TWI547634B - Monitoring Method of Cold Start in Brayton Cycle Power Generation System - Google Patents

Description

布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法

本發明是有關於一種布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，且特別是有關於一種布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，是以直覺式圖控方式來進行監控該布雷頓循環熱發電系統的冷啟動。

依據2010年能源統計手冊資料，台灣約有90%以上的能源是以熱能的形式產生，其中有將近50%則是以廢熱的型式排放於環境中，在經濟及能源有效應用的考量下，若能同時進行提昇能源使用效率以及進行廢熱回收，將可大幅降低能源使用量，並且降低對氣候暖化的影響。

目前台灣投入廢熱回收應用於發電系統中，以超臨界二氧化碳作為工作流體的布雷頓循環(Brayton cycle)發電系統，具有高效率、體積小及環保等。美國專利公開號：US 2013/0033044A1，揭示一種用於超臨界布雷頓循環發電系統之利用調整超臨界氣體混合物而加強電力循環效率。該專利前案利用調整超臨界氣體混合物，例如二氧化碳、烷烴或惰性元素之氣體混合物作為布雷頓循環發電系統之工作流體，以加強電力循環效率。該專利前案可併入本文作為參考。然而，該專利前案並未揭示如何監控布雷頓循環發電系統之冷啟動(cold start)。

因此，便有需要提供一種布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，能夠解決前述的問題。

本發明之一目的是提供一種布雷頓循環發電系統之 冷啟動的監控方法，是以直覺式圖控方式來進行監控該布雷頓循環熱發電系統的冷啟動。

依據上述之目的，本發明提供一種布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，該布雷頓循環發電系統包含一工作流體，該監控方法包含下列步驟：量測該布雷頓循環發電系統之一環境溫度，根據該環境溫度及一找查表而得知該工作流體之一布雷頓循環預定操作線、該布雷頓循環預定操作線之至少三個監控點之參數及計算值的初始值及預設值、以及該工作流體之飽和曲線位置；開始該布雷頓循環發電系統之冷啟動，持續量測該三個監控點之參數值，並同時持續記錄並顯示該三個監控點之參數值及計算值的移動軌跡，其中該移動軌跡會由該三個監控點之參數的初始值移動至該三個監控點之參數及計算值的預設值；當該三個監控點之參數值及計算值接近該些預設值後，將該布雷頓循環發電系統運轉一預定時間；以及結束該布雷頓循環發電系統之冷啟動，進入該布雷頓循環發電系統之穩定運轉狀態。

本發明之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法是以直覺式圖控方式來進行監控該布雷頓循環熱發電系統的冷啟動，可以簡化該冷啟動之控制過程，並確認各重要監控點之參數及計算值的狀態，以求順利完成該布雷頓循環熱發電系統的冷啟動。

100‧‧‧布雷頓循環發電系統

102‧‧‧箭頭方向

110‧‧‧壓縮單元

120‧‧‧熱交換單元

122‧‧‧熱源端熱交換器

124‧‧‧復熱交換器

126‧‧‧二次回收熱交換器

130‧‧‧渦輪單元

140‧‧‧發電單元

150‧‧‧管路單元

160‧‧‧感測器

200‧‧‧監控設備

210‧‧‧處理器

220‧‧‧記憶體

230‧‧‧顯示器

B‧‧‧布雷頓循環理想操作線

B₁’‧‧‧第一布雷頓循環真實操作線

B₂’‧‧‧第二布雷頓循環真實操作線

B_N’‧‧‧第N個布雷頓循環真實操作線

T₁’‧‧‧第一環境溫度

T₂’‧‧‧第二環境溫度

T_N’‧‧‧第N個環境溫度

a₁’、b₁’、c₁’、d₁’‧‧‧第一組監控點

a₂’、b₂’、c₂’、d₂’‧‧‧第二組監控點

a_N’、b_N’、c_N’、d_N’‧‧‧第N組監控點

F₁、F₂、…、F_N‧‧‧飽和曲線

La_N’、Lb_N’、Lc_N’‧‧‧移動軌跡

S100~S130‧‧‧步驟

圖1a為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統之結構示意圖。

圖1b為本發明之另一實施例之布雷頓循環發電系統之結構示意圖。

圖2為二氧化碳之三相圖

圖3為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統之布雷頓循環理想操作線的示意圖。

圖4為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統之多個環境溫度、 布雷頓循環真實操作線及工作流體之飽和曲線的示意圖。

