ITCO20100029A1 - Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori - Google Patents

Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori Download PDF

Info

Publication number
ITCO20100029A1
ITCO20100029A1 IT000029A ITCO20100029A ITCO20100029A1 IT CO20100029 A1 ITCO20100029 A1 IT CO20100029A1 IT 000029 A IT000029 A IT 000029A IT CO20100029 A ITCO20100029 A IT CO20100029A IT CO20100029 A1 ITCO20100029 A1 IT CO20100029A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
inlet guide
guide vane
inlet
angle
vane
Prior art date
Application number
IT000029A
Other languages
English (en)
Inventor
Antonio Asti
Alessio Miliani
Alberto Scotti
Paolo Turco
Original Assignee
Nuovo Pignone Spa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nuovo Pignone Spa filed Critical Nuovo Pignone Spa
Priority to ITCO2010A000029A priority Critical patent/IT1400053B1/it
Priority to CA2740397A priority patent/CA2740397C/en
Priority to EP11166438A priority patent/EP2390470B1/en
Priority to JP2011112944A priority patent/JP5981692B2/ja
Priority to MX2011005405A priority patent/MX2011005405A/es
Priority to US13/113,616 priority patent/US8882438B2/en
Priority to RU2011120259/06A priority patent/RU2565679C2/ru
Priority to KR1020110048518A priority patent/KR20110128747A/ko
Priority to CN201110149693.7A priority patent/CN102330574B/zh
Publication of ITCO20100029A1 publication Critical patent/ITCO20100029A1/it
Application granted granted Critical
Publication of IT1400053B1 publication Critical patent/IT1400053B1/it

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • F01D17/16—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes
    • F01D17/165—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits by means of nozzle vanes for radial flow, i.e. the vanes turning around axes which are essentially parallel to the rotor centre line
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/02—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for the fluid remaining in the liquid phase
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/02—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being of multiple-expansion type
    • F01K7/04—Control means specially adapted therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/18—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use using the waste heat of gas-turbine plants outside the plants themselves, e.g. gas-turbine power heat plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • F02C9/20—Control of working fluid flow by throttling; by adjusting vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • F02C9/24—Control of the pressure level in closed cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/10—Stators
    • F05D2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2240/00—Components
    • F05D2240/40—Use of a multiplicity of similar components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2270/00—Control
    • F05D2270/30—Control parameters, e.g. input parameters
    • F05D2270/301—Pressure
    • F05D2270/3011—Inlet pressure

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)
  • Supercharger (AREA)
  • Nozzles (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)

