CN105074186A - 用于热机的操作和安全控制的装置和方法 - Google Patents

用于热机的操作和安全控制的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种用于热机(1)的操作和安全控制的装置和方法，该热机(1)具有包括高压路径(44)和低压路径(60)的工作流体路径，其中所述热机(1)使用可冷凝的工作流体，所述可冷凝的工作流体在至少部分高压路径(44)中是液相，并且其中选择性地打开或闭合的流体排放路径(62)被连接至所述高压路径(44)的部分(74)，在所述高压路径(44)的部分(74)中所述工作流体主要为所述液相。

Description

用于热机的操作和安全控制的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于热机的操作和安全控制的装置和方法。更具体地，本发明涉及一种用于热机的操作和安全控制的装置，所述热机具有包括高压路径和低压路径的工作流体路径，所述热机使用可冷凝的工作流体，所述可冷凝的工作流体在至少部分高压路径中是液相。本发明还涉及一种用于热机的操作和安全控制的方法。
背景技术
下面，描述一种用于热机的操作和安全控制的装置。还描述一种用于热机的操作和安全控制的方法。
热机存在于许多不同的设计中且基于不同的基本原理。更一般地，热机还被称为马达。它们的共同特征在于将热能转换为具有更宽适用范围的更高级的能量形式(例如，机械能或电能)。大多数热机是基于内燃的且处于高温中(例如>600℃)。最近，越来越多地使用低温中的热量来驱动热机。
存在大量的恰巧在较低温度下可以利用的热能，并且该能量常常被浪费或者不得不从不同的系统(例如，工业过程或内燃机的冷却系统)中主动地去除。例如，利用这种能量来生产电力可能是非常有利的，因为如上所述该能量常常仅作为废热产品存在并且因此可以被看作免费的。还存在热能源的几个其他示例，其可以潜在地以相同的方式来利用，例如来自气体、油和生物质燃烧、热太阳能集热器、地热能源和垃圾焚烧的热能。即使在正常条件下，这些热源中的几个可以具有相对低的温度。在这方面，除其他方式之外，已经研发了基于斯特林循环和郎肯循环的几个技术，使得利用它们来产生通常为电力形式的高级能量。
对于特别低的温度(例如＜350℃)，如今通常使用基于所谓的ORC的马达，术语ORC表示“有机郎肯循环”。郎肯循环是基于水为工作流体的蒸汽机过程的，而ORC是基于替代的工作流体的，其通常具有比水更低的沸点，结果是更有效地利用热能。通常，通过闭合回路来实施这些技术，其中工作流体停留在内部的和闭合的工作流体回路中，该回路大体上包括两个或多个热交换器、工作流体的流体泵、以及通常为涡轮或活塞发动机的膨胀器。也存在其他膨胀器，诸如各种螺杆、叶片、汪克尔发动机和螺旋装置。在这种闭合马达系统中，为了使水流动并且因而使能量流动，需要至少一个加热器部(通常为预热器、沸腾器和过热器)和冷却部(通常包含冷凝器)，但是还可以存在其他组件。例外地，一个加热器部可能是足够的，这是因为在水(工作流体)通过在工作气缸中膨胀来做功之后，然后水(工作流体)通常被排出并从而在空气中被间接冷却(乏汽)，在大多数蒸汽机车中现在是这样以前也是这样。
在郎肯循环(也包括ORC)的闭合回路中，根据上述描述的工作流体回路，存在一系列的流体通道的形式的工作流体路径和主要组件。考虑到工作流体流动的正常方向，流体路径大体上包括高压路径(其包括从流体泵到包括膨胀器的所有组件)以及低压路径(其包括从膨胀器到包括流体泵的所有组件)。这意味着高压路径大体上从流体泵通过压力口的形式的出口、在泵的出口处的止回阀(如果有的话)、连接的管道、进一步通过通常由沸腾器和过热器组成的加热部、然后通过流入阀/注入阀进入膨胀器。以同样的方式，低压路径然后通常从膨胀器、通过排气阀和排气通道、连接的管道、然后通过至少包括冷凝器的冷却器、工作流体储液室、然后通过吸入口形式的入口返回至泵。将高压路径和低压路径分离的接口正是流体泵和膨胀器。就此而言，也可以存在连接至流体路径中的每个的更多或更少组件。
