DE112016001877T5

DE112016001877T5 - Kompressorangetriebene ORC-Abwärmerückgewinnungseinheit und Steuerungsverfahren

Info

Publication number: DE112016001877T5
Application number: DE112016001877.0T
Authority: DE
Inventors: Matteo Camprini; Matteo Dall'Ara; Filippo Cionini; Sergio MANNUCCI; Marco Rizzelli; Sergio De Franciscis; Marco Palladino
Original assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Current assignee: Nuovo Pignone Technologie SRL
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2018-01-18
Also published as: RU2731144C2; WO2016170166A3; US10975733B2; RU2017135363A3; US20180142579A1; WO2016170166A2; RU2017135363A; CN107849945A; CN107849945B

Abstract

Ein Leistungsumwandlungssystem wird beschrieben, das eine Abwärmequelle (17) und ein Organischer-Rankine-Kreisprozess-System (5) aufweist. Das Organischer-Rankine-Kreisprozess-System (5) weist wiederum wenigstens eine Expansionsturbine (21), wenigstens eine rotierende Last (29), die mechanisch an die Expansionsturbine (21) gekoppelt und dadurch angetrieben ist, und eine mechanische drehzahlvariable Kopplung (31) zwischen der Expansionsturbine (21) und der rotierend Last (29) auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent beziehen sich im Allgemeinen auf rotierende Lasten, sowie beispielsweise Verdichter, die durch Turbomaschinen angetrieben sind. Spezieller betreffen Ausführungsformen, die hierin offenbart sind, Organische-Rankine-Kreisprozesse (organic rankine cycles, ORC) in mechanischen Antriebsanwendungen zum Antreiben von Rotationsmaschinen, wie beispielsweise Verdichtern, insbesondere Radial- oder Axialverdichter.
STAND DER TECHNIK
Der Bedarf an Energieeinsparung und Verringerung von Umweltauswirkung von Energieausbeutung hat Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten stimuliert, die auf das Verbessern der Gesamteffizienz von Energieumwandlungssystemen abzielen, sowohl im Bereich der elektrischen Leistungserzeugung, wo mechanische Leistung erzeugt durch einen thermodynamischen Kreisprozess in elektrische Leistung umgewandelt wird, als auch in mechanischen Antriebsanwendungen, d.h. wo mechanische Leistung erzeugt durch einen thermodynamischen Kreisprozess verwendet wird, um direkt eine Betriebsmaschine, z.B. einen Kompressor anzutreiben.
Kombinierte Systeme, manchmal auch hybride Systeme genannt, wurden entwickelt, um die Gesamtleistungsumwandlungseffizienz zu verbessern und sowohl den Leistungsverbrauch als auch die Umweltbeeinflussung zu reduzieren. Ein kombiniertes System kombiniert einen oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess mit einem unteren thermodynamischen Kreisprozess mit niedriger Temperatur. Abwärme, die auf der Niedrigtemperaturseite durch den thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess abgegeben wird, wird als Quelle der thermischen Leistung für den unteren thermodynamischen Kreisprozess bei niedriger Temperatur verwendet. Typischerweise ist der obere thermodynamische Hochtemperaturkreisprozess ein Gasturbinenkreisprozess. Eine oder mehrere Gasturbinen werden zum Antreiben eines elektrischen Generators oder zum Antreiben einer rotierenden Turbomaschine, wie bspw. eines Verdichters, z.B. ein Zentrifugalverdichter oder ein Verdichterzug, eine Pumpe oder dergleichen, verwendet. Das Abgasverbrennungsgas der Turbomaschine wird verwendet, um direkt oder indirekt ein in einem geschlossenen Kreisprozess zirkulierendes Arbeitsfluid zu erwärmen, wo der untere thermodynamische Kreisprozess bei niedriger Temperatur durchgeführt wird.
Der untere thermodynamische Kreisprozess mit niedriger Temperatur wandelt einen Teil der Abwärme aus dem oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess in mechanische Leistung um, die normalerweise zum Antreiben eines elektrischen Generators und zum Erzeugen elektrischer Leistung verwendet wird.
Der untere thermodynamische Kreisprozess mit niedriger Temperatur umfasst üblicherweise einen Rankine-Kreisprozess. In einigen bekannten Anwendungen werden Dampf-Rankine-Kreisprozesse verwendet. In anderen Anwendungen werden soge- nannte Organische Rankine-Kreisprozesse angewendet, bei denen anstelle von Wasser eine organische Flüssigkeit als das Arbeitsfluid verwendet wird. Beispielhafte Ausführungsformen von ORCs verwenden Pentan oder Cyclopentan als Arbeitsfluid.
1 veranschaulicht ein Schema eines kombinierten Systems, das einen oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess mit einem unteren thermodynamischen Kreisprozess bei niedriger Temperatur für mechanische Antriebsanwendungen kombiniert, d.h. zum Antreiben von Verdichtern oder Verdichterzügen.
Mit Bezug auf 1 bezeichnet das Bezugszeichen 101 eine Gasturbine zum Antreiben eines ersten Verdichters 102. In den Brennkammern der Gasturbine 101 verbrannter Brennstoff F wird verwendet, um die Gasturbine anzutreiben und die durch die Verbrennung erzeugte thermische Energie wird teilweise in mechanische Leistung umgewandelt. Ein Teil der so erzeugten mechanischen Leistung wird zum Antreiben des Verdichters des Gaserzeugers der Gasturbine 101 benötigt, während überschüssige mechanische Leistung an der Gasturbinenausgangswelle verfügbar ist und den Verdichter 102 antreibt. Niedertemperatur-Wärmeleistung (Abwärme), die nicht durch die Gasturbine 101 in mechanische Leistung umgewandelt wird, ist in dem Abgasverbrennungsgas enthalten, das durch einen Abwärmerückgewinnungstauscher 103 strömt, bevor es in die Atmosphäre abgegeben wird.
In dem Abwärmerückgewinnungstauscher 103 wird zumindest ein Teil der in dem Verbrennungsgas enthaltenen Abwärme zu einer ersten geschlossenen Wärmeübertragungsschleife 104 übertragen, in der ein Wärmeübertragungsfluid mittels einer Umwälzpumpe 106 zirkuliert. Das Wärmeübertragungsfluid überträgt thermische Energie, die aus dem Verbrennungsgas entfernt wurde, in einen geschlossenen Kreisprozess 105, wobei ein Arbeitsfluid verarbeitet wird, um einen unteren thermodynamischen Kreisprozess bei niedriger Temperatur durchzuführen, der die Abwärme teilweise von dem oberen Hochtemperaturkreisprozess in zusätzliche nützliche mechanische Leistung umwandelt.
Das Arbeitsfluid, z.B. Cyclopenthan oder ein Gemisch von zwei oder mehr Kohlenwasserstoffen, die in dem geschlossenen Kreisprozess 105 zirkulieren, wird zyklischen thermodynamischen Umwandlungen unterworfen einschließlich Kondensieren, Pumpen, Erhitzen, Verdampfen, Überhitzen, Ausdehnen, um Wärmeleistung aus dem Abwärmerückgewinnungstauscher 103 in mechanische Leistung umzuwandeln. Der geschlossene Kreisprozess 105 umfasst eine Umwälzpumpe 107, einen Vorwärmer 109A, einen Verdampfer 109, einen Überhitzer 111, einen Expansionsturbine 113, einen Rekuperator 115 und einen Kondensator 117.
Die von dem Expansionsturbine 113 erzeugte mechanische Leistung wird zum Antreiben eines elektrischen Generators 121 verwendet. Elektrische Energie von dem elektrischen Generator 121 kann dazu verwendet werden, einen Elektromotor 123 anzutreiben, der wiederum einen zweiten Verdichter 125 antreibt. In dieser Konfiguration ist der zweite Verdichter 125 mechanisch von dem Expansionsturbine 113 entkoppelt, da letzterer normalerweise mit einer konstanten Drehzahl entsprechend der Betriebsdrehzahl des elektrischen Generators 121 rotiert wird, während der Verdichter 125 das Rotieren mit variabler Drehzahl erfordern kann. Ein variabler Frequenztreiber 124 ist vorgesehen, um den Elektromotor 123 mit variabler Drehzahl anzutreiben.
Das System der 1 ist relativ komplex, insbesondere im Hinblick auf den Bedarf an zwei elektrischen Maschinen 121, 123 und einem variablen Frequenztreiber 124. Die Umwandlung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung durch den elektrischen Generator 121 und die entgegengesetzte Umwandlung von elektrischer Leistung in mechanische Leistung durch den Elektromotor 123 beeinflusst die Gesamtumwandlungseffizienz des Systems negativ. Die Notwendigkeit eines Treibers mit variabler Frequenz verringert die Effizienz weiter und trägt zu den Gesamtkosten und der Komplexität des kombinierten Kreisprozesses bei.
Es besteht daher ein Bedarf nach einem einfacheren und effizienteren kombinierten System für mechanische Antriebsanwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Anmeldung und das resultierende Patent stellen daher ein Leistungsumwandlungssystem bereit, das eine Abwärmequelle und einen Organischer-Rankine-Kreisprozess(ORC)-System aufweist, das wenigstens eine Expansionsturbine, wenigstens einer rotierenden Last, die mechanisch mit der Expansionsturbine gekoppelt ist und dadurch angetrieben wird, und eine mechanische Kopplung mit variabler Drehzahl zwischen der Expansionsturbine und der rotierenden Last besteht. Das Organischer-Rankine-Kreisprozess-System weist einen Kreislauf mit einer Hochdruckseite, einer Niederdruckseite und einer Expansionsturbine zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite auf. Ein Arbeitsfluid wird von der Niederdruckseite zu der Hochdruckseite gepumpt und wird mittels Wärme aus der Abwärmequelle erwärmt. Heißes, unter Druck stehendes Arbeitsfluid dehnt sich in der Expansionsturbine aus und mechanische Leistung wird dadurch erzeugt. Die mechanische Leistung wird verwendet, um eine Abtriebswelle der Expansionsturbine anzutreiben. Die Abtriebswelle der Expansionsturbine ist mechanisch über die mechanische Kopplung für variable Drehzahl an die Abtriebswelle der rotierenden Last gekoppelt.
Wie aus der Offenbarung einiger beispielhafter Ausführungsformen hervorgeht, ermöglicht die mechanische Kopplung für variable Drehzahl den Start des Organischer-Rankine-Kreisprozess-Systems und die Beschleunigung der rotierenden Last sowie die Steuerung der Drehzahlen unter variablen Betriebsbedingungen.
Das System kann ferner ein Gasturbinensystem aufweisen, das wenigstens einen Gasturbinenantrieb und wenigstens eine weitere rotierende Last aufweist, die von dem Gasturbinenantrieb angetrieben wird. Die Abwärme, die von dem Organischer-Rankine-Kreisprozess-System ausgenutzt wird, ist die thermische Energie, die in den Abgas-Verbrennungsgasen des Gasturbinenantriebs enthalten ist. Ein Wärmetauschsystem kann bereitgestellt werden, um Abwärme von dem Gasturbinensystem an das Organischer-Rankine-Kreisprozess-System zu übertragen.
Die durch die Expansionsturbine angetriebene rotierende Last kann eine Turbomaschine, wie insbesondere einen Verdichter einschließen. In ähnlicher Weise kann die von dem Gasturbinenantrieb angetriebene rotierende Last eine Turbomaschine, z.B. einen Verdichter, einschließen. Die beiden Verdichter können parallel angeordnet werden.
