Компрессор с приводом от установки для утилизации тепла с органическим циклом Ренкина и способ регулирования
COMPRESSOR DRIVEN BY HEAT RECYCLING UNIT WITH ORGANIC RANKINE CYCLE AND CONTROL METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящая заявка и получаемый в результате патент в общем относятся к вращающимся нагрузкам, таким как, например, компрессоры с приводом от турбомашин. Более конкретно, описанные в данном документе воплощения имеют отношение к органическому циклу Ренкина (ОЦР) в применениях с механическим приводом для приведения в движение ротационных машин, таких как компрессоры, в частности, центробежные или осевые компрессоры.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Потребность в энергосберегающем и уменьшающем экологическую нагрузку использовании энергии стимулировала исследование и разработку действий, направленных на повышение общей эффективности систем преобразования энергии, как в области выработки электрической энергии, в которой механическую энергию, выработанную с помощью термодинамического цикла, преобразуют в электрическую энергию, так и в применениях с механическим приводом, то есть когда механическую энергию, выработанную с помощью термодинамического цикла, используют для непосредственного приведения в движение рабочей машины, например, компрессора.
Были разработаны комбинированные системы, которые иногда также называют гибридными системами, для повышения общей эффективности преобразования энергии и для уменьшения как потребления энергии, так и воздействия на окружающую среду. В комбинированной системе верхний высокотемпературный термодинамический цикл объединен с нижним низкотемпературным термодинамическим циклом. Отходящее тепло, которое отводят с низкотемпературной стороны верхнего высокотемпературного термодинамического цикла, используют в качестве источника тепловой энергии для нижнего низкотемпературного термодинамического цикла. Обычно верхний высокотемпературный термодинамический цикл является газотурбинным циклом. Одну или более газовых турбин используют для снабжения энергией электрического генератора или приведения в движение ротационной турбомашины, такой как компрессор, например, центробежный компрессор или компрессорная линия, насос и т.п. Отработанные газообразные продукты сгорания газовой турбины используют для прямого или косвенного нагрева рабочей текучей среды, циркулирующей в замкнутом контуре, в котором выполняют нижний низкотемпературный термодинамический цикл.
Нижний низкотемпературный термодинамический цикл преобразует часть отходящего тепла из верхнего высокотемпературного термодинамического цикла в механическую энергию, которую обычно используют для приведения в движение электрического генератора и получения электрической энергии.
Нижний низкотемпературный термодинамический цикл обычно включает цикл Ренкина. В некоторых известных применениях используют паровой цикл Ренкина. В других применениях применяют так называемый органический цикл Ренкина, в котором в качестве рабочей текучей среды вместо воды используют органическую текучую среду. В примерных воплощениях ОЦР в качестве рабочей текучей среды используют пентан или циклопентан.
На Фиг. 1 схематически показана комбинированная система с использованием верхнего высокотемпературного термодинамического цикла, объединенного с нижним низкотемпературным термодинамическим циклом для применений с механическим приводом, то есть для приведения в движение компрессоров или компрессорных линий.
На Фиг. 1 номер позиции 101 обозначает газовую турбину для приведения в движение первого компрессора 102. Топливо F, сжигаемое в камерах сгорания газовой турбины 101, используют для снабжения энергией газовой турбины, а тепловую энергию, выработанную путем сжигания, частично преобразуют в механическую энергию. Часть выработанной таким образом механической энергии требуется для приведения в движение компрессора газового генератора газовой турбины 101, при этом избыток механической энергии доступен на выходном валу газовой турбины и приводит в движение компрессор 102. Низкотемпературная тепловая энергия (отходящее тепло), которая не преобразуется в механическую энергию газовой турбиной 101, содержится в отработанных газообразных продуктах сгорания, которые протекают через теплообменник 103 утилизации отходящего тепла перед выпуском в атмосферу.
