СПОСОБ РАБОТЫ РЕКУПЕРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ Российский патент 2016 года по МПК F01K13/02 

Настоящее изобретение относится к способу управления рекуперационной установкой (установкой для использования или утилизации отходящего тепла) согласно п.1 формулы изобретения.

Под аббревиатурой ОЦР (или OCR от англ. "Organic Rankine Cycle", органический цикл Ренкина) подразумевается термодинамический цикл, предложенный Ренкином. Сказанное означает, что рабочее тело проходит различные термодинамические состояния и в конце цикла вновь переводится в жидкое исходное состояние. При этом давление рабочего тела доводится насосом до повышенного уровня. После этого рабочее тело подогревается до температуры испарения и затем испаряется.

Речь, таким образом, идет о паровом цикле, в котором вместо воды испаряют органическую среду. Образующийся пар приводит в действие расширительную машину, например турбину, поршневой или винтовой двигатель, которая для выработки электрического тока в свою очередь связана с электрическим генератором. После расширительной машины рабочее тело поступает в конденсатор и вновь охлаждается в нем с отдачей тепла. Поскольку вода при атмосферных условиях испаряется при 100°С, тепло с температурой ниже этого уровня, такое, например, как тепло промышленных отходящих газов или теплота Земли, часто невозможно использовать для выработки электрического тока. Применение же органических сред с меньшими температурами кипения позволяет вырабатывать низкотемпературный пар.

ОЦР-установки предпочтительны в применении, например, и при утилизации биомассы в рамках комбинированного производства электроэнергии и тепла, прежде всего при сравнительно малой мощности, т.е. в тех случаях, когда традиционная технология, основанная на сжигании биомассы, представляется относительно дорогостоящей. Установки для выработки энергии из биомассы часто имеют предназначенный для выработки биогаза ферментер, который обычно требуется обогревать.

Рекуперационные установки указанного в ограничительной части независимого пункта формулы изобретения типа известны по их применению в области комбинированного производства электроэнергии и тепла и состоят из блочной тепловой электростанции, скомбинированной с последующим ОЦР-циклом. Из DE 19541521 А1 известна установка для повышения электрического кпд при использовании особых газов для выработки электроэнергии с помощью двигателей внутреннего сгорания (ДВС), тепло отработавших газов которых используется в последующей системе преобразования энергии в целях последующей выработки электроэнергии. При этом, однако, утилизируется только высокотемпературное тепло из контура охлаждения, а также из теплообменника на отработавших газах двигателя.

Из US 4901531 известен далее интегрированный в цикл Ренкина дизельный электроагрегат, один цилиндр которого служит при этом для расширения по Ренкину, а другие цилиндры работают как дизельный двигатель. Из US 4334409 известна работающая по циклу Ренкина система, в которой рабочая жидкость подогревается посредством теплообменника, снаружи которого пропускается воздух с выхода компрессора ДВС.

Блочные тепловые электростанции в качестве установок для комбинированного производства электроэнергии и тепла общеизвестны. Речь при этом идет о децентрализованных генераторных установках, по большей части приводимых в действие двигателями внутреннего сгорания и одновременно использующих тепло их отработавших газов. При этом тепло, выделяющееся при сгорании и отводимое охлаждающими средами, максимально полно используется для обогрева или теплоснабжения соответствующих объектов.

Для применения прежде всего в установках для комбинированного производства электроэнергии и тепла с последующим ОЦР-циклом в качестве электростанции, использующей отходящее тепло, хорошо зарекомендовали себя машины на основе двигателей с работающими на отработавших газах турбонагнетателями для наддува. В этой связи возникает потребность в двигателях с исключительно высоким электрическим кпд, достижимым только при использовании турбонаддува и обратного охлаждения горючей смеси, нагревшейся в результате сжатия. В целом охлаждение горючей смеси необходимо постольку, поскольку в противном случае наполнение цилиндров оказалось бы сравнительно плохим. Благодаря охлаждению горючей смеси, поступающей в цилиндры, повышается ее плотность и одновременно возрастает коэффициент наполнения цилиндров. В результате возрастают выход мощности двигателя и его механический кпд.

Для возможности достаточного охлаждения горючей смеси предписываемая производителями двигателей температура охлаждающей жидкости на входе должна составлять лишь примерно 40-50°С. Поскольку такой уровень температуры сравнительно низок, отбираемое от горючей смеси тепло в известных в настоящее время установках для комбинированного производства электроэнергии и тепла отводится в окружающую среду, например, с помощью сухого охладителя.