Description

METHODS AND SYSTEMS FOR VARIABLE GEOMETRY INLETS NOZZLES FOR USE IN TURBOEXPANDERS METODI E SISTEMI PER UGELLI DI INGRESSO A GEOMETRIA VARIABILE PER USO IN TURBOESPANSORI
CAMPO DELL'INVENZIONE
Le realizzazioni dell'oggetto divulgato dal presente documento si riferiscono in generale a sistemi di generazione di potenza e, più particolarmente, ai turboespansori.
ARTE NOTA
I cicli Rankine impiegano un fluido di lavoro in un ciclo chiuso che assorbe calore da una sorgente riscaldante, o da una riserva di calore, generando un flusso gassoso caldo che si espande attraverso una turbina per generare potenza. Il flusso espanso viene fatto condensare in un condensatore trasferendo calore a una riserva fredda e pompato nuovamente a una pressione di riscaldamento per completare il ciclo. I sistemi di generazione di potenza come le turbine a gas o i motori alternativi (sistemi primari) producono gas di scarico a caldo che possono essere impiegati in un successivo processo di generazione di potenza (attraverso un processo secondario) oppure dispersi nell’ambiente sotto forma di calore. Ad esempio, il gas di scarico di un grande motore può essere recuperato in un sistema di recupero utilizzato per la produzione di potenza extra, migliorando in tal modo l’efficienza complessiva del sistema. Un tipico sistema di generazione di potenza a partire dal calore del gas di scarico che opera in un ciclo Rankine è illustrato in Figura 1.
II sistema di generazione di potenza 1 comprende uno scambiatore di calore 2, noto anche come boiler o evaporatore, un turboespansore 4, un condensatore 6 e una pompa 8. Nel funzionamento, a partire dallo scambiatore di calore 2, una sorgente di calore esterna 10, ad esempio i gas di scarico a caldo, riscalda lo scambiatore 2. In questo modo, il mezzo liquido pressurizzato ricevuto 12 si trasforma in vapore pressurizzato 14, il quale scorre attraverso il turboespansore 4. L'espansore 4 riceve il flusso di vapore pressurizzato 14 e può generare la potenza 16 quando il vapore pressurizzato si espande. Il flusso di vapore 18, espanso a pressione inferiore, rilasciato dal turboespansore 4, entra nel condensatore 6, il quale condensa il flusso di vapore 18 espanso a pressione inferiore in un flusso liquido 20 a pressione inferiore. Il flusso liquido 20 a pressione inferiore entra poi nella pompa 8 che genera il flusso liquido a pressione superiore 12 e mantiene il flusso all'intemo del sistema a circuito chiuso. Il flusso liquido a pressione superiore 12 scorre poi nello scambiatore di calore 2 per proseguire questo processo.
Come fluido di lavoro può essere utilizzato un fluido di lavoro organico in un ciclo Rankine. Tale fluido di lavoro organico viene indicato come fluido del ciclo Rankine organico (ORC). I sistemi ORC sono stati utilizzati come retrofit applicabili ai motori così come alle turbine a gas di piccole e medie dimensioni, allo scopo di catturare il calore di scarto del flusso del gas di scarico a caldo. Tale calore dì scarto può essere utilizzato in un sistema secondario di generazione dì potenza per produrre fino al 20% di potenza in più rispetto alla potenza erogata dal motore che produce i gas di scarico a caldo.
Dal momento che sussiste il pericolo che questi fluidi idrocarburi possano degradare o prendere fuoco se esposti al contatto diretto con il flusso dei gas di scarico della turbina a gas ad alta temperatura (circa 500 gradi Celsius), è necessario adottare misure di sicurezza che riducano la temperatura delle superfici a scambio di calore in un evaporatore contenente fluidi di lavoro ORC. Un metodo attualmente in uso per ridurre la temperatura delle superfici di scambio di calore in un evaporatore contenente fluidi di lavoro ORC è quello di introdurre un circuito ad olio diatermico intermedio nel sistema di scambio di calore che impedisca ad es. al liquido ORC di circolare nel tubo di scarico della turbina a gas. È possibile quindi utilizzare un circuito ad olio diatermico intermedio fra il gas di scarico a caldo e il fluido ORC vaporizzabile. Come sopradescritto, il turboespansore 4 viene impiegato in un sistema di generazione di potenza. Il turboespansore 4 può essere una turbina di flusso centrifugo o assiale attraverso la quale si espande un gas ad alta pressione che produce il lavoro utilizzabile per generare potenza. Un esempio degli elementi di un turboespansore 4 è mostrato in Figura 2 e Figura 3, riproduzioni tratte dal brevetto statunitense n. 5.841.104 (brevettoO 104), il cui intero contenuto è incluso nel presente documento. La Figura 2 mostra una disposizione deH'uggello variabile in una turbina di afflusso radiale. La turbina di afflusso radiale ha un alloggiamento 102 con un ingresso anulare 104. Una piastra circolare fissa 106 è posizionata su un lato dell'ingresso anulare 104. Il sistema di regolazione degli ugelli è fornito sull'altro lato dell'ingresso anulare 104. Un anello di regolazione 108 è collocato radialmente all'esterno di un anello di serraggio 110. L'anello di regolazione 108 ruota attorno all'anello di serraggio 110, la cui rotazione è impedita dai cilindri del perno 112 degli ugelli fissati alla piastra circolare fissa 106.
Le palette 114 sono collocate in corrispondenza dell'ingresso anulare 104. Queste palette sono posizionate fra la piastra circolare fissa 106 su un lato e l'anello di serraggio 110 e l'anello di regolazione 108 sull'altro. Le palette 114 sono configurate per fornire un percorso di flusso ottimizzato fra loro. Questo percorso può essere incrementato o diminuito in un'area trasversale in base alla posizione rotazionale delle palette 114. Le palette 114 sono montate sui cilindri del perno degli uggelli 112. Il relativo posizionamento delle palette 114 rispetto all'anello di serraggio 110 viene raffigurato dalla linea immaginaria sovrapposta in Figura 3.
Nel brevetto D 104, il meccanismo di regolazione degli ugelli include una camma e un meccanismo di anelli premistoppa della camma. Gli anelli premistoppa della camma 116 sono collocati lateralmente rispetto all'asse dei cilindri 112 e sono fissati agli alberi delle palette 114, come mostrato in Figura 3. Gli anelli premistoppa della camma 116 ruotano attorno agli alberi liberamente. Per collaborare con gli anelli premistoppa 116, gli alloggiamenti parziali 118 della camma sono disposti lungo l'anello di regolazione 108. Hanno dimensioni adatte a ospitare gli anelli premistoppa 116 e consentire il movimento rotante dell'anello di regolazione 108. Questa disposizione delle palette 114, degli anelli premistoppa della camma 116, gli alloggiamenti parziali 118 e l'anello di regolazione 108 rendono l'apertura delle palette 114 direttamente dipendente da una rotazione dell'anello di regolazione 108. Pertanto, regolando le palette 114, è possibile controllare la quantità di fluido immettibile nel turboespansore 4.
In alcuni casi, il turboespansore 4 può presentare più stadi di espansione, ciascuno dei quali comprende un insieme di palette guida di ingresso 114 che controllano il percorso del fluido. Tuttavia, il controllo delle palette 114 nei diversi stadi di espansione può modificare diversi parametri nel sistema di generazione di potenza, cosa che può causare difficoltà ai sistemi di generazione di potenza convenzionali, come l'incapacità di regolare la pressione del sistema mentre si ottimizza l'efficienza della potenza erogata.
Pertanto, si consigliano sistemi e metodi per ottimizzare i sistemi di generazione di potenza.
SINTESI
Secondo una realizzazione esemplificativa, un sistema di generazione di potenza comprende un turboespansore con almeno due stadi di espansione, in cui il turboespansore è collegato a un generatore di potenza. Il sistema comprende un regolatore automatico configurato per il controllo (i) di un angolo di un primo pannello guida di ingresso collocato in un ingresso di un primo stadio di espansione del turboespansore per mantenere una pressione di ingresso del primo stadio di espansione in un intervallo predeterminato, e il controllo (ii) di un angolo di un secondo pannello guida di ingresso collocato in un ingresso di un secondo stadio di espansione del turboespansore per mantenere la pressione di ingresso al primo stadio di espansione in un intervallo predeterminato. Il regolatore automatico è configurato per modificare l'angolo della seconda paletta guida di ingresso mantenendo invariato l'angolo della prima girante guida di ingresso e determinare una potenza erogata dal generatore che corrisponda agli angoli variabili. Il regolatore automatico è configurato per determinare una potenza massima a partire dalla potenza erogata dall'unità di generazione di potenza, corrispondente all'angolo della seconda paletta guida di ingresso, e per regolare l'angolo della seconda paletta guida di ingresso, indipendente dall'angolo della prima paletta guida di ingresso, al fine di ottenere la potenza massima.
Secondo un'altra realizzazione esemplificativa, un metodo di generazione di potenza comprende un turboespansore con almeno due stadi di espansione, in cui il turboespansore è collegato a un'unità di generazione di potenza, il metodo prevede un passaggio per il controllo (i) di un angolo di una prima paletta guida di ingresso in un primo stadio di espansione del turboespansore per mantenere una pressione di ingresso del primo stadio di espansione in un intervallo predeterminato e per il controllo (ii) di un angolo di una seconda paletta guida di ingresso in un secondo stadio di espansione del turboespansore per mantenere la pressione di ingresso al primo stadio di espansione in un intervallo predeterminato; un passaggio di variazione dell'angolo della seconda paletta guida di ingresso, mantenendo invariato l'angolo della prima paletta guida di ingresso; un passaggio di determinazione di una potenza erogata dall'unità di generazione di potenza che corrisponda agli angoli variabili; un passaggio di determinazione di una potenza massima della potenza erogata dall'unità di generazione di potenza che corrisponda all'angolo della seconda paletta guida di ingresso; e un passaggio di regolazione dell'angolo della seconda paletta guida di ingresso, independente dall'angolo della prima paletta guida di ingresso, per ottenere la potenza massima.
Secondo ancora un'altra realizzazione esemplificativa, un supporto leggibile da computer include istruzioni eseguibili da computer, dove le istruzioni, al momento dell'esecuzione, implementano un metodo di generazione di potenza che comprende un turboespansore con almeno due stadi di espansione, in cui il turboespansore è collegato a un generatore di potenza. I passaggi del metodo sono analoghi a quelli descritti nel paragrafo precedente.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
I disegni allegati illustrano le realizzazioni esemplificative, dove:
la Figura 1 descrive un ciclo Rankine;
la Figura 2 mostra una disposizione degli ugelli a geometria variabile in una turbina di afflusso radiale;
la Figura 3 mostra la posizione relativa delle palette rispetto a un anello di serraggio in un turboespansore;
la Figura 4 illustra un ciclo Rankine secondo le realizzazioni esemplificative;
la Figura 5 mostra, secondo le realizzazioni esemplificative, una sezione della paletta guida in ingresso di uno stadio di espansione di un turboespansore;
le Figura 6, 7 e 8 mostrano, secondo le realizzazioni esemplificative, diverse posizioni di una paletta guida in ingresso al passaggio di un fluido;
la Figura 9 mostra gli elementi del sistema di controllo secondo le realizzazioni esemplificative;
la Figura 10 mostra un diagramma di flusso di un metodo di generazione di potenza secondo le realizzazioni esemplificative;
la Figura 11 mostra un dispositivo che può fungere da regolatore automatico di un sistema di generazione di potenza secondo le realizzazioni esemplificative; e la Figura 12 mostra un altro diagramma di flusso di un metodo di generazione di potenza secondo le realizzazioni esemplificative.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
