CN102834590B - 基于有机郎肯循环的能量生产设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有机郎肯循环（ORC）的能量生产设备。该设备包括第一ORC系统，所述第一ORC系统包括第一有机工作流体，所述第一有机工作流体依次在处于与热源换热情况下的第一蒸发器、可操作地连接到发电机的涡轮机中的第一膨胀站、第一蒸发器/冷凝器和用于使所述第一有机工作流体再循环到所述第一蒸发器的第一泵之间循环。所述涡轮机为可偏向涡轮机，并且包括用于使所述第一有机工作流体的进入流量偏向的偏向装置，所述偏向装置设计成用于使所述进入流量偏向，以保持所述涡轮机的转速恒定。

Description

基于有机郎肯循环的能量生产设备

技术领域

本发明涉及基于有机郎肯循环（ORC）的能量生产设备，特别地，涉及包括多个使用特定涡轮机的级联ORC系统的能量生产设备。

背景技术

如所已知的，ORC设备为通常用于同时生产电能和热能的系统，热能可以以温度为60-90℃的水的形式获得。有机郎肯循环类似于传统蒸汽涡轮机使用的循环，不同之处在于工作流体，其通常为具有高分子量的有机流体。

典型的ORC设备基本上由泵、涡轮机和一些换热器构成。有机工作流体通过使用热源在蒸发器中蒸发。有机流体的蒸汽在涡轮机中膨胀，然后通常利用换热器中的水流来冷凝。冷凝的液体最终通过泵传送回到蒸发器中，因而使循环闭合。为了提高ORC设备的产率，可能设想使用蓄热器。在该情况下，离开涡轮机的流体在冷凝之前穿过蓄热器，并且在冷凝后被泵送到蓄热器中；在所述蓄热器中，在被传送到蒸发器之前，所述流体由离开涡轮机的流体预热。

通常，这些ORC设备用于使用来自大范围的工业过程和能量产生过程（热电联产发动机和涡轮机、所有类型的加热炉、石油化工设备的烟囱、天然地热源）的废流体，其特征是可能具有很高的温度跃变，而且通常流量有限，或流量在任何情况下随时间改变，或具有高流量但是温度等级低。

用于有机流体蒸发的能量载体通常为导热油（温度高于300℃的矿物油或合成油），或者水——对于使用冷凝水的情况。此外，使用导热油还避免了使用高压锅炉。

工作流体通常由有机化合物或有机化合物的混合物构成，特征是高分子量。根据可用热源的温度进行所用有机流体的选择，以优化热力学循环的产率。另外，通常还必须根据有机流体的特性和工作条件设计涡轮机。

因此，明显的是，ORC系统的应用受到很多限制，并且受到来自作为主要能量源的可用热源、来自一个或多个温度水平（热源的质量）和热负荷的稳定性和/或随时间的相对变化性的重要方面的约束。

此外，明显的是，考虑到如前面提到的，有机工作流体和涡轮机特性的选择明显取决于操作条件，因此目前的ORC系统对于不同的操作条件不具有灵活性和适应性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于基于有机郎肯循环（ORC）生产电能的设备，其将能够消除或减少前述缺陷。

特别地，本发明的目的是提供一种用于生产电能的ORC式设备，其能够实现所生产的电能的产率的最大化。

本发明的另一个目的是提供一种用于生产电能的ORC式设备，其能够容易地适用于不同的工作条件。

本发明的又一个目的是提供一种用于生产电能的ORC式设备，其能够甚至在初级流（primary flow）效率下降的过程中仍保持最佳的产率特性。

本发明的又一个目的是提供一种用于生产电能的ORC式设备，其只有很少的几个部件，并且易于以具有竞争力的成本生产。

根据本发明，上述目的通过基于有机郎肯循环（ORC）的能量生产设备实现，所述设备的特征在于，其包括第一ORC系统，所述第一ORC系统包括第一有机操作流体，其依次在处于与热源换热状态下的第一蒸发器、可操作地连接到发电机的涡轮机中的第一膨胀站、第一蒸发器/冷凝器和用于将所述第一有机工作流体再循环到所述第一蒸发器的第一泵之间循环。根据本发明的设备的又一个独特的特征是，所述涡轮机为可偏向涡轮机（partializable turbine），包括用于使所述有机工作流体的进入流量偏向的偏向装置，所述偏向装置设计成用于使所述进入流量偏向，以保持所述涡轮机的转速恒定。

