Arbeitsmitteldampf zugeführt wird, und mit einer Verdichtungseinrichtung (12) zur Verdichtung des im Kondensator (13) verflüssigen Arbeitsmittels, welche mit dem Verdampfer (10) über eine Leitung (16) verbunden ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überhitzer (25; 45) separat angeordnet und eingangsseitig mit dem Verdampfer (10) über eine Dampfleitung (20) für den Arbeitsmitteldampf aus dem Verdampfer (10) und ausgangsseitig mit der ORC-Turbine (8) über eine Heißdampfleitung (21) für den überhitzten Arbeitsmitteldampf aus dem Überhitzer (25; 45) verbunden ist.16. An apparatus for increasing the power and efficiency of an ORC power plant process, comprising an evaporator (10) for a compressed ORC working fluid, an ORC turbine (8) connected to the evaporator (10) for supplying the working fluid vapor, with a condenser (13), to which the working medium vapor released in the ORC turbine (8) is supplied, and with a compression device (12) for compressing the working fluid liquefied in the condenser (13), which is connected to the evaporator (10) via a line (16) is connected, in particular according to one of claims 1 to 15, characterized in that a superheater (25; 45) arranged separately and the input side with the evaporator (10) via a steam line (20) for the working medium vapor from the evaporator (10 ) and the output side with the ORC turbine (8) via a hot steam line (21) for the superheated working medium vapor from the superheater (25; 45) is connected.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzer (25; 45) ein Abgas-Wärmetauscher (26) einer Gasturbinenanlage (1 bis 5), eines mit Öl, Gas oder Biomasse direkt gefeuerten Heißgaserzeugers, und/oder eines chemischen, metallurgischen oder verfahrenstechnischen Prozesses und/oder einer Abhitzegewinnungsanlage (40), beispielsweise eines Dieselmotor-Kraftwerkes (41, 42) ist, in welchen MT-Wärme und/oder HT-Wärme von Abgasen (7, 38), Heißgasen (35) und/oder Rauchgasen (47) zur Überhitzung des Arbeitsmitteldampfes auskoppelbar ist.17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the superheater (25; 45) an exhaust gas heat exchanger (26) of a gas turbine plant (1 to 5), a directly fired with oil, gas or biomass hot gas generator, and / or a chemical, metallurgical or process engineering process and / or a waste heat recovery plant (40), for example a diesel engine power plant (41, 42), in which MT heat and / or HT heat of exhaust gases (7, 38), hot gases (35) and / or flue gases (47) for overheating of the working medium vapor can be coupled out.
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Überhitzer (25; 45) wenigstens eine erste Überhitzerstufe (25.1, 45.1) zur Vorüberhitzung des Arbeitsmitteldampfes aus dem Verdampfer (10) und eine zweite Überhitzerstufe (25.2, 45.2) zur Endüberhitzung des Arbeitsmitteldampfes aus dem Verdampfer (10) oder zur Endüberhitzung eines Gemisches aus vorüberhitztem Arbeitsmitteldampf aus der ersten Überhitzerstufe (25.1, 45.1) und des Arbeitsmitteldampfes aus dem Verdampfer (10) aufweist. 18. The apparatus of claim 16 or 17, characterized in that the superheater (25; 45) at least a first superheater stage (25.1, 45.1) for overheating the working medium vapor from the evaporator (10) and a second superheater stage (25.2, 45.2) for final overheating the working medium vapor from the evaporator (10) or the final superheating of a mixture of temporarily heated working medium vapor from the first superheater stage (25.1, 45.1) and the working medium vapor from the evaporator (10).
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (27) und ein erstes Dreiwegeventil (31) zur regelbaren Beaufschlagung der ersten und zweiten Überhitzerstufe (25.1, 25.2; 45.1, 45.2) und zur Teil-Bypassierung der ersten Überhitzerstufe (25.1; 45.1) angeordnet sind.19. Device according to one of claims 16 to 18, characterized in that a bypass line (27) and a first three-way valve (31) for controllable loading of the first and second superheater stage (25.1, 25.2, 45.1, 45.2) and partial bypassing of first superheater stage (25.1; 45.1) are arranged.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmittelleitung (22) nach der Verdichtungseinrichtung (12) geteilt ist, beispielsweise durch ein zweites Dreiwegeventil (32), und eine Leitung (22.1) mit dem Verdampfer (10) und eine zweite Leitung (22.2) mit Wärmetauscherflächen (24; 43, 44) eines Abgaswärmetauschers (26) und/oder einer Abhitzegewinnungsanlage (40) zur Vorwärmung und/oder Verdampfung wenigstens einer Teilmenge des verdichteten Arbeitsmittels verbunden ist und dass die Wärmetauscherflächen (24; 43, 44) durch eine Verbindungsleitung (23) mit dem Verdampfer (10) verbunden sind.20. Device according to one of claims 16 to 19, characterized in that the working medium line (22) after the compression device (12) is divided, for example by a second three-way valve (32), and a line (22.1) with the evaporator (10). and a second line (22.2) is connected to heat exchanger surfaces (24, 43, 44) of an exhaust gas heat exchanger (26) and / or a waste heat recovery system (40) for preheating and / or evaporating at least a subset of the compressed working fluid and that the heat exchanger surfaces (24; 43, 44) are connected by a connecting line (23) with the evaporator (10).
