CN101107425B - 用于利用废热产生电力的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

根据本发明，提供了一种用于在船舶上产生电力的方法和设备。该方法包括步骤：(a)提供兰金循环装置，该兰金循环装置包括蒸发器、涡轮发电机、冷凝器和制冷剂进给泵中的每一种中的至少一个，该涡轮发电机包括同发电机连接的涡轮机；(b)在该船舶的动力装置的排气管道内设置一个或多个蒸发器；(c)运行该动力装置；和(d)选择性泵送制冷剂经过该兰金循环装置，其中，离开该蒸发器的制冷剂向涡轮机提供动力，该涡轮机又向发电机提供动力，以便产生电力。

Description

用于利用废热产生电力的方法和设备
发明背景
1.技术领域
本发明大体涉及用于利用来自动力装置的废热产生电力的方法和设备，并且特别涉及那些利用有机兰金循环(Rankine cycle)的方法和设备。
2.背景信息
海洋和陆基动力装置可产生温度范围为350至1850华氏度(°F)的废气产物。在多数应用中，废气产物排放到外界，而散失了热能。然而，在一些情况下，热能被进一步利用。例如，来自工业燃气轮机(IGT)的废气的热能已经用作驱动兰金循环系统的能源。
兰金循环系统可包括连接到发电机上的涡轮机、冷凝器、泵和蒸气发生器上。蒸气发生器受热源(如地热能源)的控制。来自热源的能量传递到经过蒸气发生器的流体。赋予能量的流体随后向涡轮机提供动力。在离开涡轮机后，流体流经冷凝器并随后泵送回到蒸气发生器中。在陆基应用中，冷凝器典型地包括多个气流热交换器，气流热交换器将热能从水中转移到外界空气中。
在二十世纪七十年代和八十年代，美国海军研究了一种兰金循环系统的海洋应用，称为兰金循环能量回收(RACER)系统。RACER系统采用高压蒸气作为工作介质并且连接到驱动系统上，以便增大驱动马力。由于连接到驱动系统上，RACER不能用来向任何附件提供动力；也就是说，如果驱动系统没有运行，则RACER系统也是如此。RACER系统从未充分地执行，并且该方案因与在海洋应用中使用高压蒸气的相关难题而取消。
所需要的是一种能在海洋环境中使用的且用于利用来自动力装置的废热产生电力的方法和设备，以及一种克服了与现有技术系统相关的难题的方法和设备。
发明概述
根据本发明，提供了一种用于在船舶上产生电力的方法和设备。该方法包括步骤：(a)提供兰金循环装置，该装置包括蒸发器、涡轮发电机、冷凝器和制冷剂进给泵中的每一种中的至少一个，涡轮发电机包括同发电机相连接的涡轮机；(b)在船舶的动力装置的排气管道内设置一个或多个蒸发器；(c)运行动力装置；和(d)选择性地泵送制冷剂经过兰金循环装置，其中离开蒸发器的制冷剂向涡轮机提供动力，涡轮机又向发电机提供动力，以便产生电能。
本方法和设备提供了重要的优点。例如，燃烧其动力装置内液体矿物燃料的船舶的航程典型地受到其所能携带的燃料储备的制约。在多数现代船舶中，一部分燃料储备用来运行产生电能的发电装置。因此，驱动需求和电能需求都动用了燃料储备。本方法和设备通过利用船舶动力装置产生的废热而不是矿物燃料来发电，降低了燃料储备的要求。因此，船舶能够携带较少燃料而具有相同的航程，或者携带相同量的燃料而具有较大的航程。此外，较少的燃料等同于较轻的重量，而较轻的重量能提高船舶速度。
如果考虑将被要求用于产生电能的矿物燃料的量，该电能可由本发明通过废热产生，则很明显的是，本发明提供了几个其它的优点。例如，利用船舶现有的主要动力装置或辅助动力装置来产生“N”单位电功率所需的燃料重量远远超过能通过废热产生相同的“N”单位电功率的现有ORC装置的重量。此外，液体燃料的消耗改变了船舶的浮力特性。现有ORC装置的重量保持恒定，从而方便了船舶的浮力控制。
对于那些利用放置在冷凝器内的回热式热交换器的实施方式，本发明向设置在相对紧凑单元内的ORC装置提供了增加效率的额外益处。
本发明的又一个优点，起因于自船舶动力装置的废气中排除的热能。废气的质量流量是体积流量和废气密度的函数。本方法和设备使得废气较大地冷却并因此增大废气密度。从而，充分地降低了质量流量，并且充分地减少了船舶动力装置排气管道的要求尺寸。
根据对本发明附图所示的最佳实施方式的具体介绍，将会清楚本发明的这些以及其它目的、特点和优点。