Из DE 102005048795 В3 известен далее двухступенчатый подогрев рабочего тела в ОЦР-цикле в нагревательном устройстве, а именно рабочее тело в ОЦР-цикле нагревают в двух подсоединенных последовательно к питательному насосу теплообменниках, первый из которых, установленный после питательного насоса, служит в качестве первой ступени для подвода низкотемпературного тепла, а следующий теплообменник служит в качестве второй ступени для подвода высокотемпературного тепла. С первым теплообменником, установленным после питательного насоса, циркуляционным контуром соединена система охлаждения горючей смеси, поступающей в ДВС, при этом тепло, отбираемое от поступающей в ДВС горючей смеси в системе ее охлаждения, служит для подогрева рабочего тела в ОЦР-цикле и в качестве низкотемпературного тепла подводится к рабочему телу в первом теплообменнике. Второй нагревательный контур использует тепло, отбираемое от жидкости для охлаждения ДВС и от его отработавших газов, и соединен со вторым теплообменником, установленным после питательного насоса, при этом тепло, отбираемое от охлаждающей жидкости в контуре ее циркуляции и от отработавших газов ДВС, служит для перегрева и испарения рабочего тела в ОЦР-цикле и в качестве высокотемпературного тепла подводится к рабочему телу во втором теплообменнике, установленном после питательного насоса.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача оптимизировать рекуперационную установку с последовательно предусмотренным после источника отходящего тепла ОЦР-циклом в отношении ее конструкции и рабочих характеристик.

Согласно изобретению указанная задача решается с помощью объекта изобретения с отличительными признаками, представленными в п.1 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены различные предпочтительные варианты осуществления изобретения.

Предлагаемая в изобретении рекуперационная установка отличается тем, что расширительная машина для расширения пара в ОЦР-цикле запускается работающим в двигательном режиме генератором и разгоняется им до задаваемой в регулирующем устройстве минимальной пусковой частоты вращения. Минимальная пусковая частота вращения в предпочтительном варианте соответствует при этом примерно двум третям минимальной рабочей частоты вращения. Решающее преимущество, связанное с работой генератора в двигательном режиме, состоит в малой нагрузке на подшипники в пусковой фазе, поскольку в расширительную машину еще не подается хладагент.В противном случае в еще холодной расширительной машине при определенных условиях могла бы произойти нежелательная конденсация небольших количеств хладагента. Однако в этом случае уже происходит ее охлаждение, также частичным потоком хладагента, хотя и находящимся в жидкой фазе.

Согласно изобретению по достижении минимальной пусковой частоты вращения открывается паровой клапан на входе расширительной машины для расширения пара в ОЦР-цикле и при дальнейшем открытии этого парового клапана происходит дальнейшее возрастание частоты вращения, в результате чего генератор из двигательного режима переходит на работу в нормальном генераторном режиме. Данный аспект предпочтителен постольку, поскольку расширительная машина сразу же с момента пуска, соответственно первоначально подключена к генератору в качестве электродвигателя и не требует синхронизации с сетью. При полностью открытом паровом клапане и при достигнутой минимальной рабочей частоте вращения затем в регулирующем устройстве инициируется процесс оптимизации частоты вращения с учетом фактической рабочей ситуации.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения регулирующее устройство определяет для расширительной машины для расширения пара в ОЦР-цикле оптимальную для фактической рабочей точки частоту вращения. При этом на первой стадии происходит, начиная с минимальной частоты вращения, медленное ее регулируемое повышение при анализе мощности генератора до тех пор, пока на второй стадии при возрастающей частоте вращения и при одновременно падающей мощности генератора не будет распознано превышение пикового уровня. Далее на третьей стадии осуществляется уменьшение частоты вращения, а на последующих стадиях процессы, выполняемые на второй и третьей стадиях, повторяются до тех пор, пока частота вращения не стабилизируется в точке максимальной мощности генератора.

Предпочтителен далее вариант, в котором в регулирующем устройстве для расширительной машины для расширения пара в ОЦР-цикле предусмотрена возможность задания оптимальной для фактической рабочей точки частоты вращения по многопараметровой характеристике.

Так, в частности, в предпочтительном варианте осуществления изобретения в многопараметровой характеристике оптимальной частоте вращения поставлено в соответствие давление на входе и/или выходе расширительной машины и для определения фактического рабочего состояния измеряется, анализируется и корректируется в регулирующем устройстве по многопараметровой характеристике фактическое давление на входе и/или выходе расширительной машины для настройки таким путем частоты вращения. Альтернативно этому или дополнительно к этому в многопараметровой характеристике оптимальной частоте вращения может быть поставлена в соответствие температура на входе и/или выходе расширительной машины и для определения фактического рабочего состояния может измеряться, анализироваться и корректироваться в регулирующем устройстве по многопараметровой характеристике фактическая температура на входе и/или выходе расширительной машины для настройки таким путем частоты вращения.

