ОСНОВАННЫЙ НА МОДЕЛИ КОНТРОЛЬ РАБОЧЕГО СОСТОЯНИЯ РАСШИРИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ Российский патент 2020 года по МПК F01K13/02 F01K25/08 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к способу эксплуатации устройства, работающему на основе термодинамического циклического процесса, в частности устройства на основе органического цикла Ренкина (устройство ORC, от англ. ORC - organic-Rankine-cycle) с расширительной машиной, а также к устройству, работающему на основе термодинамического циклического процесса, выполненному с возможностью приведения в действие способом в соответствии с изобретением.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Если устройство на основе термодинамического циклического процесса, например устройство с органическим циклом Ренкина, подключено к генератору или узлу с двигателем/генератором для подачи энергии в электросеть, на расширительную машину влияет скорость вращения, обусловленная частотой сети. Аналогичная ситуация возникает при подключении к другому внешнему устройству, такому как устройство с двигателем внутреннего сгорания, для его обеспечения.

Оказалось, что, например, процесс подключения внешнего устройства может вызывать повреждение расширительной машины устройства на основе термодинамического циклического процесса, особенно в подшипниках вращающихся элементов расширительной машины. Согласно опыту заявителя такое повреждение возникает, когда мощность эффективно подается на расширительную машину. Это относится, в частности, к винтовым расширительным машинам.

Подключение генератора, приводимого в действие системой с органическим циклом Ренкина, описано в ЕР 1759094 В1. Подключение к электросети возникает, когда измеренная скорость генератора соответствует частоте сети, что, следовательно, подразумевает подключение в отсутствии мощности. Однако такое измерение скорости влечет дополнительные затраты или, в случае (полу-) герметичных машин, даже чрезвычайно затратно, поскольку вал снаружи напрямую недоступен. Измерение скорости на основе генерируемого напряжения невозможно с асинхронными генераторами, которые не подсоединены к сети или иным образом не намагничены.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения состоит в том, чтобы устранить вышеупомянутые недостатки.

Изобретение описывает решение указанной выше проблемы путем добавления основанного на модели управления и/или контроля в режим работы (процесс пуска, нормальный режим работы, останов) устройства на основе термодинамического циклического процесса с расширительной машиной.

Решение в соответствии с изобретением определяется способом с признаками, изложенными в пункте 1.

Таким образом, изобретение раскрывает способ управления устройством, работающим на основе термодинамического циклического процесса, в частности устройством, работающим на основе органического цикла Ренкина, которое содержит испаритель, расширительную машину, конденсатор и питательный насос, при этом расширительная машина подключена к внешнему устройству при нормальном режиме работы, а способ включает следующие этапы: измерение давления отработанного пара ниже по потоку от расширительной машины и регулировку объемного расхода питательного насоса в соответствии с компьютеризированной моделью управления устройством, работающим на основе термодинамического циклического процесса, в зависимости от измеренного давления отработанного пара и целевой скорости вращения расширительной машины в качестве входных переменных модели управления, и с объемным расходом питательного насоса в качестве выходной переменной модели управления.

Давление отработанного пара ниже по потоку от расширительной машины можно измерить между расширительной машиной и питательным насосом, в частности между расширительной машиной и конденсатором, или между конденсатором и питательным насосом. При измерении между конденсатором и питательным насосом потерей давления в конденсаторе можно либо пренебречь, либо она известна и учитывается при управлении.

Только измеренное давление отработанного пара или измеренное значение давления отработанного пара, скорректированное на поправочный коэффициент, используется в качестве входной переменной в модели управления (за исключением целевой скорости вращения расширительной машины). При измерении давления отработанного пара между конденсатором и питательным насосом можно учитывать потерю давления в конденсаторе и/или трубопроводах между расширительной машиной и точкой измерения и соответствующим образом корректировать измеренное давление отработанного пара.

Объемным расходом рабочей среды, перекачиваемой питательным насосом, можно управлять различными способами. Установка скорости питательного насоса является одним из способов регулировки объемного расхода питательного насоса, другие способы включают дроссель (дроссельный клапан) или трехходовой клапан ниже по потоку от насоса, или регулировку характеристик подачи питательного насоса путем регулировки рабочего колеса или хода поршня.

Преимущество способа в соответствии с изобретением состоит в том, что точку измерения для измерения скорости, требуемого в современном уровне техники, можно исключить с помощью управления на основе модели в рамках объема настоящего изобретения.

