CN1981113A - 用于orc底循环电厂的启动和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是平稳启动和控制ORC电厂的系统和方法。该系统包括针对启动时泵速和压力之间缺乏关系的级联闭环控制，以便控制泵速和压力，并且在达到系统的稳定操作条件时平稳过渡到稳定状态。级联回路接收与过热设定点、蒸发器出口处的压力以及蒸发器出口处的温度相对应的信号，并且在启动时控制泵速和压力，从而提供平稳操作。该系统和方法还包括针对启动时和外部扰乱施加在ORC电厂的情况下的前馈控制回路。

Description

用于ORC底循环电厂的启动和控制方法

技术领域

本发明总体涉及一种有机朗肯循环(ORC)电厂，并且特别涉及一种采用级联闭环控制的ORC电厂。

背景技术

有效的控制方法对于ORC电厂的安全操作来说十分重要。例如，在启动时，在压力和泵速之间没有限定关系。泵加速到其全速极限，以便试图控制过热和压力。这种状态造成泵气蚀以及排量波动，使得启动过程不稳定。通常公知的是气蚀可以造成损坏的不利状态。

需要一种平稳启动ORC电厂并使其在适当控制下操作的方法。

发明内容

在一个方面，本发明涉及一种用于ORC的闭环控制系统。ORC包括泵。控制系统包括比较器，将过热设定点输入和计算过热数值输入比较，并且提供过热错误信号；过热控制器，响应过热错误信号，过热控制器提供过热控制信号；加法器，将过热控制信号和压力信号相加，并提供相加信号；范围限制器，接收作为输入的相加信号并且形成位于极限范围内的范围限制信号；减法器，从范围限制信号中减去压力信号的复本(duplicate)，该减法器提供作为输出的相减信号；以及压力控制器，接收相减信号并且相应地产生压力控制信号。闭环控制系统在范围限制信号低于极限范围的最大数值时控制ORC的过热，并且闭环控制系统在范围限制信号在极限范围的最大数值时控制ORC的压力。

在一个实施例中，为了响应泵在流速限制状态下操作的确定，控制系统防止泵增加转动速度，直到压力达到压力极限为止。

在另一方面，本发明提供一种启动ORC的方法。该方法包括如下步骤：提供用于ORC的闭环控制系统，将热量施加到蒸发器，热量以稳定状态操作所需的一部分热函通量施加；在减小速度下操作泵；将高压极限设定在可以在减小泵速下以稳定状态实现的压力数值；等待直到ORC的操作状态达到泵曲线的操作曲线的压力平直部分；将压力极限增加到额定操作数值；在与增加的压力极限一致的较快速度下操作泵；在压力极限的额定操作数值处或以下的压力下，使得系统的操作模式从压力控制转换到过热控制；并且增加并控制热通量，使得系统满负载。

ORC电厂包括泵和具有热量输入的蒸发器。控制系统包括比较器，将过热设定点输入和计算过热数值输入比较，并且提供过热错误信号；过热控制器，响应过热错误信号，过热控制器提供过热控制信号；加法器，将过热控制信号和压力信号相加并提供相加信号；范围限制器，接收作为输入的相加信号并且形成位于极限范围内的范围限制信号；减法器，从范围限制信号中减去压力信号的复本，该减法器提供作为输出的相减信号；以及压力控制器，接收相减信号并且相应地产生压力控制信号。

在另一方面，本发明提供一种控制ORC的冷凝温度的方法。该方法包括如下步骤：提供ORC，其包括冷凝器和用于通过空气冷却冷凝器的风扇；测量ORC内采用的工作流体的冷凝温度；使用冷凝温度和环境空气温度的线性函数计算输出数值；将输出数值与使用线性函数产生的设定点数值比较以便产生错误信号；通过控制器根据错误信号操作以便产生控制信号；以及将控制信号施加到风扇来控制施加到冷凝器上以便冷却的空气量。

在一个实施例中，测量ORC内采用的工作流体的冷凝温度的步骤包括测量冷凝器出口处的工作流体的温度。在某些实施例中，该方法还包括使用涡轮高压侧的压力估计冷却剂质量流流速并且以前馈方式将估计冷却剂质量流流速提供给温度控制器以便控制冷凝器温度的步骤。在某些实施例中，该方法适用于ORC电厂的启动时间和ORC电厂经受外部干扰的时间中的所选一种情况。