Предпочтителен также вариант, в котором объединенный с расширительной машиной для расширения пара в ОЦР-цикле генератор имеет связанный с ним преобразователь частоты для работы с переменной, соответственно регулируемой частотой вращения.

В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрен идущий в обход расширительной машины регулируемый байпас с по меньшей мере одним дроссельным клапаном в ОЦР-контуре. Такой байпас сначала в пусковой фазе, т.е. при еще сравнительно низкой температуре рабочего тела, открыт, и поэтому рабочее тело направляется в обход расширительной машины во избежание нежелательного попадания присутствующих в рабочем теле остатков его жидкой фазы в расширительную машину. Сразу же по достижении ОЦР-контуром своего заданного рабочего состояния, что определяется, например, по соответствующему, задаваемому уровню температуры или по иным параметрам, байпас закрывается, а установленный перед расширительной машиной паровой клапан открывается.

Предлагаемое в изобретении решение позволяет оптимизировать конструкцию и рабочие характеристики рекуперационной установки с последовательно предусмотренным после источника отходящего тепла ОЦР-циклом. В качестве примера источников отходящего тепла можно назвать блочные тепловые электростанции, промышленные установки или котельные установки.

Согласно изобретению оптимизируется также пусковая фаза работы расширительной машины. Одновременно с этим достигаются максимальная эксплуатационная надежность и защита от конденсации хладагента в том случае, когда разгон расширительной машины работающим в двигательном режиме генератором происходит в отсутствие хладагента. Поскольку со стороны охлаждения используемый в этих целях частичный поток хладагента пропускается через генераторный блок, при его работе в двигательном режиме этот частичный поток хладагента поглощает в этом месте тепло потерь.

Равным образом контролируется и тепловое состояние расширительной машины, равно как и другие граничные условия. К таковым в качестве пусковых условий относятся, например, наименьшее давление хладагента в ОЦР-контуре, условия включения системы магнитных опор рабочего колеса турбины, т.е. системы ее магнитных подшипников, а также контроль всех функционально необходимых агрегатов.

Согласно изобретению, таким образом, процесс пуска рекуперационной установки происходит в полностью автоматическом режиме под управлением электроники. Сказанное равным образом относится и к автоматизированному нормальному режиму работы с переменной частотой вращения, согласованной с конкретной рабочей ситуацией, а также к режиму останова.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере одного из вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемый к описанию единственный чертеж, на котором показана принципиальная схема рекуперационной установки с последовательно предусмотренным после источника отходящего тепла ОЦР-циклом.

Функционально важными для ОЦР-цикла компонентами являются ОЦР-контур 1 (контур, работающий по органическому циклу Ренкина), питательный насос 2, испаритель 3, расширительная машина 4 для расширения пара, связанная с генератором 5, конденсатор 6 для обратного охлаждения посредством теплоотвода 7, а также теплообменники 8, 9 для подогрева рабочего тела в ОЦР-контуре 1.

Оба теплообменника 8, 9 последовательно подсоединены к питательному насосу 2. Первый теплообменник 8, установленный после питательного насоса 2, служит при этом первой ступенью для подвода низкотемпературного тепла к рабочему телу, а следующий теплообменник 9 служит второй ступенью для подвода высокотемпературного тепла от источника 10 отходящего тепла к рабочему телу.

Второй нагревательный контур 11 своей подающей линией соединен с испарителем 3 ОЦР-контура, поскольку уровень температуры сначала достаточно высок для его прямого нагрева. После этого второй нагревательный контур 11 своей обратной линией входит во второй теплообменник 9 и отдает в нем еще имеющееся остаточное тепло рабочему телу ОЦР.

Для охлаждения расширительной машины 4 отводится частичный поток 12 жидкого хладагента, пропускаемый сначала через генератор 5. После этого охлаждающая среда проходит через корпус расширительной машины 4 и обеспечивает в этом месте достаточный отвод тепла.

По достижении минимальной пусковой частоты вращения открывается паровой клапан 13 на входе расширительной машины 4 для расширения пара в ОЦР-цикле, и при дальнейшем открытии этого парового клапана 13 происходит дальнейшее возрастание частоты вращения, в результате чего генератор 5 из двигательного режима переходит на работу в нормальном генераторном режиме.