In manchen Ausführungsformen weist die Expansionsturbine variable Einlassleitschaufeln auf, um die Strömungsrate des durch die Expansionsturbine expandierenden Arbeitsfluids steuerbar zu variieren.
In manchen Ausführungsformen weist das Organischer-Rankine-Kreisprozess-System einen Expansionsturbineneinlasskollektor mit einer Einlassdrucksteuerung auf, der angeordnet und eingerichtet ist, um den Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor bei einem stationären Expansionsturbineneinlassdruck aufrecht zu erhalten. In einigen Ausführungsformen ist eine weitere Einlassdrucksteuerung zur Verfügung gestellt, die angeordnet und eingerichtet ist, um ein Umgehungsventil zu steuern, das den Turboexpansionseinlasskollektor mit der Niederdruckseite des Organischer-Rankine-Kreisprozess-Systems verbindet. Die weitere Einlassdrucksteuerung kann einen Drucksollwert haben, der höher als der stationäre Expansionsturbineneinlassdruck ist. Die Einlassdrucksteuerung mit einem niedrigeren Solldruck kann bei Erreichen einer Drehdrehzahl der Expansionsturbine und/oder der rotierenden Last, die dadurch angetrieben wird, aktiviert werden. Die Einlassdrucksteuerung mit dem höheren Drucksollwert wird dann das Umgehungsventil schließen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird hierin ein Verfahren zum Verwalten eines Leistungsumwandlungssystems offenbart, das ein Organischer-Rankine-Kreisprozess-System umfasst, das thermisch mit einer Abwärmequelle gekoppelt ist und aufweist: wenigstens eine Expansionsturbine; wenigstens eine rotierende Last, die mechanisch mit der Expansionsturbine gekuppelt ist und dadurch angetrieben wird; und eine mechanische Kopplung für variable Drehzahl zwischen der Expansionsturbine und der rotierenden Last. Gemäß einigen Ausführungsformen weist das Verfahren den Schritt des Einwirkens auf die mechanische Kopplung für variable Drehzahl ein, um die mechanische Leistung, die von der Expansionsturbine auf die rotierende Last übertragen wird, zu steuern.
Gemäß einigen Ausführungsformen weist das Verfahren die Schritte auf: Beschleunigen der Expansionsturbine auf eine erste Aufwärmdrehzahl und anschließendes Beschleunigen der Expansionsturbine auf eine Nennbetriebsdrehzahl, die höher ist, als die Aufwärmdrehzahl; Beschleunigen der rotierenden Last auf eine minimale Lastbetriebsdrehzahl und anschließendes Beschleunigen der rotierenden Last auf eine volle Betriebsdrehzahl, die höher als die minimale Lastbetriebsdrehzahl ist, während die Expansionsturbine bei oder um die Nennbetriebsdrehzahl gehalten wird.
Ausführungsformen des offenbarten Verfahrens können ferner die folgenden Schritte aufweisen: Bereitstellen eines Expansionsturbineneinlasskollektors, der fluidisch mit einem Expansionsturbineneinlass gekoppelt ist; Bereitstellen wenigstens eines Anlassventils, das zwischen dem Expansionsturbineneinlasskollektor und dem Expansionsturbineneinlass angeordnet ist; Bereitstellen von variablen Eintrittsleitschaufeln an dem Expansionsturbineneinlass; Beschleunigen der rotierenden Last durch Erhöhen einer Strömungsrate eines Arbeitsfluids durch den Expansionsturbine durch Öffnen der variablen Einlassleitschaufeln.
Zusätzlich kann das Verfahren ferner die folgenden Schritte aufweisen: Beschleunigen der Expansionsturbine auf die Aufwärmdrehzahl durch allmähliches Öffnen des Anlassventils, während die variablen Einlassleitschaufeln wenigstens teilweise offen sind; weiteres Beschleunigen der Expansionsturbine zu der vollen Betriebsdrehzahl durch allmähliches Öffnen der variablen Einlassleitschaufeln.
In einigen Ausführungsformen wird der Expansionsturbine zuerst durch allmähliches Öffnen des Anlassventils beschleunigt, während die variablen Einlassleitschaufeln vollständig geöffnet sind; die variablen Einlassleitschaufeln sind teilweise geschlossen, während sich das Anlassventil weiter öffnet; und die Expansionsturbine wird bis zur Nennbetriebsdrehzahl beschleunigt, indem die variablen Einlassleitschaufeln wieder allmählich geöffnet werden.
Das Verfahren kann ferner die Schritte aufweisen: Bereitstellen einer Einlassdrucksteuerung, die den Einlassdruck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor steuert; Aktivieren der Einlassdrucksteuerung, wenn die rotierende Last die minimale Lastbetriebsdrehzahl erreicht; Erzeugen eines Drucksteuersignals, das auf die mechanische Kopplung für variable Drehzahl angewendet wird, um die rotierende Last zu beschleunigen; Aufrechterhalten der Expansionsturbine bei oder um die Nennbetriebsdrehzahl, während die rotierende Last durch Erhöhen der Flussrate des Arbeitsfluids, das durch die Expansionsturbine expandiert, beschleunigt wird.
Die Expansionsturbine kann auf der Nennbetriebsdrehzahl gehalten werden, indem die Drehzahl der rotierenden Last durch Einwirkung auf die mechanische Kopplung variabler Drehzahl moduliert wird, um eine Druckschwankung in dem Expansionsturbineneinlasskollektor zu kompensieren.
Das Verfahren kann die folgenden weiteren Schritte aufweisen: Beschleunigen der Expansionsturbine auf die Nennbetriebsdrehzahl durch Erhöhen einer Arbeitsfluidsströmungsrate durch die Expansionsturbine durch einen ersten Expansionsturbinendrehzahlssteuerkreis; bei Erreichen der Nennbetriebsdrehzahl der Expansionsturbine, Aktivieren eines Drehzahlsteuerkreises für die rotierende Last; Beschleunigen der rotierenden Last durch Erhöhen der Strömungsrate des Arbeitsfluids durch die Expansionsturbine, bis die volle Betriebsdrehzahl der rotierenden Last erreicht ist, während die Expansionsturbinendrehzahl bei oder um die Nennbetriebsdrehzahl durch Einwirken auf die mechanische Kopplung für variable Drehzahl gehalten wird.
In einigen Ausführungsformen kann bei Erreichen der Nennbetriebsdrehzahl der Expansionsturbine und während der Beschleunigung der rotierenden Last die Expansionsturbinendrehzahl bei oder um die Nennbetriebsdrehzahl gehalten werden, indem ein zweiter Expansionsturbinendrehzahlssteuerkreis aktiviert wird, wobei der zweite Expansionsturbinendrehzahlssteuerkreis ein Signal erzeugt, das das von der mechanischen Kopplung für variable Drehzahl übertragene Drehmoment variiert, um einer durch die erhöhte Arbeitsfluidströmungsrate durch die Expansionsturbine verursachten Drehzahlschwankung der Expansionsturbine entgegenzuwirken.
Der Schritt des Beschleunigens der rotierenden Last kann unter der Steuerung von ausgewählt eines ersten Lastdrehzahlsteuerkreises und eines zweiten Lastdrehzahlsteuerkreises durchgeführt werden, wobei der erste Lastdrehzahlsteuerkreis wirksam ist, bis die minimale Lastbetriebsdrehzahl erreicht ist, wobei der zweite Lastdrehzahlsteuerkreis bei Erreichen der minimalen Lastbetriebsdrehzahl aktiviert wird und die Drehzahl der Last über der minimalen Lastbetriebsdrehzahl steuert.
Die hierin offenbarten Verfahren können ferner die folgenden Schritte aufweisen: Beschleunigen der Expansionsturbine auf die Nennbetriebsdrehzahl durch Erhöhen einer Arbeitsfluidströmungsrate durch die Expansionsturbine durch einen ersten Expansionsturbinensteuerkreis; bei Erreichen der Nennbetriebsdrehzahl der Expansionsturbine, Aktivieren einer Drehzahlsteuerung für die rotierende Last und damit Erzeugen eines Lastdrehzahlsteuerungssignals; Beschleunigen der Last bis zu einer vollen Betriebsdrehzahl; Aktivieren einer Einlassdrucksteuerung an einem Expansionsturbineneinlasskollektor, die einen Druckeinstellpunkt hat, und damit Erzeugen eines Drucksteuerungssignals; Auswählen des minimalen Signals zwischen dem Lastdrehzahlsteuerungssignal und dem Drucksteuerungssignal; Anwenden des minimalen Signals auf die variablen Einlassleitschaufeln der Expansionsturbine.
Ein Schritt des Haltens der Expansionsturbine bei oder um die Nennbetriebsdrehzahl mittels einer Expansionsturbinendrehzahlsteuerung, der auf die mechanische Kopplung für variable Drehzahl einwirkt, kann ferner bereitgestellt werden.
Merkmale und Ausführungsformen werden hier unten offenbart und sind weiter in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, die einen integralen Teil der vorliegenden Beschreibung bilden. Die obige kurze Beschreibung stellt Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, damit die nachfolgende detaillierte Beschreibung besser verstanden werden kann und damit die vorliegenden Beiträge zum Stand der Technik besser verstanden werden können. Es gibt natürlich andere Merkmale der Erfindung, die im Folgenden beschrieben werden und die in den beigefügten Ansprüchen dargelegt werden. In dieser Hinsicht wird es vor der Erläuterung verschiedener Ausführungsformen der Erfindung im Detail verstanden werden, dass die verschiedenen Ausführungsformen in ihrer Anwendung nicht auf die Einzelheiten der Konstruktion und die Anordnung der Komponenten beschränkt sind, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den Zeichnungen veranschaulicht sind. Die Erfindung ist zu anderen Ausführungsformen in der Lage und kann auf verschiedene Weise ausgeübt und ausgeführt werden. Es versteht sich auch, dass die Ausdrucksweise und Terminologie, die hierin verwendet wird, dem Zwecke der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend angesehen werden sollen.
Als solche sollten Fachmänner erkennen, dass die Konzeption, auf der die Offenbarung basiert, gleichfalls als Grundlage zum Entwerfen anderer Strukturen, Verfahren und/oder Systeme zum Ausführen der verschiedenen Zwecke der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Es ist daher wichtig, dass die Ansprüche so angesehen werden, dass sie solche äquivalenten Konstruktionen einschließen, sofern sie nicht vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abweichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Eine vollständigere Würdigung der offenbarten Ausführungsformen der Erfindung und viele der damit verbundenen Vorteile werden ohne Weiteres erhalten, wenn diese unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung besser verstanden wird, wenn in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen berücksichtigt, wobei:
1 einen kombinierten Kreisprozess gemäß dem gegenwärtigen Stand der Technik veranschaulicht;
2 ein kombiniertes System gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 eine schematische Darstellung des Steuerungssystems für den unteren thermodynamischen Kreisprozess bei niedriger Temperatur zeigt;
4 eine schematische Darstellung des Steuerungssystems für den unteren thermodynamischen Kreisprozess bei niedriger Temperatur gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt;
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen. Die gleichen Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen bezeichnen dieselben oder ähnliche Elemente. Außerdem sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet. Auch schränkt die folgende detaillierte Beschreibung die Erfindung nicht ein. Stattdessen ist der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert.