在又一方面中，本发明提供一种缓冲超越控制方法。该方法包括如下步骤：限定特定的安全极限；检查蒸发器出口处的冷却剂蒸气温度；并且在蒸发器出口处的冷却剂蒸气温度超过特定安全极限时启动缓冲控制；由此来自于热源的过量热量转向，直到蒸发器出口处的冷却剂蒸气温度降低到特定安全极限以下为止。在某些实施例中，缓冲控制在开环控制和闭环控制中的所选一种情况下操作。

本发明的以上和其它目的、方面、特征和优点将从以下说明和权利要求中更加清楚。

附图说明

参考下面描述的附图和权利要求将更好地理解本发明的目的和特征。附图不需要按照比例，而是主要强调说明本发明的原理。附图中，类似标号用来在多个视图中表示类似的部件。

图1是按照本发明表示ORC电厂的示例性实施例的示意图；

图2是按照本发明表示ORC电厂的安全操作范围的热动态压力-热函(PH)图表；

图3是按照本发明的原理表示过热轨线的视图；

图4是按照本发明的原理表示级联闭环控制系统和方法的方框图格式中的转移函数；

图5A是用于本发明一个实施例的泵的叶轮；

图5B表示按照制造商的图5A所示的泵的性能曲线；

图6A是表示泵速和时间之间关系的视图，其中经历了临时泵速降；

图6B是表示流体流和蒸气流对于图6A的临时泵速降的响应的视图；

图7是按照本发明表示级联闭环控制系统和方法的一个实施例的视图；

图8A是按照本发明的原理表示不采用启动保持的操作实例的视图；

图8B是按照本发明的原理表示采用启动保持的操作实例的视图；

图9是表示用于实施本发明的冷凝器的热传递过程的视图；

图10表示从图9所示的冷凝器获得的试验数据；

图11是用于实施本发明的冷凝温度控制回路的视图；以及

图12是用于本发明的原理的前馈应用的控制图。

具体实施方式

有机朗肯循环(ORC)可添加到分配发电系统中，以便增加其总体效率。ORC不直接消耗燃料，而是使用可以是微型涡轮或往复运动装置或其它热源的“原动机”的废物。ORC闭合控制逻辑应该在电厂启动和正常操作期间都有效。主要部件是冷凝器110、冷却剂泵120、蒸发器130、任选的回收装置(图1未示出)以及涡轮140-发电机150组。在这里描述的实施例中，工作流体是可从Hnoeywell Corporation或E.I.DuPont DeNemours and Company得到的1，1，1，3，3五氟丙烷(公知为R245fa)。

两种系统效率和可靠性得益于保持进入涡轮的适当冷却剂(或工作流体)状态。在ORC实施例中，变速泵是用来控制冷却剂状态的主要致动器。在整个操作环境下，在涡轮140处应该保持如下条件以便确保系统的可靠性：

1.不应该超过最大压力极限；

2.不应该超过最大温度极限；以及

3.过热不应该接近零。

图2是在用于本发明一个实施例的热动态压力-热函(PH)图表上表示安全操作范围210的视图200。安全操作范围由过热曲线212、高压极限214、温度极限216和最小压力218，在最小压力之下，泵120不可接受地操作。除了所述标准之外，控制应该将操作状态驱动到高压极限，以便使得系统的功率效率最大。在正常情况下，对于泵来说没有最小压力极限，而对于蒸发器和/泵操作稳定性来说具有最小压力。

启动控制的主要目的是使得系统经由过渡控制逻辑到达稳定状态控制条件。当前的披露说明在系统启动过程中所使用的方法。在以下段落中描述有助于平稳启动的ORC控制系统。

控制系统要求

控制系统设计受到功能要求、成本限制和可靠性问题的组合来驱动。用来有效地操纵ORC系统的机构是泵和冷凝风扇速度，它们分别用来调节蒸发器出口的过热和冷凝器的冷凝压力。重要的目的在于使得整个电厂尽可能有效地供应所需量的净能量。控制系统进行性能优化、过渡行为调节以及错误检测和缓解的高级任务。用于控制系统的重要要求是：

