CN103270254B - 废热利用设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于废热源（10）的废热利用设备，包括一个连接在其后面的ORC（有机物朗肯循环），其中，该废热源（10）与ORC的加热装置连接，以及具有一个与发电机（5）耦合的用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机（4）。本发明的任务是，在结构和运行情况方面优化由连接在废热源后面的ORC组成的废热利用设备。因此，按照本发明，用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机（4）借助在马达式运行中工作的发电机（5）起动并且被带到一个在调节装置中可预给定的最小起动转速。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的废热利用设备。
背景技术
ORC（Organic-Rankine-Cycle：有机朗肯循环）指的是根据郎肯的热动态的循环过程。这意味着，一个工作介质执行不同的热动态的状态，以便最终又过渡到液态的初始状态中。在此，工作介质通过泵被带到较高的压力水平。然后工作介质被预加热到蒸发温度并且接着被蒸发。
因此涉及一种蒸发过程，其中，代替水蒸发一种有机介质。产生的蒸汽驱动一个膨胀机，例如一个涡轮机、一个活塞或螺旋马达，它又与一个发电机耦合，以便产生电流。过程介质在工作机之后到达一个冷凝器中并且在那里在释放热量的情况下被循环冷却。因为水在大气条件下在100℃时蒸发，所以低温低水平的热量、例如工业废热或地热通常不能用于发电。如果人们使用具有较低沸点的有机介质，那么能够产生低温蒸汽。
例如即便在利用生物质结合力-热-耦合时，尤其是在比较小的功率时，即当传统的生物质燃烧技术表现得比较昂贵时，ORC设备在使用中是有利的。生物质设备通常具有用于产生生物气体的发酵槽，它通常必须被加热。
这类废热利用设备由力-热-耦合领域公开并且包括一个与后接的ORC组合的BHKW，即一个中央供热站。由DE19541521A1涉及一种用于在借助内燃机排出特殊气体时提高电效率的设备，其中内燃机的废热在后接的能量转换设备中被用于进一步产生电流。然而在此仅利用来自冷却水循环以及来自废气热交换器的高温热。
另外由US4901531已知一种集成在郎肯过程中的柴油机组，其中，缸用于根据郎肯的膨胀并且其它作为柴油发动机工作。由US4334409涉及一种根据郎肯过程工作的装置，其中工作介质通过热交换器加热，空气从具有内部燃烧的机器的压缩器的出口排出。
中央供热站（BHKW）通常作为力-热-耦合装置已知。它在此指的是分散的、大多通过内燃机驱动的具有同时的废热利用的电流产生设备。在燃烧中通过冷却介质带出的热在此尽可能完全地被用于加热合适的物体。
尤其是在作为废热发电厂的具有ORC力-热-耦合设备中，该机器得以实现，它基于具有用于增压的废气增压器的发动机。人们由此对具有非常高的电效率的机器具有需求，它允许仅通过压缩加热的燃烧气体混合物的涡轮增压和回流冷却来实现。通常需要冷却燃烧气体混合物，因为否则的话缸的填充比较差。通过冷却，吸入的混合物的密度变大并且填充效率由此改善。由此提高发动机的功率产出和机械效率。
发动机制造商为了混合物的冷却规定了仅大约40至50℃的冷却水流入温度，由此能够足够地冷却混合物。因为该温度水平比较低，所以从燃烧气体取出的热在迄今为止的力-热-耦合设备中被排出到环境，例如通过台式冷却器。
由DE102005048795B3已知在加热装置中在两个步骤中预热ORC中的工作介质，即在ORC中的过程介质通过两个串联地连接在馈送泵后的热交换器被加热，其中，馈送泵后的第一热交换器作为用于耦合输入低温热的第一级并且后面的热交换器作为用于耦合输入高温热的第二级。在此，内燃机的混合物冷却通过一个回路与馈送泵后的第一热交换器连接，其中，来自对内燃机抽吸的燃烧气体混合物的冷却的热用于预热ORC中的过程介质并且作为低温热被耦合输入到第一热交换器中。第二加热回路从发动机冷却水和内燃机的废气吸取热并且与馈送泵后的第二热交换器连接，其中，来自冷却循环和废气的热用于使ORC的过程介质的过热并且汽化并且作为高温热被耦合输入到馈送泵后的第二热交换器中。
发明内容
因此本发明的任务是，在结构和运行情况方面优化由连接在废热源后面的ORC组成的废热利用设备。
它按照本发明通过具有权利要求1的特征解决。有利的扩展构型由从属权利要求得出。
