CN102859148A - 能量回收系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于将作为工业生产过程的副产物以受热气体形式而产生的原本会浪费的能量转换成电能的系统及方法。至少一些废气从典型的排出结构转向通过热交换器并且回到排出结构中。流过热交换器的气体的量由控制器监控及调节。热源液体在压力下同时循环通过热交换器及通过有机郎肯循环系统。所循环的热源液体的量也由控制器监控及调节。ORC系统将来自热源液体的热转换成电。

Description

能量回收系统及方法
技术领域
本发明大体上涉及一种用于将原本会浪费的由工业用熔炉产生的热能转换成电能的经济构件。更明确地说，本发明揭示一种用于通过回收部分浪费的热能且将其变换成可在炼钢厂内被再用的电能来增加此同一工厂的效率的系统及方法。 
背景技术
炼钢厂纳含不同类型的熔炉。板坯再热炉、退火炉及其它类型的熔炉在炼钢厂中是典型代表。熔炉一般具有相对低的效率，且由于气体燃烧或其它方式而产生的热的大量部分不能传递到钢铁且最终消散到大气中。 
炼钢厂是电能的主要消耗者。世界上大多数发电厂使用产生CO2排放物的化石燃料。因此，重要的是降低电能消耗以使CO2排放物减到最少。 
在一些熔炉中，同流换热器包括在烟道中以加热用于燃料或气体的燃烧空气，所述燃料或气体用于产生所述过程所需要的热。在其它情况下，所述热用于加热随后用于加热建筑物的水。图1中呈现此项技术中所知的此类典型系统的示意图，其中来自熔炉10的初级排气5馈送到同流换热器15中，进来的空气或液体20通过同流换热器15循环，以传递及俘获输出空气或液体25中的热能。剩余的次级排气30通过烟道35被处理掉。即使这些系统通常回收大量的热，但相当大部分的热仍通过将热气释放到大气而被浪费。这些排气的温度保持足够高以保证将所述热能变换成电能的工作。 
发明内容
本发明涉及一种用于回收作为工业生产过程的副产物以废气形式而产生的原本会浪费的能量的系统及方法。废气由以燃料为动力的装置产生且这些气体排放到排出结构中。这些废气的至少一部分转向到热交换器的气体输入端中，热交换器还包括气体输出端、热源液体输入端及热源液体输出端。有机郎肯循环(ORC)系统的蒸发器的输入端连接到热交换器的热源液体输出端，而ORC的输出端连接到热交换器的热源液体输入端。通过热交换器循环且通过气体回路中的气体输出端回到排出结构中的废气的量由排气 扇调节，排气扇连接到由第一变频驱动器(VFD)控制的第一电动机。通过热源液体回路中的热交换器及ORC中的蒸发器循环的热源液体的量由连接到第二电动机及第二变频驱动器(VFD)的泵调节。热源液体纳含加压膨胀箱。纳含比例积分调节器的第一控制器监视气体回路及热源液体回路两者的操作，且调节分别通过每一回路循环的气体及液体的量。连接到以燃料为动力的装置的第二控制器将关于以燃料为动力的装置的燃料消耗速率的数据提供到第一控制器。第一控制器使用燃料消耗数据以调节气体及热源液体流量。ORC中的膨胀器连接到ORC中的发电机，且产生由转换器测量的电。 
本发明还涉及一种用于调节电力产生的方法，所述电力是使用上文所描述的系统由从以燃料为动力的工业用装置排放的受热废气产生。基于具有进入热交换器的气体输入端的受热气体的温度反馈及如由第二控制器指示的装置燃料消耗(如果可得到此数据，则添加到热源液体初始目标温度)作为输入变量的函数计算用于热源液体的最佳目标温度。接着，基于具有最佳热源液体温度及用于第二变频驱动器的目标速度参考作为输入变量的函数进一步计算用于第一VFD的所要速度前馈命令。接着，基于热源液体的测定温度以及并入到第一控制器中的比例积分调节器的比例增益及积分增益又进一步计算用于排气扇的速度调整。接着，与计算出的第一VFD的最大可允许速度一起设置第一VFD的目标速度。如果风扇速度目标超过最大可允许速度，那么将风扇速度目标压制到最大可允许速度。紧接着，随后基于具有热交换器的热源液体出口处的热源液体目标温度及ORC系统冷却流体的基于来自温度传感器的反馈信号的温度作为输入变量的函数计算用于第二VFD的目标速度。基于具有ORC的如由转换器测量的功率输出作为输入变量的函数确定用于第二VFD的最大可允许速度。如果超过用于第二VFD的最大可允许速度，则将第二VFD的目标速度压制到所允许的水平。所述方法返回到做出是否可得到燃料消耗数据的确定的时间点，直到以燃料为动力的装置停机为止。 
附图说明
将参考图式而根据本发明的以下详细描述更好地理解本发明的上述及其它目的、方面及优点，在图式中： 
