控制蘭金循環的系統的製作方法

2023-09-17 01:03:15

本發明涉及控制蘭金循環的系統和涉及可使用該系統實施發電方法，其。

背景技術：

蘭金循環是容許將熱能轉換成電能的系統。使用回收的熱加熱以及隨後蒸發傳熱流體，所述傳熱流體隨後在膨脹元件(典型地為渦輪機)中膨脹，發動發電機。隨後將所述流體冷凝使得循環再次開始。

蘭金循環特別地用於發電，例如在電力發電站中。這種循環通常使用水作為傳熱流體。

有機蘭金循環(或ORC)使用有機物替代水。這可減小設備的尺寸和構建低功率設備。

目前，由於控制這類設備所需的技術，這類設備的成本保持為高的，並且這減緩了這種技術用於目前應用的的發展。

液體顆粒在膨脹元件(渦輪機)的入口處的存在導致其腐蝕和侵蝕的現象，並且導致易受損害的或將其毀壞的機械應力。

因此，在傳熱流體進入膨脹元件之前，傳熱流體通常需要為蒸汽狀態。為了防止液體進入膨脹元件，已知的實踐是，在蒸發器和渦輪機之間設置液體-蒸汽分離器。

因此文獻US 7,841,306描述了蘭金循環，所述蘭金循環包括在蒸發器和渦輪機之間的液體-蒸汽分離器，並且容許存在於來自所述蒸發器的流中的液滴被回收並且返回至位於冷凝器的出口處的液體儲存器。

文獻DE 10 2011 009 280也描述了與返回至蒸發器的管連接的液體-蒸汽分離器。

文獻WO 2007/104970結合其圖1描述了包括在蒸發器和渦輪機之間的液體-蒸汽分離器的已知的蘭金循環蒸汽。提供管道以將液體從分離器再循環至蒸發器。更進一步地，根據對電能的需求，測量和確定分離器中的液位以控制循環泵。如果分離器中的液位升高，則泵的輸送速率下降，反之亦然。所述文獻隨後提出以這樣的方式將其自身與已知的系統相區分：通過容許液體的一部分(fraction)進入膨脹元件以及通過使用複雜的控制系統控制該部分(fraction)。

文獻WO 2012/130421描述了適應於從若干不同來源回收熱量的設備。所述設備包括共同的液體-蒸汽分離器和共同的渦輪機、以及對應於多種來源的若干蒸發器和泵。該液體-蒸汽分離器充當該設備的液體儲存器，因為還對其供給來自冷凝器的液體。

文獻FR 2976136教導了基於蘭金循環的設備，其配有旁通閥以繞過渦輪。

因此，需要向依靠能夠用有機傳熱流體運行的蘭金循環提供發電系統，其中以簡單和經濟的方式保護膨脹元件免受任何損壞。

技術實現要素：

本發明首先涉及發電系統，所述系統包括閉合的傳熱流體迴路，所述傳熱流體迴路包括蒸發器、膨脹元件、冷凝器和循環泵、與所述膨脹元件聯接(coupled)的發電機，其中液體-蒸汽分離器配有位於所述蒸發器和所述膨脹元件之間的液體儲存器，所述系統進一步配有控制裝置，所述控制裝置被設置為如果所述液體儲存器中的液位達到最大閾值，對所述液體儲存器進行排出。

