RU2545255C2 - Регулирование теплового циклического процесса - Google Patents

Регулирование теплового циклического процесса Download PDF

Info

Publication number
RU2545255C2
RU2545255C2 RU2012147537/06A RU2012147537A RU2545255C2 RU 2545255 C2 RU2545255 C2 RU 2545255C2 RU 2012147537/06 A RU2012147537/06 A RU 2012147537/06A RU 2012147537 A RU2012147537 A RU 2012147537A RU 2545255 C2 RU2545255 C2 RU 2545255C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cyclic process
thermal
nominal value
parameter
regulation
Prior art date
Application number
RU2012147537/06A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012147537A (ru
Inventor
Сильвэн КЮАЛИН
Original Assignee
Оркан Энерджи Гмбх
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 Оркан Энерджи Гмбх filed Critical Оркан Энерджи Гмбх
Publication of RU2012147537A publication Critical patent/RU2012147537A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2545255C2 publication Critical patent/RU2545255C2/ru

Links

Images

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
    • 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
    • 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
    • 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
    • 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
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/4155—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by programme execution, i.e. part programme or machine function execution, e.g. selection of a programme
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49204—Control of heat to compensate for dilatation, thermal displacement

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Human Computer Interaction (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способу регулирования теплового циклического процесса, в частности органического цикла Ренкина (ОЦР), который эксплуатируют с применением рабочей среды, в сочетании с динамическим источником тепла, при этом способ включает в себя следующие этапы: а) определение номинального значения технологического параметра теплового циклического процесса на основании значения входного параметра или соответствующих значений нескольких входных параметров теплового циклического процесса; б) регулирование теплового циклического процесса при помощи определенного номинального значения технологического параметра в качестве целевого параметра регулирования; в) повторное проведение этапов а) и б) при изменении по меньшей мере одного значения входных параметров. Обеспечивается возможность оптимизации в отношении коэффициента полезного действия системы регулирования, что дает возможность увеличить примерно на 10% выход энергии. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники
Изобретение относится к способу и устройству для регулирования теплового циклического процесса, в частности системы с органическим циклом Ренкина (ОЦР).
Органический цикл Ренкина (ОЦР) - это способ эксплуатации паросилового цикла с применением рабочей среды, отличающейся от водяного пара. В качестве рабочей среды применяют органические жидкости с низкой температурой испарения. Способ применяют прежде всего тогда, когда имеющиеся в распоряжении перепады температуры между источником тепла и отводом тепла слишком малы для эксплуатации турбины, приводимой водяным паром. Это, например, имеет место при выработке электроэнергии при помощи геотермальных источников, при объединенной выработке тепловой и электрической энергии, а также при выработке электроэнергии при помощи солнечных электростанций и гидротермальных электростанций. Органический цикл Ренкина очень похож на известный из технологии электростанций цикл Клаузиуса-Ренкина, идеальный цикл для паросилового процесса. Органическое вещество, применяемое в качестве рабочей среды в органическом цикле Ренкина, обеспечивает возможность очень хорошего согласования циркуляционного контура с температурой источника тепла. В зависимости от уровня температуры применяют различные рабочие среды: углеводороды, фторированные углеводороды (например, тетрафторэтан), ароматические углеводороды или силиконовые масла.
Насос доводит жидкую рабочую среду до рабочего давления и выполняет при этом работу по перемещению и изменению давления. При протекании жидкой рабочей среды через испаритель к ней изотермически подводится энергия в форме тепла. Перед испарителем рабочая среда может доводиться до температуры кипения в предварительном нагревателе. После испарителя пары рабочей среды могут подвергаться дальнейшему перегреванию. Однако из термодинамических соображений можно отказаться от интенсивного поверхностного перегревания, и в общем выбирают лишь незначительное перегревание на несколько градусов Кельвина.
Соответствующие конструкционные элементы - предварительный нагреватель, испаритель и перегреватель - могут быть объединены в один конструкционный элемент теплообмена. В этом теплообменнике подводимое тепло может использоваться как для предварительного нагревания, так и для испарения и, возможно, для перегревания.
При этом в качестве источника тепла для процесса испарения служит технологическое тепло или отводимое тепло предвключенных машин, например двигателя внутреннего сгорания. Вследствие подведения энергии рабочая среда полностью или почти полностью испаряется. На выходе из испарителя образуется насыщенный пар. Рабочая среда может также выходить частично испарившейся. Реальным является выход в виде насыщенного пара или в виде незначительно перегретого пара.
Из испарителя пар рабочей среды протекает через напорную трубу к расширителю органического цикла Ренкина (например, к винтовому расширителю или к турбине), где он политропно расширяется до более низкого давления, вследствие чего совершается работа, которая, например, при помощи турбины может быть преобразована на ее лопатках в механическую энергию. В идеальном термодинамическом цикле, то есть без потерь и необратимых процессов, расширение было бы изоэнтропическим. Присоединенный к расширителю или к турбине генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Альтернативно этому механическая энергия может также использоваться непосредственно, например, передаваться (механически) в систему привода транспортного средства, или же механическая энергия может преобразовываться в гидравлическую и подаваться в гидравлическую систему.
