CN108350801B - 自由活塞发动机发电设备 - Google Patents

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Abstract

公开了自由活塞发动机发电设备。特别地，公开了包含用于改善自由活塞发动机的控制和效率的装置的自由活塞发动机发电设备。该自由活塞发动机发电设备包括：第一燃烧缸，其具有固定到轴的第一燃烧活塞；流体膨胀器，其包括膨胀缸，所述膨胀缸在其中具有膨胀器活塞，所述膨胀器活塞固定到所述轴，用于与所述第一燃烧活塞一同往复运动；底循环，其具有工作流体；以及热交换器。

Description

自由活塞发动机发电设备
公开了自由活塞发动机发电设备(free-piston engine power plant)。特别地，公开了包含用于改善自由活塞发动机的控制和效率的装置的自由活塞发动机发电设备。
背景
自由活塞发动机是线性发动机，其中往复运动的发动机基本上没有旋转部件。电力输出可以经由线性发动机转换设备(例如，线性发电机或液压泵)或经由排气涡轮机(exhaust gas turbine)来完成。以下呈现了对不同的自由活塞发动机配置的综述：Mikalsen R.,Roskilly A.P；自由活塞发动机历史和应用(A review of free-pistonengine history and applications)；实用热力工程学(Applied Thermal Engineering),2007；27:2339-2352。以下呈现了对一些最近的自由活塞发动机发展的概述：HanipahM.R.,Mikalsen R.,Roskilly A.P；用于汽车应用的最新商用自由活塞发动机的发展(Recent commercial free-piston engine developments for automotiveapplications)；实用热力工程学(Applied Thermal Engineering),2015；75:493-503。
自由活塞发动机的一个挑战是对活塞运动的控制，因为活塞组件并不通过曲柄机构限制其运动，而是将在任何给定时间在作用在活塞组件上的不同力的影响下自由移动。在自由活塞燃气发电机(free-piston gas generators)中，另外的挑战是(往复运动的)自由活塞燃烧发动机与(旋转动态的)发电涡轮机的匹配。这是因为来自发动机的脉冲式的流动对于在稳定流动状态下提供最佳效率的涡轮机而言不太理想。
本发明的实施方案力图提供一种自由活塞发动机发电设备，与已知的系统相比，该自由活塞发动机发电设备具有改善的性能，包括改善的控制能力和运行灵活性以及更高的燃料效率。
本发明的实施方案是提供一种自由活塞发动机发电设备，与已知的系统相比，该自由活塞发动机发电设备具有改善的性能，包括改善的控制能力和运行灵活性以及更高的燃料效率。
公开内容的简要概述
根据第一方面，提供了一种自由活塞发动机发电设备，该自由活塞发动机发电设备包括：
第一燃烧缸，其具有固定到轴的第一燃烧活塞；
流体膨胀器，其包括膨胀缸，所述膨胀缸在其中具有膨胀器活塞，所述膨胀器活塞固定到所述轴，用于与所述第一燃烧活塞一同往复运动；
底循环，其具有工作流体；以及
热交换器，其适合于将来自所述第一燃烧缸的排气流的热传递到所述工作流体；
其中，所述流体膨胀器适合于充当用于所述工作流体的膨胀器，并且其中阀被提供以控制所述工作流体流入和流出所述流体膨胀器。
有利地，提供流体膨胀器(其具有固定到往复运动的轴的膨胀器活塞)和阀(以控制工作流体流入和流出流体膨胀器)允许流体膨胀器被用于在自由活塞发动机发电设备中帮助活塞运动控制。
通过控制阀以向膨胀缸供应工作流体或从膨胀缸排出工作流体，或者替代地封闭膨胀缸以提供反弹室，流体膨胀器降低了偏离止点位置(dead centre positions)的风险。这降低了在活塞和缸盖之间的机械接触(该机械接触对发动机而言可能是毁灭性的)的风险，并且改善了发动机运行稳定性，例如在燃烧过程中的循环之间的变动的影响下。
此外，由于排气热在流体膨胀器中被使用，所以这种控制可以在没有净能量成本的情况下被实现。通过以这种方式使用排气热，系统的净剩余能量被获得。来自流体膨胀器的净剩余能量有助于燃烧缸中的压缩功，并且因此增加从燃烧缸的净能量输出。