特别地，对于郎肯马达，还有其中的ORC马达，如果通过马达的能量传输应该停止或者以各种方式遭遇更大的阻力，则通常可能涉及操作和安全风险。在基于郎肯马达的系统中，人们将总会直接或间接地发现热源和散热器以及功接收器，其很可能是轴或者经由轴连接的发电机。如果膨胀器或散热器例如应当在操作过程中失效，然后结果是质量和/或能量传输也可能停止，则将存在加热器部中存在的工作流体变得过热和/或在发动机中产生不可接受的高压的相对紧迫的风险。
这是关系到所有的热源温度可以处于或者可以超过进而可以导致马达系统中故障条件的水平的热机系统的问题。在过高的温度下，一些工作流体可能容易地退化为使它们变得不稳定的状态，或者在最坏的情况下，例如通过产生有毒的或者腐蚀的退化产物而对人类的安全或系统的操作有害。以相同的方式，系统中的过压可能导致危险的情形，最坏的情况下导致爆炸。例如，随着时间的推移，已经知晓大量的蒸汽沸腾器中的严重爆炸。还在其他加热器和沸腾器类型中发现相应风险要素，例如在各种ORC系统中。
为了增加安全性，在系统中放置一个或多个安全阀是标准设计惯例，其中安全阀被布置为在故障/紧急状态下减小工作流体的压力，并且可能的话降低其温度。加热的和蒸发的工作流体可以随后被直接排放至冷却器，可能的话流至工作流体储液室，而无需首先流经膨胀器，使得随着周围的冷却器来冷却而可以降低温度和压力。如果冷却器是失效的，则这样的措施长远来看将是不充分的。在这种情况下，工作流体随后必须能够被排放至替代的目的地，例如至空气或另一个开放储液室。对于除了水之外的流体，这也可能不是满意的解决方案，因为不管是出于人类安全、环境保护的原因还是其他原因，多个可选的流体表现出使其不适于排放至本地环境中的特性。
发明内容
本发明的目的是改进或减少现有技术的至少一个缺陷或者至少提供现有技术的有用替代选择。
通过以下说明书和权利要求书来详细说明的特征来实现该目的。
关于流体流，使得工作流体的被加热和蒸发的部分返回至冷却器或开放储液器的替代选择是确保工作流体可以在沸腾器部之前被排出和排放，使得工作流体可以随后从高压路径中的点排放，在该点处其还没有经历蒸发而因此大体上为液相。
这具有巨大优势，其在工作流体还没有被添加太多能量的点处能够去除工作流体，这将是防止以热量形式的能量在工作流体路径中积累的有效方法。在高压路径中将留下的是小量的过热工作流体，其一部分也将被排放，但是该较小的量仅仅构成小能量存储，并且将已经解决了过压或高温问题。另外，在多种系统中，只要量足够小，则可以允许将小量的工作流体加热至加热器部中可实现的最大温度。过热的工作流体具有比液体形式的相同流体明显低的密度，并且因此剩余量可以构成关于系统中总量工作流体的最小质量分数。
在正常的郎肯过程中，随着工作流体流经加热器部，其将被连续地加热。也即，已经在加热器中流得最远的工作流体的部分通常将接收到最多的热量且从而达到最高温度(即达到沸腾开始的点)，然后通常处于恒定温度。通过在高压路径中的足够早的一部分放置排放点，例如，刚好在加热器前方，或者可能地在换热器前方，如果这种排放点已经被放置在系统中，则在可能的排放需要时可以反转工作流体的流动。除了防止热量进一步转移至沸腾器中的工作流体之外，这还意味着高压路径中工作流体的最冷的部分将被首先排放。排放的工作流体因此将具有最小的能量，如果工作流体将被排放返回至工作流体储液室(可能经由换热器或冷却器(冷凝器))，则给出了最大的优势。这将有助于限制在完成排放之后在低压路径中达到的最终的压力以及温度。
在其他连接中，类似上述的排放循环可以是用于以快速和有效方式来停止操作的非常有用的工具。在许多郎肯系统中，当将要停止操作时，高压路径必须排出工作流体，并且这要求在很多情形下需要继续蒸发流体，而同时停止工作流体泵，以便通过膨胀器来排放工作流体(可能通过旁路)，但是其中当工作流体流出高压路径时其将仍处于蒸发状态。通过在工作流体仍为液体形式的点处来排出和排放液体，由于它的密度更高，可以实现明显更快地排放且能量水平低的优点，并且因此可以相对快速地停止系统。
