CN103370500B - 膨胀发动机的直接蒸汽确定 - Google Patents

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Abstract

本发明提供用于开环控制或闭环控制和/或监视具有膨胀发动机的设备的方法，该膨胀发动机供应有被膨胀以在膨胀发动机中排出蒸汽的工作介质的直接蒸汽，该方法包括以下步骤：确定排出蒸汽的至少一个物理参数；基于确定出的排出蒸汽的至少一个物理参数确定直接蒸汽的至少一个物理参数；以及基于确定出的直接蒸汽的至少一个的物理参数来开环控制或闭环控制和/或监视该设备。还提供其中方法被实现的热发电站。

Description

膨胀发动机的直接蒸汽确定
技术领域
本发明涉及对具有膨胀发动机的设备进行开环控制或闭环控制和/或监视，该膨胀发动机供应有被膨胀以排出膨胀发动机中的蒸汽的工作介质的直接蒸汽(livesteam)。
背景技术
现有技术已知：膨胀发动机(例如蒸汽涡轮)的运行，使用用于通过使用有机介质(例如具有低汽化温度的有机介质)来生成电能量的有机朗肯循环(OrganicRankineCycle，ORC)方法，该有机介质在同样的温度下与作为工作介质的水相比通常具有更高的汽化压力。ORC系统代表朗肯循环的实现，其中例如通过工作介质的绝热和等压状态交换来获得基本电能量。经过工作介质的汽化、膨胀和随后的冷凝，机械能量被获得并且被转换成电能量。原则上，工作介质被馈送泵提高至运行压力，并且该工作介质处于以废热流或燃烧提供的热的形式供应能量的热交换器中。自汽化器，工作介质流经压力管至ORC涡轮，该工作介质在该ORC涡轮处膨胀至较低压力。随后，经膨胀的工作介质蒸汽流动通过冷凝器，在该冷凝器中存在在汽态工作介质和冷却介质之间的热交换，之后在循环过程中被冷凝的工作介质被馈送泵返回至汽化器。
膨胀发动机的精确监视和控制对于有效运行是必要的并且是取决于工作介质及其热力学参数的特别挑战。在此，确定供应给膨胀发动机的工作介质的直接蒸汽的物理参数是特别重要的。照惯例，根据确定出的直接蒸汽的温度和/或确定出的直接蒸汽的压力来确定直接蒸汽参数(例如直接蒸汽熵和直接蒸汽焓)。然而在ORC系统中，针对于该ORC系统的效率程度可以有益的是，在该膨胀发动机中工作介质的膨胀开始处，这种介质呈现两相状态。
如果热交换器中的工作介质只被部分汽化，那么焓不能直接从被部分汽化的工作介质的压力和温度中确定，这是因为直接蒸汽的湿蒸汽区域的焓和熵除了压力和/或温度外，还取决于蒸汽含量。
然而，蒸汽含量不能被容易地确定。另一方面，如果膨胀发动机使用在临界点附近的临界区域中的工作介质来运行(在该临界区域附近，蒸汽和液体的密度在相同温度下渐近地接近彼此)，那么直接蒸汽参数只能以巨大的不准确性来从压力和/或温度确定，这是因为在临界点处的等压线大约水平蔓延。在临界点附近，温度中甚至非常小的变化也会导致非常大的焓和熵的变化。
因此需要以及因此本发明的目的是以可靠的方式分别开环控制或闭环控制或监视由两相工作介质作用的膨胀发动机的开环控制或闭环控制，以使得上文提及的问题可被克服。
发明内容
上述目的由根据权利要求1的用于开环控制或闭环控制和/或监视具有膨胀发动机的方法来满足，其中膨胀发动机供应有被膨胀以排出在膨胀发动机中的蒸汽的工作介质的直接蒸汽，该方法包括以下步骤：
确定排出蒸汽的至少一个物理参数；
基于确定出的排出蒸汽的至少一个物理参数来确定直接蒸汽的至少一个物理参数；以及
基于直接蒸汽的至少一个确定出的物理参数来开环控制或闭环控制和/或监视设备。