Die Bezugnahme in der gesamten Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ oder „eine Ausführungsform“ oder „einige Ausführungsformen“ bedeutet, dass das in Verbindung mit einer Ausführungsform beschriebene bestimmte Merkmal, die bestimmte Struktur oder Eigenschaft in mindestens einer Ausführungsform des offenbarten Gegenstands enthalten ist. Somit bezieht sich das Auftreten der Formulierung „in einer Ausführungsform“ oder „in einer Ausführungsform“ oder „in manchen Ausführungsformen“ an verschiedenen Stellen in der gesamten Beschreibung nicht notwendigerweise auf die gleiche(n) Ausführungsform(en). Ferner können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen in irgendeiner geeigneten Weise kombiniert werden.
2 veranschaulicht ein kombiniertes oder hybrides System ein für mechanische Antriebsanwendungen. In der beispielhaften Ausführungsform der 2 wird die von den Turbomaschinen des Systems erzeugte mechanische Leistung zum Antreiben von Verdichtern einer Gasrohrleitung verwendet. In anderen Ausführungsformen kann die mechanische Leistung zum Antreiben anderer Turbomaschinen, z.B. Turboverdichter, für verschiedene Anwendungen wie Erdgasverflüssigung oder andere industrielle Anwendungen oder eine andere Art von Last verwendet werden.
Allgemein ausgedrückt umfasst das System der 2 ein Gasturbinensystem 3, das ein oder mehrere Gasturbinenantrieben einschließt. Ein oberer thermodynamischer Hochtemperaturkreisprozess wird in dem Gasturbinensystem 3 durchgeführt, um durch Expansion des Verbrennungsgases in der (den) Gasturbine(n) nützliche mechanische Leistung zu erzeugen. Das verbrauchte Verbrennungsgas aus der Gasturbine 3 enthält noch nützliche thermische Energie, die teilweise in weitere mechanische Leistung umgewandelt werden kann. Abwärme, die in dem Abgas enthalten ist, das von dem oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess abgegeben wird, wird somit in einen unteren thermodynamischen Kreisprozess bei niedriger Temperatur überführt. Der untere thermodynamische Kreisprozess bei niedriger Temperatur ist ein Organischer-Rankine-Kreisprozess (organic rankine cycle, ORC). Ein organisches Arbeitsfluid des ORC zirkuliert in einem geschlossenen Kreisprozess eines ORC-Systems 5 und wird zyklischen thermodynamischen Umwandlungen unterzogen, um einen Teil der Abwärme von dem oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess in nutzbare mechanische Leistung umzuwandeln. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung wird der Begriff „thermodynamischer Kreisprozess“ manchmal auch verwendet, um das System zu bezeichnen, in dem der thermodynamische Kreisprozess durchgeführt wird. Zum Beispiel kann der Begriff „oberer thermodynamischer Hochtemperaturkreisprozess“ verwendet werden, um das Gasturbinensystem zu bezeichnen; der Begriff „unterer thermodynamischer Niedrigtemperaturkreisprozess“ kann verwendet werden, um die Kombination von Maschinen und Vorrichtungen zu bezeichnen, in denen das organische Arbeitsfluid verarbeitet wird und den zyklischen thermodynamischen Umwandlungen unterliegt, die den thermodynamischen Kreisprozess bilden.
Ein Zwischenwärmeübertragungskreis 7 kann zur indirekten Übertragung von Wärmeleistung von dem oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess zu dem unteren thermodynamischen Niedrigtemperaturkreisprozess vorgesehen sein.
Spezieller, gemäß einigen Ausführungsformen, kann der obere thermodynamische Hochtemperaturkreisprozess oder Gasturbinensystem 3 eine oder mehrere Gasturbinenantrieben umfassen. In der in 2 dargestellten Ausführungsform sind zwei Gasturbinen 9A, 9B vorgesehen, die parallel angeordnet sind. Jeder Gasturbinenantrieb 9A, 9B umfasst einen Luftverdichter, eine Brennkammer und eine Leistungsturbine, die nicht im Detail gezeigt sind. Der Luftverdichter jedes Gasturbinenantriebs 9A, 9B komprimiert Umgebungsluft, die dann der Brennkammer zugeführt und mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff vermischt wird. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird gezündet, um komprimiertes Verbrennungsgas hoher Temperatur zu erzeugen, das sich in der Leistungsturbine ausdehnt, wodurch mechanische Leistung erzeugt wird. Die mechanische Leistung wird teilweise verwendet, um den Luftverdichter des jeweiligen Gasturbinenantriebs anzutreiben, um der Brennkammer komprimierte Luft bereitzustellen, und wird teilweise auf einer Abtriebswelle 10a, 10b verfügbar gemacht und verwendet, um eine erste rotierende Last, beispielsweise einschließend eine rotierende Turbomaschine, z.B. einen Axial- oder Radialverdichter 11A bzw. 11B, anzutreiben.
In der beispielhaften Ausführungsform nach 2 wird ein gasförmiges Medium, z.B. Erdgas aus einer Rohrleitung 10 den Verdichtern 11A, 11B über Saugleitungen 15, 15 zugeführt. Die Verdichter erhöhen den Druck des gasförmigen Mediums, der dann über die Förderleitungen 13, 13 wieder der Rohrleitung 10 zugeführt wird. Ein Teil des von den Verdichtern 11A, 11B bearbeiteten Gases kann als Brennstoff zum Antreiben der Gasturbinen 9A, 9B verwendet werden.
Abgasverbrennungsgas von den Gasturbinenantrieben 9A, 9B strömt durch einen Abwärmerückgewinnungstauscher 17, bevor es schließlich in die Atmosphäre entlassen wird.
Ein Teil der in dem Abgasverbrennungsgas enthaltenen Abwärme wird durch den Abwärmerückgewinnungstauscher 17 an ein Wärmeübertragungsfluid übertragen, das mittels einer Pumpe 18 in dem Wärmeübertragungskreis 7 zirkuliert.
Durch eine Wärmeaustauschanordnung 19 wird Wärme von dem in der Wärmeübertragungsschleife zirkulierenden Wärmeübertragungsfluid auf das Arbeitsfluid, wie z.B. Penthan oder Cyclopenthan übertragen, das in dem ORC-System 5 zirkuliert. Die Wärmeaustauschanordnung 19 kann einen Vorheizer 19A, einen Verdampfer 19B und einen Überhitzer 19c aufweisen. Andere Wärmeaustauschanordnungen sind möglich mit einer größeren oder kleineren Anzahl von Wärmetauschern.
Das ORC-System 5 kann ein oder mehrere Expansionsturbinen umfassen. In der beispielhaften Ausführungsform von 2 ist eine Expansionsturbine 21 vorgesehen. Die Expansionsturbine 21 kann eine mehrstufige Expansionsturbine sein. In der beispielhaften Ausführungsform der 2 ist die Expansionsturbine 12 eine zweistufige Expansionsturbine. Das Bezugszeichen 21A bezeichnet eine Hochdruckexpansionsturbinenstufe und das Bezugszeichen 21B bezeichnet eine Niederdruckexpansionsturbinenstufe. In anderen Ausführungsformen kann eine einstufige Expansionsturbine verwendet werden. In noch weiteren Ausführungsformen kann auch eine Expansionsturbine mit mehr als zwei Stufen verwendet werden.
Die zwei oder mehr Expansionsturbinenstufen können mit unterschiedlichen Drehzahlen mit einem festen Drehzahlverhältnis rotieren. An der Wellenleitung, die die erste und die zweite Expansionsturbinenstufe verbindet, ist eine Getriebeanordnung vorgesehen. Die Getriebeanordnung ist in der schematischen Darstellung der 2 nicht gezeigt.
Alternativ kann die mehrstufige Expansionsturbine 21 eine Getriebeexpansionsturbine sein.
In der folgenden Beschreibung wird auf die Drehzahl der Expansionsturbine Bezug genommen. Wenn die Expansionsturbine mehr als eine rotierende Welle umfasst und wenn sich die Wellen mit unterschiedlichen Drehzahlen mit einem konstanten Drehzahlverhältnis zwischen den Wellen drehen, kann die Turboexpansionsdrehzahl irgendeine der verschiedenen Wellendrehzahlen sein. Wenn beispielsweise eine zweistufige Getriebeexpansionsturbine verwendet wird, kann die erste Hochdruckstufe von einer ersten, schnell rotierenden Welle getragen werden, während die zweite Niederdruckstufe durch eine zweite langsam rotierende Welle unterstützt werden kann. Die „Expansionsturbinendrehzahl“, wie hierin verstanden, kann entweder die Drehzahl der schnell rotierenden Welle oder die Drehzahl der langsam rotierenden Welle oder die Drehzahl der Abtriebswelle der Getriebeexpansionsturbine sein.
Die Expansionsturbine 21 oder eine oder mehrere der Expansionsturbinenstufen können mit variablen Einlassdüsen, d.h. variablen Einlassleitschaufeln versehen sein, die verwendet werden können, um die Strömungsrate des in die Expansionsturbine eintretenden Prozessfluids und den Enthalpieabfall über jede Stufe zu steuern. In der beispielhaften Ausführungsform der 3 sind beide Expansionsturbinenstufen 21A, 21B mit variablen Einlassleitschaufeln (auch kurz „variable IGV“) oder variablen Einlassdüsen versehen, die schematisch bei 57A bzw. 57B gezeigt sind. Wie dem Fachmann bekannt ist, können die zwei Sätze von variablen Einlassleitschaufeln durch ein einziges Steuersignal oder durch separate Steuersignale gesteuert werden. Eine spezifische Beziehung zwischen den Bewegungen der beiden Sätze von variablen Einlassleitschaufeln kann bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen können der Zwischenstufendruck, der Einlassdruck und der Auslassdruck der Expansionsturbine 21 erfasst werden, und das Verhältnis zwischen der Bewegung der beiden Sätze von variablen Einlassleitschaufeln kann während des Betriebs in einer Weise eingestellt oder modifiziert werden, die an sich bekannt ist, um die Effizienz der Expansionsturbine basierend auf den Einlass-, Auslass- und Zwischenstufendruckwerten zu optimieren. Andere Ausführungsformen können die Einlassdüsen oder variablen Einlassleitschaufeln mit einer vollständig getrennten Logik in Abhängigkeit von thermodynamischen oder mechanischen Überlegungen steuern.
Geheiztes, unter Druck stehendes Arbeitsfluid, das in dem geschlossenen Kreislauf des ORC-Systems 5 zirkuliert, wird zu dem Einlass der Expansionsturbine 21 durch einen Expansionsturbineneinlasskollektor 22 geliefert.
Der geschlossene Kreisprozess des ORC-Systems 5 kann ferner einen Rekuperator 23 in Fluidverbindung mit dem Auslass der Expansionsturbine 21 aufweisen. Ein Kondensator 25 kann stromabwärts des Rekuperators 23 angeordnet sein, um das verbrauchte Arbeitsfluid zu kondensieren, das von der Expansionsturbine 21 abgegeben wird. Eine Pumpe 27 ist ferner vorgesehen, um das gekühlte und kondensierte Arbeitsfluid mit hohem Druck zu pumpen und das unter Druck stehende flüssige Arbeitsfluid durch die kalte Seite des Rekuperators 23 und durch die kalte Seite der Wärmetauschanordnung 19 zuzuführen, wo das Arbeitsfluid erwärmt, verdampft und überhitzt wird, bevor es schließlich an den Expansionsturbineneinlasskollektor 22 zur Expansion in der Expansionsturbine 21 geliefert wird.
