CN107849945A - 由orc废热回收单元驱动的压缩机和控制方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种功率转换系统，所述系统包括废热源(17)和有机朗肯循环系统(5)。有机朗肯循环系统又包括：至少一个涡轮膨胀机(21)；至少一个旋转负载(29)，其机械联接到涡轮膨胀机(21)并且由涡轮膨胀机(21)驱动；以及可变速度机械联接器(31)，其在涡轮膨胀机(21)和旋转负载(29)之间。

Description

由ORC废热回收单元驱动的压缩机和控制方法
技术领域
本申请和所得专利一般涉及由涡轮机械驱动的旋转负载，例如压缩机。更具体地，本说明书公开的实施例涉及机械驱动应用中的有机朗肯循环(ORC，Organic RankineCycles)，用于驱动旋转机器，例如压缩机，特别是离心式或轴流式压缩机。
背景技术
对节能和减少能源开发对环境影响的需求促进了在发电领域和机械驱动应用中旨在提高能量转换系统的整体效率的研发活动，其中在发电领域，由热力循环产生的机械功率转换为电功率，而在机械驱动应用中，由热力循环产生的机械功率被用来直接驱动操作机器，例如压缩机。
已经开发了联合系统，其有时也称为混合系统，用于提高整体功率转换效率并降低功耗和环境影响。联合系统将顶部高温热力循环与底部低温热力循环相结合。由顶部高温热力循环在低温侧排放的废热被用作底部低温热力循环的热功率源。通常，顶部高温热力循环是燃气涡轮循环。一个或多个燃气涡轮用于为发电机供能或驱动旋转涡轮机械，例如，如离心式压缩机或压缩机组的压缩机、泵等。燃气涡轮的排放的燃烧气体用于直接或间接加热在执行底部低温热力循环的闭合回路中循环的工作流体。
底部低温热力循环将来自顶部高温热力循环的部分废热转换成机械功率，该机械功率通常用于驱动发电机并产生电功率。
底部低温热力循环通常包括朗肯循环。在一些已知的应用中，使用蒸汽朗肯循环。在其它应用中，应用所谓的有机朗肯循环，其中有机流体而不是水被用作工作流体。ORC的示例性实施例使用戊烷或环戊烷作为工作流体。
图1示出了使用顶部高温热力循环与底部低温热力循环联合的联合系统的示意图，其用于机械驱动应用，即，用于驱动压缩机或压缩机组。
参看图1，参考标号101表示用于驱动第一压缩机102的燃气涡轮。在燃气涡轮101的燃烧器中燃烧的燃料F用于为燃气涡轮供能，并且由燃烧产生的热能部分地转换为机械功率。需要这样产生的机械功率的一部分来驱动燃气涡轮101的气体发生器的压缩机，而剩余的机械功率可在燃气涡轮输出轴上获得并驱动压缩机102。不被燃气涡轮101转换为机械功率的低温热功率(废热)被包含在排放的燃烧气体中，排放的燃烧气体在排放到大气中之前流过废热回收交换器103。
在废热回收交换器103中，包含在燃烧气体中的废热的至少一部分被转移到第一闭合传热回路104，在那里，传热流体借助于循环泵106循环。传热流体将从燃烧气体移除的热能传递到闭合回路105中，在闭合回路105中，工作流体被处理以执行底部低温热力循环，该循环将来自顶部高温热力循环的废热部分地转换成额外的有用机械功率。
在闭合回路105中循环的工作流体，例如环戊烷或两种或更多种烃的混合物经历包括冷凝、泵送、加热、汽化、过热、膨胀的循环热力学转化，以将来自废热回收交换器103的热功率转化为机械功率。闭合回路105包括循环泵107、预热器109a、汽化器109、过热器111、涡轮膨胀机113、回热器115和冷凝器117。
由涡轮膨胀机113产生的机械功率用于驱动发电机121。然后，来自发电机121的电功率可用来为电动马达123供能，而电动马达123又驱动第二压缩机125。在该构型中，第二压缩机125与涡轮膨胀机113机械地分离，因为后者通常以对应于发电机121的操作速度的恒定速度旋转，而压缩机125可能需要以可变速度旋转。提供可变频率驱动器124用于以可变的旋转速度驱动电动马达123。
图1的系统相对复杂，特别是考虑到需要两台电机121、123和可变频率驱动器124。由发电机121将机械功率转换为电功率和由电动马达123将电功率反向转换成机械功率对系统的整体转换效率产生负面影响。对变频驱动器的需求进一步降低了效率并增加了联合循环的总体成本和复杂性。
因此，需要一种用于机械驱动应用的更简单且更高效的联合系统。
发明内容
因此，本申请和所得到的专利提供了一种包括废热源和有机朗肯循环(ORC)系统的功率转换系统，有机朗肯循环由至少一个涡轮膨胀机、至少一个机械联接到涡轮膨胀机并由其驱动的旋转负载、以及在涡轮膨胀机和旋转负载之间的可变速度机械联接器构成。有机朗肯循环系统包括具有高压侧、低压侧和在高压侧与低压侧之间的涡轮膨胀机的回路。工作流体从低压侧泵送到高压侧，并通过来自废热源的热量加热。热的加压工作流体在涡轮膨胀机中膨胀，从而产生机械功率。机械功率用于驱动涡轮膨胀机的输出轴。涡轮膨胀机输出轴通过可变速度机械联接器机械联接到旋转负载的从动轴。
从一些示例性实施例的公开内容将变得显而易见，可变速度机械联接能够实现有机朗肯循环系统的启动和旋转负载的加速以及在可变操作条件下的旋转速度控制。
该系统还可包括燃气涡轮系统，其具有至少一个燃气涡轮发动机和由所述燃气涡轮发动机驱动的至少一个另外的旋转负载。有机朗肯循环系统利用的废热是从燃气涡轮发动机排放的燃烧气体中包含的热能。可以提供热交换系统，用于将废热从燃气涡轮系统转移到有机朗肯循环系统。
由涡轮膨胀机驱动的旋转负载可包括涡轮机械，例如特别地压缩机。类似地，由燃气涡轮发动机驱动的旋转负载可包括涡轮机械，例如压缩机。这两台压缩机可以平行布置。
在一些实施例中，涡轮膨胀机包括可变入口导向静叶，以便可控地改变通过涡轮膨胀机膨胀的工作流体的流量。
在一些实施例中，有机朗肯循环系统包括具有入口压力控制器的涡轮膨胀机入口收集器，入口压力控制器被布置和构造为将涡轮膨胀机入口收集器中的压力保持在稳态涡轮膨胀机入口压力。在一些实施例中，提供另外的入口压力控制器，其被布置和构造成控制旁路阀，旁路阀将涡轮膨胀机入口收集器连接到有机朗肯循环系统的低压侧。该另外的入口压力控制器可具有高于稳态涡轮膨胀机入口压力的压力设定点。具有较低设定点压力的入口压力控制器可以在达到涡轮膨胀机和/或由其驱动的旋转负载的旋转速度时启用。然后，具有较高压力设定点的入口压力控制器将关闭旁路阀。
根据另一方面，本说明书公开了一种用于管理功率转换系统的方法，所述功率转换系统包括有机朗肯循环系统，该有机朗肯循环系统热联接到废热源，并且包括：至少一个涡轮膨胀机；至少一个旋转负载，其机械联接到涡轮膨胀机并由其驱动；以及在涡轮膨胀机和旋转负载之间的可变速度机械联接器。根据一些实施例，该方法包括作用于可变速度机械联接器以控制从涡轮膨胀机传递到旋转负载的机械功率的步骤。