В теплообменнике 103 утилизации отходящего тепла по меньшей мере часть отходящего тепла, содержащегося в газообразных продуктах сгорания, передается первому замкнутому контуру 104 теплообмена, в котором циркулирует теплоноситель с помощью циркуляционного насоса 106. Теплоноситель переносит тепловую энергию, полученную от газообразных продуктов сгорания, в замкнутый контур 105, в котором рабочую текучую среду обрабатывают для выполнения нижнего низкотемпературного термодинамического цикла, в котором отходящее тепло из верхнего высокотемпературного термодинамического цикла частично преобразуют в дополнительную полезную механическую энергию.
Рабочую текучую среду, например, циклопентан или смесь двух или более углеводородов, циркулирующую в замкнутом контуре 105, подвергают циклическим термодинамическим превращениям, включающим конденсацию, накачивание, нагрев, испарение, перегрев, расширение, для преобразования тепловой энергии из теплообменника 103 утилизации отходящего тепла в механическую энергию. Замкнутый контур 105 содержит циркуляционный насос 107, предварительный нагреватель 109а, испаритель 109, пароперегреватель 111, турбодетандер 113, рекуператор 115 и конденсатор 117.
Механическую энергию, выработанную турбодетандером 113, используют для приведения в движение электрогенератора 121. Электрическую энергию от электрогенератора 121 можно затем использовать для снабжения энергией электромотора 123, который, в свою очередь, приводит в движение второй компрессор 125. В этой конфигурации второй компрессор 125 механически разъединен с турбодетандером 113, так как последний обычно вращается с постоянной скоростью, соответствующей рабочей скорости электрогенератора 121, тогда как для компрессора 125 может требоваться вращение с переменной скоростью. Частотно-регулируемый привод 124 обеспечен для приведения в движение электромотора 123 с переменной скоростью вращения.
Система, изображенная на Фиг. 1, является относительно сложной, особенно учитывая необходимость применения двух электрических машин 121, 123 и частотно-регулируемого привода 124. Преобразование механической энергии в электрическую энергию с помощью электрогенератора 121 и обратное преобразование электрической энергии в механическую энергию с помощью электромотора 123 отрицательно влияет на общую эффективность преобразования в системе. Потребность в частотно-регулируемом приводе дополнительно уменьшает эффективность и увеличивает общую стоимость и сложность объединенного цикла.
Поэтому существует потребность в более простой и более эффективной комбинированной системе для применений с механическим приводом.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, в настоящей заявке и в получаемом в результате патенте предложена система преобразования энергии, содержащая источник отходящего тепла, систему с органическим циклом Ренкина, находящуюся в тепловом контакте с источником отходящего тепла и содержащую: по меньшей мере турбодетандер, содержащий регулируемые входные направляющие аппараты, пусковой клапан, установленный параллельно впускному клапану детандера, по меньшей мере вращающуюся нагрузку, механически соединенную с турбодетандером и приводимую посредством этого в движение, механическое соединение с переменной скоростью между турбодетандером и вращающейся нагрузкой, при этом указанная система содержит также устройство регулирования скорости для управления турбодетандером и вращающейся нагрузкой, причем указанное устройство регулирования скорости содержит по меньшей мере первый контур регулирования скорости турбодетандера, содержащий по меньшей мере регулятор скорости турбодетандера, выполненный и размещенный с возможностью подачи управляющего сигнала на механическое соединение с переменной скоростью и подачи управляющего сигнала выборочно на пусковой клапан и регулируемые входные направляющие аппараты турбодетандера или подачи управляющего сигнала на пусковой клапан.
Система с органическим циклом Ренкина содержит контур со стороной высокого давления, стороной низкого давления и турбодетандер между стороной высокого давления и стороной низкого давления. Рабочую текучую среду перекачивают из стороны низкого давления на сторону высокого давления и нагревают посредством тепла от источника отходящего тепла. Горячая рабочая текучая среда с повышенным давлением расширяется в турбодетандере и посредством этого вырабатывает механическую энергию. Механическую энергию используют для приведения в движение выходного вала турбодетандера. Выходной вал турбодетандера механически соединен с приводным валом вращающейся нагрузки посредством механического соединения с переменной скоростью.
