DE69816660T2 - Regelungsvorrichtung für mikroturbine mit konstanter turbineneinlasstemperatur - Google Patents

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    • Y02E20/00Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14Combined heat and power generation [CHP]

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Mikroturbinen-Energieerzeugungssysteme. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf modulare, verteilte Energieerzeugungseinheiten.
  • Stand der Technik
  • Das United States Electric Power Research Institute (EPRI), das eine einheitliche Forschungseinrichtung für elektrische Haushalts-Energiebetriebe ist, sagt voraus, dass etwa im Jahr 2006 bis zu 40% der gesamten Neuerzeugung durch verteilte Generatoren geliefert werden könnte. In vielen Teilen der Welt wird das Fehlen von elektrischer Infrastruktur (Übertragungs- und Verteilungsleitungen) die Kommerzialisierung von verteilten Erzeugungstechnologien stark beschleunigen, da zentrale Anlagen nicht nur mehr Kosten pro Kilowatt, sondern auch teure installierte Infrastruktur haben müssen, um das Produkt an den Verbraucher zu liefern.
  • Kleine, modulare verteilte Mehrbrennstoff-Mikroturbinen-Erzeugungseinheiten könnten helfen, gegenwärtige nachmittägliche "Verdunkelungen" und "Ausfälle" zu verringern, die in vielen Teilen der Welt weit verbreitet sind. Ein einfaches Konzept mit einem einzigen bewegbaren Teil würde eine Wartung mit wenig technischer Erfahrung und geringen Gesamtkosten einen weit verteilten Verkauf in diesen Teilen der Welt gestatten, wo Kapital knapp ist. Zusätzlich würde bei der in den Vereinigten Staaten für eine elektrische Deregulierung und der weltweite Trend in dieser Richtung Verbrauchern von Elektrizität nicht nur das Recht geben, die richtige Methode für den elektrischen Service zu wählen, sondern auch eine neue kosteneffektive Wahl, aus der sie auswählen können. US-Patent 4,754,607, das auf die Rechtsnachfolgerin der vorliegenden Erfindung übertragen ist, beschreibt ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem, das für Cogenerations-Anwendungen geeignet ist.
  • EP 0472294 beschreibt ein System, das eine Gasturbine aufweist, die mit einem Generator gekoppelt ist. um den thermischen Wirkungsgrad zu erhöhen und den spezifischen Brennstoffverbrauch zu senken, wird die Turbine innerhalb enger Grenzen bei einer konstanten Last unabhängig von dem externen elektrischen Energiebedarf an das System betrieben. Dies wird durch die Verwendung einer Batterie erreicht. Unter niedrigen Anforderungsbedingungen wird überschüssige Energie (erzeugt durch den Generator) in der Batterie gespeichert. Bei einem Leistungsbedarf über demjenigen, der von dem Generator erzeugt wird, wird der Fehlbetrag an Energie aus der Batterie ausgeglichen. Dies hat den Nachteil, daß das Leistungsvermögen der Gasturbine durch ihren durchschnittlichen Betrieb und nicht durch ihren maximalen Betrieb diktiert wird.
  • Um diese Einheiten trotzdem für die Verbraucher kommerziell attraktiv zu machen, sind Verbesserungen notwendig in den Bereichen, wie Erhöhen der Brennstoffeffizienz, Verringern von Größe und Gewicht und Absenken von thermischer Signatur, Lärm, Wartung und Kostennachteilen. Beispielsweise ist es schwierig, einen guten Brennstoff-Wirkungsgrad und akzeptable Emissionsraten zu erzielen, insbesondere für Turbinen, die Einalässe mit fester Geometrie haben. Höchste Effizienz der Energieerzeugungseinheit werden durch hohe Druckverhältnisse und hohe Turbineneinlasstemperaturen erreicht. Diese Verhältnisse und Temperaturen entstehen während Volllast und einem Betrieb bei voller Drehzahl, Last und Leerlauf. Eine feste Geometrie aufweisende Turbinen laufen üblicherweise bei verminderten Turbineneinlasstemperaturen und Teillast, wodurch ihr Brennstoff-Wirkungsgrad gesenkt wird.
  • Es besteht ein Bedürfnis, den Brennstoff-Wirkungsgrad zu verbessern und Emissionsraten für ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem zu denken, das eine Turbine mit einer festen Einalssdüsengeometrie aufweist.
