CN107849943A

CN107849943A - 通过喷射未蒸发流体控制orc过程

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Publication number: CN107849943A
Application number: CN201680041482.2A
Authority: CN
Inventors: 理查德·奥曼; 罗伊·朗格尔; 法比安·克瑞克; 安德烈亚斯·舒斯特
Original assignee: Orcan Energy AG
Current assignee: Orcan Energy AG
Priority date: 2015-07-16
Filing date: 2016-06-13
Publication date: 2018-03-27
Anticipated expiration: 2036-06-13
Also published as: EP3118424B1; CN107849943B; US20180209307A1; WO2017008972A1; US10669898B2; EP3118424A1

Abstract

本发明涉及恒温循环装置，尤其是ORC装置，包括：预热器，其用于加热工作介质；蒸发器，其用于使预热的工作介质的第一质量流蒸发与过热；膨胀机，其用于使工作介质的蒸发且过热的第一质量流膨胀；冷凝器，其用于使离开膨胀机的工作介质冷凝；供给泵，其用于将冷凝的工作介质泵送到预热器；以及第一供给装置，其用于将预热的工作介质的第二质量流供给到膨胀机中的工作介质的部分膨胀的第一质量流。本发明还涉及相应的方法。

Description

通过喷射未蒸发流体控制ORC过程

技术领域

本发明涉及热力循环装置，其尤其可以是ORC装置，并且包括预热器，其用于预加热工作介质；蒸发器，其用于使工作介质的预热的第一质量流蒸发以及可能使其过热；膨胀机，其用于使工作介质的蒸发与过热的质量流膨胀；冷凝器，其用于使在出口处离开的工作介质冷凝与选择性地再冷却；以及供给泵，其用于将冷凝工作流体泵送到预热器。此外，本发明涉及用于操作热力循环、尤其是ORC过程的相应方法。

现有技术

当能量生成过程，诸如有机朗肯循环(ORC)在诸如例如内燃机的另一个装置组件的环境中操作时，由于当机械能转化成电能时产生转化损失，因此生成的能量作为机械能量直接地集成到外部系统(例如，能量生成过程的膨胀机可以至少以支撑方式驱动外部过程)中以及其对于辅助设备的供应(例如，外部过程可以在能量生成过程中驱动泵)通常是有利的。此外，出于省略了用于驱动的电机或用于输出的发电机的原因还降低了成本，并且能够增加紧凑性，这两者对于将能量生成过程集成到所述环境中来说都是重要因素。

然而，由于直接连接(例如，经由刚性轴的联接)，过程中的一个丧失了旋转速度控制的自由度(通常为下游过程)。为避免此，可以实现经由传动装置的连接。由此，有极与无极连接可以使得能够进行旋转速度控制。然而，旋转速度控制的该重新获取伴随以多个不利特征。在一个方面，传动装置代表额外的花费，这根据应用在成本有效性上具有显著影响。通过该传动装置(尤其是无极传动装置)还导致效率的损失的事实增加了这样的效果。传动装置还受到相当大的张力并且由此对系统增加了另外的维护与相关的成本。最后但同样重要的，传动装置还消耗了相对大量的安装空间，这在电机集成的许多应用中与紧凑性的目的相反。

由于在没有传动装置的情况下将当前描述的膨胀机关联到外部过程或者将ORC系统的膨胀机与供给泵关联到外部过程，因此丧失了旋转速度控制的自由度。因此，不能控制对于ORC操作有利的以及要求用于部件的参数，尤其是体积流量、温度与压力等级。由于该部件尤其是在膨胀机的流出侧上的允许的温度是限定的，因此这提出了用于操作的特定问题。

由于不存在膨胀机的旋转速度控制，因此不能选择性地提供与固定地安装在体积膨胀机中的体积比相关的膨胀率。通过可变入口窗或出口窗的可变体积比的通常现有技术实施代表损害ORC系统的成本有效性的复杂且昂贵的过程。然而，不适于膨胀机的膨胀可能导致大大降低的效率，并且同样导致整个系统不是成本有效的，或者在极端情形中可能导致超过最大可允许压力。超过最大可允许压力与温度导致系统发生障碍，出现可能的相应损坏。