优选地，底循环可以配置成按照郎肯循环起作用。有利地，这提供了来自排气流的热的有效转化率，通过高的压力比，确保流体膨胀器可以提供作用在活塞组件上的高的力，并且因此例如在瞬时运行期间，提供更有效的控制。
可选地，膨胀器活塞是双作用(double-acting)蒸汽缸。有利地，这允许来自流体膨胀器的力在两个方向上施加到轴。
可选地，自由活塞发动机发电设备还可以设置有线性能量转换设备。线性能量转换设备可以设置在轴上，并且线性能量转换设备可以包括耦合到轴的平移元件(translator element)。
优选地，线性能量转换设备是电机(electric machine)。
有利地，这允许净循环功被直接取出为例如电能。特别地，来自底循环的净剩余能量可以经由与燃烧缸相同的能量转换设备取出，因此消除了对用于利用或回收底循环中的排气能量的单独的能量转换设备的需求，并且由此减少发电设备的成本。
可选地，发电设备还可以设置有第二燃烧缸，第二燃烧缸具有固定到轴的第二燃烧活塞，也配置成通过热交换器将热传递到工作流体。有利地，这改善了发电设备的功率密度，同时流体膨胀器可以被使用，以避免控制这样的双活塞自由活塞发动机系统所通常面临的挑战，包括循环之间的变动和在负载瞬变期间的不稳定的性能。
可选地，发电设备还可以设置有发电涡轮机。发电涡轮机可以布置成接收从燃烧室供应的排气。
有利地，提供底循环将净量的功贡献到燃烧发动机的压缩冲程，因此为提供到涡轮机的排气流提供更多的能量，由此产生更多的电力。
在另外的方面，公开了一种自由活塞燃气发电机发电设备，该自由活塞燃气发电机发电设备包括：
自由活塞发动机；以及
发电涡轮机；
其中所述自由活塞发动机布置成将排气经由排气通道供应到所述发电涡轮机，并且其中水喷射器被提供，以将水以预定的水喷射频率喷射到所述排气通道中。
有利地，这使通过发电涡轮机的排气的流动速率的波动最小化，从而改善了发电设备的效率。
优选地，预定的水喷射频率被匹配为与发动机的运行频率互补。有利地，这允许水喷射根据发动机运行状态来操作，并且考虑排气的流动速率的变动。
优选地，水喷射器适合于根据所测量的自由活塞发动机的运行频率来改变喷射到排气通道中的水的流动速率。可选地，水的流动速率可以被控制以像正弦波形一样连续地改变，或者流动速率可以以脉冲式的开/关的方式被控制。脉冲的正时(timing)可以适合于与关于发动机的运行频率的期望的相位互补，并且脉冲的频率可以配置成与发动机的频率匹配。
可选地，自由活塞燃气发电机发电设备还设置有水泵，用于增加水喷射器中的压力。有利地，这改善了喷射器的性能，例如，喷射器的响应能力以及喷射的可用率，并且还改善了水在排气流内的雾化/分布。
可选地，喷射器包括喷嘴，以雾化正被喷射到排气通道中的水。有利地，这些中的一者或两者确保了水在排气流中的有效蒸发。
根据另外的方面，提供了一种自由活塞燃气发电机发电设备，该自由活塞燃气发电机发电设备包括：
自由活塞发动机；
发电涡轮机；
自由活塞发动机，其配置成将排气经由排气通道供应到所述发电涡轮机；
所述发电设备还设置有水供应装置(water supply)、热交换器和喷射器；
其中所述热交换器耦合到来自所述发电涡轮机的排气管线，所述排气管线布置成加热所述水供应装置以产生蒸汽，所述喷射器布置成将所述蒸汽喷射到所述排气通道中。
有利地，由于排气热被用于改善通过涡轮机的流体流动，所以这改善了整个发电设备的效率和从发电涡轮机的电力输出。
优选地，可以提供喷射阀，以控制喷射到排气通道中的蒸汽速率。有利地，喷射阀提供对进入排气通道的蒸汽速率的控制，并且由此有助于控制由发电涡轮机产生的电力。
此外，这允许对被喷射的蒸汽的量的控制，并且因此允许涡轮机的负载控制。这可以根据(外部)需求而在任何时间调整运行。通过控制蒸汽喷射的速率，将不经历这样的负载变化，或者将具有对自由活塞发动机的较少的影响。这减少了自由活塞发动机所面临的已知的挑战中的一个，即自由活塞发动机的处理快速负载变化的能力。
可选地，喷射阀配置成将水以预定的水喷射频率喷射到排气通道中。有利地，这种脉冲式的蒸汽喷射可以抵消发电涡轮机所经历的压力变化。
可选地，水泵被提供，用于增加水喷射器中的压力。
可选地，水喷射器包括喷嘴，以雾化正被喷射到排气通道中的水。