  • Das Betreiben der Turbine innerhalb enger Grenzen, wie in EP-A-0472294, ist nicht das gleiche wie das Halten des Turbineneinlasses an oder nahe der maximalen Turbineneinlass temperatur, wie es gemäß der vorliegenden Erfindung offenbart wird. In dem bekannten Verfahren sind die Turbinenleistung, Drehzahl und Temperatur konstant, so daß, wenn sich die Last ändert, der Akkumulator die Lastdifferenz aufnehmen oder abgeben muss, solange die Last gefordert wird. Im letzteren Fall werden die Turbinenleistung und Drehzahl verändert und nur die Temperatur wird konstant gehalten. Der Akkumulator absorbiert oder emittiert die Lastdifferenz (zwischen dem Bedarf und der Turbinenleistung) temporär, bis die Turbinenleistung auf die geforderte Leistung gebracht ist. Diese Lösung hat signifikante Nachteile.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem geschaffen, das eine Turbine mit einer festen Einlaßdüse, eine Energiespeichervorrichtung enthält und gekennzeichnet ist durch eine Steuerung bzw. Regelung, um die Turbineneinlasstemperatur an oder nahe der maximalen Turbineneinlasstemperatur zu halten, wobei die Steuerung bzw. Regelung die Energiespeichervorrichtung veranlasst, eine Last zeitweise zu speisen, wenn eine Lasterhöhung von dem System gefordert ist, bis die Turbinenleistung auf die geforderte Last gebracht ist.
  • Vorzugsweise enthält das System ferner einen elektrischen Generator, der durch Turbinenleistung angetrieben ist; und die Energiespeichervorrichtung eine Batterie aufweist, wobei die Steuerung bewirkt, daß elektrische Energie durch den Generator liefert wird, bis eine Energiebedarf erhöht wird, woraufhin die Steuerung zeitweise bewirkt, daß elektrische Energie durch die Batterie geliefert wird.
  • Vorzugsweise bewirkt die Steuerung ferner, daß die Batterie zeitweise den gesamten Leistungebedarf liefert, wenn der Leistungsbedarf erhöht wird, wodurch die Turbinendrehzahl erhöht wird, während die Batterie die Last versorgt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird auch ein Verfahren geschaffen zum Regeln eines Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems, wobei das System einen elektrischen Genera tor, eine Turbine einer festen Einlassdüsengeometrie und eine externe Speichervorrichtung aufweist, wobei das Verfahren enthält: Halten der Einlaßdüse auf einer konstanten Temperatur, Verwenden des elektrischen Generators, um die von dem System geforderte Leistung zu erfüllen, bis die geforderte Leitung erhöht wird, und gekennzeichnet durch Verwenden der externen Speichervorrichtung, um die geforderte zeitweise zu erfüllen, wenn die geforderte Leistung erhöht wird, bis die Turbinenleistung auf die geforderte Leistung gebracht ist, wobei die Düseneinlaßtemperatur auf der konstanten Temperatur ist, während der Leistungsbedarf durch die externe Speichervorrichtung erfüllt wird.
  • In den Zeichnungen:
  • 1 ist eine Darstellung von einem Energieerzeugungsystem gemäß der vorliegenden Erfindung und
  • 2 ist eine Darstellung von einem Triebwerkskern für das Energieerzeugungssystem.
  • In 1 ist ein Energieerzeugungssystem 10 gemäß der Erfindung dargestellt. Das Energieerzeugungssystem 10 enthält einen Verdichter 12, eine Turbine 14 und einen elektrischen Generator 16. Der elektrische Generator 16 ist auskragend von dem Verdichter 12. Der Verdichter 12, die Turbine 14 und der elektrische Generator 16 können von einer einzigen Welle 18 gedreht werden. Obwohl der Verdichter 12, die Turbine 14 und der elektrische Generator 16 an getrennten Wellen angebracht sein können, vergrößert die Verwendung von einer gemeinsamen Welle 18 für den Verdichter 12, die Turbine 14 und den elektrischen Generator die Kompaktheit und die Sicherheit des Energieerzeugungssystems 10.
  • Die Welle 18 kann durch sich selbst unter Druck setzende Luftlager, wie beispielsweise Folienlager, gehaltert sein. Wie in 2 gezeigt ist, wird die Welle 18 durch Gleitfolienlager 76 und 78 und Schubfolienlager 80 gehaltert. Die Folienlager eliminieren das Erfordernis für ein getrenntes Lagerschmiersystem und verringern das Auftreten von Wartungsarbeiten.
  • In den Einlass des Verdichters 12 eintretende Luft wird verdichtet. Verdichtete Luft, die einen Auslass des Verdichters 12 verlässt, wird durch kalte Seitenkanäle 20 in einer kalten Seite von einem Rekuperator 22 umgewälzt. In dem Rekuperator 22 absorbiert die verdichtete Luft Wärme, was die Verbrennung verbessert. Die erwärmte, verdichtete Luft, die die kalte Seite des Rekuperators 22 verlässt, wird einem Brenner 24 zugeführt.
  • Dem Brenner 24 wird auch Brennstoff zugeführt. Es können sowohl gasförmige als auch flüssige Brennstoffe verwendet werden. Die Wahlmöglichkeiten des Brennstoffes umfassen Diesel, Riechöl, Abgas, Benzin, Erdöl, Propan, JP-8, Methan, Erdgas und andere von Menschen gemachte Gase.