В обход расширительной машины 4 предусмотрен регулируемый байпас 14 с по меньшей мере одним дроссельным клапаном 15. Сначала такой байпас 14 в пусковой фазе, т.е. при еще сравнительно низкой температуре рабочего тела, открыт.Таким путем рабочее тело направляется в обход расширительной машины 4. Сразу же по достижении ОЦР-контуром 1 своего заданного рабочего состояния дроссельный клапан 15 в байпасе 14 закрывается, а установленный перед расширительной машиной 4 паровой клапан 13 открывается.

Изобретение относится к энергетике. Способ управления рекуперационной установкой для источника отходящего тепла, состоящей из органического цикла Ренкина (ОЦР), последовательно предусмотренного после этого источника отходящего тепла, который соединен с нагревательным устройством ОЦР-цикла, а также с расширительной машиной для расширения пара в ОЦР-цикле, связанной с генератором, заключается в том, что расширительная машина для расширения пара в ОЦР-цикле запускается работающим в двигательном режиме генератором и разгоняется им до задаваемой в регулирующем устройстве минимальной пусковой частоты вращения, по достижении которой открывается паровой клапан на входе расширительной машины, в результате чего происходит дальнейшее возрастание частоты вращения, и генератор из двигательного режима переходит на работу в нормальном генераторном режиме. Изобретение позволяет повысить эффективность управления рекуперационной установкой для источника отходящего тепла. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления рекуперационной установкой для источника (10) отходящего тепла, состоящей из органического цикла Ренкина (ОЦР), последовательно предусмотренного после этого источника (10) отходящего тепла, который соединен с нагревательным устройством ОЦР-цикла, а также с расширительной машиной (4) для расширения пара в ОЦР-цикле, которая связана с генератором (5)и которая запускается работающим в двигательном режиме генератором (5) и разгоняется им до задаваемой в регулирующем устройстве минимальной пусковой частоты вращения, по достижении которой открывается паровой клапан (13) на входе расширительной машины (4) для расширения пара в ОЦР-цикле, и при дальнейшем открытии этого парового клапана (13) происходит дальнейшее возрастание частоты вращения, в результате чего генератор (5) из двигательного режима переходит на работу в нормальном генераторном режиме.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что минимальная пусковая частота вращения соответствует примерно двум третям минимальной рабочей частоты вращения.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что при полностью открытом паровом клапане (13) и при достигнутой минимальной рабочей частоте вращения в регулирующем устройстве инициируется процесс оптимизации частоты вращения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулирующее устройство определяет для расширительной машины (4) для расширения пара в ОЦР-цикле оптимальную для фактической рабочей точки частоту вращения, для чего на первой стадии происходит, начиная с минимальной частоты вращения, медленное ее регулируемое повышение при анализе мощности генератора, на второй стадии при возрастающей частоте и при одновременно падающей мощности генератора распознается превышение пикового уровня и на третьей стадии осуществляется уменьшение частоты вращения, а на последующих стадиях процессы, выполняемые на второй и третьей стадиях, повторяются до тех пор, пока частота вращения не стабилизируется в точке максимальной мощности генератора.

5. Способ по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что в регулирующем устройстве для расширительной машины (4) для расширения пара в ОЦР-цикле предусмотрена возможность задания оптимальной для фактической рабочей точки частоты вращения по многопараметровой характеристике.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что в многопараметровой характеристике оптимальной частоте вращения поставлено в соответствие давление на входе и/или выходе расширительной машины (4) и для определения фактического рабочего состояния измеряется, анализируется и корректируется в регулирующем устройстве по многопараметровой характеристике фактическое давление на входе и/или выходе расширительной машины (4) для настройки таким путем частоты вращения.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что в многопараметровой характеристике оптимальной частоте вращения поставлена в соответствие температура на входе и/или выходе расширительной машины (4) и для определения фактического рабочего состояния измеряется, анализируется и корректируется в регулирующем устройстве по многопараметровой характеристике фактическая температура на входе и/или выходе расширительной машины (4) для настройки таким путем частоты вращения.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что объединенный с расширительной машиной (4) для расширения пара в ОЦР-цикле генератор (5) имеет связанный с ним преобразователь частоты для работы с переменной, соответственно регулируемой частотой вращения.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что предусмотрен идущий в обход расширительной машины (4) регулируемый байпас (14) с по меньшей мере одним дроссельным клапаном (15) в ОЦР-контуре (1).

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что регулируемый байпас (14), идущий в обход расширительной машины (4), сначала в пусковой фазе открыт и закрывается по достижении температурой в ОЦР-контуре (1) задаваемого уровня.