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Dreiwegeventil (31, 32) durch einen Regelkreis verbunden sind und mit Hilfe einer Regeleinrichtung (33) beispielsweise einem Split-Range-Leistungsregler, lastoptimiert regelbar sind.21. Device according to one of claims 16 to 20, characterized in that the first and second three-way valve (31, 32) are connected by a control circuit and with the aid of a control device (33), for example, a split-range power controller, load-optimized adjustable.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Abhitzegewinnungsanlage (40) den Wärmetauscherflächen (44) zum Vorwärmen des verdichteten Arbeitsmittels Verdampfer- Wärmetauscherflächen (43) und Wärmetauscherflächen beziehungsweise Heizflächen als erste Überhitzerstufe (45.1) beziehungsweise als Vorüberhitzer nachgeschaltet sind und dass für das Arbeitsmittel ein Zwangumlaufsystem bestehend aus den Verdampfer-Wärmetauscherflächen (43), einer Umwälzpumpe (37) und einer Arbeitsmittelausdampftrommel (36) angeordnet ist. 22. Device according to one of claims 16 to 21, characterized in that in a waste heat recovery plant (40) the heat exchanger surfaces (44) for preheating the compressed working fluid evaporator heat exchanger surfaces (43) and heat exchanger surfaces or heating surfaces as the first superheater stage (45.1) or as a pre-heater are arranged downstream and that for the working fluid a forced circulation system consisting of the evaporator heat exchanger surfaces (43), a circulating pump (37) and a Arbeitsmittelausdampftrommel (36) is arranged.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Abhitzegewinnungsanlage (40) ein Heißgaserzeuger (46) mit integrierten Wärmetauscher- beziehungsweise Heizflächen als zweite Überhitzerstufe (45.2) beziehungsweise Endüberhitzer vorgeschaltet ist und die Temperatur der Heißgase (35) vor Zuführung zu der zweiten Überhitzerstufe (45.2) mittels in einem Rezirkulationskanal (48) geführten Rauchgasen (47) auf mindestens 650° C und maximal 850° C einstellbar ist.23. The apparatus according to claim 22, characterized in that the waste heat recovery plant (40) is connected upstream of a hot gas generator (46) with integrated heat exchanger or heating surfaces as the second superheater stage (45.2) or final superheater and the temperature of the hot gases (35) before feeding to the second Superheater stage (45.2) by means of in a recirculation passage (48) guided flue gases (47) to at least 650 ° C and a maximum of 850 ° C is adjustable.
24. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaskanal (39) das Dieselmotorkraftwerk (41, 42) mit einem Abgassammler (49) verbindet, in welchen die mit rezirkulierten Rauchgasen (47) abgekühlten Heißgase (35) des Heißgaserzeugers (46) nach der zweiten Überhitzerstufe (45.2) gelangen und zur weiteren Auskopplung der MT- und/oder HT-Wärme der ersten Überhitzerstufe (45.1) und den Verdampfer- Wärmetauscherflächen (43) und Wärmetauscherflächen zum Vorwärmen (44) zuführbar sind.24. The apparatus of claim 22 or 23, characterized in that an exhaust passage (39) connects the diesel engine power plant (41, 42) with an exhaust manifold (49), in which with recirculated flue gases (47) cooled hot gases (35) of the hot gas generator ( 46) after the second superheater stage (45.2) and for further decoupling of the MT and / or HT heat of the first superheater stage (45.1) and the evaporator heat exchanger surfaces (43) and heat exchanger surfaces for preheating (44) can be fed.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ein NC-Regelsystem (51) für die Beaufschlagung der ersten und/oder zweiten Überhitzerstufe (45.1, 45.2) mit Arbeitsmitteldampf und der Brennstoffmenge (50) des Heißgaserzeugers (46) in Abhängigkeit von der Leistung der ORC-Turbine (8) vorgesehen ist.25. Device according to one of claims 22 to 24, characterized in that an NC control system (51) for the application of the first and / or second superheater stage (45.1, 45.2) with working medium vapor and the amount of fuel (50) of the hot gas generator (46). depending on the power of the ORC turbine (8) is provided.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherflächen (44) zum Vorwärmen des verdichteten Arbeitsmittels Wärmetauscherflächen (43) eines Durchlaufverdampfers nachgeschaltet sind, welche mit dem Verdampfer (10) über eine Verbindungsleitung (23) verbunden sind. 26. Device according to one of claims 22 to 25, characterized in that the heat exchanger surfaces (44) for preheating the compressed working fluid heat exchanger surfaces (43) of a continuous evaporator are connected, which with the evaporator (10) via a connecting line (23) are connected.
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