根据本发明的第一方面，提供一种热机，具有包括高压路径和低压路径的工作流体路径，所述热机使用可冷凝的工作流体，所述可冷凝的工作流体在至少部分高压路径中是液相，并且所述热机特征在于选择性地打开或闭合的流体排放路径被连接至所述高压路径的部分，在该部分中所述工作流体主要为所述液相。
通过热机的这种设计，克服了现有技术中描述的至少一些不利条件。该设计带来了如下文将描述的其他改进。
所述流体排放路径可以在位于流体泵下游的连接点处被连接至所述高压路径。
在它的下游部中，所述流体排放路径可以被连接至所述低压路径。
通过将工作流体从高压路径返回至低压路径，防止了工作流体排放至周边环境，这可能对环境和经济都是有利的。
所述流体排放路径可能设置有排放阀，优选地以可控阀的形式。然而，在一些情形下，排放阀可以是过压阀，其被布置为在预定的工作流体压力下打开。
在其激活状态下，当信号被供应给所述排放阀时，其对流体流是闭合的，并且在它的非激活状态下，当不接收任何信号时，其对流体流是打开的。
这种“正常开放”流体阀有助于增加的安全，在信号消失的情况下，它将排放高压路径，使得膨胀器停止。
根据本发明的第二方面，提供一种用于热机的操作和安全控制的方法，所述热机具有包括高压路径和低压路径的工作流体路径，所述热机使用可冷凝的工作流体，所述可冷凝的工作流体在至少部分高压路径中是液相，特征在于所述方法包括以下步骤：
-为所述热机提供选择性地打开或闭合的流体排放路径，并且该流体排放路径被连接至所述高压路径的部分，在该部分中所述工作流体主要为所述液相；
-检测所述热机中可能导致所述热机的所述高压路径中工作流体达到不理想的高压和/或不理想的高温的操作条件，或者检测所述高压路径中的所述工作流体已经达到不理想的高压和/或不理想的高温；
-打开所述流体排放路径；以及
-使一定量的工作流体经由所述流体排放路径从所述高压路径排出并因而被排放。
更具体地，本方法可以包括：为所述流体排放路径提供排放阀且在需要从所述高压路径排放流体时将所述排放阀驱动至打开位置。
更具体地，本方法可以包括：
-使一定量的工作流体从所述高压路径排放，其中，被排放的且仍在所述高压路径中的部分工作流体的流动方向与正常操作期间的流动方向大体上相反。
所述方法还可以包括将所述流体排放路径连接至所述低压路径并且使所述工作流体从所述高压路径排出至所述低压路径。
所述方法更具体地可以包括：
-在连接点点处将工作流体排放至所述低压路径，所述连接点被放置在所述低压路径中的下述任一位置中：
-热换器的上游；
-冷凝器的上游；
-工作流体储液室的上游；或者
-在所述工作流体储液室上并关于流体连接到工作流体储液室中。
需要强调换热器不构成必要组件，但是常常被用来增大热机的效率。
根据本发明的方法和装置在可能的故障情况下提供明显增大的安全性并且一般被布置来防止不幸的或危险的情形。另外，他们是以快速但可控方式来停止热机的有效手段。
附图说明
以下描述了优选实施例和方法的示例，其在附图中形象地示出，在附图中：
图1示出包括热机、热源、散热器、能量变换器和外部控制单元的热机系统的框图，其中示出组件之间的接口；
图2示出图1所示的热机系统的框图，其中示出能量流、电流和信号流；
图3示意性地示出根据本发明的带有相关主要组件的热机；以及
图4示意性地示出图3的热机，但是指定膨胀器为活塞发动机。
具体实施方式
在附图中，附图标记1表示热机，其经由热源接口2被连接至热源4，经由散热接口6被连接至散热器8，经由电力/电接口10被连接至电力变换器12且经由信号接口14被连接至外部控制单元16。
图3和图4中的一些组件标记有符号“Z”。这表示它是某种形式的热交换器。
在图2中，从热源4流动至热机1的热量由QH表示。从热机1中去除且被转移至散热器8的余热由QC表示。从热机1转移至电力变换器12的电力由PEL表示。在热机1与外部控制单元16之间交换的测量和控制信号由SC表示。
热机1优选地形成ORC系统的一部分并且包括带有入口22和出口24的流体泵20。压力泵管线26从出口24经由换热器28延伸且一直延伸至加热器30。换热器28可以主要包括已知的标准热交换器，其具有两个传统的相对的热交换器侧(未示出)，包括分开的且传热的内部流体路径。加热器30通常包括蒸发器32和过热器34。经由热量接口2从热源4给加热器30提供热量QH。
