CN104165084A - 对用于发电系统中的负载组的冷却和控制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发电系统，该发电系统包括发电机，所述发电机具有交流发电机和被配置为驱动该交流发电机产生电能的内燃机。所述交流发电机可以将所述内燃机产生的机械能转换成电能，诸如交流电。所述发电机可以将来自所述交流发电机的电能供应至可以连接到该交流发电机的各个设备。发电系统还可以包括负载组。负载组可以包括一个或多个电阻元件、电感元件、电容元件、或这些元件的组合。发电系统可以包括冷却系统，所述冷却系统可以从内燃机和负载组两者或其一者中移除热。冷却系统可以包括流经内燃机的各个组件的液体，从而向内燃机和负载组传递热或接收来自内燃机和负载组的热。

Description

对用于发电系统中的负载组的冷却和控制

技术领域

本公开内容一般涉及发电系统，更具体地涉及对用于发电系统中的负载组的冷却和控制。

背景技术

电子的和引擎驱动的设备被广泛使用并且用于在各种情境下执行多种任务。在许多情况中，引擎或引擎驱动的发电机可以提供电能或机械能，以使这样的电子的和引擎驱动的设备运转。例如，在公用电源不可用的海洋环境中，具有与交流发电机相连的内燃机的发电机可以被操作，并且向船上或舰上的各种电子设备供能。

附图说明

结合以下的附图和描述将更好地理解本发明。在附图中，相似的附图标记在不同的视图中表示对应的部件。

图1是操作在预热模式中的示例性发电系统。

图2是在图1所示的发电系统的冷却系统内发生的热传递的示意图。

图3是操作在低负载模式中的示例性发电系统。

图4是在图3所示的发电系统的冷却系统内发生的热传递的示意图。

图5是操作在高负载模式中的示例性发电系统。

图6是在图5所示的发电系统的冷却系统内发生的热传递的示意图。

具体实施方式

图1、图3、图5是发电系统100的例子。发电系统100可以包括发电机101，发电机101包括交流发电机103和内燃机102，其中内燃机102被配置为驱动所述交流发电机103以产生电能。内燃机102可以被诸如以下的燃料或资源供能：天然气、柴油、丙烷、汽油、或各种其它燃料。内燃机102在操作时可以生成机械能。除了其它类型的交流发电机之外，交流发电机103还可以包括或使用结合固定电枢的旋转磁场、结合固定磁场的旋转电枢、或线性交流发电机。交流发电机103可以将内燃机102产生的机械能转换成电能，诸如交流电。发电机101可以将来自交流发电机103的电能供应至可以被连接到该交流发电机103的各种设备。在其它系统中，发电系统100可以包括各种其它组件，并且可以以各种其它方式产生电能或能量。

发电系统100还可以包括负载组104。负载组104可以是电性的负载组。负载组104可以包括一个或多个电阻元件、电感元件、电容元件、或这些元件的组合。其它类型的负载组也可以（或者替换性地）被包括在该发电系统100中。负载组104可以选择性地吸收来自发电机101的能量。例如，电性的负载组可以由吸收由发电机101供应的能量并且将该能量消耗为热的电阻元件形成。其它变形例也是可行的。

发电机因为各种原因都可以被连接到负载组104，诸如为了满足涉及根据演习调度来操作发电机101的监管标准。负载组104可以用于确保在演习（exercise）期间发电机101达到操作温度并且在停机（outage）事件中能够供应能量。发电机101可以连接到负载组104，以便增加引擎排气温度，从而避免在引擎排气系统中不希望地堆积未燃烧的燃料。在引擎排气系统中未燃烧燃料的不希望的堆积常被称为“wet-stacking（湿堆垛）”，并且增加了引擎排气系统内不受控的起火或爆炸的风险。

在发电系统100的操作期间，内燃机102会产生大量的热。产生的热量可以取决于发电系统100所处的环境，和/或发电机101的电能输出。将内燃机102的操作温度维持在一定范围内是所期望的，以便（i）保护构成内燃机102的组件免受温度相关的损坏；和/或（ii）对于内燃机102内的有效燃烧提供充足的活化能量。