圖5為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統及監控設備的結構示意圖。

圖6為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法流程圖。

圖7為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統之第N個環境溫度、布雷頓循環真實操作線及工作流體之飽和曲線的示意圖，其顯示步驟S100之狀態。

圖8為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統之第N個環境溫度、布雷頓循環真實操作線及工作流體之飽和曲線的示意圖其顯示步驟S110之狀態。

圖9為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統之第N個環境溫度、布雷頓循環真實操作線及工作流體之飽和曲線的示意圖其顯示步驟S120之狀態。

為讓本發明之上述目的、特徵和特點能更明顯易懂，茲配合圖式將本發明相關實施例詳細說明如下。

圖1a為本發明之一實施例之布雷頓循環(Brayton cycle)發電系統100之結構示意圖。本實施例之布雷頓循環發電系統100之結構是用以說明本發明，並非用以限制本發明。請參考圖1a，該布雷頓循環發電系統100包含一壓縮單元110、一熱交換單元120、一渦輪單元130、一發電單元140、一管路單元150及一工作流體。該渦輪單元130機械連接於該壓縮單元110，用以帶動該壓縮單元110。該渦輪單元130亦機械連接於該發電單元140，用以驅動該發電單元140。該壓縮單元110用以將該工作流體壓縮增壓。該熱交換單元120包含一熱源端熱交換器122，用以將該工作流體加熱增溫。該渦輪單元130用以將該工作流體膨脹降壓降 溫。該管路單元150用以連通該壓縮單元110、該熱交換單元120及該渦輪單元130，使該工作流體可以在該壓縮單元110、該熱交換單元120及該渦輪單元130之間流動。請參考圖1b，在另一實施例中，該熱交換單元120可更包含一復熱交換器124及一二次回收熱交換器126，用以回收該渦輪單元130排放出之廢熱。

請再參考圖1a，該布雷頓循環發電系統100之冷啟動(cold start)是指將該布雷頓循環發電系統100由停機狀態進入穩定運轉狀態。舉例，利用一外部啟動器(圖未示)電性連接該發電單元140，使該發電單元140變成一馬達。該馬達轉動該渦輪單元130，進而帶動該壓縮單元110。該壓縮單元110使該工作流體成為高壓超臨界流體，並順向流動(依箭頭方向102)。該熱交換單元120持續地加熱該工作流體，使該工作流體成為高溫高壓超臨界流體，例如該熱交換單元120之熱源端熱交換器122可利用金屬熔煉、熱處理、石化等工業製程中之廢熱、太陽光照射所產生的熱、地熱而加熱該工作流體。該高溫高壓的工作流體進入該渦輪單元130進行膨脹，並推動該渦輪單元130。該渦輪單元130使該工作流體成為低溫低壓的超臨界流體。該低溫低壓的工作流體再回到該壓縮單元110。

若量測該高溫高壓的工作流體推動該渦輪單元130之力量大於該馬達驅動該渦輪單元130之力量，則表示該布雷頓循環發電系統100之冷啟動突破系統內能慣性能障。當該布雷頓循環發電系統100運轉一預定時間後，該布雷頓循環發電系統100進入穩定運轉狀態。此時，可將該外部啟動器關閉，使該發電單元140變成一發電機，進行自載運轉發電，並結束冷啟動程序。

圖2為二氧化碳之三相圖。在本實施例中，該工作流體為超臨界二氧化碳。該布雷頓循環發電系統100之冷啟動是指將該布雷頓循環發電系統100由停機狀態進入穩定運轉狀態，亦即二氧化碳之狀態會由圖2之A區域進入B區域。當該布雷頓循環發電系統100為停機狀態時，該工作流體之所有參數，例如溫度、壓力、流 量、密度等，以及所有計算值，例如焓及熵皆為初始值。當該布雷頓循環發電系統100為穩定運轉狀態時，該工作流體之所有參數，例如溫度、壓力、流量、密度等，以及所有計算值，例如焓及熵等皆為運轉值。