优选地，根据本发明的能量生产设备包括第二ORC系统，所述第二ORC系统包括第二有机工作流体，其依次在所述第一蒸发器/冷凝器、可操作地连接到一发电机的一涡轮机中的第二膨胀站、第二蒸发器/冷凝器和用于将所述第二有机工作流体再循环到所述第一蒸发器/冷凝器的第二泵之间循环，对于所述膨胀站中的每一个，所述涡轮机均包括使所述有机流体的进入流量偏向的偏向装置。

与已知类型的ORC系统相比较，根据本发明的设备能够实现相当多的一系列优点。

实际上，在多级有机郎肯循环的情况下，所述系统的特征在于，一系列连续的焓跃变，其不是由涡轮机的转子-定子组件中的单一流体提供的（例如在涡轮机的多级中，在不同压力水平下膨胀的水蒸汽），而是由多种流体提供，每一种流体都在其自己的涡轮机内、在多个压力和温度水平下工作，每个涡轮机都轴向对准地或平行地连接到用于其他流体的涡轮机，并且与其一起构成所述系统。所述设备因此包括所谓的初级（primary）流体，其与所述热源接触，并且包括适当数量的第二流体，其以之前的流体的冷凝使接下来的流体蒸发的方式排序，以回收得自所述源的能量的最大可能量，使其进入环境中的部分最小。

所述热源的质量的限制（例如低焓水平）显然规定了技术应用的限制。冷却流体的可用性和温度相反则限定下限级，能够通过将有机流体和二元混合物用于低温应用，将末级涡轮机排出物扩大到理论上低于热力学零的水平。

通过示例，对于最常见的高温低流量能量源的示例，优选初级回路的操作流体具有相当高的分子量，以充分利用排出口处可能存在的高温（通常500-900℃）。但是，所述流体的流量在该情况下受有效可用热功率限制，并且该情况是对由初级流体产生的功率的第一限制因素。

较不重要的第二因素是，流体自身的分子量。高分子量，其有利地能够跟随热源的高温，证明是涡轮机中从焓跃变和冷凝温度来说的不利因素。例如，如果蒸发器处的该流体在不过高的压力（20-40巴）下能够在非常高的温度（250-350℃）下蒸发，则在冷凝器处，虽然在远高于1巴的压力下，仍在较高的温度下，在160-250℃的区域中出现蒸发。因此，使用第一操作流体的情况下，在低流量和涡轮机中的有限的焓跃变下，在该区域中可通常获得排出口处的功率的15%的低功率。

但是，经受冷凝的初级流体的仍非常高的温度，及其选择用于换热的具有非常高的传热系数的相使得能够使用第二工作流体，其将完全或部分回收第一流体的冷凝热，并且将进行一独立的郎肯循环，产生进一步的大量的电能。实际上，假设前面提到的15%的值为初级循环的产率，则意味着在100kW用于第一流体的输入下，还剩余85kW可用于第二有机工作流体。选择具有例如对于在较低操作温度下以及类似于第一流体的那些的压力范围工作最佳的特性的第二有机工作流体，则所述流体将在较低的等温线下工作，确保在任何情况下具有类似的产率。再次假设15%的回收率，意味着，由可用的85kW功率可再获得12.75kW的功率，总共27.75kW的功率，这是仅使用两种级联流体工作的设备的热产率。

因此，将所述概念外推，则可容易地设想使用第三流体，或一般地，第n流体的可能，所述流体以级联方式工作，即如已经所述的，在前面的流体冷凝的作用下蒸发，优化整个过程，将由末级冷凝产生的热限制到最小，所述热为随后将排出至环境中的热，因而最大化总产率。

