KR20110128747A - 터보익스펜더에 사용하기 위한 가변성 기하학적 입구 노즐을 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

터보익스펜더에 사용하기 위한 가변성 기하학적 입구 노즐을 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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투르코 파올로 델
알레시오 밀리아니
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누보 피그노네 에스피에이
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Abstract

동력 발생 방법 및 시스템은 적어도 두개의 팽창 스테이지를 갖는 터보익스팬터를 포함하고, 상기 터보익스팬더는 동력 발생 유닛에 연결된다. 이 시스템은 (ⅰ) 제 1 팽창 스테이지의 입구 압력을 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 1 팽창 스테이지의 입구에 제공된 제 1 입구 안내 베인의 각도와, (ⅱ) 상기 터보익스팬더의 제 2 팽창 스테이지의 입구에 제공된 제 2 입구 안내 베인의 각도를 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 동력 발생 유닛의 결정된 동력으로부터 최상의 동력과 상기 제 2 입구 안내 베인의 대응하는 각도를 결정하고, 상기 최상의 동력을 달성하기 위해 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와는 관계없는 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 조절하도록 구성된다.

Description

터보익스펜더에 사용하기 위한 가변성 기하학적 입구 노즐을 위한 방법 및 시스템{METHODS AND SYSTEMS FOR VARIABLE GEOMETRY INLETS NOZZLES FOR USE IN TURBOEXPANDERS}
본 발명은 일반적으로 동력 발생 시스템, 특히 터보익스팬더(turboexpanders)에 관한 것이다.
랭킨 사이클(rankine cycle)은 가열원 또는 고온 저장조로부터의 열을 수집하기 위해 그리고 동력을 발생하는 터빈을 통해서 팽창하는 고온 가스 스트림을 생성하기 위해 폐-사이클(closed-cycle) 내의 작동 유체를 사용한다. 팽창된 스트림은 열을 저온 저장조에 전달함으로써 콘덴서에 응축되고 사이클을 완료하기 위해 다시 가열 압력까지 펌프된다. 가스 터빈 또는 왕복 기관(reciprocating engine)(일차 시스템)과 같은 동력 발생 시스템은 연속 동력 생성 공정(이차 시스템에 의해)에서 사용되거나 또는 폐열(waste heat)이 주위로 손실되는 고온 배기 가스를 생성한다. 예를 들면, 대형 기관의 배기가스는 부가적인 동력의 발생을 위해 사용되는 폐열 회수 시스템에 회수되므로, 전체 시스템 효율이 향상된다. 랭킨 사이클에서 작동하는 통상적인 폐열 동력 발생 시스템은 도 1에 도시되어 있다.
동력 발생 시스템(1)은 보일러 또는 증발기로서 알려진 열교환기(2), 터보익스펜터(4), 콘덴서(6) 및 펌프(8)를 포함한다. 작동시, 열 교환기(2)에서 시작하여, 외부 열원(10), 즉 고온 연도 가스(flue gases)는 열 교환기(2)를 가열한다. 이는 수용된 가압 유체 매체(12)가 터보익스팬더(4)로 흐르는 가압 증기(14)로 전환된다. 터보익스펜더(4)는 가압 증기 스트림(14)을 수용하여, 가압된 증기가 팽창될 때 동력(16)을 생성할 수 있다. 터보익스펜더(4)에 의해 방출되는 팽창된 저압 증기 스트림(18)은 콘덴서(6)로 진입하고, 이 콘덴서는 팽창된 저압 증기 스트림(18)을 저압 액체 스트림(20)으로 응축한다. 그런 다음, 저압 액체 스트림(20)은 펌프(8)로 진입하고, 이 펌프는 고압 액체 스트림(12)을 생성하고 유동하는 폐루프 시스템을 유지한다. 그런 다음, 고압 액체 스트림(12)은 이러한 공정을 계속하기 위해 열 교환기(2)로 흐른다.
랭킨 사이클에 사용될 수 있는 작동 유체는 유기 작동 유체이다. 상기 유기 작동 유체는 유기 랭킨 사이클(ORC) 유체로서 참조된다. ORC 시스템은 고온 연도 가스 스트림으로부터 폐열을 획득하기 위해, 엔진 뿐만 아니라 소형 및 중형 가스 터빈을 위한 개장(retrofit)으로서 전개되어 왔다. 이 폐열은 고온 연도 가스만을 생성하는 엔진에 의해 배달된 동력의 상한에 부가적으로 20% 동력까지 발생하기 위한 이차 동력 발생 시스템에서 사용될 수 있다.
고온(~500℃) 가스 터빈 배기 스트림에 직접 노출된다면 탄화수소 유체가 저화되고 및/또는 발화되는 관심 때문에, 측정은 ORC 작동 유체를 함유하는 증발기에서 열 교환면의 표면 온도를 제한하기 위해 취해질 필요가 있다. ORC 작동 유체를 함유하는 증발기에서 열 교환면의 표면 온도를 제한하기 위해 현재 사용되는 방법은 중간 열유(thermo-oil) 루프를 열 교환 시스템 안으로 도입하는 것, 즉 가스 터빈의 배기 스택(stack)을 통해 순환하는 ORC 액체를 회피하는 것이다. 따라서, 중간 열유 루프는 고온 연도 가스와 증발성 ORC 유체 사이에서 중간 열 교환기의 일부로서 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 터보익스펜더(4)는 동력 발생 시스템에 사용된다. 터보익스펜더(4)는 고압 가스가 동력을 발생하기 위해 사용될 수 있는 작업을 생성하기 위해 팽창되는 원심력 또는 축방향 흐름 터빈일 수 있다. 터보익스펜더(4) 부분의 실예는 도 2 및 도 3에 도시되어 있고, 이들은 본 명세서에 참조로 그 전체 내용이 합체된 미국 특허 제5,841,104호로부터 재현될 수 있다. 도 2는 가변 노즐 구성이 방사방향 내향흐름 터빈으로 도시되어 있다. 방사방향 내향흐름 터빈은 환형 입구(104)를 구비한 하우징(102)을 갖는다. 고정된 원형 플레이트(106)는 환형 입구(104)의 일 측면에 위치된다. 노즐 조절 시스템은 환형 입구(104)의 다른 측면에 제공된다. 조절 링(108)은 클램핑 링(110)의 방사방향 외향으로 배열되어 있다. 조절 링(108)은 고정된 원형 플레이트(106)에 앵커된 노즐 피봇 핀들(112)에 의해 회전이 방지되는 클램핑 링(110)에 관해 회전할 수 있다.