可选地，蒸汽的一部分被分流以形成第二蒸汽路径。有利地，这允许过量的蒸汽用于其它目的。
可选地，第二蒸汽路径喷射器和第二蒸汽路径阀可以设置在第二蒸汽路径上，以控制供应到第二路径的蒸汽的量。有利地，这允许用于发电设备的负载控制的蒸汽的使用，而同时利用过量能量以用于其它目的，并且允许发电设备根据任何给定的运行要求调整其运行。
附图简述
将参考附图在下文中进一步描述本发明的实施方案，在附图中：
图1示出了自由活塞发动机发电设备的示例；
图2示出了包括燃气发电机的自由活塞发动机发电设备的示例；
图3示出了包括燃烧室的自由活塞发动机的示例；
图4示出了自由活塞燃气发电机发电设备的示例；以及
图5示出了具有蒸汽喷射的自由活塞发生器的示例。
详细描述
图1示出了自由活塞发动机发电设备100。自由活塞发动机发电设备包括两个燃烧缸101a和101b，每个燃烧缸具有相关联的燃烧活塞102a和102b。燃烧活塞102a和102b通过轴103刚性地连接。此外，自由活塞发动机发电设备包括电机(electric machine)104，该电机具有固定到轴103的平移件和相对于轴103固定在静止位置(例如，在发电设备壳体(未示出)上)的固定件。
当燃烧缸101a和101b交替运行时，活塞组件被来回地驱动，并且来自燃烧循环的多余能量可以通过电机取出。
自由活塞发动机发电设备100还包括底循环(bottoming cycle，后发电循环)。在图1所示的实施方案中，其是郎肯循环(Rankine cycle)。为了图1的目的，可假定，其是基于水的蒸汽循环，然而其它类型的工作流体(例如，用于有机郎肯循环的流体)同样是可能的。交替底循环工作原理可以包括布雷顿循环或适合于给定设计要求的其它热力循环。
基于蒸汽的底循环具有流体膨胀器105。流体膨胀器105包括流体膨胀器活塞107，流体膨胀器活塞107布置在流体膨胀器缸106中并且刚性地耦合到轴103。因此，流体膨胀器活塞107将与轴103以及燃烧活塞102a和102b一起往复运动。流体通道108传递底循环的工作流体。工作流体被传递通过冷凝器109，在冷凝器109处，蒸汽通过例如冷却水被冷凝；水泵110设置成增加冷凝工作流体的压力；锅炉111设置成加热工作流体；以及可选地，过热器(superheater)112设置成进一步增加工作流体的温度。来自过热器112的工作流体被输送到流体膨胀器105。阀113和114控制工作流体进入流体膨胀器缸106以及从流体膨胀器缸106出来。阀113和114可以基于瞬时活塞位置和可选地诸如活塞速度和/或加速度的其它运行变量来主动控制。例如，这可以通过线性编码器和常规的阀致动器(例如，机电驱动的阀致动器)来实施。因此，底循环可以经由流体膨胀器105提供作用在轴103上的功。该功将有助于自由活塞发电设备的活塞运动控制，并且提供可以通过电机104取出的净剩余功(netsurplus work)。
底循环由来自燃烧缸101a和101b的排气驱动。来自燃烧缸101a和101b的排气经由排气通道115被引导到过热器112，排气在过热器112中可以与工作流体交换热，然后排气被引导通过涡轮增压器涡轮机116，然后在从发电设备排出之前通过锅炉111。
以这种方式，本来会以其它方式损失的排气热可以用于产生作用在轴103上的净功，并且因此允许排气热的一部分被回收并且经由电机104作为输出电功被取出。底循环的这种布置提供优于常规布置的实质性优点，常规布置具有这样的底循环，该底循环具有本身带有发电机的单独的膨胀器(例如，涡旋膨胀器(scroll expander))。如此，并不存在对单独的发电机的要求，并且因为流体膨胀器105以与自由活塞发动机的(已经存在的)往复运动的轴成一体的方式布置，发电设备100中的流体膨胀器105将比独立的流体膨胀器显著地更有效率。
图2示出了自由活塞发动机发电设备，该自由活塞发动机发电设备包括对置活塞式自由活塞发动机燃气发电机200。该燃气发电机具有燃烧室201、扫气箱(scavenge airbox)204、排气接收器(exhaust gas receiver)207和发电涡轮机206。每个燃烧活塞组件布置有反弹室(bounce chamber)202、进气阀203和增压泵205。对于本领域技术人员而言，这种布置应是已知的。