发明内容

本发明的目的是至少部分地克服提及的缺点，并且相应地至少部分地满足下面四个目的：

1.降低过热(在给定压力下)以防止部件以在它们极限以上的温度下操作，和/或通过提高的效率等级减少过热以确保系统的成本有效性。使干流体过热本身对于效率是不利的，因为其代表无助于膨胀的处于高温等级的能量。排放蒸汽更进一步在过热范围中，更多热量必须在液化以前在冷凝器中消散。

2.避免由于在膨胀机的固定体积比处的不可控压力等级而对操作无效的体积比。

3.避免太高的压力(绝对或者相对于通过系统可获得的蒸发温度)，这可能导致系统损坏或其流体或部分的未蒸发，这还可能造成除了效率损失以外的损害。

4.避免通过可获得热量不能蒸发(到足够程度)的工作介质的过多质量流。

通过根据权利要求1的装置与根据权利要求11的方法满足了目的1和目的2。

根据本发明的热力循环，其可以特别地是ORC装置，包括：预热器，其用于预热工作介质；蒸发器，其用于使预热的工作介质的第一质量流蒸发与过热；膨胀机，其用于使工作介质的蒸发且过热的第一质量流膨胀；冷凝器，其用于使离开膨胀机的工作介质冷凝；以及供给泵，其用于将冷凝的工作流体泵送到预热器。根据本发明的热力循环装置，其特征在于第一供给装置，其用于将预热的工作介质的第二质量流供给到膨胀机中的工作介质的部分膨胀的第一质量流。

这使降低排放蒸汽温度与调节的膨胀率能够具有自由度。通过这种方式能够降低过热，并且能够动态地降低膨胀的体积比。

根据本发明的装置还可以进一步发展为使得第一供给装置可以包括膨胀机的供给入口以及预热器与供给入口之间的第一供给线路。

供给入口能够布置为在膨胀空间的预定体积区域内与膨胀机的膨胀空间流体联通，其中膨胀空间在膨胀机的入口与出口之间膨胀。

另一个发展是第一供给装置包括用于控制第二质量流的可致动节流元件，尤其是第一恒温膨胀阀，并且/或者其中第一供给装置可以包括在膨胀机处、尤其在供给入口处的喷射装置。

根据进一步展开，热力循环装置可以另外地包括第二供给装置，其用于在预热工作介质的第三质量流在膨胀机中膨胀以前将预热工作介质的第三质量流供给到工作介质的蒸发且过热的第一质量流。即使实膨胀率(进一步)不降低，这也允许在直接喷射到膨胀机中以前的温度限制以及减少过热。该策略使得能够快速控制新鲜蒸汽温度。

第二供给装置能够包括布置在一个方面预热器或第一供给线路与另一方面入口或第三线路之间的第二供给线路，第三线路布置在蒸发器与入口之间。

第二供给装置可以包括用于控制第三质量流动的第二可致动节流元件，尤其是第二恒温膨胀阀。

另一个发展是供给泵可以联接到经由膨胀机驱动的驱动机构；并且循环装置还包括可控制再循环装置，其用于使工作流体从供给泵的高压侧部分地再循环到供给泵的低压侧。由此能够防止蒸发区域中的波动与不稳定。

可控制再循环装置能够包括从供给泵的高压侧到低压侧的线路，其中该线路能够设有第三可致动节流元件。

根据另一个实施方式，膨胀机的旋转可以与外部运行过程的旋转关联；其中特别地，膨胀机的轴能够直接地地或经由传动装置间接地联接到外驱动机构。

根据权利要求11的方法进一步满足了根据本发明的目的。

根据本发明的用于操作热力循环、尤其是ORC过程的方法，包括以下步骤：通过预热器预热工作介质；通过蒸发器使预热的工作介质的第一质量流蒸发与过热；使膨胀机中的工作介质的蒸发且预热的第一质量流在膨胀机的入口与出口之间膨胀；通过冷凝器使离开出口的工作介质冷凝；以及通过供给泵将冷凝的工作流体泵送到预热器；该方法的特征在于，将预热的工作介质的第二质量流供给到膨胀机中的所述工作介质的部分膨胀的第一质量流。