Как станет ясно из описания некоторых примерных воплощений, механическое соединение с переменной скоростью обеспечивает пуск системы с органическим циклом Ренкина и ускорение вращающейся нагрузки, а также регулирование скоростей вращения при переменных рабочих условиях.
Система может также содержать газотурбинную систему, содержащую по меньшей мере газотурбинный двигатель и по меньшей мере одну дополнительную вращающуюся нагрузку, которую приводит в движение указанный газотурбинный двигатель. Отходящее тепло, используемое системой с органическим циклом Ренкина, представляет собой тепловую энергию, содержащуюся в отработанных газообразных продуктах сгорания из газотурбинного двигателя. Можно обеспечить систему теплового обмена для переноса отходящего тепла из газотурбинной системы в систему с органическим циклом Ренкина.
Вращающаяся нагрузка, которую приводит в движение турбодетандер, может содержать турбомашину, такую как, в частности, компрессор. Аналогично, вращающаяся нагрузка, которую приводит в движение газотурбинный двигатель, может содержать турбомашину, например, компрессор. Эти два компрессора могут быть установлены параллельно.
В некоторых воплощениях турбодетандер содержит регулируемые входные направляющие аппараты, чтобы регулируемым образом изменять скорость потока рабочей текучей среды, расширяющейся через турбодетандер.
В некоторых воплощениях система с органическим циклом Ренкина содержит входной коллектор турбодетандера с регулятором давления на входе, размещенным и выполненным для поддержания давления во входном коллекторе турбодетандера на уровне давления на входе турбодетандера в установившемся режиме. В некоторых воплощениях обеспечен дополнительный регулятор давления на входе, размещенный и выполненный для регулирования обводного клапана, соединяющего входной коллектор турбодетандера со стороной низкого давления системы с органическим циклом Ренкина. Дополнительный регулятор давления на входе может иметь заданное значение давления, которое выше, чем давление на входе турбодетандера в установившемся режиме. Регулятор давления на входе, имеющий более низкое заданное значение давления, можно задействовать после достижения скорости вращения турбодетандера и/или вращающейся нагрузки, которую он приводит в движение. Регулятор давления на входе, имеющий более высокое заданное значение давления, затем закрывает обводной клапан.
Согласно дополнительному аспекту, в данном документе описан способ управления системой преобразования энергии, содержащей систему с органическим циклом Ренкина, находящуюся в тепловом контакте с источником отходящего тепла и содержащую: по меньшей мере турбодетандер, содержащий регулируемые входные направляющие аппараты, пусковой клапан, установленный параллельно впускному клапану детандера, по меньшей мере вращающуюся нагрузку, механически соединенную с турбодетандером и приводимую посредством этого в движение, механическое соединение с переменной скоростью между турбодетандером и вращающейся нагрузкой, при этом указанная система содержит также устройство регулирования скорости для управления турбодетандером и вращающейся нагрузкой, причем указанное устройство регулирования скорости содержит по меньшей мере первый контур регулирования скорости турбодетандера, содержащий по меньшей мере регулятор скорости турбодетандера, выполненный и размещенный с возможностью подачи управляющего сигнала на механическое соединение с переменной скоростью и подачи управляющего сигнала выборочно на пусковой клапан и регулируемые входные направляющие аппараты турбодетандера или подачи управляющего сигнала на пусковой клапан, при этом способ включает этап воздействия с помощью указанного управляющего сигнала на механическое соединение с переменной скоростью для регулирования энергии, передаваемой от турбодетандера вращающейся нагрузке, и этап воздействия с помощью указанного управляющего сигнала на пусковой клапан для постепенного открывания указанного клапана с обеспечением возможности ускорения турбодетандера до скорости прогрева.
Согласно некоторым воплощениям, способ включает этапы ускорения турбодетандера до первой скорости прогрева и затем ускорения турбодетандера до расчетной рабочей скорости, которая выше, чем скорость прогрева, ускорения вращающейся нагрузки до минимальной рабочей скорости под нагрузкой и затем ускорения вращающейся нагрузки до полной рабочей скорости, которая выше, чем минимальная рабочая скорость под нагрузкой, поддерживая при этом турбодетандер при расчетной рабочей скорости или около нее.
