本發(fā)明涉及控制蘭金循環(huán)的系統(tǒng)和涉及可使用該系統(tǒng)實(shí)施發(fā)電方法，其。

背景技術(shù)：

蘭金循環(huán)是容許將熱能轉(zhuǎn)換成電能的系統(tǒng)。使用回收的熱加熱以及隨后蒸發(fā)傳熱流體，所述傳熱流體隨后在膨脹元件(典型地為渦輪機(jī))中膨脹，發(fā)動(dòng)發(fā)電機(jī)。隨后將所述流體冷凝使得循環(huán)再次開(kāi)始。

蘭金循環(huán)特別地用于發(fā)電，例如在電力發(fā)電站中。這種循環(huán)通常使用水作為傳熱流體。

有機(jī)蘭金循環(huán)(或ORC)使用有機(jī)物替代水。這可減小設(shè)備的尺寸和構(gòu)建低功率設(shè)備。

目前，由于控制這類設(shè)備所需的技術(shù)，這類設(shè)備的成本保持為高的，并且這減緩了這種技術(shù)用于目前應(yīng)用的的發(fā)展。

液體顆粒在膨脹元件(渦輪機(jī))的入口處的存在導(dǎo)致其腐蝕和侵蝕的現(xiàn)象，并且導(dǎo)致易受損害的或?qū)⑵錃牡臋C(jī)械應(yīng)力。

因此，在傳熱流體進(jìn)入膨脹元件之前，傳熱流體通常需要為蒸汽狀態(tài)。為了防止液體進(jìn)入膨脹元件，已知的實(shí)踐是，在蒸發(fā)器和渦輪機(jī)之間設(shè)置液體-蒸汽分離器。

因此文獻(xiàn)US 7,841,306描述了蘭金循環(huán)，所述蘭金循環(huán)包括在蒸發(fā)器和渦輪機(jī)之間的液體-蒸汽分離器，并且容許存在于來(lái)自所述蒸發(fā)器的流中的液滴被回收并且返回至位于冷凝器的出口處的液體儲(chǔ)存器。

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

文獻(xiàn)WO 2007/104970結(jié)合其圖1描述了包括在蒸發(fā)器和渦輪機(jī)之間的液體-蒸汽分離器的已知的蘭金循環(huán)蒸汽。提供管道以將液體從分離器再循環(huán)至蒸發(fā)器。更進(jìn)一步地，根據(jù)對(duì)電能的需求，測(cè)量和確定分離器中的液位以控制循環(huán)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(xiàn)隨后提出以這樣的方式將其自身與已知的系統(tǒng)相區(qū)分：通過(guò)容許液體的一部分(fraction)進(jìn)入膨脹元件以及通過(guò)使用復(fù)雜的控制系統(tǒng)控制該部分(fraction)。

文獻(xiàn)WO 2012/130421描述了適應(yīng)于從若干不同來(lái)源回收熱量的設(shè)備。所述設(shè)備包括共同的液體-蒸汽分離器和共同的渦輪機(jī)、以及對(duì)應(yīng)于多種來(lái)源的若干蒸發(fā)器和泵。該液體-蒸汽分離器充當(dāng)該設(shè)備的液體儲(chǔ)存器，因?yàn)檫€對(duì)其供給來(lái)自冷凝器的液體。

文獻(xiàn)FR 2976136教導(dǎo)了基于蘭金循環(huán)的設(shè)備，其配有旁通閥以繞過(guò)渦輪。

因此，需要向依靠能夠用有機(jī)傳熱流體運(yùn)行的蘭金循環(huán)提供發(fā)電系統(tǒng)，其中以簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的方式保護(hù)膨脹元件免受任何損壞。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明首先涉及發(fā)電系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括閉合的傳熱流體回路，所述傳熱流體回路包括蒸發(fā)器、膨脹元件、冷凝器和循環(huán)泵、與所述膨脹元件聯(lián)接(coupled)的發(fā)電機(jī)，其中液體-蒸汽分離器配有位于所述蒸發(fā)器和所述膨脹元件之間的液體儲(chǔ)存器，所述系統(tǒng)進(jìn)一步配有控制裝置，所述控制裝置被設(shè)置為如果所述液體儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最大閾值，對(duì)所述液體儲(chǔ)存器進(jìn)行排出。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該傳熱流體是有機(jī)的。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，其中通過(guò)進(jìn)入到蒸發(fā)器中的液體再循環(huán)管線實(shí)施對(duì)儲(chǔ)存器的排出。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，將控制裝置設(shè)置為：如果儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最大閾值，減小循環(huán)泵的輸送速率。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，將儲(chǔ)存器中的液位保持在最小閾值和最大閾值之間。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，將控制裝置設(shè)置為：如果儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最小閾值，停止對(duì)儲(chǔ)存器進(jìn)行的排出。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，將控制裝置設(shè)置為：如果儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最小閾值，提高循環(huán)泵的輸送速率。