除非另外指出，否则根据本发明的方法的优点及其发展与根据本发明的装置的优点及发展相应。

根据本发明的方法的一个发展，能够进一步提供以下步骤：控制第二质量流和/或将第二质量流喷射到膨胀机的膨胀空间中。

进一步发展在于，该方法还能够包括在预热的工作介质的第三质量流在膨胀机中膨胀以前将预热工作介质的第三质量流供给到工作介质的蒸发且过热的第一质量流。

根据另一个发展，第三质量流能够被控制。

另一个发展是还能够提供下面的步骤：使膨胀机的旋转与外部运行过程的旋转关联；特别地，通过将膨胀机的轴直接地或经由传动装置间接地联接到电机的外驱动机构。

提到的发展能够单独地或者如所要求地彼此适当地结合使用。

下面利用附图示出了本发明的其它特征与示例性实施方式与优点。应该理解的是，这些实施方式未穷尽本发明的范围。还应该理解的是，下文描述的一些或全部特征还能够以不同方式彼此结合。

附图说明

图1示出了根据本发明的热力循环装置的第一实施方式。

图2示出了根据本发明的热力循环装置的第二实施方式。

图3示出了根据本发明的热力循环装置的第三实施方式。

图4定性地示出了膨胀率与膨胀效率之间的关系。

图5是用于将预热工作流体直接喷射到膨胀机中的压力与焓之间的关系的示例性描述。

具体实施方式

图1示出了以ORC装置(有机朗肯循环)的形式的根据本发明的热力循环装置100的第一实施方式。循环装置包括预热器10，其用于预热工作介质；蒸发器20，其用于使工作介质的预热的第一质量流蒸发且过热；膨胀机30，其用于使工作介质的蒸发且过热的第一质量流膨胀；冷凝器60，其用于冷凝离开膨胀机30的工作介质；以及供给泵70(具有电机M)，其用于将冷凝的工作介质泵送到预热器10。根据本发明，证明第一供给装置40用于将预热的工作介质的第二质量流供给到膨胀机30中的工作介质的部分膨胀的第一质量流。

第一供给装置40包括膨胀机30的供给入口48以及预热器10与供给入口48之间的第一供给线路47。供给入口48布置为以膨胀空间的预定体积范围与膨胀机30的膨胀空间流体联通，其中膨胀空间在膨胀机30的入口32与出口34之间膨胀。

第一供给装置40还包括用于控制第二质量流的可致动节流元件45，尤其是第一恒温膨胀阀，并且/或者第一供给装置40包括在膨胀机30处、尤其在供给入口48处的喷射装置41。

可以根据通过实例测量与示出的温度T实现控制。特别地，可以相应地启动节流元件45。

膨胀机30的旋转可以与外部运行过程的旋转关联；其中，特别地，膨胀机30的轴31可以直接地或者经由传动装置91间接地联接到电机90的外驱动机构，该传动装置可以能够具有自由运行或切换功能。

将预热的工作介质喷射到已经部分执行的膨胀中具有以下说明的效果。

I.根据图1中的过程控制提供将预热流体直接喷射到正在进行的膨胀中，由此满足目的1和目的2：

在对于预热蒸发与过热的ORC回路常见的过程期间，流体的一部分在蒸发以前被移除。能够如下确定能够直接地或者经由中间回路实现的输入到系统中的总能量：

这里h1、h2、h3和h4指示在图1中指示的相应位置的焓。考虑转移工作介质(AM)在预热以后的当前使用，不考虑质量流的进一步划分并且蒸发与过热可以结合为蒸发与过热

使得

进一步准确的是：

为了再次使温度与调节的膨胀率能够再次具有自由度，膨胀机的转移的液体工作介质经由适当的供给提供并且在膨胀一定比例以后已经直接地喷射(图1的过程控制)。为了获得用于喷射的尽可能最快的热平衡(热输入直到提供膨胀室中的均匀温度)，喷射装置必须相应地构造并且确保以大的流体表面((例如，微细雾化)的良好分配。对于参数的可控制性来说，节流元件，尤其是可致动或被动节流元件(例如，恒温膨胀阀)被包括到供给线路中。