根据图2的实施方案还包括排气通道208，排气通道208从发电涡轮机206通向热交换器209。排气通道从热交换器209通向排气排放部。
提供了底循环，在该示例中也被示出为蒸汽循环。该底循环包括水泵211、用于底循环工作流体的流体通道212，由此流体通道将工作流体从水泵211引导通过热交换器209，以从排气接收热。工作流体还被引导到自由活塞发动机燃气发电机200的反弹室202中。工作流体从反弹室202经由流体通道212引导回冷凝器热交换器213以由冷却水流214冷却，并且引导回水泵211。
阀(未示出)控制工作流体进入反弹室202和从反弹室202放出。阀这样控制使得反弹室用作常规的活塞式膨胀器。阀可以控制工作流体在任何时间进入的量以及在反弹室中保留的流体的量，使得反弹室将在一定程度上作为常规的反弹室工作，并且在一定程度上作为用于工作流体的膨胀室工作。
有利地，这允许排气热的一部分被回收并用于自由活塞燃气发电机中的压缩过程，因此最终通过发电涡轮机206增加功率输出。
图3示出了自由活塞发动机300，该自由活塞发动机300具有燃烧室301、反弹室302和线性负载设备303。线性负载设备303是线性电机，与关于图1所描述的电机相似。
替代地，负载设备303是液压泵或气动压缩机缸。
来自燃烧室301的排气通过热交换器，并且用于以与关于图2所描述的方式等效的方式驱动底循环(未示出)。底循环的工作流体通过管312a和312b被引导到反弹室302中且从反弹室302排出，管312a和312b形成用于底循环的流体通道的一部分。有利地，这允许回收的排气热直接地作为电能通过负载设备303取出。通过利用反弹室302使工作流体膨胀，底循环可以在非常低的机械损失的情况下实施。
图4示出了对置活塞式自由活塞发动机发电设备，该对置活塞式自由活塞发动机发电设备包括自由活塞发动机燃气发电机400。燃气发电机400具有燃烧室401、扫气箱404、排气接收器407和发电涡轮机406。每个燃烧活塞组件布置有反弹室402、进气阀403和增压泵405。
这种自由活塞发动机燃气发电机发电设备所面临的挑战是，自由活塞发动机的往复运动性质产生脉冲式的排气流动状态。发电涡轮机406在平稳的稳定流动状态下通常具有最佳性能。因此，存在使这样的变化平滑到一定水平的需要，在所述水平下，这样的变化不会在发电涡轮机中产生显著的性能退化。
自由活塞发动机燃气发电机发电设备设置有具有喷射阀451的水供应装置450。可选地，如果水供应装置450没有提供用于喷射的足够的高压，则水泵452可以被使用。来自水供应装置450的水以脉冲的方式且以大体上等于来自燃气发电机400的排气中的流动脉冲的频率被喷射到排气接收器407中。(该频率将通常与自由活塞发动机的运行频率相同。)当水被喷射到排气接收器407中时，水将蒸发，并且因此做出增加排气接收器407中的压力的贡献。通过调节与来自自由活塞发动机的流动脉冲相关的脉冲式的水喷射的相位，这种贡献将具有脉冲式的性质并且可以减少或消除发电涡轮机所经历的流量和压力变化。
有利地，为了产生通过发电涡轮机所见到的压力和流动状态上的明显效应，可能仅需要相当少量的水，因此水喷射将不以任何显著的方式负面地影响系统的性能。优选地，水在高压下喷射并且通过小口径的喷嘴以确保良好的雾化和蒸发。(确切的值将取决于发电设备的尺寸，然而根据标准技术获得数百巴(例如，200巴、300巴或500巴以上)的水喷射压力是没有问题的。)
水喷射阀与喷嘴成一体，例如电磁控制喷射器。
图5示出了自由活塞燃气发电机500，自由活塞燃气发电机500等效于图4中示出的自由活塞燃气发电机，并且包括水供应装置550。可选地，如果水供应装置550不提供足够的高压，则水泵552可以被使用。热交换器509被提供，热交换器509经由排气通道508从自由活塞燃气发电机接收排气。在该实施方案中，示出的热交换器509接收从发电涡轮机出来的那些排气，然而热交换器可以替代地定位在自由活塞燃气发电机500和发电涡轮机506之间的排气管道中。
来自水供应装置550的水被引导通过热交换器509，以与排气交换热，由此产生蒸汽。来自热交换器509的蒸汽被引导到喷射阀551，以喷射到排气接收器507中。这增加了通过发电涡轮机的流动速率，因此允许产生更多的电功率。
