NO335230B1 - Device and method of operation and safety control of a heat power machine - Google Patents
Device and method of operation and safety control of a heat power machine Download PDFInfo
- Publication number
- NO335230B1 NO335230B1 NO20130277A NO20130277A NO335230B1 NO 335230 B1 NO335230 B1 NO 335230B1 NO 20130277 A NO20130277 A NO 20130277A NO 20130277 A NO20130277 A NO 20130277A NO 335230 B1 NO335230 B1 NO 335230B1
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- pressure
- working fluid
- fluid
- flow
- pipe
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 164
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims abstract description 17
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 9
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 7
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 2
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 2
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000003137 locomotive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 1
- 238000004056 waste incineration Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- 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
- F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
- F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- Fluid-Pressure Circuits (AREA)
- Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
Abstract
Anordning og fremgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering av en varmekraftsmaskin (1) som har et arbeidsfluidløp omfattende et høytrykksløp (44) og et lavtrykksløp (60), og hvor varmekraftsmaskinen (1) benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høytrykksløpet (44) er i væskefase, og hvor et fluiddreneringsløp (62) som valgbart er åpent eller lukket, er koplet til et parti (74) av høytrykksløpet (44) hvor arbeidsfluidet befinner seg hovedsakelig i væskefase.Apparatus and method for operating and safety control of a heat power machine (1) having a working fluid flow comprising a high pressure flow (44) and a low pressure flow (60), and wherein the heat power machine (1) uses a condensable working fluid which, at least in part of the high pressure flow, (44) is in the liquid phase and wherein a fluid drainage passage (62) which is selectively open or closed is coupled to a portion (74) of the high pressure flow (44) where the working fluid is mainly in the liquid phase.
Description
ANORDNING OG FRAMGANGSMÅTE FOR DRIFTS- OG SIKKERHETSREGULERING VED EN VARMEKRAFTMASKIN DEVICE AND PROCEDURE FOR OPERATION AND SAFETY REGULATION OF A HEAT POWER MACHINE
Denne oppfinnelsen vedrører en anordning og fremgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering av en varmekraftmaskin. Nærmere bestemt dreier det seg om en anordning for drifts- og sikkerhetsregulering av en varmekraftmaskin som har et ar-beidsfluidløp omfattende et høytrykksløp og et lavtrykksløp, og hvor varmekraftmaskinen benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høy-trykksløpet er i væskefase. Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for drifts-og sikkerhetsregulering av en varmekraftmaskin. This invention relates to a device and method for operating and safety regulation of a thermal power machine. More specifically, it concerns a device for operating and safety regulation of a thermal power machine which has a working fluid flow comprising a high-pressure flow and a low-pressure flow, and where the thermal power machine uses a condensable working fluid which is in liquid phase at least in part of the high-pressure flow . The invention also includes a method for operating and safety regulation of a thermal power machine.
Nedenfor beskrives en anordning for drifts- og sikkerhetsregulering ved en varmekraftmaskin. Det beskrives også en framgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering ved en varmekraftmaskin. Below is described a device for operational and safety regulation of a thermal power machine. It also describes a procedure for operational and safety regulation of a thermal power machine.
Varmekraftmaskiner finnes i mange utførelser og er basert på forskjellige grunnleg-gende prinsipper. Varmekraftmaskiner betegnes i mer alminnelighet også som motorer. De er felles betegnet ved at de omdanner varmeenergi til en form for mer høy-verdig energi, for eksempel mekanisk eller elektrisk, som har et bredere utnyttelses-spekter. Det største antall varmekraftmaskiner er basert på intern forbrenning ved høye temperaturer (for eksempel > 600 °C). I den senere tid er det blitt mer og mer aktuelt å benytte varme ved lavere temperaturer til å drive varmekraftmaskiner. Thermal power machines are available in many designs and are based on different basic principles. Thermal power machines are more generally also referred to as engines. They are commonly characterized by the fact that they convert heat energy into a form of more high-value energy, for example mechanical or electrical, which has a wider range of utilization. The largest number of thermal power machines are based on internal combustion at high temperatures (for example > 600 °C). In recent times, it has become more and more relevant to use heat at lower temperatures to drive thermal power machines.
Det finnes en stor mengde varmeenergi tilgjengelig ved nettopp lavere temperaturer, og denne energien går ofte til spille, eller må fjernes aktivt fra ulike systemer, for eksempel fra industriprosesser eller fra kjølesystemet til forbrenningsmotorer. Å utnytte denne energien til for eksempel å produsere elektrisitet kan være svært gunstig, idet den som nevnt ofte forekommer som et rent spillvarmeprodukt, og kan derfor regnes som kostnadsfri. Det finnes også flere andre eksempler på varmeenergikilder som po-tensielt kan utnyttes på samme måte, foreksempel fra gass-, olje- og biomassefor-brenning, termiske solfangere, geotermiske kilder og avfallsforbrenning. Flere av disse varmekildene kan ha relativt lave temperaturer, også under normale forhold. I denne sammenheng har det blitt utviklet flere teknologier basert på bl.a. Stirling- og Ranki ne-sykluser, og som muliggjør utnyttelse av disse til å produsere høyverdig energi, som oftest i form av elektrisitet. There is a large amount of heat energy available precisely at lower temperatures, and this energy is often wasted, or must be actively removed from various systems, for example from industrial processes or from the cooling system of internal combustion engines. Utilizing this energy to, for example, produce electricity can be very beneficial, since, as mentioned, it often occurs as a pure waste heat product, and can therefore be considered cost-free. There are also several other examples of heat energy sources that can potentially be utilized in the same way, for example from gas, oil and biomass combustion, thermal solar collectors, geothermal sources and waste incineration. Several of these heat sources can have relatively low temperatures, even under normal conditions. In this context, several technologies have been developed based on e.g. Stirling and Rankine cycles, and which enable the utilization of these to produce high-quality energy, usually in the form of electricity.
For spesielt lave temperaturer (for eksempel < 350 °C) benyttes det i dag gjerne motorer basert på såkalte ORC-sykluser, hvor betegnelsen ORC står for "Organic Rankine Cycle". Rankine-sykluser er basert på dampmaskinprosesser, hvor vann er arbeidsfluidet, mens ORCer baseres på alternative arbeidsfluider, typisk med lavere kokepunkt enn vann, hvor konsekvensen er en mer effektiv utnyttelse av varmeenergien. Disse teknologiene implementeres som oftest i lukkede kretser hvor arbeidsfluidet forblir i en intern og lukket arbeidsfluidkrets som i hovedsak omfatter to eller flere varmeveks-lere, en fluidpumpe for arbeidsfluid og en ekspansjonsanordning som ofte kan være en turbin eller en stempelmaskin. Andre ekspansjonsanordninger finnes også, som for eksempel ulike skrue-, vinge-, Wankel- og spiralanordninger. I slike lukkede motor-systemer kreves det for varmestrømmen, og dermed energistrømmen, minst en varmerseksjon, typisk i form av en forvarmer, en kjel og en overheter, og en kjølesek-sjon, som oftest bestående av en kondensator, men ytterligere komponenter kan også være til stede. Unntaksvis kan det være tilstrekkelig med en varmerseksjon, som også er og var tilfellet ved de fleste damplokomotiver, idet vannet (arbeidsfluidet) da gjerne evakueres til og dermed avkjøles indirekte i atmosfæren (dampeksos) etter å ha utført arbeid ved å ha ekspandert i arbeidssylinderne. For particularly low temperatures (for example < 350 °C), engines based on so-called ORC cycles are often used today, where the designation ORC stands for "Organic Rankine Cycle". Rankine cycles are based on steam engine processes, where water is the working fluid, while ORCs are based on alternative working fluids, typically with a lower boiling point than water, where the consequence is a more efficient utilization of the heat energy. These technologies are most often implemented in closed circuits where the working fluid remains in an internal and closed working fluid circuit which essentially comprises two or more heat exchangers, a fluid pump for working fluid and an expansion device which can often be a turbine or a piston machine. Other expansion devices also exist, such as various screw, vane, Wankel and spiral devices. In such closed engine systems, the heat flow, and thus the energy flow, requires at least one heating section, typically in the form of a preheater, a boiler and a superheater, and a cooling section, usually consisting of a condenser, but additional components can also be present. Exceptionally, a heater section may be sufficient, which is and was the case with most steam locomotives, as the water (the working fluid) is then often evacuated to and thus cooled indirectly in the atmosphere (steam exhaust) after having done work by expanding in the working cylinders.