В завершение этого пар протекает через включенный позади конденсатор. Там пар отдает конденсационное тепло и, при определенных обстоятельствах, также и физическое тепло посредством охлаждения в циркуляционном контуре охлаждения при помощи потока охлаждающей среды. Рабочая среда конденсируется и переходит в жидкое агрегатное состояние. Вследствие характерных термодинамических свойств рабочая среда выходит из расширительной машины преимущественно в перегретом виде и, таким образом, в конденсаторе вначале охлаждается, а затем конденсируется. В зависимости от схемы включения может достигаться незначительное переохлаждение рабочей среды. Насыщенная жидкая или незначительно переохлажденная рабочая среда может, например, подвергаться промежуточному накапливанию в сборной емкости. Затем насос снова доводит насыщенную или (незначительно) переохлажденную рабочую среду из сборной емкости до рабочего давления, и, таким образом, циркуляционный контур замыкается.
Уровень техники
Перед описанием изобретения следует детально остановиться на состоянии техники в области электростанций и использовании отводимого тепла.
Прежнее регулирование электростанций при соединении в сеть
В электросети постоянно должно иметь место равновесие между вырабатываемой и потребляемой энергией. Если подача электроэнергии слишком велика или же потребление является слишком малым, то частота сети повышается, при слишком малой подаче электроэнергии и высоком потреблении имеет место противоположная ситуация. Чтобы обеспечить выравнивание вырабатываемой и потребляемой энергии, в качестве задающего параметра применяют частоту сети. При отклонении частоты вначале вступает в действие первичное регулирование. Посредством активирования вторичного резерва в электростанции в течение 0-30 с автоматически реализуется установленный резерв мощности, например посредством прекращения дросселирования свежего пара в подводе к турбине. Затем при вторичном регулировании повышают номинальные значения мощности и согласуют массовый поток топлива. Однако эти изменения нагрузки протекают в тепловых электростанциях в интервале свыше 15 минут, так как эти электростанции реагируют очень медленно. Быстрее реагируют газотурбинные электростанции, так как здесь повышение массового потока топлива почти мгновенно переходит в повышение мощности (сравни авиационный двигатель при старте).
В этих электростанциях может быть предпринята фиксированная оптимизация рабочей точки, а непрерывная оптимизация рабочего режима не требуется, так как эксплуатационные параметры не колеблются в широких пределах.
Аналог использованию отводимого тепла посредством органического цикла Ренкина представляет собой использование отводимого тепла газовых турбин в парогенераторах, использующих отводимое тепло (комбинированный цикл или же газопаровой процесс). Так как в последнее время колеблющаяся подача электрической энергии в электрическую сеть увеличивается, то этот тип электростанций должен в возрастающей мере решать задачи регулирования и производить быстрое изменение нагрузки.
В качестве номинального значения здесь принимают фиксированную температуру свежего пара, чтобы, например, уменьшить тепловую нагрузку на компоненты вследствие изменения температуры.
Прежнее регулирование парогенераторов, использующих отводимое тепло
При исследованиях с целью улучшения регулирования парогенераторов, использующих отводимое тепло, значительным требованием при эксплуатации использующих отводимое тепло парогенераторов с принудительной циркуляцией оказалось установление фиксированного качества пара на выходе. Так как массовый поток дымовых газов является фиксированным, то имеется только возможность регулирования массового потока испаряемой воды при помощи частоты вращения питательного насоса. Вследствие инертности системы при этом возникают проблемы, в особенности при пуске. Так, например, отрицательное влияние на регулирование могут оказать время запаздывания системы, а также теплоемкости. При этом теплообменник зачастую «перепитывается», то есть на конце испарителя еще имеется жидкая вода. На основании этого применяют водоотделители.
Наряду с конструктивными мероприятиями для улучшения параметров регулирования в качестве основы регулирования процесса может применяться так называемый способ управления с прогнозирующими моделями (МРС). Управление с прогнозирующими моделями (МРС)отображает регулируемую систему при помощи уравнений модели. При применении МПР рассматривают не только текущее состояние системы, но и рассчитывают, какой система будет в будущем и, в свою очередь, сравнивают это с желаемым состоянием. В одном конкретном варианте выполнения разрабатывают энергетический баланс испарителя и рассчитывают, какой массовый поток должен поступать, чтобы могло быть получено определенное качество пара. Для этого наряду с массовым потоком и параметрами воды учитывают также массовый поток и параметры источника тепла и, кроме того, учитывают эффекты поглощения и выделения вследствие теплоемкостей трубопроводов.
При таком типе регулирования регулятор уже не должен ожидать изменения задающего параметра, а исходя из задающего параметра можно рассчитать, какой управляющий параметр необходим, чтобы получить новое номинальное значение, например, другую температуру свежего пара. Однако этот анализ не относится к согласованию эксплуатационных параметров с целью оптимизации коэффициента полезного действия, а в качестве управляющего параметра применяют фиксированные параметры пара, которые должны быть получены. В общем случае эти параметры пара предварительно задают от системы регулирования верхнего уровня, а динамическое согласование с различной нагрузкой, изменяющейся в диапазоне секунд или минут, не предусмотрено.
Прежнее регулирование установок с органическим циклом Ренкина