图1是此项技术中所知的气体热同流换热器系统的示意图。 
图2是展示工业用能量回收系统的主要元件的示意图。 
图3是用于实施本发明的工业用能量回收系统的方法的框图。 
图4是展示工业用能量回收系统的主要元件的替代布置的示意图。 
具体实施方式
图2以示意图形式说明本发明的系统的功能性元件。存在与图1所示的元件相同的元件，但此外，需要熔炉控制器40来监视熔炉10的操作且将关于熔炉燃料消耗的数据提供到控制器90，如下文所论述。分接头45经添加以在次级排气30通过例如烟道35的排出结构排放到三级排气流50中之前使次级排气30的至少一部分转向。分接头45将三级排气流50馈送到第一热交换器55中。此热交换器是基于排气的温度范围、用于热源液体的可接受温度范围、待传递到热源液体的热量及两个回路上的可接受压力降而设计，此将基于热交换器的成本以及待由排气扇及热源液体循环泵消耗的能量提供经济的解决方案。热交换器的材料必须适于排气的化学成分。三级排气流50通过使用排气扇60而通过第一热交换器55循环，排气扇60由第一电动机65驱动，第一电动机65由第一变频驱动器(VFD)70控制。排气扇60经设定尺寸以克服由第一热交换器55在系统的最大容量(最大流量)下引入且用于从烟道35吸入排气的压力降。在停机的情况下，排气扇60停止，使得气体停止通过第一热交换器55循环。热交换器55使用的热源介质是液体，例如水、水与乙二醇的混合物、热油或等效物，这是因为这些类型的流体与排气相比具有更大的热容量，且允许热在有机郎肯循环(ORC)系统130的可接受的工作温度范围内高效地传递到所述ORC系统。第一温度传感器及传输器75位于三级排气流50的通向第一热交换器55的输入端处，且测量进入的热气的温度。第二温度传感器及传输器80监视退出第一热交换器55的液体的温度。由两个传感器测量的温度数据传输到控制器90，控制器90可为市售的可编程逻辑控制器(PLC)或类似装置，且用于通过改变控制第一电动机65的第一VFD 70的速度目标而调节热源液体的温度及流量。 
热源液体回路纳含热源液体循环泵95，热源液体循环泵95维持液体通过ORC系统130的适当流量且可为定速或变速类型。可为定速或变速电动机的第二电动机100耦合到液体循环泵95且在是变速泵的情况下由第二VFD 105控制。第二VFD 105又由控制器90调节。此系统经适当设定尺寸以克服在热源流体的最大可能流量下所预期的最大压力降。热源液体回路纳含热源液体膨胀箱115，热源液体膨胀箱115是以惰性气体120(例如在其中可使用本发明的炼钢厂通常可得到的惰性气体)加压，且热源液体回路包括连接到膨胀箱115的减压阀110。第三传感器125是位于热源回路的高温侧的压力传感器且用来监视压力。为ORC系统130的一部分的蒸发器132使热源液体回路完整。 
炼钢厂通常具有工厂供水系统，其出于冷却目的而保持在受控制温度。此供水系统160的部分可转向且并入到作为ORC 130的一部分的散热回路134中。在使用变速热源 液体循环泵95(而不是定速热源液体循环泵)的情况下，需要额外的温度传感器及传输器(例如第四传感器165)来测量冷却介质的温度。需要此温度来计算供第二VFD 105调节热源液体循环泵95的速度的参考。此额外传感器可被包括作为ORC系统的一部分或在外部被添加。基于此温度变量及热源液体目标温度的值，控制器90修改泵速度参考以维持系统的最大可能输出功率及效率。当ORC系统130冷却介质的温度及/或热源液体的目标温度改变时，所述系统将修改热源液体的流量以将所产生的功率及ORC效率维持在最大可能值。 
在本发明中使用的ORC系统130可为若干目前市售ORC系统中的任一者。此系统的膨胀器135耦合到发电机140，发电机140自身通过经适当设定尺寸的馈电器145及对应断路器150连接到炼钢厂配电系统。ORC系统130的电力输出由电有源电力转换器155监视，且所得数据被传输到控制器90。电力转换器155的目的是充当保护性装置。可设置不同的保护水平。举例来说，在系统产生过度电力的情况下，控制器90可经编程以降低排气扇60的速度，以在预定情形下减少所传递的热或完全停止排气扇60的操作。一些市售ORC系统还纳含用于热源流体的旁通阀作为保护。在发生上游电中断(例如，通过断路器的跳闸)且发电机140与配电网络断开的情况下，也将需要保护。在此情况下，有源电力转换器155将指示零功率且停止排气扇60顺序也将被起始。如果液体压力超过预先确定的某个值(由第三传感器125检测)，那么将降低用于排气扇60的第一VFD 70的目标参考，以作为减缓可能正在促成高压的热传递的措施。在感应到预先确定的极其过度的压力的情况下，减压阀110将开动，且将使用对应信号通过将用于排气扇60的第一VFD 70的速度目标降低到0而使系统停机。 