I lukkede kretsløp for Rankine-sykluser, herunder også ORCer, har en et arbeidsfluid-løp i form av en serie av fluidpassasjer og hovedkomponenter i henhold til arbeids-fluidkretsen beskrevet over. Fluidløpet består i hovedsak av et høytrykksløp som omfatter alle komponentene fra og med fluidpumpa og til og med en ekspander, og et lavtrykksløp som omfatter alle komponentene fra og med ekspanderen og til fluidpumpa, når arbeidsfluidets normale strømningsretning tas i betraktning. Det vil si at høytrykksløpet i hovedsak går fra fluidpumpa via et utløp i form av en trykkport, eventuelle tilbakeslagsventiler ved pumpas utgang, tilkoblede rør, videre gjennom varmerseksjonen som typisk består av kjelen samt en overheter, og så til ekspanderen gjennom en tilstrømnings-/injeksjonsventil. Likeledes går lavtrykksløpet da typisk fra ekspanderen, gjennom en eksosventil og eksospassasje(r), tilkoblede rør, og videre gjennom kjøleren som i det minste omfatter en kondensator, et arbeidsfluidreservoar, og så tilbake til pumpa gjennom et innløp i form av en sugeport. Grensesnittene som skiller høytrykksløpet fra lavtrykksløpet er da nettopp fluidpumpa og ekspanderen. Det kan også være flere tilkoblede komponenter til hvert av fluidløpene, eller fær-re for den saks skyld. In closed circuits for Rankine cycles, including ORCs, you have a working fluid circuit in the form of a series of fluid passages and main components according to the working fluid circuit described above. The fluid flow essentially consists of a high-pressure flow that includes all the components from and including the fluid pump and even an expander, and a low-pressure flow that includes all the components from and including the expander to the fluid pump, when the normal flow direction of the working fluid is taken into account. This means that the high-pressure flow mainly goes from the fluid pump via an outlet in the form of a pressure port, any non-return valves at the pump's output, connected pipes, further through the heater section which typically consists of the boiler and a superheater, and then to the expander through an inflow/injection valve . Likewise, the low-pressure flow then typically goes from the expander, through an exhaust valve and exhaust passage(s), connected pipes, and further through the cooler which at least includes a condenser, a working fluid reservoir, and then back to the pump through an inlet in the form of a suction port. The interfaces that separate the high-pressure run from the low-pressure run are precisely the fluid pump and the expander. There may also be several connected components to each of the fluid runs, or fewer for that matter.
Spesielt for Rankine-motorer, heriblant også ORC-motorer, kan det ofte innebære en drifts- og sikkerhetsmessig risiko dersom energitransporten gjennom motoren skulle stoppe opp eller møte større motstand på ulike vis. I systemer basert på Rankine-motorer finner en alltid, direkte eller indirekte, en varmekilde og et varmesluk, samt en arbeidsmottaker som gjerne kan være en aksling eller en generator som er tilkob-let via en aksling. Dersom for eksempel ekspansjonsanordningen eller varmesluket under drift blir satt ut av funksjon, og da med den konsekvens at masse- og/eller energitransporten også kan stanse, vil det være en relativt akutt fare for at arbeidsfluidet som befinner seg i varmerseksjonen, vil kunne overhetes og/eller at det bygges opp et uakseptabelt høyt trykk i maskinen. Especially for Rankine engines, including ORC engines, it can often involve an operational and safety risk if the energy transport through the engine were to stop or encounter greater resistance in various ways. In systems based on Rankine engines, you always find, directly or indirectly, a heat source and a heat sink, as well as a work receiver which can easily be a shaft or a generator that is connected via a shaft. If, for example, the expansion device or the heat sink is put out of action during operation, and then with the consequence that mass and/or energy transport can also stop, there will be a relatively acute danger that the working fluid in the heater section will overheat and /or that an unacceptably high pressure builds up in the machine.
Dette er en problemstilling som gjelder for alle varmekraftmaskinsystemer hvor var-mekildetemperaturen kan være på, eller kan overstige, et nivå som igjen kan føre til nevnte feiltilstand i motorsystemet. Ved for høy temperatur vil enkelte arbeidsfluider lett kunne degenereres til en tilstand hvor de blir ubrukelige, eller i verste fall farlige for menneskers sikkerhet eller for driften av systemet, for eksempel ved at det utvik-les giftige eller korroderende nedbrytningsprodukter. På samme måte vil et overtrykk i systemet kunne skape farlige situasjoner som i verste fall kan føre til en eksplosjon. Det er gjennom tidene kjent for eksempel et stort antall alvorlige eksplosjoner ved dampkjeler. Tilsvarende risikomomenter finner en også ved andre varmer- og kjelety-per, som for eksempel for ulike ORC-systemer. This is a problem that applies to all heat and power machine systems where the heat source temperature can be at, or can exceed, a level that can in turn lead to the aforementioned fault condition in the engine system. At too high a temperature, certain working fluids can easily degenerate into a state where they become unusable, or in the worst case dangerous for human safety or for the operation of the system, for example by the development of toxic or corrosive decomposition products. In the same way, an overpressure in the system could create dangerous situations which, in the worst case, could lead to an explosion. Throughout history, for example, a large number of serious explosions at steam boilers have been known. Corresponding risk factors are also found in other heater and boiler types, such as for various ORC systems.
For å øke sikkerheten er det standard designpraksis å plassere en eller flere sikker-hetsventiler i systemet, hvor sikkerhetsventilen(e) er innrettet til å kunne redusere trykket og eventuelt temperaturen til arbeidsfluidet ved feil-/unntakstilstander. Det oppvarmede og fordampede arbeidsfluidet kan da evakueres direkte til kjøleren, eventuelt til arbeidsfluidreservoaret, uten at det behøver å strømme gjennom ekspanderen først, slik at temperaturen og trykket kan minskes når det kjøles ned av de kaldere omgivelsene der. Dersom kjøleren skulle være ute av funksjon, vil et slikt tiltak ikke være tilstrekkelig i lengden. Da må i så fall arbeidsfluidet kunne evakueres til en alternativ destinasjon, f.eks. til atmosfæren eller et annet åpent reservoar. Ved anvendelse av andre fluider enn vann vil dette heller ikke kunne være en tilfredsstillende løsning, idet flere alternative fluider oppviser egenskaper som gjør at de ikke må slippes ut i nærmiljøet, enten på grunn av menneskelig sikkerhet, miljøhensyn eller andre årsa-ker. To increase safety, it is standard design practice to place one or more safety valves in the system, where the safety valve(s) are designed to be able to reduce the pressure and possibly the temperature of the working fluid in case of error/exception conditions. The heated and evaporated working fluid can then be evacuated directly to the cooler, possibly to the working fluid reservoir, without it having to flow through the expander first, so that the temperature and pressure can be reduced when it is cooled by the colder surroundings there. If the cooler were to be out of order, such a measure would not be sufficient in the long run. In that case, the working fluid must be able to be evacuated to an alternative destination, e.g. to the atmosphere or another open reservoir. When using fluids other than water, this will not be a satisfactory solution either, as several alternative fluids exhibit properties which mean that they must not be released into the local environment, either due to human safety, environmental considerations or other reasons.
