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Stromerzeugung mit Schraubenmotoren

 

Stromerzeugung mit Schraubenmotoren

Generation of current by screw-type engine

Einsatz von Dampfschraubenmotoren zur Verstromung von Wärmepotentialen am Beispiel der Demonstrationsanlage an der Universität Dortmund

Prof. Dr.-Ing. K. Kauder

Dr.-Ing. C. Fost

Dr.-Ing. R. Piatkowski

 

Zusammenfassung

Vorgestellt wird ein Konzept zur dezentralen Energiewandlung, das primär zur Nutzung von Wärme- (Abwärme-) potentialen auf einem mittleren bis niedrigen Temperaturniveau im unteren Leistungsbereich dient. Kernstück ist dabei ein dampfbetriebener Schraubenmotor. Am Beispiel der Kraft-Wärme-Kopplung im Blockheizkraftwerk der Universität Dortmund werden der Aufbau und die Funktion dieses Anlagenkonzeptes erläutert und es wird über die ersten Erfahrungen mit diesem Anlagentyp berichtet. Die Wärme aus den Abgasen von drei Otto-Gasmotoren wird mittels Dampferzeuger und Schraubenmotor teilweise in Wellenarbeit gewandelt, die zur Stromerzeugung dient. Die Restwärme wird im Fernwärmenetz der Universität sowie zum Betrieb einer Kältemaschine genutzt. Dadurch kann die Nutzung des Primärenergieträgers zur Stromerzeugung verbessert und die Umweltbelastung verringert werden.

 

Abstract

This paper presents a method of energy-transformation for heat sources of medium or low temperature. Central part is a steam powered screw-type engine. By example of the cogeneration power plant with integrated screw-type engine for energy supply at the University of Dortmund, design, function and first practical experience with this plant type are described. A part of the waste gas heat of three gas engines is be transformed by waste-heat boiler, screw-type engine and generator into electrical energy. The rest heat is transmitted to a long distance heating system and a refrigeration plant. By this concept of energy-transformation a more economical exploitation of primary energie and a lower level of enviromental pollution is possible.

 

1. Einleitung

Durch die weltweit vereinbarten Leitbilder zur Senkung der bestehenden Umweltbelastung, erfreut sich auch die dezentrale Energiewandlung einer wachsender Aufmerksamkeit mit steigender Wachstumsrate.

Gerade, wenn der Energieträger nicht als flüssiger oder gasförmiger Brennstoff bereits vorliegt, kann der auch in Großkraftwerken realisierte Wasserdampfprozeß (Clausius-Rankine-Prozeß) an Bedeutung gewinnen. Mit ihm können die genannten, aber auch feste Brennstoffe sowie Abwärme zur Energiewandlung, z. B. in elektrischen Strom genutzt werden.

Für die meist kleineren Leistungen dezentraler Anlagen sind Turbinen nur bedingt einsetzbar bzw. verfügbar.

Man kann annehmen, daß ähnlich wie bei den Kompressoren, bei denen der obere Leistungsbereich von den Turbokompressoren und der untere vom Schraubenkompressor dominiert wird, auch in der motorischen Anwendung die Schraubenmaschine im unteren Leistungsbereich entscheidende Vorzüge gegenüber der Turbomaschine aufweist. Um dies aufzuzeigen, wurde im Blockheizkraftwerk der Universität Dortmund eine dampfbetriebene Demonstrationsschraubenmotoranlage installiert, deren Dampferzeugung in einem Abhitzekessel durch die Abgase von drei Otto-Gasmotoren erfolgt. Ziele waren eine verbesserte Nutzung des Abwärmepotentials der Motorabgase durch die teilweise Wandlung der Wärme in elektrische Energie und das Sammeln von Erfahrungen mit derartigen Anlagenkonzepten.