В настоящее время установки с органическим циклом Ренкина еще не применяют на динамических источниках отводимого тепла. При использовании отводимого тепла из нединамических источников оптимальные эксплуатационные параметры для органического цикла Ренкина могут быть определены однократно, а затем могут устанавливаться в качестве целевой функции для регулирования. Эта стратегия регулирования аналогична применяемому на электростанциях регулированию с постоянным давлением. Известное из технологии электростанций регулирование со скользящим давлением имеет при высоких температурах то преимущество, что при частичной нагрузке вследствие изменения давления получают относительно постоянные температуры пара. Это способствует предохранению конструкционных элементов от тепловых напряжений, однако для органического цикла Ренкина это несущественно вследствие низких температур при использовании отводимого тепла.
Если упомянутое регулирование с постоянным давлением реализуют без дросселирования свежего пара, например при помощи расширительной машины с переменной частотой вращения, то, хотя при динамическом источнике тепла (переменные температура и теплоемкость потока) это приводит постоянному тепловому коэффициенту полезного действия циркуляционного контура, однако коэффициент полезного действия теплопередачи при этом не учитывается, и, таким образом, коэффициент полезного действия системы не является оптимальным (а именно, на величину до 10% хуже, чем при описанном ниже изобретении). Коэффициентом полезного действия системы обозначают отношение генерируемой мощности органического цикла Ренкина и тепловой мощности источника тепла, относящейся к полному охлаждению источника тепла до уровня температуры окружающей среды. Коэффициент полезного действия системы соответствует произведению коэффициента полезного действия теплопередачи и теплового коэффициента полезного действия циркуляционного контура.
Раскрытие изобретения
Исходя из недостатков состояния техники в основе изобретения лежит задача предоставить в распоряжение регулирование теплового циклического процесса, в частности органического цикла Ренкина, при помощи которого (предпочтительно в каждый момент времени) может быть установлен режим работы, оптимизированный в отношении коэффициента полезного действия системы.
Упомянутая задача решена при помощи способа по п.1 формулы изобретения, устройства по п.11 формулы изобретения и компьютерного программного продукта по п.12 формулы изобретения. Выгодные усовершенствования приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предложенный в изобретении способ регулирования теплового циклического процесса, в частности органического цикла Ренкина (ОЦР), который эксплуатируют с применением рабочей среды, в сочетании с динамическим источником тепла, включает в себя следующие этапы:
а) определение номинального значения технологического параметра теплового циклического процесса на основании значения входного параметра или соответствующих значений нескольких входных параметров теплового циклического процесса;
б) регулирование теплового циклического процесса при помощи определенного номинального значения технологического параметра в качестве целевого параметра регулирования,
в) повторное проведение этапов а) и б) при изменении по меньшей мере одного значения входных параметров.
Под динамическим источником отводимого тепла понимают источник тепла, тепловая мощность которого колеблется вследствие изменения содержащего тепло массового потока, температуры и/или теплоемкости. При этом тепловой циклический процесс получает энергию от динамического источника тепла, то есть количество тепла, подводимое в циклический процесс в единицу времени, может изменяться, то есть быть переменным во времени.
В зависимости от измеренных значений входного параметра или параметров определяют номинальное значение технологического параметра, при этом взаимозависимость между номинальным значением технологического параметра и значением или значениями входных параметров однократно определена заранее. Эта заранее определенная взаимозависимость (заранее определенная связь или математическое отображение между значениями входных параметров и значениями технологических параметров) оптимизирована в отношении улучшенного выхода энергии системы (коэффициента полезного действия системы). Трудоемкое решение уравнений модели во время эксплуатации теплового циклического процесса не требуется, что является выгодным. Затем при помощи определенного номинального значения технологического параметра тепловой циклический процесс регулируют таким образом, что значение технологического параметра стремится к номинальному значению. Это может осуществляться, например, посредством того, что частоты вращения питательного насоса, расширительной машины и вентилятора конденсатора устанавливают в соответствии с заранее определенными величинами, так что номинальное значение технологического параметра или параметров достигается быстро и надежно.
В случае изменения значений входных параметров на это можно быстро реагировать посредством того, что этапы определения номинального значения и последующего соответствующего регулирования производят заново.
Одно усовершенствование способа согласно изобретению состоит в том, что определение номинального значения технологического параметра теплового циклического процесса может включать в себя расчет номинального значения на основании заранее определенной функции, в частности полиномиальной функции, в которую в качестве переменных входят входные параметры.
Другое усовершенствование состоит в том, что определение функции для расчета номинального значения технологического параметра может производиться в качестве дополнительного этапа перед этапом а) при помощи проведения опытов и/или на основании уравнений модели.
Другое усовершенствование состоит в том, что определение функции для расчета номинального значения технологического параметра может включать в себя максимизацию произведения коэффициента полезного действия теплопередачи от источника тепла в циклический процесс и коэффициента полезного действия циклического процесса.
Другое усовершенствование способа согласно изобретению состоит в том, что определение номинального значения технологического параметра теплового циклического процесса может осуществляться путем считывания номинального значения из заданной таблицы в зависимости от значения входного параметра или соответствующих значений нескольких входных параметров теплового циклического процесса, причем при необходимости может производиться интерполяция между табличными значениями.