图3是用于实施工业用能量回收系统的方法的框图。所述系统使用存储在控制器90中的软件代码来计算用于排气扇60的第一VFD 70的速度目标及用于热源液体循环泵95的第二VFD 105的速度目标，所述速度目标将使所产生的功率达到最大且将过程温度及流量维持在所述系统的组件的设计参数内。排气的温度及对应流量是熔炉10的燃料消耗的直接结果。当熔炉从空载操作改变到满载操作或从满载操作改变到空载操作时，在排气的温度达到稳态温度之前存在延时。此信息被包括在计算用于热源液体的温度目标T*的模型中。此温度目标T*、热源液体的对应温度反馈Tho(其是从位于热交换器55的出口处的温度传感器80获得)及热源液体的流量(其是从用于热源液体循环泵95的第二VFD 105的速度目标n*计算出)用于计算用于排气扇60的第一VFD 70的速度目标。熔炉控制器40可提供熔炉燃料消耗数据Fuel_C。如果可提供所述数据，那么在305处检索所述数据且将所述数据传输到控制器90。在300处确定熔炉10是否已操作充分 长的时期。在310处使用此数据以及初始目标温度T1*(存储在控制器90中的参数)以使用公式T*＝K0(Thg，Fuel_C)+T1*计算最佳热源液体目标温度，其中T*是用于热源液体的最佳目标温度，K0(Thg.Fuel_C)是具有进入系统的热气的温度反馈(Thg.)及熔炉燃料消耗(Fuel_C)(可能得到或可能未得到温度反馈(Thg.)及熔炉燃料消耗(Fuel_C))作为输入变量的内插块或函数，且T1*是作为参数存储在控制器90中的热源液体初始目标温度T1*。随着气体的温度或燃料消耗上升，K0将呈现较高值，直到其达到预设极限为止。如果不能得到熔炉燃料消耗数据或不能得到进入系统的热气的温度反馈(Thg)或既不能得到熔炉燃料消耗数据又不能得到进入系统的热气的温度反馈(Thg)，那么将相应地简化K0。如果不能得到熔炉10的燃料消耗数据，那么在320处基于公式T*＝K0(Thg)+T1*计算最佳温度T*。通过使用计算出的最佳温度T*，在325处使用公式F*ff＝K1(T*，n*)进一步计算用于排气扇60的第一VFD 70的所要速度前馈命令，其中F*ff是表述为前馈命令的排气扇速度，且K1(T*，n*)是从具有计算出的最佳热源液体温度T*及用于热源液体循环泵95的第二VFD 105的目标速度参考n*作为输入变量的内插块或函数获得。在335处根据公式F*c＝(Kp+Ki/s).(T*-Tho)计算速度调整的量，其中F*c是排气扇速度目标补偿，Tho是如由离开热交换器55的液体的第二传感器80测量的热源液体温度，且Kp及Ki是排气扇速度调节器的对应于典型比例及积分(PI)调节器的比例增益及积分增益，但也可出于此目的而使用其它类型的调节器。术语1/s是此项技术中所知的算子，其对应于积分器且是从将拉普拉斯变换应用于微分方程式的求解而导出。在计算出补偿F*c之后，在340处根据公式F*＝F*ff+F*c设置用于排气扇60的第一VFD 70的目标速度F*，且根据公式F*max＝K2(T*，P，Pr)计算用于排气扇60的第一VFD 70的最大可允许速度F*max，其中F*max是VFD 70的最大可允许风扇速度参考，且K2(T*，P，Pr)是具有热源液体目标温度T*、ORC系统的如由转换器155测量的以千瓦P为单位的输出功率反馈及表示热源液体的压力Pr的来自第三传感器125的反馈信号作为输入变量的内插块或函数。在不能得到P或Pr变量的情况下可简化函数K2。合意的是，知晓F*max以便避免以过度速度运行排气扇且防止在系统中产生过度热源液体压力。350处的F*与F*max的比较确定排气扇速度目标是否过高。如果过高，那么在355处调整排气扇速度目标，使得F*＝F*max。此后，在360处继续处理，其中根据公式n*＝K3(T*，Tc)+n1*计算用于热源液体循环泵95的第二VFD 105的速度目标n*，其中K3(T*，Tc)是从基于输入变量T*(其用于如在310处计算的在热交换器的出口处的热源液体目标温度)及Tc(其用于ORC系统冷却流体的基于来自第四传感器165的反馈信号的温度)的内插块或函数获得，且其中n1*是用于热源液体循环泵95的第二VFD 105的基本速度目标。当ORC 冷却流体温度及/或液体热源液体的目标温度改变时，K3将改变以将所产生的功率及ORC系统130的效率维持在最大可能值。在365处根据公式n*max＝K4(P)计算用于热源液体循环泵95的第二VFD 105的最大允许速度目标，其中K4(P)是内插块或函数，对于所述内插块或函数，仅有的输入变量是ORC系统130的如在转换器155处测量的输出功率。如果目标泵速度n*超过如在370处确定的最大可允许泵速度n*max，那么在375处对用于循环泵95的第二VFD 105的速度目标强加限制以降低所述速度。此方法表示当熔炉运行时处于恒定使用中的控制环路。 