在根据本发明的能量生产设备中，优选地，对于所述多级中的每一级而言，用于使所述有机工作流体的进入流量偏向的偏向装置包括由相应的有机工作流体驱动的液压装置。

另外，有利地，所述可偏置涡轮机为多级涡轮机，具有单个轴或多个轴，所述多个轴轴向对准或具有平行轴线。

根据本发明的能量生产设备的优选实施例设想所述热源将包括蓄热装置。

例如，所述蓄热装置可包括耐热物料蓄热系统或熔融盐闭合电池回路。

根据本发明的能量生产设备的又一个优选实施例设想，所述热源包括用于整合可用能量的装置。

例如，用于整合可用能量的所述装置包括热力学太阳能系统。

根据本发明的能量生产设备的一个特定实施例设想，所述涡轮机和所述发电机之间存在机械连接装置。

所述涡轮机和所述发电机之间的所述机械连接装置例如包括设置在所述涡轮机的轴和所述发电机的轴之间的减速器、飞轮调节器和制动器。

根据本发明的能量生产设备的一个可替代实施例设想，可替代地，所述涡轮机直接连接到所述发电机，所述设备还包括用于转变所述发电机的输出电压的电子装置。

附图说明

根据基于有机郎肯循环（ORC）的能量生产设备的优选但不排他的实施例（其以非限制性示例在附图中示出）的描述，本发明的其他特征和优点将变得明显，附图中：

图1显示了根据本发明的设备的一般实施例的示意图；

图2显示了根据本发明的设备的第一特定实施例的示意图；

图3显示了根据本发明的设备的第二特定实施例的示意图；

图4显示了根据本发明的设备中的涡轮机和发电机之间的机械连接装置的第一实施例的示意图；和

图5是根据本发明的设备的到电网干线的连接装置的实施例的示意图。

具体实施方式

参照附图，根据本发明的基于有机郎肯循环（ORC）的能量生产设备整体以附图标记1标示，以其更一般的实施例在图1中示出，其包括至少一个第一ORC系统10。

所述第一ORC系统10则包括第一有机工作流体，所述第一有机工作流体依次在处于与热源2热交换条件下的第一蒸发器11、可操作地连接到发电机4的涡轮机中的第一膨胀站12、第一蒸发器/冷凝器13和用于使所述第一有机工作流体再循环到所述第一蒸发器11的第一泵14之间循环。

优选地，如图2中所示，根据本发明的能量生产设备1包括第二ORC系统20，所述第二ORC系统20则包括第二有机工作流体，所述第二有机工作流体依次在所述第一蒸发器/冷凝器13、可操作地连接到发电机5的涡轮机中的第二膨胀站22、第二蒸发器/冷凝器23和用于使所述第二有机工作流体再循环到所述第一蒸发器/冷凝器13的第二泵24之间循环；对于所述站12和22中的每一个，所述涡轮机包括用于将所述有机流体的进入流量偏向（partializing）的偏向装置。

基本上，如已经提到的，所述设备包括至少两个有机工作流体，其以级联方式工作（即第一流体的冷凝使得第二流体蒸发），优化了整个过程，将由末级冷凝产生的热限制到最小值。

换句话说，使用该方案，闭合回路有机郎肯循环利用初级能量源将第一流体转变为蒸汽，涡轮机中的膨胀将由蒸汽积蓄的该热能转变为动能，所述动能则将变成电能。在级联方式中，冷凝器变为第二流体的初级能量源，并且因此变成用于可能的第三级和后续级的初级能量源。

通过应用附图2中所示的原理，实际上可能将该概念延伸到包括第三ORC系统的设备中，所述设备包括第三有机工作流体，其依次在所述第二蒸发器/冷凝器、可操作地连接到相应的发电机的涡轮机中的第三膨胀站、第三蒸发器/冷凝器和用于使所述第一有机工作流体再循环到所述第二蒸发器/冷凝器的第三泵之间循环。这样，大体上，该原理可延伸到包括n个另外的ORC系统的设备。

根据本发明的设备1的一个独特的特征是，所示涡轮机为可偏向涡轮机（partializable turbine），并且包括将所述有机工作流体的进入流量偏向的装置。特别地，所述偏向装置设计成用于使所述入口流量偏向，以保持所述涡轮机的转速恒定。

实际上已经看到，使用上面所述类型的涡轮机，甚至在初级流效率下降过程中仍能保持最佳产率特性。由于流量的自动偏向，因此实际上涡轮机的转速保持恒定，这是对于获得最大产率非常重要的方面。实际上，通过控制进入流量而使轴的转速保持恒定的涡轮机的偏向能够使电产出水平保持恒定，而与负荷无关，因而有助于在上游遇到的每一种情况下的热能量源的最大利用。

级联式方法的应用在每种换热性质和动力流体的特性方面发现都是合理的。实际上，明确的是，假设所述系统与废流体相互作用，则所述系统的第一换热器、具有最高热焓的初级流体的蒸发器是最重要的，所述废流体总是代表低换热系数、高腐蚀性和不恒定的流量。