Способ в соответствии с изобретением можно дополнительно усовершенствовать таким образом, чтобы процесс пуска устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса включал следующие этапы: управление расширительной машиной с получением состояния, в котором целевая скорость вращения расширительной машины больше или равна заданной скорости внешнего устройства, подключаемого к расширительной машине, причем подключаемое внешнее устройство содержит, в частности, генератор, узел с генератором/двигателем или устройство, приводимое в действие отдельным двигателем; и последующее подключение расширительной машины к внешнему устройству. Если скорости одинаковы, происходит нейтральное по мощности подключение. Если скорость расширительного устройства при подключении (немного) выше, чем синхронная скорость, то эффективная мощность расширительной машины положительна и, следовательно, не повреждает подшипники.

Другое дополнительное усовершенствование состоит в том, что можно выполнить следующие дополнительные этапы: измерение давления свежего пара выше по потоку от расширительной машины; сравнение измеренного давления свежего пара с текущим смоделированным давлением свежего пара в соответствии с моделью управления; и инициирование процесса останова и/или прерывания процесса пуска, если измеренное давление свежего пара меньше, чем смоделированное давление свежего пара, зависящее от измеренного давления отработанного пара, более чем на заданную величину или предварительно определенную дробную часть.

Давление свежего пара выше по потоку от расширительной машины можно измерить между питательным насосом и расширительной машиной, в частности между испарителем и расширительной машиной, или между питательным насосом и испарителем. Давление свежего пара можно, например, измерить на выпуске питательного насоса/впуске испарителя и скорректировать с учетом потери давления испарителя и/или трубопровода до впуска расширительной машины.

Это можно дополнительно усовершенствовать так, что во время процесса пуска расширительную машину подключают к внешнему устройству, только если измеренное давление свежего пара больше смоделированного давления свежего пара или равно ему.

В соответствии с другим дополнительным усовершенствованием можно выполнить следующие дополнительные этапы: измерение температуры источника тепла, подающего тепло в устройство термодинамического циклического процесса через испаритель и выполнение процесса пуска, только если измеренная температура источника тепла больше или равна текущей смоделированной температуре источника тепла в соответствии с моделью управления.

Другое дополнительное усовершенствование заключается в том, что процесс останова устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса может включать в себя следующие этапы: отключение расширительной машины от внешнего устройства, если давление свежего пара и/или температура источника тепла падают ниже соответствующего заданного порогового значения; и открытие байпасной (обводной) линии для обхода расширительной машины.

Это можно дополнительно усовершенствовать так, что далее выполняют следующий этап: уменьшение объемного расхода (в частности, путем уменьшения скорости вращения) питательного насоса до достижения нейтрального по мощности или бессилового состояния расширительного устройства в соответствии с моделью управления, в которой мощность, потребляемая расширительным устройством, равна выходной мощности расширительного устройства, или общая сила, действующая на расширительное устройство в направлении оси вращения расширительного устройства, равна нулю.

Модель управления в соответствии с изобретением может включать в себя аналитические и/или числовые, и/или табличные зависимости входных и выходных переменных.

Указанная выше задача также решается с помощью устройства на основе термодинамического циклического процесса в соответствии с пунктом 10.

Устройство на основе термодинамического циклического процесса в соответствии с изобретением (в частности устройство на основе органического цикла Ренкина) содержит испаритель, расширительную машину, конденсатор и питательный насос, при этом расширительная машина подключена к внешнему устройству во время нормального режима работы; а устройство т на основе ермодинамического циклического процесса дополнительно содержит: устройство измерения давления отработанного пара для измерения давления отработанного пара ниже по потоку от расширительной машины и управляющее устройство для установки объемного расхода питательного насоса в соответствии с моделью управления устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса, сохраненной в памяти управляющего устройства, в зависимости от измеренного давления отработанного пара и целевой скорости вращения расширительной машины в качестве входных переменных модели управления, и с объемным расходом питательного насоса в качестве выходной переменной модели управления. Давление отработанного пара ниже по потоку от расширительной машины можно измерить в точках, упомянутых выше при описании способа в соответствии с изобретением.