  • Die Brennstoffströmung wird durch ein Strömungssteuerventil 26 gesteuert. Der Brennstoff wird durch eine Einspritzdüse 28 in den Brenner 24 eingespritzt.
  • Innerhalb des Brenners 24 werden der Brennstoff und die verdichtete Luft gemischt und durch einen Zünder 27 in einer exothermen Reaktion gezündet. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der Brenner 24 einen geeigneten Katalysator, der das verdichtete, eine hohe Temperatur aufweisende Brennstoff/Luft-Gemisch bei den Prozessbedingungen verbrennen kann. Einige bekannte Katalysatoren, die in dem Brenner 24 verwendbar sind, umfassen Platin, Palladium und auch einen Metalloxid-Katalysatoren mit aktiven Nickel- und Kobaltelementen.
  • Nach der Verbrennung werden heiße, expandierende Verbrennungsgase zu einer Einlassdüse 30 der Turbine 14 geleitet. Die Einlassdüse 30 hat eine feste Geometrie. Die heißen, expandierenden Gase, die aus der Verbrennung entstehen, werden durch die Turbine 14 expandiert, um dadurch Turbinenleistung zu erzeugen. Die Turbinenleistung treibt ihrerseits den Verdichter 12 und den elektrischen Generator 16 an.
  • Turbinenabgas wird durch heiße Seitenkanäle 32 in einer heißen Seite von dem Rekuperator 22 umgewälzt. Innerhalb des Rekuperators wird Wärme aus dem Turbinenabgas auf der heißen Seite auf die verdichtete Luft auf der kalten Seite übertragen. Auf diese Weise wird ein Teil der Verbrennungswärme zurückgewonnen und verwendet, um die Temperatur der verdichteten Luft auf dem Weg zum Brenner 24 zu erhöhen. Nach Übergabe eines Teils ihrer Wärme treten die Verbrennungsprodukte aus dem Rekuperator 22 aus. Es könnten auch zusätzliche Wärmerückgewinnungsstufen zu dem Energieerzeugungssystem 10 hinzugefügt werden.
  • Der Generator 16 kann eine ringgewickelte, zweipolige, zahnlose (TPTL) bürstenlose Permanentmagnetmaschine sein, die einen Permanentmagnet-Rotor 34 und Statorwicklungen 36 hat. Die von der umlaufenden Turbine 14 erzeugte Turbinenleistung wird verwendet, um den Rotor 34 zu drehen. Der Rotor 34 ist an der Welle 18 befestigt. Wenn der Rotor 34 durch die Turbinenleistung gedreht wird, wird in den Statorwicklungen 36 ein Wechselstrom induziert. Die Drehzahl der Turbine 34 kann gemäß den externen Energiebedürfnissen variiert werden, die dem System 10 gestellt werden. Änderungen in der Wellendrehzahl erzeugen eine Änderung in der Frequenz des Wechselstroms (d. h. wilde Frequenzen), der durch den elektrischen Generator 16 erzeugt wird. Unabhängig von der Frequenz der AC Leistung, die von dem elektrischen Generator 16 erzeugt wird, kann die AC Leistung durch einen Gleichrichter 38 in DC Leistung gleichgerichtet und dann durch einen elektronischen Festkörper-Wechselrichter 40 zerhackt werden, um AC Leistung mit einer festen Frequenz zu erzeugen. wenn also weniger Leistung benötigt wird, kann die Wellendrehzahl und deshalb die Drehzahl der Turbine 14 verringert werden, ohne die Frequenz der AC Ausgangsleistung zu beeinflussen.
  • Wenn der Gleichrichter 38 elektrische Leistung aus dem Generator 16 zieht, wird eine Last an den Generator angelegt. Wenn die Menge der entzogenen Energie vergrössert wird, wird die Last vergrössert. Wenn die Menge der entzogenen Energie verkleinert wird, wird die Last verkleinert.
  • Weiterhin verkleinert die Senkung der Wellendrehzahl die Luftströmung, weil der Verdichter langsamer läuft. Infolgedessen bleibt die Turbineneinlasstemperatur im wesentlichen konstant und somit wird ein hoher Wirkungsgrad bei Teillast beibehalten.
  • Die Verwendung des Gleichrichters 38 und des Wechselrichters 40 gestattet eine breite Flexibilität bei der Bestimmung des elektrischen Nutzungsdienstes, der von dem Energieerzeugungssystem gemäß der Erfindung geliefert werden soll. Da irgendein Wechselrichter 40 gewählt werden kann, kann die Frequenz der AC Leistung von dem Verbraucher gewählt werden. Wenn es eine direkte Verwendung für AC Leistung bei wilden Frequenzen gibt, können der Gleichrichter 38 und der Wechselrichter 40 eliminiert werden.