1.将过热保持在特定设定点数值；

2.限制泵速，以便将蒸发器出口处的蒸气压力和温度控制到不超过预定限定的极限的数值，从而保持冷却剂性能的整体性；以及

3.调节冷凝温度，以便满足适当的涡轮下侧压力要求。

具有对于ORC电厂的适当操作很重要的三个主要闭环控制系统。它们是过热控制、冷凝温度控制以及缓冲控制。缓冲控制将热空气偏转离开蒸发器，以便将蒸发器出口处的蒸气温度控制在设计极限内。在某些实施例中，缓冲和过热的控制相互协调，从而使用最大量的热量，而不损坏蒸发器和涡轮，以便有效地使用热源。

蒸发器过热控制

涡轮入口处的工作液体进行过热，以便获得涡轮的安全操作。对于能量优化来说，较低的过热需要泵将更多的质量流输送到蒸发器，因此增加了涡轮的功率输出。但是如果过热设定点设置过低，在闭环控制下的过热的过冲可造成过热降低到零以下。在负(-)过热下的整个系统不马上关闭。相反，它从涡轮模式进行到旁通模式。图3是表示与30华氏度(30dF)的过热相对应的过热轨线312。如果轨线经过热动态循环的饱和线320之上，出于安全原因关闭整个系统。这种安全要求通过过热控制系统的约束规范来表示，在扰动下，这要求过热保持在零之上。

在ORC的热动态循环图中描述用于过热控制的控制要求。在ORC电厂在线时，或者热空气的热通量增加时，热量以恒定过热增加(例如在所示实例中是30dF)。在到达设计压力314时(例如所示实例中的200psia)，保持控制器的输出以便保持此压力。在某些实施例中，具有压力释放设定点(例如235psia)，并且具有控制报警设定点(例如225psia)。在热通量改变时，作为出口温度测量的过热改变。如果热通量继续增加，蒸发器出口处的工作流体的温度(TEVAPEX)，T增加。在某些实施例中，例如在50dF过热处，工作流体的热蒸发器出口温度造成超越控制启动。这种超越控制在某些实施例中是造成来自于蒸发器的过热空气转换的缓冲控制。

在某些实施例中，在70dF过热(290F)时，单元关闭，并且启动报警状态。如果TEVAPEX和过热朝着上部极限爬升并随后超过所述极限时，将出现这种情况。在某些实施例中，如果热通量由于热空气缓冲的有效控制而减小到过热低于30dF的点，松开保持并且控制器再次控制过热。

来自于热源的热流会改变，与ORC电厂控制器的控制无关。如果热流减小，过热将减小；为了在过热中与这种减小匹配，泵120必须减小其流速，造成过热返回到所需状态。如果流速过低，将严重影响涡轮140的操作。在某些实施例中，在这种情况下，系统将被关闭。另一方面，热通量会出于某些原因而增加，再次与ORC电厂控制器的操作无关。在这种情况下，过热将增加。为了平衡过热增加，泵120必须增加其速度以便输送更多的液体到蒸发器130，造成过热返回到所需状态。由于泵速直接控制压力，流速增加将造成蒸发器出口处的蒸气压力增加。存在蒸发器所允许的最大的工作压力(例如这里的描述的实施例的210psia)。虽然所述零过热约束不会通过调节控制器来轻松应付。传统上这种约束通常使用在闭环控制器的操作中采用的某种超越逻辑来处理。

方框图格式400中的转移函数在图4中描述。图表400包括过热控制器410、范围限制器420和压力控制器430。图表还包括计算模块440、外部反馈回路450和内部反馈回路460。计算模块440可以是任何方便的计算器，例如具有记录在相关可读存储器内的软件的可编程通用CPU，或者专用计算模块。对于不同的部件表示在转移函数中所涉及的数学术语。Gp1是作为冷却剂液体流速的函数的蒸发器出口处的蒸气压力的转移函数(PEVAPEX)，P。Gp2是作为冷却剂液体流速的函数的TEVAPEX的转移函数。PEVAPEX是蒸发器出口处的压力，而TEVAPEX是蒸发器出口处的温度。ΔT是所测量的过热温度。ΔTset是过热的设定点数值。使用与ORC内所使用的冷却剂的性能的非线性函数f()通过模块440计算饱和温度Tsat。