根据一些实施例，该方法包括以下步骤：将涡轮膨胀机加速至第一预热速度，并且随后将涡轮膨胀机加速至高于预热速度的额定操作速度；将旋转负载加速到最小负载操作速度，并且随后将旋转负载加速到高于最小负载操作速度的完全操作速度，同时将涡轮膨胀机保持在额定操作速度或附近。
所公开的方法的实施例还可包括以下步骤：提供流体联接到涡轮膨胀机入口的涡轮膨胀机入口收集器；提供位于涡轮膨胀机入口收集器和涡轮膨胀机入口之间的至少一个启动阀；在涡轮膨胀机入口处设置可变入口导向静叶；通过打开可变入口导向静叶增加通过涡轮膨胀机的工作流体的流量，从而使所述旋转负载加速。
此外，该方法还可包括以下步骤：当可变入口导向静叶至少部分打开时，通过逐渐打开启动阀将涡轮膨胀机加速至所述预热速度；通过逐渐打开可变入口导向静叶，进一步将涡轮膨胀机加速至所述完全操作速度。
在一些实施例中，当可变入口导向静叶完全打开时，首先通过逐渐打开启动阀来加速涡轮膨胀机；当启动阀进一步打开时，可变入口导向静叶部分关闭；并且通过再次逐渐打开可变入口导向静叶而将涡轮膨胀机加速至额定操作速度。
该方法还可包括以下步骤：提供控制涡轮膨胀机入口收集器中的入口压力的入口压力控制器；当旋转负载达到最小负载操作速度时，启用入口压力控制器；产生施加到可变速度机械联接器以加速旋转负载的压力控制信号；当旋转负载被加速时，通过增加通过涡轮膨胀机膨胀的工作流体的流量，将涡轮膨胀机保持在额定操作速度或附近。
通过作用于可变速度机械联接器来调节旋转负载的旋转速度以补偿涡轮膨胀机入口收集器中的压力变化，涡轮膨胀机可以保持在额定操作速度。
该方法可包括以下进一步的步骤：通过利用第一涡轮膨胀机速度控制回路增加通过涡轮膨胀机的工作流体流量而将涡轮膨胀机加速到额定操作速度；在达到涡轮膨胀机的额定操作速度后，激活旋转负载速度控制回路；通过增加通过涡轮膨胀机的工作流体的流量直到达到旋转负载的完全操作速度来使旋转负载加速，同时通过作用于可变速度机械联接器而将涡轮膨胀机速度保持在额定工作速度或附近。
在一些实施例中，在达到涡轮膨胀机的额定操作速度后并且在旋转负载加速期间，通过启用第二涡轮膨胀机速度控制回路，可将涡轮膨胀机速度保持在额定操作速度或附近，第二涡轮膨胀机速度控制回路可产生一信号，该信号改变通过可变速度机械联接器传递的扭矩，以抵消由通过涡轮膨胀机的工作流体流量增加引起的涡轮膨胀机速度变化。
使旋转负载加速的步骤可在选择性地第一负载速度控制回路和第二负载速度控制回路的控制下进行，第一负载速度控制回路可操作直到达到最小负载操作速度，第二负载速度控制回路在达到最小负载操作速度并且将负载的速度控制在所述最小负载操作速度之上时启用。
本说明书公开的方法还可包括以下步骤：通过利用第一涡轮膨胀机控制回路增加通过涡轮膨胀机的工作流体流量而将涡轮膨胀机加速至额定操作速度；在达到涡轮膨胀机的额定操作速度后，启用旋转负载速度控制，并随之产生负载速度控制信号；将负载加速直至完全操作速度；使涡轮膨胀机入口收集器上的入口压力控制器具有压力设定点并随之产生压力控制信号；选择在负载速度控制信号和压力控制信号之间的最小信号；将所述最小信号施加到涡轮膨胀机的可变入口导向静叶。
还可提供通过作用在可变速度机械联接器上的涡轮膨胀机速度控制器将涡轮膨胀机保持在额定操作速度或附近的步骤。
特征及实施例在下文公开且进一步在所附权利要求书中阐述，所附权利要求书形成本说明书的组成部分。上文的简要说明阐述了本发明的各种实施例的特征，以便可以更好地理解以下详细描述，且便于更好地了解本发明对所属领域的贡献。当然，存在本发明的其它特征，这将在下文描述且在所附权利要求书中阐述。就此而言，在详细解释本发明的若干个实施例之前，应理解，本发明的各种实施例在其应用上不限于构造的细节，也不限于以下描述中阐述或图式中示出的组件的布置。本发明能够具有其它实施例且能够以各种方式实践或执行。此外，应理解，本文中所采用的措词及术语是用于描述的目的，且不应被视为是限制性的。
由此，所属领域的技术人员应了解，本发明所基于的概念可易于用作设计用于实现本发明的若干个目的的其它结构、方法及/或系统的基础。因此，重要的是，在等效构造并不脱离本发明的精神及范围的情况下，权利要求书应被视为包括此类等效构造。
附图说明
通过在结合附图考虑时参考以下详细描述，将易于获得且更好理解对本发明的公开实施例及本发明的附带多个优点的更完整了解，在附图中：
图1示出了根据当前技术的联合循环；
图2示出了根据本公开的联合系统；
图3示出了底部低温热力循环的控制系统的示意图；
图4示出了根据另一实施例的底部低温热力循环的控制系统的示意图。
具体实施方式
示范性实施例的以下详细描述参考附图。不同图式中的相同参考标号标识相同或类似的元件。另外，所述图式未必按比例绘制。另外，以下详细描述并不限制本发明。实际上，本发明的范围由所附权利要求书界定。
贯穿本说明书对“一个实施例”、“实施例”或“一些实施例”的提及意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在所公开主题的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的不同位置中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”未必指代相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可按任何合适方式组合。
图2示意性地示出了用于机械驱动应用的联合或混合系统1。在图2的示例性实施例中，由系统的涡轮机械产生的机械功率用于驱动气体管道的压缩机。在其它实施例中，机械功率可用于驱动其它涡轮机械或不同种类的负载，涡轮机械为例如涡轮压缩机，其用于不同应用，例如天然气液化或其它工业应用。
一般来说，图2的系统包括燃气涡轮机系统3，其包括一个或多个燃气涡轮发动机。在燃气涡轮系统3中执行顶部高温热力循环，以通过使(多个)燃气涡轮中的燃烧气体膨胀来产生有用的机械功率。来自燃气涡轮系统3的排出的燃烧气体仍然包含有用的热能，其可以部分地转化为进一步的机械功率。因此，从顶部高温热循环排出的排放的燃烧气体中所含的废热转移到底部低温热力循环。底部低温热力循环是有机朗肯循环(ORC)。ORC的有机工作流体在ORC系统5的闭合回路中循环，并且经过循环热力学转换，以将来自顶部高温热力循环的部分废热转换成有用的机械功率。
在本公开的上下文中，术语“热力循环”有时也将用于表示在其中执行热力循环的系统。例如，术语“顶部高温热力循环”可用于表示燃气涡轮系统；术语“底部低温热力循环”可用于表示机器和装置的组合，其中有机工作流体被处理并经受形成热力循环的循环热力学转化。
可以提供中间传热回路7，用于将热功率从顶部高温热力循环间接地转移到底部低温热力循环。