La seguente descrizione dettagliata delle realizzazioni esemplificative fa riferimento ai disegni allegati. Gli stessi numeri di riferimento in disegni diversi rappresentano elementi simili o identici. I disegni non sono necessariamente in scala. Inoltre, la seguente descrizione dettagliata non limita l'invenzione. Al contrario, il campo di applicazione dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni in appendice.
In tutta la descrizione dettagliata il riferimento a “una realizzazione” sta a indicare che una particolare caratteristica, struttura o proprietà descritta in relazione a una realizzazione, è inclusa in almeno una realizzazione dell’oggetto divulgato. Pertanto, l’utilizzo delle espressioni "in una realizzazione" in vari punti della descrizione dettagliata non farà necessariamente riferimento alla medesima realizzazione. Inoltre, le particolari funzioni, strutture o caratteristiche possono essere combinate in qualsiasi modo adatto in una o più forme di realizzazione.
Come è stato descritto nella sezione dell'Arte nota e mostrato in Figura 1 , è possibile impiegare un ciclo Rankine nei sistemi di generazione di potenza per catturare una parte dell’energia termica di scarto. Secondo altre realizzazioni esemplificative, un turboespansore a più stadi di espansione può consentire al sistema di generazione di potenza di operare a una pressione maggiore (o entro un intervallo di pressione desiderato) ottimizzando al contempo l'efficienza produttiva, ad esempio, di un generatore. Un sistema esemplificativo di generazione di potenza (alcuni componenti di un sistema Rankine convenzionale sono stati rimossi per ragioni di semplicità e brevità) in tale turboespansore esemplificativo sarà ora descritto in riferimento alla Figura 4. Tuttavia, secondo le realizzazioni esemplificative, i componenti descritti per un ciclo Rankine mostrati in Figura 1 possono essere usati in un generatore analogo che impiega il turboespansore esemplificativo e il sistema di controllo descritto in basso.
All'inizio, il sistema viene pressurizzato e il fluido di lavoro fatto circolare (secondo la direzione mostrata dalle frecce) nel sistema del ciclo Rankine a circuito chiuso tramite la pompa 402. Il fluido di lavoro, ad esempio il fluido ORC, vien pompato nell'evaporatore 404, dove il fluido di lavoro è evaporato. Questo vapore pressurizzato raggiunge poi il turboespansore 406, dotato di un primo stadio di espansione 408 e di un secondo stadio di espansione 410. In un'applicazione, è possibile impiegare espansori multipli (fisicamente separati fra loro) al posto di un espansore singolo a più stadi. Le nuove caratteristiche descritte nel presente documento si applicano sia agli espansori multipli sia a un espansore singolo a più stadi. Il primo stadio di espansione 408 include una paletta guida di ingresso 412 che regola la quantità/il tasso di vapore pressurizzato in ingresso al primo stadio di espansione 408. Il vapore pressurizzato consuma energia durante l'espansione e raggiunge il secondo stadio di espansione 410 tramite un'altra paletta guida di ingresso 414, la quale inoltre regola una quantità/un tasso di vapore in ingresso al secondo stadio di espansione 410.
Mentre il vapore espande negli stadi di espansione 408 e 410, i rispettivi alberi 416 e 418, collegati alla scatola degli ingranaggi 420, ruotano. Un albero singolo 422 collega la scatola degli ingranaggi 420 a un generatore 424. La potenza 426 viene poi emessa dal generatore 426.
Tornando alla parte del ciclo Rankine in Figura 4, il vapore di espansione lascia il secondo stadio di espansione 410 ed esce dal turboespansore 406 per raggiungere il recuperatore 428, il quale consente lo scambio di calore del fluido di lavoro. Il fluido di lavoro passa quindi attraverso altri passaggi del ciclo Rankine (non mostrato) per raggiungere la pompa 402 e ripetere il ciclo. Il sensore 430 rappresenta sensori di monitoraggio della pressione e il sensore 432 rappresenta uno o più sensori impiegati per monitorare l'efficienza della potenza erogata (ad es. dei sensori di corrente e/o voltaggio). Il regolatore automatico 434 controlla le impostazioni del sistema di generazione di potenza.
In Figura 5 viene mostrato un esempio di una paletta guida di ingresso 412. Le palette guida di ingresso a geometria variabile 502 possono essere impostate su posizioni o angoli diversi, modificabili al fine di controllare il flusso del fluido di lavoro nello stadio di espansione. Inoltre, secondo le realizzazioni esemplificative, controllando la posizione delle palette 502, la pressione P1 (mostrata in Figura 4) può essere regolata all'interno di un intervallo massimo superiore. Per ragioni di semplicità, le Figure 6, 7 e 8 mostrano varie posizioni di una paletta singola 502 in relazione a un ingresso del fluido corrispondente 602. Ai rappresenta l'area aperta dell'ingresso del fluido 602 e A rappresenta l'area dell'ingresso del fluido 602 bloccata da una paletta guida in ingresso a geometria variabile 502. La Figura 6 mostra un ingresso del fluido 602 completamente aperto, la Figura 7 ne mostra uno parzialmente aperto e la Figura 8 uno completamente bloccato. Nelle figure 6, 7 e 8 vengono mostrate solo tre posizioni, ma le palette 502 possono assumere altre posizioni angolari. Inoltre, le varie posizioni delle palette 502 in relazione all'ingresso del fluido 602 creano un ugello di ingresso a geometria variabile per il fluido ammesso alle sezioni di espansione del turboespansore 406.
Secondo le realizzazioni esemplificative sopradescritte, il regolatore automatico 434 può controllare le impostazioni, i parametri, il software e altri elementi di controllo associati al sistema di generazione di potenza. In Figura 9 vengono mostrati i vari elementi di controllo e i legami di comunicazione esemplificativi, ivi compreso il regolatore automatico 434. Fra gli altri elementi di controllo figurano i sensori di potenza 432 che possono essere utilizzati per raccogliere informazioni relative a corrente, voltaggio e/o altra potenza erogata da un'unità di generazione di potenza, ad es. un generatore. I sensori di pressione 430 possono essere utilizzati per raccogliere i dati relativi alla pressione da diverse posizioni nel ciclo di generazione di potenza.
Come mostrato in Figura 9, in un sistema di generazione di potenza è possibile impiegare anche un'apparecchiatura 902 differente. Questi elementi di controllo possono essere messi tutti in comunicazione con il regolatore automatico 434, tuttavia possono sussistere anche altri legami di comunicazione, come ad esempio un legame di comunicazione di riserva o altri legami diretti fra gli elementi di controllo. Il regolatore automatico 434 è in comunicazione anche con il turboespansore 406 e con i controlli delle palette guida di ingresso 412 e 414. Questo consente al regolatore automatico 434 di dare istruzioni affiinché venga variato l'angolo delle palette guida di ingresso 412 e 414. Sebbene il regolatore automatico 434 sia mostrato come unità singola, è possibile impiegare nel sistema anche regolatori automatici multipli 434, i cui ordini vengono impartiti fra le diverse unità. Inoltre, le realizzazioni esemplificative descritte nel presente documento possono essere eseguite da un regolatore automatico 434 integrato a un altro componente dell'apparecchiatura, come ad esempio i controlli del turboespansore 406.
Secondo le realizzazioni esemplificative, utilizzando il sistema esemplificativo e gli elementi di controllo sopradescritti, in un turboespansore a due o più stadi, i sistemi e i metodi possono presentare il primo stadio di espansione che regola una pressione superiore di un ciclo Rankine entro un intervallo di pressione tale che un secondo stadio di espansione possa autoregolarsi per trovare automaticamente il rapporto di espansione ottimale associato a una potenza massima erogata, ad esempio, dal generatore nel relativo sistema di generazione di potenza. Secondo le realizzazioni esemplificative, è possibile avvalersi di questo processo esemplificativo qualora il sistema di generazione di potenza stia operando con carichi parziali per aumentare la quantità di potenza erogata. Come esposto dettagliatamente più avanti, per alcuni condizioni del turboespansore (condizioni bloccate), un'efficienza dell'espansore è direttamente proporzionale alla quantità di potenza erogata dal generatore comandato dal turboespansore. Questo processo può essere eseguito secondo il diagramma di flusso mostrato in Figura 10. All'inizio, nel passaggio 1002, il sistema di generazione di potenza entra in funzione e la pressione P1 del fluido di lavoro presenta un valore iniziale, quando il fluido di lavoro entra nella paletta guida in ingresso 412 del primo stadio di espansione del turboespansore. La paletta guida in ingresso 412 regola il flusso di gas in modo da ottenere e mantenere un valore di P1 desiderato, ad es. 50 bar, all'interno di un intervallo desiderato, ad es. un intervalo /-1 o /-0,5 bar, nel passaggio 1004.
Secondo le realizzazioni esemplificative, la paletta guida in ingresso 412 è impostata, ad esempio, da un regolatore automatico 434 in modo da regolare l'angolo delle palette per ottenere la pressione P1 desiderata, la quale può essere determinata o impostata ad esempio dai parametri di rendimento ottimali dell'impianto. Mentre la paletta guida di ingresso 412 regola il flusso di gas del primo stadio, la paletta guida di ingresso 414 regola il flusso di gas del secondo stadio, come mostrato nel passaggio 1006. La paletta guida in ingresso 414 regola il flusso di gas per non interrompere, nella modalità descritta più avanti, la pressione di sistema, mentre la paletta guida di ingresso 412 regola il flusso di gas. Questo impedisce alla paletta guida di ingresso 412 di modificare continuamente l'angolo delle palette in modo da raggiungere e mantenere il valore P1 desiderato nella finestra predeterminata. Una volta che la P1 oscilla entro una fascia impostata su un valore centrale predeterminato, la paletta guida di ingresso 412 è fissa e la paletta guida di ingresso 414 inizia a regolare dinamicamente il flusso di gas attraverso il secondo stadio dell'espansore, per massimizzare un'efficienza di espansione del turboespansore, come mostrato nel passaggio 1008. Questa massimizzazione dell'efficienza di espansione è relativa alla massimizzazione della potenza erogata dal generatore 426. L'efficienza di espansione del turboespansore, ivi utilizzato, è indicata nell'equazione (1) in basso.
Efficienza di espansione = Generazione di energia elettrica/Tasso di flusso di entalpia (1)
con il tasso di flusso di entalpia costante, quando la paletta guida di ingresso 412 è fissa e il turboespansore bloccato. Si noti che quando il turboespansore è bloccato, una massa costante scorre attraverso il dispositivo. Per semplicità di calcolo, entrambi gli stadi del turboespansore sono considerati bloccati. Considerando il tasso di flusso di entalpia costante in condizioni bloccate, l'efficienza di espansione del turboespansore è proporzionale alla generazione di energia elettrica del generatore associato.