Das im unteren thermodynamischen Niedertemperaturkreisprozess 5 zirkulierende Arbeitsfluid wird zyklischen thermodynamischen Umwandlungen unterzogen, um einen Teil der ihm von der Wärmetauscheranordnung 19 zugefügten thermischen Leistung in mechanische Leistung umzuwandeln, die an einer Abtriebswelle 21C der Expansionsturbine 21 verfügbar ist, und kann verwendet werden, um eine zweite rotierende Last anzutreiben. In manchen Ausführungsformen umfasst die zweite rotierende Last eine Turbomaschine, wie etwa einen Verdichter 29 oder einen Verdichterzug. Eine mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl ist zwischen der Abtriebswelle 21C der Expansionsturbine 21 und dem Verdichter 29 vorgesehen. Das Bezugszeichen 31A bezeichnet die Abtriebswelle der mechanischen Kopplung 31 für variable Drehzahl. Die mechanische Kopplung 31 für variable Drehzahl ermöglicht es den Verdichter 29 mit einer Drehzahl zu betreiben, die sich von der Drehzahl der Expansionsturbine 21 unterscheidet und unabhängig von dieser variabel ist.
Eine geeignete mechanische Kopplung für variable Drehzahl ist das VORECON-Planetengetriebe mit variabler Drehzahl, das von der Voith Turbo GmbH & Co. KG, Deutschland erhältlich ist.
Der Verdichter 29 kann fluidisch mit derselben Rohrleitung 10 gekoppelt sein, mit der die Verdichter 11A und 11B verbunden sind. Wie schematisch in 2 gezeigt, kann der Verdichter 29 mit der Rohrleitung 10 mittels einer Saugleitung 33 verbunden sein, die fluidisch mit der Saugseite des Verdichters 29 gekoppelt ist, und mittels einer Zuführleitung 35 verbunden werden, die mit der Zufuhr- oder der Druckseite des Verdichters 29 fluidisch gekoppelt ist. Mit dieser Anordnung sind die Verdichter 11A, 11B und 29 parallel an der gleichen Rohrleitung 10 angeordnet und tragen alle zu der gesamten Gasströmungsrate durch die Rohrleitung 10 bei. Andere Anordnungen sind möglich. Zum Beispiel kann der Prozessor 29 verwendet werden, um ein Gas zu verarbeiten, das sich von dem von den Verdichter 11A, 11B verarbeiteten Gas unterscheidet, oder es kann eine Serien- statt eine parallele Verdichteranordnung in Betracht gezogen werden.
Dank der Abwärmerückgewinnung durch den unteren thermodynamischen Kreisprozess bei niedriger Temperatur, der in dem ORC-System 5 durchgeführt wird, verringert die Durchflussrate durch den Verdichter 29 die Menge an gasförmigem Medium, das von den Verdichter 11A, 11B verarbeitet wird, so dass die Gesamtmenge an Energie hoher Qualität, die zum Betreiben der Gasturbinen 9A, 9B erforderlich ist, reduziert werden und Kraftstoff eingespart werden kann. Alternativ kann durch die Verdichteranordnung 11A, 11B, 29 eine höhere Strömungsrate des gasförmigen Mediums unter Verwendung derselben Brennstoffmenge verarbeitet werden. Wie aus der folgenden Beschreibung klarer werden wird, kann der untere thermodynamische Niedrigtemperaturkreisprozess, als eine allgemeine Regel, so gesteuert werden, dass er stets die gesamte thermische Energie ausnutzt, die vom Abwärmerückgewinnungstauscher 17 bereitgestellt wird.
3 veranschaulicht die Hauptkomponenten des ORC-Systems 5 schematisch in Kombination mit einer beispielhaften Anordnung von Vorrichtungen, die zur Steuerung seiner Rotationsmaschinen, nämlich der Expansionsturbine 21, der mechanischen Kopplung für variable Drehzahl oder des Getriebes 31 und des Verdichters 29 verwendet werden. Die gleichen Bezugszeichen werden verwendet, um dieselben Elemente zu bezeichnen, die in 2 gezeigt sind.
In 3 sind eine erste Einlassdrucksteuerung 41, eine zweite Einlassdrucksteuerung 43 und eine dritte Einlassdrucksteuerung 45 gezeigt. Die erste Einlassdrucksteuerung 41 ist dazu eingerichtet, auf ein Umgehungsventil 47 einzuwirken, das an einer Umgehungsleitung 49 angeordnet ist. Die Umgehungsleitung 49 verbindet den Expansionsturbineneinlasskollektor 22 mit dem Rekuperator 23 oder dem Kondensator 25 unter Umgehung der Expansionsturbine 21.
Die zweite Einlassdrucksteuerung 43 ist funktionell mit einer Verdichterdrehzahlsteuerung 51 und mit einem Verdichterdrehzahlwandler 53 kombiniert. Die Verdichterdrehzahlssteuerung 51 ist funktionell mit der mechanischen Kopplung 31 für variable Drehzahl verbunden.
Die dritte Einlassdrucksteuerung 45 ist dazu eingerichtet und angeordnet, um selektiv auf ein Anlassventil 55 und die variablen Einlassleitschaufeln oder Einlassdüsen 57A, 57B der ersten Expansionsturbinenstufe 21A bzw. der zweiten Expansionsturbinenstufe 21B einzuwirken. In anderen Ausführungsformen, z.B. wenn eine einstufige Expansionsturbine vorgesehen ist, wird nur ein Satz von variablen Einlassdüsen oder Einlassleitschaufeln benötigt.
Wie oben erwähnt können in manchen Ausführungsformen die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B so verbunden sein, dass sie mit einem einzigen Steuersignal gesteuert werden.
Das Bezugszeichen 59 bezeichnet eine Expansionsturbinendrehzahlsteuerung, die funktionell mit einem Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 und einer Auswahlvorrichtung 62 verbunden ist, die ferner mit der dritten Einlassdrucksteuerung 45 verbunden ist. Der Ausgang der Auswahlvorrichtung 62 wird an einen Schaltblock 65 angewendet. Der Schaltblock 65 ist dazu eingerichtet, ein Steuersignal von der dritten Einlassdrucksteuerung 45 oder von der Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 ausgewählt zu dem Anlassventil 55 oder zu variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B in Abhängigkeit von der Betriebsstufe des ORC-Systems umzuleiten.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein gesteuertes Expansionsturbineneinlassventil 63 parallel zu dem Expansionsturbinenanlassventil 55 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann ferner ein Ein/Aus-Ventil 66 vorgesehen und in Reihe zu dem Expansionsturbineneinlassventil 63 und dem Expansionsturbinenanlassventil 55 angeordnet sein. Bei anderen Ausführungsformen kann anstelle des Drei-Ventil-Systems 55, 63, 66 ein einziges Ventil oder eine Zwei-Ventil-Anordnung verwendet werden.
Weitere Elemente zum Steuern des Betriebs des ORC-Systems 5 können ein Verdichterumgehungsventil 67 einschließen, das die Verdichterabgabeseite mit der Verdichtersaugseite verbindet. Das Verdichterumgehungsventil 67 kann ein Anti-Pumpen-Ventil des Verdichters 29 sein.
Die bisher offenbarte Steuerungsanordnung wird verwendet, um verschiedene Schritte des Betriebs des ORC-Systems 5 von Anfangsbedingungen bis zur Laststeuerung zu steuern. Es werden nun mögliche Steuerungsverfahren beschrieben, die sich speziell auf das Schema von 3 beziehen.
Wenn der Betrieb des unteren thermodynamischen Kreisprozess mit niedriger Temperatur des ORC-Systems 5 zuerst gestartet wird, gelten die folgenden Anfangsbedingungen. Das Ein/Aus-Ventil 66, das Expansionsturbineneinlassventil 63 und das Expansionsturbinenanlassventil 55 sind geschlossen. Die mechanische Kopplung 31 für variable Drehzahl ist auf ein Minimum eingestellt (minimale Abtriebswellendrehzahl, minimale Lastbedingung). Die variablen Einlassleitschaufeln oder -düsen 57A, 57B der Expansionsturbinenstufen 21A, 21B sind vollständig geöffnet. Das Verdichterumgehungsventil 67 ist vollständig geöffnet.
Wenn das ORC-System 5 gestartet wird, wird die erste Einlassdrucksteuerung 41 aktiviert, um das Umgehungsventil 47 zu steuern. Der Drucksollwert der ersten Einlassdrucksteuerung 41 wird als P1 bezeichnet und als „Anlassdruck“ bezeichnet. Der Anlassdruck ist etwas höher eingestellt, z.B. etwa 0,5 bar höher als ein Betriebsexpansionsturbineneinlassdruck im stationären Zustand, hier unten als P2 bezeichnet (stationärer Expansionsturbineneinlassdruck). Der stationäre Expansionsturbineneinlassdruck kann zum Beispiel bei ungefähr 39,5 bar und der Anlassdruck P1 kann z.B. bei ungefähr 40 bar eingestellt sein. Es versteht sich, dass diese Zahlenwerte lediglich beispielhaft sind und nicht als den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränkend ausgelegt werden sollen.
Das Anlassen des Systems ist wie folgt. Wenn Abwärme von dem Gasturbinensystem 3 verfügbar ist, beginnt das Arbeitsfluid des unteren thermodynamischen Niedertemperaturkreisprozesses im ORC-System 5 sich zu erwärmen. Bis das Anlassventil 55, das Einlassventil 63 und/oder das Ein/Aus-Ventil 66 geschlossen sind, umgeht das gesamte Arbeitsfluid, das in dem ORC-System 5 zirkuliert, die Expansionsturbine 21 durch die Umgehungsleitung 49, während das Umgehungsventil 47 offen ist.
Das Ein/Aus-Ventil 66 ist vollständig geöffnet. Die Expansionsturbinendrehzahlssteuerung 59 wird aktiviert und übernimmt die Steuerung der Expansionsturbinendrehzahl bis eine Aufwärmdrehzahl ω_aufwärm der Expansionsturbine 21 erreicht werden wird. Das Steuerungssignal von der Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 wird auf das Anlassventil 55 angewendet, welches allmählich geöffnet wird, um eine ansteigende Strömungsmenge von erwärmtem und unter Druck gesetztem Arbeitsfluid in Richtung zu der Expansionsturbine 21 umzuleiten. Der verbleibende Arbeitsfluidstrom wird weiterhin durch das Umgehungsventil 47 und die Umgehungsleitung 49 in Richtung des Kondensators 25 umgeleitet. Das Umgehungsventil 47 wird unter der Steuerung der ersten Einlassdrucksteuerung 41 offengehalten.
Die allmähliche Öffnung des Anfahrventils 55 setzt sich fort, bis die Aufwärmdrehzahl ω_aufwärm erreicht ist, was z.B. in dem Bereich von ungefähr 20%–40% einer Expansionsturbinennennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb sein kann, d.h. der Entwurfsbetriebsdrehzahl der Expansionsturbine 21.