在图4中，以示意图形式呈现本发明的系统的功能性元件的替代布置。在此布置中，排气扇60、第一电动机65及第一变频驱动器70被消除。取而代之，阀170并入在排气分接头45处，在分接头45处，退出同流换热器15的排气的一部分首先转向到能量回收系统(热交换器55)中。阀170由控制器90调节，以便以类似于上文所描述的用于提供用于排气扇60的VFD 70的风扇速度目标的方式的方式改变排气到能量回收系统中的流量。 
已根据优选实施例描述上述发明。然而，所属领域的技术人员将明白，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可对所揭示的设备及方法做出各种修改及改变，且本发明适用于除了钢铁制造之外的其中产生热排气的许多其它工业生产过程，例如(举例来说)水泥厂及发电。本说明书及实例仅为示范性的，而本发明的真正范围由所附权利要求书界定。 
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于将被引导到排出结构的以受热排气形式作为以燃料为动力的工业生产过程的副产物而产生的过剩能量转换成电能的系统，其包含：
热交换器，其位于所述排出结构外部，所述热交换器具有各自连接到所述排出结构的气体输入端及气体输出端，且进一步具有热源液体输入端及热源液体输出端；
有机郎肯循环ORC系统，其具有连接到所述热交换器的所述热源液体输出端的第一输入端及连接到所述热交换器的所述热源液体输入端的第一输出端，所述ORC系统进一步具有将电力输送到所述ORC系统的第二输出端的发电机；
气体循环构件，其用于通过使所述排气的一部分离开所述排出结构且远离所述排出结构而朝向所述热交换器转向且通过改变在所述排出结构与所述热交换器的所述气体输入端及所述气体输出端之间循环的气体的量而调节所述液体热源的温度；及
热源液体循环构件，其用于通过改变在所述ORC系统与所述热交换器之间循环的液体的量而调节到所述ORC系统的热传递。
2.一种用于将被引导到排出结构的以受热排气形式作为以燃料为动力的工业生产过程的副产物而产生的过剩能量转换成电能的系统，其包含：
热交换器，其位于所述排出结构外部，所述热交换器具有气体输入端、气体输出端、热源液体输入端及热源液体输出端；
第一构件，其用于使所述受热排气的一部分离开所述排出结构且远离所述排出结构而转向进入所述热交换器的所述气体输入端；
第二构件，其连接到所述热交换器的所述气体输出端以调节通过所述热交换器的循环及所述排气从所述热交换器通过排气孔回到所述排出结构中的退出；
第三构件，其用于供应且调节热源液体到所述热交换器的所述热源液体输入端的流量；及
有机郎肯循环ORC系统，其具有连接到所述热交换器的所述热源液体输出端的第一输入端及通过所述第三构件连接到所述热交换器的所述热源液体输入端的第一输出端，所述ORC系统进一步具有将电力输送到所述ORC系统的第二输出端的发电机。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一构件包含分接头，所述分接头在其输入端处连接到所述排出结构且在其输出端处连接到所述热交换器的所述气体输入端。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二构件包含：
排气扇，其连接到所述排气孔；
第一电动机，其连接到所述排气扇；
第一变频驱动器，其连接到所述第一电动机；及
第一控制器构件，其连接到所述第一变频驱动器以监视且调节所述第一变频驱动器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第二构件进一步包含：
第二控制器构件，其连接到所述第一控制器构件以监视所述工业生产过程的燃料消耗数据且将所述数据传输到所述第一控制器构件；