蒸气中的过热(ΔT)如下限定：

ΔT＝T-T_sat                  等式(1)

Tsat是P的非线性函数：

T_sat[F]＝f(P)＝Aln(P+B)+C    等式(2)

其中1n表示使用自然对数底e的算法，并且P是蒸发器出口压力PEVAPEX。在一个实施例中，如果P＜150psia，那么A＝65.98，B＝6.777，并且C＝-144.13；但是，如果P≥150psia，那么A＝111.45，B＝65.175，并且C＝-402.65。

过热控制器410的输出(Gc1和1/Gc2结合)用作具有转移函数Gc2的第二压力控制器430的设定点。通过热空气状态变化造成的扰乱将通过内部回路控制器抑止并且将不进一步承载通过过热过程。内部回路中的参数变化或非线性通过内部回路控制器抑止，使其可以在外部回路中实现更好的控制。

由于引入作为Gc2倒数(1/Gc2)的因素，过热控制器410的转移函数变成Gc1/Gc2。因此，对于Gc1来说，实际上消除了作为沿着回路450的反馈的Gc2。如果Gc1和Gc2选择成PI(比例和积分)控制器：

$G_{c1}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{KP}}_{1}s+{\mathrm{Ki}}_1}{s},$ $G_{c2}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Kp}}_{2}s+{\mathrm{Ki}}_2}{s}$ 等式(3)

其中Kp1，2和Kl1，2是比例和积分常数。

那么

$G_{c1}\left(s\right)/G_{c2}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Kp}}_{1}s+{\mathrm{Ki}}_1}{s}\frac{s}{{\mathrm{Kp}}_{2}s+{\mathrm{Ki}}_2}=\frac{\frac{{\mathrm{Kp}}_1}{{\mathrm{Ki}}_1}s+1}{\frac{{\mathrm{Kp}}_2}{{\mathrm{Ki}}_2}s+1}\frac{{\mathrm{Ki}}_2}{{\mathrm{Ki}}_1}$ 等式(4)

如果我们设定

$\frac{{\mathrm{Kp}}_1}{{\mathrm{Ki}}_1}=\frac{{\mathrm{Kp}}_2}{{\mathrm{Ki}}_2},$

那么

$G_{c1}\left(s\right)/G_{c2}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Ki}}_2}{{\mathrm{Ki}}_1}=\mathrm{kp},$

这意味着过热控制器410变成比例控制器，因此解决积分器饱和问题。理论上Gc2可始终饱和，由于施加在致动器上的限制，但是对于ORC应用来说，上部压力是主要问题。减小泵速，以便将该压力保持在其上部压力极限以下。减小泵压力将不造成积分器饱和。因此，这种级联方案大大改善了控制系统的性能。

泵性能

图5A是用于本发明一个实施例的泵的叶轮510的视图。图5B是表示按照制造商的图5A所示的泵的性能曲线520的视图。这种类型的泵设计成用作几乎恒定的压力源。对于给定速度，它在几乎恒定的压力下提供大范围的流速。图5B的曲线没有表示系统压力大于或小于“压力平直部分”的情况。如果系统压力大于压力平直部分，流动变成零(或甚至变成负值，即颠倒的流动方向)。如果系统压力小于平直数值，流动到达最大值，并且变得相对容易受到系统压力的影响(只要压力低于压力平直部分数值即可)。在此区域中，泵用作“流动源”。这不是此类型泵所设计操作的领域。

在使用此类型泵作为蒸发器出口状态控制的主要致动器时，根据泵是否处于恒定压力或恒定流动区域，系统的动态性能完全不同。

对于特定的ORC系统来说，泵设定尺寸，使得在稳定状态下它在压力平直部分上操作。

ORC系统动态性能

对于静态系统来说，压力随着泵速改变而“瞬时”变化。许多实用系统可以作为静态处理。但是，如图1所示的ORC系统不能作为静态处理。蒸发器130和冷凝器/接收器110用作系统压力和温度的容量。高侧压力是蒸发器的态变数。在泵速改变时，系统压力不瞬时改变，而是必须积分到其新的数值。图6A和6B说明这种情况。图6A是表示泵速和时间之间关系602的视图，其中经历了临时泵速降604。图6B是表示液体流605和蒸气流610对图6A的泵速降的响应的视图。小的泵速降604造成液体流的瞬时完全损失，而蒸气流保持不变。