베인들(114)은 환형 입구(104) 주위에 배치된다. 이들 베인들은 일 측면 상의 고정된 원형 플레이트(106)와 다른 측면 상의 클램핑 링(110)과 조절 링(108) 사이에 위치 설정된다. 베인들(114)은 이들 사이에 스트림라인(streamlined) 흐름 경로를 제공하도록 구성된다. 이 경로는 베인들(114)의 회전 위치에 기초한 단면적에서 증가 또는 감소될 수 있다. 베인들(114)은 노즐 피봇 핀들(112) 주위에 피봇가능하게 장착된다. 클램핑 링(110)에 대한 베인들(114)의 상대 위치는 도 3에 가상선으로 겹쳐지게 도시되어 있다.
미국 특허 제5,841,104호에서, 노즐 조절 기구는 캠과 캠 종동자 기구를 포함한다. 캠 종동자들(116)은 도 3에 도시된 바와 같이 핀들(112)의 축선으로부터 측방향으로 변위되고, 베인들(114)에서 샤프트들에 의해 고정된다. 캠 종동자들(116)은 샤프트들에 관해 자유롭게 회전한다. 캠 종동자들(116)과 협동하기 위해, 편향 슬롯들(118)의 형태인 캠들은 조절 링(118)에 배열되어 있다. 이들은 조절 링(108)이 회전할 때에 자유 롤링 운동하도록 캠 종동자들(116)을 수용하기 위한 크기이다. 베인들(114), 캠 종동자들(116), 편향 슬롯들(118) 및 조절 링(108)의 이러한 구성은 조절 링(108)의 회전에 따라 베인들(114)의 구멍을 선형으로 만든다. 그래서, 베인들(114)을 조절함으로써, 터보익스펜더(4) 내로 허용되는 유체의 양이 조절될 수 있다.
일부 경우에, 터보익스펜더(4)는 복수의 팽창 스테이지를 갖고, 각 스테이지는 유체 흐름을 제어하기 위한 한 세트의 입구 안내 베인(114)을 갖는다. 그러나, 복수의 팽창 스테이지에서 베인들(114)의 제어는 종래 기술의 동력 발생 시스템에서 어렵게 되는, 즉 동력 출력 효율을 최적화하면서 시스템 압력을 조절하는 것이 불가능한 동력 발생 시스템에서 다양한 파라메터들을 변경할 수 있다.
따라서, 동력 발생 시스템을 더 효율적으로 작동시키기 위한 시스템과 방법이 요구된다.
예시적인 실시예에 따르면, 본 발명은 적어도 두개의 팽창 스테이지를 갖고 동력 발생 유닛에 연결되는 터보익스팬터를 포함하는 동력 발생 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 (ⅰ) 제 1 팽창 스테이지의 입구 압력을 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 터보익스팬더의 제 1 팽창 스테이지의 입구에 제공된 제 1 입구 안내 베인의 각도와, (ⅱ) 상기 제 1 팽창 스테이지에서 상기 입구 압력을 상기 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 2 팽창 스테이지의 입구에 제공된 제 2 입구 안내 베인의 각도를 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도를 일정하게 유지하면서 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 변화시키고, 대응하게 변화된 각도들을 위해 상기 동력 발생 유닛에 의해 발생된 동력을 결정하도록 구성된다. 상기 제어기는 상기 동력 발생 유닛의 결정된 동력으로부터의 최상의 동력과 상기 제 2 입구 안내 베인의 대응하는 각도를 결정하고, 상기 최상의 동력을 달성하기 위해 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와는 관계없는 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 조절하도록 구성된다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 본 발명은 적어도 두개의 팽창 스테이지를 갖고 동력 발생 유닛에 연결되는 터보익스팬터를 포함하는 동력 발생 방법에 관한 것이다. 이 방법은 (ⅰ) 제 1 팽창 스테이지의 입구 압력을 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 1 팽창 스테이지에서 제 1 입구 안내 베인의 각도와, (ⅱ) 상기 제 1 팽창 스테이지에서 상기 입구 압력을 상기 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 2 팽창 스테이지에서 제 2 입구 안내 베인의 각도를 제어하는 단계와; 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도를 일정하게 유지하면서 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 변화시키는 단계와; 대응하게 변화된 각도들을 위해 상기 동력 발생 유닛에 의해 발생된 동력을 결정하는 단계와; 상기 동력 발생 유닛의 결정된 동력으로부터의 최상의 동력과 상기 제 2 입구 안내 베인의 대응하는 각도를 결정하는 단계; 및 상기 최상의 동력을 달성하기 위해 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와는 관계없는 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 조절하는 단계를 포함한다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 본 발명은 컴퓨터 실행 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 매체이고, 이는 실행시 상기 명령이 적어도 두개의 팽창 스테이지를 갖고 동력 발생 유닛에 연결되는 터보익스팬터를 포함하는 동력 발생 방법을 실행한다. 이 방법의 단계들은 상기 문단에 기재된 것들과 유시하다.