Considerando che la paletta guida di ingresso 412 è fissa, la paletta guida di ingresso 414 è controllata per scandagliare i vari angoli della paletta in modo che una quantità di energia prodotta dal generatore di potenza cambi. Questa potenza è misurata e archiviata in un database in un'unica applicazione. Il regolatore automatico 434 controlla il punto di massima potenza erogata da entrambe le scandagliature, superiori e inferiori, dal punto di avvio angolare iniziale delle palette nella paletta guida di ingresso 414 e cattura i dati per ciascuna posizione della paletta. Secondo una realizzazione esemplificativa, questa scandagliatura può richiedere circa 20 secondi, ma è possibile impostare durate differenti. Per ogni posizione angolare delle palette, la potenza erogata dal generatore 424 è determinata secondo quanto mostrato nel passaggio 1010. Il processo viene ripetuto fino a quando non si raggiunge una potenza massima, altrimenti il processo termina con l'angolo della paletta guida in ingresso 414 che da variabile diventa fisso. In un'applicazione, il regolatore automatico 434 stabilisce a partire dal database quale angolo della paletta guida dì ingresso 414 massimizza la potenza erogata dal generatore 424 e imposta di conseguenza l'angolo della paletta guida di ingresso 414. Questa scandagliatura può essere ripetuta e riverificata nel tempo, se lo si desidera. Inoltre, se P1 esce dall'intervallo desiderato a causa di cambiamenti al sistema, i cambiamenti di carico possono avere conseguenze ad esempio sulla temperatura e sulla pressione del fluido di lavoro, allora occorre ripetere l'intero processo mostrato nel diagramma di flusso di Figura 10. In un'applicazione, se la P1 esce dall'intervallo desiderato, la paletta guida di ingresso 414 è configurata in modo da abbandonare l'angolo che massimizza l'efficienza del turboespansore 406 e seguire la paletta guida di ingresso 412 finché P1 non raggiunge l'intervallo desiderato.
Secondo le realizzazioni esemplificative, è possibile utilizzare vari algoritmi per descrivere la relazione fra la paletta guida di ingresso 412 e la paletta guida di ingresso 414 per diversi stadi di regolazione dei loro rispettivi flussi di gas. Le ipotesi utilizzate negli algoritmi descritti in basso implicano un numero di Mach pari a l e che il sistema operi in una condizione bloccata. Secondo una realizzazione esemplificativa, quando la paletta guida di ingresso 412 inizia a regolare il flusso di gas (o appena prima che inizi a regolare il flusso di gas) per entrare nell'intervallo di pressione desiderato, la relazione funzionale fra i due stadi può essere descritta secondo l'equazione (2):
A2 = Ai - f(Pi,P2,Ti,T2) (2)
dove Ai è l'area di un ingresso del fluido non bloccato da una paletta guida di ingresso 412 (vedi Figura 7), A2è l'area di un ingresso del fluido non bloccato da una paletta guida in ingresso 414 (non mostrata ma simile ad Ai in Figura 7), P 1 è la pressione del fluido di lavoro alla prima paletta guida di ingresso 412, P2è la pressione del fluido di lavoro alla paletta guida di ingresso 414, Ti è la temperatura del fluido di lavoro della paletta guida di ingresso 412, e T2è la temperatura del fluido di lavoro della paletta guida di ingresso 414.
[0001] Secono un'altra realizzazione esemplificativa, quando la paletta guida di ingresso 412 inizia prima a regolare il flusso di gas (o appena prima che inizi a regolare il flusso di gas) per raggiungere l'intervallo di pressione desiderato, la relazione funzionale fra i due stadi può essere descritta secondo l'equazione (3).
Az^
(3)
An Atz
dove Atiè l'area totale (vedi Ai A01in Figura7) di un fluido ammesso attraverso una paletta alla paletta guida di ingresso 412 e A^ è l'area totale (non mostrata ma simile a Atiin Figura 7) di un fluido ammesso attraverso una paletta alla paletta guida di ingresso 414.
Secondo un'altra realizzazione esemplificativa, quando la paletta guida di ingresso 412 regola il flusso di gas per entrare nell'intervallo di pressione desiderato, la relazione fra la paletta guida di ingresso 412 e la paletta guida di ingresso 414 è impostata in modo tale che la paletta guida di ingresso 414 non influenzi la pressione del flusso di gas che viene ammesso nella paletta guida di ingresso 412. Per questa situazione, la paletta guida di ingresso 414 è impostata per seguire la paletta guida di ingresso 412, in base all'equazione (4):
A2 = Ai (4)
dove pi è la densità del fluido di lavoro sulla paletta guida di ingresso 412, e p2è la densità del fluido di lavoro sulla paletta guida di ingresso 414.
Secondo un'altra realizzazione esemplificativa, quando la paletta guida di ingresso 412 ha regolato il flusso di gas a una pressione compresa nell'intervallo desiderato e la pressione è stabile, allora l'angolo della paletta guida di ingresso 412 è fissa e viene modificato solo l'angolo della paletta guida di ingresso 414 in modo tale da massimizzare l'efficienza del turboespansore 406. Pertanto, la paletta guida di ingresso 414 diventa indipendente dalla paletta guida di ingresso 412 e l'area A2del fluido sbloccato ammesso nella paletta guida in entrata 414 è descritta dall'equazione (5):
m
fk 1 ^ k-l (5)
laddove k è il coefficiente isoentropico del gas, m è il tasso di flusso massa del fluido di lavoro e R è la costante del gas. A questo punto, la paletta guida in entrata 414 può scandagliare i vari angoli per determinare la potenza massima erogata dal generatore 424 che, come descritto sopra, è associata alla massimizzazione dell'efficienza di espansione del turboespansore 406. Questa scandagliatura, controllata dal regolatore automatico 434 (o da uno dei suoi elementi di controllo), è mantenuta all'interno di un intervallo che non consente a P1 di lasciare l'intervallo predeterminato. Tuttavia, se P1 esce dall'intervallo predeterminato (desiderato), la scandagliatura della paletta guida di ingresso 414 è sospeso e la paletta guida di ingresso 412 inizia a regolare il flusso del gas in modo da portare P1 nell'intervallo predeterminato. I diversi valori degli angoli e delle variabili misurate, indicativi dell'efficienza della paletta guida di ingresso 414, possono essere archiviati. Una volta completato il processo di scandagliatura, il regolatore automatico 434 può confrontare i valori memorizzati e selezionare il valore che massimizza l'efficienza di espansione del turboespansore 406 e impostare il valore della paletta guida di ingresso 414 al valore selezionato.
Secondo una realizzazione esemplificativa alternativa, il turboespansore 406 può avere più di due stadi di espansione, in cui almeno uno stadio di espansione deve essere deputato a regolare la pressione di sistema e un altro deve essere deputato alla massimizzazione dell'efficienza produttiva.
Secondo le realizzazioni esemplificative, utilizzando la paletta guida di ingresso 412 del primo stadio di espansione 408 per regolare la pressione, non è necessaria alcuna valvola apposita, in linea con il fluido di lavoro, per controllare il sistema di pressione quando il fluido di lavoro è ammesso nel primo stadio di espansione 408. Inoltre, le realizzazioni esemplificative possono essere utilizzate in situazioni in cui le condizioni operative del sistema di generazione di potenza cambino, come ad esempio i carichi parziali e le mutevoli temperature ambiente.
Secondo le realizzazioni esemplificative, un fluido di lavoro può essere impiegato come fluido ORC in un ciclo Rankine. Esempi di fluidi ORC comprendono, ma non sono limitati ad essi, pentano, propano, cicloesano, ciclopentano, butano, un idroflourocarburo come il R-245fa, un chetone come l'acetone, un composto aromatico come il toluene o il tiofene. Tuttavia, come indicato nella sezione Arte nota, l'esposizione diretta alle alte temperature comporta un rischio di degradazione del fluido ORC. Pertanto, secondo le realizzazioni esemplificative, è possibile utilizzare un circuito ad olio diatermico intermedio o altro fluido nei sistemi di generazione di potenza che utilizzano il turboespansore esemplificativo 406.
Le realizzazioni esemplificative sopradescritte forniscono metodi e sistemi per regolare una pressione superiore in un ciclo Rankine e massimizzare l'efficienza della potenza erogata, ad es., dal generatore 426. Il regolatore automatico 434 (come mostrato in Figura 11) può contenere un processore 1102 (o processori multipli), una memoria 1104, uno o più dispositivi secondari di archiviazione 1106, un'interfaccia per le comunicazioni 1108 e un software 1110. Il processore 1102 può eseguire istruzioni per attuare le realizzazioni esemplificative descritte nel presente documento. Inoltre, il processore 1102 può includere istruzioni esecutive di supporto al funzionamento e al controllo di un sistema di generazione di potenza. La memoria 1104 è in grado di archiviare queste istruzioni, le informazioni dei sensori nonché i risultati ottenuti dalla scandagliatura delle palette. Inoltre, le informazioni associate a P1 , all'intervallo di pressione ecc possono essere archiviate anche dallo stesso regolatore automatico 434. Il software applicativo 1110 supporta programmi relativi alla realizzazione esemplificativa descritta nel presente documento così come programmi relativi al sistema di generazione di potenza. L'interfaccia fra le comunicazioni 1108 consente di comunicare con i sensori, altri controllori e simili per attivare il sistema di generazione di potenza e trasmettere le istruzioni relative agli angoli variabili delle palette guida di ingresso. Inoltre, le realizzazioni esemplificative sopradescritte possono essere controllate da un regolatore automatico 434.
Secondo le realizzazioni esemplificative, un metodo di generazione di potenza include un turboespansore con almeno due stadi di espansione, come mostrato nel diagramma di flusso di Figura 12. Il metodo prevede un passaggio 1200 per il controllo (i) di un angolo di una prima paletta guida di ingresso in un primo stadio di espansione del turboespansore per mantenere una pressione di ingresso del primo stadio di espansione in un intervallo predeterminato e per il controllo (ii) di un angolo di una seconda paletta guida di ingresso in un secondo stadio di espansione del turboespansore per mantenere la pressione di ingresso al primo stadio di espansione in un intervallo predeterminato; un passaggio 1202 di variazione dell'angolo della seconda paletta guida di ingresso, mantenendo invariato l'angolo della prima paletta guida di ingresso; un passaggio 1204 di determinazione di una potenza erogata dall'unità di generazione di potenza che corrisponda alle angoli variabili; un passaggio 1206 di determinazione di una potenza massima della potenza erogata dall'unità di generazione di potenza che corrisponda all'angolo della seconda paletta guida di ingresso; e un passaggio1208 di regolazione dell'angolo della seconda paletta guida di ingresso, independente dall'angolo della prima paletta guida di ingresso, per ottenere la potenza massima.
Le realizzazioni esemplificative sopra descritte sono intese a illustrare a tutti gli effetti, ma non in senso restrittivo, le presente invenzione. Pertanto, la presente invenzione ammette molte variazioni in fase di realizzazione, facilmente desumibili da una persona esperta in materia in base alla descrizione qui contenuta. Tutte le predette variazioni e modifiche sono considerate rientranti nello scopo e nello spirito della presente invenzione, come definito dalle rivendicazioni di seguito esposte. Nessun elemento, atto o istruzione utilizzato nella descrizione della presente applicazione va inteso come critico o essenziale ai fini dell’invenzione, a meno che non sia esplicitamente descritto come tale. Inoltre, nel presente documento l'articolo indeterminativo "uno/a” si intende comprensivo di uno o più oggetti.
La presente descrizione scritta utilizza esempi per divulgare l'invenzione, compresa la soluzione migliore, e anche per consentire a qualsiasi esperto in materia di attuare l'invenzione, compresi la realizzazione e l'utilizzo di qualsiasi dispositivo o sistema e l'esecuzione di qualsiasi metodo incluso. Il campo d'applicazione brevettabile dell'invenzione è definito dalle rivendicazioni e lascia spazio ad eventuali altri esempi che possono venire in mente agli esperti in materia. Questi altri esempi si intenderanno ricompresi nel campo d'applicazione delle rivendicazioni, solo se presentano elementi strutturali che non differiscono dal testo letterale delle rivendicazioni, o se includono elementi strutturali equivalenti che rientrano nel significato letterale delle rivendicazioni.