启动过程中的动态性能

在ORC系统离线时，压力等于通过系统的最冷大容积确定的压力。在泵首先接通时，其压头几乎是零。压头不能增加，直到冷却剂输送到蒸发器并且施加在蒸发器上的热量沸腾冷却剂为止。在启动的这种初始阶段，泵用作恒流装置，这是由于它的压力低于所设计运行的压力平直部分。

已经开发一种启动方法来控制泵速，从而防止过速以及排量波动，并且提供稳定过渡到过热控制。

图7是表示级联闭环控制系统和方法的实施例的图表700。图表可理解为表示体现本发明的示例性设备中的部件及其互连。同样，图表可理解为提供本发明的方法，并且表示信息流动或者信息如何进行处理，以便实施本发明的方法。按照本发明的原理描述可以平稳方式处理过热和压力约束的技术。本发明的级联方案在图7中给出，其中正压力反馈信号735在使用减法器765引入负压力返回信号737之前引入加法器755。正压力反馈和负压力反馈信号在范围限制器760的两侧引入，并且在某些实施例中是由压力传感器702产生的相同信号的拷贝。以此方式，只要压力位于约束极限内，两个反馈信号相互抵消，使得压力控制器进行开环控制。一旦压力达到其极限，闭环压力有效地围绕该极限调节压力。

控制系统具有通过压力传感器P 702测量的输入的压力信号PEVAPEX以及通过温度传感器T 704测量的温度信号TEVAPEX。例如是编程通用计算机或者采用计算机程序的专用CPU的计算单元740根据PEVAPEX和TEVAPEX计算过热数值。还具有用于提供表示过热设定点的数值的输入口742，输入数值可通过任何手动控制、编程通用计算机或例如工业控制器的远程控制装置来提供。

具有两种反馈回路。外部回路是蒸发器过热的反馈。过热设定点数值和过热计算数值在比较器745内比较，提供错误信号。错误信号通讯到过热控制器750，从而将输出信号提供给相加回路755。内部回路是蒸发器出口压力的反馈。在这种方法中，在通过范围限制器760施加限制之前，与PEVAPEX相对应的压力反馈信号在相加回路755中添加到过热控制器输出中，并且在限制之后通过相减回路765减去相同的压力数值。压力控制器770根据如此计算的信号操作，并且将控制信号提供给泵720。如果压力在极限的边界内，那么此压力反馈抵消，这是由于所添加的量等于随后减去的量。“级联”系统接着作为简单比例、积分和微分(PID)控制器根据过热操作。如果压力达到极限，那么过热回路断开，并且PID根据压力操作：

1.根据过热的闭环PID控制；

2.根据压力的闭环PID控制；以及

3.根据泵速的开环控制。

在闭环操作中，无缝地出现压力/过热过渡。在开环操作中，不需要控制算法，并且泵速保持恒定，或者通过其它逻辑设定。开环操作暗示所有的反馈信号是不使用的，这可以通过任何方式实现，例如断开所有的反馈部件；脱开最后部件(例如，压力控制器)的输出；断开去往所有相加和相减回路的电源，由此将具有空或零输入值的信号提供给每个控制部件(例如，过热控制器、范围限制器和压力控制器)，使得每个控制器提供零输出。在开环操作中，控制指令直接发送到泵变换器，以便调节泵速，从而控制一个或多个电厂变量，例如过热。

使用这种控制方法，压力极限可动态改变，以便将系统操作从一个领域运动到另一领域。启动方法从开环过热控制过渡到闭环，并且接着改变压力极限，以便缓慢增加操作压力。将图2的“安全区域”的压力极限与图5B的压力平直部分比较。泵是压力源。泵速越高，离开蒸发器的蒸气压力越高。压力过高可损坏涡轮的整体性。这种高压极限按照涡轮结构设定。该方法包括如下步骤：

