СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ РЕНКИНА
CONTROL METHOD FOR ORGANIC RANKINE CYCLE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу управления паровыми термодинамическими циклами и особенно подходит для управления органическим циклом Ренкина (далее - ОЦР).
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Как известно, термодинамический цикл представляет собой циклическую конечную последовательность термодинамических преобразований (например, изотермическое, изохорное, изобарное или адиабатическое). В конце каждого цикла система возвращается в свое первоначальное состояние. В частности, цикл Ренкина представляет собой термодинамический цикл, состоящий из двух адиабатических преобразований и двух изобарных преобразований. Цикл Ренкина предназначен для преобразования тепла в механическую работу, и паровые машины всех типов основаны на таком цикле. Этот цикл в основном используется в термоэлектрических установках для получения электрической энергии, и в нем в качестве рабочей текучей среды в так называемой паровой турбине используется вода как в жидком, так и в газообразном состоянии.
Органические циклы Ренкина (ОЦР), в которых используется органическая текучая среда с высокой молекулярной массой, нашли широкое применение, в частности, в тепловых источниках, обладающих величинами энтальпии ниже средних. Как и для других паровых циклов, устройство для ОЦР содержит один или более насосов для подачи органической текучей среды, один или более теплообменников для осуществления предварительного нагрева, парообразования и конечного перегрева, паровую турбину для расширения текучей среды, конденсатор для преобразования пара в жидкость и, в некоторых случаях, восстановитель для восстановления тепла ниже турбины по потоку, т.е. выше конденсатора по потоку.
Что касается паровых циклов, то одним из преимуществ ОЦР-циклов является то, что органические текучие среды, обладающие высокой молекулярной массой, демонстрируют кривую насыщения (на графике температура-энтропия, T-S), на которой правая ветвь 12' имеет положительный наклон (Фиг. 2). Напротив, паровая кривая насыщения демонстрирует правую ветвь 11', имеющую отрицательный наклон (Фиг. 1).
Как следствие, даже при расширении насыщенного пара в турбине, паровое расширение попадает не в кривую насыщения, а за ее пределы, в область перегретого пара. Таким образом, во время расширения в турбине отсутствует образование жидкости, которая может повредить турбину или по меньшей мере ухудшить ее эффективность.
С другой стороны, если давление парообразования приближено к критическому давлению текучей среды или даже выше (сверхкритический цикл, Фиг. 3), и в то же время, температура текучей среды недостаточно высокая, может случиться, что кривая расширения пара в турбине на диаграмме T-S пересечется с кривой насыщения, в этом случае имеет место образование жидкости в турбине для ОЦР-циклов, как показано на Фиг. 3 ссылочным обозначением 15'.
Пересечение может произойти в верхней части правой ветви кривой насыщения при квазикритических или сверхкритических циклах (Фиг. 3) или в нижней части правой ветви - в случае органических текучих сред, имеющих более низкую молекулярную массу, при которых правая ветвь кривой насыщения может иметь небольшой положительный наклон или даже небольшой отрицательный наклон.
Таким образом, существует потребность в новом способе управления ОЦР-циклами, который предотвращает какое-либо расширение в турбине, попадающее в пределы кривой насыщения, иными словами, любое образование жидкости во время расширения с последующим ухудшением срока действия и эффективности турбины.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одним аспектом настоящего изобретения является способ управления ОЦР-циклами, причем указанным способом управляют подачей текучей среды на теплообменники части ОЦР-цикла с высоким давлением для предотвращения указанного неудобства.
Другим аспектом настоящего изобретения является устройство, выполненное с возможностью реализации вышеуказанного способа.
В зависимых пунктах формулы изобретения указаны дополнительные особые и предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения.
Первым аспектом настоящего изобретения является способ управления системой для органического цикла Ренкина, содержащей по меньшей мере один подающий насос, по меньшей мере один теплообменник, расширительную турбину и конденсатор, при этом органический цикл Ренкина включает фазу подачи органической рабочей текучей среды, фазу нагревания и парообразования этой рабочей текучей среды, фазу расширения и конденсации этой рабочей текучей среды, и, в заключении, фазу восстановления, а согласно способу управляют регулируемой переменной, далее упомянутой как «соответствующая перегреву» органической текучей среды, с помощью контроллера, который функционирует для изменения управляющей переменной, представляющей собой параметр органической текучей среды в ее жидкой фазе. В частности, регулируемая переменная представляет собой разницу температур между текущей температурой органической текучей среды в паровой фазе на впускном отверстии турбины и пороговой величиной температуры, ниже которой фаза расширения включает образование жидкой фазы органической текучей среды.