本发明的一个特征是：为排出蒸汽获得的参数(数量级)用于确定直接蒸汽的参数(数量级)，该直接蒸汽的参数(数量级)与对设备进行开环/闭环控制或监视相关。这绕过或避免上述基于温度和压力而造成的直接蒸汽参数的技术上不可能或不正确确定(特别在湿蒸汽区域或使用超临界蒸汽参数的情况下)的问题。
设备可特别包括用于将直接蒸汽供应到膨胀发动机的装置，并且闭环控制/开环控制/监视可特别包括闭环控制/开环控制/监视去往膨胀发动机的直接蒸汽。该设备可特别为蒸汽发电站的一部分或为蒸汽发电站，其中工作介质在通过汽化器之后被馈送至膨胀发动机，该膨胀发动机可特别为涡轮。例如，这可包括该设备、该汽化器以及至汽化器的和至膨胀发动机的供应装置。该设备可进一步包括用于冷凝排出蒸汽的冷凝器以及用于将液化后的工作介质供应至汽化器的馈送泵。因此开环控制/闭环控制可全部地与设备中工作介质的开环控制/闭环控制传送相关，其中特别地，例如通过分别控制馈送泵，工作介质的质量流率可被开环控制/闭环控制。膨胀发动机和/或汽化器的运行还可根据本发明的方法基于直接蒸汽的至少一个确定出的物理参数被开环控制/闭环控制。
工作介质可特别为有机介质，该有机介质在有机朗肯循环(OrganicRankineCycle，ORC)过程的框架下在汽化器中被汽化并且被供应至膨胀发动机。根据本发明的方法对于ORC系统特别重要，这是因为工作介质可被有益地以两相方式或特别在超临界区域(不过是在临界点附近)中供应至膨胀发动机，在该超临界区域附近，工作介质的液相和气相的密度渐近地彼此靠近。
按照根据本发明的方法的进一步实施方式，膨胀发动机的等熵效率程度被确定并且基于确定出的膨胀发动机的效率程度来确定直接蒸汽的至少一个物理参数，即在确定(测量)排出蒸汽的参数之后，当具有确定出的膨胀发动机的效率程度的知识时，可关于与开环控制/闭环控制/监视相关的参数而提取结论。因此直接蒸汽的状态从排出蒸汽的状态中确定。对于此，要求膨胀发动机的等熵效率程度。然而由于这取决于排出蒸汽的状态的事实，需要迭代方法。
在本文中，方法可包括以下步骤：确定供应给膨胀发动机的工作介质和工作介质的质量流的压缩比。在这种情况下，膨胀发动机的等熵效率程度基于确定出的供应给工作介质和工作介质的质量流的压缩比来确定。取决于膨胀发动机的设计，等熵效率程度可取决于膨胀发动机的旋转速度。因此，该方法可进一步包括确定膨胀发动机的旋转速度的步骤，并且在这种情况下，基于确定出的膨胀发动机的旋转速度来确定膨胀发动机的等熵效率程度。这是特别有益的，如果膨胀发动机为活塞膨胀发动机、涡旋式膨胀机(scrollexpander)或螺杆膨胀机(screwexpander)的话。
在每个所提到的这些示例中，方法可包括基于热力学方程和经验确定的参数值而将具有工作介质的膨胀发动机的运行模型化，并且可基于将膨胀发动机的运行模型化的结果来确定膨胀发动机的效率程度。
用于对设备进行开环控制/闭环控制/监视的直接蒸汽的至少一个确定出的物理参数可包括直接蒸汽的温度和/或(具体的)焓和/或(具体的)熵和/或从气相至液相的体积比和/或从气相至液相的密度比。特别地，使用蒸汽含量(是蒸汽部分质量与总质量的商)、以及直接蒸汽的温度可推导出直接蒸汽的熵/焓。特别地，直接蒸汽的合适参数因此针对开环控制/闭环控制/监视被获得。
排出蒸汽的至少一个确定出的物理参数可包括排出蒸汽的温度和/或压力。特别地，确定直接蒸汽的温度的步骤可基于排出蒸汽的确定温度和确定压力来执行。