동력 발생 방법 및 시스템은 적어도 두개의 팽창 스테이지를 갖는 터보익스팬터를 포함하고, 상기 터보익스팬더는 동력 발생 유닛에 연결된다. 이 시스템은 (ⅰ) 제 1 팽창 스테이지의 입구 압력을 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 1 팽창 스테이지의 입구에 제공된 제 1 입구 안내 베인의 각도와, (ⅱ) 상기 터보익스팬더의 제 2 팽창 스테이지의 입구에 제공된 제 2 입구 안내 베인의 각도를 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 상기 동력 발생 유닛의 결정된 동력으로부터 최상의 동력과 상기 제 2 입구 안내 베인의 대응하는 각도를 결정하고, 상기 최상의 동력을 달성하기 위해 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와는 관계없는 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 조절하도록 구성된다.
첨부된 도면은 예시적인 실시예를 도시한다.
도 1은 랭킨 사이클을 도시한 도면.
도 2는 반경방향 내향흐름 터빈 내의 가변 노즐 구성을 도시한 도면.
도 3은 터보익스펜더 내의 클램핑 링에 대한 베인들의 상대 위치를 도시하는 도면.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 랭킨 사이클을 도시한 도면.
도 5는 예시적인 실시예에 따른 터보익스펜더의 팽창 스테이지의 입구 안내 베인 섹션을 도시한 도면.
도 6 내지 도 8은 예시적인 실시예에 따라 유체 개구로의 입구 안내 베인의 다양한 위치를 도시한 도면.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 제어 시스템의 소자들을 도시한 도면.
도 10은 예시적인 실시예에 따른 동력 발생의 방법을 위한 흐름도.
도 11은 예시적인 실시예에 따른 동력 발생 시스템의 제어기로서 작동하는 디바이스를 도시한 도면.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 동력 발생의 방법을 위한 흐름도.
예시적인 실시예들의 하기 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 서로 다른 도면들에서 동일한 참조 부호들은 동일 또는 유사한 부재들을 나타낸다. 부가로, 도면들은 반드시 축척으로 도시되지 않았다. 또한 하기 상세한 설명은 본 발명을 제한하지 않는다. 대신에, 발명의 범주는 첨부된 청구범위에 의해 한정된다.
"일 실시예" 또는 "한 실시예"에 대한 명세서에서의 참조는 실시예와 관련하여 기재된 특정 형상들, 구조들, 또는 특징들이 설명된 특정 주제의 적어도 일 실시예에 포함되는 것을 의미한다. 따라서, 명세서를 통한 다양한 위치에서 "일 실시예에서" 또는 "한 실시예에서"의 문구의 상황은 동일한 실시예를 반드시 참조할 필요가 없다. 더욱이, 특정 형상들, 구조들 또는 특징들은 하나 이상의 실시예에서 어떤 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 발명의 종래 기술에 설명되고, 도 1에 도시된 바와 같이, 랭킨 사이클(rankine cycle)은 폐열(waste heat) 에너지의 일 부분을 포획하기 위해 동력 발생 시스템에서 사용될 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 복수의 팽창 스테이지를 갖는 터보익스팬더(turboexpanders)는 예를 들어 발전기로부터 동력 출력 효율을 최적화하면서 동력 발생 시스템을 상한 압력에서(또는 필요한 상한 압력 범위 내에서) 작동하도록 한다. (종래 기술의 랭킨 시스템의 몇몇 부품들이 단순화 및 간략화를 위해 제거되는) 예시적인 터보익스팬더와 같은 동력 발생을 위한 예시적인 시스템은 이제 도 4를 참조하여 기술될 것이다. 그러나, 예시적인 실시예들에 따르면, 랭킨 사이클을 위해 기재되고 도 1에 도시된 구성부품들은 하기에 기술될 제어 시스템과 예시적인 터보익스팬더를 사용하는 유사한 동력 발생 유닛에 사용될 수 있다.
먼저, 시스템은 가압되고, 작동 유체는 펌프(402)에 의해 폐루프 랭킨 사이클 시스템에서 순환된다(화살촉(arrowhead)으로 도시된 방향으로). 작동 유체, 예를 들면 ORC 유체는 작동 유체가 증발되는 증발기(404)로 펌프된다. 그런다음, 가압된 증기는 제 1 팽창 스테이지(408)와 제 2 팽창 스테이지(410)를 갖는 터보익스팬더(406)로 진행한다. 하나의 적용에서, 복수의 팽창기들(서로로부터 물리적으로 분리됨)은 복수의 스테이지를 갖는 단일 팽창기 대신에 사용될 수 있다. 본 명세서에 기재된 신규한 형상들은 복수의 스테이지를 갖는 복수의 팽창기 또는 단일 팽창기 양자에 적용된다. 제 1 팽창 스테이지(408)는 이 제 1 팽창 스테이지(408)로 진입하는 가압 증기의 양/속도를 조절하는 입구 안내 베인(412)을 포함한다. 가압 증기는 팽창 중에 일부 에너지를 소비하여 제 2 팽창 스테이지(410)로 이동하며, 이 증기는 제 2 팽창 스테이지(410)로 진입하는 증기의 양/속도를 또한 조절하는 다른 입구 안내 베인(414)을 통해 제 2 팽창 스테이지(410)로 진입한다.
증기가 팽창 스테이지들(408, 410)에서 팽창될 때에, 작업은 기어 박스(420)에 연결된 각 샤프트들(416, 418)을 회전시켜서 실행된다. 단일 샤프트(422)는 기어 박스(420)를 발전기(424)에 연결한다. 그런 다음 동력(426)은 발전기(424)로부터 출력된다.