Fra US 2004/0237525 Al er det kjent en sammenstilling av gassekspansjonselemen-ter for et apparat for omgjøring av termisk energi til motorenergi, hvor sammenstil- lingen omfatter to lukkede trykktanker fylt med en gass eller en gassblanding, og hvor begge tankene har en øvre injeksjonsåpning for varmt og kaldt vann. Sammenstilling-en er forsynt med et kortslutningsrør mellom nevnte tanker, og kortslutningsrøret omfatter minst én styrbar ventil for utligning av trykket etter at gassen eller gassblan-dingen har utført sitt arbeid. From US 2004/0237525 Al, an assembly of gas expansion elements for an apparatus for converting thermal energy into motor energy is known, where the assembly comprises two closed pressure tanks filled with a gas or a gas mixture, and where both tanks have an upper injection opening for hot and cold water. The assembly is provided with a short-circuit pipe between said tanks, and the short-circuit pipe comprises at least one controllable valve for equalizing the pressure after the gas or gas mixture has done its work.
GB 2376507 A beskriver en motor hvor en arbeidsvæske fra en sump først varmes i en varmeveksler og så pumpes og injiseres i motorsylinderen gjennom en forstøver. Den forstøvede væsken overfører varme til arbeidsgassen i sylinderen og sørger for at denne ekspanderer og beveger stempelet. Væsken samles så på toppflaten av stempelet og dreneres til sumpen. Væsken kan så avkjøles i en varmeveksler og deretter pumpes inn i motorsylinderen gjennom en forstøver. Den avkjølte væsken kan dermed trekke ut varme fra arbeidsgassen og forårsake at den trekkes sammen slik at stempelet fortsetter sin bevegelse. GB 2376507 A describes an engine where a working fluid from a sump is first heated in a heat exchanger and then pumped and injected into the engine cylinder through an atomizer. The atomized liquid transfers heat to the working gas in the cylinder and ensures that it expands and moves the piston. The liquid then collects on the top surface of the piston and drains to the sump. The liquid can then be cooled in a heat exchanger and then pumped into the engine cylinder through an atomizer. The cooled liquid can thus extract heat from the working gas and cause it to contract so that the piston continues its movement.
US 2009/0223223 Al beskriver en dampmaskin med flere hovedbeholdere og med parallellkoplede kommunikasjonsrør for respektiv forbindelse mellom en hjelpebehol-der og hovedbeholderne. I et første kommunikasjonsrør er det anordnet strupninger og en første fordeler. For å redusere oppstarttiden er det første kommunikasjonsrøret lukket ved oppstart for å hindre at en for stor mengde arbeidsfluid skal strømme fra hjelpebeholderen og tilbake til hovedbeholderne. US 2009/0223223 Al describes a steam engine with several main containers and with parallel-connected communication pipes for the respective connection between an auxiliary container and the main containers. Throttles and a first distributor are arranged in a first communication pipe. In order to reduce the start-up time, the first communication pipe is closed at start-up to prevent an excessive amount of working fluid from flowing from the auxiliary container back to the main containers.
Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk, eller i det minste å skaffe til veie et nyttig alternativ til kjent teknikk. The purpose of the invention is to remedy or to reduce at least one of the disadvantages of known technology, or at least to provide a useful alternative to known technology.
Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i etterfølgende patentkrav. The purpose is achieved by features that are stated in the description below and in subsequent patent claims.
Et alternativ til å la den oppvarmede og fordampede andelen av arbeidsfluidet returne-res til kjøleren eller et åpent reservoar, er å sørge for at en kan drenere og evakuere arbeidsfluidet i fluidstrømsmessig forkant av kjeleseksjonen, slik at arbeidsfluidet da kan evakueres fra et punkt i høytrykksløpet hvor det enda ikke har gjennomgått for-dampning og i hovedsak derfor befinner seg i væskefase. An alternative to allowing the heated and evaporated portion of the working fluid to be returned to the cooler or an open reservoir is to ensure that the working fluid can be drained and evacuated upstream of the boiler section in terms of fluid flow, so that the working fluid can then be evacuated from a point in the high-pressure run where it has not yet undergone evaporation and is therefore mainly in the liquid phase.
Dette har den store fordel at man da kan fjerne arbeidsfluidet på et punkt hvor det ennå ikke har blitt tilført noe særlig energi, noe som vil være en effektiv metode for å forhindre at energi i form av varme akkumuleres i arbeidsfluidløpet. Det man da vil stå igjen med i høytrykksløpet, er en liten mengde overhetet arbeidsfluid, hvor en andel av dette også vil kunne evakueres, men denne mindre mengden utgjør kun et lite energilager, og problemstillingen med overtrykk eller forhøyet temperatur vil da være løst. I tillegg vil det i ulike systemer kunne tillates at en liten mengde med arbeidsfluid kan varmes opp til den maksimale oppnåelige temperaturen i varmerseksjonen, så lenge mengden er liten nok. Overhetet arbeidsfluid har en vesentlig lavere tetthet enn det samme fluid i væskeform, og dermed vil restmengden kun utgjøre en minimal massefraksjon i forhold til den totale mengden arbeidsfluid i systemet. This has the great advantage that the working fluid can then be removed at a point where no particular energy has yet been added, which will be an effective method of preventing energy in the form of heat from accumulating in the working fluid flow. What you will then be left with in the high-pressure run is a small amount of superheated working fluid, where a proportion of this will also be able to be evacuated, but this smaller amount only constitutes a small energy store, and the problem of overpressure or elevated temperature will then be solved. In addition, in various systems it will be possible to allow a small amount of working fluid to be heated to the maximum achievable temperature in the heater section, as long as the amount is small enough. The superheated working fluid has a significantly lower density than the same fluid in liquid form, and thus the residual amount will only constitute a minimal mass fraction in relation to the total amount of working fluid in the system.
I en normal Rankine-prosess vil arbeidsfluidet oppvarmes suksessivt når det strømmer gjennom varmerseksjonen, dvs. at den andelen arbeidsfluid som har strømmet lengst inn i en varmer, normalt vil ha mottatt mest varme og dermed oppnådd den høyeste temperaturen inntil det punktet hvor koking begynner, og da normalt ved konstant temperatur. Ved å plassere dreneringspunktet i et tidlig nok parti av høytrykksløpet, for eksempel like i forkant av varmeren, eller eventuelt i forkant av en rekuperator, dersom en slik er anbrakt i systemet, vil arbeidsfluidstrømmen kunne reverseres ved et eventuelt behov for evakuering. I tillegg til å forhindre ytterligere varmeoverføring til arbeidsfluidet i kjelen, betyr det også at man først får evakuert den kaldeste andelen av arbeidsfluidet som befinner seg i høytrykksløpet. Dermed vil arbeidsfluidet som evakueres ha minimum energi, noe som gir en stor fordel dersom man skal evakuere det tilbake til arbeidsfluidreservoaret, eventuelt via rekuperatoren eller kjøleren (kondensatoren). Dette vil være med på å begrense det endelige trykket, samt temperaturen, en oppnår i lavtrykksløpet etter at evakueringen er fullført. In a normal Rankine process, the working fluid will be heated successively as it flows through the heater section, i.e. the proportion of the working fluid which has flowed the furthest into a heater will normally have received the most heat and thus achieved the highest temperature up to the point where boiling begins, and then normally at a constant temperature. By placing the drainage point in an early enough part of the high-pressure run, for example just in front of the heater, or possibly in front of a recuperator, if one is installed in the system, the working fluid flow will be able to be reversed if there is a need for evacuation. In addition to preventing further heat transfer to the working fluid in the boiler, it also means that the coldest part of the working fluid that is in the high-pressure passage is first evacuated. Thus, the working fluid that is evacuated will have minimum energy, which gives a great advantage if it is to be evacuated back to the working fluid reservoir, possibly via the recuperator or the cooler (condenser). This will help to limit the final pressure, as well as the temperature, achieved in the low-pressure run after the evacuation is complete.