 

2. Aufbau und Funktion des Schraubenmotors

Der Dampfschraubenmotor gehört in die Gruppe der mehrwelligen Rotationsverdrängermaschinen. Er besitzt zwei schrägverzahnte, rotierende Wellen, die von einem Gehäuse eng umschlossen werden. Das Arbeitsspiel entspricht etwa dem eines ventillosen Zweitakthubkolbenmotors. Der Arbeitsraum wird durch den Zahnlückenraum der Rotoren sowie dem Gehäuse gebildet. Das Arbeitsfluid (hier Dampf) strömt durch die in Bild 1 gekennzeichnete Gehäuseöffnung in den dahinter liegenden Profillückenraum, Bild 2, ein. Bei fortschreitender Rotordrehung wächst das Volumen der gekennzeichneten Profillücke. Der Füllvorgang ist beendet, wenn dieser Raum bei weiterer Rotordrehung vom Einlaßquerschnitt des Gehäuses vollständig getrennt wird. Der Expansionsvorgang, Bild 3, dreht die Rotoren im Sinne einer Profillückenraumzunahme bis die Rotorzahnköpfe die Auslaßgehäusekanten überfahren. Bei weiterer Drehung der Rotoren wird das Arbeitsfluid nach beendeter Expansion aus dem Profillückenraum verdrängt, Bild 4. Das beschriebene Arbeitsspiel läuft je nach Zähnezahl des Hauptrotors mehrmals pro Umdrehung ab.

 

aufbau_schraubenmotor

 

Die mit dem Schraubenmotor wandelbare Leistung wird durch Maschinenkenngrößen und Betriebsparameter bestimmt.

Wichtige Maschinenkenngrößen sind:

  • die Baugröße, gekennzeichnet durch Rotordurchmesser, -länge und Achsabstand,
  • das eingebaute Volumenverhältnis v i = Vmax /Vmin

und die Betriebsparameter:

  • Umfangsgeschwindigkeit (Drehzahl) der Rotoren sowie die
  • Dampfparameter (Druck, Temperatur) am Motoreintritt, bestimmt durch das Wärmeangebot,
  • und die Kondensationsbedingungen.

 

3. Mögliche Einsatzbereiche für den Schraubenmotor

Das typische Einsatzgebiet für den Dampfschraubenmotor ist in der dezentralen Energieversorgung mittels Kraft-Wärme-Kopplung zu sehen, dabei können ganz unterschiedliche Wärmequellen für die Dampferzeugung genutzte werden, siehe Bild 5.

Beispielhaft seien die Verbrennung von Biomasse, Reststoffen und Deponiegasen sowie industrielle Prozeßwärme und die Abhitze aus Abgasen und Rauchgasen vorgeschalteter Verbrennungen genannt.

 

energiewandlung-waermequellen

Bild A5: Energiewandlung unterschiedlicher Wärmequellen

Fig. A5: transformation of energy with variable heat sources

 

 

Zum Erreichen einer hohen Energiewandlungsgüte ist bekanntermaßen eine möglichst hohe Eintrittstemperatur anzustreben. Die Energiewandlung erfolgt im vorliegenden Fall in einem klassischen Clausius-Rankine-Prozeß mit leichter Überhitzung, siehe Bild 6.

Vereinfachte Darstellung der Anlagenschaltung

0 - 1 Speisewasserförderung

1 - 2 Vorwärmung

2 - 3 Verdampfung

3 - 4 Überhitzung

4 - 5 Expansion im Schraubenmotor

5 - 0 Kondensation

 

With superheating simplified discription of the plant

0 - 1 feed-water transfer

1 - 2 preheating

2 - 3 evaporation

3 - 4 superheating

4 - 5 expansion in the screw-type engine

5 - 0 condensation

 clausius-prozes_gross

Bild 6:Clausius-Rankine-Prozeß mit Überhitzung

Fig. 6:Clausius-Rankine-process

 

Diese Prozeßführung bietet sich an, wenn das genutzte Wärmepotential auf einem Temperaturniveau liegt, mit dem überhitzte Dampfzustände erreicht werden können. Durch die Wärme- bzw. Abwärmequelle auf der einen Seite und dem Wunsch nach einer einfachen Maschinen- bzw. Anlagenkonstruktion auf der anderen Seite sind hier jedoch Grenzen gesetzt [1], [2].

Der Dampfschraubenmotor bietet aber auch die Möglichkeit zur Energiewandlung von Wärmepotentialen auf niedrigerem Temperaturniveau. Durch den robusten Aufbau der Maschine ergeben sich nur geringe Anforderungen an die Dampfqualität, so daß eine Expansion bis weit in das Naßdampfgebiet möglich ist. Daher kann der Dampfschraubenmotor auch als Energiewandler in Sattdampf- und Naßdampfprozessen, in einem für Turbinen nicht zugänglichen Bereich, eingesetzt werden.

Aus Kostengründen ist es derzeit noch günstig, zumindest solange keine für den speziellen Einsatzfall ausgelegte Neukonstruktion verfügbar ist, Schraubenkompressoren, die in hoher Stückzahl auf dem Markt vorhanden sind, als Konstruktionsbasis auch für einen Schraubenmotor zu nutzen.