更具体地，根据一些实施例，顶部高温热力循环或燃气涡轮机系统3可包括一个或多个燃气涡轮发动机。在图2所示的实施例中，设置有平行布置的两个燃气涡轮发动机9A、9B。每个燃气涡轮发动机9A、9B包括未详细示出的空气压缩机，燃烧器和动力涡轮。每个燃气涡轮发动机9A、9B的空气压缩机压缩环境空气，然后将其输送到燃烧器并与液体或气体燃料混合。空气燃料混合物被点燃以产生压缩的高温燃烧气体，其在动力涡轮中膨胀，从而产生机械功率。机械功率部分地用于驱动相应的燃气涡轮发动机的空气压缩机，以向燃烧器提供压缩空气，并且部分地在输出轴10A、10B上可用，并用于驱动第一旋转负载，例如包括旋转涡轮机械，例如轴流式或离心式压缩机11A、11B。
在图2的示例性实施例中，气体介质例如来自管道10的天然气通过吸入管线15、15供给到压缩机11A、11B。压缩机将气体介质的压力增压，然后再将其通过输送管线13、13输送到管道10。由压缩机11A、11B处理的气体的一部分可用作为燃气涡轮发动机9A、9B供能的燃料。
来自燃气涡轮发动机9A、9B的排放的燃烧气体在最终在大气中排出之前流过废热回收交换器17。
排放的燃烧气体中所含的废热的一部分由废热回收交换器17转移到在传热回路7中通过泵18循环的传热流体。
通过热交换布置19，热量从在传热回路7中循环的传热流体转移到在ORC系统5中循环的工作流体，例如，戊烷或环戊烷。热交换布置19可包括预热器19A、汽化器19B和过热器19C。具有更多或更少数量的热交换器的其它热交换布置是可能的。
ORC系统5可包括一个或多个涡轮膨胀机。在图2的示例性实施例中，提供了一个涡轮膨胀机21。涡轮膨胀机21可以是多级涡轮膨胀机。在图2的示例性实施例中，涡轮膨胀机12是两级涡轮膨胀机。参考标号21A表示高压涡轮膨胀机级，参考标号21B表示低压涡轮膨胀机级。在其它实施例中，可使用单级涡轮膨胀机。在另外的实施例中，还可使用包括多于两个级的涡轮膨胀机。
两个或多个涡轮膨胀机级可在具有固定的速比的不同的旋转速度下旋转。在连接第一和第二涡轮膨胀机级的轴线上设置有齿轮箱布置。齿轮箱布置在图2的示意图中未示出。
或者，多级涡轮膨胀机21可以是整体齿轮式涡轮膨胀机。
在下面的描述中，将参考涡轮膨胀机的速度。如果涡轮膨胀机包括多于一个的旋转轴，并且如果轴在不同的速度下以轴之间的恒定速比旋转，则涡轮膨胀机速度可以是不同轴速度中的任何一个。例如，如果使用两级整体齿轮式涡轮膨胀机，则第一高压级可由第一快速旋转轴支撑，而第二低压级可由第二缓慢旋转轴支撑。本说明书所理解的“涡轮膨胀机速度”可以是快速旋转轴的速度或缓慢旋转轴的速度或整体齿轮式涡轮膨胀机的输出轴的速度。
涡轮膨胀机21或涡轮膨胀机级中的一个或多个可设置有可变的入口喷嘴，即可变的入口导向静叶，其可用于控制进入涡轮膨胀机的过程流体的流量和跨越每个级的焓降。在图3的示例性实施例中，涡轮膨胀机级21A、21B分别设置有可变入口导向静叶(也简称为“可变IGV”)或可变入口喷嘴，分别示意性地示出为57A和57B。如本领域技术人员已知的那样，两组可变入口导向静叶可由单个控制信号或单独的控制信号来控制。可提供在两组可变入口导向静叶的移动之间的具体关系。在一些实施例中，可以检测涡轮膨胀机21的级间压力、入口压力和出口压力，并且可以以本身已知的方式在操作期间基于入口、出口和级间的压力值设定或修改两组可变入口导向静叶的移动之间的比率，以优化涡轮膨胀机的效率。其它实施例可以根据热力学或机械考虑以完全独立的逻辑来控制入口喷嘴或可变入口导向静叶。
在ORC系统5的闭合回路中循环的受热的加压工作流体通过涡轮膨胀机入口收集器22输送到涡轮膨胀机21的入口。
ORC系统5的闭合回路还可包括与涡轮膨胀机21的出口流体连通的回热器23。冷凝器25可布置在回热器23的下游，用于冷凝从涡轮膨胀机21排出的废工作流体。泵27还被设置用于以高压泵送冷却和冷凝的工作流体，并且用于将加压液态工作流体供给通过回热器23的冷侧且通过热交换布置19的冷侧，其中工作流体被加热、汽化和过热，然后最终输送到涡轮膨胀机入口收集器22以在涡轮膨胀机21中膨胀。
在底部低温热力循环5中循环的工作流体经历循环热力学转化，以将通过热交换布置19输送到其中的部分热功率转换为机械功率，该机械功率在涡轮膨胀机21的输出轴21C上可用，并且可用于驱动第二旋转负载。在一些实施例中，第二旋转负载包括涡轮机械，例如压缩机29或压缩机组。在涡轮膨胀机21的输出轴21C和压缩机29之间设置有可变速度机械联接器31。参考标号31A表示可变速度机械联接器31的输出轴。可变速度机械联接器31允许以不同于涡轮膨胀机21的旋转速度的速度操作压缩机29，并且该速度可独立于涡轮膨胀机21变化。
合适的可变速度机械联接器是可得自德国Voith Turbo GmbH&CoKG的VORECON变速行星齿轮。
压缩机29可以流体地联接到相同的管道10，压缩机11A和11B连接到该管线。如图2中示意性地所示，压缩机29可通过流体地联接到压缩机29的吸入侧的抽吸管线33并且通过流体地联接到压缩机29的输送或压力侧的输送管线35连接到管道10。利用这种布置，压缩机11A、11B和29平行放置在相同的管道10上，并且都贡献于通过管道10的总气体流量。其它布置是可能的。例如，压缩机29可用于处理与由压缩机11A、11B处理的气体不同的气体，或者可以设想串联而不是平行的压缩机布置。
由于通过在ORC系统5中执行的底部低温热力循环的废热回收，通过压缩机29的流量减少了由压缩机11A、11B处理的气体介质的量，使得可减少对燃气涡轮发动机9A、9B供能所需的优质能量，并可节省燃料。或者，可由压缩机布置11A、11B、29使用相同量的燃料来处理较高流量的气体介质。如从下面的描述中将变得更清楚的，通常，底部低温热力循环可被控制，以便总是利用通过废热回收交换器17可获得的全部热能。
结合用于控制其旋转机器的装置的示例性布置，图3示意性地示出了ORC系统5的主要部件，即涡轮膨胀机21、可变速度机械联接器或齿轮箱31以及压缩机29。相同的参考标号用于表示图2所示的相同元件。
在图3中，示出了第一入口压力控制器41、第二入口压力控制器43和第三入口压力控制器45。第一入口压力控制器41被构造成用于作用在放置在旁路管线49上的旁路阀47上。旁路管线49将涡轮膨胀机入口收集器22连接到回热器23或冷凝器25，从而绕过涡轮膨胀机21。
第二入口压力控制器43与压缩机速度控制器51和压缩机速度换能器53在功能上组合。压缩机速度控制器51在功能上连接到可变速度机械联接器31。
第三入口压力控制器45被构造和布置成分别选择性地作用于启动阀55和第一涡轮膨胀机级21A和第二涡轮膨胀机级21B的可变入口导向静叶或入口喷嘴57A、57B。在其它实施例中，例如，如果提供单级涡轮膨胀机，则仅需要一组可变的入口喷嘴或入口导向静叶。
如上所述，在一些实施例中，可变入口导向静叶57A、57B可被连结以便用单个控制信号来控制。