도 4의 랭킨 사이클 부분으로 돌아가서, 팽창된 증기는 제 2 팽창 스테이지(410)를 떠나고, 터보익스팬더(406)를 빠져나가 열회수 장치(recuperator)(428)로 가는 도중에 작동 유체의 열교환을 허용한다. 그런 다음, 작동 유체는 상기 사이클을 반복하기 위해 펌프(402)로 가는 도중에 랭킨 사이클(도시 생략)의 다른 단계들을 통해 진행한다. 센서들(430)은 압력 감시 센서들을 나타내고, 센서(432)는 동력 출력 효율을 감시하기 위해 사용되는 하나 이상의 센서(들)(즉, 전류 및/또는 전압 센서들)를 나타낸다. 제어기(434)는 동력 발생 시스템의 설정을 제어한다.
입구 안내 베인(412)의 실예는 도 5에 도시되어 있다. 가변성 기하학적 입구 안내 베인들(502)은 팽창 스테이지안으로 작동 유체의 흐름을 제어하기 위해 변경될 수 있는 다양한 위치 또는 각도로 설정될 수 있다. 부가적으로, 예시적인 실시예에 따르면, 베인들(502)의 위치를 제어함으로써, 압력(P1)(도 4에 도시됨)은 상한 최대 범위 내로 조절될 수 있다. 간략화를 위해, 도 6 내지 도 8은 대응하는 유체 입구(602)에 관련하여 단일 베인(502)의 다른 위치들을 도시한다. A1은 유체 입구(602)의 개방 영역을 나타내고, A01은 가변성 기하학적 입구 안내 베인(502)에 의해 차단되는 유체 입구(602)의 영역을 나타낸다. 도 6은 완전히 개방된 유체 입구(602)를 도시하고, 도 7은 부분적으로 개방된 유체 입구(602)를 도시하며, 도 8은 완전히 차단된 유체 입구(602)를 도시한다. 세 개의 위치들만이 도 6 내지 도 8에 도시된 반면에, 베인들(502)의 다른 환형 위치들이 가능하다. 부가적으로, 유체 입구(602)에 대한 베인들(502)의 다양한 위치들은 터보익스팬더(406)의 팽창 섹션들에 진입하는 유체를 위한 가변성 기하학적 입구 노즐을 야기한다.
상술한 바와 같은 예시적인 실시예들에 따르면, 제어기(434)는 동력 발생 시스템과 관련된 설정들, 파라메터들, 소프트웨어 및 다른 제어부들을 제어할 수 있다. 다양한 제어 소자들과 예시적인 통신 링크(communication links)들은 제어기(434)를 포함하는 도 9에 도시되어 있다. 다른 제어부들은 관련된 동력 발생 유닛, 즉 발전기로부터 전류, 전입 및/또는 다른 동력 관련 정보를 수집하기 위해 사용될 수 있는 동력 센서(들)(432)를 포함할 수 있다. 압력 센서들(430)은 동력 발생 사이클에서 다양한 위치들로부터 압력 데이터를 수집하기 위해 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같은 다른 제어 설비(902)는 동력 발생 시스템에서 또한 사용될 수 있다. 이들 제어 소자들은 제어기(434)와 모두 통신할 수 있다. 그러나, 다른 통신 링크들이 또한 존재할 수 있다. 즉, 백업(backup) 통신 링크 또는 제어 소자들 사이의 다른 직접 통신 링크들이 존재할 수 있다. 제어기(434)는 또한 터보익스팬더(406) 및 입구 안내 베인(412, 414)을 위한 제어부들과 통신할 수 있다. 이는 제어기(434)가 입구 안내 베인들(412, 414)의 각도를 변경하기 위한 명령을 내리게 한다. 제어기(434)가 단일 유닛으로 도시된 반면에, 복수의 제어기들(434)은 필요한 바와 같은 유닛들 중에서 분리될 수 있는 효율을 갖는 시스템에 존재할 수 있다. 부가적으로, 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예들은 설비의 다른 부품과 통합되는 제어기(434), 즉 터보익스팬더(406)의 제어부들에 의해 실행될 수 있다.
예시적인 실시예에 따르면, 상술한 바와 같은 예시적인 시스템과 제어 소자들을 사용하는 시스템과 방법은 2-스테이지(또는 그 이상) 터보익스팬더에서, 제 2 팽창 스테이지가 예를 들어 관련된 동력 발생 시스템에서 발전기로부터 최대 동력 출력과 관련된 최적의 팽창 비율을 자동적으로 찾기 위해 그 스스로 조절될 수 있도록 랭킨 사이클의 상한 압력을 압력 범위 내로 조절하는 제 1 팽창 스테이지를 가질 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 이러한 예시적인 공정은 동력 발생 시스템이 동력 출력을 향상시키기 위해 부분 부하(partial load)로 작동될 때에 실행될 수 있다. 하기에 상세히 설명되는 바와 같이, 터보익스팬더의 임의의 상태(초크된 상태(chocked conditions))를 위한 팽창기의 효율은 터보익스팬더에 의해 구동되는 발전기의 동력 출력에 직접 비례한다. 이러한 공정은 도 10의 흐름도에 도시된 바와 같이 실행될 수 있다. 먼저, 동력 발생 시스템이 작동하여, 터보익스팬터의 제 1 팽창 스테이지의 입구 안내 베인(412)에 진입하는 바와 같이 단계 1002에서 작동 유체의 압력(P1)의 초기값이 설정된다. 입구 안내 베인(412)은 단계 1004에서 필요한 범위, 즉 +/- 1 또는 +/- 0.5 바(bar)의 범위 내로 P1의 필요한 설정 값, 즉 50바(bar)를 얻어서 유지하기 위해 가스 흐름을 조절한다.