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

-使用熱源加熱并蒸發(fā)傳熱流體；

-將經(jīng)歷蒸發(fā)的傳熱流體分離成液相和蒸汽相，所述液相被存儲(chǔ)在液體儲(chǔ)存器中；

-使所述蒸汽相膨脹以容許電流的產(chǎn)生；

-冷凝該經(jīng)膨脹的蒸汽相；和

-泵送所述經(jīng)冷凝的相；

并且進(jìn)一步包括以下步驟：

-監(jiān)測(cè)所述液體儲(chǔ)存器中的液位；和

-當(dāng)該儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最大閾值時(shí)對(duì)所述液體儲(chǔ)存器進(jìn)行排出。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，該傳熱流體是有機(jī)的。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，將被排出的液體再循環(huán)至加熱和蒸發(fā)步驟。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，當(dāng)該儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最大閾值時(shí)，減小泵送所述經(jīng)冷凝的相的輸送速率。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，將儲(chǔ)存器中的液位恒定地保持在最小閾值和最大閾值之間。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，如果儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最小閾值，中斷對(duì)儲(chǔ)存器進(jìn)行排出的步驟。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，如果儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最小閾值，提高泵送所述經(jīng)冷凝的相的輸送速率。

本發(fā)明可克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。更特別地，其提供了依靠蘭金循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)，其能夠利用有機(jī)傳熱流體運(yùn)行，其中以簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的方式保護(hù)所述膨脹元件以免受任何損壞。

這通過(guò)憑借使用在蒸發(fā)器的出口處配有液體儲(chǔ)存器(與能夠控制儲(chǔ)存器中液位的控制裝置聯(lián)接)的液體-蒸汽分離器而實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1示意性地描繪出可用于實(shí)施本發(fā)明的蘭金循環(huán)。

圖2至圖5示意性地描繪出在多個(gè)運(yùn)行階段中根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的系統(tǒng)的一部分。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在在下文中更詳細(xì)地且非限制性地描述本發(fā)明。

參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)依靠包括蒸發(fā)器1、膨脹元件2、冷凝器3和循環(huán)泵4的蘭金循環(huán)。

蘭金循環(huán)含有傳熱流體，所述傳熱流體優(yōu)選為有機(jī)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(yōu)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(fā)器1與熱源聯(lián)接。

發(fā)電機(jī)5與膨脹元件2聯(lián)接。其提供作為來(lái)自系統(tǒng)的輸出的電流。

傳熱流體從蒸發(fā)器1中的熱源接收熱量。因此，其被加熱、蒸發(fā)并且可能為過(guò)熱的。因此，通過(guò)在膨脹元件2中使所述流體膨脹，以機(jī)械功的形式恢復(fù)積累在流體中的能量。在發(fā)電機(jī)5中該機(jī)械功自身以已知的方式轉(zhuǎn)換成電流。

將膨脹的傳熱流體在冷凝器3中冷凝，然后借助于泵4返回至蒸發(fā)器1。

雖然圖1中僅示出了每個(gè)類別中的一個(gè)元件，但是可提供若干個(gè)此類元件，例如若干個(gè)蒸發(fā)器和/或若干個(gè)膨脹元件和/或若干個(gè)泵和/或若干個(gè)冷凝器，這些元件為串聯(lián)和/或并聯(lián)的。

在本文中使用術(shù)語(yǔ)“蒸發(fā)器”通常被接受的含義。其表示被設(shè)計(jì)為加熱、蒸發(fā)和可使流體過(guò)熱的熱交換器。因此所述蒸發(fā)器可包括不同部分，例如加熱部分、蒸發(fā)部分和可能的過(guò)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?zé)嵩?、工業(yè)流(例如燃燒氣體)或甚至另一種可與本發(fā)明的系統(tǒng)聯(lián)接的熱設(shè)備(冷卻或空調(diào)設(shè)備、燃機(jī)等)。

熱源可直接地在蒸發(fā)器1中與傳熱流體交換熱量，或借助中間傳熱流體回路與其交換熱量。

同樣，在冷凝器3內(nèi)，傳熱流體直接地或借助中間傳熱流體回路向冷源傳熱，所述冷源例如可為來(lái)自周圍環(huán)境的空氣或水。

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

參照?qǐng)D2至5，本發(fā)明在蒸發(fā)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(jīng)加熱和經(jīng)蒸發(fā)的(和可能過(guò)熱的)流體分離為蒸汽相(其在理論上是主要或?yàn)轱@著地主要的比例)和可能的液相。在積累液相的儲(chǔ)存器12中收集液相。

優(yōu)選地，液體-蒸汽分離器6簡(jiǎn)單地包括儲(chǔ)存器12、與蒸發(fā)器1的出口連接的浸入到包含在儲(chǔ)存器12中的液體的汲取管(液位探測(cè)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(chǔ)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(fēng)分離器或聚結(jié)膜(coalescence membrane)或任何其它分離裝置，然后儲(chǔ)存器12意圖在于收集先前經(jīng)分離的液相。