将热空气施加到蒸发器，例如以大于设计热函通量的一半；

在减小或最小速度下接通泵，例如15Hz；

在初始低泵速下，将高压极限设定到以稳定状态实现的压力数值上，例如70psia；

等待，直到操作状态变成泵曲线的压力平直部分为止，例如使用数学模型通过计算确定；

将压力极限增加到其正常数值，例如280psia；

在例如280pisa的所需压力极限或以下，使得模式从压力控制转换成过热控制；以及

增加并控制热空气热函通量，使得系统达到由蒸发器出口处的最大压力和温度限定的满负载。

两个操作实例表示在图8A和8B中。在图8A中，一旦过热数值超过其设定点，过热控制回路闭合。由于泵设置在其曲线的流动限制部分上，泵速连续增加(箭头A1)，而对系统压力或过热没有影响。回路开启，并且泵速在两个步骤中手动减小(箭头A2)。回路在系统压力足够高使得泵在其压力平直部分上操作时闭合。此时系统的操作状态在控制之下。高压极限数值从70psia增加到280psia(箭头A3)。在此过程中，控制模式从压力控制平稳转换到过热控制。在图8B中，泵速保持在20Hz，直到实现压力平直部分为止(箭头B1)。回路闭合，并且以类似于图8A的方式(箭头B2)增加高压极限。图8B所示的操作防止泵过速。

前馈和反馈冷凝温度控制

该系统还包括在冷凝过程中说明非线性的反馈-前馈控制，以及启动过程中出现的大瞬时现象，从而确保蒸气冷却剂的平稳冷凝。控制的反馈-前馈部分接收与冷凝温度、室外环境温度和工作流体质量流流速相对应的信号，并且控制冷凝温度和环境温度之间差别的颠倒，从而在启动过程中或者外部大扰动情况下保证平稳系统操作。

建模

图9是表示冷凝器910中热传递过程的视图900。空气流通过包括一个或多个风扇的风扇排920提供，风扇将环境空气横过冷凝器910运动。对于冷凝器(没有分冷却)的稳定状态热转移函数为

有效性：

$\frac{t_{2o}-t_{2i}}{\mathrm{tsat}-t_{2i}}=1-\exp (-\frac{\mathrm{UA}}{m_1{c}_{p1}})$ 等式(5)

能量平衡：

${\stackrel{.}{m}}_2{c}_{p2}(t_{2o}-t_{2i})={\stackrel{.}{m}}_1{\mathrm{\Δh}}_1$

其中tsat是冷凝器中冷却剂的饱和温度；t2i是室外空气温度；t2o是离开冷凝器线圈的空气温度；U是总体热传递系数；A是热传递面积；m1和m2是冷却剂蒸气和空气的质量流流速；cp2是空气的比热以及Δh1是从蒸气到饱和液体的冷却剂流的热函变化。在冷凝器之后使用接收器时在稳定状态下不存在分冷却，分冷却在过渡状态下存在。

所述等式可组合成以下形式，其中对于给定冷却剂热函负载m1Δh1、外部空气温度t2i以及所需冷凝温度tsat来说可以解决空气流速。

${\stackrel{.}{m}}_2{c}_{p2}(1-\exp (-\frac{\mathrm{UA}}{{\stackrel{.}{m}}_1{c}_{p1}}))=\frac{{\stackrel{.}{m}}_1{\mathrm{\Δh}}_1}{\mathrm{tsat}-t_{2i}}$ 等式(6)

对于给定热函负载m1Δh1来说，温度差别tsat-t2i之间以及空气流速m2(与风扇速度f直接相关)可大致通过反函数得到：

$\mathrm{\ΔT}\≈\frac{k}{f}$ 等式(7)

图10是表示从电厂的冷凝器得到的试验数据的视图1000。数据表示泵速和冷凝温度(tsat)和在等式6和7中以t2i表示的室外环境温度(OAT)之间差别的颠倒关系。数据与三角形符号1010表示的模型相一致。试验结果1020、1030证实液体管线温度随着风扇速度变化而变化的颠倒性能的模型预见结果。