Устройство на основе термодинамического циклического процесса в соответствии с изобретением можно дополнительно усовершенствовать таким образом, что управляющее устройство выполнено с возможностью совершения следующих этапов во время процесса пуска устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса: управления расширительной машиной с получением состояния, в котором целевая скорость вращения расширительной машины больше или равна заданной скорости внешнего устройства, подключаемого к расширительной машине, причем подключаемое внешнее устройство содержит, в частности, генератор, узел с генератором/двигателем или устройство, приводимое в действие отдельным двигателем; и последующего подключения расширительной машины к внешнему устройству.

В соответствии с другим усовершенствованием устройство на основе термодинамического циклического процесса дополнительно содержит устройство измерения давления свежего пара для измерения давления свежего пара выше по потоку от расширительной машины; при этом управляющее устройство выполнено с возможностью сравнения измеренного давления свежего пара с текущим смоделированным давлением свежего пара в соответствии с моделью управления, а также инициирования процесса останова и/или прерывания процесса пуска, если измеренное давление свежего пара ниже смоделированного давления свежего пара более чем на заданную величину или заданную дробную часть. Давление свежего пара выше по потоку от расширительной машины можно измерить в точках, уже упомянутых выше при описании способа в соответствии с изобретением.

Другое дополнительное усовершенствование состоит в том, что устройство на основе термодинамического циклического процесса дополнительно содержит: устройство измерения температуры источника тепла для измерения температуры источника тепла, подающего тепло в устройство на основе термодинамического циклического процесса через испаритель; при этом управляющее устройство выполнено с возможностью совершения процесса пуска, только когда измеренная температура источника тепла больше или равна текущей смоделированной температуре источника тепла в соответствии с моделью управления.

В соответствии с другим дополнительным усовершенствованием устройство термодинамического циклического процесса дополнительно содержит байпасную линию в качестве прямого соединения между испарителем и конденсатором для обхода расширительной машины; причем управляющее устройство выполнено с возможностью совершения следующих этапов во время операции останова устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса: отключения расширительной машины от внешнего устройства, если давление свежего пара и/или температура источника тепла падают ниже соответствующего заданного порогового значения; и открытия байпасной линии посредством клапана в байпасной линии.

Другое дополнительное совершенствование состоит в том, что устройство термодинамического циклического процесса дополнительно содержит: соединительную муфту для подключения расширительного устройства к внешнему устройству и/или зубчатую передачу для регулировки передаточного числа от расширительного устройства к внешнему устройству.

Упомянутые дополнительные усовершенствования можно использовать по отдельности или в сочетании при необходимости.

Дополнительные признаки и примерные варианты реализации, а также преимущества настоящего изобретения будут более подробно пояснены ниже с использованием чертежей. Само собой разумеется, что варианты реализации не исчерпывают объем настоящего изобретения. Само собой разумеется также, что некоторые или все признаки, описанные ниже, можно сочетать другими способами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает вариант реализации способа в соответствии с изобретением.

Фиг. 2 показывает силы в расширительной машине.

Фиг. 3 показывает мощность расширительной машины в зависимости от ее скорости.

Фиг. 4 показывает мощность расширительной машины в зависимости от соотношения давлений.

Фиг. 5 показывает процесс управления на диаграмме соотношение мощность/давление.

ВАРИАНТЫ РЕАЛИЗАЦИИ

В качестве примера термодинамического циклического процесса в дальнейшем служит процесс органического цикла Ренкина. На Фигуре 1 показан вариант 100 реализации устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса, в соответствии с изобретением. Циклический процесс органического цикла Ренкина содержит питательный насос 40 для увеличения давления, испаритель 10 для предварительного нагрева, испарения и перегрева рабочей среды, расширительную машину 20 для генерирующего мощность расширения рабочей среды, которая соединена через соединительную муфту 27 или без нее с генератором 25 (или узлом с двигателем/генератором), или внешним процессом 26, возможный байпас 50 для обхода расширительной машины 20 и конденсатор 30 для нагрева, конденсации и переохлаждения рабочей среды.

В дополнение, устройство 100 на основе циклического процесса в соответствии с изобретением включает в себя устройство 61 измерения давления отработанного пара для измерения давления отработанного пара ниже по потоку от расширительной машины 20. В качестве примера устройство 61 измерения давления отработанного пара обеспечено здесь между расширительной машиной 20 и конденсатором 30. Однако также возможно расположить его между конденсатором 30 и питательным насосом, при необходимости учитывая потери давления в конденсаторе 30 в виде поправочного коэффициента к измеренному давлению отработанного пара.