使用级联系统，可能在该第一换热器中集中热回收过程，就效率和成本而论，所述第一换热器构成整个循环的中心元件。

随后的冷凝器-蒸发器由于级联的功能逻辑和采用的流体的性质而在交换效率和所需设计及制造材料性质方面受益，因而具有小的表面，因此降低成本。

优选地，用于使所述有机工作流体的进入流量偏向的偏向装置包括由相应的有机工作流体驱动的液压装置。以该方式，利用有机流体自身的压力变化，调节到所述有机工作流体的入口处的流量。

另外，有利地，所述可偏向涡轮机可以是具有单个轴或多个分开的轴（其轴向对准或具有多个平行轴线）的多级涡轮机。

图3中示出的根据本发明的能量生产设备1的特定实施例的特征在于所述热源2包括蓄热装置6。

在本发明的设备用于在短时间内产生间歇式废水的工业过程的情况下，实际上可能需要将热流稳定在与所述设备的分段调控相当的水平。

因此可能出现以下情形：

方便了通过再利用其一部分来限制负荷以优化与基本生产过程相关的消耗；

如果不严格需要下游ORC单元的调节，则方便了可获得热的部分积蓄、以用于将热流稳定在均一水平。

通过使用蓄热装置6——其包括例如耐火物料蓄热系统（refractory-mass accumulation system）或熔融盐闭合回路电池（molten-salt closed-circuit battery），则可能保持热源2的有保证的平均热水平，以优化的方式管理上面所述的情形。

对于低的热功率，从经济和维护角度看具有低影响的耐火物料蓄热系统是优选的。在该情况下，热处理流体穿过耐火物料，直到其自己的热负荷减小到高温蒸发器的输入端的值。当废流体的流量减小和/或大约停止时，致动在蓄热室和蒸发器之间的热空气的闭合回路循环（或气体自身的再循环）。对于该类型的应用，最佳蓄热温度范围在200℃和400℃之间。

对于高功率，蓄热系统可有利地基于闭合回路熔盐电池——而且也根据按照可回收的有效热容量以及因此相应的发电量所需的蓄热槽的投资的经济方面的考虑。

熔融盐的侵蚀性要求将混合物（硝酸盐和硝酸钠、钾和钙）的温度限制到400-450℃的值，以能够将低成本材料用于换热器和槽。而且，为了防止盐和源流体的侵蚀作用的组合，使用透热式（diathermictype）的中间载体流体（vector fluid）是有利的。最后，选择确保对于粘性流体具有低热损耗的换热器技术（技术等）来完成系统的要求。

图3中示出的根据本发明的能量生产设备1的又一个特定实施例想到了所述热源2包括用于整合可用能量的装置7。

如其他蓄热系统一样，使用耐火物料系统和熔融盐系统实际上可能整合可用功率，以确保有机郎肯循环中的热焓跃变。所述整合可通过再利用所生产的电功率的一部分来稳定所述循环和/或实现其最大热力学产率而获得。同样可能通过根据一天中的时间和需求使用并联源来提高绝对功率。特别地，在需求高峰过程中，例如可使用用于热力学太阳能板的技术来充分提高可用流量。

能量整合装置与功率积蓄装置的连接确保了整个循环的最大灵活性，其适当地采用之前在级联多级有机郎肯循环情况下示出的涡轮机的分步操作（stepwise operation）。蓄热装置6和整合装置7实际上都可以有利地用于包括图2所示类型的多个有机郎肯式循环的设备。

根据本发明的能量生产设备1可还包括用于电转换即用于将由涡轮机产生的动能转变为电能的装置。

例如，参照附图4，根据本发明的能量生产设备1可在所述涡轮机和所述发电机4、5之间有利地包括机械连接装置8。

所述机械连接装置8可例如包括设置在所述涡轮机的轴84和所述发电机4，5的轴85之间的减速器81。所述减速器81可例如为行星式减速器，以确保涡轮机到发电机（交流发电机）的转速减小，因而保持正确的频率来将产生的能量输出到电网干线。

而且，减速器81有利地包括能够保持整个系统的正确工作点的所有元件（例如飞轮调节器82和制动器83）。与电网干线的连接可通过变压器86和/或用于与所述电网干线同步的其他装置实现。

或者，如图5中所示，所述涡轮机直接连接到所述发电机4，5。例如，所述涡轮机可直接连接到（同步或异步）马达，不再使用之前描述的整个机械模块。在该情况下，所述装置可在四个象限中（Vx1＞1；Vx1＜1）用作进入涡轮机暂态和从涡轮机暂态离开的马达以及发电机。