控制方案

使用反馈控制器而将tsat控制在设定点，将难以调节控制器，这是由于系统的增益是风扇速度的非线性函数。此非线性控制问题的一种方法是将tsat-t2i选择为将要控制的工艺变量，并且在反馈路径中使用反函数，由此将风扇速度和tsat-t2i的倒数之间的关系转换成线性关系。因此，控制器可作为线性控制器调节。这种方法是反馈线性化技术。已经发现PI控制器在不同环境状态下可以这种线性化技术满意地工作。图11表示冷凝温度控制回路的图表1100。回路包括测量冷凝温度的温度传感器1110、产生线性转移函数的计算模块1112、将输入提供给比较器1116的设定点输入装置1114，比较器1116继而产生控制器1118用来操作风扇1120以便冷却冷凝器1122的错误信号。

等式(7)假设工作流体质量流流速是恒定的。在例如启动和关机的极端过渡情况下或者在出现大流速扰动时，PI控制器难以保持冷凝温度。为此，前馈加反馈控制方案用来在启动时所经历的极端操作状态下调节冷凝温度。这种改进的控制方案能够在大质量流流速扰动或变化的情况下保持冷凝温度。因此，解决泵气蚀问题。在冷凝温度上不考虑质量流流速的时间常数，对于此控制方案开发出简单线性的前馈模型。

从等式(6)，我们得出：

${\stackrel{.}{m}}_2{c}_{p2}=\frac{{\stackrel{.}{m}}_1{\mathrm{\Δh}}_1}{(1-\exp (-\frac{\mathrm{UA}}{{\stackrel{.}{m}}_1{c}_{p1}}))\mathrm{\ΔT}}$ 等式(8)

接着我们围绕工作点线性化此等式。为了将ΔT保持在恒定数值ΔTset，冷却空气流流速和冷却剂质量流流速之间的关系必须满足以下条件：

${\stackrel{.}{m}}_2=k_1\frac{{\stackrel{.}{m}}_1}{(1-\exp (-\frac{\mathrm{UA}}{{\stackrel{.}{m}}_1{c}_{p1}})){\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{set}}}$ 等式(9)

其中k1是常数。

质量流流速、平均总体热传递系数以及存在两相混合物的冷凝器的面积都随着循环的操作状态而变化。类似地，认为分量UA/m1cp1在冷却剂流速显著变化时不显著改变。在这种情况下，保持恒定冷凝温度所需的冷却空气流速和冷却剂流速之间的温度关系是：

${\stackrel{.}{m}}_2=k_2\frac{{\stackrel{.}{m}}_1}{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{set}}}$ 等式(10)

其中k2是常数。

冷却剂的质量流流速可从循环的高侧压力(蒸发器出口压力)的压力估计得出，这是由于涡轮被扼流。对于扼流来说，质量流流速与压力形成正比。估计100kW ORC单元的比例系数大约是：

${\stackrel{.}{m}}_1={0.028p}_h[1\mathrm{bs}/\sec ]$ 等式(11)

其中ph是高侧压力。

使用质量流速度，有助于冷凝温度控制的前馈如下计算：

$u_1=145\frac{{\stackrel{.}{m}}_1}{{\mathrm{\ΔT}}_{\mathrm{set}}}\mathrm{Hz}$ 等式(12)

用于反馈-前馈方案的应用的控制图表1200在图12中给出，其中Gc是反馈PI控制器1210，Gd是扰乱通道的工厂模型1220，并且Gp是用于冷凝器的工厂模型1230。在图1 2中，线性化的转移函数通过1/ΔT1240表示，施加冷却空气的转移函数通过k1/ΔTm1250来表示，并且表示用于室外环境温度1260的输入、过热设定点1270以及质量流1280。

本领域普通技术人员将理解到电气和电子设备的许多功能可用于硬件(例如硬线逻辑电路)、软件(例如以通用处理器操作的程序中的逻辑编码)和固件(例如根据需要在处理器中进行操作的非易失性存储器中编码的逻辑)。本发明考虑到硬件、固件和软件的一种应用可替代为使用不同硬件、固件和软件的等同功能的另一种应用。对于一种应用可以通过转移函数数学表示的程度来说，即对于施加在“黑匣子”的输入端子上的特定激励来说，在输出端子处产生的特定的响应，显示出该转移函数，这里考虑到包括转移函数的部分或片断的硬件、固件和软件应用的任何组合的转移函数的任何应用。