В дополнение, обеспечено управляющее устройство 80 для установки объемного расхода рабочей среды, перекачиваемой питательным насосом 40 (например, путем установки скорости вращения питательного насоса 40), в соответствии с моделью управления устройством 100 термодинамического циклического процесса, сохраненной в запоминающем устройстве 81 управляющего устройства 80, только в зависимости от измеренного давления отработанного пара (при необходимости скорректированного на поправочный коэффициент) и целевой скорости вращения расширительной машины 20 в качестве входных переменных модели управления, и с объемным расходом питательного насоса 40 (например, в виде скорости вращения питательного насоса 40) в качестве выходной переменной модели управления.

В случае подключения генератора 25 (или узла с двигателем/генератором) также можно обеспечить соединительный выключатель 28, который подключает генератор 25 (или узел с двигателем/генератором) к сети электропитания или отключает его.

Ниже обсуждается проблема, лежащая в основе решения в соответствии с изобретением.

ОБСУЖДЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В основе изобретения лежит следующая проблема. Если расширительную машину 20 приводят в действие двигателем, то есть вводят мощность, например, генератором 25 при работе двигателя за счет задания фиксированного числа оборотов, или через внешний процесс 26, существует риск повреждения, поскольку силовой поток не соответствуют расчетной точке («неисправный режим работы»). Направление силы на роторы расширительной машины (как показано на Фигуре 2) определяется силовым воздействием положения давления свежего (острого) пара и отработанного пара (в зависимости от разницы давления через расширительную машину) и сил на основе выходной мощности или потребляемой мощности («сила передачи», в зависимости от коэффициента давления через расширительную машину, см. также Фигуру 4). В рабочей точке и, следовательно, в расчетной точке расширительной машины они спроектированы таким образом, чтобы результирующая сила действовала в направлении, в котором конструкция подшипников способна поглощать указанную силу. В показанном примере расширительная машина 20 представляет собой винтовой расширитель.

Повреждение вызвано, например, истиранием или образованием стружки из-за контакта вращающихся тел с корпусом, поскольку подшипник не выдерживает силовое воздействие (Фигура 2). В результате это может приводить к смещению в осевом направлении и, при определенных обстоятельствах, вращению кольца подшипника из-за сброса нагрузки, что может приводить к повреждению подшипника.

Однако такая работа двигателя происходит автоматически, если расширительная машина все еще находится в состоянии покоя в точке включения (текущее положение давления не может преодолеть необходимое пост-сжатие), или скорость ниже синхронной скорости при включении (точка соединения а) на Фигуре 3). В этих точках расширительная машина ускоряется, и для этого используется мощность. Таким образом, доступная мощность расширителя отрицательна.

Для лучшего понимания здесь мы поговорим о пост-сжатии (точнее мощности пост-сжатия) и пост-расширении (точнее мощности пострасширения). Однако в принципе речь идет о другой части процесса (Р_АА) выброса, которую расширительная машина должна подать для выброса среды, находящейся к концу расширения в камере расширительной машины, против давления р_оп отработанного пара. Таким образом, это различие относится к эталону (Р_{АА, эт}), при котором давление при открытии камеры равно давлению отработанного пара за камерой.

Таким образом, применимо следующее:

Для р_камера>Р_оп: Р_{пост-расширение} = Р_АА;эт - Р_АА,тек; Р_{пост-сжатие}=0

Для p_камера<Р_оп: Р_{пост-расширение} = Р_АА;эт - Р_AА,тек; Р_{пост-сжатие}=0

Для p_камера=Р_оп: Р_{пост-расширение} = 0; Р_{пост-сжатие}=0

Поэтому для бездефектного соединения расширительная машина должна по меньшей мере находиться в нейтральной по мощности точке при скорости соединения (точка соединения b) на Фигуре 3) или выше (точка соединения с) на Фигуре 3), при этом расширительная машина по меньшей мере не ускоряется и не тормозится, и, таким образом, по меньшей мере не подается отрицательная мощность.

Перед соединением генератора или внешнего процесса в свою очередь не должна рассеиваться никакая мощность, т.к. машина может неуправляемо ускоряться до повреждения, если подача пара не определена.