附图简要说明
图1是本发明ORC装置的实施例的图解透视图，该ORC装置具有单个涡轮发电机。
图2是本发明ORC装置的实施例的图解透视图，该ORC装置具有一对涡轮发电机。
图3是本发明ORC装置的实施例的图解透视图，该ORC装置具有三个涡轮发电机和单个冷凝器。
图4是本发明ORC装置的实施例的图解透视图，该ORC装置具有三个涡轮发电机和一对冷凝器。
图5是冷凝器的剖视平面视图。
图6是蒸发器的图解透视图。
图7是ORC装置的示意图，该ORC装置包括单个涡轮发电机。
图8是ORC装置的示意图，该ORC装置包括一对涡轮发电机。
图9是ORC装置的示意图，该ORC装置包括三个涡轮发电机。
图10是ORC装置的示意图，该ORC装置包括三个涡轮发电机和一对冷凝器。
图11是说明兰金循环的压力和焓曲线简图。
发明详述
参照图1至图6，利用了废热的本方法包括用于废热利用的有机兰金循环(ORC)装置20。ORC装置20包括下列各种中的至少一个：1)与发电机连接的涡轮机(下文中共同称为“涡轮发电机22”)；2)冷凝器24；3)制冷剂进给泵26；4)蒸发器28；和5)控制系统。优选的是，ORC装置20是不带有流体补给的闭合“密封”系统。如果泄漏时，或者不可冷凝物从装置20中自动排放，或者装入料从制冷剂汽缸中手动补充。
ORC装置20利用市场上可买到的制冷剂作为工作介质。可接受的工作介质的示例是R-245fa(1，1，1，3，3，五氟代丙烷)。R-245fa是不易燃的、不消耗臭氧的液体。R-245fa具有邻近300°F的饱和温度和300磅/平方英寸表压(PSIG)，表压允许在很宽的IGT废气温度范围内吸收废热。
现在参照图1至图4，涡轮发电机包括典型地以约18000转/分(rpm)的转速运行的单级径向流入涡轮机30、带有整体润滑系统的变速箱32和以3600rpm的转速运行的感应发电机34。变速箱32包括润滑系统。在某些情形下，变速箱润滑系统同变速箱32形成为一体。
在一个实施例中，涡轮发电机22来自从市场上可买到的制冷剂压缩机-马达单元；例如，Carrier Corporation公司的型号为19XR的压缩机-马达。作为涡轮机，压缩机运行时的旋转方向同其作为压缩机时运行的旋转方向相反。进行将压缩机变更成涡轮机的改动包括：1)用马达替代叶轮，该马达具有为用于涡轮机应用而成形的动叶片；2)改变轮盖以影响动叶片的几何形状；3)变更扩散器的流动面积，以便使其在既定运行条件下作为喷嘴使用；和4)除去入口导流叶片，该叶片在压缩机模式中用来调整制冷剂的流动。19XR压缩机内具有最高运行温度低于涡轮机30的运行温度的部件，就该方面来说，那些元件被替代或更改成适应涡轮机30的较高的运行温度。
在一些实施例中，涡轮发电机22包括外围部件，如油冷却器36(示意性地显示在图7至图10中)和油回收喷射器(未示出)。油冷却器36和喷射器以及同它们相关联的管路都连到涡轮发电机22上。
参照图6，大量不同的蒸发器28可与ORC装置20一起使用。单一压力的单程蒸发器28是可接受类型的蒸发器28，单程蒸发器28带有竖直的热气流和水平的制冷剂流，制冷剂经过由竖直集管维护的翅片管平行环路。可接受的蒸发器管道材料的示例包括带有碳钢片的碳钢管道和带有碳钢片的不锈钢管道，这两种管道都在高达900°F的废气流中成功地得到验证。其它的蒸发器管道材料可作为选择。入口集管流喷嘴被用来促进制冷剂的流动分布。可应用经过蒸发器28的不同制冷剂流动配置；例如，同向流动、同向-逆向流动、同向流动锅炉/过热器和逆向流动预热器等。本蒸发器28不限于任何特定的流动配置。
在所有的蒸发器28实施例中，如同锅炉部分入口的低温冷却一样，鉴于需要的热气出口温度，可选择预热器管道的数量和交叉点。分别放置在蒸发器28的对立末端的一对竖直管板38支撑蒸发器盘管。带有便于清洗的可移动平板的隔热箱40包围整个蒸发器28。
蒸发器28的数量可根据应用情况而决定。例如，如果有多于一个的排气管道，则蒸发器28可设置在每个排气管道内。设置在特定管道内的多于一个的蒸发器28也提供了冗余性优点和处理大范围的废气质量流速的能力。在较低废气流速下，单个蒸发器28可提供充分的冷却，同时还提供向涡轮发电机22供以动力所需的能量。在较高废气流速下，多个蒸发器28可用来提供充分的冷却和以向涡轮发电机22供给动力所需的能量。