  • Das Energieerzeugungssystem 10 kann auch eine Batterie 46 enthalten, um zusätzliche Speicher- und Unterstützungsleistung zu liefern. Der Regler 42 veranlasst die Batterie 46, eine Last zu versorgen, wenn eine Lasterhöhung angefordert wird. Die Batterie 46 kann in der Grösse so bemessen sein, daß sie den Spitzenlastbedarf an das System 10 handhaben kann. Wenn sie zusammen mit dem Wechselrichter 40 verwendet wird, kann die Kombination ununterbrechbare Leistung für Stunden nach einem Generatorausfall liefern.
  • Während des Betriebs des Energieerzeugungssystems 10 wird Wärme in dem elektrischen Generator 16 aufgrund von Verlusten in der Generatorkonstruktion erzeugt. Um die Lebensdauer des elektrischen Generators 16 zu verlängern und auch nutzbare Wärme einzufangen, strömt Verdichtereinlassluft über den Generator 16 und absorbiert überschüssige Wärme von dem Generator 16. Der Gleichrichter 38 und der Wechselrichter 40 können ebenfalls in der Luftströmung angeordnet sein. Nachdem die Luft Wärme aus den oben genannten Quellen absorbiert hat, wird sie in dem Verdichter 12 verdichtet und in dem Rekuperator 22 weiter vorgewärmt.
  • Ein Regler 42 regelt die Turbinendrehzahl, indem die Brennstoffmenge gesteuert wird, die zum Brenner 24 strömt. Der Regler 42 verwendet Sensorsignale, die durch eine Sensorgruppe 44 generiert werden, um die externen Anforderungen an das Ener gieerzeugungssystem 10 zu ermitteln. Die Sensorgruppe 44 könnte Sensoren, wie beispielsweise Stellungssensoren, Turbinendrehzahlsensoren und verschiedene Temperatur- und Drucksensoren, zum Messen der Betriebstemperaturen und -drucke in dem System 10 enthalten. Unter Verwendung der vorgenannten Sensoren steuert der Regler 42 sowohl das Anlaufen als auch das optimale Leistungsvermögen während des stationären Betriebs. Der Regler 42 kann auch den Zustand des Gleichstromvorrats in der Batterie 46 ermitteln und Operationen einstellen, um Zustände der Nettoladung, des Nettoabflusses und der konstanten Ladung der Batterie beizubehalten.
  • Der Regler 42 verwendet auch die Drehzahl- und Temperatursignale aus der Sensorgruppe 44, um die von dem System geforderte Last zu berechnen, wobei der Regler, erleichtert durch den berechneten Lastbedarf, ermittelt, ob der Generator 16 die Last speisen sollte oder ob die Batterie 46 die Last speisen sollte.
  • Wenn ein konstanter Energiebedarf gespeist wird, veranlasst der Regler den Generator 16, den gesamten Systemlastbedarf zu liefern. Wenn der Lastbedarf vergrössert wird, veranlasst der Regler 42, daß die Batterie 46 den gesamten Lastbedarf erfüllt, aber nur für eine kurze Zeit. Während die Batterie 46 die gesamte Last speist, ist der Generator 16 unbelastet, wodurch die Rotordrehzahl auf einen neuen hohen Wert ansteigt. Sobald die höhere Rotordrehzahl erreicht ist, veranlasst der Regler 42, daß der Generator die gesamte Last speist.
  • Das Vershieben der Last zur Batterie 46 gestattet, daß der Turbineneinlass 30 an oder nahe der maximalen Temperatur gehalten wird, wodurch das System 10 bei maximaler Effizienz arbeitet und die Rate der Emissionen gesenkt wird.
  • Der Regler 42 befiehlt dem Brennstoffströmungs-Steuerventil 26, die Turbineneinlasstemperatur an oder nahe dm Maximum zu halten. Zusätzlich steuert der Regler 42 die Turbinenlast unabhängig von dem elektrischen Lastbedarf an das System 10, indem die Belastung auf den Generator 16 gesteuert wird. Wenn die Turbinendrehzahl unter einen Sollwert (der Drehzahl-Sollwert hängt von dem Wert des Systemlastbedarfs ab) abfällt, gibt der Regler 42 dem Gleichrichter 38 und dem Wechselrichter 40 den Befehl, die Belastung auf den Generator 16 zu senken. Wenn die Turbinendrehzahl über den Sollwert ansteigt, gibt der Regler 42 dem Gleichrichter 38 und dem Wechselrichter 40 den Befehl, die Belastung auf den Generator 16 zu erhöhen. Wenn der Lastbedarf erhöht wird, speist die Batterie 46 die Last, wodurch der Generator 16 entlastet wird und der Rotor 38 seine Drehzahl erhöhen kann.