参考标号59表示涡轮膨胀机速度控制器，其在功能上连接到涡轮膨胀机速度换能器61和选择器62，选择器62进一步连接到第三入口压力控制器45。选择器62的输出被施加到切换块65。切换块65被构造成用于将来自第三入口压力控制器45或来自涡轮膨胀机速度控制器59的控制信号选择性地转向到启动阀55或可变入口导向静叶57A、57B，具体取决于ORC系统的操作阶段。
根据一些实施例，受控的涡轮膨胀机入口阀63可平行于涡轮膨胀机启动阀55布置。在一些实施例中，可进一步提供通/断阀66并将其与涡轮膨胀机入口阀63和涡轮膨胀机启动阀55串联布置。在其它实施例中，可使用单阀或双阀布置代替三阀系统55、63、66。
用于控制ORC系统5的操作的另外的元件可包括将压缩机输送侧与压缩机吸入侧连接的压缩机旁路阀67。压缩机旁路阀67可以是压缩机29的防喘振阀。
迄今为止公开的控制装置用于控制ORC系统5从初始状态到负载控制的各种操作步骤。现在将描述可能的控制方法，具体参看图3的示意图。
当ORC系统5的底部低温热循环的操作首先启动时，以下初始条件适用。通/断阀66、涡轮膨胀机入口阀63和涡轮膨胀机启动阀55关闭。可变速度机械联接器31被设定为最小(最小输出轴速度、最小负载条件)。涡轮膨胀机级21A、21B的可变入口导向静叶或喷嘴57A、57B完全打开。压缩机旁路阀67完全打开。
当ORC系统5启动时，第一入口压力控制器41能够控制旁路阀47。第一入口压力控制器41的压力设定点将被指示为P1并表示为“启动压力”。启动压力设定得稍高，例如比在稳态条件下的操作的涡轮膨胀机入口压力，下文指示为P2(稳态涡轮膨胀机入口压力)，高约0.5巴。稳态涡轮膨胀机入口压力可设定为例如约39.5巴，启动压力P1可设定为例如约40巴。应当理解，这些数值仅作为示例而不应被解释为限制本公开的范围。
系统的启动如下。当可从燃气涡轮系统3获得废热时，在ORC系统5中的底部低温热循环的工作流体开始升温。在ORC系统5中循环的全部工作流体通过旁路管线49绕过涡轮膨胀机21，旁路阀47打开，直到启动阀55、入口阀63和/或通/断阀66关闭。
通/断阀66完全打开。涡轮膨胀机速度控制器59启用并且接管涡轮膨胀机速度的控制，直到达到涡轮膨胀机21的预热速度ω预热。来自涡轮膨胀机速度控制器59的控制信号被施加到启动阀55，启动阀55逐渐打开以将受热并加压的工作流体流的增加量转向涡轮膨胀机21。剩余的工作流体流继续通过旁路阀47和旁路管线49朝冷凝器25转向。旁路阀47在第一入口压力控制器41的控制下保持打开。
启动阀55的逐渐打开持续，直到达到预热速度ω预热，预热速度可以例如在涡轮膨胀机额定操作速度ωexp-operating，即涡轮膨胀机21的设计操作速度的大约20％-40％的范围内。
当已达到预热速度ω预热时，涡轮膨胀机21保持在所述速度下达预设的预热时间间隔Δt预热。
根据一些实施例，一旦预热时间间隔Δt预热已经过去，涡轮膨胀机速度控制器59的输出就通过切换块65被路由到涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶或喷嘴57A、57B。启动阀55逐渐达到完全打开状态。涡轮膨胀机旋转速度现在由施加到可变入口导向静叶57A、57B的涡轮膨胀机速度控制器59的输出信号控制，输出信号是根据来自涡轮膨胀机速度换能器61的速度信号确定的。涡轮膨胀机速度保持在预热速度ω预热左右，同时启动阀55的打开继续。可变入口导向静叶57A、57B的逐渐关闭使涡轮膨胀机保持在预热速度或其左右ω预热。由于两个涡轮膨胀机级21A、21B的可变入口导向静叶57A、57B可以相互联接，单个控制信号可能足以控制两个可变入口导向静叶。
根据其它实施例，涡轮膨胀机速度控制可在预热时间间隔结束之前切换到可变入口导向静叶57A、57B，使得一旦预热时间间隔已经过去，可变入口导向静叶57A、57B就在启动阀55完全打开时部分关闭。
一旦启动阀55完全打开，则涡轮膨胀机入口阀63打开，并且涡轮膨胀机启动阀55随后关闭。
在其它实施例中，可使用单个阀来代替并联的阀55、63。在这种情况下，上述过程将被简化，并且只有单个阀将被控制以逐渐打开直到达到完全打开状态。在一些特别简单的实施例中，三阀布置55、63、66可由单个阀代替。在这种情况下，上述过程将通过作用于单个阀来执行，该单个阀被控制以从完全关闭状态逐渐移动到完全打开状态。
在上述阶段期间，由于可变速度机械联接器31被设定为最小，所以压缩机29是静止的或以慢速旋转。
一旦预热时间间隔Δt预热已经过去，系统准备好将涡轮膨胀机速度从预热速度ω预热逐渐增加到其额定操作速度ωexp-operating。可变入口导向静叶57A、57B现在由于前一阶段的结果而部分关闭，并且可被作用以增加通过涡轮膨胀机21的工作流体流量，从而使涡轮膨胀机21加速。
涡轮膨胀机加速度在涡轮膨胀机速度控制器59的控制下进行，该涡轮膨胀机速度控制器59作用于逐渐打开的可变入口导向静叶57A、57B。在涡轮膨胀机21的加速期间，可通过合适的临界速度带跳跃功能来跳过临界速度。
压缩机速度也可以增加，因为压缩机通过可变速度机械联接器31机械地联接到涡轮膨胀机21的轴线。
在该启动阶段期间涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶57A、57B通过涡轮膨胀机速度控制器59的逐渐打开增加了流过涡轮膨胀机21的工作流体的量。通过逐渐关闭旁路阀47，从而减少旁路流量，第一入口压力控制器41将涡轮膨胀机收集器22的压力保持在压力设定点P1处。具有低于P1的压力设定点P2(稳态涡轮膨胀机入口压力)的第二入口压力控制器43被临时禁用。
在该启动阶段期间，压缩机29被加速到最小压缩机操作速度ωmin-comp-speed，该速度可在压缩机的设计操作速度的大约20-70％的范围内，同时压缩机旁路阀67仍然打开，因此压缩机处于全循环状态。由于在启动期间设定了可变速度机械联接器31，所以实现了压缩机速度。
在涡轮膨胀机速度已稳定在其额定操作速度ωexp-operating之后，压缩机速度控制被激活。如果需要，在压缩机仍然在全循环状态(压缩机旁路阀67完全打开的状态)下操作的同时，通过调整对可变速度机械联接器31的需求，使压缩机速度达到最小操作值。
一旦达到由压缩机速度换能器53检测到的最小压缩机操作速度ωmin-comp-speed，就启用第二入口压力控制器43。由于第二入口压力控制器43的设定点压力值P2(稳态涡轮膨胀机入口压力)低于第一入口压力控制器41的压力设定点P1，第二入口压力控制器43产生控制信号，该信号将导致涡轮膨胀机收集器22中的压力降低。这通过以下方式实现。