参照图1至图5，冷凝器24是壳体加管道型单元，其尺寸设定为可满足ORC装置的要求。冷凝器24包括外壳42和设置在外壳42内的多个管道44(下文中称为“管组”)。外壳42包括工作介质入口46、工作介质出口48、冷却剂入口50和冷却剂出口52。冷却剂入口和出口50、52同管组44相连接，以便使得冷却流体进入冷凝器24的外壳中，流经管组44，并随后离开冷凝器外壳42。同样地，工作介质入口和出口46、48同冷凝器外壳42相连接，以便使得工作介质进入外壳42中，经过管组44周围，并随后离开外壳42。在一些实施例中，一个或多个扩散板54(参见图5)位于邻近工作介质入口46处，以便促进冷凝器24内工作介质的分布。在图1至图4所示的实施例中，外壳42在其每一轴向末端包括可移动的通道面板56。在优选的实施例中，通道面板56中的一个可枢轴转动地连接到外壳42的一个圆周侧，并且通过可选择性操作的插销(未示出)可连接到其对立圆周侧，使得通道面板56可容易地枢轴转动，以提供对管组44的接近。
在一些实施例中，不可冷凝物排放单元58(示意性地显示在图7至图9中)连接到冷凝器24上。排放单元58可用来抽取空气和水蒸汽，以便减小或消除它们的油水解或部件腐蚀作用，该空气和水蒸汽可聚集在冷凝器壳体42的蒸汽区内。仅当系统控制器热动地识别存在不可冷凝的气体时，排放单元58才运行。
参照图5，在一些实施例中，ORC装置20包括回热式热交换器60，以在工作介质进入蒸发器28之前对其预热。回热式热交换器60可用来接收来自离开涡轮发电机22的工作介质的至少一部分的热能，并且使用它来对进入蒸发器28的工作介质预热。在图5所示的实施例中，回热式热交换器60包括设置在冷凝器24的外壳42内的多个管道62。管道62串联(inline)连接在冷凝器24的工作介质出口48的下游和蒸发器28的上游。隔板64部分地包围回热式热交换器管道62，以将其从冷凝器24的余下部分隔开。工作介质通过工作介质入口46进入冷凝器24，并在进入冷凝器24余下部分之前流经回热式热交换器60。一个或多个扩散器54可设置在回热式热交换器内，以促进回热式热交换器60内工作介质的分布。将回热式热交换器60放置在冷凝器24内，方便地减小了ORC装置20的尺寸。然而，将回热式热交换器60设置在冷凝器24的外部可作为备选进行使用。
参照图1至图4，ORC装置20包括一个或多个变速制冷剂进给泵26，以将液态制冷剂供给到蒸发器28中。在一个实施例中，制冷剂进给泵26是涡轮再生泵，该再生泵以相对低的净泵吸入压头(NPSH)将液态制冷剂供给到蒸发器28中。这种设计同相对低的系统压力差相结合而允许了进给泵26和冷凝器24安装到相同高度，并消除了对分离冷凝物和进给泵的需要。在备选的实施例中，制冷剂进给泵26可以是侧通路离心泵或者是轴向入口离心泵。制冷剂进给泵26配备有变极器，以在全部的排气条件范围内允许全比例地变速操作。其它的泵控制器可作为备选使用。采用两个或多个制冷剂进给泵26的应用提供了冗余性的优点。在一些实施例中，直接设置在进给泵26的每一个的后部的管路74通过跨接管路部分76彼此连接。多个制冷剂进给泵26和跨接部分76通过在冷凝器24的不同位置处收集工作介质增强了ORC装置20适应具有显著颠簸摇晃(pitchand roll)的海洋环境的能力。具有多于一个的涡轮发电机22和多于一个的制冷剂进给泵26的ORC配置装备有阀66(如图7至图10所示)，使得每一涡轮发电机22或者进给泵26可选地从工作介质流动模式中移除。或者，进给泵26可同每一涡轮发电机22相关联，并且关联进给泵26的选择性启动可用于同关联的涡轮发电机22相接合/脱离。
图7至图10所示的ORC装置20配置各自包括在海洋应用中使用的冷却回路68，其中，冷却介质(如海水)自冷却介质源70(如船舶周围环境的水域)进入，曲折地经过冷凝器24(经由冷却剂入口和出口50、52)，并返回到冷却介质源70中。在备选实施例中，冷却回路68包括从冷却介质中除去热能的热交换器(如冷却塔)。
ORC装置20配置示意性地显示在图7至图10中。这些配置代表了ORC装置20配置的实例，但并不能解释成可能在本发明内的唯一配置。箭头表示每一配置中的工作介质流动模式。