  • Eine Schalter/Startersteuerung 48 kann ausserhalb vorgesehen sein, um das Energieerzeugungssystem 10 zu starten. Eine Drehung der Welle 18 kann unter Verwendung des Generators 16 als ein Motor gestartet werden. Während des Startens liefert die Schalter/Startersteuerung 48 einen Erregerstrom an die Statorwicklungen 34 des elektrischen Generators 16. Startleistung wird durch die Batterie 48 zugeführt. Als Alternative könnte eine mit verdichteter Luft arbeitend Vorrichtung verwendet werden, um die Energieerzeugungseinrichtung im Motorbetrieb anzutreiben.
  • In 2 ist der Triebwerkskern 50 von dem Energieerzeugungssystem 10 gezeigt. Der Verdichter 12 enthält ein Laufrad 52 mit einer Bohrung, einer Verdichterspirale 54 und einem Diffusorkanal 56. In einen Lufteinlass 58 eintretende Luft wird durch einen Luftfilter 59 gefiltert und zu der Verdichterspirale 54 geleitet. Aus der Verdichterspirale 54 herausströmende Luft wird zum Rekuperator 22 geleitet.
  • Die Turbine 14 enthält eine Turbinenspirale 60, mehrere feststehende Düsenschaufeln 62 und ein bohrungsloses Turbinenrad 54. Heiße expandierende Gase, die den Brenner 24 verlassen, werden in die Turbinenspirale 60 und durch die Düsenschaufeln 62 geleitet, die das heiße expandierende Gas auf das Turbinenrad 64 umlenken. Turbinenabgas verlässt die Turbine 14 durch einen Auslassdiffusor 66, der die Temperatur und den Lärm des Turbinenabgases verringert.
  • Der Rotor 34 des elektrischen Generators 16 enthält Magnete 68, die aus einem Material der Seltenen Erden, wie beispielsweise Samarium-Kobalt, hergestellt sind. Die Magnete 68 sind von einer Einschlusshülse 70 umgeben, die aus einem nichtmagnetischen Material, wie beispielsweise Inkonel 718, hergestellt ist. Die Statorwicklungen 36 sind in einem Generatorgehäuse 73 untergebracht. Der Rotor 34 hat eine Bohrung und eine optionale Einschlusshülse (nicht gezeigt), die mit einer Oberfläche der Bohrung in Kontakt ist. Stromleiter 72 gehen von den Statorwicklungen 36 aus und enden in einem Netzverbinderstutzen 74, der an dem Generatorgehäuse 73 befestigt ist. Die Basis bildet eine Halterung für einen Brennstoffeinlass, den Lufteinlass 53, den Verdichter 12, die Turbine 14, den Generator 16, den Rekuperator 22, den Brenner 24, den Gleichrichter 38 und den Wechselrichter 40, damit das System 10 als eine gepackte Einheit bestehen kann.
  • Die einzige Welle 18 ist in 2 als eine Verbindungswelle 75 gezeigt, die sich durch die Bohrungen in dem Rotor 34 und dem Laufrad 52 des Verdichters erstreckt. Die Verbindungswelle 75 ist dünn, sie hat einen Durchmesser von etwa 0,25 Zoll bis 0,5 Zoll. Die Bohrungen haben Spielräume, damit sich die Verbindungswelle 75 durch den Rotor 34 und das Laufrad 52 erstrecken kann. Die Verbindungswelle 75 erstreckt sich jedoch nicht durch das Turbinenlaufrad 64. Stattdessen ist die Verbindungswelle 75 an dem Turbinenrad 64 befestigt. Die Verbindungswelle 75 kann an der Mitte von der Turbinenradnabe durch eine Trägheitsschweißung befestigt sein. Somit ist das Turbinenrad 64 bohrungslos, da es keine Bohrung hat, durch die die Verbindungswelle 75 hindurchführt. Das Eliminieren der Bohrung verringert Beanspruchungen in dem Turbinenrad 64.
  • Wenn sie durch die Verbindungswelle 75 zusammengeklemmt sind, rotieren das Verdichterlaufrad 52, das Turbinenrad 64 und der Rotor 34 als eine einzige Einheit. Unter hohen Betriebstemperaturen und Drehzahlen haben jedoch das Laufrad, das Turbinenrad 64 und der Rotor 34 die Tendenz, zu expandieren und auseinander zu wachsen, und ihre Stirnflächen haben die Tendenz, Kontakt zu verlieren. Eine Biegung der Verbindungswelle 75 wäh rend des Betriebs hat ebenfalls die Tendenz, die Stirnflächen zu trennen. Um einen Kontakt zwischen den Stirnflächen des Laufrades 52, des Turbinenrades 64 und des Rotors bei hohen Drehzahlen (80.000 U/Min. und darüber) beizubehalten, ist die Verbindungswelle 75 vorbelastet. Beispielsweise kann eine aus Titan hergestellte Verbindungswelle 75 auf Zug vorbelastet sein bis zu etwa 90% der Streckgrenze. Während der Montage wird die Verbindungswelle 75 unter Zug angeordnet, das Laufrad 52 und der Rotor 38 werden über die Verbindungswelle 75 geschoben und eine Mutter 77 wird an einem Gewindeende von der Verbindungswelle 75 befestigt. Der Zug wird beibehalten, wenn die Mutter 77 gedreht wird. Der Zug ist am höchsten an den Mittelpunkten von dem Laufrad 52 und dem Rotor 38. Wenn das Laufrad 52 und der Rotor 38 gedreht werden, wird den hohen Beanspruchungen in dem äußeren Abschnitt von diesen Komponenten durch den auf die Verbindungswelle 75 ausgeübte Spannung entgegengewirkt.