根据进一步发展，根据本发明的方法包括确定(例如测量)直接蒸汽的压力的步骤，该直接蒸汽的压力不同于基于排出蒸汽的至少一个确定出的物理参数而确定的直接蒸汽的至少一个确定出的物理参数，并且基于直接蒸汽的确定出的压力(不同于该物理参数)确定直接蒸汽的至少一个物理参数。
正如所提到的，可提供有机工作介质作为工作介质，并且可在有机朗肯循环(ORC)的框架内运行膨胀发动机以用于生成电能量。在此，有机工作介质的直接蒸汽可在超临界状态中或在湿蒸汽区域中。在常规ORC系统中使用的所有“干介质”可被认作工作介质(例如R245fa)，并且“湿”介质(例如乙醇)或“等熵介质”(例如R134a)。硅基合成工作介质(例如GL160)可被使用。设备可为蒸汽发电站，特别为有机朗肯循环蒸汽发电站或其组件。ORC站其本身可例如为地热或太阳能热站或还可包括燃烧化石燃料作为热源。
在上述示例中，排出蒸汽的参数可通过在设备的各个测量点处测量来确定。
此外，为满足上述目的，本发明提供一种热发电站，其包括：
膨胀发动机，该膨胀发动机被供应在膨胀发动机中膨胀以排出蒸汽的工作介质的直接蒸汽，和
开环控制或闭环控制设备；
其中
所述开环控制或闭环控制设备被设计用于：
确定排出蒸汽的至少一个物理参数；
基于确定出的排出蒸汽的至少一个物理参数来确定直接蒸汽的至少一个物理参数；以及
基于直接蒸汽的至少一个确定出的物理参数来开环控制或闭环控制和/或监视热发电站。
如在根据本发明的方法的上面示例中所描述的，与工作介质和物理参数的性质及对其的确定相关的所有说明可被实现在热发电站的进一步发展中。热发电站可特别为ORC发电站，其中在热交换器中有机工作介质被汽化并且然后被提供至膨胀发动机以在膨胀之后使用冷凝器来液化并且被ORC电路的框架中的馈送泵再次提供给热交换器。在此，热交换器可由例如燃烧化石燃料产生的烟来作用。
附图说明
进一步特征和实施方式以及本发明的优点通过示例的方式使用附图来在下文中说明。可以理解的是，实施方式并未穷举本发明的范围。进一步可以理解的是，此后描述的一些或所有特征也可以以其它方式结合。
图1示出按照根据本发明的方法的一个示例的、用于确定物理参数的测量点，该物理参数用于确定与其不同的的直接蒸汽的物理参数；
图2示出按照根据本发明的方法的一个示例的、用于从确定出的排出蒸汽参数中确定膨胀发动机效率程度和最终直接蒸汽参数的膨胀发动机的模型。
具体实施方式
根据本发明，排出蒸汽的至少一个物理参数按顺序被确定，依靠该排出蒸汽的至少一个物理参数来确定直接蒸汽的物理参数。如图1中所示，排出蒸汽的压力和温度根据在测量点测量的或从电力电子/过程测量和控制技术(MSR)中作为信息而直接获得的一个实施方式。以直接蒸汽1的形式的工作介质被供应至膨胀发动机2(例如涡轮)，并且由工作介质的直接蒸汽的膨胀获得的机械能被生成器转换成电能量3。
图1附加地显示用于测量不同参数的测量点。一方面，根据所示的示例，在直接蒸汽压力测量点4处测量直接蒸汽1的压力。排出蒸汽压力测量点6和排出蒸汽温度测量点6分别提供工作介质的膨胀后的排出蒸汽1′的压力和温度。而且，在测量点7处测量膨胀发动机的旋转速度。从因此获得的测量数据，可确定膨胀发动机的等熵效率程度和为了开环控制或闭环控制所需的直接蒸汽的物理参数(例如给膨胀发动机的直接蒸汽的供应)。例如，使用在测量点4至测量点7处测量的参数，可确定直接蒸汽的焓或从气相至液相的体积比和/或直接蒸汽的蒸汽含量(蒸汽部分质量与总质量的商)或从气相至液相的密度比。确定直接蒸汽的物理参数特别允许开环控制或闭环控制至热交换器(汽化器)的工作介质的质量流，以使得仅只饱和蒸汽到达膨胀过程的末端。