I en ytterligere sammenheng vil en dreneringssløyfe lik den beskrevet over kunne være et meget nyttig redskap for å kunne stanse driften av motoren på en hurtig og effektiv måte. I mange Rankine-systemer må høytrykksløpet dreneres for arbeidsfluid når driften skal stanses, og dette krever i mange tilfeller at man må fortsette å for-dampe fluidet, samtidig som arbeidsfluidpumpa stanses, for så å evakuere arbeidsfluidet gjennom ekspanderen, eventuelt gjennom et omløp, men hvor arbeidsfluidet fremdeles vil være i fordampet tilstand idet det strømmer ut av høytrykksløpet. Ved å kunne drenere og evakuere arbeidsfluidet på et punkt hvor det fremdeles er i væskeform, vil en oppnå den fordel at man kan evakuere det vesentlig raskere, idet tetthe-ten er høyere, samt at energimengden er lav, og systemet kan dermed stanses relativt hurtig. In a further context, a drainage loop similar to the one described above could be a very useful tool to be able to stop the operation of the engine in a quick and efficient way. In many Rankine systems, the high-pressure run must be drained of working fluid when operation is to be stopped, and this in many cases requires that one must continue to evaporate the fluid, at the same time as the working fluid pump is stopped, in order to evacuate the working fluid through the expander, possibly through a bypass, but where the working fluid will still be in a vaporized state as it flows out of the high-pressure run. By being able to drain and evacuate the working fluid at a point where it is still in liquid form, you will achieve the advantage that you can evacuate it significantly faster, as the density is higher, and that the amount of energy is low, and the system can thus be stopped relatively quickly .
Ifølge et første aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en varmekraftmaskin som har et arbeidsfluidløp omfattende et høytrykksløp og et lavtrykksløp, og hvor varmekraftmaskinen benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høytrykksløpet er i væskefase, og hvor varmekraftmaskinen kjennetegnes ved at et fluiddreneringsløp som valgbart er åpent eller lukket, er koplet til et parti av høytrykk-sløpet hvor arbeidsfluidet befinner seg hovedsakelig i en væskefase. According to a first aspect of the invention, a heat engine has been provided which has a working fluid flow comprising a high-pressure flow and a low-pressure flow, and where the heat engine uses a condensable working fluid which is in the liquid phase at least in part of the high-pressure flow, and where the heat engine is characterized by a fluid drainage flow which is optionally open or closed, is connected to a part of the high-pressure drain where the working fluid is mainly in a liquid phase.
Ved en slik utforming av varmekraftmaskinen overkommes i det minste en del av de uheldige forhold som er beskrevet under kjent teknikk. Utformingen tilrettelegger for ytterligere forbedringer slik det beskrives nedenfor. With such a design of the heat power engine, at least part of the unfortunate conditions described under known technology are overcome. The design facilitates further improvements as described below.
Fluiddreneringsløpet kan være koplet til høytrykksløpet i et påkoplingspunkt som befinner seg nedstrøms en fluidpumpe. The fluid drainage pipe can be connected to the high-pressure pipe in a connection point located downstream of a fluid pump.
Fluiddreneringsløpet kan i sitt nedstrømsparti være forbundet med lavtrykksløpet. In its downstream part, the fluid drainage run can be connected to the low-pressure run.
Ved å tilbakeføre arbeidsfluidet fra høytrykksløpet og til lavtrykksløpet unngås utslipp av arbeidsfluid til omgivelsene, noe som kan være både miljømessig og økonomisk fordelaktig. By returning the working fluid from the high-pressure run to the low-pressure run, discharge of working fluid to the environment is avoided, which can be both environmentally and economically beneficial.
Fluiddreneringsløpet kan være forsynt med en dreneringsventil, fortrinnsvis i form av en styrbar ventil. I noen tilfeller kan imidlertid dreneringsventilen være en overtrykks-ventil som er innrettet til å kunne åpne ved et forutbestemt arbeidsfluidtrykk. The fluid drainage passage can be provided with a drainage valve, preferably in the form of a controllable valve. In some cases, however, the drain valve can be an overpressure valve which is designed to be able to open at a predetermined working fluid pressure.
Dreneringsventilen kan i aktivert tilstand, når den tilføres signal, være lukket for fluid-strømning og i uaktivert tilstand, når den ikke mottar signal, være åpen for fluid-strømning. The drain valve can in an activated state, when it is supplied with a signal, be closed for fluid flow and in an unactivated state, when it does not receive a signal, be open for fluid flow.
En slik "normalt åpen" fluidventil bidrar til økt sikkerhet ved at den, dersom signalet skulle falle bort, drenerer høytrykksløpet slik at ekspanderen stanser. Such a "normally open" fluid valve contributes to increased safety in that, should the signal fail, it drains the high-pressure pipe so that the expander stops.
Ifølge et andre aspekt ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en framgangsmåte for drifts- og sikkerhetsregulering ved en varmekraftmaskin som har et arbeidsfluidløp omfattende et høytrykksløp og et lavtrykksløp, og hvor varmekraftmaskinen benytter et kondenserbart arbeidsfluid som i det minste i en del av høytrykksløpet er i væskefase, og hvor framgangsmåten omfatter følgende trinn: å forsyne varmekraftmaskinen med et fluiddreneringsløp som valgbart er åpent eller lukket, og som er koplet til et parti av høytrykksløpet hvor arbeidsfluidet befinner seg hovedsakelig i en væskefase; According to a second aspect of the invention, a method for operating and safety regulation is provided for a thermal power machine which has a working fluid flow comprising a high-pressure flow and a low-pressure flow, and where the thermal power machine uses a condensable working fluid which is in liquid phase at least in part of the high-pressure flow, and where the method comprises the following steps: supplying the heat power machine with a fluid drainage run which is optionally open or closed, and which is connected to a part of the high pressure run where the working fluid is mainly in a liquid phase;
å detektere en driftstilstand i varmekraftmaskinen som kan føre til at arbeidsfluid som befinner seg i høytrykksløpet til varmekraftmaskinen, kan nå et uønsket høyt trykk og/eller en uønsket høy temperatur, eller, å detektere at arbeidsfluid som befinner seg i høytrykksløpet, har nådd et uønsket høyt trykk og/eller en uønsket høy temperatur; to detect an operating condition in the heat engine that can lead to the working fluid in the high-pressure run of the heat engine reaching an undesired high pressure and/or an undesired high temperature, or to detect that the working fluid in the high-pressure run has reached an undesired high pressure and/or an undesired high temperature;
å åpne fluiddreneringsløpet; og to open the fluid drainage passage; and
å la en mengde arbeidsfluid dreneres og dermed evakueres fra høytrykksløpet via fluiddreneringsløpet. allowing a quantity of working fluid to be drained and thus evacuated from the high-pressure passage via the fluid drainage passage.
Framgangsmåten kan mer spesifikt omfatte å forsyne fluiddreneringsløpet med en dreneringsventil og å styre dreneringsventilen til åpen stilling når det er behov for å drenere fluid fra høytrykksløpet. The method can more specifically include supplying the fluid drainage passage with a drainage valve and controlling the drainage valve to the open position when there is a need to drain fluid from the high-pressure passage.