在一些示例中，内燃机102产生的部分或全部的热需要被从该内燃机102移除，以将内燃机102的操作温度维持在最优的范围或确定的范围。当负载组104用于向发电机101提供电负载时，负载组104也可以产生大量的热。为了避免负载组104的元件的温度相关的损坏，负载组104产生的部分或全部的热需要被从该负载组104移除。

发电系统100可以包括冷却系统107，该冷却系统107可以从内燃机102和负载组104的一者或两者中移除热。冷却系统107可以包括热交换器105、开关106（或多个开关）、以及流经内燃机102的各个组件以将热传递到这些组件或从这些组件处移除热的冷却系统液体。作为例子，冷却系统液体可以流经内燃机102的汽缸体。随着冷却系统液体流经内燃机102，冷却系统液体可以吸收（接收和/或移除）来自内燃机102的热，使该内燃机102冷却。在其它例子中，冷却系统液体可以用于加热内燃机102的一个或多个组件，诸如当内燃机在冷却环境下初次启动时进行加热。冷却系统液体可以是水、乙二醇水混合物、机油、或其它液体。

在一些示例中，冷却系统107可以用于将内燃机102的组件维持在期望的温度范围。

冷却系统可以以各种速率从内燃机102和/或负载组104移除热。例如，取决于发电系统100所处的环境以及由负载组104施加于发电机101的电负载的量，冷却系统107可以具有充足的冷却能力，以等于内燃机102的生热速率与负载组104的生热速率之和的一个速率来移除热。在该系统中，冷却系统107由此可以维持发电机101的恒定操作温度。

作为例子，冷却系统液体可以流经被包括在负载组104中的任何电阻元件的外表面。冷却系统液体可以与这些电阻元件直接地或间接地接触。作为间接接触的例子，在电阻元件与该冷却系统液体之间可以有电绝缘的导热层。

在一些发电系统100中，冷却系统107还可以包括热交换器105。热交换器105可以移除冷却系统液体的热，由此使冷却系统液体冷却。当热交换器105移除了冷却系统液体的热之后，被冷却的液体可以随后循环经过冷却系统107，以便再次移除内燃机102和/或负载组104的热。该循环可以被连续重复，或在需要时被重复。

热交换器105可以在发电系统100的所有操作模式期间以一个足够的速率从冷却系统液体移除热。作为例子，热交换器105可以是散热器，当冷却系统液体位于该散热器内时，所述散热器移除所述冷却系统液体的热。利用风扇迫使冷却空气经过该散热器，可以从该散热器中移除热。

作为另一例子，热交换器105可以是液液热交换器。该液液热交换器105可以使一个不同的低温液体流经该热交换器105的一些部分，以便将流经该热交换器105的第一部分的冷却系统液体的热传递到流经该热交换器105的第二部分的所述不同的低温液体。一个示例应用是发电系统100用于海上应用，使得海水（浮起舰船的淡水或海水）用作热交换器105中的低温冷却流体。热交换器105还可以是任何其它类型、尺寸、或配置。

在一些发电系统100中，发电系统100还可以包括发电机控制器110。作为例子，发电机控制器110可以选择性地操作和保护发电机101。发电机控制器110可以与用于控制冷却系统107的其它控制器相分离，或者是其一部分。

发电机控制器110可以包括硬件、软件、固件、或其组合。发电机控制器110可以包括或访问存储在计算机可读介质中的逻辑或指令。发电机控制器110可以包括处理器或处理组件，所述处理器或处理组件可以执行存储在计算机可读介质中的逻辑或指令。

在一些发电系统100中，发电机控制器110可以控制负载组104，以维持发电机101上的负载。作为例子，负载组104可以维持发电机101上的最小负载，以增加引擎排气温度，并且由此减少引擎排气系统中湿堆垛的可能性。其它例子也是可行的。