必须在壳体中的适当位置处制作入口孔以便喷射到膨胀器中。必须根据膨胀机的体积比确定入口孔。室的更高压力沿着膨胀开始方向具有限定作用，由此阻碍了液体流体的进入。此外，过热还能够在膨胀的进程中增加，从而更多的液体流体也能够在膨胀的后期蒸发。在另一个方面，应该允许足够的时间，直到室打开以便通过完全蒸发获得热平衡。此外，在全部膨胀中在大的膨胀比例的参与对于生成能量来说也是积极的。

这可以实现多个正面效果：

a.体积比调节

膨胀的体积比(φ_EX)可以动态地减小(此外参见图5)，下面的关系通过膨胀机的固定体积比V_i、在入口与出口处的室体积以及封装在室中的工作介质的质量在室进入膨胀机(v_K，ein)闭合的时刻，以及在室在膨胀机(v_K，aus)的出口打开的时刻适用于特定体积：

由于在没有室喷射的标准情形中，室中的工作介质的质量是恒定的，因此产生φ_EX＝V_i。

通过新鲜蒸汽参数以及排放蒸汽参数确定，并且通过在膨胀机的上游与下游的压力与温度确定占主导地位的实膨胀率(Φ_real)。

在后压缩的区域中存在φ_real＜，φ_EX的情形。这里，流体在膨胀机(室闭合)的膨胀过程中处于低于膨胀机的实际存在的下游的压力等级。这导致在打开室以后流体是压紧的，由于通过膨胀机完成的增加的排除工作，这对效率具有非常负面的影响。在后期膨胀的区域中，来自室的增加的出口压力具有积极的效果。在膨胀室中的压力等级都会在膨胀结束时仍高于膨胀机下游的压力等级。因此，当室打开时，流体甚至膨胀更多，由于通过膨胀机完成的较低的排除工作，后期膨胀生成额外的能量。

通过在膨胀过程中喷射流体，真实的是：m_AM，K，aus＞m_AM，K，ein，其根据上述关系导致φ_EX减小，使得Φ_EX＜V_i：

在图4中通过等熵膨胀效率的量化曲线示出了该转移。

此外，内部恢复的原理(如图5中所示)由此集成到该过程中。

这以两种方式导致系统能量输出的改进。在一个方面，随着膨胀增加的干流体的过热用于蒸发额外的预热AM以便膨胀，并且由此用于增加参与到膨胀中的AM的质量流。使排放蒸汽过热的能量将需要另外地经由冷凝器消散。此外，预热器的低温热源通常地未被充分利用，并且能够通过在预热中增加的流体量更好地利用。

内部恢复避免了正常恢复在膨胀之后具有的两个问题。首先，在膨胀以后没有产生基于设备的额外的压力损失，这降低了可用于膨胀的压力等级。此外，随后的恢复与AM的预热相对应，然而，在低温等级下的足够的热量通常地是已经可用于AM的预热，为此原因，与可获得的热量相比，它减少了使用的热量。

b.降低排放蒸汽的过热

除了在性能上的正面作用以外，还可能必要的是，由于例如蒸汽冷却发生器的部件的限制，降低蒸发温度。质量流的增加将降低AM的过热，但是不能影响已经作为新鲜蒸汽存在的流体，并且由此代表相对迟缓的控制干预。在另一个方面，这能够通过喷射非常快速地实现。

由于总热平衡不受分流的影响，因此经由质量流的再调节通过新鲜蒸汽温度的该快速控制也是必要的。这通过泵的旋转速度控制实现(将在图3的背景下在部分III中说明不可变速泵)。

由此不能确保直接喷射到进行中的膨胀中的上游的部分的温度限制(参见部分II)。

c.测量参数

为此可考虑两个控制策略：

1.喷射点的上游：基于测量的实际值进行待喷射的AM的量的模型预测确定。没有测量在喷射后要求的设定点值(＝最大值)还设定到何种程度。

2.喷射点的下游：通过比较设定点与实际值进行待喷射的AM量的“传统”控制。

图2示出了具有优于第一实施方式的其它特征的根据本发明的热力循环装置200的第二实施方式。相同的附图标记指示相同的元件。第二供给装置50设置为将预热工作介质的第三质量流在其在膨胀机30中膨胀以前供给到蒸发且过热的工作介质的第一质量流。第二供给装置50包括第二供给线路57，其布置在一方面预热器10或第一供给线路47与另一方面入口32或第三线路17之间，第三线路17布置在蒸发器20与入口32之间，，其中第二供给装置50包括用于控制第三质量流的第二可致动节流元件55，尤其是第二恒温膨胀阀。