Framgangsmåten kan mer spesifikt omfatte: The procedure may more specifically include:
å la en mengde arbeidsfluid dreneres fra høytrykksløpet, hvor strømningsret-ningen til den andelen av arbeidsfluidet som er under evakuering og som fremdeles befinner seg i høytrykksløpet, hovedsakelig er reversert i forhold til strømnings-retningen under normal drift. allowing a quantity of working fluid to be drained from the high-pressure passage, where the flow direction of the portion of the working fluid which is being evacuated and which is still in the high-pressure passage is mainly reversed in relation to the direction of flow during normal operation.
Framgangsmåten kan videre omfatte å kople fluiddreneringsløpet til lavtrykksløpet og å la arbeidsfluid dreneres fra høytrykksløpet og til lavtrykksløpet. The method can further include connecting the fluid drainage run to the low-pressure run and allowing working fluid to drain from the high-pressure run and to the low-pressure run.
Framgangsmåten kan mer spesifikt omfatte: The procedure may more specifically include:
å la arbeidsfluid dreneres inn i lavtrykksløpet i et påkoplingspunkt som er anbrakt i ett av følgende posisjoner i lavtrykksløpet: oppstrøms en rekuperator; allowing working fluid to drain into the low-pressure run at a connection point located in one of the following positions in the low-pressure run: upstream of a recuperator;
oppstrøms en kondensator; upstream a capacitor;
oppstrøms et arbeidsfluidreservoar; eller upstream a working fluid reservoir; or
på arbeidsfluidreservoaret og med fluidstrømsmessig forbindelse inn til dette. on the working fluid reservoir and with a fluid flow connection to this.
Det presiseres at rekuperatoren ikke utgjør en nødvendig komponent, men anvendes ofte for å øke virkningsgraden i en varmekraftmaskin. It is specified that the recuperator is not a necessary component, but is often used to increase the efficiency of a thermal power machine.
Framgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen gir markant økt sikkerhet ved en eventuell feiltilstand, og er innrettet til å kunne forhindre uheldige eller farlige situasjoner generelt. I tillegg er den et effektivt middel for å kunne stanse varmekraftmaskinen på en hurtig, men kontrollert måte. The method and device according to the invention provide markedly increased safety in the event of a possible fault condition, and are designed to be able to prevent unfortunate or dangerous situations in general. In addition, it is an effective means of being able to stop the heat generator in a quick but controlled manner.
I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform og fremgangsmåte som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser et blokkskjema av et varmekraftmaskinsystem omfattende en varmekraftmaskin, en varmekilde, et varmesluk, en energiomsetter og en ekstern kontrollenhet, hvor grensesnitt mellom komponentene er vist; Fig. 2 viser et blokkskjema av et varmekraftmaskinsystem som vist i fig. 1, hvor In what follows, an example of a preferred embodiment and method is described which is visualized in the accompanying drawings, where: Fig. 1 shows a block diagram of a heat power machine system comprising a heat power machine, a heat source, a heat sink, an energy converter and an external control unit, where the interface between the components are shown; Fig. 2 shows a block diagram of a heat power engine system as shown in fig. 1, where
energi-, elektrisitets- og signalstrømmene er vist; the energy, electricity and signal flows are shown;
Fig. 3 viser skjematisk en varmekraftmaskin i henhold til oppfinnelsen med Fig. 3 schematically shows a heat power machine according to the invention with
tilhørende hovedkomponenter; og associated main components; and
Fig. 4 viser skjematisk varmekraftmaskinen i flg. 3, men hvor ekspanderen er Fig. 4 schematically shows the thermal power machine in Fig. 3, but where the expander is
spesifisert til å være en stempelmaskin. specified to be a piston machine.
Pa tegningene angir henvisningstallet 1 en varmekraftmaskin som via et varmekilde-grensesnitt 2 er koplet til en varmekilde 4, via et varmeslukgrensesnitt 6 er koplet til et varmesluk 8, via et kraft-/elektrisitetsgrensesnitt 10 er koplet til en elektrisitets-kraftomsetter 12 og via et signalgrensesnitt 14 er koplet til en ekstern kontrollenhet 16. In the drawings, the reference number 1 denotes a heat power machine which is connected via a heat source interface 2 to a heat source 4, via a heat sink interface 6 is connected to a heat sink 8, via a power/electricity interface 10 is connected to an electricity-power converter 12 and via a signal interface 14 is connected to an external control unit 16.
En del av komponentene i fig. 3 og 4 er påført symbolet " Z". Dette betegner at det dreier seg om en eller annen form for varmeveksler. Some of the components in fig. 3 and 4 are marked with the symbol "Z". This means that it is about some form of heat exchanger.
I fig. 2 er varme som strømmer fra varmekilden 4 til varmekraftmaskinen 1 betegnet Qh. Restvarme som fjernes fra varmekraftmaskinen 1 og overføres til varmesluket 8, er betegnet Qc. Elektrisk kraft som overføres fra varmekraftmaskinen 1 og til elektrisi-tetskraftsomsetteren 12, er betegnet Pel. Måle- og styresignaler som utveksles mellom varmekraftmaskinen 1 og den eksterne kontrollenhet 16, er betegnet Sc. In fig. 2 is heat that flows from the heat source 4 to the heat engine 1 denoted Qh. Residual heat that is removed from the heat generator 1 and transferred to the heat sink 8 is denoted Qc. Electric power that is transferred from the heat engine 1 and to the electrical power converter 12 is denoted Pel. Measuring and control signals that are exchanged between the thermal power machine 1 and the external control unit 16 are denoted Sc.
Varmekraftmaskinen 1 inngår fortrinnsvis i et ORC-system, og omfatter en fluidpumpe 20 med et innløp 22 og et utløp 24. Fra utløpet 24 forløper en trykkpumpeledning 26 via en rekuperator 28 og videre til en varmer 30. Rekuperatoren 28 kan utgjøres av en i og for seg kjent, i hovedsak standard varmeveksler med to ikke viste, sedvanlige, motstående varmevekslersider som utgjøres av adskilte og varmekommuniserende interne fluidløp. Varmeren 30 omfatter typisk en fordamper 32 og en overheter 34. Varmeren 30 tilføres varme Qhfra varmekilden 4 via varmegrensesnittet 2. The heat engine 1 is preferably part of an ORC system, and comprises a fluid pump 20 with an inlet 22 and an outlet 24. From the outlet 24, a pressure pump line 26 runs via a recuperator 28 and on to a heater 30. The recuperator 28 can be made up of an i and known, essentially standard heat exchanger with two not shown, usual, opposite heat exchanger sides which are made up of separate and heat-communicating internal fluid runs. The heater 30 typically comprises an evaporator 32 and a superheater 34. The heater 30 is supplied with heat Qh from the heat source 4 via the heat interface 2.
En dampledning 36 er koplet mellom overheteren 34 og en ekspanders 38 innløp 40. Ekspanderen 38 kan utgjøres for eksempel av en turbin, en stempelmaskin eller lig-nende. Et utløp 42 fra ekspanderen 38 utgjør et eksosutløp. Komponentene mellom fluidpumpa 20 og ekspanderen 38 omfattende trykkpumpeledningen 26, rekuperatorens 28 høytrykkside, varmeren 30 og dampledningen 36 utgjør varmekraftmaskinens 1 høytrykksløp 44. A steam line 36 is connected between the superheater 34 and the inlet 40 of an expander 38. The expander 38 can be constituted, for example, by a turbine, a piston machine or the like. An outlet 42 from the expander 38 forms an exhaust outlet. The components between the fluid pump 20 and the expander 38, comprising the pressure pump line 26, the high-pressure side of the recuperator 28, the heater 30 and the steam line 36 make up the high-pressure run 44 of the heat engine 1.