Другое усовершенствование состоит в том, что определение таблицы для расчета номинального значения технологического параметра может осуществляться путем проведения опытов и/или на основании уравнений модели в качестве дополнительного этапа перед этапом а).
Другое усовершенствование состоит в том, что определение таблицы для расчета номинального значения технологического параметра может включать в себя максимизацию произведения коэффициента полезного действия теплопередачи от источника тепла в циклический процесс и коэффициента полезного действия циклического процесса.
Другое усовершенствование состоит в том, что в соответствии со способом согласно изобретению регулируют по меньшей мере один дополнительный технологический параметр.
Другое усовершенствование состоит в том, что технологическим параметром или же технологическими параметрами могут быть температура испарения или давление испарения рабочей среды, и/или температура конденсации или давление конденсации в конденсаторе теплового циклического процесса, и/или температура пара или давление пара на выходе из расширительной машины теплового циклического процесса.
Другое усовершенствование состоит в том, что входной параметр или же входные параметры могут включать в себя массовый поток газа от источника тепла или отображающую этот массовый поток величину, температуру отводимого газа, температуру наружного воздуха и/или температуру конденсации рабочей среды циклического процесса.
Другое усовершенствование состоит в том, что регулирование теплового циклического процесса может производиться при помощи управления с прогнозирующими моделями (МРС).
Другое усовершенствование состоит в том, что регулирование теплового циклического процесса может осуществляться при помощи регулирования частоты вращения питательного насоса, расширительной машины и/или вентилятора конденсатора.
Другое усовершенствование состоит в том, что регулирование может включать в себя повторяющееся или непрерывное сравнивание фактического значения с номинальным значением технологического параметра.
Кроме того, упомянутая выше задача изобретения решена при помощи устройства для регулирования теплового циклического процесса, в частности органического цикла Ренкина, которое включает в себя микропроцессор для реализации способа согласно изобретению или одному из его усовершенствований и тепловой циклический процесс, в частности органический цикл Ренкина, содержащий один или несколько теплообменников для передачи тепла от одного или нескольких источников тепла в рабочую среду теплового циклического процесса.
Упомянутая выше задача изобретения решена также при помощи компьютерного программного продукта, включающего в себя по меньшей мере один считываемый компьютером носитель информации, содержащий выполняемые компьютером при его работе инструкции для выполнения этапов способа согласно изобретению или одному из его усовершенствований.
Различные усовершенствования могут применяться независимо друг от друга или комбинироваться друг с другом.
Следующие предпочтительные варианты выполнения изобретения описаны ниже со ссылками на чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано схематическое изображение системы с органическим циклом Ренкина.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематически показан принцип системы, которая включает в себя органический цикл 100 Ренкина.
Насос/питательный насос 10 доводит жидкую рабочую среду до рабочего давления. При протекании жидкой рабочей среды через испаритель 20 к рабочей среде подводят тепло от источника 30 тепла. Посредством подвода энергии рабочую среду предварительно нагревают и частично или полностью испаряют и, при необходимости, перегревают. На выходе из испарителя 20 образуется, как правило, насыщенный пар, или же влажный пар, или перегретый пар. От испарителя 20 пар рабочей среды протекает через напорную трубу в расширительную машину 40, где он расширяется до более низкого давления, вследствие чего выполняется работа, которая при помощи расширительной машины 40 преобразуется в механическую энергию, а затем, например, при помощи присоединенного к ней генератора преобразуется далее в электрическую энергию или используется в другой форме, например посредством непосредственного привода механических потребителей или привода гидравлического насоса. Затем пар протекает через конденсатор 50, где пар отдает физическое тепло и тепло конденсации в циркуляционный контур охлаждения с потоком охлаждающей среды. Рабочая среда конденсируется и полностью переходит в жидкое агрегатное состояние. Насыщенная жидкая или переохлажденная рабочая среда подвергается промежуточному накапливанию в сборной емкости 60. Затем насос 10 снова доводит насыщенную рабочую среду из сборной емкости 60 до рабочего давления, и, таким образом, циркуляционный контур замыкается.
Исходная идея изобретения
Предметом изобретения является концепция регулирования органического цикла 100 Ренкина, или же другого циклического процесса, в сочетании с высокодинамическим источником 30 отводимого тепла. Под динамическим источником отводимого тепла в самом общем случае понимают источник тепла, тепловая мощность которого в течение времени колеблется вследствие изменения массового потока, содержащего тепло, температуры и/или теплоемкости. Например, в качестве динамических или же высокодинамических рассматривают, в частности, такие источники тепла, в которых тепловая мощность W1 в момент времени t1 может измениться более чем на 25%, более чем на 50% или даже более чем на 75% тепловой мощности W1 до тепловой мощности W2 в момент времени t2, причем интервал t2-t1 времени может быть менее одного часа, менее десяти минут, менее одной минуты, менее одной секунды или менее 0,1 секунды.