Wenn die Aufwärmdrehzahl ω_aufwärm erreicht worden ist, wird die Expansionsturbine 21 für ein voreingestelltes Aufwärmzeitintervall Δt_aufwärm auf dieser Drehzahl gehalten.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird die Ausgabe der Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59, sobald das Aufwärmzeitintervall Δt_aufwärm verstrichen ist, durch den Schaltblock 65 zu den variablen Einlassleitschaufeln oder -düsen 57A, 57B der Expansionsturbine 21 geleitet. Das Anfahrventil 55 wird allmählich in den vollständig geöffneten Zustand gebracht. Die Expansionsturbinendrehzahl wird nun durch das Ausgangssignal der Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 gesteuert, das auf die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B angewendet wird, wobei das Ausgangssignal auf der Basis des Drehzahlsignals von dem Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 bestimmt wird. Die Expansionsturbinendrehzahl wird um die Aufwärmdrehzahl ω_aufwärm aufrechterhalten, während das Öffnen des Anfahrventils 55 fortgesetzt wird. Das allmähliche Schließen der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B hält die Expansionsturbine bei oder um die Aufwärmdrehzahl ω_aufwärm. Da die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der zwei Expansionsturbinenstufen 21A, 21B gegenseitig gekoppelt werden können, kann ein einziges Steuersignal ausweichend, um beide variable Einlassleitschaufeln zu steuern.
Gemäß andere Ausführungsformen kann die Expansionsturbinendrehzahlsteuerung vor dem Ende des Aufwärmzeitintervalls auf die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B umgeschaltet werden, so dass, sobald das Aufwärmzeitintervall verstrichen ist, die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B teilweise geschlossen sind, während das Anfahrventil 55 vollständig geöffnet ist.
Sobald das Anfahrventil 55 vollständig geöffnet ist, wird das Expansionsturbineneinlassventil 63 geöffnet und anschließend wird das Expansionsturbinenanfahrventil 55 geschlossen.
In anderen Ausführungsformen kann ein einziges Ventil anstelle der parallelen Ventile 55, 63 verwendet werden. In einem solchen Fall wird der oben beschriebene Prozess vereinfacht und nur ein einziges Ventil wird so gesteuert, dass es allmählich geöffnet wird, bis der vollständig geöffnete Zustand erreicht ist. In einigen besonders einfachen Ausführungsformen kann die Drei-Ventil-Anordnung 55, 63, 66 durch ein einziges Ventil ersetzt werden. In einem solchen Fall wird der oben beschriebene Prozess durchgeführt, indem auf das einzige Ventil eingewirkt wird, das so gesteuert wird, dass es sich allmählich von einem vollständig geschlossenen in einen vollständig geöffneten Zustand bewegt.
Während der oben beschriebenen Phase ist der Verdichter 29 stationär oder dreht sich mit geringer Drehzahl, da die mechanische Kopplung mit variabler Drehzahl auf ein Minimum eingestellt ist.
Sobald das Aufwärmzeitintervall Δt_aufwärm verstrichen ist, ist das System bereit, die Expansionsturbinendrehzahl allmählich von der Aufwärmdrehzahl ω_aufwärm bis zu seiner Nennbetriebsdrehzahl ω_EXP-Betriebzu erhöhen. Die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B sind nun als Ergebnis der vorhergehenden Phase teilweise geschlossen und es kann zur Erhöhung der Arbeitsfluidströmungsrate durch die Expansionsturbine 21 und daher zur Beschleunigung der Expansionsturbine 21 auf diese eingewirkt werden.
Die Expansionsturbinenbeschleunigung wird unter der Steuerung der Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 durchgeführt, die auf die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B wirkt, die allmählich geöffnet werden. Während der Beschleunigung der Expansionsturbine 21 können die kritischen Drehzahlen mittels einer geeigneten Kritisches-Drehzahlband-Auslassungsfunktion übersprungen werden.
Die Verdichterdrehzahl kann ebenfalls ansteigen, da er mechanisch mit der Achse der Expansionsturbine 21 durch die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl gekoppelt ist.
Das allmähliche Öffnen der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der Expansionsturbine 21 während dieser Anfahrphase durch die Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 erhöht die Menge des durch die Expansionsturbine 21 strömenden Arbeitsfluids. Die erste Einlassdrucksteuerung 41 hält den Druck in den Expansionsturbinenkollektor 22 bei dem Druckeinstellpunkt P1 durch allmähliches Schließen des Umgehungsventils 47 aufrecht, wodurch die Umgehungsdurchflussrate reduziert wird. Die zweite Einlassdrucksteuerung 43 mit einem Druckeinstellpunkt P2 (stationärer Turboexpansionseinlassdruck), niedriger als P1, ist vorübergehend deaktiviert.
Während dieser Anfahrphase wird der Verdichter 29 auf eine minimale Verdichterbetriebsdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} beschleunigt, die in dem Bereich von ungefähr 20–70% seiner Entwurfsbetriebsdrehzahl liegen kann, während das Verdichterumgehungsventil 67 noch offen ist, und daher befindet sich der Verdichter im Zustand voller Rückführung. Die Verdichterdrehzahl wird Dank der Einstellung der mechanischen Kopplung 31 mit variabler Drehzahl während des Anfahrens erreicht.
Die Verdichterdrehzahlsteuerung wird aktiviert, nachdem sich die Expansionsturbinendrehzahl bei ihrer Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb stabilisiert hat. Falls erforderlich, wird die Verdichterdrehzahl auf ihren minimalen Betriebswert durch Einstellen der Anforderung an die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl gebracht, während der Verdichter immer noch im Zustand voller Rückgewinnung betrieben wird (Verdichterumgehungsventil 67 vollständig geöffnet).
Sobald die minimale Verdichterbetriebsdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} erreicht ist, die durch den Verdichterdrehzahlgeber 53 ermittelt wird, wird die zweite Einlassdrucksteuerung 43 aktiviert. Da die zweite Einlassdrucksteuerung 43 einen Solldruckwert P2 (Stationäre-Expansionsturbine-Einlassdruck) aufweist, der niedriger als der Solldruck P1 der ersten Einlassdrucksteuerung 41 ist, erzeugt die zweite Einlassdrucksteuerung 43 ein Steuersignal, was eine Druckreduzierung in dem Expansionsturbinenkollektor 22 bewirkt. Dies wird wie folgt erreicht.
Das durch die zweite Einlassdrucksteuerung 43 erzeugte Steuerungssignal wird auf die Verdichterdrehzahlsteuerung 51 angewendet. Die letztere wirkt auf die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl ein, wodurch die Drehzahl der Abtriebswelle davon und daher die Leistung, die von der Expansionsturbine 21 zu dem Verdichter 29 über die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl übertragen wird, erhöht wird. Die Drehzahl des Verdichters 29 nimmt zu und die Drehzahl der Expansionsturbine 21 neigt dazu abzusinken. Die Turboexpansionsdrehzahlverringerung wird durch den Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 erfasst. Das von dem Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 erzeugte Signal wird an die Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 angelegt, was eine allmähliche Öffnung der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B bewirkt, was die Strömungsrate durch die Expansionsturbine erhöht und daher die Expansionsturbinenrotationsdrehzahl bei oder um der Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb erhält.
Die durch das allmähliche Öffnen der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B bestimmten Durchflussrate durch die Expansionsturbine 21 bewirkt, dass der Druck in dem Expansionsturbinenkollektor 22 fällt bis der stationäre Expansionsturbineneinlassdruck P2 erreicht ist. Der Druckabfall in dem Expansionsturbinenkollektor 22 bewirkt, dass die erste Einlassdrucksteuerung 51 das Umgehungsventil 47 schließt. Sobald der stationäre Expansionsturbineneinlassdruck P2, d.h. der Drucksollwert der zweiten Einlassdrucksteuerung erreicht ist, strömt daher das gesamte Arbeitsfluid, das im unteren thermodynamischen Niedrigtemperaturkreisprozess des ORC-Systems 5 zirkuliert, durch die Expansionsturbine 21. Während dieses Prozesses wird das Verdichterumgehungsventil 67 allmählich geschlossen und der Verdichter 29 wird parallel zu den Verdichtern 11A, 11B in Reihe geschaltet und beginnt mit der Verarbeitung des in der Rohrleitung fließenden gasförmigen Mediums.
Der Prozess wird fortgesetzt, bis die Drehzahl die des Verdichters 29 auf die volle Verdichterbetriebsdrehzahl ω_Komp-Betrieb gebracht ist, die innerhalb der Verdichterbetriebsumgebung liegt, typischerweise zwischen minimaler und maximaler Auslegungsbetriebsdrehzahl. Um die verfügbare Leistung von dem Abwärmerückgewinnungstauscher voll auszuschöpfen, kann die Betriebsdrehzahl auf die maximale Auslegungsbetriebsdrehzahl (siehe Block 69) eingestellt werden. Der Expansionsturbineneinlassdruck wird bei einem stationären Expansionsturbineneinlassdruck P2 gehalten und die Expansionsturbinendrehzahl wird bei 100% ihrer Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb gehalten.
Der Verdichter kann durch Schließen des Verdichterumgehungsventils 67 unter Last gesetzt werden und die Verdichterlaststeuerung wird aktiviert.
Das oben beschriebene Steuerverfahren ist so, dass die Rotationsdrehzahl der Expansionsturbine bei ihrer Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb gehalten wird, wenn die Leistung, die von dem Abwärmerückgewinnungssystem verfügbar ist, schwankt, während die Leistung, die durch die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl übertragen wird, modifiziert wird, was eine Variation der Verdichterdrehzahl bewirkt. Wenn zum Beispiel die Abwärme, die von dem oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess verfügbar ist, abfällt, neigt der Druck in dem Expansionsturbinenkollektor 22 dazu abzufallen, da weniger thermische Energie für den unteren thermodynamischen Niedrigtemperaturkreisprozess verfügbar ist. Die zweite Einlassdrucksteuerung 43 erzeugt ein Steuersignal, das an die Verdichterdrehzahlsteuerung 51 angelegt wird. Letztere erzeugt wiederum ein Signal, welches das an der Abtriebswelle der drehzahlvariablen mechanischen Kopplung 31 zur Verfügung stehenden Drehmoment reduziert und somit die Verdichterdrehzahl reduziert. Umgekehrt wird, wenn mehr Abwärme verfügbar ist, dies zu einem Druckanstieg im Expansionsturbineneinlasskollektor 22 führen, was die zweite Einlassdrucksteuerung 43 dazu veranlassen wird, ein Signal zu erzeugen, das an die Verdichterdrehzahlsteuerung 51 angewendet wird, wobei letztere ein Signal erzeugt, das das an der Abtriebswelle der mechanischen Kopplung 31 mit variabler Drehzahl verfügbare Drehmoment erhöht, wodurch die Verdichterdrehzahl erhöht wird.
Die Variation des von dem Verdichter 29 benötigten Drehmoments an der Abtriebswelle der mechanischen Kopplung 31 mit variabler Drehzahl bewirkt eine Abweichung der Drehzahl der Expansionsturbine 21 von der Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb der Expansionsturbine. Der Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis, die den Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 und die Turboexpansionsdrehzahlsteuerung 59 enthält, liefert ein Steuersignal, das, einwirkend auf die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B, die Expansionsturbinendrehzahl bei oder um der Nennbetriebsdrehzahl ω_EXP-Betrieb halten wird, wodurch dem Effekt der Drehmomentvariation aufgrund des Signals, erzeugt durch die Verdichterdrehzahlsteuerung 51, entgegenwirkt wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Steuerungssystem des ORC-Systems 5 Vorrichtungen umfassen, die es dem System ermöglichen, Anforderungen für eine schnelle Teilung der Strömungsrate, verarbeitet durch den Verdichter 29, zu bewältigen. Gemäß Ausführungsformen des hierin offenbarten Systems, wenn die Verdichterdrehzahl reduziert werden muss, beispielsweise aufgrund einer verminderten Anforderung von der Rohrleitung 10, kann ein entsprechendes Teilungssignal durch einen Block 71 an eine Auswahlvorrichtung 73 bereitgestellt werden, die das minimale aus dem Teilsignal und dem Signal von der zweiten Einlassdrucksteuerung 43 auswählt. Dieses ausgewählte minimale Signal wird dann auf die Verdichterdrehzahlsteuerung 51 angewendet. Wenn daher eine abrupte Verringerung der Strömungsrate vom Verdichter 29 erforderlich ist, überschreibt das Teilungssignal die zweite Einlassdrucksteuerung 43 und verursacht eine schnelle Verringerung der Drehzahl der Ausgangswelle der mechanischen Kopplung 31 mit variabler Drehzahl. Dies wiederum bewirkt, dass der Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 über P1 zunimmt und dass die erste Einlassdrucksteuerung 41 das Bypassventil 47 öffnet.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Steuerungssystem ferner mit Vorrichtungen versehen sein, die eine Verringerung der Expansionsturbinenströmungsrate sicherstellen, die schneller ist als die, wie oben beschrieben erhaltene, z.B. wenn eine schnelle Strömungsratenreduktion erforderlich ist.