由第二入口压力控制器43产生的控制信号被施加到压缩机速度控制器51。压缩机速度控制器51作用在可变速度机械联接器31上，从而增加其输出轴的速度和因此通过可变速度机械联接器31从涡轮膨胀机21传递到压缩机29的功率。压缩机29的速度增加，并且涡轮膨胀机21的速度趋于下降。涡轮膨胀机速度降低由涡轮膨胀机速度换能器61检测。由涡轮膨胀机速度换能器61产生的信号被施加到涡轮膨胀机速度控制器59，这导致可变入口导向静叶57A、57B的逐渐打开，从而增加通过涡轮膨胀机的流量，并因此将涡轮膨胀机旋转速度保持在额定操作速度ωexp-operating或左右。
由可变入口导向静叶57A、57B的逐渐打开确定的通过涡轮膨胀机21的流量增加导致涡轮膨胀机收集器22中的压力下降，直到达到稳态涡轮膨胀机入口压力P2。涡轮膨胀机收集器22中的压降使第一入口压力控制器41关闭旁路阀47。因此，一旦达到稳态涡轮膨胀机入口压力P2，即，第二入口压力控制器的压力设定点，在ORC系统5的底部低温热力循环中循环的全部工作流体就流过涡轮膨胀机21。
在该过程期间，压缩机旁路阀67逐渐关闭，并且压缩机29与压缩机11A、11B并联放置，并开始处理在管道中流动的气体介质。
该过程一直持续到压缩机29的速度达到完全压缩机操作速度ωcomp-oper，该速度在通常在最小和最大设计操作速度之间的压缩机工作范围内。为了充分利用来自废热回收交换器的可用功率，可将操作速度设定为最大设计操作速度(参见框69)。涡轮膨胀机入口压力保持在稳态涡轮膨胀机入口压力P2，并且涡轮膨胀机速度保持在其额定操作速度ωexp-operating的100％。
通过关闭压缩机旁路阀67可将压缩机置于负载下，并且启用压缩机负载控制。
上述控制方法使得，如果从废热回收系统可获得的功率变化，则涡轮膨胀机的旋转速度保持在其额定操作速度ωexp-operating下，同时通过可变速度机械联接器31传递的功率被修改，导致压缩机速度的变化。例如，如果从顶部高温热力循环可获得的废热下降，则涡轮膨胀机收集器22中的压力趋于下降，因为更少的热能可用于底部低温热力循环。第二入口压力控制器43产生施加到压缩机速度控制器51的控制信号。压缩机速度控制器51继而产生一个信号，该信号减小了在可变速度机械联接器31的输出轴处可用的扭矩，从而减小了压缩机速度。反之亦然，如果有更多的余热，则这将导致涡轮膨胀机入口收集器22中的压力增加，这将导致第二入口压力控制器43产生施加到压缩机速度控制器51的信号，压缩机速度控制器51产生将增加在可变速度机械联接器31的输出轴处可用的扭矩的信号，从而增加压缩机速度。
在可变速度机械联接器31的输出轴处压缩机29所需的扭矩的变化导致涡轮膨胀机21的旋转速度与涡轮膨胀机的额定操作速度ωexp-operating的偏差。包括涡轮膨胀机速度换能器61和涡轮膨胀机速度控制器59的涡轮膨胀机速度控制回路将提供控制信号，该信号作用在可变入口导向静叶57A、57B上，将涡轮膨胀机旋转速度保持在额定操作速度ωexp-operating或左右，从而抵消由于压缩机速度控制器51所产生的信号而导致的扭矩变化的影响。
根据一些实施例，ORC系统5的控制系统可包括使系统能够处理对通过压缩机29处理的流量的快速部分化的请求的装置。根据本说明书公开的系统的实施例，如果压缩机速度需要减少，例如由于来自管道10的需求减少，可以通过块71向选择器73提供对应的部分化信号，选择器73选择在部分化信号和来自第二入口压力控制器43的信号之间的最小者。该选择的最小信号然后被施加到压缩机速度控制器51。因此，如果需要来自压缩机29的流量的急剧降低，则部分化信号将超控第二入口压力控制器43，并且导致可变速度机械联接器31的输出轴的速度快速降低。这又将导致涡轮膨胀机入口收集器22中的压力增加到高于P1并且第一入口压力控制器41打开旁路阀47。
根据另外的实施例，控制系统还可设置有这样的装置，该装置确保涡轮膨胀机流量降低得比如上所述获得的更快，例如，如果需要快速减少流量的话。
为此，可以在压缩机速度控制器51和涡轮膨胀机速度控制器59之间设置前馈控制块75。在这种情况下，来自块71的流量降低信号将导致前馈块产生前馈控制信号，该信号超控上述速度控制过程，并且将直接施加到涡轮膨胀机速度控制器59，涡轮膨胀机速度控制器59又将产生将快速关闭可变入口导向静叶57A、57B的控制信号。
根据一些实施例，控制布置还可包括防止涡轮膨胀机入口压力降到低于最小允许压力P3的装置，P3可比P2小例如0.5巴。根据本说明书公开的实施例，这通过选择器62和第三入口压力控制器45实现。后者具有低于第二入口压力控制器43的设定点压力P2的设定点压力P3。如果设定点压力P2为39.5巴，第三入口压力控制器43的设定点压力P3可为例如39.0巴。
如果例如由于废热回收交换器17或传热回路7的故障，或者由于可用废热的下降，而使涡轮膨胀机入口收集器22中的压力下降到P3，则第三入口压力控制器45产生施加到选择器62的控制信号。选择器62选择在第三入口压力控制器45的控制信号和涡轮膨胀机速度控制器59的控制信号之间的最低者。如果第三入口压力控制器45检测到压降，则其信号将接替来自涡轮膨胀机速度控制器59的信号，并且被选择器62传递到可变入口导向静叶57A、57B，从而导致通过涡轮膨胀机21的流量快速减少。
用于启动和负载控制的备选控制方法是可能的。下面将参考图4的示意图描述控制方法的另一个示例性实施例。
对应于图2和图3所示的元件和部件的图4的元件和部件用相同的参考标号标记。图4中所示实施例的系统的布局将被简要概述。接下来将详细描述其操作。
在图4中，结合用于控制其旋转机器的装置的示例性布置，示出了ORC系统5的主要部件。涡轮膨胀机21在这里示出为整体齿轮式涡轮膨胀机，其由第一高压级21A和第二低压级21B构成。每个涡轮膨胀机级21A、21B包括输出轴20A、20B。输出轴20A、20B驱动地连接到齿轮箱21D。功率从涡轮膨胀机21通过涡轮膨胀机输出轴21C传递到再次标记为31的可变速度机械联接器。可变速度机械联接器31又连接到压缩机29。
在图4中，示出了第一入口压力控制器41和第二入口压力控制器43。第一入口压力控制器41被构造成用于控制放置在旁路管线49上的旁路阀47。旁路管线49将涡轮膨胀机入口收集器22连接到回热器23或冷凝器25，从而绕过涡轮膨胀机21。参考标号41A表示压力换能器，其信号被施加到第一入口压力控制器41。参考标号43A表示压力换能器，其信号被施加到第二入口压力控制器43。
第一压缩机速度控制器51A和第二压缩机速度控制器51B连接到压缩机速度换能器53，压缩机速度换能器53检测可变速度机械联接器31的输出轴31A的旋转速度。第一压缩机速度控制器51A可在功能上连接到启动阀55。第二压缩机速度控制器51B连接到低信号选择器62。低信号选择器62的输出被施加到涡轮膨胀机21的第一高压级21A和涡轮膨胀机21的第二低压级21B的可变入口导向静叶(IGV)57A、57B。在其它实施例中，例如，如果提供单级涡轮膨胀机，则仅需要一组可变的入口喷嘴或入口导向静叶。