Daher bietet der Schraubenmotor im Vergleich zu Hubkolbenmotoren oder Kleindampfturbinen noch ein hohes Maß an Entwicklungspotential [3].

 

Bei der Auswahl des Schraubenmotors bzw. der Betriebsparameter besteht in der Regel der Wunsch nach einem möglichst hohen Energienutzungsgrad. So wird der Schraubenmotor vorzugsweise bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten uHR ³ 120 m/s und eher großem Volumenverhältnis vi ³ 4 betrieben werden, weil in diesem Bereich die höchsten Wirkungsgrade zu erwarten sind. Ein Verzicht auf einige Wirkungsgradpunkte kann unter Umständen, indem man von dem optimalen auf das innere Volumenverhältnis angepaßten Betriebspunkt abweicht, die Leistungsausbeute merklich erhöhen und so die Investitionskosten senken. In Bild 7 ist die theoretische Wirkungsgradänderung bei unvollständiger Expansion für eine ideale Maschine dargestellt. Man erkennt, daß bei 60 % des maximalen Arbeitsraumvolumens bereits 93 % der Arbeitsfläche erreicht werden. Dies sollte bei der Wahl der Maschinengröße sowie des Eintrittsdruckes Beachtung finden.

 

wirkungsgradaenderung_gross 

Bild A7: Wirkungsgradänderung einer idealen Maschine

 Fig. A7: efficiency of an ideal engine incomplete expansion

wirkungsgradvergleich_gross

 Bild A8: Wirkungsgradänderung einer idealen Maschine

Fig. A8: Comparison of efficiency between steam turbine and screw-type engine 

 

 

Ein Vergleich mit den marktüblichen Gegendruckturbinen gibt Aufschluß darüber, wo ein zukünftiger Einsatzbereich des Schraubenmotors zu sehen ist. In Bild 8 ist der effektive isentrope Gütegrad für optimiert ausgelegte Gegendruckturbinen mit zwei gewählten Läuferdrehzahlen nach der Energietechnischen Arbeitsmappe der VDI-GET [4], in Abhängigkeit eines mittleren Vergleichsvolumenstroms, dargestellt. Dieser Volumenstrom berücksichtigt als wesentliche Einflußrößen den Massenstrom so wie die Dampfparameter am Austritt.

Mit gleicher Drehzahl betriebene Schraubenmotoren erreichen die im linken Bildbereich dargestellten Werte. Der Kurvenverlauf wird durch Änderungen von Konstruktions- und Betriebsparametern bestimmt. Nur im Kurvenscheitelpunkt kann der Schraubenmotor als optimiert ausgelegt betrachtet werden.

 

Eine mit den Turbinenkennlinien vergleichbare Schraubenmotorkennlinie muß als Verbindungslinie der Kurvenscheitelpunkte, Enveloppe, ausgeführt sein. Man erkennt, daß in einem mittleren Volumenstrombereich, zu dem für Turbinen keine Werte mehr angegeben sind, weil es hierfür kaum ausgeführte Turbinen gibt, ein Schraubenmotor ähnlich hohe Gütegrade erreichen kann, wie ihn Turbinen im hohen Volumenstrombereich aufweisen können.

 

4. Demonstrationsanlage BHKW Universität Dortmund

An der Universität Dortmund hat ein konventionelles Blockheizkraftwerk 1994 seinen Betrieb aufgenommen. Aufbauend auf den Ergebnissen aus mehreren Versuchsanlagen wurde eine Dampfschraubenmotoranlage entwickelt, die seit Januar 1998 im BHKW der Universität Dortmund als Demonstrationsanlage betrieben wird, um mit Hilfe der  hier gesammelten Erfahrungen derartige Anlagen weiter optimieren zu können [4].