예시적인 실시예들에 따르면, 입구 안내 베인(412)은 예를 들어 설비 최적 성능 변수들에 의해 결정 또는 설정될 수 있는 필요한 압력(P1)을 얻기 위해 베인들의 각도를 조정하여 제어기(434)에 의해 조절된다. 입구 안내 베인(412)이 제 1 스테이지를 위한 가스의 흐름을 조절하는 한편, 입구 안내 베인(414)은 단계 1006에 도시된 바와 같이 제 2 스테이지를 위한 가스의 흐름을 조절한다. 입구 안내 베인(414)은 입구 안내 베인(412)이 가스의 흐름을 조절하는 동안, 시스템 압력을 분열시키지 않도록 하기에 설명되는 방식으로 가스의 흐름을 조절한다. 이는 입구 안내 베인(412)이 미리 결정된 윈도우에서 필요한 P1 값을 얻고 유지하기 위해 베인들의 각도를 항상 변경하는 것을 방지한다. 일단 P1이 설정 값에 중심설정된 밴드 내에 놓이자마자, 입구 안내 베인(412)은 고정되고, 입구 안내 베인(414)은 단계 1008에 도시된 바와 같이 터보익스팬더의 팽창 효율을 최대화하기 위해 터보익스팬더의 제 2 스테이지를 통해 가스의 흐름을 동력학적으로 조절하기 시작한다. 팽창 효율의 이러한 최대화는 관련된 발전기(426)의 동력 출력을 최대화하는 것에 관련된다. 본 명세서에 사용된 바와 같은 터보익스팬더의 팽창 효률은 하기 식 (1)로 설명된다.
팽창 효율(Expansion Efficiency) = 전력 발생(Electrical Power Generation)/엔탈피 흐름율(Enthalpy Flow Rate) (1)
여기서, 엔탈피 흐름율은 입구 안내 베인(412)이 고정되고 터보익스팬더가 초크될 때에 일정하게 된다. 터보익스팬더가 초크될 때에, 일정한 질량은 상기 디바이스를 통해 흐른다. 계산의 단순화를 위해, 터보익스탠더의 양 스테이지들은 초크되는 것으로 고려된다. 엔탈피 흐름율이 초크된 상태 하에서 일정하면, 터보익스팬더의 팽창 효율은 관련된 발전기의 전력 발생에 비례한다.
입구 안내 베인(412)이 고정된다는 사실이 주어지면, 입구 안내 베인(414)은 동력 발생의 동력 출력이 변화되도록 다양한 베인 각도들을 통해 스위프(sweep)되게 제어된다. 이 동력 출력은 측정되어 일 적용에서 데이터베인스에 저장된다. 제어기(434)는 입구 안내 베인(414)에서 베인들의 초기 환형 시작점으로부터 스위핑 업(sweeping up) 및 스위핑 다운 양자에 의해 최대 동력 출력의 지점에 의해 체크되어, 각 베인 위치를 위한 데이터를 포착한다. 예시적인 실시예에 따르면, 이 스위핑은 약 20초에 발생할 수 있으나, 다른 시간 프레임들이 원하는 바와 같이 사용될 수 있다. 베인들의 각 환형 위치를 위해, 동력 발전기(424)의 동력 출력은 단계 1010에 도시된 바와 같이 결정된다. 이 결정이 최대 동력에 도달하지 않는다면, 이 공정은 반복하고, 그렇지 않다면 이 공정이 입구 안내 베인(414)에서 종료하여 베인 각도가 고정된다. 일 적용에서, 제어기(434)는 입구 안내 베인(414)의 각도가 동력 발전기(424)의 동력 출력을 최대화하는 베인타베인스로부터 결정되고, 따라서 입구 안내 베인(414)의 각도를 설정한다. 이 스위핑 공정은 필요한 바와 같이 시간에 걸쳐 반복되고 재검토된다. 부가적으로, P1이 시스템 변경, 즉 작동 유체의 온도와 압력에 영향을 받는 하중 변경으로 인해 필요한 범위로부터 벗어난다면, 도 10의 흐름도에 도시된 전체 공정이 반복될 수 있다. 일 적용에서, P1이 필요한 범위로부터 벗어난다면, 입구 안내 베인(414)은 터보익스팬더(406)의 효율을 최대화하는 각도를 포기하고 P1이 필요한 범위에 들어올 때까지 입구 안내 베인(412)을 추종하도록 형성된다.
예시적인 실시예들에 따르면, 다양한 알고리듬들(algorithms)은 그들 각 가스 흐름들을 조절하는 상이한 스테이지들을 위한 입구 안내 베인(412)과 입구 안내 베인(414) 사이의 관계를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 하기에 설명되는 알고리듬들에서 마하 수(mach number)를 사용하는 것을 포함하고 시스템이 초크 상태에서 작동하는 것으로 가정한다. 예시적인 실시예들에 따르면, 입구 안내 베인(412)이 먼저 필요한 압력 범위에 진입하기 위해 가스 흐름을 조절하기 시작하면(또는 가스의 흐름을 조절하는 시작 바로 전이면), 두 스테이지들 간의 작동 관계는 하기 식 (2)에 기재된 바와 같이 설명된다.
A2 = A1·f(P1,P2,T1,T2) (2)
여기서, A1은 입구 안내 베인(412)에서 베인에 의해 차단되지 않는 유체 입구의 영역(도 7 참조)이고, A2는 입구 안내 베인(414)에서 베인에 의해 차단되지 않는 유체 입구의 영역(도시되지 않았으나, 도 7에서 A1과 유사함)이며, P1은 제 1 입구 안내 베인(412)에서 작동 유체의 압력이고, P2는 입구 안내 베인(414)에서 작동 유체의 압력이며, T1은 입구 안내 베인(412)에서 작동 유체의 온도이고, T2는 입구 안내 베인(414)에서 작동 유체의 온도이다.