根據一個實施方案，該傳熱流體是有機的。

根據一個實施方案，其中通過進入到蒸發器中的液體再循環管線實施對儲存器的排出。

根據一個實施方案，將控制裝置設置為：如果儲存器中的液位達到最大閾值，減小循環泵的輸送速率。

根據一個實施方案，將儲存器中的液位保持在最小閾值和最大閾值之間。

根據一個實施方案，將控制裝置設置為：如果儲存器中的液位達到最小閾值，停止對儲存器進行的排出。

根據一個實施方案，將控制裝置設置為：如果儲存器中的液位達到最小閾值，提高循環泵的輸送速率。

本發明還涉及發電的方法，所述方法包括下列同時存在的(concurrent)步驟：

-使用熱源加熱並蒸發傳熱流體；

-將經歷蒸發的傳熱流體分離成液相和蒸汽相，所述液相被存儲在液體儲存器中；

-使所述蒸汽相膨脹以容許電流的產生；

-冷凝該經膨脹的蒸汽相；和

-泵送所述經冷凝的相；

並且進一步包括以下步驟：

-監測所述液體儲存器中的液位；和

-當該儲存器中的液位達到最大閾值時對所述液體儲存器進行排出。

根據一個實施方案，該傳熱流體是有機的。

根據一個實施方案，將被排出的液體再循環至加熱和蒸發步驟。

根據一個實施方案，當該儲存器中的液位達到最大閾值時，減小泵送所述經冷凝的相的輸送速率。

根據一個實施方案，將儲存器中的液位恆定地保持在最小閾值和最大閾值之間。

根據一個實施方案，如果儲存器中的液位達到最小閾值，中斷對儲存器進行排出的步驟。

根據一個實施方案，如果儲存器中的液位達到最小閾值，提高泵送所述經冷凝的相的輸送速率。

本發明可克服現有技術的缺點。更特別地，其提供了依靠蘭金循環的發電系統，其能夠利用有機傳熱流體運行，其中以簡單和經濟的方式保護所述膨脹元件以免受任何損壞。

這通過憑藉使用在蒸發器的出口處配有液體儲存器(與能夠控制儲存器中液位的控制裝置聯接)的液體-蒸汽分離器而實現。

附圖說明

圖1示意性地描繪出可用於實施本發明的蘭金循環。

圖2至圖5示意性地描繪出在多個運行階段中根據本發明的一個實施方式的系統的一部分。

具體實施方式

現在在下文中更詳細地且非限制性地描述本發明。

參照圖1，根據本發明的發電系統依靠包括蒸發器1、膨脹元件2、冷凝器3和循環泵4的蘭金循環。

蘭金循環含有傳熱流體，所述傳熱流體優選為有機化合物，例如烴、或氫氟烴、或氫氟烯烴、或若干此類化合物的混合物。

優選的化合物為：HFC-134a(1,1,1,2-四氟乙烷)、HFC-32(二氟甲烷)、HFC-125(五氟乙烷)、HFC-152a(1,1-二氟乙烷)、HFC-134(1,1,2,2-四氟乙烷)、HFC-161(氟乙烷)、HFO-1234yf(2,3,3,3-四氟丙烯)、HFO-1234ze(1,3,3,3-四氟丙烯)、HFO-1233zd、E或Z形式的HFO-1336mzz(1,1,1,4,4,4-六氟丁烯)、HC-600(丁烷)、HC 600a(2-甲基丙烷)和HC 290(丙烷)。

蒸發器1與熱源聯接。

發電機5與膨脹元件2聯接。其提供作為來自系統的輸出的電流。

傳熱流體從蒸發器1中的熱源接收熱量。因此，其被加熱、蒸發並且可能為過熱的。因此，通過在膨脹元件2中使所述流體膨脹，以機械功的形式恢復積累在流體中的能量。在發電機5中該機械功自身以已知的方式轉換成電流。

將膨脹的傳熱流體在冷凝器3中冷凝，然後藉助於泵4返回至蒸發器1。

雖然圖1中僅示出了每個類別中的一個元件，但是可提供若干個此類元件，例如若干個蒸發器和/或若干個膨脹元件和/或若干個泵和/或若干個冷凝器，這些元件為串聯和/或並聯的。

在本文中使用術語「蒸發器」通常被接受的含義。其表示被設計為加熱、蒸發和可使流體過熱的熱交換器。因此所述蒸發器可包括不同部分，例如加熱部分、蒸發部分和可能的過熱部分。其可為或包括鍋爐。

作為熱源可使用例如熱液體源(地熱源)、工業流(例如燃燒氣體)或甚至另一種可與本發明的系統聯接的熱設備(冷卻或空調設備、燃機等)。

熱源可直接地在蒸發器1中與傳熱流體交換熱量，或藉助中間傳熱流體迴路與其交換熱量。

同樣，在冷凝器3內，傳熱流體直接地或藉助中間傳熱流體迴路向冷源傳熱，所述冷源例如可為來自周圍環境的空氣或水。

所述膨脹元件2優選為渦輪機，特別是離心式、螺旋式、活塞式或旋轉(渦旋式)渦輪機。

參照圖2至5，本發明在蒸發器1和膨脹元件2之間提供液體-蒸汽分離裝置6。該裝置容許經加熱和經蒸發的(和可能過熱的)流體分離為蒸汽相(其在理論上是主要或為顯著地主要的比例)和可能的液相。在積累液相的儲存器12中收集液相。