同样在图4的实施例中，可变入口导向静叶57A、57B可被连结以由单个控制信号，即低信号选择器62的输出信号来控制。
参考标号59A表示第一涡轮膨胀机速度控制器，其在功能上连接到涡轮膨胀机速度换能器61并从其接收涡轮膨胀机速度信号。在图4的实施例中，涡轮膨胀机速度换能器61检测轴21C的旋转速度。在其它实施例中，涡轮膨胀机速度换能器61可被施加到轴20A和/或轴20B或全部三个轴20A、20B和21C。
第一涡轮膨胀机速度控制器59A的输出可通过切换块58选择性地施加到涡轮膨胀机启动阀55。
第二涡轮膨胀机速度控制器59B可接收来自涡轮膨胀机速度换能器61的信号。第二涡轮膨胀机速度控制器59B的输出可被选择性地施加到可变速度机械联接器31。
根据一些实施例，受控的涡轮膨胀机入口阀63可平行于涡轮膨胀机启动阀55布置。在一些实施例中，可进一步提供通/断阀66并将其与涡轮膨胀机入口阀63和涡轮膨胀机启动阀55串联布置。在其它实施例中，可使用单阀或双阀布置代替三阀系统55、63、66。
用于控制ORC系统5的操作的另外的元件可包括压缩机旁路阀67，其直接地或利用气体再循环管线(未示出)将压缩机输送侧与压缩机吸入侧连接。压缩机旁路阀67可以是压缩机29的防喘振阀。
块81示意性地表示压力控制启用命令。参考标号83、85、87示意性地表示用于选择性地启用/禁用迄今描述的系统的某些控制回路的块。块89表示控制软件逻辑，其控制阀63和66的打开和关闭。
现在将详细描述图4的系统的操作。
初始条件与先前结合由图3的系统执行的方法描述的相同。通/断阀66、启动阀55和涡轮膨胀机入口阀63关闭。旁路阀47在第一入口压力控制器41的控制下调节涡轮膨胀机入口收集器22中的压力。涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶57A、57B优选是完全打开的。可变速度机械联接器31被设定为最小速度。压缩机29的旁路阀67完全打开。
当从顶部高温热力循环3可获得废热时，底部低温热力学ORC系统5中的工作流体开始加热并加压。当涡轮膨胀机入口收集器22中的压力达到启动压力P1时，可引发启动程序。阀66完全打开，同时涡轮膨胀机入口阀63和启动阀55关闭。涡轮膨胀机旋转在第一涡轮膨胀机速度控制器59A的控制下引发，第一涡轮膨胀机旋转速度控制器59A作用在逐渐打开的启动阀55上。为此，启用涡轮膨胀机速度控制回路。涡轮膨胀机速度控制回路可由涡轮膨胀机速度换能器61和第一涡轮膨胀机速度控制器59A构成。切换块58示意性地表示启用该涡轮膨胀机控制回路的选项。来自第一涡轮膨胀机速度控制器59A的信号被施加到启动阀55。
上述涡轮膨胀机速度控制回路61、59A逐渐打开涡轮膨胀机启动阀55，从而增加从涡轮膨胀机入口收集器22流过涡轮膨胀机21的工作流体的流量。可变入口导向静叶57A、57B被保持部分地或优选完全打开。
涡轮膨胀机旋转速度增加，直到达到预热速度ω预热。涡轮膨胀机21在预热速度下保持预热时间间隔Δt预热。压缩机29静止或转动缓慢，因为可变速度机械联接器31设定在最小速度值。在此阶段不需要压缩机速度控制，因此不启用这种压缩机速度控制。
在预热时间间隔Δt预热到期之后，涡轮膨胀机21从预热速度ω预热直至其满操作即额定操作速度ωexp-operating的加速开始。通过仍在第一涡轮膨胀机速度控制器59A的控制下进一步逐渐打开启动阀55来获得加速。
一旦达到了涡轮膨胀机21的额定操作速度ωexp-operating，通过启动阀55的涡轮膨胀机速度控制被禁用，并且压缩机速度控制被启用。
压缩机速度控制基于来自压缩机速度换能器53的速度信号来操作，该压缩机速度换能器53是包括第一压缩机速度控制器51A的压缩机速度控制回路的一部分。当涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶或喷嘴57A、57B保持完全打开时，通过进一步打开启动阀55来增加压缩机速度，使得通过涡轮膨胀机21的工作流体的流量进一步增加。
为了防止涡轮膨胀机加速超过其额定操作速度ωexp-operating，随着启动阀55进一步打开，提供作用于可变速度机械联接器31的涡轮膨胀机速度控制回路，并在该阶段启用。根据一些实施例，涡轮膨胀机速度控制回路现在包括涡轮膨胀机速度换能器61和第二涡轮膨胀机速度控制器59B。涡轮膨胀机速度控制回路59B、61基于来自涡轮膨胀机速度换能器61的速度信号而作用于可变速度机械联接器31。可变速度机械联接器31被控制，以增加从涡轮膨胀机21传递到压缩机29的扭矩，从而增加可变速度机械联接器31的输出速度。由于由启动阀55的逐渐连续打开引起的工作流体的流量增加，在涡轮膨胀机21处可用的附加功率被传递到压缩机29，从而导致其加速，同时将涡轮膨胀机21的速度保持在额定操作速度ωexp-operating左右。
简而言之，现在启用了双速度控制回路。包括压缩机速度换能器53和第一压缩机速度控制器51A的压缩机速度控制回路用来逐渐打开启动阀55。涡轮膨胀机21通过包括涡轮膨胀机速度换能器61和第二涡轮膨胀机速度控制器59B的涡轮膨胀机速度控制回路保持在其额定操作速度ωexp-operating。涡轮膨胀机速度控制回路基于实际的涡轮膨胀机速度作用于可变速度机械联接器31，增加传递到压缩机29的功率量。
压缩机29的加速持续到达到最小压缩机操作速度ωmin-comp-speed。一旦达到所述最小压缩机操作速度ωmin-comp-speed，启动阶段就完成。压缩机旁路阀67仍然打开，涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶57A、57B仍然完全打开。涡轮膨胀机入口收集器22中的压力在第一入口压力控制器41的控制下设定在启动压力P1。工作流体的一部分仍然通过由第一入口压力控制器41控制的旁路管线49和旁路阀47旁通。
一旦达到最小压缩机操作速度ωmin-comp-speed，启动阀55就斜坡变化至其完全打开位置。涡轮膨胀机速度控制回路61、59B通过作用于可变速度机械联接器31而将涡轮膨胀机21的旋转速度保持在额定涡轮膨胀机操作速度ωexp-operating。压缩机速度的控制现在由第二压缩机速度控制器51B接管，该控制器通过作用于可变入口导向静叶57A、57B而将压缩机29的速度保持在最小压缩机操作速度ωmin-comp-speed。
一旦涡轮膨胀机启动阀55完全打开，则涡轮膨胀机入口阀63打开，并且涡轮膨胀机启动阀55随后完全关闭。工作流体现在通过阀63、66输送到涡轮膨胀机21。如先前结合图3所述，如果使用不同的阀布置，可以使用不同的阀打开和关闭顺序。