参照图7所示的第一种配置，自一对制冷剂进给泵26开始，将工作介质朝向蒸发器28泵送。在图7所示的实施例中，在进入蒸发器28之前，工作介质流经回热式热交换器60，其中，工作介质被预热。在海洋应用中，蒸发器28设置在排气管道内，排气管道接收来自船舶的动力装置的废气产物。离开蒸发器28的工作介质随后向涡轮发电机22行进。设置在蒸发器28和涡轮发电机22之间的旁通阀72使得工作介质在涡轮发电机22周围并向冷凝器24进行选择性的分流。喷嘴73设置在旁通阀72的下游，以起到流动限制作用。如同以下将要讨论的一样，旁通阀72可在涡轮发电机22周围使工作介质完全地绕行。或者，旁通阀72可促使选择性地改变导入到涡轮发电机22中的工作介质的量。假定工作介质的一些或全部没有在涡轮发电机22周围进行分流，则工作介质进入涡轮发电机22的涡轮机30部分，并提供向涡轮发电机22供以动力所需的能量。一旦经过涡轮发电机22，工组介质便向冷凝器24行进。在涡轮发电机22周围分流的工作介质也向冷凝器24行进。图1所示的是没有蒸发器28的ORC装置20配置的透视图。
图8所示意性地显示的第二种ORC装置20配置包括一对涡轮发电机22。涡轮入口同来自蒸发器28的进给管道连接。涡轮入口阀66a直接设置在每一涡轮发电机22的上游。在一些实施例中，涡轮出口阀66b直接设置在每一涡轮发电机22的下游。在那些实施例中，提供了连接到ORC装置低压侧的安全压力泄口。第二种ORC装置20配置也包括多个蒸发器28。蒸发器入口阀78直接设置在每一蒸发器28的上游。在一些实施例中，蒸发器出口阀80直接设置在每一蒸发器28的下游。图2所示的是没有蒸发器28的ORC装置20配置的透视图。
图9所示意性地显示的第三种ORC装置20配置包括三个涡轮发电机22。图3所示的是没有蒸发器28的ORC装置20配置的一部分的透视图。
图10所示意性地显示的第四种ORC装置20配置包括三个涡轮发电机22和一对冷凝器24。图4所示的是没有蒸发器28的ORC装置20配置的一部分的透视图。
在所有的配置中，ORC控制器通过使用闭合密封环境中的变速进给泵26，沿高预测性的程序涡轮入口过热/压力曲线对ORC装置20进行维护。图11示出了该种曲线的一个示例。
冷凝器负载通过进给泵26进行调节，以在系统负载变化时维持冷凝压力。除初始的进给泵速度/过热控制回路外，ORC控制器也可用于控制：1)净输出动力产生，其取决于应用通过控制热气鼓风机的速度或者旁通阀72的位置；2)发电机34和变速箱32油流的可选级数；和3)排放单元58的启动。ORC控制器也可用于监控所有ORC系统传感器和估算是否超出任何系统运行设置点范围。示警和警报以类似于市场上可买到的冷凝器运行的方式产生和记录，同时控制系统在出现警报时启动保护关闭程序(并且可能地重启锁定)。ORC控制器的特定细节将取决于相关的特定配置和手边的应用。本发明的ORC装置20可设计成带有适当预测和诊断水平的全自动无人看管运行。
ORC装置20可配备有系统启动的继电器(system enable relay)，该继电器可由ORC控制器激发或使用热气传感器进行自我启动。在启动ORC装置20后，系统将等待启动信号以开始自动启动程序。一旦触发自动启动程序，在冷凝器的负载与系统负载相匹配的同时，供给到蒸发器28的液体以受控速度逐渐增加，以开始累积通过旁通阀72的压力。当控制系统确定涡轮过热处于控制中时，涡轮油泵启动，将发电机34当作感应马达供以能量。涡轮速度因此锁定到不要求频率同步的电网频率(grid frequency)。随着涡轮的飞快运行，涡轮入口阀66a自动打开，进入发电机的动力流完全连续地转换成电力发电。
ORC装置20的停机同样地简单。当经过蒸发器28的废气产物温度下降到运行界限以下时，或如果过热不能维持最小动力时，ORC控制系统启动自动停机程序。在发电机34仍然同电网连接时，涡轮入口阀66a关闭，而涡轮旁通阀72打开。发电机34再次成为马达(与发电机相对应)，并在动力消除和单元逐渐停止之前迅速汲取动力。在冷凝器24继续拒绝加载的同时，制冷剂进给泵26继续运行以冷却蒸发器28，最后产生贯穿系统的连续的小规族液体循环。只要系统温度和压力适于停机，制冷剂进给泵26、涡轮油泵和冷凝器24都是安全的，并且系统作好下次启动信号的准备。