圖3為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統100之布雷頓循環理想操作線示意圖。請參考圖3及圖1a，整個布雷頓循環理想操作線B包含四個步驟：(1).等熵壓縮步驟(a→b)：該工作流體被吸入該壓縮單元110後，進行絕熱壓縮步驟，將進氣壓力提高至熱交換壓力。(2).等壓熱交換步驟(b→c)：該熱源端熱交換器122加熱該工作流體，將壓縮後之工作流體變成高溫高壓的超臨界流體。(3).等熵膨脹步驟(c→d)：該高溫高壓的工作流體在該渦輪單元130內，進行等熵膨脹步驟，變成低溫低壓的超臨界流體。該工作流體對該渦輪單元130作功，使該渦輪單元130帶動該壓縮單元110及該發電單元140。(4).等壓排熱步驟(d→a)：將低溫低壓的工作流體排放回該壓縮單元110。在另一實施例中，該渦輪單元130排放出之超臨界流體的溫度仍相當高，可藉由該復熱交換器124及該二次回收熱交換器126回收該渦輪單元排放出之廢熱，如圖1b所示。

請參考圖4及圖5，根據該布雷頓循環發電系統100之多次冷啟動(由停機狀態進入穩定運轉狀態)的測試，在該布雷頓循環發電系統100之不同環境溫度下，利用多個感測器160量測該環境溫度及該工作流體之參數(例如溫度、壓力及流量)的運轉值，並傳送至一監控設備200之一處理器210(例如半導體晶片)。該處理器210可計算而得出一計算值(例如熵值)及該穩定運轉狀態所對應的不同布雷頓循環真實操作線，該些布雷頓循環真實操作線可設計為該些布雷頓循環預定操作線之用，如此以建立一查找表(LUT；Look up table)。換言之，該找查表儲存有多個環境溫度分別地對應於多個布雷頓循環預定操作線。該找查表可儲存於該監控設備200之一記憶體220內。

舉例，第一環境溫度T₁對應於該布雷頓循環發電系統100之第一布雷頓循環真實操作線B₁’(a₁’→b₁’→c₁’→d₁’→a₁’)、第二環境溫度T₂對應於該布雷頓循環發電系統之第二布雷頓循環真實操作線B₂’(a₂’→b₂’→c₂’→d₂’→a₂’)、…、第N個環境溫度T_N對應於該布雷頓循環發電系統之第N個布雷頓循環真實操作線B_N’(a_N’→b_N’→c_N’→d_N’→a_N’)，如圖4所示。該N個布雷頓循環真實操作線可作為該找查表之N個布雷頓循環預定操作線，使該找查表儲存有N個環境溫度分別地對應於N個布雷頓循環預定操作線，N為正整數。

該找查表亦儲存有每一個布雷頓循環預定操作線具有一組監控點，每一組監控點具有多個監控點(例如第1組監控點：a₁’、b₁’、c₁’、d₁’，第2組監控點：a₂’、b₂’、c₂’、d₂’，…，第N組監控點：a_N’、b_N’、c_N’、d_N’)，該些監控點之參數及計算值(例如溫度及熵)具有初始值(例如圖4之空心的三角形、圓形、方形及菱形)及預設值(例如圖4之實心的三角形、圓形、方形及菱形)。舉例，第N組監控點之該些監控點a_N’、b_N’、c_N’、d_N’的位置可為該壓縮單元130之進口、該壓縮單元110之出口、該渦輪單元130之進口、該渦輪單元130之出口，如圖1a所示。三個監控點a_N’、b_N’、c_N’為主要監控點，其位置分別為該壓縮單元130之進口、該壓縮單元110之出口、該渦輪單元130之進口，作為第一至第三監控點。而該監控點d_N’為次要監控點，其位置為該渦輪單元130之出口，作為第四監控點。