Claims (10)

  1. CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. Un sistema di generazione di potenza comprende un turboespansore con almeno due stadi di espansione, in cui il turboespansore è collegato a un generatore di potenza. Tale sistema si compone di: un regolatore automatico configurato per il controllo (i) di un angolo di un primo pannello guida di ingresso collocato all'ingresso di un primo stadio di espansione del turboespansore per mantenere una pressione di ingresso nel primo stadio di espansione all'interno di un intervallo predeterminato, e il controllo (ii) di un angolo di un secondo pannello guida di ingresso collocato all'ingresso di un secondo stadio di espansione del turboespansore per mantenere la pressione di ingresso nel primo stadio di espansione all'interno di un intervallo predeterminato; il regolatore automatico configurato per modificare l'angolo della seconda paletta guida di ingresso mantenendo invariato l'angolo della prima paletta guida di ingresso e determinare una potenza erogata dal generatore che corrisponda alle variazioni degli angoli; e il regolatore automatico configurato per determinare una potenza massima, a partire dalla potenza erogata dal generatore, corrispondente all'angolo della seconda paletta guida di ingresso, e per regolare l'angolo della seconda paletta guida di ingresso, indipendentemente dall'angolo della prima paletta guida di ingresso, al fine di ottenere la potenza massima. 2. Il sistema della rivendicazione 1 comprende inoltre: il primo stadio di espansione del turboespansore che include la prima paletta guida di ingresso; il secondo stadio di espansione del turboespansore che include la seconda paletta guida di ingresso; il generatore di potenza collegato meccanicamente al primo e al secondo stadio di espansione del turboespansore. 3. Il sistema della rivendicazione 1 , in cui il generatore di potenza opera in un sistema di ciclo Rankine che impiega un fluido di lavoro Rankine organico. 4. Il sistema della rivendicazione 1 comprende inoltre: uno o più sensori connessi al regolatore automatico, di cui è dotato il generatore di potenza, e configurati per misurare una corrente o un voltaggio prodotti dal generatore di potenza; uno o più sensori connessi al regolatore automatico, di cui è dotato il generatore di potenza, e configurati per misurare una pressione di un fluido di lavoro; un condensatore collegato fluidamente a un lato in uscita del turboespansore e configurato per ricevere e condensare un flusso di vapore espanso in flusso liquido; una pompa collegata fluidamente a un lato in uscita del condensatore configurato per ricevere il flusso liquido, pressurizzare il flusso liquido e far circolare il suddetto flusso nello scambiatore di calore; e uno scambiatore di calore collegato fluidamente a un Iato in uscita della pompa e configurato per ricevere il flusso liquido pressurizzato e vaporizzare il suddetto flusso in un flusso di vapore pressurizzato. 5. Il sistema della rivendicazione 1, in cui il primo e il secondo stadio di espansione sono provvisti del regolatore automatico. 6. Il sistema della rivendicazione 1, in cui il regolatore automatico è configurato per mantenere una relazione predeterminata fra l'angolo della prima paletta guida di ingresso e l'angolo della seconda paletta guida di ingresso durante la regolazione della pressione in ingresso al primo stadio di espansione nell'intervallo predeterminato e in cui la relazione predeterminata prevede cheAa = Ai-f(Pi,P2,Ti,T2), dove Ai è un'area di un fluido ammesso non bloccato da una paletta alle prime palette guida di ingresso, A2 è un'area di un fluido ammesso non bloccato da una paletta alla seconda paletta guida di ingresso, P-i è una pressione di un lavoro di fluido alla prima paletta di ingresso, P2è una pressione del fluido di lavoro alla seconda paletta guida di ingresso, T1 è una temperatura del fluido alla prima guida di ingresso, T2è una temperatura del fluido di lavoro alla seconda paletta guida di ingresso e f è una funzione. 7. Il sistema della rivendicazione 1, laddove il regolatore automatico è configurato per mantenere una relazione predeterminata fra l'angolo della prima paletta guida di ingresso e l'angolo della seconda paletta di ingresso in fase di regolazione della pressione in ingresso al primo stadio di espansione nell'intervallo predeterminato e la relazione predeterminata è — = — , dove Ai è un'area di un ingresso del fluido An Atz sbloccato da una paletta alla prima paletta guida di ingresso, A2è un'area di un ingresso del fluido sbloccato da una paletta alla seconda paletta guida di ingresso, An è un'area totale dell'ingresso del fluido alla prima paletta guida di ingresso e A^ è un'area totale del secondo ingresso del fluido alla paletta alla seconda paletta guida di ingresso. 8. Il sistema della rivendicazione 1, in cui il regolatore automatico è configurato per mantenere una relazione predeterminata fra l'angolo della prima paletta guida di ingresso e l'angolo della seconda paletta guida di ingresso durante la regolazione della pressione in ingresso al primo stadio di espansione nell'intervallo predeterminato e in cui la relazione predeterminata èA2 = Ai dove Ai è un'area di un ingresso del fluido sbloccato da una paletta sulla prima paletta guida di ingresso, A2 è un'area di un ingresso del fluido sbloccato da una paletta sula seconda paletta guida di ingresso, pi è una densità di un fluido di lavoro alla prima paletta di ingresso, p2è una densità del fluido di lavoro alla seconda paletta guida di ingresso, T1 è una temperatura del fluido di lavoro alla prima guida di ingresso, T2è una temperatura del fluido di lavoro alla seconda paletta guida di ingresso. 9. Il sistema della rivendicazione 1, in cui la determinazione della potenza massima è eseguita regolando ripetutamente l'angolo della seconda paletta guida di ingresso in un intervallo di tempo predeterminato e misurando una potenza erogata da un'unità di generazione di potenza per ogni specifico angolo regolato, mantenendo invariato l'angolo della prima paletta guida di ingresso. 10. Un metodo di generazione di potenza comprende un turboespansore con almeno due stadi di espansione, in cui il turboespansore è collegato a un'unità di generazione di potenza. Tale metodo prevede: il controllo (i) di un angolo di un primo pannello guida di ingresso in un primo stadio di espansione del turboespansore per mantenere una pressione in ingresso nel primo stadio di espansione entro un intervallo predeterminato e il controllo (ii) di un angolo di un secondo pannello guida di ingresso in un secondo stadio di espansione del turboespansore per mantenere la pressione in ingresso nel primo stadio di espansione entro un intervallo predeterminato; la variazione dell'angolo della seconda paletta guida di ingresso mantenendo fisso l'angolo della prima paletta guida di ingresso; la determinazione della potenza erogata dall'unità di generazione di potenza corrispondente agli angoli variabili; la determinazione di una potenza massima della potenza generata dall'unità di generazione di potenza e di un corrispondente angolo della seconda paletta guida di ingresso; e la regolazione dell'angolo della seconda paletta guida di ingresso indipendente dall'angolo della prima paletta guida di ingresso in modo da ottenere la potenza massima. (ADR/Pa) CLAIMS / RIVENDICAZIONI 1. A system for power generation including a turboexpander with at least two expansion stages, the turboexpander being connected to a power generation unit, the system comprising: a controller configured to control (i) an angle of a first inlet guide vane provided at an inlet of a first expansion stage of the turboexpander for maintaining an inlet pressure of the first expansion stage in a predetermined range, and (ii) an angle of a second inlet guide vane provided at an inlet of a second expansion stage of the turboexpander for maintaining the inlet pressure at the first expansion stage in the predetermined range; the controller being configured to vary the angle of the second inlet guide vane while maintaining fixed the angle of the first inlet guide vane and to determine a power generated by the power generation unit for corresponding varied angles; and the controller being configured to determine a highest power from the determined power of the power generation unit and a corresponding angle of the second inlet guide vane and to adjust the angle of the second inlet guide vane independent of the angle of the first inlet guide vane to achieve the highest power.
  2. 2. The system of claim 1 , further comprising: the first expansion stage of the turboexpander which includes the first inlet guide vane; the second expansion stage of the turboexpander which includes the second inlet guide vane; and the power generation unit mechanically connected to the first and second expansion stages of the turboexpander.
  3. 3. The system of claim 1, wherein the power generation unit operates in a Rankine cycle system which uses an organic Rankine working fluid.
  4. 4. The system of claim 1 , further comprising: one or more sensors connected to the controller, provided at the power generation unit, and configured to measure a current or a voltage produced by the power generation unit; one or more sensors connected to the controller, provided in the power generation system, and configured to measure a pressure of a working fluid; a condenser fluidly connected to an outlet side of the turboexpander and configured to receive and condense an expanded vapor stream into a liquid stream; a pump fluidly connected to an outlet side of the condenser configured to receive the liquid stream, to pressurize the liquid stream and to circulate said liquid stream to the heat exchanger; and a heat exchanger fluidly connected to an outlet side of the pump and configured to receive the pressurized liquid stream and vaporize the pressurized liquid stream into a pressurized vapor stream.
  5. 5. The system of claim 1 , wherein the controller is provided to the first and second expansion stages.
  6. 6. The system of claim 1 , wherein the controller is configured to maintain a predetermined relationship between the angle of the first inlet guide vane and the angle of the second inlet guide vane when adjusting the inlet pressure at the first expansion stage in the predetermined range and the predetermined relationship is A2 = Ai-f(Pi,P2,Ti,T2), where Ai is an area of a fluid inlet unblocked by a vane at the first inlet guide vanes, A2is an area of a fluid inlet unblocked by a vane at the second inlet guide vane, Pi is a pressure of a working fluid at the first inlet guide vane, P2is a pressure of the working fluid at the second inlet guide vane, Ti is a temperature of the working fluid at the first inlet guide vane, T2is a temperature of the working fluid at the second inlet guide vane, and f is a function.
  7. 7. The system of claim 1 , wherein the controller is configured to maintain a predetermined relationship between the angle of the first inlet guide vane and the angle of the second inlet guide vane when adjusting the inlet pressure at the first expansion stage in the predetermined range and the predetermined relationship is — = — , where Ai is an area of a fluid inlet unblocked by a vane at the first inlet An At2 guide vane, A2is an area of a fluid inlet unblocked by a vane at the second inlet guide vane, An is a total area of the fluid inlet at the vane at the first inlet guide vane and A^ is a total area of the second fluid inlet at the vane at the second inlet guide vane.
  8. 8. The system of claim 1 , wherein the controller is configured to maintain a predetermined relationship between the angle of the first inlet guide vane and the angle of the second inlet guide vane when adjusting the inlet pressure at the first expansion stage in the predetermined range and the predetermined relationship is A2 = Ai- A<1>where A1 is an area of a fluid inlet unblocked by a vane at the first pi inlet guide vane, A2 is an area of a fluid inlet unblocked by a vane at the second inlet guide vane, p-i is a density of a working fluid at the first inlet guide vane, p2is a density of the working fluid at the second inlet guide vane, T1 is a temperature of the working fluid at the first inlet guide vane, and T2is a temperature of the working fluid at the second inlet guide vane.
  9. 9. The system of claim 1, wherein determining the highest power is performed by repeatedly adjusting the angle of the second inlet guide vane over a predetermined time period and measuring a power output of the power generation unit for each adjusted specific angle while maintaining constant the angle of the first inlet guide vane.
  10. 10. A method for power generation including a turboexpander with at least two expansion stages, the turboexpander being connected to a power generation unit, the method comprising: controlling (i) an angle of a first inlet guide vane in a first expansion stage of the turboexpander for maintaining an inlet pressure of the first expansion stage in a predetermined range, and (ii) an angle of a second inlet guide vane in a second expansion stage of the turboexpander for maintaining the inlet pressure at the first expansion stage in the predetermined range; varying the angle of the second inlet guide vane while maintaining fixed the angle of the first inlet guide vane; determining a power generated by the power generation unit for corresponding varying angles; determining a highest power of the power generated by the power generation unit and a corresponding angle of the second inlet guide vane; and adjusting the angle of the second inlet guide vane independent of the angle of the first inlet guide vane to achieve the highest power. (ADR/Pa)
ITCO2010A000029A 2010-05-24 2010-05-24 Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori. IT1400053B1 (it)