 

anlage_mittel

Bild A9: Dampfschraubenmotoranlage im Blockheizkraftwerk der Universität Dortmund 

 Fig. A9: screw-type engine plant at the cogeneration power at the University of Dortmund

 

4.1 Aufbau des konventionellen BHKW bis Januar 1998

    Die unterlegte Fläche des vereinfachten Wärmeschaltplanes in Bild 10 verdeutlicht den konventionellen Teil der universitären Energieversorgung zur Deckung der Grundlast an elektrischer Energie und Fernwärme zur Heizung bzw. Kühlung im Sommer. Hierzu werden drei erdgasbetriebene Verbrennungsmotoren eingesetzt, die eine elektrische Leistung von jeweils 650 kW direkt in das Niederspannungsnetz der Universität einspeisen. Das Abgas der Motoren gelangt mit einer Temperatur von ca. 660°C in drei den Motoren nachgeschaltete Wärmetauscher, die jeweils einen Beitrag von ca. 500 kW an der gesamten ins Fernwärmenetz der Universität eingespeisten Motorwärme liefern. Drei erdgasbefeuerte Heißwasserkessel decken den zusätzlichen Wärmebedarf. Die Auslegung des Kraftwerks ermöglicht einen Vollastbetrieb der Motoren von jeweils » 7000 h/a. Die Vorlauftemperatur im Fernwärmenetz beträgt in der Regel »  105 - 115° C. Die große Temperaturdifferenz zwischen Abgas- und Vorlauftemperatur zeigt ein hohes Exergiepotential des Abgases, das in einem zwischengeschalteten, sekundären Energiewandlungsprozeß genutzt werden kann. Die Abwärme (Kondensationswärme) des sekundären Energiewandlers (Schraubenmotor) steht dann auf niedrigem Exergieniveau der Fernwärme zur Verfügung. Für diesen Zweck erscheint der Schraubenmotor als ein besonders geeigneter Energiewandler zur sekundären Stromerzeugung.

 

schaltplan-kraftwerk_gross

Bild A10: Vereinfachter Schaltplan mit konventionellem Kraftwerksteil (grau hinterlegt) und Schraubenmotoranlage (weiß hinterlegt) 

Fig. A10: simplified circuit diagram with usual cogeneration power plant (gray part) screw-type engine plant (white part) 

 

4.2 Aufbau des BHKW mit Schraubenmotoranlage seit Januar 1998

Im Januar 1998 wurde die Dampfschraubenmotoranlage im BHKW in Betrieb genommen. Ein Teil der vorhandenen Abgaswärme wird dabei in elektrische Energie gewandelt, bevor die Restwärme ins Fernwärmenetz eingespeist wird. Die Energiewandlung erfolgt nach dem Clausius-Rankine-Prozeß mit Überhitzung, wobei die Kesselfeuerung zur Dampferzeugung über die Abgase der Gasmotoren erfolgt, siehe Bild 10. Der hier entstehende Dampf treibt einen Schraubenmotor an, welcher über ein externes Untersetzungsgetriebe mit einem Generator gekoppelt ist. Die bei der anschließenden Kondensation in einem Plattenwärmetauscher anfallende Wärme wird in das Fernwärmenetz eingespeist. Der zugehörige Wasserkreislauf, der mit mehreren anderen Kreisläufen über eine hydraulische Weiche gekoppelt ist, kennzeichnet die Einbindung der Anlage auf der Niederdruckseite des BHKW. Dieser Aufbau erlaubt eine Anpassung der Massen- und Wärmeströme in einzelnen Kreisen, ohne den Systemdruck in einem anderen Kreis zu beeinflussen.

 

5. Betriebserfahrungen

Die Anlage weist derzeit eine Betriebsdauer von ca. 5300 Betriebsstunden auf. Kernstück der Anlage ist ein einstufiger, trockenlaufender, gleitgelagerter Schraubenmotor, der über ein Untersetzungsgetriebe direkt einen Asynchrongenerator antreibt. Der Schraubenmotor funktionierte während der gesamten Betriebsdauer ohne jede Störung.

Die gewählte konstruktive Ausführung des Schraubenmotors bedingt jedoch zur Zeit noch ein ungünstiges Betriebsverhalten, das durch Umbaumaßnahmen im Jahre 2001 behoben werden soll. Aufgrund der in diesem Schraubenmotor fest vorgegebenen Ein- und Auslaßflächen und der konstanten Betriebsdrehzahl wird ein annähernd konstanter Dampfvolumenstrom durch den Schraubenmotor gefördert. Gegenüber den Auslegungsrechnungen steht aber heute ein merklich geringerer Dampfmassenstrom zur Verfügung. Zum einen mußte die Leistung der Gasmotoren um ca. 8,5 % aufgrund von zu großem Verschleiß gedrosselt werden, wodurch eine entsprechend geringere Abgaswärmeleistung zur Dampferzeugung verfügbar ist. Zum anderen ist eine Leistungsminderung in etwa gleicher Höhe durch Wärmeverluste in den langen, zum Abhitzekessel führenden Abgasleitungen zu verzeichnen.