在所示的實(shí)施方式中，液體再循環(huán)管線9與儲(chǔ)存器12的出口連接；有利地，其配有閥10。液體再循環(huán)管線9可特別地進(jìn)入蒸發(fā)器1。例如，其可與位于泵4和蒸發(fā)器1之間的管線7連接。作為一種選擇，管線7可在蒸發(fā)器1入口或某個(gè)中間點(diǎn)直接進(jìn)入蒸發(fā)器1。

作為一個(gè)選擇，液體再循環(huán)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(shí)施方式中，在儲(chǔ)存器12中配有一個(gè)或多個(gè)液位傳感器以在儲(chǔ)存器12中檢測(cè)何時(shí)液位達(dá)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(yōu)選地，最大液位13位于儲(chǔ)存器12的上部以下，并且最小液體閾值14位于儲(chǔ)存器12的下部以上，從而預(yù)防儲(chǔ)存器12變?yōu)槿栈蛉珴M可能性。

控制裝置15有利地控制閥10和泵4。

如果儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最大閾值13，控制裝置15對(duì)儲(chǔ)存器12進(jìn)行排出。這可避免液體進(jìn)入膨脹元件2的任何風(fēng)險(xiǎn)。

術(shù)語(yǔ)“排出”是指涉及全部或部分地對(duì)液體儲(chǔ)存器12進(jìn)行排出的動(dòng)作。優(yōu)選地，排出僅為部分的。

通過(guò)打開(kāi)閥10實(shí)施儲(chǔ)存器的排出。如果儲(chǔ)存器12位于蒸發(fā)器1上方，可簡(jiǎn)單地在重力的作用下實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存器的排出。作為一個(gè)選擇，如果必要，可在液體再循環(huán)管線9上提供額外的且受控制裝置15控制的泵。

優(yōu)選地，在打開(kāi)閥10的同時(shí)，控制裝置15作用在泵4上從而降低其輸送速率。實(shí)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(guò)泵4。必須理解的是，可通過(guò)讓控制裝置15控制位于泵4上游或下游的閥來(lái)實(shí)施相同的功能。

相反地，將控制裝置15設(shè)計(jì)為：如果儲(chǔ)存器中的液位達(dá)到最小閾值14，停止對(duì)儲(chǔ)存器12的排出，這特別是為了確保儲(chǔ)存器12中的液體量足以讓液體-蒸汽分離器正確地實(shí)施其功能并且以便容許系統(tǒng)返回至其正常運(yùn)行模式。通過(guò)關(guān)閉閥10實(shí)施排出的終止。優(yōu)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(guān)閉，將泵4重新打開(kāi))。

圖2至5描繪了多種形式的本發(fā)明的系統(tǒng)。

在圖2中，泵4泵送液體并且閥10是關(guān)閉的。液體儲(chǔ)存器12中的液位在最小液位14和最大液位13之間。由于存在于蒸發(fā)器出口處的液相逐漸地被收集在液-氣分離器6中，隨著時(shí)間的推移，該液位具有上升的趨勢(shì)。

在圖3中，儲(chǔ)存器12中的液位達(dá)到最大閾值13。作為回應(yīng)，控制裝置15使泵4停止(或?qū)⑵漭斔退俾式档椭练橇阒?并且打開(kāi)閥10。

在圖4中，通過(guò)液體再循環(huán)管線9將來(lái)自儲(chǔ)存器的液體排出(例如在重力的作用下)。在蒸發(fā)器1中將所述液體加熱、蒸發(fā)且，如果合適的話，使其過(guò)熱，這樣系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行并且在該排出階段期間產(chǎn)生電流。在該排出階段期間儲(chǔ)存器12中的液位變低。

在圖5中，液體儲(chǔ)存器12中的液位達(dá)到最小液位14。作為回應(yīng)，控制裝置15啟動(dòng)泵4(或如果該泵先前未關(guān)閉，提高其輸送速率)并且關(guān)閉閥10。該系統(tǒng)因此返回至圖2中的狀態(tài)。

作為打開(kāi)和關(guān)閉閥10的替代，還可在液體再循環(huán)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(huán)管路9中的流速。當(dāng)顯著比例的流體存在于蒸發(fā)器1的出口處時(shí)，該替代形式可證明是有益的。

圖2至5中說(shuō)明的實(shí)施方式提供了在設(shè)計(jì)和實(shí)施方面特別簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。然而，還可提供能夠更加緊密地適應(yīng)于使用條件的變化(例如通過(guò)提供除了最大閾值13和最小閾值14之外的其他液位閾值)的更復(fù)雜的系統(tǒng)，隨后將控制裝置15設(shè)計(jì)為根據(jù)儲(chǔ)存器12中液體的液位來(lái)調(diào)節(jié)泵4的輸送速率和/或來(lái)自儲(chǔ)存器12的液體再循環(huán)的速率。