Priority Applications (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ITCO2010A000029A IT1400053B1 (it) 2010-05-24 2010-05-24 Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori.
CA2740397A CA2740397C (en) 2010-05-24 2011-05-12 Methods and systems for variable geometry inlets nozzles for use in turboexpanders
EP11166438A EP2390470B1 (en) 2010-05-24 2011-05-17 Method and system for variable geometry inlets nozzles for use in turboexpanders
MX2011005405A MX2011005405A (es) 2010-05-24 2011-05-20 Metodos y sistemas para boquillas de entrada con geometria variables para usarse en turboexpansores.
JP2011112944A JP5981692B2 (ja) 2010-05-24 2011-05-20 ターボエキスパンダで使用するようになった可変ジオメトリ入口ノズルのための方法及びシステム
US13/113,616 US8882438B2 (en) 2010-05-24 2011-05-23 Methods and systems for variable geometry inlets nozzles for use in turboexpanders
RU2011120259/06A RU2565679C2 (ru) 2010-05-24 2011-05-23 Установка для выработки энергии и способ выработки энергии
KR1020110048518A KR20110128747A (ko) 2010-05-24 2011-05-23 터보익스펜더에 사용하기 위한 가변성 기하학적 입구 노즐을 위한 방법 및 시스템
CN201110149693.7A CN102330574B (zh) 2010-05-24 2011-05-24 用于功率发生的系统和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ITCO2010A000029A IT1400053B1 (it) 2010-05-24 2010-05-24 Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ITCO20100029A1 true ITCO20100029A1 (it) 2011-11-25
IT1400053B1 IT1400053B1 (it) 2013-05-17