图2示出针对膨胀发动机的半经验模型的本发明的示例，借此，通过示例基于确定排出蒸汽的物理参数来使能确定直接蒸汽的相关物理参数。出于这个目的，通过膨胀发动机的工作介质流被划分成由不同参数确定的工作介质状态的不同类型的变化。
在所示的示例中，可使用要被经验确定的7个参数来模型化膨胀发动机。
首先，在膨胀发动机的入口处存在供应有质量比率的工作介质的直接蒸汽(FD→FD1)的隔热压力降10。这个隔热压力降10大致上由入口横截面确定，该入口横截面从而被用作用于模型化的第一经验参数。作为第二经验参数的工作介质的等压冷却(FD1→FD2)根据直接蒸汽的传热能力来发生。工作介质然后在第一阶段A经历20基于内置体积比的等熵膨胀，其被认为是第三经验参数。容量运行膨胀发动机具有所谓的内置体积比。蒸汽被封闭在一个室中并且被膨胀并且在打开室之后被喷射。体积比为当打开室时蒸汽体积与当关闭室时蒸汽体积的商。
排出蒸汽(→AD2)的有关设计的后期膨胀或返回压缩被认为在第二阶段B中。
取决于作为第四经验参数的排出蒸汽的传热能力，随后存在膨胀后的蒸汽(AD2→AD1)的加温或冷却。在膨胀之后为工作介质流做贡献也是在等压冷却(FD2)之后的直接蒸汽的一部分，作为泄漏质量流，该部分流过膨胀阶段，该泄漏质量流具有根据作为第五经验参数的泄露横截面的比率对于这个泄漏质量流，根据被认为是第六经验参数的等压冷却直接蒸汽(FD2)的传热能力，热损失经过膨胀发动机的等温套管(casing)。最终，膨胀发动机的机械力矩损失被认为是第七经验参数。工作介质最终作为排出蒸汽AD而退出膨胀发动机。
为确定经验参数，测量值被记录在运行的相关区域中。随后，基于本领域技术人员所熟知的热力学模型方程，膨胀发动机的等熵效率程度可针对不同旋转速度而从直接蒸汽压力和排出蒸汽参数来确定(例如如根据图1确定的那样)。使用确定出的效率程度，相关的直接蒸汽参数(例如熵和焓或温度)因而可被推导出。
特别地，以下的迭代方法建议其本身用于确定相关的直接蒸汽参数。在第一步骤中，确定排出蒸汽的压力和温度，例如通过测量。由此，可确定排出蒸汽的熵。在第二步骤中，通过使用等熵效率程度η(1)的初始值来确定直接蒸汽参数(例如直接蒸汽温度，直接蒸汽的蒸汽含量和直接蒸汽的熵)。在第三步骤中，使用旋转速度、直接蒸汽的蒸汽含量以及直接蒸汽和排出蒸汽两者的温度和压力来确定迭代的等熵效率程度η(1+n)。在第四步骤中，直接蒸汽参数(例如直接蒸汽温度、直接蒸汽的蒸汽含量和直接蒸汽的熵)的新值现在使用迭代的等熵效率程度η(1+n)来确定。步骤3和步骤4被迭代直到达到了能够被确定的直接蒸汽参数的期望预定准确性为止。
等熵效率程度通常取决于多个参数。如本领域技术人员所知的，该等熵效率程度可根据选择速度、直接蒸汽参数、排出蒸汽参数确定，也可根据膨胀发动机的几何来确定。该等熵效率程度可例如通过数值模拟，尤其通过流体模拟计算来确定。可替选地，该等熵效率程度可通过平滑函数基于测量值来经验地确定，或通过条件方程的参数化来半经验地确定，其中该参数从测量值中生成。这些用于确定等熵效率程度的方法以被本领域技术人员所熟知。

Claims (12)

1.一种用于开环控制或闭环控制和/或监视具有膨胀发动机的设备的方法，所述膨胀发动机在有机朗肯循环(ORC)过程的框架内运行用于生成电能量，其中所述膨胀发动机供应有被膨胀以排出所述膨胀发动机中的蒸汽的在超临界状态中或在湿蒸汽区域中的有机工作介质的直接蒸汽，该方法包括以下步骤：
确定所述排出蒸汽的至少一个物理参数；
基于确定出的所述排出蒸汽的至少一个物理参数来确定所述直接蒸汽的至少一个物理参数；
基于所述直接蒸汽的所述至少一个确定出的物理参数来开环控制或闭环控制和/或监视所述设备；以及