Соответственно, описано устройство, выполненное с возможностью реализации вышеуказанного способа и содержащее средства управления указанной регулируемой переменной, «соответствующей перегреву» органической текучей среды, при этом указанные средства функционируют для изменения управляющей переменной, представляющей собой параметр органической текучей среды в ее жидкой фазе, причем указанная регулируемая переменная представляет собой разницу температур между текущей температурой органической текучей среды в паровой фазе на впускном отверстии турбины и пороговой величиной температуры, ниже которой фаза расширения включает образование жидкой фазы органической текучей среды.
Преимуществом данного аспекта является то, что разница между текущей температурой органической текучей среды в паровой фазе на впускном отверстии турбины и пороговой величиной температуры, ниже которой фаза расширения включает образование жидкой фазы органической текучей среды, может быть легко определена, когда термодинамические характеристики органической текучей среды известны как функция давления нагнетания указанной текучей среды и, для некоторых органических текучих сред, также как функция давления конденсации. Таким образом, во время расширения в турбине предотвращается образование жидкости, а, следовательно, вероятность ухудшения эффективности турбины.
В соответствии с другим вариантом реализации, указанная управляющая переменная представляет собой скорость потока органической текучей среды на впускном отверстии указанного по меньшей мере одного теплообменника.
Следовательно, указанные средства управления выполнены с возможностью воздействия на скорость потока органической текучей среды на впускном отверстии указанного по меньшей мере одного теплообменника.
Преимуществом данного варианта реализации является поддержание равенства между регулируемой переменной и заранее заданным значением посредством регулировки скорости потока органической текучей среды.
В соответствии с дополнительным вариантом реализации, регулировка скорости потока на впускном отверстии теплообменника осуществляется за счет изменения числа оборотов подающего насоса органической текучей среды.
Следовательно, указанные средства управления выполнены с возможностью изменения числа оборотов подающего насоса органической текучей среды.
Преимуществом данного варианта реализации является то, что числом оборотов подающего насоса можно легко управлять.
В соответствии с еще одним вариантом реализации, регулировка скорости потока органической текучей среды на впускном отверстии теплообменника осуществляется за счет изменения степени открытия клапана, расположенного ниже подающего насоса органической текучей среды по потоку.
Следовательно, указанные средства управления выполнены с возможностью изменения степени открытия клапана, расположенного ниже по потоку относительно подающего насоса для органической текучей среды.
Преимуществом данного варианта реализации является выполнение альтернативной регулировки скорости потока, если подающий насос органической текучей среды работает с фиксированной частотой вращения.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, предложена система для органического цикла Ренкина, содержащая по меньшей мере один подающий насос, по меньшей мере один теплообменник, расширительную турбину, конденсатор и контроллер, выполненный с возможностью осуществления способа в соответствии с одним из вышеуказанных вариантов реализации.
Способ в соответствии с одним из вариантов его реализации может осуществляться с помощью компьютерной программы, содержащей программный код для выполнения всех этапов описанного выше способа, и в виде компьютерного программного продукта, содержащего указанную компьютерную программу.
Компьютерный программный продукт может быть выполнен как устройство управления органическим циклом Ренкина, содержащее электронный блок управления (ЭБУ), носитель данных, соединенный с ЭБУ, а также компьютерную программу, хранящуюся в носителе данных, так что устройство управления определяет варианты реализации, описанные таким же образом, как и указанный способ. В том случае, когда устройство управления выполняет компьютерную программу, выполняются все этапы описанного выше способа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Настоящее изобретение теперь будет описано со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые показывают некоторые неограничивающие варианты реализации, а именно:
- Фигура 1 показывает тепловой цикл неорганической текучей среды, имеющей низкую молекулярную массу, на диаграмме температура-энтропия.
- Фигура 2 показывает тепловой цикл органической текучей среды, имеющей высокую молекулярную массу, на диаграмме температура-энтропия.
- Фигура 3 показывает сверхкритический тепловой цикл органической текучей среды по Фиг. 2 на диаграмме температура-энтропия.