I dette utførelseseksempelet driver ekspanderen 38 via en aksling 46 en generator 48. In this embodiment, the expander 38 drives a generator 48 via a shaft 46.
Elektrisk kraft Pel overføres via kraft/elektrisitetsgrensesnittet 10 til elektriskkraftom-setteren 12. En motorkontrollenhet 50 styrer blant annet ekspanderen 38 og generatoren 48. Nødvendige, i og for seg kjente givere og kontrolledninger er ikke vist. Electric power Pel is transferred via the power/electricity interface 10 to the electric power converter 12. A motor control unit 50 controls, among other things, the expander 38 and the generator 48. Necessary, per se known sensors and control lines are not shown.
En utløpsledning 52 forløper fra ekspanderens 38 utløp 42, via rekuperatoren 28, en kondensator 54 og til et arbeidsfluidreservoar 56. Kondensatoren 54 leverer restvarme Qctil varmesluket 8 via varmeslukgrensesnittet 6. An outlet line 52 leads from the outlet 42 of the expander 38, via the recuperator 28, a condenser 54 and to a working fluid reservoir 56. The condenser 54 supplies residual heat Qctil to the heat sink 8 via the heat sink interface 6.
En sugeledning 58 forbinder arbeidsfluidreservoaret 56 med fluidpumpas 20 innløp 22. Komponentene mellom ekspanderen 38 og fluidpumpa 20 omfattende utløpsledningen 52, rekuperatorens 28 lavtrykkside, kondensatoren 54, arbeidsfluidreservoaret 56 og sugeledningen 58 utgjør varmekraftmaskinens 1 lavtrykksløp 60. A suction line 58 connects the working fluid reservoir 56 with the inlet 22 of the fluid pump 20. The components between the expander 38 and the fluid pump 20 comprising the outlet line 52, the low pressure side of the recuperator 28, the condenser 54, the working fluid reservoir 56 and the suction line 58 make up the low pressure run 60 of the heat power machine 1.
Et fluiddreneringsløp 62 som her er koplet til trykkpumpeledningen 26 mellom rekuperatoren 28 og varmeren 30, er via en dreneringsventil 64 koplet til utløpsledningen 52 mellom ekspanderen 38 og rekuperatoren 28. Fluiddreneringsløpet 62 er innrettet til ved behov å kunne kortslutte høytrykksløpet 44 med lavtrykksløpet 60. Dreneringsventilen 64 er av en aktivt regulerbar art, slik som en elektromagnetisk, mekanisk, pneumatisk eller hydraulisk aktivert av/på-ventil. Den kan alternativt for eksempel være en proporsjonalventil eller en servoventil. A fluid drainage pipe 62, which is here connected to the pressure pump line 26 between the recuperator 28 and the heater 30, is via a drainage valve 64 connected to the outlet line 52 between the expander 38 and the recuperator 28. The fluid drainage pipe 62 is designed to be able to short-circuit the high-pressure pipe 44 with the low-pressure pipe 60 if necessary. 64 is of an actively adjustable nature, such as an electromagnetic, mechanical, pneumatic or hydraulically activated on/off valve. It can alternatively be, for example, a proportional valve or a servo valve.
Under normal drift suges arbeidsfluid ved hjelp av fluidpumpa 20 fra arbeidsfluidreservoaret 56 og pumpes deretter inn i høytrykksløpet 44 under relativt høyt trykk. During normal operation, working fluid is sucked by means of the fluid pump 20 from the working fluid reservoir 56 and is then pumped into the high-pressure pipe 44 under relatively high pressure.
Arbeidsfluidet pumpes først gjennom rekuperatoren 28 hvor det forvarmes ved at det mottar restvarme fra eksosen som strømmer ut av ekspanderens 38 utløp 42 og som via utløpsledningen 52 ledes inn i rekuperatorens 28 lavtrykksside. The working fluid is first pumped through the recuperator 28 where it is preheated by receiving residual heat from the exhaust which flows out of the expander 38 outlet 42 and which is led via the outlet line 52 into the low pressure side of the recuperator 28.
Etter først å ha passert gjennom rekuperatoren 28 strømmer arbeidsfluidet inn i varmeren 30, og i første trinn inn i fordamperen 32 hvor det varmes opp mot kokepunktet og dermed fordampes. Videre passerer arbeidsfluidet inn i overheteren 34 hvor temperaturen økes til over kokepunktet. Deretter ledes arbeidsfluidet inn i ekspanderen 38 hvor en del av den tilførte varmeenergien omdannes til mekanisk energi ved at arbeidsfluidet ekspanderes nær adiabatisk, isotermt, isobarisk eller polytropisk. After first passing through the recuperator 28, the working fluid flows into the heater 30, and in the first stage into the evaporator 32, where it is heated towards the boiling point and thus evaporated. Furthermore, the working fluid passes into the superheater 34 where the temperature is increased to above the boiling point. The working fluid is then led into the expander 38 where part of the supplied heat energy is converted into mechanical energy by the working fluid being expanded near adiabatically, isothermally, isobaricly or polytropically.
Den mekaniske energien omdannes igjen til elektrisk energi ved hjelp av generatoren 48. Den elektriske energien fra generatoren 48 overføres som elektrisk effekt Pel fra generatoren 48 via kraft/elektrisitetsgrensesnittet 10 og til elektrisitetskraftomsette-ren 12. The mechanical energy is again converted into electrical energy by means of the generator 48. The electrical energy from the generator 48 is transferred as electrical power Pel from the generator 48 via the power/electricity interface 10 and to the electricity power converter 12.
Etter endt ekspansjon i ekspanderen 38 ledes det ekspanderte arbeidsfluidet, som nå kan defineres som eksos, via utløpsledningen 52 til rekuperatorens 28 lavtrykksside hvor en del av restvarmen føres tilbake til arbeidsfluidet i høytrykksløpet 44 og gjen-vinnes. After completion of expansion in the expander 38, the expanded working fluid, which can now be defined as exhaust, is led via the outlet line 52 to the low-pressure side of the recuperator 28, where part of the residual heat is fed back to the working fluid in the high-pressure run 44 and recovered.
Arbeidsfluidet ledes så inn i kondensatoren 54 hvor den siste andelen restvarme Qc som skal fjernes, strømmer via varmeslukgrensesnittet 6 og til varmesluket 8. Arbeidsfluidet kondenseres derved til væskefase før det ledes inn i arbeidsfluidreservoaret 56. The working fluid is then led into the condenser 54 where the last portion of residual heat Qc to be removed flows via the heat drain interface 6 and to the heat drain 8. The working fluid is thereby condensed to a liquid phase before it is led into the working fluid reservoir 56.
Ved fare for overtrykk og/eller overheting av arbeidsfluidet som måtte befinne seg i høytrykksløpet 44 under drift, eller ved en tilstand hvor det ellers er ønskelig å stoppe varmekraftmaskinen 1 på hurtigst mulig vis, kan motorkontrollenheten 50 ved hjelp av kjente reguleringsprinsipper styre dreneringsventilen 64 til åpen tilstand ved at et styresignal blir kommunisert via en styresignalleder 66 som er koplet til en drene-ringsventilaktuator 68, og som igjen sørger for at dreneringsventilen 64 inntar åpen stilling. Det oppstår derved en fluidstrømsmessig kortslutning mellom høytrykksløpet 44 og lavtrykksløpet 60. In case of danger of overpressure and/or overheating of the working fluid that may be in the high-pressure pipe 44 during operation, or in a condition where it is otherwise desirable to stop the heat engine 1 as quickly as possible, the engine control unit 50 can, using known control principles, control the drain valve 64 to open state in that a control signal is communicated via a control signal conductor 66 which is connected to a drainage valve actuator 68, and which in turn ensures that the drainage valve 64 assumes an open position. A fluid flow-related short circuit is thereby created between the high-pressure passage 44 and the low-pressure passage 60.