예시적인 실시예에 따르면, 입구 안내 베인(412)이 필요한 압력 범위에 진입하기 위해 조절되기 시작하면(또는 조절되기 시작하기 바로 전이면), 두 스테이지들 간의 관계는 하기 식 (3)에 기재된 바와 같이 설명된다.
Figure pat00001
(3)
여기서, At1은 입구 안내 베인(412)에서 베인을 통한 유체 입구의 전체 영역(도 7에서 A1 + A01 참조)이고, At2는 입구 안내 베인(414)에서 베인을 통한 유체 입구의 전체 영역(도시되지 않았으나, 도 7에서 At1과 유사함)이다.
예시적인 실시예에 따르면, 입구 안내 베인(412)이 필요한 압력 범위에 진입하기 위해 가스의 흐름을 조절할 때에, 입구 안내 베인(412)과 입구 안내 베인(414) 사이의 관계는 입구 안내 베인(414)이 입구 안내 베인(412)에 진입하는 가스의 흐름의 압력에 사실상 영향을 받지 않도록 설정된다. 이 상황에 대해, 입구 안내 베인(414)은 식 (4)에 기초한 입구 안내 베인(412)을 하기와 같이 설정한다.
Figure pat00002
(4)
여기서, ρ1은 입구 안내 베인(412)에서 작동 유체의 밀도이고, ρ2는 입구 안내 베인(414)에서 작동 유체의 밀도이다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 입구 안내 베인(412)이 필요한 압력 범위에서 압력을 갖도록 가스의 흐름을 조절하여 압력이 안정화될 때에, 입구 안내 베인(412)의 각도는 고정되고 입구 안내 베인(414)의 각도만은 터보익스팬더(406)의 효율이 최대화될 때까지 조절된다. 따라서, 입구 안내 베인(414)은 입구 안내 베인(412)과는 관계없이 되고, 입구 안내 베인(414)을 위해 차단되지 않은 유체 입구의 영역(A2)은 식 (5)로 설명된다.
Figure pat00003
(5)
여기서, k는 가스의 등엔탈피(isentropic) 계수이고, m은 작동 유체 질량 흐름율이며, R은 가스 상수이다. 이점으로부터, 입구 안내 베인(414)은 상술한 바와 같이 터보익스팬더(406)의 최대 팽창 효율과 관련된 동력 발전기(424)의 최대 동력 출력 지점을 결정하기 위해 다양한 각도들을 통해 스위프 업 및 스위프 다운된다. 제어기(434)(또는 관련된 제어 소자들 중 하나)에 의해 제어되는 이러한 스위프는 P1이 미리 결정된 범위를 이탈하지 않도록 하는 범위 내로 유지된다. 그러나, P1이 미리 결정된(필요한) 범위를 이탈한다면, 입구 안내 베인(414)을 위한 스위핑 공정은 일시 중지되고, 입구 안내 베인(412)은 P1이 미리 결정된 범위로 오는 가스의 흐름을 조절하기 시작한다. 각도들의 다양한 값들과 입구 안내 베인(414)을 위한 팽창기 효율을 나타내는 측정된 변수들은 메모리에 저장된다. 스위핑 공정이 완료된 후에, 제어기(434)는 저장된 값을 비교하고, 터보익스팬더(406)의 팽창 효율을 최대화하는 값을 선택하여, 선택된 값을 갖도록 입구 안내 베인(414)의 값을 설정한다.
대안적인 예시적 실시예에 따르면, 터보익스팬더(406)는 두 개 이상의 팽창 스테이지를 갖고, 시스템 압력을 조절하는 적어도 하나의 팽창 스테이지와 다른 팽창 스테이지는 동력 효율을 최대화한다.
예시적인 실시예에 따르면, 압력을 조절하기 위해 제 1 팽창 스테이지(408)의 입구 안내 베인(412)을 사용함으로써, 작동 유체가 제 1 팽창 스테이지(408)에 진입하면 시스템 압력을 제어하기 위해 작동 유체를 갖는 인-라인(in-line)으로 되는 전용 밸브를 위한 필요성이 없다. 부가적으로, 예시적인 실시예들은 동력 발생 시스템의 작동 조건들이 부분 부하들과 가변 주위 온도들을 변경하는 상황에서 사용될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 랭킨 사이클에서 사용될 수 있는 하나의 작동 유체는 ORC 유체이다. ORC 유체들의 실예들은 펜탄(pentane), 프로판, 사이클로헥산(cyclohexane), 사이클로펜탄, 부탄, R-245fa와 같은 플루오로탄화수소(fluorohydrocarbon), 및 아세톤과 같은 케톤 또는 톨루엔 또는 티오펜(thiophene)과 같은 방향제(aromatic)를 포함하나, 이에 제한되는 것은 아니다. 그러나, 종래 기술의 분야에 설명된 바와 같이, 고온에 직접 노출될 때, ORC 유체의 붕괴 위험이 있다. 따라서, 예시적인 실시예들에 따르면, 중간 열-오일(thermo-oil) 루프 또는 다른 유체는 예시적인 터보익스팬더(406)를 사용하는 동력 발생 시스템에 사용될 수 있다.