Zu diesem Zweck kann ein Vorsteuerungssteuerungsblock 57 zwischen der Verdichterdrehzahlsteuerung 51 und der Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 vorgesehen sein. Das Strömungsratenreduktionssignal von Block 71 wird in diesem Fall den Vorsteuerungsblock dazu veranlassen, ein Vorsteuerungssteuerungssignal zu erzeugen, das den oben beschriebenen Drehzahlsteuerungsprozess überschreibt und das direkt auf die Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 angewendet wird, die im Gegenzug ein Steuerungssignal erzeugen wird, dass die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B schnell schließen wird.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuerungsanordnung ferner Vorrichtungen enthalten, die verhindern, dass der Expansionsturbineneinlassdruck unter einen minimal zulässigen Druck P3 fällt, der z.B. 0,5 bar kleiner als P2 sein kann. Gemäß hierin offenbarten Ausführungsformen wird dies durch die Auswahlvorrichtung 62 und die dritte Einlassdrucksteuerung 45 erreicht. Die letztere hat einen Solldruck P3, der niedriger ist als der Solldruck P2 der zweiten Einlassdrucksteuerung 43. Wenn der Solldruck P2 39,5 bar ist, kann der Solldruck P3 der dritten Einlassdrucksteuerung 43 z.B. 39,0 bar betragen.
Wenn der Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 auf P3 fällt, z.B. aufgrund einer Fehlfunktion des Abwärmerückgewinnungstauschers 17 oder des Wärmeübertragungskreises 7 oder anders aufgrund eines Abfalls der verfügbaren Abwärme, erzeugt die dritte Einlassdrucksteuerung 45 ein Steuerungssignal, welches an die Auswahlvorrichtung 62 angelegt wird. Die letztere wählt die niedrigsten unter dem Steuerungssignal der dritten Einlassdrucksteuerung 45 und der Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 aus. Wenn die dritte Einlassdrucksteuerung 45 einen Druckabfall erfasst, wird ein Signal davon das Signal von der Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59 überschreiben und durch die Auswahlvorrichtung 62 an die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B geleitet werden, was eine schnelle Reduktion der Strömung durch die Expansionsturbine 21 verursacht.
Alternative Steuerungsverfahren sowohl für die Anfahr- als auch die Laststeuerung sind möglich. Eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Steuerungsverfahrens wird hier unten mit Bezug auf die schematische Darstellung der 4 beschrieben.
Elemente und Komponenten der 4, die den in den 2 und 3 gezeigten Elementen und Komponenten entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Layout des Systems der in 4 gezeigten Ausführungsform wird in Kürze zusammengefasst. Der Betrieb davon wird dann im Detail beschrieben.
In 4 sind die Hauptkomponenten des ORC-Systems 5 in Kombination mit einer beispielhaften Anordnung von Vorrichtungen gezeigt, die zum Steuern der Rotationsmaschinen davon verwendet werden. Die Expansionsturbine 21 ist hier als eine Getriebeexpansionsturbine dargestellt, die aus einer ersten Hochdruckstufe 21A und einer zweiten Niederdruckstufe 21B besteht. Jede Expansionsturbinenstufe 21A, 21B umfasst eine Abtriebswelle 20A, 20B. Die Abtriebswellen 20A, 20B sind antriebsmäßig mit einem Getriebe 21D verbunden. Energie wird von der Expansionsturbine 21 durch eine Abtriebswelle 21C der Expansionsturbine zu einer mechanischen Kopplung mit variabler Drehzahl geliefert, die wieder mit 31 bezeichnet ist. Die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl ist wiederum mit dem Verdichter 29 verbunden.
In 4 werden eine erste Einlassdrucksteuerung 41 und eine zweite Einlassdrucksteuerung 43 gezeigt. Die erste Einlassdrucksteuerung 41 ist zum Steuern eines Umgehungsventils 47 eingerichtet, das an einer Umgehungsleitung 49 angeordnet ist. Die Umgehungsleitung 49 verbindet den Expansionsturbineneinlasskollektor 22 unter Umgehung der Expansionsturbine 21 mit dem Rekuperator 23 oder dem Kondensator 25. Das Bezugszeichen 41 bezeichnet einen Druckwandler, dessen Signal an den ersten Einlassdruckregler 41 angelegt wird. Bezugszeichen 43A bezeichnet einen Druckwandler, dessen Signal an die zweite Eingangsdrucksteuerung 43 angelegt wird.
Eine erste Verdichterdrehzahlsteuerung 51A und ein zweiter Verdichterdrehzahlsteuerung 51B sind mit einem Verdichterdrehzahlgeber 53 verbunden, der die Drehzahl der Abtriebswelle 31A der mechanischen Kopplung 31 mit variabler Drehzahl erfasst. Die erste Verdichterdrehzahlsteuerung 51A kann funktionell mit einem Anfahrventil 55 verbunden sein. Die zweite Verdichterdrehzahlsteuerung 51B ist mit einer Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 verbunden. Der Ausgang der Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 wird an die variablen Einlassleitschaufeln (IGV) 57A, 57B der ersten Hochdruckstufe 21A der Expansionsturbine 21 und der zweiten Niedrigdruckstufe 21B der Expansionsturbine 21 angewendet. In anderen Ausführungsformen, beispielsweise wenn eine einstufige Expansionsturbine bereitgestellt wird, wird nur ein Satz von variablen Einlassdüsen oder Einlassleitschaufeln benötigt.
Auch in der Ausführungsform von 4 können die variablen Einlassleitschaufeln 57a, 57b so verbunden sein, dass sie durch ein einziges Steuersignal, d.h. das Ausgangssignal der Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 gesteuert werden.
Das Bezugszeichen 59A bezeichnet eine erste Expansionsturbinendrehzahlsteuerung, die funktionell mit einem Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 verbunden ist und ein Expansionsturbinendrehzahlsignal davon erhält. In der Ausführungsform der 4 erfasst der Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 die Drehzahl der Welle 21c. In anderen Ausführungsformen kann der Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 auf die Welle 20A und/oder die Welle 20B oder alle drei Wellen 20A, 20B und 21C angewendet werden.
Der Ausgang der ersten Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59A kann selektiv über einen Schaltblock 58 an das Expansionsturbinenanfahrventil 55 ausgegeben werden.
Eine zweite Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59B kann ein Signal von dem Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 empfangen. Die Ausgabe der zweiten Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59B kann ausgewählt an die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl angewendet werden.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann ein gesteuertes Expansionsturbineneinlassventil 63 parallel zu dem Expansionsturbinenanfahrventil 55 angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann ferner ein Ein/Aus-Ventil 66 vorgesehen und in Reihe zu dem Expansionsturbineneinlassventil 63 und dem Expansionsturbinenanfahrventil 55 angeordnet sein. In anderen Ausführungsformen kann anstelle eines Drei-Ventil-Systems 55, 63, 66 ein einzelnes Ventil oder eine Zwei-Ventile-Anordnung verwendet werden.
Weitere Elemente zum Steuern des Betriebs des ORC-Systems 5 können ein Verdichterumgehungsventil 67 einschließen, das die Verdichterabgabeseite mit der Verdichtersaugseite direkt oder mit einer nicht gezeigten Gasrezirkulationsleitung verbindet. Das Verdichterumgehungsventil 67 kann ein Anti-Pumpen-Ventil des Verdichters 29 sein.
Block 81 stellt schematisch einen Drucksteuerungsaktivierungsbefehl dar. Bezugszeichen 83, 85, 87 stellen schematische Blöcke zur ausgewählten Aktivierung / Deaktivierung von bestimmten Steuerkreisen des bisher beschriebenen Systems dar. Der Block 89 stellt eine Steuerungssoftwarelogik dar, die das Öffnen und Schließen der Ventile 63 und 66 steuert.
Die Arbeitsweise des Systems der 4 wird nun im Detail beschrieben.
Die Anfangsbedingungen sind dieselben wie zuvor in Verbindung mit dem Verfahren durchgeführt durch das System von 3 beschrieben. Das Ein/Aus-Ventil 66, das Anfahrventil 55 und das Expansionsturbineneinlassventil 63 sind geschlossen. Das Umgehungsventil 47 reguliert den Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 unter der Steuerung der ersten Einlassdrucksteuerung 41. Die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der Expansionsturbine 21 sind vorzugsweise vollständig offen. Die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl ist auf eine minimale Drehzahl eingestellt. Das Umgehungsventil 67 des Verdichters 29 ist vollständig offen.
Wenn vom oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess 3 Abwärme verfügbar ist, beginnt sich das Arbeitsfluid im unteren thermodynamischen Niedrigtemperatur-ORC-System 5 aufzuheizen und wird unter Druck gesetzt. Wenn der Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 den Anfahrdruck P1 erreicht, kann der Anfahrvorgang eingeleitet werden. Das Ventil 66 ist vollständig geöffnet, während das Expansionsturbineneinlassventil 63 und das Anlassventil 55 geschlossen sind. Die Expansionsturbinenrotation wird unter der Steuerung der ersten Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59A eingeleitet, die auf das Anfahrventil 55 wirkt, welches allmählich geöffnet wird. Zu diesem Zweck ist ein Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis aktiviert. Der Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis kann aus dem Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 und der ersten Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59A bestehen. Der Schaltblock 58 zeigt schematisch die Option, diesen Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis zu aktivieren. Das Signal von der ersten Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59A wird an das Anfahrventil 55 angelegt.
Der oben erwähnte Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis 61, 59A öffnet allmählich das Expansionsturbinenanfahrventil 55, wodurch die Strömungsrate des Arbeitsfluids, das von dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 durch die Expansionsturbine 21 strömt, erhöht wird. Die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B werden teilweise oder vorzugsweise vollständig geöffnet gehalten.
Die Expansionsturbinendrehzahl wird erhöht, bis die Aufwärmdrehzahl ω_aufwärm erreicht ist. Die Expansionsturbine 21 wird für ein Aufwärmzeitintervall Δt_aufwärm auf Aufwärmdrehzahl gehalten. Der Verdichter 29 ist entweder stationär oder dreht sich langsam, wenn die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl auf einen minimalen Drehzahlwert eingestellt ist. In diesem Stadium ist keine Verdichterdrehzahlsteuerung erforderlich und daher ist keine derartige Verdichterdrehzahlsteuerung aktiviert.
Nach Ablauf des Aufwärmzeitintervalls Δt_aufwärm wird die Beschleunigung der Expansionsturbine 21 von der Aufwärmdrehzahl ω_aufwärm bis zu ihrem vollen Betrieb, d.h. Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb gestartet. Die Beschleunigung wird erhalten, indem das Anfahrventil 55 unter der Steuerung der ersten Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59A weiter allmählich geöffnet wird.