  • Die rotierende Einheit 52, 64, 38 und 18 wird in einer radialen Richtung durch innere und äußere Foliengleitlager 76 und 78 gehaltert. Die rotierende Einheit 52, 64, 38 und 18 wird in einer axialen Richtung durch ein Folienschublager 80 gehaltert. Eine Basis 79 bildet eine Halterung für einen Brennstoffeinlass, den Lufteinlass 58, den Verdichter 12, die Turbine 14, den Generator 16, den Rekuperator 22, den Brenner 24, den Gleichrichter 38 und den Wechselrichter 40, damit das System 10 als eine gepackte Einheit bestehen kann.
  • Für den Triebwerkskern 50 sind verschiedene Kühlmittelöffnungen vorgesehen. So sind Öffnungen 82 und 84 zum Zirkulieren eines Kühlmittels über die Statorwicklungen 40 vorgesehen. Weiterhin sind Öffnungen 86 und 88 zum Zirkulieren eines Kühlmittels über die Lager 76, 78 und 80 vorgesehen.
  • Das Energieerzeugungssystem 10 kann in mehreren Hauptmoduln aufgebaut sein, wie beispielsweise als ein rotierendes Modul, ein Wärmetauschermodul, ein Brennermodul und ein Elektronikmodul. Jedes dieser Moduln hat ein relativ leichtes Gewicht und ist kompakt. Die Moduln können ausgetauscht werden, ohne dass Flüssigkeitsleitungen unterbrochen werden müssen. Die Verwendung von Folienlagern 52 und 54 eliminiert das Erfordernis für ein Schmiersystem auf Ölbasis und hat deshalb wenig Wartung für das Energieerzeugungssystem 10 zur Folge. Eine planmäßige Wartung würde primär in dem Austausch des Zünders 27, des Filters 59 und von Katalysatorelementen in dem Brenner 24 bestehen.
  • Das Energieerzeugungssystem 10 arbeitet in einem üblichen Wärmerückgewinnungs-Brayton-Zyklus. Der Brayton-Zyklus kann bei einem relativ kleinen Druckverhältnis (3,8) arbeiten, um den Gesamtwirkungsgrad zu maximieren; denn es gilt in Wärmerückgewinnungs-Zyklen, je kleiner das Druckverhältnis, desto enger ist die Turbinenabgastemperatur an der Einlasstemperatur. Dies gestattet eine Wärmezufuhr zum Zyklus bei hoher Temperatur und, gemäß dem Gesetz von Carnot, werden die entropischen Verluste verringert, die mit der Zufuhr von Wärme zu dem Zyklus verbunden sind. Diese Wärmezufuhr bei hoher Temperatur hat einen erhöhten Wirkungsgrad des Gesamtzyklus zur Folge. Luft wird in einem einstufigen Radialverdichter auf 3,8 bar verdichtet. Die verdichtete Luft kann zum Rekuperator 22 geleitet werden, wo die Temperatur der verdichteten Luft unter Verwendung der Abwärme von dem Turbinenabgas erhöht wird. Die Temperatur des Abgases aus der Temperatur ist auf etwa 704,4°C (1300°F) begrenzt, um zu helfen, dass die Lebensdauer des Rekuperators 22 verlängert wird. Für Abgastemperaturen über 704,4°C (1300°F) kann der Rekuperator 22 aus Superlegierurngen anstatt aus rostfreiem Stahl hergestellt werden. Der Rekuperator 22 kann für einen Wirkungsgrad von etwa 85% oder 90% ausgelegt sein, was von den ökonomischen Notwendigkeiten des Kunden abhängt. In der effizientesten Konfiguration und unter Verwendung der 90% Rekuperation beträgt der resultierende Gesamtwirkungsgrad des Zyklus 30%, wodurch eine hohe Heizwert-Erwärmungsrate von etwa 11.900 BTU/kWh für Diesel erzielt wird.