該找查表亦儲存有該布雷頓循環發電系統之多個環境溫度(T₁、T₂、…、T_N)分別地對應於該工作流體之多個飽和曲線(F₁、F₂、…、F_N)位置，如圖4所示。

圖6為本發明之一實施例之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法流程圖。該布雷頓循環發電系統包含一工作流體，該工作流體為超臨界二氧化碳。該監控方法包含下列步驟：在步驟S100中，量測該布雷頓循環發電系統之一環 境溫度，根據該環境溫度及一找查表而得知該工作流體之一布雷頓循環預定操作線、該布雷頓循環預定操作線之至少三個監控點之參數及計算值的初始值及預設值、以及該工作流體之飽和曲線位置。舉例，請再參考圖5，該布雷頓循環發電系統100會利用感測器160量測該環境溫度T_N，並傳送至該監控設備200之處理器210。該處理器210根據該環境溫度T_N及該記憶體220之找查表可得知該工作流體之布雷頓循環預定操作線、該布雷頓循環預定操作線B_N’之至少三個監控點a_N’、b_N’、c_N’之參數及計算值的初始值(圖7之空心的三角形、圓形及方形)及預設值(圖7之實心的三角形、圓形及方形)、以及該工作流體之飽和曲線F_N位置，如圖7所示。在本實施例中，該些監控點a_N’、b_N’、c_N’之參數及計算值分別為溫度及熵。

在步驟S110中，開始該布雷頓循環發電系統之冷啟動，持續量測該三個監控點之參數值，並同時持續記錄並顯示該三個監控點之參數值及計算值的移動軌跡，其中該移動軌跡會由該三個監控點之參數及計算值的初始值移動至該三個監控點之參數及計算值的預設值。

舉例，請再參考圖1a，開始該布雷頓循環發電系統之冷啟動是指利用一外部啟動器(圖未示)電性連接該發電單元140，使該發電單元140變成一馬達。該馬達轉動該渦輪單元130，進而帶動該壓縮單元110。該壓縮單元110使該工作流體成為高壓超臨界流體。該熱交換單元120持續地加熱該工作流體，使該工作流體成為高溫高壓超臨界流體。該高溫高壓的工作流體進入該渦輪單元130進行膨脹，並推動該渦輪單元130。該渦輪單元130使該工作流體成為低溫低壓的超臨界流體。該低溫低壓的工作流體再回到該壓縮單元110。

舉例，請再參考圖5，該布雷頓循環發電系統100會利用感測器160持續量測該三個監控點a_N’、b_N’、c_N’之溫度、壓力及流量，並傳送至該監控設備200之處理器210。該處理器 210計算熵值，同時持續記錄，並將該三個監控點a_N’、b_N’、c_N’之溫度及熵值的移動軌跡La_N’、Lb_N’、Lc_N’顯示於該監控設備200之一顯示器230。藉由該移動軌跡La_N’、Lb_N’、Lc_N’以圖控方式可在該顯示器230上進行監控該布雷頓循環發電系統100之冷啟動，如圖8所示。

在步驟S120中，當該三個監控點之參數值及計算值接近該些預設值後，將該布雷頓循環發電系統運轉一預定時間。請參考圖9，接近該些預設值之參數值及計算值即為運轉值(圖9之虛線空心的三角形、圓形及方形)，該些運轉值接近該些預設值是指：該些運轉值與該些預設值之誤差值在5%之內。該預定時間可為15分。舉例，請再參考圖1a，當該三個監控點之參數值及計算值接近該些預設值時，則表示該高溫高壓的工作流體推動該渦輪單元130之力量大於該馬達驅動該渦輪單元130之力量，亦即該布雷頓循環發電系統100之冷啟動突破系統內能慣性能障。

在步驟S130中，結束該布雷頓循環發電系統之冷啟動，進入該布雷頓循環發電系統之穩定運轉狀態。舉例，請再參考圖1a，當該布雷頓循環發電系統100運轉該預定時間後，該布雷頓循環發電系統100進入穩定運轉狀態。此時，可將該外部啟動器關閉，使該發電單元140變成一發電機，進行自載運轉發電，並結束冷啟動程序。