For å kunne identifisere tilstander hvor det vil være ønskelig å stoppe varmekraftmaskinen 1 hurtig, er varmekraftmaskinen 1 forsynt med ulike kjente ikke viste sensorer, slik at nettopp disse tilstandene kan registreres og identifiseres av motorkontrollenheten 50, som igjen kan kommunisere nødvendige styresignaler, og da spesielt styresig-nalet som sørger for åpning av dreneringsventilen 64. In order to be able to identify conditions where it would be desirable to stop the heat engine 1 quickly, the heat engine 1 is equipped with various known sensors not shown, so that precisely these conditions can be registered and identified by the engine control unit 50, which in turn can communicate the necessary control signals, and then especially the control signal which ensures the opening of the drainage valve 64.
Når kortslutning så finner sted, vil arbeidsfluid dreneres ut av høytrykksløpet 44 i en posisjon hvor det normalt befinner seg hovedsakelig i væskefase, helt inntil hele væs-kefraksjonen er nær fullstendig evakuert. Dermed vil den største andelen av arbeidsfluidets masse innledningsvis dreneres i væskefase, og påfølgende evakuering vil da i hovedsak bestå av arbeidsfluid i gassform, enten som mettet eller overhetet gass, hvilket kun representerer en mindre massefraksjon i forhold til den totale masse av arbeidsfluid. When a short circuit then takes place, working fluid will be drained out of the high-pressure pipe 44 in a position where it is normally mainly in the liquid phase, until the entire liquid fraction is almost completely evacuated. Thus, the largest proportion of the mass of the working fluid will initially be drained in liquid phase, and subsequent evacuation will then mainly consist of working fluid in gaseous form, either as saturated or superheated gas, which only represents a smaller mass fraction in relation to the total mass of working fluid.
Dette vil resultere i at man får drenert og dermed evakuert arbeidsfluidet fra høy-trykkskløpet 44 i en tilstand som innebærer at en lavest mulig energimengde må fjernes fra høytrykksløpet 44. This will result in the working fluid being drained and thus evacuated from the high-pressure passage 44 in a state which means that the lowest possible amount of energy must be removed from the high-pressure passage 44.
I fig. 3 er fluiddreneringsløpet 62 vist tilkoplet høytrykksløpet 44 mellom rekuperatoren 28 og varmeren 30. Avhengig av driftsforholdene kan det være gunstig å kople fluiddreneringsløpet 62 til høytrykksløpet nærmere fluidpumpa 20, for eksempel ved et påkoplingspunkt 70 som befinner seg nedstrøms fluidpumpa 20. Likeledes kan det være ønskelig å kople fluiddreneringsledningen 62 til lavtrykksløpet i en posisjon nærmere fluidpumpa 20, for eksempel i et av påkoplingspunktene 72 som befinner seg oppstrøms fluidpumpa 20. In fig. 3, the fluid drainage pipe 62 is shown connected to the high-pressure pipe 44 between the recuperator 28 and the heater 30. Depending on the operating conditions, it may be advantageous to connect the fluid drainage pipe 62 to the high-pressure pipe closer to the fluid pump 20, for example at a connection point 70 which is located downstream of the fluid pump 20. Likewise, it may be desirable to connect the fluid drainage line 62 to the low pressure pipe in a position closer to the fluid pump 20, for example in one of the connection points 72 which are located upstream of the fluid pump 20.
Så lenge det anvendes kondenserbart arbeidsfluid, kan det forutsettes at fluidet i høy-trykksløpet 44 befinner seg hovedsakelig i væskefase mellom fluidpumpa 20 og varmeren 30. Denne del av høytrykksløpet 44 utgjør således et parti 74 hvor arbeidsfluidet i hovedsak befinner seg i væskefase. As long as a condensable working fluid is used, it can be assumed that the fluid in the high-pressure flow 44 is mainly in the liquid phase between the fluid pump 20 and the heater 30. This part of the high-pressure flow 44 thus constitutes a part 74 where the working fluid is mainly in the liquid phase.
I en alternativ utførelsesform, se fig. 4, utgjøres ekspanderen 38 av en stempelmotor. I denne utførelsesform er ekspanderen 38 utformet med minst én styrt innløpsventil 76 og minst én styrt utløpsventil 78 som til sammen regulerer fluidstrømmen gjennom ekspanderen 38, ved at ventilene 76, 78 styrer fluidstrømmen gjennom det minst ene innløpet 36 og det minst ene utløpet 42. In an alternative embodiment, see fig. 4, the expander 38 is constituted by a piston engine. In this embodiment, the expander 38 is designed with at least one controlled inlet valve 76 and at least one controlled outlet valve 78 which together regulate the fluid flow through the expander 38, in that the valves 76, 78 control the fluid flow through the at least one inlet 36 and the at least one outlet 42.
Under normal drift sørger de styrte ventilene 76, 78 for at nevnte ventiler aldri er åp-ne samtidig. Derved vil det ikke oppstå direkte fluidkortsluttning over ekspanderen 38 dersom ekspanderen 38 skulle stanse, hvorved direkte kortslutning mellom høytrykk-løpet 44 og lavtrykksløpet 60 forhindres fra å finne sted gjennom ekspanderen 38. I mange tilfeller er innløpsventilen 76 og utløpsventilen 78 kontrollert av respektive ventilaktuatorer 80, og disse vil normalt være synkronisert slik at denne formen for kortslutning forhindres. During normal operation, the controlled valves 76, 78 ensure that said valves are never open at the same time. Thereby, a direct fluid short-circuit will not occur over the expander 38 if the expander 38 were to stop, whereby a direct short-circuit between the high-pressure pipe 44 and the low-pressure pipe 60 is prevented from taking place through the expander 38. In many cases, the inlet valve 76 and the outlet valve 78 are controlled by respective valve actuators 80 , and these will normally be synchronized so that this form of short circuit is prevented.