确定所述膨胀发动机的等熵效率程度，其中基于所述确定出的所述膨胀发动机的效率程度来确定所述直接蒸汽的所述至少一个物理参数。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定提供给所述膨胀发动机的所述工作介质和所述工作介质的质量流的压缩比，并且其中基于确定出的提供的所述工作介质和所述工作介质的质量流的压缩比来确定所述膨胀发动机的所述等熵效率程度。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述膨胀发动机为位移发动机，并且该方法进一步包括确定所述膨胀发动机的旋转速度的步骤，并且其中基于所述确定出的所述膨胀发动机的旋转速度来确定所述膨胀发动机的等熵效率程度。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述位移发动机为活塞膨胀发动机、涡旋式膨胀机或螺杆膨胀机。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的方法，包括基于热力学方程和经验确定的参数值将具有所述工作介质的所述膨胀发动机的运行模型化的步骤，并且其中基于将所述膨胀发动机的运行模型化的结果确定所述膨胀发动机的所述效率程度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述排出蒸汽的所述至少一个确定出的物理参数包括所述排出蒸汽的温度和/或压力。
7.根据权利要求6所述的方法，包括基于所述排出蒸汽的确定出的温度和确定出的压力而确定所述直接蒸汽的温度的步骤。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括确定所述直接蒸汽的压力的步骤，所述直接蒸汽的压力不同于基于所述排出蒸汽的所述至少一个确定出的物理参数来确定的所述直接蒸汽的所述至少一个确定出的物理参数，并且其中所述直接蒸汽的所述至少一个物理参数基于所述直接蒸汽的所述确定出的压力来确定。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述直接蒸汽的所述至少一个确定出的物理参数包括所述直接蒸汽的温度和/或焓和/或熵和/或从气相至液相的体积比和/或蒸汽含量和/或气相至液相的密度比。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述设备为蒸汽发电站，或其组件。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述蒸汽发电站为有机朗肯循环蒸汽发电站。
12.一种热发电站，包括：
膨胀发动机，该膨胀发动机在有机朗肯循环(ORC)过程的框架内运行用于生成电能量，该膨胀发动机供应被膨胀以排出所述膨胀发动机中的蒸汽的在超临界状态中或在湿蒸汽区域中的有机工作介质的直接蒸汽；和
开环控制或闭环控制设备；
其中
所述开环控制或闭环控制设备被设计成用于：
确定所述排出蒸汽的至少一个物理参数；
基于确定出的所述排出蒸汽的至少一个物理参数而确定所述直接蒸汽的至少一个物理参数；用于基于所述直接蒸汽的所述至少一个确定出的物理参数而开环控制或闭环控制和/或监视所述热发电站；以及
用于确定所述膨胀发动机的等熵效率程度和用于基于所述确定出的所述膨胀发动机的效率程度来确定所述直接蒸汽的所述至少一个物理参数。
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