  • Nachdem sie in dem Rekuperator 22 erwärmt worden ist, wird die verdichtete Luft zum Brenner 24 geleitet, wo zusätzliche Wärme zugeführt wird, um die Temperatur der verdichteten Luft auf 898,9°C (1650°F) zu erhöhen. Ein nach einer üblichen Konstruktion ausgelegter Brenner 24 kann einen NOx Wert von we niger als 25 PPM erzielen, und ein Brenner 24, der einen Katalysator verwendet kann eine NOx Rate erzielen, die praktisch nicht mehr feststellbar ist (übliche NOx Sensoren sind auf einen 2 bis 3 PPM Erfassungsbereich begrenzt). Das eine hohe Enthalpie aufweisende Gas wird dann durch die Turbine 14 expandiert. Der Verdichter 12, die Turbine 14, der Generator 16 und die einzige Welle 18 – das einzige sich bewegende Teil in dem Triebwerkskern 50 – rotiert bei hohen Drehzahlen von etwa 80.000 U/Min. oder mehr. Die entstehende hohe Frequenz von etwa 1200 Hertz wird mit dem Wechselrichter 38 auf Netz-kompatible 50 oder 60 Perioden gesenkt. Es entsteht eine hohe Leistungsdichte, die durch ein geringes Gewicht (etwa ein Drittel der Größe von einem vergleichbaren Diesel-Generator) und eine kleine Grundfläche (beispielsweise etwa 90 cm × 150 cm bei einer Höhe von 180 cm) typisiert ist.
  • Die hohe Leistungsdichte und das geringe Gewicht der Technologie wird möglich gemacht durch die Hochgeschwindigkeitskomponenten, die große Energiemengen bei Verwendung von einem Minimum an Material gestatten. Die Einheit ist vollständig in sich selbst geschlossen in einem wettersicheren Mantel. Das Energieerzeugungssystem 10 ist in der "plug and play" Technologie ausgeführt und erfordert wenig mehr als eine Zufuhr von sauberem Brennstoff, Flüssigkeit oder Gas.
  • Somit wurde ein höchst effizientes Energieerzeugungssystem 10 offenbart. Obwohl die Turbine 14 von Natur aus eine instabile Turbine 14 ist, arbeitet sie in einem stabilden System 10. Die Turbine 14 kann bei oder nahe maximaler Einlasstemperatur betrieben werden, trotzdem gibt es keinen Strömungsabriss (Stall), wenn eine Bedarfssteigerung erfüllt wird. Da die Turbine bei maximaler Einlasstemperatur betrieben wird, wird der thermische Wirkungsgrad des Systems maximiert und Emissionen werden reduziert. Wenn eine Bedarfssteigerung durch die Energiespeichervorrichtung erfüllt wird, kann die elektrische Leistungsabgabe des Generators gesenkt werden. Somit wird die Turbinenlast unabhängig von dem Systemlastbedarf gesteuert.
  • Das Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem 10 kann viele Brennstoffe verwenden, einschließlich Erdgas, Diesel und JP-8. Das Energieerzeugungssystem 10 hat eine kleine thermische Signatur und eine minimale Lärmerzeugung. Die Verwendung von Luftlagern eliminiert das Erfordernis für ein Schmiersystem auf Ölbasis. Das elektrische Energieerzeugungssystem 10 hat eine hohe Betriebssicherheit und minimale Service-Anforderungen aufgrund der Konstruktion mit einem einzigen sich bewegenden Teil. Die Verwendung von einem elektronischen Festkörper-Wechselrichter gestattet, dass das System 10 eine variable AC Ausgangsleistung liefert. Die Installation ist einfach aufgrund einer modularen und in sich geschlossenen Konstruktion, und der Service ist einfach, weil das System 10 ein einziges bewegtes Teil und Hauptteile hat, die einfach zugänglich sind. Die Breite, Länge und Höhe von dem Triebwerkskern 50 kann eingestellt werden, um in eine breite Vielfalt von Abmessungserfordernissen zu passen.
  • Das Energieerzeugungssystem 10 ist kleiner, leichter, ist Brennstoff-effizienter und hat weniger thermische Signatur, Lärm, Wartung und Kostennachteile als vergleichbare Triebwerke mit Innenverbrennung. Aufgrund seiner niedrigen ersten Anfangskosten, der geringen Installationskosten, des hohen Wirkungsgrades, der hohen Betriebssicherheit und der einfachen billigen Wartung sorgt deshalb das elektrische Energieerzeugungssystem 10 für geringere Betriebs- und Festkosten als Energieerzeugungstechnologien vergleichbarer Größe.
  • Es gibt viele und diverse mögliche Anwendungen für das Energieerzeugungssystem 10. Die Anwendungsmöglichkeiten umfassen eine Verwendung in netzlosen Anwendungen zur alleinstehenden Energieerzeugung, Netzanwendungen zum Spitzenausgleich, Lastfolge- oder Basislastservice, Notunterstützung und nicht unterbrechbare Energieversorgung, Arbeitsmaschinenanwendungen (z. B. Pumpe, Klimaanlage) und Automobil-Hybridfahrzeuge.