当完成自动启动程序时，控制系统启动持续的过热控制和警报监控。控制系统将跟踪特定极限负载比内的所有热气负载变化。非常迅速的负载变化都能被跟踪到。在负载上升期间，可采用有效的过热超调，直到系统达到新的平衡为止。在负载下降期间，系统可暂时地转换到涡轮旁路，直到重新建立过热控制。如果供给的热负载变得过高或过低，过热将超出合格界限，系统将会(通常)停止运行。自该种状态，如果蒸发器呈现高温，ORC装置20将在短暂延迟后再次启动自动启动程序。
尽管关于本发明的具体实施例示出和描述了本发明，但本领域技术人员所将了解的是，可对其形式和细节上作出各种变化，而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用于利用海洋动力装置排出的废气产生电力的设备，所述设备包括：
蒸发器，所述蒸发器是可操作的用以设置在所述海洋动力装置排出的废气内；
涡轮发电机，所述涡轮发电机包括同发电机连接的涡轮机；
冷凝器，所述冷凝器具有设置在外壳内的多个管道，其中所述管道在所述外壳内形成闭路，所述闭路的尺寸设定为允许冷却剂流进入和流出所述冷凝器；
一对可操作以泵送制冷剂的制冷剂进给泵，所述进给泵中的一个在邻近所述冷凝器第一纵向末端同所述冷凝器连接，并且所述进给泵中的另一个在邻近所述冷凝器第二纵向末端同所述冷凝器连接，所述第二纵向末端同所述第一纵向末端相对；
跨接管路部分，与所述进给泵中的每一个相连的管路通过所述跨接管路部分连接；和
环境中的水，所述环境中的水提供流进和流出所述冷凝器的所述冷却剂流。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括可选择性操作的旁通阀，所述旁通阀设置在所述设备内并定位成用以在所述蒸发器和所述冷凝器之间提供通道，使得制冷剂可选择地绕过所述涡轮发电机。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，进一步包括设置在所述冷凝器内的回热式热交换器，并且所述回热式热交换器定位在所述设备内，使得来自所述制冷剂进给泵的制冷剂进入所述回热式热交换器，而离开所述回热式热交换器的制冷剂进入所述蒸发器。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述涡轮发电机为多个。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述冷凝器具有附着在所述外壳的第一纵向末端的选择性可移动的通道面板，其中所述通道面板的移动允许接近所述多个管道。
6.一种用于在船舶上产生电力的方法，包括步骤：
提供兰金循环装置，所述兰金循环装置包括蒸发器、涡轮发电机、冷凝器和制冷剂进给泵中的每一种中的至少一个，所述涡轮发电机包括同发电机连接的涡轮机；
在所述船舶的动力装置的排气管道内设置所述一个或多个蒸发器；
将所述冷凝器设置成由环境中的水冷却；
操作所述动力装置；和
选择性泵送制冷剂经过所述兰金循环装置；
其中，所述制冷剂进给泵是一对，所述进给泵中的一个在邻近所述冷凝器第一纵向末端同所述冷凝器连接，并且所述进给泵中的另一个在邻近所述冷凝器第二纵向末端同所述冷凝器连接，所述第二纵向末端同所述第一纵向末端相对，与所述进给泵中的每一个相连的管路通过跨接管路部分连接。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括步骤：
设置可选择性操作的旁通阀，所述旁通阀设置在所述兰金循环装置内，并且定位成用以在所述蒸发器和所述冷凝器之间提供通道；和
选择性操作所述旁通阀，以将所述制冷剂流的至少一部分绕过所述涡轮发电机。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述兰金循环装置启动期间和所述兰金循环装置关闭期间，所述旁通阀选择性操作，以将制冷剂绕过所述涡轮发电机。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述涡轮发电机不能操作时，所述旁通阀选择性操作，以将制冷剂绕过所述涡轮发电机。
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