第一传感器构件，其连接到所述热交换器的所述气体输入端以测量所述点处的所述排气的温度且用于将所述数据传输到所述第一控制器构件；
第二传感器构件，其连接到所述热交换器的所述热源液体输出端以测量所述点处的所述液体的温度且用于将所述数据传输到所述第一控制器构件；
第三传感器构件，其连接到所述热交换器的所述热源液体输出端以测量所述点处的所述热源液体的压力且用于将所述数据传输到所述第一控制器构件；及
保护性电力转换器，其连接在所述ORC系统的所述第二输出端与所述第一控制器构件之间。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第三构件包含：
加压热源液体膨胀箱；
减压阀，其连接到所述膨胀箱且连接到所述第一控制器构件；
变速循环泵构件，其在其输入端处连接到所述膨胀箱且在其输出端处连接到所述热交换器的所述热源液体输入端以用于改变所述热源液体的所述流量，以便控制从所述热源液体传递到所述ORC的热；
第二电动机，其连接到所述泵；
第二变频驱动器，其连接到所述第二电动机；及
第四传感器构件，其连接到所述ORC以测量所述ORC所使用的冷却介质的温度，且其中，另外，所述第二变频驱动器进一步连接到所述第一控制器构件。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第三构件包含：
加压热源液体膨胀箱；
减压阀，其连接到所述膨胀箱且连接到所述第一控制器构件；
定速循环泵，其在其输入端处连接到所述膨胀箱且在其输出端处连接到所述热交换器的所述热源液体输入端；及
第二电动机，其连接到所述泵。
8.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一构件包含连接到所述分接头的可调整阀，所述可调整阀的移动由第一控制器控制。
9.一种用于调节电力产生的方法，所述电力是使用热交换器由从以燃料为动力的工业用装置排放到排出结构中的受热废气产生，所述热交换器远离所述排出结构而定位且具有连接到所述排出结构的气体输入端及连接到变速排气扇的气体输出端，所述变速排气扇自身连接到所述排出结构，且所述热交换器进一步具有带有蒸发器的有机郎肯循环ORC系统，所述ORC系统具有连接到所述热交换器的液体输出端的热源液体输入端及连接到加压液体源的热源液体输出端，所述加压液体源进一步连接到泵且此后连接到所述热交换器的液体输入端，其中所述ORC纳含膨胀器，所述膨胀器耦合到发电机，所述发电机具有连接到转换器的电输出端，所述方法包含：
使所述废气的一部分远离所述排出结构而转向到所述热交换器的所述气体输入端中；
通过改变所述排气扇的速度而改变如此转向的所述废气的量来调节热源液体温度；
通过管理所述泵的操作而改变在所述ORC系统与所述热交换器之间循环的所述液体的流量来控制从所述热源液体传递到所述ORC的热量；及
出于控制所述排气扇的最大速度和保护所述发电机及所述ORC系统的目的中的任一目的或上述两个目的，在所述转换器处监视在所述电输出端处由所述发电机产生的电量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述泵可为变速泵或定速泵。
11.一种用于调节电力产生的方法，所述电力是由作为以燃料为动力的工业用装置的副产物而产生的受热废气产生，其中所述废气的一部分在从第一热交换器的气体输出端排出到排出结构中之前在由第一传感器测量的温度下转向到所述热交换器的气体输入端中，所述废气通过所述热交换器的循环由排气扇调节，所述排气扇由第一电动机驱动，所述第一电动机的速度由第一变频驱动器VFD控制，所述第一VFD自身进一步由纳含比例积分调节器的第一控制器控制，所述第一控制器连接到第二控制器，所述第二控制器进一步连接到所述以燃料为动力的装置以监视燃料消耗且连接到所述第一传感器，且其中，另外，热源液体在由第二传感器测量的温度下且在由第三传感器测量的压力下在从所述热交换器的液体输出端排出到热源液体回路中之前被输送到所述热交换器的液体输入端，所述传感器两者均连接到所述第一控制器，所述热源液体通过所述热交换器的循环由泵调节，所述泵由第二电动机驱动，所述第二电动机的速度由第二变频驱动器VFD控制，所述第二VFD自身进一步由所述第一控制器控制，同时热源液体泵入口还连接到液体膨胀箱，所述液体膨胀箱经受使用惰性气体的加压，所述液体膨胀箱的压力由所述第三传感器监视，所述膨胀箱还包括由所述第一控制器监视的减压阀，从所述液体输出端排出的所述热源液体接着被引导通过位于有机郎肯循环ORC系统中的蒸发器，所述ORC系统纳含散热回路，所述散热回路具有连接到所述第一控制器以测量ORC冷却介质的温度的第四传感器、连接到发电机的膨胀器及连接在所述发电机与所述第二控制器之间的电力转换器，所述方法包含：
