DE19716299C1

DE19716299C1 - Thermal and electrical combined energy plant

Info

Publication number: DE19716299C1
Application number: DE19716299A
Authority: DE
Inventors: Johannes Sorg
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-02-12
Anticipated expiration: 2017-04-19

Abstract

The combined energy plant has a combustion engine, an electrical generator driven by the engine and at least one heat exchanger for extracting heat from the exhaust gases and the cooling water of the engine. The engine is coupled to the electrical generator via a drive transmission, e.g. a continuously variable transmission, incorporating a retarder, e.g. a hydrodynamic retarder, with an electronic regulating circuit controlling the engine output, the transmission ratio and the retarder operation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blockheizkraft werk, bestehend aus einem Verbrennungsmotor, einem Genera tor zur Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie und einem oder mehreren Wärmetauschern zur Übertra gung der im Abgas und im Kühlwasser des Motors anfallenden thermischen Energie an ein Heizsystem.The present invention relates to a block heating power plant, consisting of an internal combustion engine, a genera Gate to convert mechanical energy into electrical Energy and one or more heat exchangers for transfer supply of the engine exhaust and cooling water thermal energy to a heating system.

Der Einsatz von sogenannten Blockheizkraftwerken fin det verstärkt Interesse, insbesondere in Krankenhäusern oder Wohnanlagen, die mehr als 1 MW Heizleistung benötigen. Im mittleren elektrischen Leistungsbereich, hauptsächlich zwischen 300 kW und 500 kW, werden vermehrt Blockheizkraft werke eingesetzt, die nicht nur Wärme, sondern auch Strom liefern. Dies liegt in erster Linie darin, daß Blockheiz kraftwerke, bei denen Verbrennungsmotoren sowohl Strom als auch Wärme erzeugen, üblicherweise einen höheren Wirkungs grad aufweisen als die normale Energieerzeugung. Sie nutzen die Primärenergie bis zu 85% aus; dabei werden etwa 30% über den Generator in elektrische Leistung transformiert, während 55% als Heizungswärme aus Motorkühlung und Abgasen anfallen. Der dezentrale Standort hat gegenüber großen Heizkraftwerken erhebliche Vorteile.The use of so-called combined heat and power plants fin det increases interest, especially in hospitals or residential complexes that require more than 1 MW heating output. In the medium electrical power range, mainly between 300 kW and 500 kW, block heating power is increasing works that not only heat, but also electricity deliver. This is primarily due to the fact that block heating power plants in which internal combustion engines generate both electricity and also generate heat, usually more effective degrees than normal energy production. you use the primary energy up to 85%; about 30% transformed into electrical power via the generator, while 55% as heating heat from engine cooling and exhaust gases attack. The decentralized location has large CHP plants have significant advantages.

Nachteilig sind meistens die Investitionskosten, wel che ein Vielfaches der Heizkesseltechnik betragen. Aus die sem Grunde sind Blockheizkraftwerke meist nur dann wirt schaftlich, wenn sie das ganze Jahr hindurch im Einsatz sind. The investment costs are mostly disadvantageous a multiple of the boiler technology. From the For this reason, combined heat and power plants are usually only hosts economical when in use all year round are.

Die Spitzenlast, beispielsweise eines Krankenhauses, wird jedoch nur an wenigen Tagen des Jahres benötigt. Da jedoch die elektrische und die thermische durch das Block heizkraftwerk zur Verfügung gestellte Leistung für jeden Betriebspunkt des Motors in einem festen Verhältnis stehen, wird die Auslegung meistens derart vorgenommen, daß der maximale Wärmebedarf durch die thermische Verlustleistung des Motors abgedeckt werden kann. Dabei fällt zwangsläufig eine bestimmte elektrische Überschußleistung an, die in das Netz des zuständigen Energieversorgungsunternehmens einge speist wird, ohne daß jedoch diese Einspeisung zu einem kostendeckenden Betrieb des Blockheizkraftwerkes führt.The peak load, for example of a hospital, is only needed on a few days of the year. There however, the electrical and thermal through the block power plant made available to everyone Operating point of the engine are in a fixed ratio, is usually interpreted in such a way that the maximum heat requirement due to the thermal power loss of the engine can be covered. It inevitably falls a certain electrical excess power, which in the Network of the responsible energy supply company is fed, but without this feed into one cost-effective operation of the combined heat and power plant.

Dies bedeutet, daß die installierte Leistung für den Verbrennungsmotor immer höher liegt als die maximal benö tigte Gesamtleistung. So besteht im Sommer üblicherweise ein hoher Bedarf an elektrischer Energie, z. B. zum Betrieb von Klimaanlagen, und ein niedriger Bedarf an Wärmeenergie, während im Winter ein relativ hoher Bedarf an thermischer Energie, z. B. für Heizzwecke, besteht und ein niedrigerer Bedarf an elektrischer Energie.This means that the installed capacity for the Internal combustion engine is always higher than the maximum required total performance. So usually exists in summer a high need for electrical energy, e.g. B. for operation of air conditioners, and a low need for thermal energy, while in winter a relatively high need for thermal Energy, e.g. B. for heating, and there is a lower Electrical energy requirements.