Claims (10)
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20130277A NO335230B1 (en) | 2013-02-19 | 2013-02-19 | Device and method of operation and safety control of a heat power machine |
| JP2015557969A JP6239008B2 (en) | 2013-02-19 | 2014-02-17 | Apparatus and method for operation control and safety control of a heat engine |
| EP14754834.1A EP2959144B1 (en) | 2013-02-19 | 2014-02-17 | Device and method for operational and safety control of a heat engine |
| PCT/NO2014/050023 WO2014129909A1 (en) | 2013-02-19 | 2014-02-17 | Device and method for operational and safety control of a heat engine |
| CN201480009535.3A CN105074186A (en) | 2013-02-19 | 2014-02-17 | Device and method for operational and safety control of a heat engine |
| US14/767,415 US20160017757A1 (en) | 2013-02-19 | 2014-02-17 | Device and Method for Operational and Safety Control of a Heat Engine |
| ES14754834T ES2947816T3 (en) | 2013-02-19 | 2014-02-17 | Device and method for operational and safety control of a heat engine |
| KR1020157024054A KR20150117688A (en) | 2013-02-19 | 2014-02-17 | Device and method for operational and safety control of a heat engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NO20130277A NO335230B1 (en) | 2013-02-19 | 2013-02-19 | Device and method of operation and safety control of a heat power machine |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO20130277A1 NO20130277A1 (en) | 2014-08-20 |
| NO335230B1 true NO335230B1 (en) | 2014-10-27 |
Family
ID=51391587
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO20130277A NO335230B1 (en) | 2013-02-19 | 2013-02-19 | Device and method of operation and safety control of a heat power machine |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20160017757A1 (en) |
| EP (1) | EP2959144B1 (en) |
| JP (1) | JP6239008B2 (en) |
| KR (1) | KR20150117688A (en) |
| CN (1) | CN105074186A (en) |
| ES (1) | ES2947816T3 (en) |
| NO (1) | NO335230B1 (en) |
| WO (1) | WO2014129909A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2376507A (en) * | 2001-05-03 | 2002-12-18 | S & C Thermofluids Ltd | An engine where the working gases in the cylinder are heated by injection of hot liquid |
| US20040237525A1 (en) * | 2001-07-07 | 2004-12-02 | Gerhard Stock | Assembly of gas expansion elements and method of operating said assembly |
| US20090223223A1 (en) * | 2008-03-06 | 2009-09-10 | Denso Corporation | External combustion engine |
Family Cites Families (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3384550A (en) * | 1966-12-29 | 1968-05-21 | Combustion Eng | Nuclear steamplant method and apparatus |
| US3950949A (en) * | 1974-03-26 | 1976-04-20 | Energy Technology Incorporated | Method of converting low-grade heat energy to useful mechanical power |
| JPS5925077A (en) * | 1982-07-31 | 1984-02-08 | Aisin Seiki Co Ltd | Starting device for sterling engine |
| US5361585A (en) * | 1993-06-25 | 1994-11-08 | General Electric Company | Steam turbine split forward flow |
| DE4446605A1 (en) * | 1994-12-24 | 1996-06-27 | Abb Patent Gmbh | Valve for steam turbine |
| US6981377B2 (en) * | 2002-02-25 | 2006-01-03 | Outfitter Energy Inc | System and method for generation of electricity and power from waste heat and solar sources |
| JP2007009897A (en) * | 2005-06-03 | 2007-01-18 | Denso Corp | Heat cycle device, and high pressure protective device |
| JP2008231981A (en) * | 2007-03-19 | 2008-10-02 | Sanden Corp | Waste heat recovery apparatus for internal combustion engine |
| CN101059085A (en) * | 2007-05-24 | 2007-10-24 | 济南钢铁股份有限公司 | Converter flue residue heat saturated steam generation method and its system and apparatus |
| DE102008045450B4 (en) * | 2008-02-01 | 2010-08-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Method for operating a thermodynamic cycle and thermodynamic cycle |
| DE102008034977A1 (en) * | 2008-07-25 | 2010-03-25 | Voith Patent Gmbh | Steam cycle process device and method for controlling the same |
| US8713939B2 (en) | 2008-12-18 | 2014-05-06 | Mitsubishi Electric Corporation | Exhaust heat recovery system |
| JP5163620B2 (en) * | 2009-10-15 | 2013-03-13 | 株式会社豊田自動織機 | Waste heat regeneration system |
| US8683801B2 (en) * | 2010-08-13 | 2014-04-01 | Cummins Intellectual Properties, Inc. | Rankine cycle condenser pressure control using an energy conversion device bypass valve |
| JP5552986B2 (en) * | 2010-09-24 | 2014-07-16 | 株式会社豊田自動織機 | Rankine cycle equipment |
| SE535453C2 (en) * | 2010-12-01 | 2012-08-14 | Scania Cv Ab | Arrangement and method for converting thermal energy into mechanical energy |
| DE102011075557A1 (en) * | 2011-05-10 | 2012-11-15 | Robert Bosch Gmbh | Circuit and method for operating a circuit for waste heat utilization of an internal combustion engine |
| JP5597597B2 (en) * | 2011-06-09 | 2014-10-01 | 株式会社神戸製鋼所 | Power generator |
| US9745899B2 (en) * | 2011-08-05 | 2017-08-29 | National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc | Enhancing power cycle efficiency for a supercritical Brayton cycle power system using tunable supercritical gas mixtures |
-
2013
- 2013-02-19 NO NO20130277A patent/NO335230B1/en unknown
-
2014
- 2014-02-17 US US14/767,415 patent/US20160017757A1/en not_active Abandoned
- 2014-02-17 WO PCT/NO2014/050023 patent/WO2014129909A1/en active Application Filing
- 2014-02-17 ES ES14754834T patent/ES2947816T3/en active Active
- 2014-02-17 KR KR1020157024054A patent/KR20150117688A/en not_active Application Discontinuation
- 2014-02-17 JP JP2015557969A patent/JP6239008B2/en active Active
- 2014-02-17 EP EP14754834.1A patent/EP2959144B1/en active Active
- 2014-02-17 CN CN201480009535.3A patent/CN105074186A/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2376507A (en) * | 2001-05-03 | 2002-12-18 | S & C Thermofluids Ltd | An engine where the working gases in the cylinder are heated by injection of hot liquid |
| US20040237525A1 (en) * | 2001-07-07 | 2004-12-02 | Gerhard Stock | Assembly of gas expansion elements and method of operating said assembly |
| US20090223223A1 (en) * | 2008-03-06 | 2009-09-10 | Denso Corporation | External combustion engine |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20150117688A (en) | 2015-10-20 |
| JP6239008B2 (en) | 2017-11-29 |
| EP2959144A4 (en) | 2016-12-07 |
| WO2014129909A1 (en) | 2014-08-28 |
| CN105074186A (en) | 2015-11-18 |
| EP2959144B1 (en) | 2023-03-29 |
| NO20130277A1 (en) | 2014-08-20 |
| ES2947816T3 (en) | 2023-08-21 |
| JP2016508567A (en) | 2016-03-22 |
| EP2959144A1 (en) | 2015-12-30 |
| US20160017757A1 (en) | 2016-01-21 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3347575B1 (en) | Orc for transforming waste heat from a heat source into mechanical energy and cooling system making use of such an orc | |
| US9759097B2 (en) | Closed-cycle plant | |
| US20140224469A1 (en) | Controlling heat source fluid for thermal cycles | |
| CA2918729A1 (en) | Multiple organic rankine cycle system and method | |
| JP6195299B2 (en) | Waste heat recovery system, ship and waste heat recovery method | |
| CN105386803B (en) | Low-grade waste heat power generation system capable of achieving gas-liquid hybrid recycling and control method | |
| JP2014505192A (en) | System and method for cooling an inflator | |
| JP2012184735A (en) | Composite cycle plant | |
| EP3112622B1 (en) | Binary power generation system and binary power generation method | |
| KR20190039152A (en) | Closed circuits that function in accordance with Rankine cycles with devices for emergency stop of closed circuits and methods of using such circuits | |
| NO335230B1 (en) | Device and method of operation and safety control of a heat power machine | |
| US9540961B2 (en) | Heat sources for thermal cycles | |
| KR101587253B1 (en) | Domestic combined heat and power system where components are replaceable without loss of working fluid | |
| CN102606238A (en) | Two-stage power system for recovering waste heat by screw expander | |
| KR101596486B1 (en) | Domestic combined heat and power system having pump protection function | |
| KR101596485B1 (en) | Domestic combined heat and power system with oil separator | |
| JP2019023432A (en) | Rankine cycle device | |
| GB2508193A (en) | Heat pump arrangement with an expander for extracting work from heat energy input | |
| RU2560613C1 (en) | Heat power plant operation mode | |
| RU2560624C1 (en) | Heat power plant heat utilisation method | |
| RU2560622C1 (en) | Method of utilisation of low-grade heat of oil supply system of steam turbine bearings of heat power plant | |
| RU2560614C1 (en) | Heat power plant operation mode | |
| TWI542780B (en) | Heat exchanger with minimum vapor pressure maintained mechenism applied to a heat engine cycle and method thereof | |
| RU2560607C1 (en) | Heat power plant operation mode | |
| RU2562724C1 (en) | Utilisation method of thermal energy generated by thermal power plant |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CHAD | Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften) |
Owner name: HEATEN AS, NO |