Family

ID=43427052

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ITCO2010A000029A IT1400053B1 (it) 2010-05-24 2010-05-24 Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori.

Country Status (9)

Country Link
US (1) US8882438B2 (it)
EP (1) EP2390470B1 (it)
JP (1) JP5981692B2 (it)
KR (1) KR20110128747A (it)
CN (1) CN102330574B (it)
CA (1) CA2740397C (it)
IT (1) IT1400053B1 (it)
MX (1) MX2011005405A (it)
RU (1) RU2565679C2 (it)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1400053B1 (it) * 2010-05-24 2013-05-17 Nuovo Pignone Spa Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori.
WO2013136131A1 (en) * 2012-03-15 2013-09-19 Cyclect Electrical Engineering Organic rankine cycle system
ITFI20120196A1 (it) * 2012-10-01 2014-04-02 Nuovo Pignone Srl "a turboexpander and driven turbomachine system"
KR101375595B1 (ko) * 2012-12-10 2014-03-19 주식회사 그린에너지시스템즈 저압 터빈 발전기
US9777641B2 (en) * 2012-12-19 2017-10-03 General Electric Company System for turbomachine vane control
US20140186170A1 (en) * 2012-12-27 2014-07-03 Ronald E. Graf Centrifugal Expanders And Compressors Each Using Rotors In Both Flow Going From Periphery To Center And Flow Going From Center To Periphery Their Use In Engines Both External Heat And Internal Combustion. Means to convert radial inward flow to radial outward flow with less eddy currents
WO2014175765A1 (en) * 2013-04-25 2014-10-30 Siemens Aktiengesellschaft Set of channel nozzles for a centripetal turboexpander
CN107407149A (zh) * 2015-02-13 2017-11-28 埃克塞基股份公司 径向离心式涡轮机
RU2731144C2 (ru) * 2015-04-24 2020-08-31 Нуово Пиньоне Текнолоджи Срл Компрессор с приводом от установки для утилизации тепла с органическим циклом Ренкина и способ регулирования
ITUB20156071A1 (it) * 2015-12-02 2017-06-02 Nuovo Pignone Tecnologie Srl Sistema e metodo di controllo per cabine remi
JP6868689B2 (ja) * 2016-11-18 2021-05-12 レール・リキード−ソシエテ・アノニム・プール・レテュード・エ・レクスプロワタシオン・デ・プロセデ・ジョルジュ・クロード ターボエキスパンダのための低摩擦入口ノズル
US10502126B2 (en) * 2017-03-10 2019-12-10 Garrett Transportation I Inc. Adjustable-trim centrifugal compressor for a turbocharger