- Фигура 4 показывает сверхкритический тепловой цикл органической текучей среды по Фиг. 2 на диаграмме температура-энтропия с определенной регулируемой «соответствующей перегреву» переменной, в соответствии с одним вариантом реализации настоящего способа.
- Фигура 5 показывает поведение пороговой величины температуры в качестве функции давления подачи органической текучей среды, как показано на предыдущих фигурах.
- Фигура 6 показывает блок-схему управления «соответствующей перегреву» температурой, в соответствии с одним вариантом реализации настоящего способа.
- Фигура 7 схематически показывает систему для ОЦР, в которой может использоваться настоящий способ.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как видно из Фиг. 7, система для ОЦР, как правило, содержит по меньшей мере подающий насос 2 для подачи органической текучей среды в жидкой фазе по меньшей мере в теплообменник 3. В теплообменнике, который, в свою очередь, может содержать устройство предварительного нагревания, устройство парообразования и устройство перегрева, органическая текучая среда нагревается до преобразования в насыщенный пар или даже до получения перегретого пара. После выхода из теплообменника, пар проходит по расширительной турбине (где получают механическую работу ОЦР-цикла) и в конечном счете проходит по конденсатору 6, который преобразует пар в жидкость, и может вернуться на подающий насос для последующего цикла. Предпочтительно, между турбиной 5 и конденсатором 6 может быть предусмотрен восстановитель. Восстановитель обменивается теплом между органической текучей средой в жидкой фазе, протекающей от подающего насоса к теплообменнику, и органической текучей средой в паровой фазе, проходящей в сторону конденсатора.
Как видно из Фиг. 1-2, на которых представлены термодинамические диаграммы температуры как функции энтропии (диаграмма T-S), существенная разница между кривой 12 насыщения органической текучей среды (имеющей среднюю или высокую молекулярную массу в сравнении с молекулярной массой воды) и кривой 11 насыщения воды состоит в том, что для органической текучей среды правая ветвь 12' кривой демонстрирует положительный наклон, тогда как для системы вода-пар правая ветвь 11' кривой демонстрирует отрицательный наклон. Нормальный цикл, без перегрева, т.е. с расширением насыщенного пара, обозначен ссылками 13 (паровой цикл, Фиг. 1) и 14 (ОЦР-цикл, Фиг. 2), соответственно. Ввиду различной формы кривой насыщения, два цикла отличаются, поскольку паровое расширение 13' в турбине попадает в пределы своей же кривой насыщения с образованием жидкости, тогда как расширение 14' органической текучей среды в турбине попадает за пределы кривой насыщения, то есть в область перегретого пара. Таким образом, во время расширения турбины, отсутствует образование жидкости и, следовательно, повреждение турбины.
С другой стороны, в некоторых случаях такое преимущество текучих сред ОЦР не доступно. Например, на Фиг. 3 показан сверхкритический термодинамический цикл 15 органической текучей среды (он может быть таким же, как и на Фиг. 2). Указанный цикл называется сверхкритическим, поскольку давление парообразования в начале 16 расширения выше, чем давление в критической точке 16'. В данном случае или в случае докритических циклов (несмотря на наличие насыщенного пара, цикл функционирует вблизи критической точки, то есть с давлением парообразования, которое очень близко к критическому давлению текучей среды) кривая 15' расширения пара в турбине может пересекать кривую насыщения на диаграмме T-S и, таким образом, и для ОЦР-циклов отсутствует образование жидкости в турбине.
lim
В соответствие с настоящим изобретением предполагается, что для каждой величины давления подачи пара в турбине имеется пороговая величина температуры T, ниже которой расширение будет пересекаться с кривой насыщения. Напротив, если поддерживается более высокая температура, чем данная пороговая величина температуры, то расширение в турбине имеет место в безопасной области, иными словами, в области перегрева пара без пересечения с кривой насыщения.
lim
lim
lim
Как видно из Фиг. 4, разница ΔТ температур между температурой пара на впускном отверстии турбины и данной пороговой величиной температуры T называется «соответствующей перегреву». Иными словами, такой параметр «соответствующий перегреву» представляет собой запас безопасности в отношении критического состояния, которое может привести к образованию жидкости во время расширения в турбине. Это состояние выражается пороговой величиной температуры T, которой соответствует касательная E фазы расширения к кривой насыщения. Может быть определена карта или теоретико-экспериментальная кривая с установкой связи каждой величины давления в турбине с соответствующей пороговой величиной температуры. Для каждой точки может быть вычислена такая пороговая величина температуры с моделированием парового расширения в турбине. Может наблюдаться, что в случае докритических циклов, для некоторой части кривой расширения, такие пары точек являются парами "давление насыщения-температура насыщения текучей среды", поскольку в этой части кривой расширения обеспечивается, что температура насыщения не расширяется в пределах кривой насыщения.