Der gesamte Leistungsbereich der bekannten Blockheiz kraftwerke wird dabei aufgrund der Generatoranforderungen mit einer konstanten Motordrehzahl gefahren. Dies bedeutet wiederum zwangsläufig, daß der Motor teilweise in Kennfeld bereichen mit hohem spezifischen Kraftstoffverbrauch be trieben werden muß und daß der Motor teilweise in Betriebs punkten mit hohen Schadstoffemissionen gefahren wird.The entire performance range of the well-known block heater Power plants are based on the generator requirements driven at a constant engine speed. this means again inevitably that the engine is partly in the map areas with high specific fuel consumption must be driven and that the engine partially in operation points with high pollutant emissions.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Block heizkraftwerk zu schaffen, bei dem die oben genannten Nach teile vermieden sind, bei dem also der Verbrennungsmotor derart gesteuert wird, daß das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Leistung zur abgegebenen thermischen Leistung in einem großen Bereich dem jeweiligen Bedarf angepaßt wer den kann.The object of the present invention is a block to create a thermal power station where the above mentioned Parts are avoided, so the internal combustion engine is controlled so that the ratio of the delivered electrical power to the given thermal power adapted in a large area to the respective needs that can.

Ausgehend von einem Blockheizkraftwerk der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Un teransprüchen beschrieben.Starting from a cogeneration unit at the beginning This type of problem is solved with specified in the characterizing part of claim 1 Characteristics; advantageous embodiments are in the Un Described claims.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, daß zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Generator ein Getriebe und ein Retarder geschaltet sind, wobei das Getriebe vorzugs weise ein stufenloses Getriebe und der Retarder vorzugswei se ein hydrodynamischer Retarder ist, welche durch eine geeignete elektronische Regelschaltung ansteuerbar sind.According to the invention it is therefore proposed that between the internal combustion engine and the generator a gear and a retarder are switched, the transmission preferred a continuously variable transmission and the retarder preferably se is a hydrodynamic retarder, which is characterized by a suitable electronic control circuit can be controlled.

Damit wird der Vorteil erzielt, daß dem Verbrennungs motor jeweils die Leistung abgefordert wird, welche der Summe aus abgegebener elektrischer und thermischer Leistung entspricht, wobei die jeweils abgeforderte mechanische Lei stung für den Generator und den Retarder bei konstanter Drehzahl vorhanden ist, während der Verbrennungsmotor je weils mit derjenigen Drehzahl gefahren werden kann, bei der die entsprechende Leistung dem minimalen spezifischen Kraftstoffverbrauch entspricht und/oder mit der eine mini male Schadstoffemission erzielt wird.This has the advantage that the combustion power is demanded which the Sum of electrical and thermal power delivered corresponds, the mechanical lei required in each case for the generator and the retarder at constant Speed is present, while the internal combustion engine ever because it can be driven at the speed at which the corresponding performance to the minimum specific Fuel consumption corresponds and / or with a mini male pollutant emission is achieved.

Das Verhältnis der abgegebenen elektrischen Leistung zur abgegebenen thermischen Leistung ist in einem großen Bereich durch unterschiedliche Ansteuerung des Retarders aufgrund der elektronischen Regelschaltung dem jeweiligen Bedarf entsprechend anpaßbar.The ratio of the electrical power output thermal power output is in a large Area by different control of the retarder due to the electronic control circuit Can be adjusted accordingly.

Das erfindungsgemäß ausgestaltete Blockheizkraftwerk weist einen hohen Gesamtwirkungsgrad über den vollen Lei stungsbereich auf; dies bedeutet auch, daß keine Einspei sung von nicht benötigter elektrischer Überschußenergie in das Netz der Versorgungsunternehmen erforderlich ist; die installierte Leistung kann kleiner sein als bei den her kömmlichen Blockheizkraftwerken, da die gesamte vom Ver brennungsmotor erzeugte mechanische Leistung bei Bedarf durch den Retarder verschleißfrei in thermische Leistung umgewandelt werden kann.The combined heat and power plant designed according to the invention has a high overall efficiency over the full lei range of services; this also means that no feed solution of unnecessary excess electrical energy in the network of utilities is required; the installed power may be less than the previous conventional cogeneration plants, as the whole of Ver internal combustion engine generated mechanical power when needed through the retarder wear-free in thermal performance can be converted.

Da der erfindungsgemäß vorgesehene Retarder selbst als Pumpe wirkt, ist für den Heizkreislauf (Retarder-Wärmetauscher) keine weitere Pumpe notwendig.Since the retarder provided according to the invention itself as Pump acts, is for the heating circuit (retarder heat exchanger) no further pump necessary.