So stellt sich heute bei Vollast nur ein Dampfdruck von 12,5 bar statt wie geplant von 16 bar am Schraubenmotoreintritt ein und auch die Überhitzungstemperatur liegt um 10°C niedriger als vorgesehen. Die verfügbare Dampfenthalpie am Eintritt ist somit gemindert.

Gleichzeitig treten im Betrieb des Fernwärmenetzes Schwankungen in der Temperatur des Rücklaufs auf, an den die Kondensationswärme abgeführt wird. Die Temperaturschwankungen von 70° C bis 100° C führen zu einem leistungsmindernden Druckanstieg am Schraubenmotoraustritt von 0,5 bis 1 bar. Der Schraubenmotor kann bei derart schwankenden Betriebsbedingungen problemlos betrieben werden, doch mindert das geringere Enthalpiegefälle zwischen Ein- und Austritt seine Leistung. Auch kann derzeit von einer verifizierbaren optimierten Motorauslegung, die die im Bild 8 dargestellten hohen Wirkungsgrade ermöglicht, noch nicht gesprochen werden.

Durch den Einsatz der Dampfschraubenmotoranlage läßt sich der elektrische Wirkungsgrad der Gesamtanlage von im Mittel 32 % auf 33,3 % steigern.

Mit den für das Jahr 2001 geplanten konstruktiven Änderungen am Schraubenmotor werden höhere Wirkungsgrade erzielt werden können.

Eine neuentwickelte Schraubenmotorsteuerung (Steuerschieber) ermöglicht gleichzeitig eine höhere Leistungsausbeute bei Teillastbetrieb, als dies mit der zur Zeit realisierten Gleitdruckregelung möglich ist. Die elektrische Jahresgesamtarbeit soll durch den Umbau um mehr als den Faktor zwei gesteigert werden.

Der Aufwand für Wartung und Instandhaltung der Anlage wird im wesentlichen durch die Anlagenkomponenten des Dampfkreislaufes bestimmt. Daher ist der Aufwand in etwa vergleichbar mit dem einer Kleindampfturbinenanlage. Vorteile ergeben sich jedoch für den Schraubenmotor gegenüber einem Hubkolbendampfmotor durch deutlich längere Instandhaltungsintervalle.

 

6. Ausblick

Die seit Anfang 1998 im BHKW der Universität Dortmund betriebene Demonstrationsanlage macht deutlich, daß mit dampfbetriebene Schraubenmotoren zuverlässig zu betreiben sind.

Mit der Entwicklung und Realisierung von Steuerungssystemen für Schraubenmotoren kann gerade im Teillastbereich der in Wellenarbeit gewandelte Energieanteil der verfügbaren Wärme vergrößert werden.

Mit einer weiteren Optimierung der Motorauslegung und konstruktiven, wirkungsgradsteigernden Maßnahmen können mit Schraubenmotoren im unteren Leistungsbereich ähnlich hohe Wirkungsgrade erzielt werden, wie sie von Turbinen im höheren Leistungsbereich bekannt sind.

Für den Schraubenmotor erschließen sich daher Einsatzgebiete vor allem für die dezentrale Energiewandlung mit Kraft-Wärme-Kopplung in einem Bereich, in dem Turbinen nur noch bedingt einsetzbar bzw. verfügbar sind.

 

7. Literatur

[1] Kauder, K. Entwicklungsprobleme von Schraubenmotoren

VDI-Bericht 521, S. 1-17. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1984

[2] Dreißig, B. Beitrag zur Auslegung von trockenlaufenden Schraubenmotoren.

Dissertation, Universität Dortmund, 1990; 1. Gutachter: Prof. Dr.- Ing. K. Kauder, 2. Gutachter: Prof. Dr.-techn. L. Rinder, Wien

[3] Kauder, K. Energierückgewinnung mit Expansionsmaschinen

Kliem, B. VDI-Bericht 1251, S. 123-140. Düsseldorf: VDI-Verlag, 1996

Piatkowski, R.

[4] VDI-Gesellschaft Energietechnische Arbeitsmappe, 14. Überarb. Und erw.

Energietechnik Aufl. Düsseldorf: VDI-Verlag 1995

[5] Kauder, K. Neue Entwicklungen auf dem Gebiet der dezentralen Energietechnik. Moscow Internationale Energy Club, Moskau, 1994