Sobald die Nennbetriebsdrehzahl Δt_aufwärm der Expansionsturbine 21 erreicht ist, wird die Expansionsturbinendrehzahlsteuerung durch das Anfahrventil 55 deaktiviert und eine Verdichterdrehzahlsteuerung wird aktiviert.
Die Verdichterdrehzahlsteuerung arbeitet auf der Grundlage eines Drehzahlsignals von dem Verdichterdrehzahlwandler 53, der Teil eines Verdichterdrehzahlsteuerkreises einschließlich der ersten Verdichterdrehzahlsteuerung 51A ist. Während die variablen Einlassleitschaufeln oder -düsen 57A, 57B der Expansionsturbine 21 vollständig offen gehalten werden, wird die Verdichterdrehzahl erhöht, indem das Anfahrventil 55 weiter geöffnet wird, so dass die Strömungsrate des Arbeitsfluids durch die Expansionsturbine 21 weiter erhöht wird.
Um zu verhindern, dass sich die Expansionsturbine über ihre Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb beschleunigt wird, wenn sich das Anfahrventil 55 weiter öffnet, ist ein Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis vorgesehen und in diesem Stadium aktiviert, der auf die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl einwirkt. Gemäß einigen Ausführungsformen umfasst der Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis nun den Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 und den zweiten Expansionsturbinendrehzahlregler 59B. Der Expansionsturbinendrehzahlsteuerungskreis 59B, 61 wirkt auf die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl basierend auf dem Drehzahlsignal von dem Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 ein. Die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl wird gesteuert, um das Drehmoment zu erhöhen, das von der Expansionsturbine 21 zu dem Verdichter 29 übertragen wird, wodurch die Ausgangsdrehzahl der mechanischen Kopplung 31 mit variabler Drehzahl erhöht wird. Die zusätzliche Leistung, die an der Expansionsturbine 21 aufgrund einer erhöhten Durchflussrate des Arbeitsfluids, die durch die allmähliche fortgesetzte Öffnung des Anfahrventils 55 verursacht wird, zur Verfügung gestellt wird, wird zu dem Verdichter 29 übertragen, was eine Beschleunigung desselben bewirkt, während die Drehzahl der Expansionsturbine um die Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb gehalten wird.
Kurz gesagt ist nun ein Doppel-Drehzahl-Steuerkreis aktiviert. Ein Verdichterdrehzahlsteuerkreis, die den Verdichterdrehzahlwandler 53 und die erste Verdichterdrehzahlsteuerung 51a umfasst, wird verwendet, um das Anfahrventil 55 allmählich zu öffnen. Die Expansionsturbine 21 wird durch den Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis, die den Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 und die zweite Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59B aufweist, auf ihrer Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb gehalten. Letzteres wirkt, basierend auf der tatsächlichen Expansionsturbinendrehzahl, auf die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl, wodurch die an den Verdichter übertragene Leistungsmenge erhöht wird.
Die Beschleunigung des Verdichters 29 setzt sich fort, bis eine minimale Verdichterbetriebsdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} erreicht ist. Sobald die minimale Verdichterbetriebsdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} erreicht wurde, ist die Anfahrphase abgeschlossen. Das Verdichterumgehungsventil 67 ist immer noch offen, die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der Expansionsturbine 21 sind immer noch vollständig geöffnet. Der Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 ist unter der Kontrolle der ersten Einlassdrucksteuerung 41, die auf den Anfahrdruck P1 eingestellt ist. Ein Teil des Arbeitsfluids wird immer noch durch die Umgehungsleitung 49 und das Umgehungsventil 47 umgeleitet, das durch die erste Einlassdrucksteuerung 41 gesteuert wird.
Sobald die minimale Verdichterbetriebsdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} erreicht ist, wird das Anfahrventil 55 in seine vollständig geöffnete Position gebracht. Der Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis 61, 59B hält die Drehzahl der Expansionsturbine 21 bei der Nennexpansionsturbinenbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb aufrecht, indem dieser auf die mechanische Kopplung mit variabler Drehzahl einwirkt. Die Steuerung der Verdichterdrehzahl wird nun von der zweiten Verdichterdrehzahlsteuerung 51B übernommen, der die Drehzahl des Verdichters 29 bei einer Mindestverdichterbetriebsdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} durch Einwirken auf die variablen Einlassleitschaufeln 57a, 57b aufrecht erhält.
Sobald das Expansionsturbinenanfahrventil 55 vollständig geöffnet ist, wird das Expansionsturbineneinlassventil 63 geöffnet und das Expansionsturbinenanfahrventil 55 wird anschließend vollständig geschlossen. Das Arbeitsfluid wird nun der Expansionsturbine 21 durch die Ventile 63, 66 zugeführt. Eine andere Ventilöffnungs- und Schließungssequenz kann verwendet werden, falls eine andere Ventilanordnung verwendet werden sollte, wie zuvor mit Bezug auf 3 erwähnt.
Das Umgehungsventil 47 ist immer noch zumindest teilweise offen. Das Arbeitsfluid strömt teilweise durch die Expansionsturbine 21 und teilweise durch die Umgehungsleitung 49. Ein vollständiger Strom durch die Expansionsturbine 21 wird im nächsten zu beschreibenden Schritt erreicht, während dessen der Verdichter 29 von der Verdichterbetriebsmindestdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} auf volle Verdichterbetriebsdrehzahl ω_Komp-Betrieb beschleunigt wird.
Sobald die Verdichterdrehzahl über die Verdichterbetriebsmindestdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} ansteigt, kann das Verdichterumgehungsventil 67 allmählich geschlossen werden, so dass der Verdichter 29 mit den Verdichtern 11A, 11B parallel in Reihe geschaltet wird und beginnt, das gasförmige Medium in der Rohrleitung 10 zu verarbeiten.
Der letzte Schritt der Verdichterbeschleunigung wird unter der Steuerung des Verdichterdrehzahlsteuerkreises, der den Verdichterdrehzahlwandler 53 und die zweiten Verdichterdrehzahlsteuerung 51B umfasst, und des Drucksteuerkreises durchgeführt, die den zweiten Einlassdruckwandler 43A und die zweiten Einlassdrucksteuerung 43 aufweist. Beide Steuerkreise wirken auf die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B über eine Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 ein.
Das Ausgangssignal von dem zweiten Verdichterdrehzahlregler 51B wird nun an die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der Expansionsturbine 21 angelegt. Da die tatsächliche Verdichterdrehzahl ω_{min-Komp-Drehzahl} ist und erhöht werden muss, um die volle Verdichterbetriebsdrehzahl ω_Komp-Betrieb zu erreichen, erzeugt die zweite Verdichterdrehzahlsteuerung 51B ein Signal, das darauf gerichtet ist, die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der Expansionsturbine 21 weiter zu öffnen, so dass mehr Leistung dank des erhöhten Arbeitsfluidstroms durch die Expansionsturbine 21 zur Verfügung gestellt wird, um die Verdichterdrehzahl zu erhöhen. Falls der durch den zweiten Einlassdruckwandler 43A erfasste Druck unter einen zweiten Einlassdrucksollwert P2 der zweiten Einlassdrucksteuerung 43 fällt, wird das Öffnen der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B durch die Einlassdrucksteuerung 43 durch die Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 begrenzt.
Der Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis, der einen Expansionsturbinendrehzahlwandler 61 und eine zweiten Expansionsturbinendrehzahlsteuerung 59B umfasst, verhindert, dass die Expansionsturbine 21 über ihre Nennbetriebsdrehzahl ω_Exp-Betrieb hinaus beschleunigt. Dies wird durch die Expansionsturbinendrehzahlsteuerkreis 61, 59B erreicht, die auf die mechanische Kopplung 31 mit variabler Drehzahl einwirkt, so dass die erhöhte Leistung, die durch Öffnen der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B unter der Steuerung der zweiten Verdichterdrehzahlsteuerung 51B und der zweiten Einlassdrucksteuerung 43 zur Beschleunigung des Verdichters 29 auf die Welle 31A übertragen wird.
Gleichzeitig erzeugt die zweite Einlassdrucksteuerung 43 ein Signal, das darauf abzielt, den Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 bei einem stationären Expansionsturbineneinlassdruck P2, d.h. dem Drucksollwert des zweiten Einlassdruckreglers 43, zu halten, wodurch verhindert wird, dass der Expansionsturbineneinlassdruck unter den zweiten Drucksollwert P2 fällt. Da P2 niedriger als der Einstelldruck P1 der ersten Einlassdrucksteuerung 41 ist, hat letzterer das Umgehungsventil 47 geschlossen. Das gesamte Arbeitsfluid wird nun durch die Expansionsturbine 21 fließen.
Somit wird während dieser Phase das Signal von dem zweiten Einlassdruckregler 43 an die Niedriges-Signalauswählvorrichtung 62 angelegt, an die auch das Signal von dem Verdichterdrehzahlsteuerkreis angelegt wird. Das kleinste dieser beiden Signale, empfangen durch die Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 wird verwendet, die variablen Einlassleitschaufeln 57a, 57b zu steuern. Die zweite Verdichterdrehzahlsteuerung 51B wird ein Signal erzeugen, das darauf abzielt, den Verdichter bis zur vollen Verdichterbetriebsdrehzahl ω_Komp-Betrieb zu beschleunigen, während seine Wirkung durch das Steuerungssignal von der zweiten Einlassdrucksteuerung 43 ausgeglichen wird, wenn der Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 dazu neigt, unter den Solldruck P2 zu fallen.
Gemäß einigen Ausführungsformen sind unter stationären Zustandsbedingungen zwei Steuerungen aktiv und können wahlweise auf die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der Expansionsturbine 21 einwirken. Die erste Steuerung ist die zweite Einlassdrucksteuerung 43, die den Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22 regelt. Ein weitere Steuerung ist die zweite Verdichterdrehzahlsteuerung 51B. Die Signale beider Steuerungen werden auf die Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 angewendet. Gemäß manchen Ausführungsformen wählt die Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 das kleinere von den zwei Steuerungssignale, das dann dazu verwendet wird, um auf die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der Expansionsturbine einzuwirken.
Wenn beispielsweise die Leistung, die von dem oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess verfügbar ist, abnimmt, wird ein Druckabfall in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22, der durch die zweite Einlassdrucksteuerung 43 erfasst wird, ein Signal liefern, das den Druckabfall durch Schließen der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B der Expansionsturbine 21 reduziert. Wenn mehr Leistungen von dem oberen thermodynamischen Hochtemperaturkreisprozess verfügbar ist, wird die Druckzunahme in dem Expansionsturbineneinlasskollektor 22, die dadurch verursacht wird, durch die zweite Einlassdrucksteuerung 43 erfasst, die ein entgegengesetztes Steuersignal erzeugt, das darauf abzielt, die Druckzunahme durch Öffnung der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B zu reduzieren.
Gleichzeitig werden Schwankungen der Verdichterdrehzahl durch den Verdichterdrehzahlwandler 53 erfasst und werden bewirken, dass ein Steuersignal von der zweiten Verdichterdrehzahlsteuerung 51B erzeugt wird. Dieses Signal soll ein Öffnen oder Schließen der variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B bewirken, um die Verdichterdrehzahl jeweils zu erhöhen oder zu verringern.