Получить данные о текущей скорости расширительной машины в принципе возможно с помощью измерения скорости. Однако такое измерение скорости представляет собой дополнительные издержки или является очень затратным в реализации.

Неисправное состояние из-за подачи мощности на расширительную машину продолжает возникать во время работы и при останове, если мощность пост-сжатия превышает мощность расширения из-за положений недостаточного давления (см. Фигуру 4). Это приводит к расширению газа в закрытой расширительной камере расширительной машины. Однако после открытия давление в камере оказывается ниже уровня со стороны отработанного пара, поэтому расширительной машине необходимо снова частично сжимать его при выталкивании, а также выталкивать среду, дополнительно вытекшую назад из конденсатора в камеру («пост-сжатие»). Применимо следующее:

Р_общее=Р_{расширение}+Р_{пост-расширение}+Р_{пост-сжатие}

Соотношение п давлений определяется как соотношение давления свежего пара к давлению отработанного пара:

п = рсп/роп

где

рсп = давление свежего пара

роп = давление отработанного пара

В дополнение, вместо используемого здесь и измеряемого напрямую соотношения давлений также можно использовать объемное соотношение Ф:

Ф = ρоп/ρсп

где

ρсп = плотность свежего пара

ρоп = плотность отработанного пара

Оба соотношения (п, Ф) предусматривают одинаковый результат в первом приближении.

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ

Процесс пуска

Здесь расширительную машину 20 приводят к определенной исходной точке (скорости), что предотвращает повреждение расширительной машины при включении. С помощью основанного на модели управления обходятся без необходимых измеренных значений скорости потока и скорости расширительной машины, определяемых дорогостоящей измерительной техникой.

Такое основанное на модели управление основано на данных о нейтральной по мощности точке расширительной машины (как показано на Фигуре 4, применимо: Р_общее=0 и, таким образом, Р_{расширение}=- Р_{пост-сжатие}). Это означает, что в зависимости от давления р_оп отработанного пара должно достигаться соответствующее давление р_сп свежего пара.

Кроме того, скорость, с которой в данном состоянии без мощности приводят в действие расширительную машину, определяется объемным расходом подаваемого пара в зависимости:

где

ηрм = скорость вращения расширительной машины

= объемный расход свежего пара

V_камера = объем камеры высокого давления расширительной машины

K = число камер за оборот

Таким образом, состояние расширительной машины 20 (в частности, ее скорость) можно четко определить, зная давление свежего пара, давление отработанного пара и объемный расход свежего пара (в зависимости от требуемой скорости при включении). Указанное выше уравнение для определения скорости расширительной машины первоначально представляет собой простейший вид, и его точность можно дополнительно улучшить, например, поправкой на объемный расход утечки с переменной скоростью. Из скорости расширительной машины и других термодинамических переменных можно определить электрическую мощность и, таким образом, состояние термодинамического цикла.

Однако измерение объемного расхода свежего пара является относительно затратным измерением, которое, таким образом, негативно влияет на экономическую эффективность всей системы.

По объемному расходу свежего пара относительно легко определить массовый расход свежего пара, который также можно измерить в жидкой фазе между питательным насосом 40 и испарителем 10. Однако необходимые измерительные приборы (например, Кориолисов расходомер) также связаны со значительными издержками.

Однако существует также прямая зависимость между объемным расходом свежего пара и объемным расходом жидкости, подаваемой питательным насосом 40, которую можно определить через плотности:

где

= объемный расход через питательный насос

= объемный расход через расширительную машину

ρ_сп = плотность свежего пара через расширительную машину

ρ_ж = плотность жидкой среды в питательном насосе

Следует отметить, что плотность свежего пара также зависит от положения давления отработанного пара, поскольку она зависит от давления свежего пара (и температуры свежего пара). Давление свежего пара само по себе зависит от давления отработанного пара в режиме работы расширительной машины без производительности. Это обстоятельство (варьирование р_сп и ) также приводит к тому факту, что характер пуска из неподвижного состояния с фиксированным числом оборотов питательного насоса в зависимости от давления отработанного пара, которое зависит от условий конденсации, таких как, например, температура теплоотвода, может привести к процессу пуска с приводом двигателя (высокое давление р_оп отработанного пара; расширительная машина от состояния ниже синхронного до состояния покоя) или к ускорению расширителя сверх допустимой скорости (низкий р_оп).