本發明之該布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法具有下列特性：(1).該布雷頓循環發電系統需要穩定的熱源(經由該熱源端熱交換器)持續加熱該工作流體。(2).可確定突破系統內能慣性能障的時間點(亦即該三個監控點之參數值及計算值接近該些預設值的時間點)，才能使系統穩定運轉，以避免該工作流體停滯或由順向變成逆向。(3).需要監控該工作流體在該布雷頓循環發電系統之布雷頓循環預定操作線之至少三個監控點的參數及計算值狀態。

本發明之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法 是以直覺式圖控方式來進行監控該布雷頓循環熱發電系統的冷啟動，可以簡化該冷啟動之控制過程，並確認各重要監控點之參數及計算值的狀態，以求順利完成該布雷頓循環熱發電系統的冷啟動。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

B_N’‧‧‧第N個布雷頓循環真實操作線

T_N‧‧‧環境溫度

a_N’、b_N’、c_N’‧‧‧監控點

La_N’、Lb_N’、Lc_N’‧‧‧移動軌跡

Claims (10)

1. 一種布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，該布雷頓循環發電系統包含一工作流體，該監控方法包含下列步驟：量測該布雷頓循環發電系統之一環境溫度，根據該環境溫度及一找查表而得知該工作流體之一布雷頓循環預定操作線、該布雷頓循環預定操作線之至少三個監控點之參數及計算值的初始值及預設值、以及該工作流體之飽和曲線位置；開始該布雷頓循環發電系統之冷啟動，持續量測該三個監控點之參數值，並同時持續記錄並顯示該三個監控點之參數值及計算值的移動軌跡，其中該移動軌跡會由該三個監控點之參數及計算值的初始值移動至該三個監控點之參數及計算值的預設值；當該三個監控點之參數值及計算值接近該些預設值後，將該布雷頓循環發電系統運轉一預定時間；以及當該布雷頓循環發電系統運轉該預定時間後，結束該布雷頓循環發電系統之冷啟動，進入該布雷頓循環發電系統之穩定運轉狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其中藉由該移動軌跡以圖控方式進行監控該布雷頓循環發電系統之冷啟動。
3. 如申請專利範圍第1項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其該找查表儲存有多個環境溫度分別地對應於多個布雷頓循環預定操作線。
4. 如申請專利範圍第3項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其中該找查表亦儲存有每一個布雷頓循環預定操作線具有一組監控點，每一組監控點具有多個監控點，該些監控 點之參數及計算值具有初始值及預設值。
5. 如申請專利範圍第4項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其中該些監控點之參數及計算值分別為溫度及熵。
6. 如申請專利範圍第4項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其中該布雷頓循環發電系統更包含一壓縮單元、一熱交換單元、一渦輪單元、一發電單元及一管路單元，該渦輪單元機械連接於該壓縮單元用以帶動該壓縮單元，該渦輪單元亦機械連接於該發電單元用以驅動該發電單元，該壓縮單元用以將該工作流體壓縮增壓，該熱交換單元包含一熱源端熱交換器用以將該工作流體加熱增溫，該渦輪單元用以將該工作流體膨脹降壓降溫，該管路單元用以連通該壓縮單元、該熱交換單元及該渦輪單元，使該工作流體可以在該壓縮單元、該熱交換單元及該渦輪單元之間流動。
7. 如申請專利範圍第6項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其中該三個監控點為主要監控點，其位置為該壓縮單元之進口、該壓縮單元之出口及該渦輪單元之進口。
8. 如申請專利範圍第1項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其中該找查表亦儲存有該布雷頓循環發電系統之多個環境溫度分別地對應於該工作流體之多個飽和曲線位置。
9. 如申請專利範圍第1項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其中該工作流體為超臨界二氧化碳。
10. 如申請專利範圍第1項所述之布雷頓循環發電系統之冷啟動的監控方法，其中接近該些預設值之參數值及計算值即為運轉值，該些運轉值接近該些預設值是指：該些運轉值與該些預設值之誤差值在5%之內。