상술한 예시적인 실시예들은 랭킨 사이클에서 상한 압력을 조절하고 그런 다음 예를 들어 발전기(426)의 동력 출력 효율을 최대화하기 위한 방법과 시스템을 제공한다. 제어기(434)(도 11에 도시된 바와 같음)는 프로세서(1102)(또는 복수의 프로세서 코어), 메모리(1104), 하나 이상의 이차 저장 디바이스(1106), 통신 인터페이스(1108) 및 소프트웨어 어플리케이션(1110)을 포함할 수 있다. 프로세서(1102)는 본 명세서에 기재된 바와 같은 예시적인 실시예들을 실행하기 위한 명령을 수행할 수 있다. 부가적으로, 제어기(1102)는 동력 발생 시스템을 작동하고 제어하는 것을 지지하여 실행하는 명령을 포함할 수 있다. 메모리(1104)는 이들 명령들 뿐만 아니라 센서 정보와 베인들의 스위핑으로부터 얻어진 결과를 저장할 수 있다. 부가적으로, P1 및 압력 범위 등과 관련된 정보는 또한 제어기(434) 내에 저장될 수 있다. 소프트웨어 어플리케이션(1110)은 본 명세서에 기재된 예시적인 실시예와 관련된 프로그램들 뿐만 아니라 동력 발생 시스템과 관련된 프로그램들을 나타낸다. 통신 인터페이스(1108)는 동력 발생 시스템을 작동시키고 입구 안내 베인 각도들을 변경하는 것과 관련된 명령을 전달하기 위해 센서들, 다른 제어기들 등과 통신할 수 있다. 따라서, 상술된 예시적인 실시예들은 제어기(434)에 의해 제어될 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 동력 발생 방법은 도 12의 흐름도에 도시된 바와 같은 적어도 두개의 팽창 스테이지를 갖는 터보익스팬터를 포함한다. 이 방법은 (ⅰ) 제 1 팽창 스테이지의 입구 압력을 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 터보익스팬더의 제 1 팽창 스테이지에서 제 1 입구 안내 베인의 각도와, (ⅱ) 제 1 팽창 스테이지에서 입구 압력을 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 터보익스팬더의 제 2 팽창 스테이지에서 제 2 입구 안내 베인의 각도를 제어하는 단계 1200; 제 1 입구 안내 베인의 각도를 일정하게 유지하면서 제 2 입구 안내 베인의 각도를 변화시키는 단계 1202; 대응하게 변화하는 각도들을 위해 동력 발생 유닛에 의해 발생된 동력을 결정하는 단계 1204; 동력 발생 유닛에 의해 발생된 동력의 최상의 동력과 제 2 입구 안내 베인의 대응하는 각도를 결정하는 단계 1206; 및 최상의 동력을 달성하기 위해 제 1 입구 안내 베인의 각도와는 관계없는 제 2 입구 안내 베인의 각도를 조절하는 단계 1208을 포함한다.
상술된 예시적인 실시예들은 제한이라기 보다는 오히려 본 발명의 모든 관심으로 도시된 경향이 있다. 따라서, 본 발명은 당업자들에 의해 본 명세서에 포함된 설명으로부터 벗어남 없이 상세한 실행으로 많은 변화를 가능하게 한다. 이러한 모든 변화 및 변경은 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명의 범주와 정신 내에 있는 것으로 고려된다. 본 출원의 상세한 설명에 사용된 소자, 작동, 또는 명령은 상기에서 명백하게 설명하지 않는 한 본 발명에 대해 임의적 또는 필수적으로 해석되는 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 사용된 지시어 "하나" 또는 "일"은 하나 이상의 항목을 포함하는 것을 의도한다.
본 명세서에 기재된 설명은 최상의 모드를 포함하는 본 발명을 설명하기 위한 예시로서 사용되고, 또한 임의의 디바이스 또는 시스템을 사용하고 임의의 합체된 방법을 실행하는 것을 포함하는 본 발명을 실행하기 위해서는 당업자들에게는 가능하다. 본 발명의 특허가능한 범주는 청구범위에 의해 한정되고, 당업자들에 의해 발생되는 다른 예시들을 포함할 수 있다. 상기 예시들은 이들이 청구범위의 글자그대로의 언어와 다르지 않는 구성 소자들을 갖는다면 또는 청구범위의 글자그대로의 언어 내에서 동등한 구성 소자들을 포함한다면 청구범위의 범주 내에 포함하는 것으로 의도된다.