Кроме того, необходимая разность давлений от нейтральной точки, которую должен подать питательный насос 40, задается как Р_пн = р_сп - р_оп

Таким образом, объемный расход в питательном насосе 40 и разность давлений, которую должен подать питательный насос 40, известны. Путем моделирования питательного насоса 40 теперь можно найти точку скорости питательного насоса 40, при которой выполняется это условие разницы давлений и скорости потока.

В результате получается управление пуском, которое присваивает значение скорости питательного насоса каждому давлению отработанного пара и связанной с ним скорости при включении (целевая скорость вращения расширительной машины 20) без необходимости в дополнительных точках измерения. В качестве недостатка необходимо упомянуть то, что фактические значения этих важных измеряемых переменных, таким образом, отображаются с помощью модели и в системе фактически остаются неизвестными.

Однако бездефектному включению все же могут угрожать следующие механизмы:

1) Отказ питательного насоса (кавитация, повреждение двигателя и т.д.) приводит к более низкому уровню давления/скорости потока, чем требуется для бездефектного режима работы.

2) Незакрытый или не полностью закрытый байпас 50 (Фигура 1) или другое вытекание хладагента, который не проходит через расширительные камеры, приводит к слишком низкому уровню давления при включении.

3) Уровень температуры источника тепла находится ниже уровня, необходимого для испарения рабочей среды при необходимом давлении свежего пара.

Проблемы 1) + 2) можно исключить, если дополнительно контролировать достигнутую технологическую переменную давления свежего пара перед процессом включения. Если насос и байпас эксплуатируются регулярно, она должна соответствовать значению, определенному при моделировании. При ее отклонении вниз пуск можно прервать, не повредив расширительную машину 20.

Проблему 3) можно исключить, также сохранив модель необходимой температуры источника тепла (Т_гв, Фигура 1) и выполняя процедуру пуска по меньшей мере при достижении значения, необходимого для безопасного пуска, или его превышении.

Нормальный режим работы

Во время режима работы может возникнуть очень небольшая разность давлений от р_сп к р_оп при отсутствии подачи тепла и плохом рассеивании тепла (например, высокая температура воздуха/температура воды). Это также может привести к неполадкам в работе системы, как показано на Фигуре 2 и Фигуре 4. Вместо проведения оценки общей мощности, на которую влияют дополнительные факторы, необходимо использовать выбранную модель для контроля вызывающих повреждения падений ниже необходимого коэффициента п давлений или объемного соотношения Ф путем контроля необходимого давления р_сп свежего пара по отношению к давлению отработанного пара. Если здесь достигается критическое пороговое значение, система выключается управляемым образом, прежде чем будет достигнуто неисправное состояние. Другая возможность заключается в контроле электрической мощности расширительной машины. При ее падении ниже критического порогового значения, система выключается управляемым образом.

Останов

В программе останова положение температуры со стороны подвода тепла системы уменьшают требуемым образом, чтобы обеспечить безопасную остановку системы с получением состояния покоя при умеренных температурах. Однако такое снижение уменьшает давление р_сп свежего пара и, таким образом, коэффициент п давления. В крайних случаях это также может в результате приводить к неполадкам в работе во время останова.

Для их предотвращения температуру (Т_гв) горячей воды, требуемую для безопасной работы, также контролируют с помощью измерительного устройства 63, а давление (р_сп) свежего пара - с помощью измерительного устройства 62. При падении давления ниже определенного порогового значения расширительную машину отключают от цепи питания, то есть мощность не подают и не разряжают, и в то же время с помощью клапана 51 открывают байпас 50, чтобы уменьшить давление со стороны свежего пара и позволить системе работать в случае необходимости. Выключение во взаимосвязи с давлением свежего пара в зависимости от давления отработанного пара позволяет исключить, с одной стороны, неполадки в работе, но, с другой стороны, еще и того, что положение давления будет все еще настолько высоко, что выключение расширителя (отключение расширительного устройства) от цепи питания может неконтролируемо подключить его еще до того, как давление через байпас 50 будет в достаточной мере уменьшено. Такой безопасности можно дополнительно достичь постепенным уменьшением скорости питательного насоса до значения, соответствующего точке нулевой мощности из моделирования. Это позволяет достичь рабочего состояния, при котором в случае дополнительного управления расширительной машиной (расширителя) 20 или ошибки в открытии байпаса, расширительная машина 20 работает с определенной скоростью ниже неисправной скорости при нейтральной мощности. В целом, время работы в диапазоне нейтральной мощности также следует минимизировать, так как очень низкая нагрузка на подшипник означает, что работа сокращает срок службы.