发电机控制器110可以接收、监测、和/或测量发电机101的特性，并且基于该特性可以控制负载组104。作为例子，该特性可以是发电机101的操作状态（即，该发电机是否提供应急备用电源）。作为另一例子，该特性可以是发电机101供应的输出功率。

在一些发电系统100中，各种类型的传感器可以用于测量一个或多个特性。作为例子，传感器可以是温度传感器并且可以测量发电机101的组件、输入、或输出处的温度。一些示例的温度传感器可以包括冷却剂温度传感器、机油温度传感器、排气温度传感器、引擎温度传感器、外壳温度传感器、外部温度传感器、和/或测量交流发电机103的定子绕组温度的传感器、或多种其它温度传感器。除了其它温度传感器类型之外，传感器类型还包括热电偶、电阻温度探测器、和/或热敏电阻。

传感器可替换地可以是其它类型的传感器，并且可以测量温度之外的特性。例如，传感器可以是油压传感器，并且可以被配置为测量内燃机102的油压。作为另一例子，传感器可以是化学传感器或组分传感器。传感器可以是被配置为测量引擎的机油的含湿量的传感器。传感器可以是被配置为测量引擎102的机油粘度的粘度传感器。在一些发电系统100中，可以使用不同类型或用于测量不同特性的多个传感器。

发电机控制器110可以基于所述特性增减负载组104的元件。例如，发电机控制器110可以增减负载组104的元件，以确保发电机101的输出功率保持在最低功率输出之上。其它变形例也是可行的。

在一些发电系统100中，冷却系统107可以被配置为操作在至少三种操作模式中。图1-图6示出了针对冷却系统107的三种示例的操作模式，尽管其它操作模式也是可行的。

图1-图2示出冷却系统107的预热模式的操作。当内燃机102的温度低于标定操作温度时，该系统可以操作在预热模式。由于在低于标定操作温度时进行操作的内燃机102可能以较低效率操作，因此利用冷却系统107增加内燃机102预热的速度是有用的。

这样，在预热模式中，冷却系统液体可以接收来自负载组104的热并且向内燃机102供热，而不需要冷却系统液体参与到热交换器105。在预热模式中冷却系统107的操作期间，负载组104有效地用于向内燃机102供热。冷却系统107可以被配置为包括开关106，使得所述液体绕开热交换器105（如图1所示），或者流经非操作的热交换器105。

图3-图4示出冷却系统107的低负载模式的操作。当发电机101供应的功率低于最低功率输出时，诸如为了避免湿堆垛时，该系统可以操作在低负载模式。

在低负载模式中，冷却系统液体可以接收来自负载组104的热以及来自内燃机102的热。热交换器105可以吸收来自冷却系统液体的热，以将发电机101维持在安全操作温度范围。

在低负载模式中冷却系统107的操作期间，热交换器105可以有效地用于移除负载组104的热和内燃机102的热。作为例子，由内燃机102排向（rejected to）冷却系统107中的热可以大约是发电系统100产生的总热量的三分之一。内燃机102排向燃烧废气的热可以大约是发电系统100产生的总热量的三分之一。内燃机102产生的功率可以大约是发电系统100产生的总热量的三分之一。

当发电机101向外部负载供应全部额定功率时，冷却系统107可以以大约等于发电机101的全部额定功率的一个速率（rate）来移除热。燃烧废气可以以大约等于发电机101的全部额定功率的一个速率来移除热。当避免湿堆垛的最低功率输出阈值低于发电机101的额定功率的大约一半时，冷却系统107可以以低于发电机101的全部额定功率的一个速率来移除热，这是因为冷却系统107移除热的速率大约等于负载组104产生热的速率与内燃机102产生热的速率之和。

图5-图6示出冷却系统107的高负载模式的操作。当发电机101供应的功率高于功率输出阈值时，该系统可以操作在高负载模式，所述功率输出阈值诸如是为了避免湿堆垛的最低功率输出阈值。