废热利用设备的特点在于，用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机借助在马达式运行中工作的发电机起动并且被带到一个在调节装置中可预给定的最小起动转速。在此，最小起动转速优选为最小运行转速的大约三分之二。通过在马达式运行中工作的发电机的一个重要优点在于起动阶段中的小的支承负载，因为膨胀机仍不被冷却介质加载。否则的话可能在仍冷的膨胀机中导致少量冷却介质的不期望的冷凝。但是冷却介质的冷却——同样通过冷却介质-分流——然而在液态中已经工作。
按照本发明，在达到最小起动转速时，一个在用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机的入口处的蒸汽阀被打开并且在该蒸汽阀的进一步打开时实现转速的进一步提高并且该发电机从马达式运行过渡到正常的发电机运行中。这是有利的，因为膨胀机正好从开始就挂在发电机上或者开始时挂在作为电动机的发电机上并且不必与电网同步。在蒸汽阀完全打开并且达到调节装置中的最小运行转速时，然后在实际的运行状态方面启动用于转速优化的过程。
在本发明的另一种有利的设计方案中，用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机的一个调节装置求出对于实际运行点优化的转速。在此，在第一步骤中从最小转速开始在利用发电机功率的情况下实现缓慢的调高，直到在第二步骤中在转速提高并且发电机功率同时下降时识别超出一个极点。在第三步骤中实现转速的减小，并且在进一步的步骤中这么长地重复地执行步骤二和三的过程，直到转速在最大发动机功率的时刻达到平均值。
有利地，在用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机的调节装置中对于一个实际的运行点可通过一个特征曲线预给定优化转速。
因此在本发明的一种优选的设计方案中，在一个特征曲线中膨胀机上的输入和/或输出压力被配设给一个优化转速并且为了求出实际的运行状态，膨胀机上的实际的输入和/或输出压力被测量、分析处理并且在调节装置中与该特征曲线比较，以便由此调节转速。变换地或补充地，在一个特征曲线中膨胀机上的入口和/或出口温度被配设给一个优化转速并且为了求出实际的运行状态，膨胀机上的实际的入口和/或出口温度被测量、分析处理并且在调节装置中与该特征曲线比较，以便由此调节转速。
优选地，与用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机集成的发电机具有一个用于转速可变的运行的耦合的变频器。
在另一种有利的设计方案中，在ORC回路中围绕膨胀机设置一个受调节的、具有至少一个节流阀的旁路。旁路在起动阶段中、即在工作介质的温度比较低时首先被打开，从而工作介质绕过膨胀机传送，以便避免工作介质中的液态残余不期望地进入到膨胀机中。一旦ORC回路已经达到它的额定运行状态并且这一点例如通过一个相应的、可预给定的温度水平或其它参数被检测到时，旁路被关闭并且一个连接在膨胀机前面的蒸汽阀被打开。
通过本发明优化了由一个连接在废热源后面的ORC组成的废热利用设备的结构和运行特性。废热源可以例如是中央供热站。工业设备或锅炉设备。
膨胀机的起动阶段按照本发明同样被优化。当与马达运行的发电机耦合的膨胀机的加速没有冷却剂地发生时，同时实现了最大的运行安全性和对于冷却介质冷凝的保护。因为在冷却侧为此使用的冷却介质-分流在发电机单元上传导，所以它在那里吸收在马达式运行中通过损失产生的热。
膨胀机的热状态正好如其它边界条件那样被监控。作为起动条件的例如有ORC回路中的冷却介质的最小压力、用于涡轮机转子的磁支承的接通条件以及所有对运行所需的机组的检查。
按照本发明，由此发生废气利用设备的全自动的和电子的启动过程。同样发生具有变化的、与实际的运行情况匹配的运行转速的自动化运行以及一种结束运行。
附图说明
附图示出本发明的一个实施例并且在唯一的视图中示出一个废热利用设备的示意结构，它包括一个连接在其后的ORC。
具体实施方式
对于ORC运行重要的部件是一个ORC回路1、一个馈送泵2、一个蒸发器3、一个与发电机5耦合的用于蒸汽膨胀的膨胀机4、一个用于通过散热器7的回流冷却的冷凝器6以及用于预热ORC回路1中的工作介质的热交换器8、9。
两个热交换器8、9串联地设置在馈送泵2后面。在此，馈送泵2后面的第一热交换器8用作用于从废热源10耦合输入低温热的第一级并且接下来的热交换器9用作用于从废热源10耦合输入高温热的第二级。
一个第二加热回路11以它的先导区域与ORC的蒸发器3连接，因为温度水平首先对于其直接加热是足够高的。然后第二加热回路11在回流侧通入到第二热交换器9中并且在那里将存在的剩余热排出到ORC。