Структура стратегии управления еще раз кратко изложена ниже и проиллюстрирована на Фигуре 5:

В результате моделирования имеется управляющее устройство 80 питательного насоса 40, которое работает без измеренных значений скорости расширителя или скорости потока, и содержит низкое давление (давление отработанных паров) в качестве входной переменной для управления целевой скоростью вращения расширительного устройства 20.

Для обеспечения корректного функционирования питательного насоса 40 и байпаса 50 (отказ в свою очередь приводит к неполадкам в работе двигателя), давление свежего пара и температуру горячей воды, полученные при моделировании, также используют в качестве переменных контроля (падение ниже смоделированного значения означает отклонение в системе с потенциалом повреждения).

Представленные варианты реализации являются только примерными, и полный объем настоящего изобретения определяется формулой изобретения.

Изобретение относится к способу управления устройством, работающим на основе термодинамического циклического процесса, в частности устройством, работающим на основе органического цикла Ренкина, которое содержит испаритель, расширительную машину, конденсатор и питательный насос, при этом расширительная машина подключена к внешнему устройству при нормальном режиме работы, а способ включает следующие этапы: измерение давления отработанного пара ниже по потоку от расширительной машины и установку объемного расхода питательного насоса в соответствии с компьютеризированной моделью управления устройством, работающим на основе термодинамического циклического процесса, в соответствии с измеренным давлением отработанного пара и целевой скоростью вращения расширительной машины в качестве входных переменных модели управления, и с объемным расходом питательного насоса в качестве выходной переменной модели управления. Изобретение также относится к соответствующему устройству на основе термодинамического циклического процесса. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ управления устройством, работающим на основе термодинамического циклического процесса, в частности устройством, работающим на основе органического цикла Ренкина, которое содержит испаритель, расширительную машину, конденсатор и питательный насос, при этом расширительная машина подключена к внешнему устройству при нормальном режиме работы, а

способ включает следующие этапы:

измерение давления отработанного пара ниже по потоку от расширительной машины и

установку объемного расхода питательного насоса в соответствии с компьютеризированной моделью управления устройством, работающим на основе термодинамического циклического процесса, в зависимости от измеренного давления отработанного пара и целевой скорости вращения расширительной машины в качестве входных переменных модели управления, и с объемным расходом питательного насоса в качестве выходной переменной модели управления.

2. Способ по п. 1, в котором установка скорости потока питательного насоса включает:

установку скорости вращения питательного насоса, и/или

установку дроссельного клапана или трехходового клапана за насосом; и/или

установку характеристики подачи питательного насоса, в частности, путем установки рабочего колеса, в случае центробежного насоса в качестве питательного насоса, или путем установки хода плунжера, в случае плунжерного насоса в качестве питательного насоса.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором процесс пуска устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса, включает следующие этапы:

управление расширительной машиной с получением состояния, в котором целевая скорость вращения расширительной машины больше или равна заданной скорости внешнего устройства, подключаемого к расширительной машине, причем подключаемое внешнее устройство, в частности, содержит генератор, узел с генератором/двигателем или устройство, приводимое в действие отдельным двигателем; и

последующее подключение расширительной машины к внешнему устройству.

4. Способ по одному из пп. 1-3, включающий дополнительные этапы:

измерение давления свежего пара выше по потоку от расширительной машины;

сравнение измеренного давления свежего пара с текущим смоделированным давлением свежего пара в соответствии с моделью управления и

инициирование процесса останова и/или прерывания процесса пуска, если измеренное давление свежего пара ниже смоделированного давления свежего пара более чем на заданную величину или более чем на заданную дробную часть.

5. Способ по п. 4, в котором во время процесса пуска расширительную машину подключают к внешнему устройству, только если измеренное давление свежего пара больше смоделированного давления свежего пара или равно ему.

6. Способ по одному из пп. 3-5, включающий дополнительные этапы:

измерение температуры источника тепла, подводящего тепло к устройству, работающему на основе термодинамического циклического процесса, через испаритель и

выполнение процесса пуска, только если измеренная температура источника тепла больше или равна текущей смоделированной температуре источника тепла в соответствии с моделью управления.