Система, включающая в себя органический цикл Ренкина, состоит из различных компонентов, которые различным образом влияют на коэффициент полезного действия. Так, например, компоненты обладают различными, большей частью нелинейными, характеристиками коэффициента полезного действия при частичной нагрузке, а некоторые управляющие параметры имеют противоположное влияние на коэффициент полезного действия. В качестве примера здесь следует упомянуть конденсатор 50. Если конденсатор 50 вследствие более высокого расхода воздуха лучше охлаждается, то коэффициент полезного действия циклического процесса увеличивается, то есть может преобразовываться большее количество энергии (Pel,brutto). Однако в противоположность этому увеличивается собственное потребление (Pel,Eigenbedarf), которое включает в себя расходуемую вентилятором энергию. Следующим чрезвычайно важным компонентом является теплообменник/испаритель 20, в котором отводимое тепло передается в рабочую среду органического цикла Ренкина. Вследствие регулирующих воздействий на питательный насос/насос 10 и расширительную машину 40 существенно изменяется тепловая мощность QubertrageneWarme, передаваемая через теплообменник 20 от источника 30 отводимого тепла в органический цикл 100 Ренкина.
Концепция регулирования согласно изобретению обеспечивает возможность перемещения органического цикла 100 Ренкина в оптимальную рабочую точку, при этом критерием оптимизации является так называемый коэффициент ηSystem полезного действия системы, который состоит из совокупности коэффициента ηWU полезного действия теплопередачи и коэффициента ηth,netto полезного действия циркуляционного контура органического цикла 100 Ренкина. Оба этих отдельных коэффициента полезного действия не являются независимыми друг от друга. Так, например, повышение коэффициента полезного действия циркуляционного контура может ухудшить коэффициент полезного действия теплопередачи в такой степени, что произведение обоих коэффициентов полезного действия
η S y s t e m = η W U ⋅ η t h , n e t t o = η W U P e l , b r u t t o − P E i g e n b e d a r f Q ubertrageneWarme
Figure 00000001
несмотря на это уменьшается.
Согласно изобретению регулирование теплового циклического процесса, в частности органического цикла Ренкина, при помощи основанного на модели регулирования производят таким образом, что устанавливается режим работы, оптимизированный в отношении коэффициента полезного действия системы. Задачей, которая в том числе решается изобретением, является то, что онлайновый оптимизирующий расчет не может быть произведен достаточно быстро, так как он должен учитывать множество параметров.
В качестве входных параметров в распоряжении имеются массовый поток отводимого газа от источника тепла (или другие величины, которые позволяют определить массовый поток, например частота вращения двигателя внутреннего сгорания) и его температура, а также температура наружного воздуха. Изменяться могут частота вращения питательного насоса, частота вращения двигателя вентилятора конденсатора, а также частота вращения расширительной машины, при этом последствия изменений частично являются комплексными (например, теплопередача, изменение величины давления, при котором происходит испарение, изменяющиеся части поверхностей для предварительного нагревания и испарения) и зачастую могут быть рассчитаны лишь итерационным путем.
Согласно изобретению регулятор не должен производить оптимизацию для заданной точки нагрузки во время работы органического цикла Ренкина, а на основании заложенных данных должен уже «знать», какие частоты вращения должны иметь отдельные агрегаты, чтобы получить максимальный выход энергии при текущих параметрах источника тепла. Таким образом, исходная идея состоит в том, что система отображается в модельной среде, при этом отображается реальный режим работы компонентов при изменении нагрузки. Режим работы компонентов может быть получен из опытов или же может быть известным из литературы (уравнение модели, соотношения).
Например, можно рассчитать оптимальную температуру испарения в зависимости от массового потока и температуры источника тепла, а также температуры конденсации. Для определенной оптимальной температуры испарения затем определяют компенсирующую функцию (например, полином), которая позволяет определить температуру испарения на основании параметров теплового потока и параметров конденсации непосредственно, без уравнений модели для отдельных компонентов. Рассчитанная таким образом температура испарения может применяться в качестве управляющего параметра для управления с прогнозирующими моделями (МРС).
Таким образом, на первом этапе система регулирования, исходя из заранее определенной связи или математического отображения между значениями входных параметров и значениями технологических параметров, рассчитывает, какие значения технологического параметра или параметров (номинальные значения) обеспечивают возможность оптимальной работы, а затем устанавливает частоты вращения питательного насоса, расширительной машины и вентилятора конденсатора таким образом, что эти технологические параметры достигаются быстро и надежно. Благодаря постоянному сравниванию номинального и фактического состояний здесь осуществляется быстрая реакция, причем при регулировании учитывается будущее фактическое состояние. По сравнению с традиционным регулированием с фиксированными температурами испарения коэффициент полезного действия системы в среднем до 10% выше.
Подводя итоги, можно констатировать, что управление с прогнозирующими моделями (МРС) с фиксированными номинальными значениями (например, регулирование с постоянным давлением) согласно состоянию техники хотя и обеспечивает возможность быстрого регулирования, однако с его помощью не осуществляется оптимизация рабочей точки. Кроме того, онлайновая оптимизация является очень трудоемкой в отношении расчетов и является слишком медленной для сильно нестационарных процессов. В противоположность этому предложенное в изобретении определение оптимальных технологических параметров заранее и определение функции для расчета технологических параметров в зависимости от входных параметров является быстрым и экономичным. Сочетание обеих этих концепций обеспечивает возможность простого, выгодного и оптимизированного в отношении коэффициента полезного действия системы регулирования, которое по сравнению с традиционными концепциями обеспечивает возможность примерно на 10% большего выхода энергии без дополнительных затрат.