该措施具有下述效果。

II.如图2中所示，在膨胀以前提供预热流体的直接喷射，以满足目的1的剩余部分(在膨胀以前的温度限定)：

a.降低新鲜蒸汽的过热

除了直接喷射到膨胀机中(根据图1的过程控制)以外，将预加热流体直接喷射到膨胀机的新鲜蒸汽上游可能是必要的，例如，如果也没有另外地确保在直接喷射到膨胀机以前的温度限制(根据图2的过程控制)或者如果减少过热是必要的，但是实膨胀率(通过图1的过程控制)未被(进一步)降低。

该策略使得能够快速控制新鲜蒸汽温度，如已经描述的这经由泵的话可能太慢。

然而，由于通过此措施保持了整体热平衡，因此还必须例如通过增加泵流量来实现总质量流的控制。

b.测量参数

为此可考虑两个控制策略：

1.喷射点的上游：基于测量的实际值进行待喷射的AM的量的模型预测确定。没有测量在喷射后要求的设定点值(＝最大值)还设置到何种程度。

图3示出了根据本发明的热力循环装置300的第三实施方式。供给泵70经由膨胀机30联接到驱动机构，即联接到外部电机90；其中，循环装置还包括可控制再循环装置80，其用于使工作流体部分地从供给泵70的高压侧再循环到供给泵70的低压侧。可控制再循环装置80包括从供给泵70的高压侧到低压侧的线路81，其中线路81设有第三可致动节流元件82。

该措施具有下述效果。

III.在根据图3的将供给泵与外部过程另外地关联的情形中在供给泵周围提供可控制再循环以满足上述目的3和目的4。

在泵也与该过程牢固关联的情形中，具有再循环回路的泵的构造是必要的(根据图3的过程控制)。

该回路的弊端在于通过泵周围的再循环产生额外损失。然而，为了通过固定连接保持质量流的控制，这是必要的。

在该情形中，泵的尺寸设计为使得在完全负载情形中发生最少可能的损失，并且与此同时在部分负载下可获得足够的控制能量。控制能量对于增加通过ORC回路的质量流(例如，当过热太高时)以及对于减小质量流(例如，可获得的热量的量小于通过AM消散的热量，或者产生的实际蒸汽压力在可获得的温度等级的蒸发压力以上)来说是必要的。

此外，分成两部分控制，其中首先，其使蒸发器分流(分流使VD上游的分支并且使下游的流体再循环)，并且其次，其包括通过蒸发器再调节质量流(经由具有可变速度电机的泵或者经由再循环控制)，分成两部分控制具有避免了突然波动与在蒸发区域中失灵的优点。在具有增加质量流的必要性的情况下，通过过度地过热的实例简要地说明该影响。

泵/再循环的控制增加了质量流，与此同时增加了直接喷射。因此，通过蒸发器与过热器的流量仅经历质量流的小的改变。由于在蒸发器/过热器中的多种热转移对高度变化敏感地作出反应，因此该测量有助于使过程稳定。在仅利用或还利用根据图2的过程控制的情形中，它们的的比例再次缓慢地减小到零，从而总体来说，获得了对在通过蒸发器的流量中相对缓慢的变换速度的更加快速的控制干扰。