用于冷却膨胀机4的液态冷却介质-分流12被分支出来并且首先被输送通过发电机5。然后冷却介质流过膨胀机4的壳体并且负责充分的散热。
在达到最小起动转速时，膨胀机4的入口处的一个蒸汽阀13被打开以便蒸汽膨胀到ORC中并且在蒸汽阀13进一步打开时实现转速的进一步提高，从而发电机5从马达式运行过渡到正常的发电机运行中。
围绕膨胀机4设置一个具有至少一个节流阀15的被调节的旁路14。该旁路14在起动阶段中、即在工作介质的温度仍比较低时首先被打开。由此工作介质绕过膨胀机4被传导。一旦ORC回路1已经达到它的额定运行状态，那么旁路14中的节流阀15关闭并且设置在膨胀机4前面的蒸汽阀13被打开。
Claims (10)
1.用于废热源(10)的废热利用设备，包括一个连接在其后面的ORC(有机物朗肯循环)，其中，该废热源(10)与ORC的加热装置连接，以及具有一个与发电机(5)耦合的用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机(4)，其中，用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机(4)借助在马达式运行中工作的发电机(5)起动并且被带到一个在调节装置中可预给定的最小起动转速，其特征在于，用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机(4)的一个调节装置求出对于实际运行点优化的转速，其方式是在第一步骤中从一个最小转速开始在利用发电机功率的情况下实现缓慢的调高，在第二步骤中在转速提高并且发电机功率同时下降时识别为超过发电机功率的极点，在第三步骤中实现转速的减小，并且在进一步的步骤中这么长地重复地执行步骤二和三的过程，直到转速在最大发动机功率的时刻达到平均值。
2.根据权利要求1所述的废热利用设备，其特征在于，所述最小起动转速是最小运行转速的大约三分之二。
3.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，在达到最小起动转速时，一个在用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机(4)的入口处的蒸汽阀(13)被打开并且在该蒸汽阀(13)的进一步打开时实现转速的进一步提高并且该发电机(5)从马达式运行过渡到正常的发电机运行中。
4.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，在蒸汽阀(13)完全打开并且达到调节装置中的最小运行转速时启动一个用于转速优化的过程。
5.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，在用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机(4)的调节装置中对于一个实际的运行点可通过一个特征曲线预给定优化转速。
6.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，在一个特征曲线中膨胀机(4)上的输入和/或输出压力被配设给一个优化转速并且为了求出实际的运行状态，膨胀机(4)上的实际的输入和/或输出压力被测量、分析处理并且在调节装置中与该特征曲线比较，以便由此调节转速。
7.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，在一个特征曲线中膨胀机(4)上的入口和/或出口温度被配设给一个优化转速并且为了求出实际的运行状态，膨胀机(4)上的实际的入口和/或出口温度被测量、分析处理并且在调节装置中与该特征曲线比较，以便由此调节转速。
8.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，与用于在ORC中蒸汽膨胀的膨胀机(4)集成的发电机(5)具有一个用于转速可变的运行的耦合的变频器。
9.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，在ORC回路(1)中围绕膨胀机(4)设置一个受调节的、具有至少一个节流阀(15)的旁路(14)。
10.根据权利要求1或2所述的废热利用设备，其特征在于，围绕膨胀机(4)的受调节的旁路(14)在起动阶段中首先被打开，并且当ORC回路(1)已经达到一个预给定的温度水平时，受调节的旁路被关闭。
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