首先确定是否可从所述第一控制器得到表示所述以燃料为动力的工业用装置的所述燃料消耗的数据；
如果可得到所述数据，那么根据公式T*＝K0(Thg，Fuel_C)+T1*计算用于所述热源液体的最佳目标温度，其中K0(Thg.Fuel_C)是具有进入所述气体输入端的受热气体的温度反馈(Thg.)及装置燃料消耗(Fuel_C)作为输入变量的内插块或函数，且T1*是作为变量存储在所述第二控制器中的热源液体初始目标温度；
否则，根据公式T*＝K0(Thg)+T1*计算用于所述热源液体的最佳目标温度；
根据公式F*ff＝K1(T*，n*)进一步计算用于所述第一变频驱动器的所要速度前馈命令，其中F*ff是表述为前馈命令的排气扇速度，且K1(T*，n*)是具有所述计算出的最佳热源液体温度T*及用于所述第二变频驱动器的目标速度参考n*作为输入变量的内插块或函数；
根据公式F*c＝(Kp+Ki/s).(T*-Tho)又进一步计算速度调整，其中F*c是排气扇速度目标补偿，Tho是如由所述第二传感器测量的所述热源液体温度，且Kp及Ki分别是所述比例积分调节器的比例增益及积分增益；
根据公式F*＝F*ff+F*c设置所述第一变频驱动器的目标速度；
根据公式F*max＝K2(T*，P，Pr)进一步设置所述第一变频驱动器的最大可允许速度，其中K2(T*，P，Pr)是具有所述热源液体目标温度T*、所述ORC系统的如由所述转换器测量的以千瓦P为单位的输出功率反馈作为输入变量的内插块或函数，且Pr是表示所述热源液体回路的压力的来自所述第三传感器的反馈信号；
确定F*＞F*max是否成立；
如果成立，那么限制所述排气扇速度，使得F*＝F*max；
否则，根据公式n*＝K3(T*，Tc)+n1*另外计算用于所述第二变频驱动器的所述目标速度n*，其中K3(T*，Tc)是基于输入变量T*及Tc的内插块或函数，所述T*表示所述热交换器的出口处的所述热源液体目标温度，所述Tc表示ORC系统冷却流体的基于来自所述第四传感器的反馈信号的温度，且其中n1*是所述第二VFD的基本速度目标；
根据公式n*max＝K4(P)进一步确定用于所述第二VFD的最大可允许速度，其中K4(P)是内插块或函数，对于所述内插块或函数，所述输入变量是所述ORC的如由所述转换器测量的所述输出功率P；
进一步确定n*＞n*max是否成立；
如果成立，那么限制泵速度，使得n*＝n*max；且
否则，返回到首先确定，直到所述以燃料为动力的装置不再处于操作中为止。
说明或声明(按照条约第19条的修改)
依据条款19(1)的声明
(PCT细则46.4)
本发明的能量回收系统及方法揭示工业背景中通过使用位于工业用排出烟道或结构外部且远离工业用排出烟道或结构的热交换器而进行的能量回收。用于在单独的有机郎肯循环系统(ORC)中产生电的液体热传递介质通过气体远离排出结构部分转向进入到远程定位的热交换器中而得到加热，在热交换器处，气体将热传递到液体热传递介质。此系统使得能够控制部分排气流量以调节液体热传递介质的温度。申请人监视且控制排气的部分转向以加热流过热交换器且此后流过ORC的单独液体热传递介质，而不是依赖对所有排气通过其中已定位有热交换器的排出结构的流量的调节，在热交换器中，整个排气流被当作热传递介质。与此项技术中所知的系统及方法相比，申请人的系统及方法在热能回收方面提供更大的效率。经修正的权利要求书阐明了这些区别。

Claims (11)

1.一种用于将被引导到排出结构的以受热排气形式作为以燃料为动力的工业生产过程的副产物而产生的过剩能量转换成电能的系统，其包含：
热交换器，其具有各自连接到所述排出结构的气体输入端及气体输出端，且进一步具有热源液体输入端及热源液体输出端；
有机郎肯循环ORC系统，其具有连接到所述热交换器的所述热源液体输出端的第一输入端及连接到所述第一热交换器的所述热源液体输入端的第一输出端，所述ORC系统进一步具有将电力输送到所述ORC系统的第二输出端的发电机；
气体循环构件，其用于通过改变在所述排出结构与所述热交换器的所述气体输入端及所述气体输出端之间循环的气体的量而调节所述液体热源的温度；及
热源液体循环构件，其用于通过改变在所述ORC与所述热交换器之间循环的液体的量而调节到所述ORC的热传递。