Claims (11)

1. Способ регулирования теплового циклического процесса, в частности органического цикла Ренкина (ОЦР), который эксплуатируют с применением рабочей среды в сочетании с динамическим источником тепла, включающий:
а) определение номинального значения технологического параметра теплового циклического процесса на основании значения входного параметра или соответствующих значений нескольких входных параметров теплового циклического процесса;
б) регулирование теплового циклического процесса при помощи определенного номинального значения технологического параметра в качестве целевого параметра регулирования и
в) повторное проведение этапов а) и б) при изменении по меньшей мере одного значения входных параметров,
при этом входной параметр или же входные параметры включают массовый поток текучей среды, в частности газа, от источника тепла или отображающую этот массовый поток величину, температуру указанной текучей среды, в частности газа, температуру наружного воздуха и/или температуру конденсации рабочей среды циклического процесса.
2. Способ по п.1, при котором определение номинального значения технологического параметра теплового циклического процесса включает расчет номинального значения на основании заранее определенной функции, в частности полиномиальной функции, в которую в качестве переменных входят входные параметры или при котором определение номинального значения технологического параметра теплового циклического процесса включает считывание номинального значения из заранее определенной таблицы, в зависимости от значения входного параметра или соответствующих значений нескольких входных параметров теплового циклического процесса, при этом предпочтительно производят интерполяцию или экстраполяцию между табличными значениями.
3. Способ по п.2, включающий проводимый перед этапом а) дополнительный этап:
определение функции для расчета номинального значения технологического параметра при помощи проведения опытов и/или на основании уравнений модели или же
составление таблицы для определения номинального значения технологического параметра при помощи проведения опытов и/или на основании уравнений модели.
4. Способ по п.3, при котором определение функции для расчета номинального значения технологического параметра включает максимизацию произведения коэффициента полезного действия теплопередачи от источника тепла в циклический процесс и коэффициента полезного действия циклического процесса или же при котором составление таблицы для определения номинального значения технологического параметра включает максимизацию произведения коэффициента полезного действия теплопередачи от источника тепла в циклический процесс и коэффициента полезного действия циклического процесса.
5. Способ по одному из пп.1-4, при котором соответствующим способом регулируют по меньшей мере один дополнительный технологический параметр.
6. Способ по одному из пп.1-4, при котором технологическим параметром или же технологическими параметрами являются температура испарения или давление испарения рабочей среды, и/или температура конденсации или давление конденсации в конденсаторе теплового циклического процесса, и/или температура пара или давление пара на выходе из расширительной машины теплового циклического процесса.
7. Способ по одному из пп.1-4, при котором регулирование теплового циклического процесса производят при помощи управления с прогнозирующими моделями (МРС).
8. Способ по одному из пп.1-4, при котором регулирование теплового циклического процесса осуществляют при помощи регулирования частоты вращения питательного насоса, расширительной машины и/или вентилятора конденсатора.
9. Способ по одному из пп.1-4, при котором регулирование включает повторяющееся или непрерывное сравнивание фактического значения с номинальным значением технологического параметра.
10. Устройство, содержащее:
тепловой циклический процесс, в частности органический цикл Ренкина, содержащий один или несколько теплообменников для передачи тепла от одного или нескольких источников тепла в рабочую среду теплового циклического процесса, и
микропроцессор для реализации способа по одному из пп.1-9 для регулирования теплового циклического процесса.
11. Компьютерный программный продукт, содержащий по меньшей мере один считываемый компьютером носитель информации, содержащий выполняемые компьютером при его работе инструкции для проведения этапов способа по одному из пп.1-9.
RU2012147537/06A 2010-05-07 2011-04-20 Регулирование теплового циклического процесса RU2545255C2 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010019718A DE102010019718A1 (de) 2010-05-07 2010-05-07 Regelung eines thermischen Kreisprozesses
DE102010019718.1 2010-05-07
PCT/EP2011/002023 WO2011137980A2 (de) 2010-05-07 2011-04-20 Regelung eines thermischen kreisprozesses