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4028884A (en) * 1974-12-27 1977-06-14 Westinghouse Electric Corporation Control apparatus for controlling the operation of a gas turbine inlet guide vane assembly and heat recovery steam generator for a steam turbine employed in a combined cycle electric power generating plant
GB2133839A (en) * 1982-09-27 1984-08-01 English Electric Co Ltd Power plant comprising a pressurised fluidised bed combustor
US5851104A (en) * 1997-12-15 1998-12-22 Atlas Copco Rotoflow, Inc. Nozzle adjusting mechanism
EP1362984A2 (en) * 2002-05-16 2003-11-19 ROLLS-ROYCE plc Gas turbine engine
US20040088982A1 (en) * 2002-11-13 2004-05-13 Carrier Corporation Power generation with a centrifugal compressor
US20070031238A1 (en) * 2005-08-03 2007-02-08 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Inlet guide vane control device of gas turbine

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH486636A (de) * 1968-08-20 1970-02-28 Escher Wyss Ag Diffusor einer Zentrifugalfördermaschine
JPS55154307U (it) * 1979-04-23 1980-11-07
JPS58200011A (ja) * 1982-05-15 1983-11-21 Kobe Steel Ltd 冷熱発電設備における輻流タ−ビン制御方法
ZA835029B (en) * 1982-09-27 1984-03-28 English Electric Co Ltd Power-generation plant and method
JPS62139905A (ja) * 1985-12-16 1987-06-23 Hitachi Ltd タ−ビン制御装置
FR2595117B1 (fr) * 1986-02-28 1991-05-17 Mtu Muenchen Gmbh Turbocompresseur a geometrie variable
JPH0454204A (ja) * 1990-06-21 1992-02-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 抽気復水タービンの制御装置
US5301499A (en) * 1990-06-28 1994-04-12 General Electric Company Overspeed anticipation and control system for single shaft combined cycle gas and steam turbine unit
RU2110022C1 (ru) * 1996-04-29 1998-04-27 Леонид Иванович Архипов Система регулирования турбодетандера
US5841104A (en) 1996-09-03 1998-11-24 Abb Flexible Automation, Inc. Method and system for multiple pass welding
US5993152A (en) * 1997-10-14 1999-11-30 General Electric Company Nonlinear vane actuation
GB9911867D0 (en) * 1999-05-22 1999-07-21 Rolls Royce Plc A combustion chamber assembly and a method of operating a combustion chamber assembly
US6422014B1 (en) * 2001-09-06 2002-07-23 Caterpillar Inc. Turbocharger with controllable flow geometry for two stage turbine
RU2206755C1 (ru) * 2001-11-12 2003-06-20 Закрытое акционерное общество НПО "Турбодетандеры" Высокоскоростная турбомашина
JP4069675B2 (ja) * 2002-05-22 2008-04-02 株式会社日立プラントテクノロジー ターボ圧縮機およびその容量制御方法
US7290393B2 (en) * 2004-05-06 2007-11-06 Utc Power Corporation Method for synchronizing an induction generator of an ORC plant to a grid
US7428816B2 (en) * 2004-07-16 2008-09-30 Honeywell International Inc. Working fluids for thermal energy conversion of waste heat from fuel cells using Rankine cycle systems
FR2885968B1 (fr) * 2005-05-17 2007-08-10 Snecma Moteurs Sa Systeme de commande d'etages d'aubes de stator a angle de calage variable de turbomachine
FR2885969B1 (fr) * 2005-05-17 2007-08-10 Snecma Moteurs Sa Systeme de commande d'etages d'aubes de stator a angle de calage variable de turbomachine
EP3000994B1 (de) 2006-02-02 2019-01-02 Duerr Cyplan Ltd. Organischer rankine prozess (orc) - turbogenerator
US7315778B1 (en) * 2006-08-30 2008-01-01 General Electric Company System and method for detecting and responding to fugitive fueling of an internal combustion engine
US9043118B2 (en) * 2007-04-02 2015-05-26 General Electric Company Methods and systems for model-based control of gas turbines
ES2571212T3 (es) * 2009-07-21 2016-05-24 Alstom Technology Ltd Método para el control de motores de turbina de gas
US20110142602A1 (en) * 2009-12-15 2011-06-16 Mohammad Waseem Adhami Methods of determining variable element settings for a turbine engine
IT1400053B1 (it) * 2010-05-24 2013-05-17 Nuovo Pignone Spa Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori.
US20130031902A1 (en) * 2011-08-03 2013-02-07 Rodrigo Rodriguez Erdmenger Systems and methods for an engine with a two-stage turbocharger

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4028884A (en) * 1974-12-27 1977-06-14 Westinghouse Electric Corporation Control apparatus for controlling the operation of a gas turbine inlet guide vane assembly and heat recovery steam generator for a steam turbine employed in a combined cycle electric power generating plant
GB2133839A (en) * 1982-09-27 1984-08-01 English Electric Co Ltd Power plant comprising a pressurised fluidised bed combustor
US5851104A (en) * 1997-12-15 1998-12-22 Atlas Copco Rotoflow, Inc. Nozzle adjusting mechanism
EP1362984A2 (en) * 2002-05-16 2003-11-19 ROLLS-ROYCE plc Gas turbine engine
US20040088982A1 (en) * 2002-11-13 2004-05-13 Carrier Corporation Power generation with a centrifugal compressor
US20070031238A1 (en) * 2005-08-03 2007-02-08 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Inlet guide vane control device of gas turbine

Also Published As

Publication number Publication date
EP2390470B1 (en) 2013-03-27
RU2565679C2 (ru) 2015-10-20
EP2390470A1 (en) 2011-11-30
MX2011005405A (es) 2012-04-24
CA2740397C (en) 2018-02-13
CN102330574B (zh) 2015-01-14
JP2011247257A (ja) 2011-12-08
CN102330574A (zh) 2012-01-25
JP5981692B2 (ja) 2016-08-31
RU2011120259A (ru) 2012-11-27
KR20110128747A (ko) 2011-11-30
CA2740397A1 (en) 2011-11-24
US8882438B2 (en) 2014-11-11
IT1400053B1 (it) 2013-05-17
US20110305556A1 (en) 2011-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ITCO20100029A1 (it) Metodi e sistemi per ugelli di ingresso a geometria variabile per uso in turboespansori
US8955322B2 (en) Apparatus and method for increasing power plant efficiency at partial loads
JP5981693B2 (ja) 複合サイクル動作における安全なドラム水位を決定する方法およびシステム
US8590307B2 (en) Auto optimizing control system for organic rankine cycle plants
CN105736081B (zh) 热发电装置
JP2016006323A (ja) 温度管理のためのシステムおよび方法
US9382848B2 (en) System and method for start-up of a combined cycle power plant
US10352246B2 (en) Water feeding method, water feeding system implementing said method, and steam generating facility provided with water feeding system
CN106481458B (zh) 用于管理蒸汽涡轮转子应力的控制系统及其使用方法
US10301965B2 (en) Steam turbine
US20120260621A1 (en) Combined Cycle Power Plant
WO2013121270A1 (en) Apparatus and method for increasing power plant efficiency at partial loads
US9828883B2 (en) Live steam determination of an expansion engine
US9145794B2 (en) Apparatus and method for increasing power plant efficiency at partial loads
JP6685852B2 (ja) プラント制御装置
US11346255B2 (en) Method and controller for preventing formation of droplets in a heat exchanger
EP3358145B1 (en) Systems and methods for controlling machinery stress via temperature trajectory
EP3348902B1 (en) System and method for controlling drum levels using flow
US11208920B2 (en) Control of power generation system with water level calibration for pressure vessel
KR101708991B1 (ko) 터빈 및 그의 운전 방법
US10619519B2 (en) Bypass conduits for reducing thermal fatigue and stress in heat recovery steam generators of combined cycle power plant systems
JP2019027399A (ja) コンバインドサイクル発電プラントと、その運転方法、並びに改造方法
De Paepe et al. Control Strategy Development for Optimized Operational Flexibility From Humidified Microgas Turbine: Saturation Tower Performance Assessment
JP6351080B2 (ja) 蒸気タービンの風損防止装置