Es ist leicht möglich, das Blockheizkraftwerk modular für die unterschiedlichsten Anforderungen und Anwendungen auszugestalten, d. h. entweder als einfaches Stromaggregat oder als umfangreiches für zahlreiche Wohnungen geeignetes Blockheizkraftwerk. Bei einer Ausgestaltung als kompaktes Power-Pack können Motor, Getriebe, Retarder, Generator, Wärmetauscher und Regelschaltung in Parallelanordnung oder in Längsanordnung platzsparend untergebracht werden.It is easily possible to modular the combined heat and power plant for a wide variety of requirements and applications to design, d. H. either as a simple generator or as an extensive one suitable for numerous apartments CHP plant. In a configuration as a compact Power pack can motor, gearbox, retarder, generator, Heat exchanger and control circuit in parallel arrangement or in a longitudinal arrangement to save space.

Das erfindungsgemäße Blockheizkraftwerk eignet sich sowohl für den mittleren Leistungsbereich von 300 kW bis 500 kW, z. B. zur Anwendung in Krankenhäusern, Hotels, Fe rienanlagen oder Wohnvierteln, als auch als Einzelstromge nerator zur Versorgung von Einzelgehöften, Arztpraxen, Stellwerken etc.The combined heat and power plant according to the invention is suitable for the medium power range from 300 kW to 500 kW, e.g. B. for use in hospitals, hotels, Fe rienanlagen or residential areas, as well as individual Stromge nerator for the supply of individual homesteads, medical practices, Signal boxes etc.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbei spiel dargestellt ist; dabei zeigt die einzige Figur sche matisch ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Block heizkraftwerkes.In the following the invention with reference to the drawing explained in more detail in the an advantageous embodiment game is shown; the only figure shows Sche matically a block diagram of a block according to the invention thermal power plant.

Dem üblichen in einem Blockheizkraftwerk vorhandenen Verbrennungsmotor ist hierbei ein stufenloses Getriebe, insbesondere ein SHL-Getriebe, nachgeschaltet, das wiederum über einen Retarder, der vorzugsweise ein hydrodynamischer Retarder ist, mit dem Generator verbunden ist.The usual one in a combined heat and power plant The internal combustion engine is a continuously variable transmission, in particular an SHL transmission, which in turn via a retarder, which is preferably a hydrodynamic Retarder is connected to the generator.

Über ein mit dem Verbrennungsmotor und dem Getriebe sowie dem Retarder verbundenes Wärmetauschsystem wird die thermische Energie, z. B. für Heizzwecke, abgeführt. Der Generator gibt die elektrische Energie ab, wobei das Block heizkraftwerk über eine Regeleinheit in Form einer elektro nischen Schaltung entsprechend gesteuert wird.About one with the internal combustion engine and the transmission as well as the heat exchange system connected to the retarder thermal energy, e.g. B. for heating purposes. Of the Generator releases the electrical energy, taking the block thermal power plant via a control unit in the form of an electro African circuit is controlled accordingly.

Dem Verbrennungsmotor wird nun nur die Leistung abge fordert, welche der Summe aus abgegebener elektrischer und thermischer Leistung entspricht. Die Regeleinheit, d. h. eine elektronische Schaltung zur Motorleistungsregelung, zur Getriebeübersetzungssteuerung und zur Retardersteue rung, stellt dabei sicher, daßThe internal combustion engine is now only the power demands which of the sum of electrical and corresponds to thermal performance. The control unit, i. H. an electronic circuit for engine power control, for transmission ratio control and retarder control tion, make sure that

a) the mechanical performance required for the Generator and for the retarder at constant speed is present (frequency);
b) the internal combustion engine ran at each speed ren, in which the corresponding performance with the minimum specific fuel consumption and / or is achieved with the minimum pollutant emission and
c) the ratio of the electrical power output for thermal output in a large Area through different control of the retar which is adapted to the respective needs.

Die zu installierende elektrische Leistung ist beim erfindungsgemäßen Blockheizkraftwerk kleiner als bei den herkömmlichen Blockheizkraftwerken nach dem Stand der Tech nik, da die gesamte vom Verbrennungsmotor erzeugte mechani sche Leistung bei Bedarf durch den Retarder verschleißfrei in thermische Leistung umgewandelt werden kann. Der Retar der selbst wirkt dabei als Pumpe, so daß keine weitere Pum pe für den Heizkreislauf aus Retarder und Wärmetauscher erforderlich ist.The electrical power to be installed is at Combined heat and power plant according to the invention smaller than in the conventional cogeneration plants according to the state of the art nik, since the entire mechani If necessary, the retarder makes wear-free performance can be converted into thermal power. The Retar it itself acts as a pump, so that no further pumps pe for the heating circuit consisting of a retarder and heat exchanger is required.

Claims

1. Combined heat and power plant, consisting of a combus- tion engine, a generator for converting the mechanical energy into electrical energy and one or more heat exchangers for transferring the thermal energy generated in the exhaust gas and in the cooling water of the engine to a heating system, characterized in that between the internal combustion engine and the generator, a transmission and an adjoining retarder are switched on.

2. Combined heat and power plant according to claim 1, characterized ge indicates that the transmission is a stepless ses gearbox.

3. cogeneration plants according to claim 1, characterized ge indicates that the retarder is a hydrodyne mixer retarder.

4. Combined heat and power plants according to one of the preceding Claims, characterized in that the internal combustion engine, the transmission, the retarder and the Generator connected to an electronic control circuit which are the engine power, the gear ratio and controls the retarder effect.