旁路阀47仍然至少部分地打开。工作流体部分地流过涡轮膨胀机21并且部分地流过旁路管线49。在下面将要描述的下一步骤中将实现通过涡轮膨胀机21的全流量，在此期间压缩机29从最小压缩机操作速度ωmin-comp-speed加速到完全压缩机操作速度ωcomp-oper。
一旦压缩机速度增加到最小压缩机操作速度ωmin-comp-speed以上，压缩机旁路阀67就可逐渐关闭，使得压缩机29与压缩机11A、11B平行排成直线并开始处理管道10中的气体介质。
在压缩机速度控制回路和压力控制回路的控制下执行压缩机加速的最后步骤，压缩机速度控制回路包括压缩机速度换能器53和第二压缩机速度控制器51B，压力控制回路包括第二入口压力换能器43A和第二入口压力控制器43。两个控制回路通过低信号选择器62作用在可变入口导向静叶57A、57B上。
来自第二压缩机速度控制器51B的输出信号现在被施加到涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶57A、57B。由于实际压缩机速度是ωmin-comp-speed，并应增加以达到完全压缩机操作速度ωcomp-oper，第二压缩机速度控制器51B产生旨在进一步打开涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶57A、57B的信号，使得由于增加了通过涡轮膨胀机21的工作流体流，能够获得更多功率，以便增加压缩机速度。在由第二入口压力换能器43A检测到的压力下降至第二入口压力控制器43的第二入口压力设定点P2以下的情况下，可变入口导向静叶57A、57B的打开将由入口压力控制器43通过低信号选择器62限制。
包括涡轮膨胀机速度换能器61和第二涡轮膨胀机速度控制器59B的涡轮膨胀机速度控制回路防止涡轮膨胀机21加速超过其额定操作速度ωexp-operating。这是通过作用在可变速度机械联接器31上的涡轮膨胀机速度控制回路61、59B获得的，使得在第二压缩机速度控制器51B和第二入口压力控制器43的控制下通过打开可变入口导向静叶57A、57B可获得的增加的功率将被转移到轴31A以用于加速压缩机29。
同时第二入口压力控制器43产生一个信号，该信号旨在将涡轮膨胀机入口收集器22中的压力保持在稳态涡轮膨胀机入口压力P2，即第二入口压力控制器43的压力设定点，以防止涡轮膨胀机入口压力降到第二压力设定点P2以下。由于P2低于第一入口压力控制器41的设定压力P1，第一入口压力控制器41已经关闭旁路阀47。全部工作流体现在将流过涡轮膨胀机21。
因此，在该阶段期间，来自第二入口压力控制器43的信号被施加到低信号选择器62，并且来自压缩机速度控制回路的信号也被施加到低信号选择器62。由低信号选择器62接收的两个信号中最小的信号用于控制可变入口导向静叶57A、57B。第二压缩机速度控制器51B将产生一个信号，该信号旨在将压缩机加速至完全压缩机操作速度ωcomp-oper，同时其作用将由来自第二入口压力控制器43的控制信号平衡，如果压力涡轮膨胀机入口收集器22中的压力趋于降低到设定点压力P2以下的话。
根据一些实施例，在稳态条件下，两个控制器是活动的，并可选择性地作用在涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶57A、57B上。第一控制器是第二入口压力控制器43，其控制涡轮膨胀机入口收集器22中的压力。另一个控制器是第二压缩机速度控制器51B。两个控制器的信号被施加到低信号选择器62。根据一些实施例，低信号选择器62选择两个控制器信号中的较小者，然后将其用于作用于涡轮膨胀机的可变入口导向静叶57A、57B。
如果例如从顶部高温热力循环获得的功率减小，则由第二入口压力控制器43检测的涡轮膨胀机入口收集器22中的压降将提供旨在通过关闭涡轮膨胀机21的可变入口导向静叶57A、57B来减小压降的信号。如果从顶部高温热力循环可获得更多的功率，则由此引起的涡轮膨胀机入口收集器22中的压力增加由第二入口压力控制器43检测，这将产生相反的控制信号，该信号旨在通过打开可变入口导向静叶57A、57B来减小压力增加。
同时，压缩机速度的波动被压缩机速度换能器53检测，并且将导致第二压缩机速度控制器51B产生控制信号。该信号旨在使可变入口导向静叶57A、57B的打开或关闭分别增加或减小压缩机速度。
当来自第二入口压力控制器43和第二压缩机速度控制器51B的两个控制信号被施加到低信号选择器62时，后者将选择两个信号中最小的信号，该最小的信号最后被施加到可变入口导向静叶57A、57B。
如果需要，可以将压缩机速度调节至高于或低于完全压缩机操作速度ωcomp-oper的速度值。例如，压缩机速度可被调节，以满足(或帮助满足)压缩机所连接到的管道10中的特定过程条件，该条件例如通过增加或减少管道集管中的流量或压力条件来决定。
虽然本文所描述的主题的公开实施例已在图式中示出且在上文结合若干示范性实施例精确且详细地进行充分描述，但对于所属领域的技术人员来说将显而易见的是，在未实质脱离本文所阐述的新颖教示、原理及概念以及所附权利要求书中叙述的主题的优点的情况下可能有许多修改、改变及省略。因此，所公开的创新的适当范围应仅由所附权利要求书的最广义解释确定，以便涵盖所有此类修改、改变及省略。另外，任何过程或方法步骤的次序或序列可根据替代实施例而变化或重新排序。

Claims (20)

1.一种功率转换系统，包括：
废热源(17)；
有机朗肯循环系统(5)，其包括以下部分：包括可变入口导向静叶(57A，57B)的至少一个涡轮膨胀机(21)，与所述涡轮膨胀机(21)机械联接并被所述涡轮膨胀机(21)驱动的至少一个旋转负载(29)，以及在所述涡轮膨胀机(21)和所述旋转负载(29)之间的可变速度机械联接器(31)。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
燃气涡轮系统(3)，其包括至少一个燃气涡轮发动机(9A，9B)和由所述至少一个燃气涡轮发动机(9A，9B)驱动的至少另外的旋转负载(11A，11B)；
以及用于将废热从所述燃气涡轮系统(3)转移到所述有机朗肯循环系统(5)的热交换系统(7，17，19)；其中，所述废热源包括来自所述燃气涡轮系统(3)的排气。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述另外的旋转负载包括至少一个另外的涡轮机械(11A，11B)，所述至少一个另外的涡轮机械优选地是压缩机。
4.根据权利要求1或2或3所述的系统，其中，所述旋转负载包括至少一个涡轮机械(29)，所述至少一个涡轮机械优选地是压缩机。