Воплощения описанного способа могут также включать следующие этапы: предоставление входного коллектора турбодетандера, соединенного по текучей среде с входом турбодетандера; предоставление по меньшей мере пускового клапана, расположенного между входным коллектором турбодетандера и входом турбодетандера; предоставление регулируемых входных направляющих аппаратов на входе турбодетандера; ускорение указанной вращающейся нагрузки путем увеличения скорости потока рабочей текучей среды через турбодетандер путем открывания регулируемых входных направляющих аппаратов.
Дополнительно способ также может включать следующие этапы: ускорение турбодетандера до указанной скорости прогрева путем постепенного открывания пускового клапана, при этом регулируемые входные направляющие аппараты по меньшей мере частично открыты; дополнительное ускорение турбодетандера до указанной полной рабочей скорости путем постепенного открывания регулируемых входных направляющих аппаратов.
В некоторых воплощениях турбодетандер сначала ускоряют путем постепенного открывания пускового клапана, при этом регулируемые входные направляющие аппараты полностью открыты; регулируемые входные направляющие аппараты частично закрывают, при этом пусковой клапан дополнительно открывают; и турбодетандер ускоряют до расчетной рабочей скорости путем повторного постепенного открывания регулируемых входных направляющих аппаратов.
Способ также может включать этапы: предоставление регулятора давления на входе, регулирующего давление на входе во входном коллекторе турбодетандера; включение регулятора давления на входе, когда вращающаяся нагрузка достигает минимальной рабочей скорости под нагрузкой; выработка управляющего давлением сигнала, который подают на механическое соединение с переменной скоростью для ускорения вращающейся нагрузки; поддержание турбодетандера при расчетной рабочей скорости или около нее, при этом вращающуюся нагрузку ускоряют путем повышения скорости потока рабочей текучей среды, расширяющейся через турбодетандер.
Турбодетандер можно поддерживать при расчетной рабочей скорости путем регулирования скорости вращения вращающейся нагрузки посредством воздействия на механическое соединение с переменной скоростью для компенсации изменения давления во входном коллекторе турбодетандера.
Способ может включать следующие дополнительные этапы: ускорение турбодетандера до расчетной рабочей скорости путем повышения скорости потока рабочей текучей среды через турбодетандер с помощью первого контура регулирования скорости турбодетандера; активирование контура регулирования скорости вращающейся нагрузки после достижения расчетной рабочей скорости турбодетандера; ускорение вращающейся нагрузки путем повышения скорости потока рабочей текучей среды через турбодетандер до тех пор, пока не будет достигнута полная рабочая скорость вращающейся нагрузки, поддерживая при этом скорость турбодетандера на расчетной рабочей скорости или около нее путем воздействия на механическое соединение с переменной скоростью.
В некоторых воплощениях после достижения расчетной рабочей скорости турбодетандера и в течение ускорения вращающейся нагрузки скорость турбодетандера можно поддерживать на расчетной рабочей скорости или около нее путем включения второго контура регулирования скорости турбодетандера, причем второй контур регулирования скорости турбодетандера вырабатывает сигнал, который изменяет вращающий момент, передаваемый посредством механического соединения с переменной скоростью, для противодействия изменению скорости турбодетандера, вызванному повышенной скоростью потока рабочей текучей среды через турбодетандер.
Этап ускорения вращающейся нагрузки можно выполнять под управлением выборочно первого контура регулирования скорости нагрузки и второго контура регулирования скорости нагрузки, причем первый контур регулирования скорости нагрузки работает до тех пор, пока не будет достигнута минимальная рабочая скорость под нагрузкой, при этом второй контур регулирования скорости нагрузки включают после достижения минимальной рабочей скорости под нагрузкой и он регулирует скорость нагрузки выше указанной минимальной рабочей скорости под нагрузкой.