在高负载模式中，系统可以不使用负载组104。相反，冷却系统液体可以接收来自内燃机102的热并且向热交换器105供热。在冷却系统107以高负载模式操作期间，热交换器105可以有效地用于移除仅来自内燃机102的热，只要负载组104不工作就可如此。冷却系统107可以被配置为使得冷却系统液体流经未工作的负载组104（如图3所示），或整个绕过负载组104。

在一些系统中，当冷却系统107操作在高负载模式时，由发电系统100排向冷却系统107中的热可以有效地等于不包括负载组104的发电系统排向冷却系统107中的热。在这样的系统中，发电系统100需要的冷却系统107可能不会与现有发电系统有任何不同，即使该发电系统100还包括了负载组104。

发电机控制器110可以控制冷却系统107的操作模式。发电机控制器110可以额外地或可替换地确定发电机101在预热模式、低负载模式、或高负载模式中的性能规范。发电机控制器110可以额外地或可替换地指示发电系统100根据所确定的性能规范以特定模式操作冷却系统107。作为例子，发电机控制器110可以确定并且控制冷却系统107何时从一个模式（诸如预热模式）转换到另一个模式（诸如低负载模式或高负载模式）。

发电机控制器110可以与各个传感器通信，并且使用各个传感器的信息从而确定以特定模式操作冷却系统107的性能规范。传感器可以以各种方式将信息传输给发电机控制器110，诸如通过总线、有线通信线路、无线线路等，或者以各种其它方式进行传输。在一些系统中，传感器可以直接耦合到发电机控制器110的输入。在其它系统中，传感器可以间接地将已测量的特性传输给发电机控制器110，诸如通过或经由单独的控制模块。

发电机控制器110可以以以下方式从传感器接收信息：连续的、周期的、间隔的、依请求的、当被事件触发时、随机的、或在各种其它时刻的。发电机控制器110可以控制传感器从而控制传感器的功率或请求数据。其它例子也是可行的。

发电机控制器110可以向发电系统100的各种组件发送信号或指令，以使其根据所确定的性能规范进行操作。在其它例子中，发电机控制器110可以不直接向一个组件进行指示以使其根据所确定的性能规范进行操作，而是可以替代地向一个中间组件（诸如引擎控制单元）进行指示以操作所期望的组件（诸如内燃机102）。其它变形和例子也是可行的。

发电系统100可以包括或被连接到用户接口或显示器。显示器可以向用户提供视觉的或听觉的指示符。在用户希望监测影响发电机操作的条件时是有用的，或在用户希望选择冷却系统107的操作模式时是有用的。作为例子，显示器可以提供有关冷却系统107的信息、有关发电系统100的操作的信息（诸如其操作历史和其当前的操作条件）、有关负载的信息、或各种其它信息。其它例子也是可行的。

以上所述的方法、设备、逻辑可以以多种不同的方式实现在硬件、软件、或其二者的许多不同的组合中。例如，发电系统100的全部或部分（诸如发电机控制器110）可以包括控制器、微处理器、或专用集成电路（ASIC）中的电路；或者可以利用以下形式而被实现：分立的逻辑或组件、其它类型的模拟或数字电路的组合；或者可以被组合成单个集成电路、或分布在多个集成电路之间。以上所述的全部逻辑或部分逻辑可以被实现为由处理器、控制器或其它处理设备执行的指令，并且可以被存储在有形的或非暂态的机器可读或计算机可读介质（诸如闪存、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦写可编程只读存储器（EPROM））中，或诸如压缩盘只读存储器（CDROM）、或磁盘或光盘等的其它机器可读介质。产品，诸如计算机程序产品，可以包括存储介质和被存储在该介质上的计算机可读指令，当被终端、计算机系统、或其它设备执行时，使得所述设备执行根据上述任何一些内容的操作。

所述系统的处理能力可以分布在多个系统组件之间，诸如在多个处理器和存储器之间，可选地包括多个分布的处理系统。参数、数据库、和其它数据结构可以被分别存储和管理，可以被包含在单个存储器或数据库中，可以以许多不同的方式被逻辑地和物理地组织，可以以许多方式被实现，包括诸如链表、哈希表、或隐式存储机制等的数据结构。程序可以是单个程序的一部分（例如，子例程）、分别的多个程序的一部分，被分布在数个存储器和处理器中，或者以许多不同方式实现，诸如实现在库中，诸如共享库（例如，动态链接库（DLL））。DLL例如可以存储执行上述任何系统处理的代码。