虽然参考这里披露的结构描述了本发明，不应该局限于这里提出的细节，本发明打算覆盖落入以下权利要求范围内的任何变型和改型。

Claims (10)

1.一种用于ORC的闭环控制系统，所述ORC包括泵，所述控制系统包括：

比较器，将过热设定点输入和计算过热数值输入比较并且提供过热错误信号；

过热控制器，响应所述过热错误信号，所述过热控制器提供过热控制信号；

加法器，将过热控制信号和压力信号相加，并提供相加信号；

范围限制器，接收作为输入的所述相加信号并且形成位于极限范围内的范围限制信号；

减法器，从所述范围限制信号中减去压力信号的复本，所述减法器提供作为输出的相减信号；以及

压力控制器，接收所述相减信号并且相应地产生压力控制信号；

由此所述闭环控制系统在所述范围限制信号低于所述极限范围的最大数值时控制所述ORC的过热，并且所述闭环控制系统在所述范围限制信号在所述范围极限的最大数值时控制所述ORC的压力。

2.如权利要求1所述的用于ORC的闭环控制系统，其特征在于，采用泵的算术模型来确定所述泵是否在压力极限状态下操作。

3.如权利要求1所述的用于ORC的闭环控制系统，其特征在于，为了响应所述泵在流速限制状态下操作的确定，所述控制系统防止所述泵增加转动速度，直到所述压力达到所述压力极限为止。

4.一种启动ORC的方法，所述方法包括如下步骤：

提供用于ORC的闭环控制系统，所述ORC包括泵和具有热输入的蒸发器，所述控制系统包括：

比较器，将过热设定点输入和计算过热数值输入比较并且提供过热错误信号；

过热控制器，响应所述过热错误信号，所述过热控制器提供过热控制信号；

加法器，将所述过热控制信号和压力信号相加，并提供相加信号；

范围限制器，接收作为输入的所述相加信号并且形成位于极限范围内的范围限制信号；

减法器，从所述范围限制信号中减去双倍的所述压力信号，所述减法器提供作为输出的相减信号；以及

压力控制器，接收所述相减信号并且相应地产生压力控制信号；

将热量施加到所述蒸发器，所述热量以稳定状态操作所需的一部分热函通量施加；

在减小速度下操作所述泵；

将高压极限设定在可以在所述减小泵速下以稳定状态实现的压力数值；

等待，直到所述ORC的操作状态达到所述泵曲线的操作曲线的压力平直部分为止；

将压力极限增加到额定操作数值；

在与增加的压力极限一致的较快速度下操作泵；

在压力极限的额定操作数值处或以下的压力下，使得系统的操作模式从压力控制转换到过热控制；以及

增加并控制热通量，使得系统满负载。

5.一种控制ORC冷凝温度的方法，包括如下步骤：

提供ORC，其包括冷凝器和用于通过空气冷却冷凝器的风扇；

测量所述ORC内采用的工作流体的冷凝温度；

使用所述冷凝温度和环境空气温度的线性函数计算输出数值；

将所述输出数值与使用线性函数产生的设定点数值比较以便产生错误信号；

通过控制器根据所述错误信号操作以便产生控制信号；以及

将所述控制信号施加到风扇来控制施加到所述冷凝器上以便冷却的空气量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，测量所述ORC内采用的工作流体的冷凝温度的步骤包括测量所述冷凝器出口处的工作流体的所述温度。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

使用涡轮高压侧的压力估计所述冷凝器内的冷却剂质量流流速；以及

以前馈方式将所述估计冷却剂质量流流速提供给温度控制器以便控制所述冷凝器温度。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法适用于所述ORC电厂的启动时间和所述ORC电厂经受外部干扰的时间中的所选一种情况。

9.一种缓冲超越控制方法，包括如下步骤：

限定特定的安全极限；

检查蒸发器出口处的冷却剂蒸气温度；以及

在所述蒸发器出口处的所述冷却剂蒸气温度超过所述特定安全极限时启动缓冲控制；

由此来自于热源的过量热量转向，直到所述蒸发器出口处的所述冷却剂蒸气温度降低到所述特定安全极限以下为止。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述缓冲控制在开环控制和闭环控制中的所选一种情况下操作。

Images