7. Способ по одному из пп. 1-6, в котором процесс останова устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса, включает следующие этапы:

отключение расширительной машины от внешнего устройства, если давление свежего пара и/или температура источника тепла падают ниже соответствующего заданного порогового значения; и

открытие байпасной линии для обхода расширительной машины.

8. Способ по п. 7, включающий дополнительный этап:

уменьшение объемного расхода питательного насоса до достижения нейтрального или бессилового состояния расширительного устройства в соответствии с моделью управления, при котором мощность, потребляемая расширительным устройством, равна выходной мощности расширительного устройства или общая сила, действующая на расширительное устройство в направлении оси вращения расширительного устройства, равна нулю.

9. Способ по одному из пп. 1-8, в котором модель управления включает аналитические, и/или числовые, и/или табличные зависимости входных и выходных переменных.

10. Устройство (100) на основе термодинамического циклического процесса, в частности устройство на основе органического цикла Ренкина, содержащее испаритель (10), расширительную машину (20), конденсатор (30) и питательный насос (40), при этом расширительная машина (20) подключена к внешнему устройству (25, 26) в нормальном режиме; а устройство дополнительно содержит:

устройство (61) измерения давления отработанного пара для измерения давления отработанного пара ниже по потоку от указанной расширительной машины (20) и

управляющее устройство (80) для установки объемного расхода питательного насоса (40) в соответствии с моделью управления устройством, работающим на основе термодинамического циклического процесса, сохраненной в запоминающем устройстве (81) управляющего устройства (80), в зависимости от измеренного давления отработанного пара и целевой скорости вращения расширительной машины (20) в качестве входных переменных модели управления, и с объемным расходом питательного насоса (40) в качестве выходной переменной модели управления.

11. Устройство на основе термодинамического циклического процесса по п. 10, в котором управляющее устройство (80) выполнено с возможностью совершения следующих этапов во время процесса пуска устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса:

управления расширительной машиной (20) с получением состояния, в котором целевая скорость вращения расширительной машины больше или равна заданной скорости внешнего устройства, подключаемого к расширительной машине, причем подключаемое внешнее устройство, в частности, содержит генератор, узел с генератором/двигателем или устройство, приводимое в действие отдельным двигателем; и

последующего подключения расширительной машины (20) к внешнему устройству (25, 26).

12. Устройство на основе термодинамического циклического процесса по п. 10 или 11, дополнительно содержащее:

устройство (62) измерения давления свежего пара для измерения давления свежего пара выше по потоку от расширительной машины (20);

причем управляющее устройство (80) выполнено с возможностью сравнения измеренного давления свежего пара с текущим смоделированным давлением свежего пара в соответствии с моделью управления, а также инициирования процесса останова и/или прерывания процесса пуска, если измеренное давление свежего пара ниже смоделированного давления свежего пара более чем на заданную величину или на заданную дробную часть.

13. Устройство на основе термодинамического циклического процесса по одному из пп. 10-12, дополнительно содержащее:

устройство (63) измерения температуры источника тепла для измерения температуры источника тепла, который подает тепло к указанному устройству термодинамического циклического процесса через указанный испаритель (10); и

причем управляющее устройство (80) выполнено с возможностью совершения процесса пуска, только если измеренная температура источника тепла больше или равна текущей смоделированной температуре источника тепла в соответствии с моделью управления.

14. Устройство на основе термодинамического циклического процесса по одному из пп. 10-13, дополнительно содержащее:

байпасную линию (50) в качестве прямого соединения между испарителем (10) и конденсатором (30) для обхода расширительной машины (20);

причем упомянутое управляющее устройство (80) выполнено с возможностью совершения следующих этапов во время операции останова упомянутого устройства, работающего на основе термодинамического циклического процесса:

отключения расширительной машины (20) от внешнего устройства (25, 26), если давление свежего пара и/или температура источника тепла падают ниже соответствующего заданного порогового значения; и

открытия байпасной линии (50) посредством клапана (51) в байпасной линии.

15. Устройство на основе термодинамического циклического процесса по одному из пп. 10-14, дополнительно содержащее:

соединительную муфту (27) для подключения указанного расширительного устройства (20) к указанному внешнему устройству (25, 26) и/или

зубчатую передачу для установки передаточного числа от указанного расширительного устройства (20) к указанному внешнему устройству (25, 26).