Описанные в данном документе способы могут также включать следующие этапы: ускорение турбодетандера до расчетной рабочей скорости путем повышения скорости потока рабочей текучей среды через турбодетандер с помощью первого контура регулирования скорости турбодетандера; включение контура регулирования скорости вращающейся нагрузки и выработка при этом управляющего скоростью нагрузки сигнала после достижения расчетной рабочей скорости турбодетандера; ускорение нагрузки до полной рабочей скорости; включение регулятора давления на входе на входном коллекторе турбодетандера, имеющего заданное значение давления, и выработка при этом управляющего давлением сигнала; выбор минимального сигнала между управляющим скоростью нагрузки сигналом и управляющим давлением сигналом; подача указанного минимального сигнала на регулируемые входные направляющие аппараты турбодетандера.
Можно дополнительно обеспечить этап поддержания турбодетандера на расчетной рабочей скорости или около нее посредством регулятора скорости турбодетандера, воздействующего на механическое соединение с переменной скоростью.
В данном документе ниже описаны, а также изложены в прилагаемой формуле изобретения признаки и воплощения, которые образуют неотъемлемую составную часть настоящего описания. В приведенном выше кратком описании изложены признаки различных воплощений настоящего изобретения для того, чтобы можно было лучше понять последующее подробное описание, и для того, чтобы можно было лучше оценить настоящий вклад в уровень техники. Существуют, конечно, другие признаки изобретения, которые описаны далее в данном документе и которые изложены в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, перед подробным объяснением некоторых воплощений изобретения, нужно понимать, что различные воплощения изобретения не ограничены в своем применении деталями конструкции и расположением компонентов, изложенном в последующем описании или показанном на чертежах. Изобретение допускает другие воплощения, и его применяют на практике и выполняют различными способами. Также нужно понимать, что применяемые в данном документе формулировки и термины предназначены для описания, и их нельзя рассматривать в качестве ограничивающих.
По сути, специалисты понимают, что концепцию, на которой основано данное описание, можно легко использовать как основу для конструирования других структур, способов и/или систем для выполнения некоторых целей настоящего изобретения. Поэтому важно, что формулу изобретения следует рассматривать как включающую такие эквивалентные конструкции до тех пор, пока они не отклоняются от духа и области защиты настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Более полную оценку описанных воплощений изобретения и множества сопутствующих им преимуществ легко получить по мере того, как они станут лучше понятны со ссылкой на следующее подробное описание при учете в связи с ним прилагаемых чертежей, где:
на Фиг. 1 показан объединенный цикл согласно современному уровню техники;
на Фиг. 2 показана комбинированная система согласно настоящему изобретению;
на Фиг. 3 показана схема системы управления для нижнего низкотемпературного термодинамического цикла;
на Фиг. 4 показана схема системы управления для нижнего низкотемпературного термодинамического цикла согласно дополнительному воплощению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВОПЛОЩЕНИЙ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее подробное описание примерных воплощений содержит ссылки на прилагаемые чертежи. Одинаковые номера позиций на различных чертежах обозначают одинаковые или похожие элементы. К тому же чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Также следующее подробное описание не ограничивает изобретение. Вместо этого, область защиты изобретения определена прилагаемой формулой изобретения.
Ссылка во всем техническом описании на «одно воплощение» или «воплощение» или «некоторые воплощения» означает, что конкретный признак, структура или характеристика, описанные в связи с воплощением, включен(а) в по меньшей мере одно воплощение описанного объекта изобретения. Таким образом, появление выражения «в одном воплощении» или «в воплощении» или «в некоторых воплощениях» в различных местах во всем техническом описании не обязательно относится к одному и тому же воплощению (воплощениям). Также, конкретные признаки, структуры или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более воплощениях.
На Фиг. 2 схематически показана комбинированная или гибридная система 1 для применений с механическим приводом. В примерном воплощении, изображенном на Фиг. 2, механическую энергию, вырабатываемую турбомашинами системы, используют для приведения в движение компрессоров газопровода. В других воплощениях механическую энергию можно использовать для приведения в движение других турбомашин, например, турбокомпрессоров, для различных применений, таких как сжижение природного газа, или для других промышленных применений, или для различных видов нагрузки.