蒸汽管线36被连接在过热器34与膨胀器38的入口40之间。膨胀器38可以包括例如涡轮、活塞发动机等。来自膨胀器38的出口42构成排气口。流体泵20与膨胀器38之间的组件，包括压力泵管线26、换热器28的高压侧、加热器30以及蒸汽管线36，构成了热机1的高压路径44。
在本示例性实施例中，膨胀器38经由轴46来驱动发电机48。电力PEL经由电力/电接口10被传输至电力变换器12。马达控制单元50控制膨胀器38和发电机48等。没有示出本身已知的必要传输器和控制线。
出口管线52从膨胀器38的出口42经由换热器28、冷凝器54延伸至工作流体储液室56。冷凝器54将余热QC经由散热接口6传送至散热器8。
吸入管线58将工作流体储液室56连接至流体泵20的入口22。在膨胀器38与流体泵20之间的组件，包括出口管线52、换热器28的低压侧、冷凝器54、工作流体储液室56以及吸入管线58，构成了热机1的低压路径60。
在这里，连接至换热器28和加热器30之间的压力泵管线路26的流体排放路径62经由排放阀64被连接至膨胀器38与换热器28之间的出口管线52。流体排放路径62被配置为当需要的时候使高压路径44与低压路径60短路。排放阀64是主动可控类型的阀，例如电磁、机械、气动或液压激活的开关阀。例如，可替代地，它可以是比例阀或伺服阀。
在正常操作期间，借助于流体泵20从工作流体储液室56吸入工作流体并且随后在相对高压下将其泵入高压路径44。
工作流体首先通过换热器28，在换热器20中，工作流体通过从废气接收余热而被预先加热，该废气流出膨胀器38的出口42且经由出口管线52被引导至换热器28的低压侧。
在首先穿过换热器28之后，工作流体流入加热器30并且首先流入蒸发器32，在蒸发器32中它被加热至沸点且从而被蒸发。另外，工作流体流入过热器34，在过热器34中其温度被升高至沸点以上。之后，工作流体流入膨胀器38，在膨胀器38中，通过工作流体的近绝热、近等温、近恒压或近多变膨胀而将一部分额外的热能转换为机械能。
借助于发电机48，机械能进而被转换为电能。来自发电机48的电能经由电力/电接口10作为来自发电机48的电力PEL被传输至电力变换器12。
已经完成膨胀器38中的膨胀，膨胀后的工作流体(现在可以被限定为废气)经由出口管线52被载入换热器28的低压侧，其中一部分余热被返回至高压路径44中的工作流体且被回收。
然后工作流体被引导至冷凝器54，其中将被去除的余热QC的最后一部分经由散热接口6流至散热器8。因此在工作流体被载入工作流体储液室56之前，其被冷凝为液相。
当操作中在高压路径44可能存在工作流体的高压和/或过热风险时，或者当存在可能期望以可能最快的方式停止热机1的情况时，根据经由被连接至排放阀驱动装置68的控制信号导体66进行通信的控制信号，马达控制单元50可以借助于已知的控制原理将排放阀64驱动至打开状态，这进而确保排放阀64处于打开位置。因此，在高压路径44与低压路径60之间存在关于流体流的短路。
为了能够识别将期望快速停止热机1的条件，热机1设置有各种已知传感器(未示出)，使得可以由马达控制单元50准确地记录和识别这些条件，这进而可以传输必要的控制信号(具体地，确保排放阀64打开的控制信号)。
当随后发生短路时，工作流体将从高压路径44中正常时主要为液相的位置排出至全部的流体的部分几乎完全被排放的点。由此，最初地将有更大部分质量的工作流体以液相被排出，并且随后的排放将主要包括气体形式(作为饱和的或过热气体)的工作流体，占关于工作流体的总质量的仅仅很小的质量分数。
这将导致工作流体以一种状态从高压路径44排出和排放，这种状态表示将需要从高压路径44去除尽可能少量的能量。
在图3中，流体排放路径62被示出为连接至换热器28与加热器30之间的高压路径44。取决于操作的条件，将流体排放路径62连接至更靠近流体泵20的高压路径可能是有利的，例如，连接至位于流体泵20下游的连接点70处。类似地，可以期望在更靠近流体泵20的位置(例如，在位于流体泵20上游的连接点72中的一点处)将流体排放路径62连接至低压路径。