Wenn die zwei Steuerungssignale von der zweiten Einlassdrucksteuerung 43 und der zweiten Verdichterdrehzahlsteuerung 51B an die Niedriges-Signal-Auswahlvorrichtung 62 angelegt werden, wird die letztere das kleinste der beiden Signale auswählen, das schließlich auf die variablen Einlassleitschaufeln 57A, 57B angewendet wird.
Die Verdichterdrehzahl kann auf Drehzahlwerte angepasst werden, wenn dies erforderlich ist, die höher oder niedriger als die volle Verdichterbetriebsdrehzahl ω_Komp-Betrieb sind. Beispielsweise kann die Verdichterdrehzahl angepasst werden, um bestimmte Prozessbedingungen in der Rohrleitung 10 zu erfüllen (oder zu helfen, diese zu erfüllen), an die der Verdichter angeschlossen ist, beispielsweise vorgegeben durch sich erhöhende oder abnehmende Strömungs- oder Druckbedingungen in der Sammelleitung der Rohrleitung.
Während die offenbarten Ausführungsformen des hierin beschriebenen Gegenstands in den Zeichnungen gezeigt und oben voll mit Genauigkeit und Detail in Verbindung mit verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wurden, wird es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich sein, dass viele Modifikationen, Veränderungen und Auslassungen möglich sind, ohne wesentlich von den neuen Lehren, den Prinzipien und Konzepten, die hierin angegeben sind und den Vorteilen des in den beigefügten Ansprüchen angegebenen Gegenstands abzuweichen. Daher sollte der richtige Umfang der offenbarten Neuerungen nur durch die breiteste Auslegung der beigefügten Ansprüche bestimmt werden, um alle derartigen Modifikationen, Änderungen und Auslassungen zu umfassen. Zusätzlich kann die Reihenfolge oder Abfolge von Prozess- oder Verfahrensschritten gemäß alternativen Ausführungsformen variiert oder neu aufeinanderfolgend angeordnet werden.

Claims

Leistungsumwandlungssystem aufweisend: eine Abwärmequelle (17); ein Organischer-Rankine-Kreisprozess-System (5) aufweisend: wenigstens eine Expansionsturbine (21) aufweisend variable Einlassleitschaufeln (57A, 57B), wenigstens eine rotierende Last (29), die mechanisch an die Expansionsturbine (21) koppelt und dadurch angetrieben ist, und eine mechanische drehzahlvariable Kopplung (31) zwischen der Expansionsturbine (21) und der rotierenden Last (29).
System nach Anspruch 1 weiter aufweisend: ein Gasturbinensystem (3) aufweisend wenigstens einen Gasturbinenantrieb (9A, 9B) und wenigstens eine weitere rotierende Last (11A, 11B), die durch den wenigstens einen Gasturbinenantrieb (9A, 9B) angetrieben wird; und ein Wärmetauschsystem (7, 17, 19) zum Übertragen von Abwärme von dem Gasturbinensystem (3) zu dem Organischer-Rankine-Kreisprozess-System (5); wobei die Abwärmequelle Abgas aus dem Gasturbinensystem (3) aufweist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei die weitere rotierende Last wenigstens eine weitere Turbomaschine (11A, 11B) aufweist, wobei die wenigstens eine weitere Turbomaschine vorzugsweise ein Verdichter ist.
System nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, wobei die rotierende Last wenigstens eine Turbomaschine (29) aufweist, wobei die wenigstens eine Turbomaschine vorzugsweise ein Verdichter ist.
System nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, wobei das Organischer-Rankine-Kreisprozess-System (5) einen Expansionsturbineneinlasskollektor (22) und wenigstens einen Einlassdruckregler (43) aufweist, der angeordnet und eingerichtet ist, den Druck in dem Expansionsturbineneinlasskollektor (22) bei einem stationären Expansionsturbineneinlassdruck (P2) aufrecht zu erhalten.
System nach Anspruch 5 aufweisend eine weitere Einlassdrucksteuerung (41), die angeordnet und eingerichtet ist, ein Umgehungsventil (47) zu steuern, das den Expansionsturbineneinlasskollektor (22) mit einer Niedrigdruckseite des Organischer-Rankine-Kreisprozess-Systems (5) verbindet, wobei die weitere Einlassdrucksteuerung (41) einen Drucksollwert (P1) aufweist, der höher als der stationäre Expansionsturbineneinlassdruck (P2) ist.
System nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche weiter aufweisend eine Drehzahlsteuerungsanordnung, die dazu eingerichtet und angeordnet ist, die Expansionsturbine (21) und die rotierende Last (29) zu steuern; und wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung vorzugsweise wenigstens einen ersten Expansionsturbinendrehzahlsteuerungskreis aufweist, der einen Expansionsturbinendrehzahlwandler (61) und eine erste Expansionsturbinendrehzahlsteuerung (59; 59A) aufweist.
System nach Anspruch 8, wobei die erste Expansionsturbinendrehzahlsteuerung (59; 59A) dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein Steuerungssignal ausgewählt an ein Anfahrventil (55) und variable Einlassleitschaufeln (57A, 57B) der Expansionsturbine (21) anzulegen; oder ein Steuerungssignal an das Anfahrventil (55) anzulegen.
System nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Expansionsturbinendrehzahlsteuerung ferner dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein Steuerungssignal ausgewählt an die mechanische drehzahlvariable Kopplung (31) anzulegen.
System nach Anspruch 7 oder 8 oder 9, wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung weiter einen zweiten Expansionsturbinensteuerkreis aufweisend eine zweite Expansionsturbinendrehzahlsteuerung (59B) aufweist und wobei der zweite Expansionsturbinensteuerkreis dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein Steuersignal an die mechanische drehzahlvariable Kopplung (31) ausgewählt anzulegen.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 7–10, wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung weiter wenigstens einen ersten Lastdrehzahlsteuerkreis aufweisend einen Lastdrehzahlwandler (53) und eine erste Lastdrehzahlsteuerung (51; 51A) aufweist; wobei die erste Lastdrehzahlsteuerung (51) vorzugsweise eingerichtet und angeordnet ist, ein Steuerungssignal ausgewählt an die mechanische drehzahlvariable Kopplung (31) anzulegen; und wobei die erste Lastdrehzahlsteuerung (51; 51A) vorzugsweise dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein Steuerungssignal ausgewählt an die variablen Einlassleitschaufeln (57A, 57B) der Expansionsturbine (21) anzulegen.
System nach Anspruch 11, wobei die erste Lastdrehzahlsteuerung (51; 51A) dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein Steuerungssignal an ein Anfahrventil (55) ausgewählt anzulegen.
System nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung weiter einen zweiten Lastdrehzahlsteuerkreis aufweist, aufweisend eine zweiten Lastdrehzahlsteuerung (51B); und wobei der zweite Lastdrehzahlsteuerungskreis dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein Steuerungssignal an die variablen Einlassleitschaufeln (57A; 57B) der Expansionsturbine (21) ausgewählt anzulegen.
System nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 13, wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung dazu eingerichtet und angeordnet ist, eine Anfahrphase des Organischer-Rankine-Kreisprozess-Systems (5) durchzuführen, einschließlich eines Schrittes zur Beschleunigung der Expansionsturbine (21) auf eine Aufwärmdrehzahl (ω_aufwärm) und eines nachfolgenden Schrittes der Beschleunigung der Expansionsturbine (21) auf eine Nennbetriebsdrehzahl (ω_EXP-Betrieb); und wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung vorzugsweise eingerichtet und angeordnet ist, die Expansionsturbine (21) auf die Aufwärmdrehzahl (ω_aufwärm) durch Einwirken auf ein Anfahrventil (55) zu beschleunigen.
System nach Anspruch 15, wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung dazu eingerichtet und angeordnet ist, die Expansionsturbine (21) bei einer Aufwärmdrehzahl (ω_aufwärm) während eines Aufwärmzeitintervalls (Δt_aufwärm) zu halten.
System nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung dazu eingerichtet und angeordnet ist, die rotierende Last (29) auf eine Mindestbetriebsdrehzahl (ω_{min-Komp-Drehzahl}) zu beschleunigen und nachfolgend die rotierende Last (29) auf eine volle Betriebsdrehzahl (ω_Komp-Betrieb) zu beschleunigen; und wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung vorzugsweise dazu eingerichtet und angeordnet ist, die rotierende Last (29) in Richtung zu der Betriebsmindestdrehzahl (ω_{min-Komp-Drehzahl}) zu beschleunigen, nachdem die Expansionsturbine (21) die volle Betriebsdrehzahl (ω_Exp-Betrieb) erreicht hat.
System nach Anspruch 16, wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung dazu eingerichtet und angeordnet ist, die rotierende Last (29) von der Betriebsmindestdrehzahl (ω_{min-Komp-Drehzahl}) zu der vollen Betriebsdrehzahl (ω_Komp-Betrieb) durch Einwirken auf die mechanische drehzahlvariable Kopplung (31) zu beschleunigen; und wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung vorzugsweise dazu eingerichtet und angeordnet ist, die Expansionsturbinendrehzahl bei einer Nennbetriebsdrehzahl (ω_Exp-Betrieb) während der Beschleunigung der rotierenden Last von der Betriebsmindestdrehzahl (ω_{min-Komp-Betrieb}) zu der vollen Betriebsdrehzahl (ω_Komp-Betrieb) durch Einwirken auf variable Einlassleitschaufeln (57A, 57B) der Expansionsturbine (21) zu halten.
System nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Drehzahlsteuerungsanordnung dazu eingerichtet und angeordnet ist, die rotierende Last (29) zu der vollen Betriebsdrehzahl (ω_Komp-Betrieb) durch Einwirken auf variable Einlassleitschaufeln (57A, 57B) der Expansionsturbine (21) zu beschleunigen unter Aufrechterhalten der Expansionsturbine bei der Nennbetriebsdrehzahl (ω_Exp-Betrieb) durch Einwirken auf die mechanische drehzahlvariable Kopplung (31).
Verfahren zum Führen eines Leistungsumwandlungssystems einschließend eines Organischer-Rankine-Kreisprozess-Systems (5), das thermisch an eine Abwärmequelle (17) gekoppelt ist, und aufweisend; wenigstens eine Expansionsturbine (21), die variable Einlassleitschaufeln (57A, 57B) aufweist; wenigstens eine rotierende Last (29), die mechanisch an die Expansionsturbine (21) gekoppelt ist und dadurch angetrieben ist; und eine mechanische drehzahlvariable Kopplung (31) zwischen der Expansionsturbine (21) und der rotierenden Last (29); wobei das Verfahren den Schritt des Einwirkens auf eine mechanische drehzahlvariable Kopplung (31) aufweist, um die Leistung übertragen von der Expansionsturbine (21) auf die rotierende Last (29) zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 19 aufweisend die Schritte: Beschleunigen der Expansionsturbine (21) auf eine erste Aufwärmdrehzahl (ω_aufwärm) und nachfolgendes Beschleunigen der Expansionsturbine (21) auf die Nennbetriebsdrehzahl (ω_Exp-Betrieb) höher als die Aufwärmdrehzahl; Beschleunigen der rotierenden Last (29) auf eine Lastmindestbetriebsdrehzahl (ω_{Min-Komp-Drehzahl}) und nachfolgendes Beschleunigen der rotierenden Last auf eine volle Betriebsdrehzahl (ω_Komp-Betrieb) höher als die Lastbetriebsmindestdrehzahl unter Halten der Expansionsturbine (21) bei oder um der Nennbetriebsdrehzahl (ω_Exp-Betrieb).