仅通过实例的方式示出了实施方式并且通过权利要求限定本发明的全部范围。

Claims

1.一种热力循环装置(100，200，300)，尤其是ORC装置，包括：

预热器(10)，所述预热器用于预热工作介质；

蒸发器(20)，所述蒸发器用于能够使预热的工作介质的第一质量流进一步预热、蒸发与过热；以及

膨胀机(30)，所述膨胀机用于使所述工作介质的蒸发且过热的第一质量流膨胀；

冷凝器(60)，所述冷凝器用于使离开所述膨胀机(30)的工作介质冷凝；以及

供给泵(70)，所述供给泵用于将冷凝的工作介质泵送到所述预热器(10)；

其特征在于，

第一供给装置(40)，所述第一供给装置用于将所述预热的工作介质的第二质量流供给到所述膨胀机(30)中的工作介质的部分膨胀的第一质量流。

2.根据权利要求1所述的热力循环装置，其中，所述第一供给装置(40)包括所述膨胀机(30)的供给入口(48)以及所述预热器(10)与所述供给入口(48)之间的第一供给线路(47)。

3.根据权利要求2所述的热力循环装置，其中，所述供给入口(48)布置为在所述膨胀空间的预定体积范围内与所述膨胀机(30)的膨胀空间流体联通，并且所述膨胀空间在所述膨胀机(30)的入口(32)与出口(34)之间膨胀。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热力循环装置，其中，所述第一供给装置(40)包括用于控制所述第二质量流的第一节流元件(45)，尤其是第一恒温膨胀阀，并且/或者所述第一供给装置(40)包括位于所述膨胀机(30)处、尤其是位于所述供给入口(48)处的喷射装置(41)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的热力循环装置，还包括：

第二供给装置(50)，所述第二供给装置用于在所述预热工作介质的第三质量流在所述膨胀机(30)中膨胀以前将所述预热工作介质的第三质量流供给到所述工作介质的所述蒸发且过热的第一质量流。

6.根据权利要求5所述的热力循环装置，其中，所述第二供给装置(50)包括第二供给线路(57)，所述第二供给线路布置在一方面所述预热器(10)或所述第一供给线路(47)与另一方面所述入口(32)或第三线路(17)之间，所述第三线路布置在所述蒸发器(20)与所述入口(32)之间。

7.根据权利要求5或6所述的热力循环装置，其中，所述第二供给装置(50)包括用于控制所述第三质量流的第二节流元件(55)，尤其是第二恒温膨胀阀。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的热力循环装置，其中，所述供给泵(70)联接到经由所述膨胀机(30)驱动的驱动机构；并且所述循环装置还包括：

可控制再循环装置(80)，所述可控制再循环装置用于使工作介质从所述供给泵(70)的高压侧部分地再循环到所述供给泵(70)的低压侧。

9.根据权利要求8所述的热力循环装置，其中，所述可控制再循环装置(80)包括从所述供给泵(70)的所述高压侧到所述低压侧的线路(81)，并且所述线路(81)设有第三节流元件(82)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的热力循环装置，其中，所述膨胀机(30)的旋转能够与外部运行过程的旋转关联；特别地，所述膨胀机(30)的轴(31)能够直接地或经由传动装置间接地联接到电机的外驱动机构，该传动装置具有自由运行或切换功能。

11.一种用于操作热力循环、特别是ORC过程的方法，其中，所述方法包括以下步骤：

通过预热器(10)预热工作介质；

能够通过蒸发器(20)使预热的工作介质的第一质量流进一步预热、蒸发与过热；以及

使膨胀机(30)中的工作介质的蒸发且预热的第一质量流膨胀；

通过冷凝器(60)使离开所述出口(34)的工作介质冷凝；以及

通过供给泵(70)将冷凝的工作介质泵送到所述预热器(10)；

其特征在于，

将所述预热的工作介质的第二质量流供给到所述膨胀机(30)中的所述工作介质的部分膨胀的第一质量流。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括步骤：

控制所述第二质量流和/或将所述第二质量流喷射到在所述膨胀机(30)的入口(32)与出口(34)之间的所述膨胀机(30)的膨胀空间中。

13.根据权利要求11或12所述的方法，还包括：

在所述预热的工作介质的第三质量流在所述膨胀机(30)中膨胀以前将所述预热的工作介质的第三质量流供给到所述工作介质的蒸发且过热的第一质量流。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括步骤：

控制所述第三质量流。

15.根据权利要求11-14中任一项所述的方法，包括：

使所述膨胀机(30)的旋转与外部运行过程的旋转关联；特别地，通过将所述膨胀机(30)的轴(31)直接地或经由传动装置间接地联接到电机的外驱动机构。