虽然已经描述了本发明的各个实施例，对于本领域技术人员来说明显的是，许多实施例和实施方式在本发明的范围内是可行的。因此，除了随附的权利要求及其等效物之外，本发明不受其它限制。

Claims (20)

1.一种发电系统，包括：

发电机，所述发电机包括交流发电机和被配置为驱动该交流发电机产生电能的内燃机；

负载组，所述负载组被配置为选择性地吸收来自所述发电机的电能；以及

冷却系统，所述冷却系统被配置为在所述负载组和所述内燃机之间移动液体。

2.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述液体冷却所述负载组，并且与所述内燃机交换热。

3.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述液体是乙二醇水混合物。

4.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述负载组包括电阻元件。

5.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述冷却系统包括用于从所述液体接收热的热交换器。

6.根据权利要求4所述的发电系统，其中，所述热交换器是散热器。

7.根据权利要求4所述的发电系统，其中，所述热交换器是液液热交换器。

8.根据权利要求7所述的发电系统，其中，所述液液热交换器被配置为在所述液体和海水之间交换热。

9.根据权利要求1所述的发电系统，还包括：发电机控制器，所述发电机控制器选择性地操作并且保护所述发电机，其中所述发电机控制器被配置为控制所述负载组从而维持所述发电机上的负载。

10.一种发电系统，包括：

发电机，所述发电机包括交流发电机和用于驱动该交流发电机产生电能的内燃机；

负载组，所述负载组被配置为选择性地吸收来自所述发电机的电能；以及

发电机控制器，所述发电机控制器选择性地操作并且保护所述发电机，其中所述发电机控制器被配置为控制所述负载组从而维持所述发电机上的负载。

11.根据权利要求10所述的发电系统，其中，所述发电机控制器被配置为控制所述负载组从而维持所述发电机上的最低负载。

12.根据权利要求10所述的发电系统，其中，所述发电机控制器测量所述发电机的特性并且基于所述特性控制所述负载组。

13.根据权利要求12所述的发电系统，其中，所述特性是所述发电机的操作状态。

14.根据权利要求12所述的发电系统，其中，所述特性是所述内燃机的组件的温度。

15.根据权利要求10所述的发电系统，还包括：冷却系统，所述冷却系统包括液体，所述发电机控制器在所述负载组和所述内燃机之间移动液体。

16.根据权利要求15所述的发电系统，其中，所述液体冷却所述负载组，并且与所述内燃机交换热。

17.一种发电系统，包括：

发电机，所述发电机包括交流发电机和用于驱动该交流发电机产生电能的内燃机；

负载组，所述负载组被配置为选择性地吸收来自所述发电机的电能；

冷却系统，所述冷却系统包括液体，所述冷却系统被配置为以多种操作模式进行操作；以及

控制器，所述控制器基于所述冷却系统的所述操作模式来操纵所述冷却系统中的所述液体。

18.根据权利要求17所述的发电系统，其中，所述操作模式包括预热模式、低负载模式、高负载模式；

在所述预热模式中，所述液体接收来自所述负载组的热并且向所述内燃机供热；

在所述低负载模式中，所述液体接收来自所述负载组的热，接收来自所述内燃机的热，并且向热交换器供热；以及

在所述高负载模式中，所述液体接收来自所述内燃机的热，并且向所述热交换器供热，不接收来自所述负载组的热。

19.根据权利要求18所述的发电系统，还包括：开关，所述开关用于控制经过所述热交换器的所述液体的流。

20.根据权利要求17所述的发电系统，其中，所述控制器是选择性地操作并且保护所述发电机的发电机控制器，并且其中，所述发电机控制器被配置为控制所述负载组从而维持所述发电机上的负载。