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben offenbarten speziellen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise könnte ein Schwungrad als eine Energiespeichervorrichtung anstelle der Batterie 46 verwendet werden. Wenn spitzenleistung gefordert wird, gestattet das Trägheitsmoment von dem Schwungrad, daß zusätzliche Energie geliefert und eine zusätzliche Last an dem elektrischen Generator 16 angeordnet wird, ohne daß die Turbine 16 blockiert. Deshalb ist die vorliegende Erfindung gemäß den Ansprüchen ausgelegt, die folgen.

Claims (12)

  1. Mikroturbinen-Energieerzeugungssystem (10), enthaltend: eine Turbine (14) mit einer festen Einlaßdüse (30), eine Energiespeichervorrichtung (46) und gekennzeichnet durch eine Steuerung, um die Turbineneinlasstemperatur an oder nahe der maximalen Turbineneinlasstemperatur zu halten, wobei die Steuerung die Energiespeichervorrichtung (46) veranlasst, eine Last zeitweise zu speisen, wenn eine Lasterhöhung von dem System (10) gefordert ist, bis die Turbinenleistung auf die geforderte Last gebracht ist.
  2. System (10) nach Anspruch 1, wobei das System ferner einen elektrischen Generator (16) enthält, der durch Turbinenleistung angetrieben ist, und die Energiespeichervorrichtung (4, 6) eine Batterie (4, 6) aufweist, wobei die Steuerung bewirkt, daß elektrische Energie durch den Generator liefert wird, bis eine Energiebedarf erhöht wird, woraufhin die Steuerung zeitweise bewirkt, daß elektrische Energie durch die Batterie geliefert wird.
  3. System (10) nach Anspruch 2, wobei die Steuerung bewirkt, daß die Batterie (4, 6) zeitweise den gesamten Leistungebedarf liefert, wenn der Leistungsbedarf erhöht wird, wodurch die Turbinendrehzahl erhöht wird, während die Batterie die Last versorgt.
  4. System (10) nach Anspruch 1, wobei ferner ein Generator (16) vorgesehen ist und eine elektronische Leistungseinheit mit der Steuerung in Verbindung ist, um die Generatorlast zur Regelung der Turbinendrehzahl einzustellen, wobei die Energiespeichervorrichtung (46) die Last zeitweise speist, wenn der Lastbedarf erhöht wird.
  5. System (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuerung die Triebwerkstemperatur und Triebwerksdrehzahl überwacht und ferner enthält: einen elektrischen Generator (16), eine Einrichtung, die auf die Steuerung anspricht zum Regeln der Brennstoffströmung, um die Triebwerkstemperatur konstant zu halten, selbst wenn sich der Lastbedarf des System ändert, und wobei die Steuerung ferner eine Einrichtung enthält, um zu ermitteln, ob ein Lastbedarf von dem Generator zu der Energiespeichervorrichtung verschoben werden soll, wenn sich der Lastbedarf ändert.
  6. System (10) nach Anspruch 5, wobei die Triebwerksdrehzahl geregelt wird durch Einstellen einer Last an dem Generator (16), um einen Drehzahl-Sollwert beizubehalten.
  7. System (10) nach Anspruch 6, wobei der Sollwert der Triebwerksdrehzahl durch den Lastbedarf ermittelt wird und durch Steuern der Generatorlast unabhängig von dem Lastbedarf des System erreicht wird.
  8. System (10) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung ein Einrichtung hat, damit die Last an dem Generator (16) ansteigt, wenn die Turbinendrehzahl über den Drehzahl-Sollwe3rt ansteigt.
  9. System (10) nach Anspruch 5, wobei die Steuerung eine Einrichtung hat, damit die Regeleinrichtung die Triebwerkstemperatur unabhängig von der Turbinendrehzahl konstant hält.
  10. System (10) nach Anspruch 5, wobei die Energiespeichervorrichtung (46) in der Größe so bemessen ist, um den Spitzenlastbedarf an dem System zu erfüllen.
  11. Verfahren zum Regeln eines Mikroturbinen-Energieerzeugungssystems (10), wobei das System einen elektrischen Generator (16), eine Turbine (14) einer festen Einlassdüsen geometrie (30) und eine externe Speichervorrichtung (46) aufweist, wobei das Verfahren enthält: Halten der Einlaßdüse auf einer konstanten Temperatur, Verwenden des elektrischen Generators, um die von dem System geforderte Leistung zu erfüllen, bis die geforderte Leitung erhöht wird, und gekennzeichnet durch: Verwenden der externen Speichervorrichtung, um die geforderte zeitweise zu erfüllen, wenn die geforderte Leistung erhöht wird, bis die Turbinenleistung auf die geforderte Leistung gebracht ist, wobei die Düseneinlaßtemperatur auf der konstanten Temperatur ist, während der Leistungsbedarf durch die externe Speichervorrichtung erfüllt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die externe Speichervorrichtung (46) verwendet wird, um den gesamten Leistungsbedarf zeitweise zu erfüllen, wenn der Leistungsbedarf des Systems (10) erhöht wird.
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