另外地或替代地，蒸汽以脉冲式或随时间变化的方式被喷射到排气接收器507中，喷射的频率大体上与来自自由活塞发动机的流动脉冲的频率相同，而喷射的相位使得这些蒸汽使发电涡轮机506所经历的压力和流量变化尽可能多地变得平滑。由此，发电涡轮机可以在更平稳的状态下工作，以表现出更良好的性能。替代地，蒸汽可以在排气通道中的任何其它点处喷射，即在自由活塞发动机500和发电涡轮机506之间的任何地方喷射。
有利地，这利用了本来可能以其它方式损失的排气热，改善了发电设备的性能并且确保了发电涡轮机506的最佳运行和使用。确保了发电涡轮机506的平稳运行状态也改善了发电涡轮机的寿命并且减少了维护需求。
替代地或另外地，来自排气热交换器509的蒸汽可以被引导到通向加热回路560的第二路径，以在外部利用蒸汽热。例如，这可以用于住宅或商业建筑中的空间加热。阀561控制通向加热回路的蒸汽的量。阀561还可以与喷射阀551协作地工作，以控制通向每个路径的蒸汽的相对量。在这种情况下，蒸汽经由喷射阀551喷射到排气接收器中可以作为脉冲流动完成，以实现上述优点，或具有恒定流喷射率。
对阀561和喷射阀551的控制提供以下明显的优点：产生的功率的相对量可以比在常规系统中更灵活地调节。在所需要的热负载和电负载通常明显变化时，这在热电联产布置中具有独特的优点。例如，在电需求较高且热需求较低的运行的情况下，所有可用的蒸汽可以经由喷射阀551被引导到排气接收器。这增加了通过发电涡轮机506的整体流动速率，因此允许产生更多的电功率。相反地，如果电需求较低且热需求较高，则更多的蒸汽可以经由阀561被引导到加热回路560。
某些实施方案的自由活塞发电设备可以提供明显的优点，在于排气热(其本来可能以其它方式损失)可以被利用，并且具有较大的灵活性，使得系统运行可以适应于任何给定的热和电负载需求。
对于本领域技术人员将清楚的是，关于上述任何实施方案描述的特征可以在不同实施方案之间可互换地应用。上述实施方案是示出本发明的各种特征的示例。
在本说明书的整个描述和权利要求中，词语“包括”和“包含”以及其变型意指“包括但不限于”，并且其不意图(并且不)排除其他部分、添加物、组分、整体或步骤。在本说明书的整个描述和权利要求中，单数涵盖复数，除非上下文另有要求。特别地，在使用不定冠词的情况下，本说明书应理解为考虑复数以及单数，除非上下文另有要求。
结合本发明的特定方面、实施方案或示例描述的特征、整体、特性、化合物、化学部分或组应被理解为可适用于本文描述的任何其它方面、实施方案或示例，除非与其不相容。在本说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以任何组合被组合，除了其中这类特征和/或步骤中的至少一些是相互地排他的组合之外。本发明不限于任何前述的实施方案的细节。本发明扩展至在本说明书(包括任何所附的权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖的特征或任何新颖的组合，或扩展至如此公开的任何方法或工艺的步骤中的任何新颖的步骤或任何新颖的组合。
阅读者的注意力被指向与结合本申请的本说明书同时地或在本说明书之前被提交的并且与本说明书一起向公众开放的所有的论文和文献，并且所有的这类论文和文献的内容通过引用并入本文。

Claims (5)

1.一种自由活塞燃气发电机发电设备，包括：
自由活塞发动机；
发电涡轮机；
所述自由活塞发动机被配置成将排气经由排气通道供应到所述发电涡轮机；
所述发电设备还设置有水供应装置、热交换器和喷射器；
其中所述热交换器耦合到来自所述发电涡轮机的排气管线，所述排气管线布置成加热所述水供应装置以产生蒸汽，所述喷射器布置成将所述蒸汽喷射到所述排气通道中。
2.根据权利要求1所述的自由活塞燃气发电机发电设备，其中，喷射阀被提供，以控制喷射到所述排气通道中的蒸汽速率。
3.根据权利要求2所述的自由活塞燃气发电机发电设备，其中所述喷射阀配置成将蒸汽以预定的蒸汽喷射频率喷射到所述排气通道中。
4.根据权利要求1所述的自由活塞燃气发电机发电设备，其中所述蒸汽的一部分被分流以形成第二蒸汽路径。
5.根据权利要求4所述的自由活塞燃气发电机发电设备，其中第二蒸汽路径喷射器和第二蒸汽路径阀设置在所述第二蒸汽路径上，以控制供应到所述第二蒸汽路径的蒸汽的量。
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