2.一种用于将被引导到排出结构的以受热排气形式作为以燃料为动力的工业生产过程的副产物而产生的过剩能量转换成电能的系统，其包含：
热交换器，其具有气体输入端、气体输出端、热源液体输入端及热源液体输出端；
第一构件，其用于将所述受热排气的至少一部分转向到所述第一热交换器的所述气体输入端中；
第二构件，其连接到所述第一热交换器的所述气体输出端以调节通过所述第一热交换器的循环及所述排气从所述第一热交换器通过排气孔回到所述排出结构中的退出；
第三构件，其用于供应且调节热源液体到所述第一热交换器的所述热源液体输入端的流量；及
有机郎肯循环ORC系统，其具有连接到所述第一热交换器的所述热源液体输出端的第一输入端及通过所述第三构件连接到所述第一热交换器的所述热源液体输入端的第一输出端，所述ORC系统进一步具有将电力输送到所述ORC系统的第二输出端的发电机。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第一构件包含分接头，所述分接头在其输入端处连接到所述排出结构且在其输出端处连接到所述第一热交换器的所述气体输入端。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二构件包含：
排气扇，其连接到所述排气孔；
第一电动机，其连接到所述排气扇；
第一变频驱动器，其连接到所述第一电动机；及
第一控制器构件，其连接到所述第一变频驱动器以监视且调节所述第一变频驱动器。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述第二构件进一步包含：
第二控制器构件，其连接到所述第一控制器构件以监视所述工业生产过程的燃料消耗数据且将所述数据传输到所述第一控制器构件；
第一传感器构件，其连接到所述第一热交换器的所述气体输入端以测量所述点处的所述排气的温度且用于将所述数据传输到所述第一控制器构件；
第二传感器构件，其连接到所述第一热交换器的所述热源液体输出端以测量所述点处的所述液体的温度且用于将所述数据传输到所述第一控制器构件；
第三传感器构件，其连接到所述第一热交换器的所述热源液体输出端以测量所述点处的所述热源液体的压力且用于将所述数据传输到所述第一控制器构件；及
保护性电力转换器，其连接在所述ORC系统的所述第二输出端与所述第一控制器构件之间。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第三构件包含：
加压热源液体膨胀箱；
减压阀，其连接到所述膨胀箱且连接到所述第一控制器构件；
变速循环泵，其在其输入端处连接到所述膨胀箱且在其输出端处连接到所述热交换器的所述热源液体输入端；
第二电动机，其连接到所述泵；
第二变频驱动器，其连接到所述第二电动机；及
第四传感器构件，其连接到所述ORC以测量所述ORC所使用的冷却介质的温度，
且其中，另外，所述第二变频驱动器进一步连接到所述第一控制器构件。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第三构件包含：
加压热源液体膨胀箱；
减压阀，其连接到所述膨胀箱且连接到所述第一控制器构件；
定速循环泵，其在其输入端处连接到所述膨胀箱且在其输出端处连接到所述热交换器的所述热源液体输入端；及
第二电动机，其连接到所述泵。
8.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二构件包含连接到所述分接头的可调整阀，所述可调整阀的移动由第一控制器控制。
9.一种用于调节电力产生的方法，所述电力是使用热交换器由从以燃料为动力的工业用装置排放到排出结构中的受热废气产生，所述热交换器具有连接到所述排出结构的气体输入端及连接到变速排气扇的气体输出端，所述变速排气扇自身连接到所述排出结构，且所述热交换器进一步具有带有蒸发器的有机郎肯循环装置ORC，所述ORC具有连接到所述热交换器的液体输出端的热源液体输入端及连接到加压液体源的热源液体输出端，所述加压液体源进一步连接到泵且此后连接到所述热交换器的液体输入端，其中所述ORC纳含膨胀器，所述膨胀器耦合到发电机，所述发电机具有连接到转换器的电输出端，所述方法包含：
使所述废气的至少一部分远离所述排出结构而转向到所述热交换器的所述气体输入端中；
通过改变所述排气扇的速度而改变如此转向的所述废气的量来调节热源液体温度；