402 : 펌프 404 : 증발기
406 : 터보익스펜더 408, 410 : 팽창 스테이지
412, 414 : 입구 안내 베인 416, 418, 샤프트
420 : 기어 박스 424 : 발전기
426 : 동력 430, 432 : 센서
434 : 제어기 502 : 입구 안내 베인
602 : 유체 입구

Claims (10)

  1. 적어도 두개의 팽창 스테이지를 갖고 동력 발생 유닛에 연결되는 터보익스팬터(turboexpanders)를 포함하는 동력 발생 시스템으로서,
    (ⅰ) 제 1 팽창 스테이지의 입구 압력을 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 1 팽창 스테이지의 입구에 제공된 제 1 입구 안내 베인의 각도와, (ⅱ) 상기 제 1 팽창 스테이지의 상기 입구 압력을 상기 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 2 팽창 스테이지의 입구에 제공된 제 2 입구 안내 베인의 각도를 제어하도록 구성된 제어기를 포함하고;
    상기 제어기는 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도를 일정하게 유지하면서 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 변화시키고, 대응하게 변화된 각도들을 위해 상기 동력 발생 유닛에 의해 발생된 동력을 결정하도록 구성되며;
    상기 제어기는 상기 동력 발생 유닛의 결정된 동력으로부터의 최상의 동력과 상기 제 2 입구 안내 베인의 대응하는 각도를 결정하고, 상기 최상의 동력을 달성하기 위해 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와는 관계없는 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 조절하도록 구성된
    동력 발생 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 입구 안내 베인을 포함하는 상기 터보익스팬더의 제 1 팽창 스테이지와,
    상기 제 2 입구 안내 베인을 포함하는 상기 터보익스팬더의 제 2 팽창 스테이지, 및
    상기 터보익스팬터의 상기 제 1 및 제 2 팽창 스테이지에 기계적으로 연결되는 동력 발생 유닛을 부가로 포함하는
    동력 발생 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 동력 발생 유닛은 유기(organic) 랭킨 작동 유체를 사용하는 랭킨 사이클(rankine cycle) 시스템에서 작동하는
    동력 발생 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기에 연결되고, 상기 동력 발생 유닛에 제공되며, 상기 동력 발생 유닛에 의해 생성된 전류 또는 전압을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서;
    상기 제어기에 연결되고, 상기 동력 발생 시스템에 제공되며, 작동 유체의 압력을 측정하도록 구성된 하나 이상의 센서;
    상기 터보익스팬더의 출구측에 유체적으로 연결되고 팽창된 증기 스트림을 액체 스트림으로 수용하여 응축하도록 구성된 콘덴서;
    상기 액체 스트림을 수용하고, 상기 액체 스트림을 가압하며, 상기 액체 스트림을 열 교환기로 순환시키도록 구성된 상기 콘덴서의 출구측에 유체적으로 연결된 펌프; 및
    상기 펌프의 출구측에 유체적으로 연결되고, 상기 가압된 액체 스트림을 수용하여 상기 가압된 액체 스트림을 가압된 증기 스트림으로 증발시키도록 구성된 열 교환기를 부가로 포함하는
    동력 발생 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 및 제 2 팽창 스테이지들에 제공되는
    동력 발생 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 팽창 스테이지에서 상기 입구 압력을 상기 미리 결정된 범위로 조절할 때 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도 사이에서 미리 결정된 관계를 유지하도록 구성되고, 상기 미리 결정된 관계는 A2 = A1·f(P1,P2,T1,T2)이며, 여기서, A1은 상기 제 1 입구 안내 베인들에서 베인에 의해 차단되지 않는 유체 입구의 영역이고, A2는 상기 제 2 입구 안내 베인에서 베인에 의해 차단되지 않는 유체 입구의 영역이며, P1은 상기 제 1 입구 안내 베인에서 작동 유체의 압력이고, P2는 상기 제 2 입구 안내 베인에서 상기 작동 유체의 압력이며, T1은 상기 제 1 입구 안내 베인에서 상기 작동 유체의 온도이고, T2는 상기 제 2 입구 안내 베인에서 상기 작동 유체의 온도이며, f는 함수인
    동력 발생 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 팽창 스테이지에서 상기 입구 압력을 상기 미리 결정된 범위로 조절할 때 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도 사이에서 미리 결정된 관계를 유지하도록 구성되고, 상기 미리 결정된 관계는
    Figure pat00004
    이며, 여기서, A1은 상기 제 1 입구 안내 베인들에서 베인에 의해 차단되지 않는 유체 입구의 영역이고, A2는 상기 제 2 입구 안내 베인에서 베인에 의해 차단되지 않는 유체 입구의 영역이며, At1은 상기 제 1 입구 안내 베인에서 상기 베인을 통한 상기 유체 입구의 전체 영역이고, At2는 상기 제 2 입구 안내 베인에서 상기 베인을 통한 상기 제 2 유체 입구의 전체 영역인
    동력 발생 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제 1 팽창 스테이지에서 상기 입구 압력을 상기 미리 결정된 범위로 조절할 때 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도 사이에서 미리 결정된 관계를 유지하도록 구성되고, 상기 미리 결정된 관계는
    Figure pat00005
    이며, 여기서, A1은 상기 제 1 입구 안내 베인들에서 베인에 의해 차단되지 않는 유체 입구의 영역이고, A2는 상기 제 2 입구 안내 베인에서 베인에 의해 차단되지 않는 유체 입구의 영역이며, ρ1은 상기 제 1 입구 안내 베인에서 작동 유체의 밀도이고, ρ2는 상기 제 2 입구 안내 베인에서 상기 작동 유체의 밀도이며, T1은 상기 제 1 입구 안내 베인에서 상기 작동 유체의 온도이고, T2는 상기 제 2 입구 안내 베인에서 상기 작동 유체의 온도인
    동력 발생 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 최상의 동력을 결정하는 단계는 미리 결정된 시간 주기에 걸쳐 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 반복적으로 조절하고, 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도를 일정하게 유지하면서 각각 조절된 특정 각도를 위해 상기 동력 발생 유닛의 동력 출력을 측정함으로써 실행되는
    동력 발생 시스템.
  10. 적어도 두개의 팽창 스테이지를 갖고 동력 발생 유닛에 연결되는 터보익스팬터를 포함하는 동력 발생 방법으로서,
    (ⅰ) 제 1 팽창 스테이지의 입구 압력을 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 1 팽창 스테이지에서 제 1 입구 안내 베인의 각도와, (ⅱ) 상기 제 1 팽창 스테이지에서 상기 입구 압력을 상기 미리 결정된 범위로 유지하기 위해 상기 터보익스팬더의 제 2 팽창 스테이지에서 제 2 입구 안내 베인의 각도를 제어하는 단계;
    상기 제 1 입구 안내 베인의 각도를 일정하게 유지하면서 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 변화시키는 단계;
    대응하게 변화된 각도들을 위해 상기 동력 발생 유닛에 의해 발생된 동력을 결정하는 단계;
    상기 동력 발생 유닛에 의해 발생된 동력의 최상의 동력과 상기 제 2 입구 안내 베인의 대응하는 각도를 결정하는 단계; 및
    상기 최상의 동력을 달성하기 위해 상기 제 1 입구 안내 베인의 각도와는 관계없는 상기 제 2 입구 안내 베인의 각도를 조절하는 단계를 포함하는
    동력 발생용 방법.
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