在该情况下，存在电子装置9——例如AC/DC转换器，用于连续转换由于与涡轮机直接连接而产生的高频电压（频率远高于50Hz）；以及DC/AC转换器，用于获得正确的输出电压，其具有用于输入电网干线的适当的同步特性。可同样有利地设置变压器装置91。

从前面描述清楚的是，根据本发明的能量生产设备完全实现了预设任务和目的。

涡轮机的偏向实际上响应于可根据预定步骤改变的热负荷的情况，其中，功率的使用的可替代操作选项是可用的，或更直接地用于适应需求的降低，而不管所述降低的开始点。所述应用因此构成有效响应，例如在连接到偏向发电机（partializable generator）的热电联产的情况下，所述循环可自身进行步进加载（减小到小于名义尺寸的50%的最小值），和/或能够提高总电产率，以指定可用于所述生产的全部热负荷（例如在非冬天时间或非主要对三联产感兴趣情况下，不使用或减少使用热水/蒸汽）。

此外，与第二热源（例如太阳能聚集源）的结合能够在其最大功率水平下利用涡轮机，降低初级消耗，或仅提高需求增加时期的总电产率。最后，功率积累能够及时平衡生产，并且再次地，在需求增加时期，在有效可得的功率限制内最大化产率。

因此可从前面所述可说明，可从来自废物和/或任何天然的中到低绝对功率的热源最大化电能产率的计算和经济角度，以理性的方式提出根据本发明的能量生产设备，特别地，当其将积累整合设备下游的级联有机郎肯循环与可偏向的涡轮机结合时。

根据前面所述，对于本领域普通计算人员来说，其他特征、修改形式或改进方式是可能的并且明显的。所述特征、修改形式和改进方式因此应视为形成本发明的一部分。实际上，所用的材料以及可能的尺寸和形状根据要求和本领域的状态可以是任意的。

Claims (10)

1.一种基于有机郎肯循环的能量生产设备(1)，其特征在于，该设备包括第一有机郎肯循环系统(10)，所述第一有机郎肯循环系统包括第一有机工作流体，所述第一有机工作流体依次在处于与热源(2)换热情况下的第一蒸发器(11)、可操作地连接到发电机(4)的涡轮机中的第一膨胀站(12)、第二蒸发器/冷凝器(13)和用于使所述第一有机工作流体再循环到所述第一蒸发器(11)的第一泵(14)之间循环；所述涡轮机为可偏向涡轮机，并且包括用于使所述第一有机工作流体的进入流量偏向的偏向装置，所述偏向装置设计成用于使所述进入流量偏向，以保持所述涡轮机的转速恒定；

并且，用于使所述第一有机工作流体的进入流量偏向的所述偏向装置包括由相应的有机工作流体驱动的液压装置。

2.根据权利要求1所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述能量生产设备包括第二有机郎肯循环系统(20)，所述第二有机郎肯循环系统包括第二有机工作流体，第二有机工作流体依次在所述第二蒸发器/冷凝器(13)、可操作地连接到发电机(5)的涡轮机中的第二膨胀站(22)、第三蒸发器/冷凝器(23)和用于使所述第二有机工作流体再循环到所述第二蒸发器/冷凝器(13)的第二泵(24)之间循环；对于所述第一和第二膨胀站(12，22)中的每一个，所述涡轮机包括使所述第一和第二有机工作流体的进入流量偏向的偏向装置。

3.根据权利要求2所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述可偏向涡轮机为多级涡轮机，其具有单个轴或多个轴，所述多个轴轴向对准或具有平行轴线。

4.根据权利要求3所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述热源(2)包括蓄热装置(6)。

5.根据权利要求4所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述蓄热装置(6)包括耐热物料蓄热系统或闭合回路熔融盐电池。

6.根据权利要求1所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述热源(2)包括用于整合可用能量的整合装置(7)。

7.根据权利要求6所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述用于整合可用能量的整合装置(7)包括热力学太阳能系统。

8.根据权利要求1所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述能量生产设备包括用于所述涡轮机和所述发电机(4，5)之间的机械连接的机械连接装置(8)。

9.根据权利要求8所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述涡轮机和所述发电机(4，5)之间的所述机械连接装置(8)包括设置在所述涡轮机的轴(84)和所述发电机(4，5)的轴(85)之间的减速器(81)、飞轮调节器(82)和制动器(83)。

10.根据权利要求1所述的能量生产设备(1)，其特征在于，所述涡轮机直接连接到所述发电机(4，5)，所述能量生产设备(1)包括用于转变所述发电机(4，5)的输出电压的电子装置(9)。