通过管理所述泵的操作而改变在所述ORC与所述热交换器之间循环的所述液体的流量来控制从所述热源液体传递到所述ORC的热量；及
在所述转换器处监视在所述电输出端处由所述发电机产生的电量。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述泵可为变速泵或定速泵。
11.一种用于调节电力产生的方法，所述电力是由作为以燃料为动力的工业用装置的副产物而产生的受热废气产生，其中所述废气的至少一部分在从第一热交换器的气体输出端排出到排出结构中之前在由第一传感器测量的温度下转向到所述第一热交换器的气体输入端中，所述废气通过所述热交换器的循环由排气扇调节，所述排气扇由第一电动机驱动，所述第一电动机的速度由第一变频驱动器VFD控制，所述第一VFD自身进一步由纳含比例积分调节器的第一控制器控制，所述第一控制器连接到第二控制器，所述第二控制器进一步连接到所述以燃料为动力的装置以监视燃料消耗且连接到所述第一传感器，且其中，另外，热源液体在由第二传感器测量的温度下且在由第三传感器测量的压力下在从所述热交换器的液体输出端排出到热源液体回路中之前被输送到所述热交换器的液体输入端，所述传感器两者均连接到所述第一控制器，所述热源液体通过所述热交换器的循环由泵调节，所述泵由第二电动机驱动，所述第二电动机的速度由第二变频驱动器VFD控制，所述第二VFD自身进一步由所述第一控制器控制，同时热源液体泵入口还连接到液体膨胀箱，所述液体膨胀箱经受使用惰性气体的加压，所述液体膨胀箱的压力由所述第三传感器监视，所述膨胀箱还包括由所述第一控制器监视的减压阀，从所述液体输出端排出的所述热源液体接着被引导通过位于有机郎肯循环ORC系统中的蒸发器，所述ORC系统纳含散热回路，所述散热回路具有连接到所述第一控制器以测量ORC冷却介质的温度的第四传感器、连接到发电机的膨胀器及连接在所述发电机与所述第二控制器之间的电力转换器，所述方法包含：
首先确定是否可从所述第一控制器得到表示所述以燃料为动力的工业用装置的所述燃料消耗的数据；
如果可得到所述数据，那么根据公式T*＝K0(Thg，Fuel_C)+T1*计算用于所述热源液体的最佳目标温度，其中K0(Thg.Fuel_C)是具有进入所述气体输入端的受热气体的温度反馈(Thg.)及装置燃料消耗(Fuel_C)作为输入变量的内插块或函数，且T1*是作为变量存储在所述第二控制器中的热源液体初始目标温度；
否则，根据公式T*＝K0(Thg)+T1*计算用于所述热源液体的最佳目标温度；
根据公式F*ff＝K1(T*，n*)进一步计算用于所述第一变频驱动器的所要速度前馈命令，其中F*ff是表述为前馈命令的排气扇速度，且K1(T*，n*)是具有所述计算出的最佳热源液体温度T*及用于所述第二变频驱动器的目标速度参考n*作为输入变量的内插块或函数；
根据公式F*c＝(Kp+Ki/s).(T*-Tho)又进一步计算速度调整，其中F*c是排气扇速度目标补偿，Tho是如由所述第二传感器测量的所述热源液体温度，且Kp及Ki分别是所述比例积分调节器的比例增益及积分增益；
根据公式F*＝F*ff+F*c设置所述第一变频驱动器的目标速度；
根据公式F*max＝K2(T*，P，Pr)进一步设置所述第一变频驱动器的最大可允许速度，其中K2(T*，P，Pr)是具有所述热源液体目标温度T*、所述ORC系统的如由所述转换器测量的以千瓦P为单位的输出功率反馈作为输入变量的内插块或函数，且
Pr是表示所述热源液体回路的压力的来自所述第三传感器的反馈信号；
确定F*＞F*max是否成立；
如果成立，那么限制所述排气扇速度，使得F*＝F*max；
否则，根据公式n*＝K3(T*，Tc)+n1*另外计算用于所述第二变频驱动器的所述目标速度n*，其中K3(T*，Tc)是基于输入变量T*及Tc的内插块或函数，所述T*表示所述热交换器的出口处的所述热源液体目标温度，所述Tc表示ORC系统冷却流体的基于来自所述第四传感器的反馈信号的温度，且其中n1*是所述第二VFD的基本速度目标；
根据公式n*max＝K4(P)进一步确定用于所述第二VFD的最大可允许速度，其中K4(P)是内插块或函数，对于所述内插块或函数，所述输入变量是所述ORC的如由所述转换器测量的所述输出功率P；
进一步确定n*＞n*max是否成立；
如果成立，那么限制泵速度，使得n*＝n*max；且
否则，返回到首先确定，直到所述以燃料为动力的装置不再处于操作中为止。
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