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012147537A RU2012147537A (ru) 2014-06-20
RU2545255C2 true RU2545255C2 (ru) 2015-03-27

Family

ID=44626496

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012147537/06A RU2545255C2 (ru) 2010-05-07 2011-04-20 Регулирование теплового циклического процесса

Country Status (8)

Country Link
US (1) US10519814B2 (ru)
EP (1) EP2567074B1 (ru)
JP (1) JP5462979B2 (ru)
KR (1) KR101419261B1 (ru)
CN (1) CN103154444B (ru)
DE (1) DE102010019718A1 (ru)
RU (1) RU2545255C2 (ru)
WO (1) WO2011137980A2 (ru)

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013020760A1 (de) * 2013-12-09 2015-06-11 Bülent Sel Stromerzeugung aus Dampf im Privaten Haushalt und Gewerbe
ITBS20130184A1 (it) * 2013-12-19 2015-06-20 Turboden Srl Metodo di controllo di un ciclo rankine organico
WO2015143280A1 (en) 2014-03-21 2015-09-24 Dana Limited Enhanced waste heat recovery system and method allowing global optimal control
DE102014206033A1 (de) * 2014-03-31 2015-10-01 Mtu Friedrichshafen Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Systems für einen thermodynamischen Kreisprozess, Steuereinrichtung für ein System für einen thermodynamischen Kreisprozess, System, und Anordnung aus einer Brennkraftmaschine und einem System
CN105221432A (zh) * 2015-10-27 2016-01-06 无锡压缩机股份有限公司 具有有机朗肯循环的螺杆压缩机系统
CN105781647A (zh) * 2016-04-28 2016-07-20 张家港市华昌新材料科技有限公司 一种低压蒸汽发电的方法
DE102018202919A1 (de) * 2018-02-27 2019-11-14 Robert Bosch Gmbh Regelkreis für Abwärmerückgewinnungssysteme
CN112297774A (zh) * 2020-10-19 2021-02-02 西北工业大学 一种车载吸热降温自循环系统
US11493029B2 (en) 2021-04-02 2022-11-08 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11326550B1 (en) 2021-04-02 2022-05-10 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11644015B2 (en) 2021-04-02 2023-05-09 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11480074B1 (en) 2021-04-02 2022-10-25 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods utilizing gas temperature as a power source
US11486370B2 (en) 2021-04-02 2022-11-01 Ice Thermal Harvesting, Llc Modular mobile heat generation unit for generation of geothermal power in organic Rankine cycle operations
US11421663B1 (en) 2021-04-02 2022-08-23 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic Rankine cycle operation
US11592009B2 (en) 2021-04-02 2023-02-28 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power at a drilling rig
US11293414B1 (en) 2021-04-02 2022-04-05 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems and methods for generation of electrical power in an organic rankine cycle operation
US11280322B1 (en) 2021-04-02 2022-03-22 Ice Thermal Harvesting, Llc Systems for generating geothermal power in an organic Rankine cycle operation during hydrocarbon production based on wellhead fluid temperature
CN116163816B (zh) * 2023-04-25 2023-07-11 浙江中智达科技有限公司 一种有机朗肯循环系统控制方法、装置、设备及介质
CN117662265B (zh) * 2024-01-03 2024-07-02 华商博雅(北京)科技有限公司 一种orc发电过程中温度稳定调节方法及系统

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2129661C1 (ru) * 1994-07-19 1999-04-27 Домен Вен Ливен Паросиловой двигатель (варианты)
US6571548B1 (en) * 1998-12-31 2003-06-03 Ormat Industries Ltd. Waste heat recovery in an organic energy converter using an intermediate liquid cycle

Family Cites Families (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MX145586A (es) * 1978-03-24 1982-03-08 Westinghouse Electric Corp Mejoras en sistema para minimizar las perdidas por estrangulamiento de valvula en una planta de energia
US4178762A (en) 1978-03-24 1979-12-18 Westinghouse Electric Corp. Efficient valve position controller for use in a steam turbine power plant
EP0524317A4 (en) * 1991-02-08 1995-02-15 Tokyo Shibaura Electric Co Model forecasting controller
DE59710692D1 (de) * 1996-03-07 2003-10-09 Siemens Ag Verfahren und vorrichtung zur schnellen leistungsregelung einer kraftwerksanlage
JPH09280503A (ja) 1996-04-15 1997-10-31 Toshiba Corp ボイラ蒸気供給系の蒸気圧力制御方法
US6826521B1 (en) * 2000-04-06 2004-11-30 Abb Automation Inc. System and methodology and adaptive, linear model predictive control based on rigorous, nonlinear process model
US6430914B1 (en) * 2000-06-29 2002-08-13 Foster Wheeler Energy Corporation Combined cycle power generation plant and method of operating such a plant
US20030213246A1 (en) * 2002-05-15 2003-11-20 Coll John Gordon Process and device for controlling the thermal and electrical output of integrated micro combined heat and power generation systems
US6594997B2 (en) 2001-10-09 2003-07-22 Pat Romanelli Vapor engines utilizing closed loop fluorocarbon circuit for power generation
US20030147351A1 (en) * 2001-11-30 2003-08-07 Greenlee Terrill L. Equipment condition and performance monitoring using comprehensive process model based upon mass and energy conservation
JP2005273655A (ja) * 2004-02-24 2005-10-06 Kubota Corp 発電制御方法とその装置
JP4115958B2 (ja) 2004-03-26 2008-07-09 株式会社東芝 プラントの運転スケジュール最適化方法および最適化システム
US7499897B2 (en) * 2004-04-16 2009-03-03 Fortelligent, Inc. Predictive model variable management
US7200996B2 (en) * 2004-05-06 2007-04-10 United Technologies Corporation Startup and control methods for an ORC bottoming plant
CN101243243A (zh) 2005-06-16 2008-08-13 Utc电力公司 机械并热配接到驱动公共负载的发动机上的有机朗肯循环
US7599750B2 (en) * 2005-12-21 2009-10-06 Pegasus Technologies, Inc. Model based sequential optimization of a single or multiple power generating units
JP4573783B2 (ja) * 2006-03-08 2010-11-04 株式会社日立製作所 プラントの制御装置と制御方法及び火力発電プラントとその制御方法
DE102006056349A1 (de) * 2006-11-29 2008-06-05 Gerhard Schilling Vorrichtung zur Umwandlung thermodynamischer Energie in elektrische Energie
JP4909853B2 (ja) 2007-09-27 2012-04-04 株式会社東芝 発電プラントおよびその制御方法
US8186161B2 (en) * 2007-12-14 2012-05-29 General Electric Company System and method for controlling an expansion system
US8375716B2 (en) * 2007-12-21 2013-02-19 United Technologies Corporation Operating a sub-sea organic Rankine cycle (ORC) system using individual pressure vessels
CN101609312B (zh) * 2009-07-28 2011-01-19 山西省电力公司电力科学研究院 采用汽耗率修正滑压运行曲线的发电机组优化控制方法
IN2012DN05179A (ru) * 2010-01-26 2015-10-23 Tmeic Corp
US8713942B2 (en) * 2010-01-29 2014-05-06 United Technologies Corporation System and method for equilibrating an organic rankine cycle
US8590307B2 (en) * 2010-02-25 2013-11-26 General Electric Company Auto optimizing control system for organic rankine cycle plants