優選地，液體-蒸汽分離器6簡單地包括儲存器12、與蒸發器1的出口連接的浸入到包含在儲存器12中的液體的汲取管(液位探測管，封液管)、以及與膨脹元件2的入口連接的氣體出口，所述膨脹元件2的入口朝著儲存器12的頂部放置。

作為一種選擇，液體-蒸汽分離器6可包括旋風分離器或聚結膜(coalescence membrane)或任何其它分離裝置，然後儲存器12意圖在於收集先前經分離的液相。

在所示的實施方式中，液體再循環管線9與儲存器12的出口連接；有利地，其配有閥10。液體再循環管線9可特別地進入蒸發器1。例如，其可與位於泵4和蒸發器1之間的管線7連接。作為一種選擇，管線7可在蒸發器1入口或某個中間點直接進入蒸發器1。

作為一個選擇，液體再循環管線9可在膨脹元件2和冷凝器3之間、或在冷凝器3和泵4之間連接。

在所示的實施方式中，在儲存器12中配有一個或多個液位傳感器以在儲存器12中檢測何時液位達到最大液位閾值13和最小液位閾值14。這些液位傳感器與控制裝置15連接。

優選地，最大液位13位於儲存器12的上部以下，並且最小液體閾值14位於儲存器12的下部以上，從而預防儲存器12變為全空或全滿可能性。

控制裝置15有利地控制閥10和泵4。

如果儲存器中的液位達到最大閾值13，控制裝置15對儲存器12進行排出。這可避免液體進入膨脹元件2的任何風險。

術語「排出」是指涉及全部或部分地對液體儲存器12進行排出的動作。優選地，排出僅為部分的。

通過打開閥10實施儲存器的排出。如果儲存器12位於蒸發器1上方，可簡單地在重力的作用下實現儲存器的排出。作為一個選擇，如果必要，可在液體再循環管線9上提供額外的且受控制裝置15控制的泵。

優選地，在打開閥10的同時，控制裝置15作用在泵4上從而降低其輸送速率。實施輸送速率的降低至零或非零值。在前者情況下，降低輸送速率意味著使液體的流停止通過泵4。必須理解的是，可通過讓控制裝置15控制位於泵4上遊或下遊的閥來實施相同的功能。

相反地，將控制裝置15設計為：如果儲存器中的液位達到最小閾值14，停止對儲存器12的排出，這特別是為了確保儲存器12中的液體量足以讓液體-蒸汽分離器正確地實施其功能並且以便容許系統返回至其正常運行模式。通過關閉閥10實施排出的終止。優選地，控制裝置15作用在泵4上以提高其輸送速率(這意味著如果泵4先前已被關閉，將泵4重新打開)。

圖2至5描繪了多種形式的本發明的系統。

在圖2中，泵4泵送液體並且閥10是關閉的。液體儲存器12中的液位在最小液位14和最大液位13之間。由於存在於蒸發器出口處的液相逐漸地被收集在液-氣分離器6中，隨著時間的推移，該液位具有上升的趨勢。

在圖3中，儲存器12中的液位達到最大閾值13。作為回應，控制裝置15使泵4停止(或將其輸送速率降低至非零值)並且打開閥10。

在圖4中，通過液體再循環管線9將來自儲存器的液體排出(例如在重力的作用下)。在蒸發器1中將所述液體加熱、蒸發且，如果合適的話，使其過熱，這樣系統繼續運行並且在該排出階段期間產生電流。在該排出階段期間儲存器12中的液位變低。

在圖5中，液體儲存器12中的液位達到最小液位14。作為回應，控制裝置15啟動泵4(或如果該泵先前未關閉，提高其輸送速率)並且關閉閥10。該系統因此返回至圖2中的狀態。

作為打開和關閉閥10的替代，還可在液體再循環管線9中甚至在排出階段之外提供非零的液體流速。在該情況下，控制裝置15可在排出階段期間提高液體再循環管路9中的流速。當顯著比例的流體存在於蒸發器1的出口處時，該替代形式可證明是有益的。

圖2至5中說明的實施方式提供了在設計和實施方面特別簡單的優點。然而，還可提供能夠更加緊密地適應於使用條件的變化(例如通過提供除了最大閾值13和最小閾值14之外的其他液位閾值)的更複雜的系統，隨後將控制裝置15設計為根據儲存器12中液體的液位來調節泵4的輸送速率和/或來自儲存器12的液體再循環的速率。