В общем виде, система, изображенная на Фиг. 2, содержит газотурбинную систему 3, содержащую один или более газотурбинных двигателей. Верхний высокотемпературный термодинамический цикл выполняют в газотурбинной системе 3 для получения полезной механической энергии путем расширения газообразных продуктов сгорания в газовой турбине (турбинах). Отработанные газообразные продукты сгорания из газотурбинной системы 3 все еще содержат полезную тепловую энергию, которую можно частично превратить в дополнительную механическую энергию. Отходящее тепло, содержащееся в отработанных газообразных продуктах сгорания, которые отводят из верхнего высокотемпературного термодинамического цикла, таким образом передают в нижний низкотемпературный термодинамический цикл. Нижний низкотемпературный термодинамический цикл представляет собой органический цикл Ренкина (ОЦР). Органическая рабочая текучая среда ОЦР циркулирует в замкнутом контуре системы 5 с ОЦР и претерпевает циклические термодинамические превращения для преобразования части отходящего тепла из верхнего высокотемпературного термодинамического цикла в полезную механическую энергию.
В контексте настоящего описания термин «термодинамический цикл» иногда используют также для обозначения системы, в которой выполняют термодинамический цикл. Например, термин «верхний высокотемпературный термодинамический цикл» можно использовать для обозначения газотурбинной системы, термин «нижний низкотемпературный термодинамический цикл» можно использовать для обозначения сочетания машин и устройств, в которых обрабатывают органическую рабочую текучую среду и подвергают ее циклическим термодинамическим превращениям, которые образуют термодинамический цикл.
Можно обеспечить промежуточный контур 7 теплообмена для непрямого переноса тепловой энергии из верхнего высокотемпературного термодинамического цикла в нижний низкотемпературный термодинамический цикл.
Более конкретно, согласно некоторым воплощениям, верхний высокотемпературный термодинамический цикл или газотурбинная система 3 может содержать один или более газотурбинных двигателей. В воплощении, показанном на Фиг. 2, представлены два газотурбинных двигателя 9А, 9В, расположенные параллельно. Каждый газотурбинный двигатель 9А, 9В содержит воздушный компрессор, камеру сгорания и энергетическую турбину, не показанные подробно. Воздушный компрессор каждого газотурбинного двигателя 9А, 9В сжимает окружающий воздух, который затем подают в камеру сгорания и смешивают с жидким или газообразным топливом. Топливовоздушную смесь поджигают для выработки сжатых высокотемпературных газообразных продуктов сгорания, которые расширяются в энергетической турбине, в результате чего вырабатывается механическая энергия. Механическую энергию частично используют для приведения в движение воздушного компрессора соответствующего газотурбинного двигателя для снабжения сжатым воздухом камеры сгорания, а частично высвобождают на выходной вал 10А, 10В и используют для приведения в движение первой вращающейся нагрузки, содержащей, например, вращающееся турбомашинное оборудование, например, осевой или центробежный компрессор 11А, 11В, соответственно.
В примерном воплощении, изображенном на Фиг. 2, газовую среду, например, природный газ из трубопровода 10, подают в компрессоры 11А, 11В через всасывающие трубопроводы 15А, 15В. Компрессоры повышают давление газовой среды, которую затем подают через нагнетательные трубопроводы 13А, 13В снова в трубопровод 10. Часть газа, обработанного компрессорами 11А, 11В, можно использовать в качестве топлива для снабжения энергией газотурбинных двигателей 9А, 9В.
Отработанные газообразные продукты сгорания из газотурбинных двигателей 9А, 9В пропускают через теплообменник 17 утилизации отходящего тепла перед окончательным выпуском в атмосферу.
Часть отходящего тепла, содержащегося в отработанных газообразных продуктах сгорания, передают с помощью теплообменника 17 утилизации отходящего тепла теплоносителю, циркулирующему с помощью насоса 18 в контуре 7 теплообмена.