只要使用可冷凝的工作流体，就可以假设在流体泵20与加热器30之间的高压路径44中的流体主要为液相。由此，高压路径44的这个部分构成部分74，在该部分中，工作流体主要为液相。
在替代实施例中，参见图4，膨胀器38包含活塞发动机。在这个实施例中，膨胀器38由一起控制流经膨胀器38的流体的至少一个可控的入口阀76和至少一个可控的出口阀78形成，通过阀76、78控制流经所述至少一个入口40和所述至少一个出口42的流体。
在正常操作中，可控的阀76、78确保所述路径不同时打开。从而，如果膨胀器38应该停止，则将不存在膨胀器38两端的直接流体短路，从而防止了高压路径44与低压路径60之间的直接短路通过膨胀器38发生。在许多情形下，由相应的阀门驱动装置80来控制入口阀76和出口阀78，并且它们将通常以防止这种形式短路的方式来同步。

Claims (10)

1.一种热机(1)，具有包括高压路径(44)和低压路径(60)的工作流体路径，所述热机(1)使用可冷凝的工作流体，所述可冷凝的工作流体在至少部分高压路径(44)中是液相，特征在于选择性地打开或闭合的流体排放路径(62)被连接至所述高压路径(44)的部分(74)，在正常操作期间，在所述部分(74)中的所述工作流体主要为所述液相。
2.根据权利要求1所述的热机(1)，特征在于，所述流体排放路径(62)在位于流体泵(20)下游的连接点(70)处被连接至所述高压路径(44)。
3.根据权利要求1所述的热机(1)，特征在于，在所述低压路径(60)的下游部，所述流体排放路径(62)被连接至所述低压路径(60)。
4.根据权利要求1至4中的任意一项所述的热机(1)，特征在于，所述流体排放路径(62)设置有排放阀(64)。
5.根据权利要求4所述的热机(1)，特征在于，所述排放阀(64)在其激活状态下对流体流是闭合的并且在其非激活状态下对流体流是打开的。
6.一种用于热机(1)的操作和安全控制的方法，所述热机(1)具有包括高压路径(44)和低压路径(60)的工作流体路径，所述热机(1)使用可冷凝的工作流体，所述可冷凝的工作流体在至少部分高压路径(44)中是液相，特征在于所述方法包括以下步骤：
-为所述热机(1)提供选择性地打开或闭合的流体排放路径(62)，并且该流体排放路径(62)被连接至所述高压路径(44)的部分(74)，在正常操作期间，在所述部分(74)中的所述工作流体主要为所述液相；
-检测所述热机(1)中可能导致所述热机(1)的所述高压路径(44)中工作流体达到不理想的高压和/或不理想的高温的操作条件，或者检测所述高压路径(44)中的所述工作流体已经达到不理想的高压和/或不理想的高温，或者，检测期望以尽可能最快的方式来停止所述热机(1)的操作的操作条件；
-打开所述流体排放路径(62)；以及
-使一定量的工作流体经由所述流体排放路径(62)从所述高压路径(44)排出并且从而被排放。
7.根据权利要求6所述的方法，特征在于，所述方法包括，更具体地，为所述流体排放路径(62)提供排放阀(64)，并且在任何需要从所述高压路径(44)排出流体时将所述排放阀(64)驱动至打开位置。
8.根据权利要求6所述的方法，特征在于，所述方法包括，更具体地，使一定量的工作流体从所述高压路径(44)排出，正在被排放且仍在所述高压路径44中的那部分工作流体的流动方向与正常操作期间的流动方向大体上相反。
9.根据权利要求6至8所述的方法，特征在于，所述方法还包括将所述流体排放路径(62)连接至所述低压路径(60)从而将所述工作流体从所述高压路径(44)排出至所述低压路径(60)。
10.根据权利要求9所述的方法，特征在于，所述方法更具体地包括：
-在连接点(72)点处将工作流体排放至所述低压路径(60)，所述连接点(72)放置在所述低压路径(60)中的下述任一位置中：
-热换器(28)的上游；
-冷凝器(54)的上游；
-工作流体储液室(56)的上游；或者
-在所述工作流体储液室(56)上并且流体连接到工作流体储液室(56)中。
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