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2129661C1 (ru) * 1994-07-19 1999-04-27 Домен Вен Ливен Паросиловой двигатель (варианты)
US6571548B1 (en) * 1998-12-31 2003-06-03 Ormat Industries Ltd. Waste heat recovery in an organic energy converter using an intermediate liquid cycle

Also Published As

Publication number Publication date
KR20130031837A (ko) 2013-03-29
US10519814B2 (en) 2019-12-31
KR101419261B1 (ko) 2014-07-15
DE102010019718A1 (de) 2011-11-10
CN103154444A (zh) 2013-06-12
EP2567074B1 (de) 2018-02-21
US20180328232A1 (en) 2018-11-15
JP5462979B2 (ja) 2014-04-02
CN103154444B (zh) 2016-08-03
JP2013527372A (ja) 2013-06-27
WO2011137980A3 (de) 2013-04-18
RU2012147537A (ru) 2014-06-20
EP2567074A2 (de) 2013-03-13
WO2011137980A2 (de) 2011-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2545255C2 (ru) Регулирование теплового циклического процесса
Sun et al. Operation optimization of an organic Rankine cycle (ORC) heat recovery power plant
Woudstra et al. Thermodynamic evaluation of combined cycle plants
US8186161B2 (en) System and method for controlling an expansion system
Shi et al. System design and control for waste heat recovery of automotive engines based on Organic Rankine Cycle
RU2530938C2 (ru) Система, способ и устройство для повышения эффективности цикла калины
JP4875546B2 (ja) 排熱発電装置、排熱発電装置の作動媒体蒸気過熱度制御方法
US9784248B2 (en) Cascaded power plant using low and medium temperature source fluid
US20150075164A1 (en) Cascaded power plant using low and medium temperature source fluid
JP2014177929A (ja) 蒸気タービン発電プラント
JP2014194210A (ja) バイナリー発電装置の運転方法及びバイナリー発電装置
Sakalis Design and partial load operation optimization of integrated ship energy system based on supercritical CO2 waste heat recovery cycle
Gülen et al. Second law efficiency of the Rankine bottoming cycle of a combined cycle power plant
Zhang et al. Pseudo-online optimization of condenser pressure for the cold-end system with variable speed pumps
CN116428030A (zh) 一种热电联产机组热电解耦运行系统及方法
EP2876268B1 (en) Combined power device and method for operating combined power device
Pattanayak et al. Design and part load performance simulation of natural gas combined cycle with new operating regulation for gas turbine
Mikielewicz et al. Optimal boiling temperature for ORC installation
RU2562745C1 (ru) Способ утилизации тепловой энергии, вырабатываемой тепловой электрической станцией
De Paepe et al. Control Strategy Development for Optimized Operational Flexibility From Humidified Microgas Turbine: Saturation Tower Performance Assessment
RU2569781C1 (ru) Способ регулирования работы теплофикационной паротурбинной установки с парокомпрессионным тепловым насосом
Lecompte et al. Optimal selection and sizing of heat exchangers for organic rankine cycles (ORC) based on thermo-economics
Onan et al. Exergy assessments by using real-time measurements in a factory
RU2615875C1 (ru) Способ эксплуатации паровой турбины с противоточными направлениями осевого движения пара в цилиндрах высокого и среднего давления
RU2560605C1 (ru) Способ работы тепловой электрической станции

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20160825