Для более легкого достижения этой температуры - кривой давления в программном обеспечении управления системой, может быть предпочтительным интерполировать такую дискретную кривую алгебраической функцией Т=f(р), как показано на Фиг. 5. Следует отметить, что с увеличением давления также должна постепенно увеличиваться и величина температуры на впускном отверстии турбины с целью предотвращения вероятности того, что кривая расширения пересечет кривую насыщения.
Таким образом, устройство управления (возможный вариант реализации которого показан на Фиг. 6) выполняет регулирование цикла для поддержания равенства между «соответствующим перегреву» параметром, и заранее заданным значением. Регулирование, как правило, выполняется путем воздействия на скорость потока органической текучей среды, поступающей в теплообменники, которые нагревают и испаряют указанную текучую среду. Более подробно, заранее заданное значение величины ΔTsp сравнивается с текущим «соответствующим перегреву» параметром ΔTact (регулируемой переменной) и контроллером 20, например ПИД-контроллером (пропорциональным, интегральным и дифференциальным), выполняется управляющее действие, при этом на выходе контроллера имеет место регулировка 21 управляющей переменной, то есть скорости потока текучей среды, поступающей в теплообменники. Обычно это диапазоны заранее заданных значений между несколькими градусами и несколькими десятками градусов и, следовательно, высокая точность при вычислении вышеуказанных точек кривой и/или интерполяции указанной кривой не требуются.
Карта, связывающая пороговую величину температуры с каждой величиной давления пара в турбине, определена заранее и представляет собой входной параметр способа управления.
В качестве примера, управляющее действие может выполняться в отношении числа оборотов V подающего насоса 2 или степени открытия X клапана, расположенного ниже указанного подающего насоса по потоку (при этом насос работает с фиксированной частотой вращения), или другого управляющего параметра, влияющего на параметр, подлежащий регулированию (например, температуру горячего источника).
В случае органических текучих сред, имеющих правую ветвь кривой насыщения или с небольшим положительным наклоном, или даже с небольшим отрицательным наклоном, пересечение кривой насыщения может попасть в нижнюю часть правой ветви диаграммы T-S, соответствующей более низким давлениям конденсации. Для той же текучей среды, начиная с того же давления парообразования, такое явление не происходит при более высоких давлениях конденсации. Таким образом, для таких текучих сред пороговые величины температуры можно более удобно корректировать как функцию давления конденсации.
Настоящий способ также может быть пригоден для постепенного наращивания системы. Фактически, запуск начальной фазы с существенно высокими величинами разницы температур может привести к достаточно низким величинам давления в турбине: величина разницы температур ограничивается на верхней части максимальной температурой горячего источника тепла и, таким образом, увеличивается переменная ΔТ, при этом уменьшается максимальная величина давления, достижимая в ОЦР-цикле. Позднее будет возможно постепенно уменьшать величину разницы температур ΔТ до тех пор, пока ОЦР-цикл не достигнет целевых условий (докритических или сверхкритических). Таким образом, например, переходная фаза от докритического цикла к сверхкритическому циклу может выполняться постепенно.
Необходимо понимать, что существует многочисленное число вариаций, отличных от вариантов реализации настоящего изобретения, описанных выше. Следует также понимать, что иллюстративный вариант реализации или иллюстративные варианты реализации являются только лишь примерами и не предназначены для ограничения объема, применимости или конфигурации каким-либо образом. Напротив, вышеуказанное раскрытие сущности и подробное описание предоставят специалисту в данной области техники ясное указание для осуществления по меньшей мере одного примерного варианта реализации, при этом следует понимать, что в функции и расположении элементов, описанных в примерном варианте реализации, могут быть внесены различные изменения без выхода за объем, изложенный в прилагаемой формуле изобретения и ее правомерных эквивалентах.