5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，其中，所述有机朗肯循环系统(5)包括涡轮膨胀机入口收集器(22)和至少一个入口压力控制器(43)，所述至少一个入口压力控制器被布置和构造成将所述涡轮膨胀机入口收集器(22)中的压力保持在稳态涡轮膨胀机入口压力(P2)。
6.根据权利要求5所述的系统，包括另外的入口压力控制器(41)，所述另外的入口压力控制器(41)被布置和构造成控制旁路阀(47)，所述旁路阀(47)将所述涡轮膨胀机入口收集器(22)连接到所述有机朗肯循环系统(5)的低压侧，所述另外的入口压力控制器(41)的压力设定点(P1)高于所述稳态涡轮膨胀机入口压力(P2)。
7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的系统，还包括速度控制布置，所述速度控制布置被构造和布置成用于控制所述涡轮膨胀机(21)和所述旋转负载(29)；并且其中，所述速度控制布置优选地包括至少第一涡轮膨胀机速度控制回路，所述至少第一涡轮膨胀机速度控制回路包括涡轮膨胀机速度换能器(61)和第一涡轮膨胀机速度控制器(59；59A)。
8.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一涡轮膨胀机速度控制器(59；59A)被构造和布置成用于将控制信号选择性地施加到启动阀(55)和所述涡轮膨胀机(21)的可变入口导向静叶(57A，57B)；或用于将控制信号施加到所述启动阀(55)。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述涡轮膨胀机速度控制器被进一步构造和布置成用于将控制信号选择性地施加到所述可变速度机械联接器(31)。
10.根据权利要求7或8或9所述的系统，其中，所述速度控制布置还包括第二涡轮膨胀机速度控制回路，该第二涡轮膨胀机速度控制回路包括第二涡轮膨胀机速度控制器(59B)，并且其中，所述第二涡轮膨胀机速度控制回路被构造和布置成用于将控制信号选择性地施加到所述可变速度机械联接器(31)。
11.根据权利要求7至10中的一项或多项所述的系统，其中，所述速度控制布置还包括至少一个第一负载速度控制回路，该至少一个第一负载速度控制回路包括负载速度换能器(53)和第一负载速度控制器(51；51A)；其中，所述第一负载速度控制器(51)优选地被构造和布置成用于将控制信号选择性地施加到所述可变速度机械联接器(31)；并且其中，所述第一负载速度控制器(51；51A)优选地被构造和布置成用于将控制信号选择性地施加到所述涡轮膨胀机(21)的可变入口导向静叶(57A，57B)。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一负载速度控制器(51；51A)被构造和布置成用于将控制信号选择性地施加到启动阀(55)。
13.根据权利要求11或12所述的系统，其中，所述速度控制布置还包括第二负载速度控制回路，该第二负载速度控制回路包括第二负载速度控制器(51B)；并且其中，所述第二负载速度控制回路被构造和布置成用于将控制信号选择性地施加到所述涡轮膨胀机(21)的可变入口导向静叶(57A；57B)。
14.根据权利要求7至13中的一项或多项所述的系统，其中，所述速度控制布置被构造和布置成用于执行所述有机朗肯循环系统(5)的启动阶段，包括将所述涡轮膨胀机(21)加速到预热速度(ω预热)的步骤，以及将所述涡轮膨胀机(21)加速到额定操作速度(ωexp-operating)的后续步骤；并且其中，所述速度控制布置优选地被构造和布置成用于通过作用于启动阀(55)而将所述涡轮膨胀机(21)加速到所述预热速度(ω预热)。
15.根据权利要求15所述的系统，其中，所述速度控制布置被构造和布置成用于将所述涡轮膨胀机(21)在预热速度(ω预热)下保持预热时间间隔(Δt预热)。
16.根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述速度控制布置被构造和布置成用于将所述旋转负载(29)加速到最小操作速度(ωmin-comp-speed)，并且随后将所述旋转负载(29)加速到完全操作速度(ωcomp-oper)；并且其中，所述速度控制布置优选地被构造和布置成用于在所述涡轮膨胀机(21)已达到所述完全操作速度(ωexp-operating)之后将所述旋转负载(29)朝所述最小操作速度(ωmin-comp-speed)加速。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述速度控制布置被构造和布置成用于通过作用于所述可变速度机械联接器(31)而将所述旋转负载(29)从所述最小操作速度(ωmin-comp-speed)加速到所述完全操作速度(ωcomp-oper)；并且其中，所述速度控制布置优选地被构造和布置成用于在通过作用于所述涡轮膨胀机(21)的可变入口导向静叶(57A，57B)而从最小操作速度(ωmin-comp-speed)到所述完全操作速度(ωcomp-oper)的所述旋转负载的加速期间将所述涡轮膨胀机速度保持在额定操作速度(ωexp-operating)。
18.根据权利要求13至17中任一项所述的系统，其中，所述速度控制布置被构造和布置成用于通过作用于所述涡轮膨胀机(21)的可变入口导向静叶(57A，57B)而将所述旋转负载(29)朝完全操作速度(ωcomp-oper)加速，同时通过作用于所述可变速度机械联接器(31)而将所述涡轮膨胀机保持在额定操作速度(ωexp-operating)。
19.一种用于管理功率转换系统的方法，所述功率转换系统包括热联接到废热源(17)的有机朗肯循环系统(5)，并且包括：至少一个涡轮膨胀机(21)，其包括可变入口导向静叶(57A，57B)；至少一个旋转负载(29)，其机械联接到所述涡轮膨胀机(21)并由所述涡轮膨胀机(21)驱动；以及可变速度机械联接器(31)，其在所述涡轮膨胀机(21)和所述旋转负载(29)之间；所述方法包括作用于所述可变速度机械联接器(31)以控制从所述涡轮膨胀机(21)传递到所述旋转负载(29)的功率的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，包括以下步骤：
将所述涡轮膨胀机(21)加速到第一预热速度(ω预热)，并且随后将所述涡轮膨胀机(21)加速到高于所述预热速度的额定操作速度(ωexp-operating)；
将所述旋转负载(29)加速到最小负载操作速度(ωmin-comp-speed)，并且随后将所述旋转负载加速到高于所述最小负载操作速度的完全操作速度(ωcomp-oper)，同时将所述涡轮膨胀机(21)保持在所述额定操作速度(ωexp-operating)或其左右。
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