Через теплообменное устройство 19 тепло передают от теплоносителя, циркулирующего в контуре 7 теплообмена, рабочей текучей среде, например, пентану или циклопентану, циркулирующей в системе 5 с ОЦР. Теплообменное устройство 19 может содержать предварительный нагреватель 19А, испаритель 19В и перегреватель 19С. Возможны другие теплообменные устройства, с большим или меньшим числом теплообменников.
Система 5 с ОЦР может содержать один или более турбодетандеров. В примерном воплощении, изображенном на Фиг. 2, представлен один турбодетандер 21. Турбодетандер 21 может представлять собой многоступенчатый турбодетандер. В примерном воплощении, изображенном на Фиг. 2, турбодетандер 21 является двухступенчатым турбодетандером. Номер позиции 21А обозначает ступень высокого давления турбодетандера, а номер позиции 21В обозначает ступень низкого давления турбодетандера. В других воплощениях можно использовать одноступенчатый турбодетандер. В дополнительных воплощениях также можно использовать турбодетандер, имеющий более двух ступеней.
Две или более ступеней турбодетандера могут вращаться с различными скоростями вращения, с фиксированным отношением скоростей. На трансмиссии, соединяющей первую и вторую ступени турбодетандера, обеспечен редуктор. Редуктор не показан на схеме, изображенной на Фиг. 2.
Альтернативно, многоступенчатый турбодетандер 21 может представлять собой турбодетандер со встроенным редуктором.
В следующем описании будет дана ссылка на скорость турбодетандера. Если турбодетандер содержит более одного вращающегося вала и если валы вращаются с разными скоростями, с постоянным отношением скоростей между валами, то скорость турбодетандера может являться любой из различных скоростей вала. Например, если используют двухступенчатый турбодетандер со встроенным редуктором, то первый, быстро вращающийся вал может поддерживать первую ступень высокого давления, при этом второй, медленно вращающийся вал может поддерживать вторую ступень низкого давления. «Скорость турбодетандера», как ее понимают в данном документе, может представлять собой либо скорость быстро вращающегося вала, либо скорость медленно вращающегося вала, либо скорость выходного вала турбодетандера со встроенным редуктором.
Турбодетандер 21 или одну или более ступеней турбодетандера можно оборудовать соплами с регулируемыми входными каналами, то есть регулируемыми входными направляющими аппаратами, которые можно использовать для регулирования скорости потока технологической текучей среды, поступающей в турбодетандер, и перепада энтальпии в целом по каждой ступени. В примерном воплощении, изображенном на Фиг. 3, обе ступени 21А, 21В турбодетандера оборудованы регулируемыми входными направляющими аппаратами (также сокращенно «регулируемыми ВНА») или соплами с регулируемыми входными каналами, схематически показанными как 57А и 57В, соответственно. Как известно специалистам, двумя наборами регулируемых входных направляющих аппаратов можно управлять одним управляющим сигналом или отдельными управляющими сигналами. Можно обеспечить конкретную зависимость между движениями двух наборов регулируемых входных направляющих аппаратов. В некоторых воплощениях можно регистрировать межступенчатое давление, давление на входе и давление на выходе турбодетандера 21, а отношение между движением двух наборов регулируемых входных направляющих аппаратов можно устанавливать или изменять в течение функционирования, непосредственно известным образом, для оптимизации эффективности турбодетандера на основании значений давления на входе, давления на выходе и межступенчатого давления. В других воплощениях можно управлять впускными соплами или регулируемыми входными направляющими аппаратами с помощью совершенно отдельной логической схемы, в зависимости от термодинамических или механических соображений.
Нагретую рабочую текучую среду под давлением, циркулирующую в замкнутом контуре системы 5 с ОЦР, подают на вход турбодетандера 21 через входной коллектор 22 турбодетандера.
Замкнутый контур системы 5 с ОЦР может дополнительно содержать рекуператор 23, соединенный по текучей среде с выходом турбодетандера 21. Ниже по потоку относительно рекуператора 23 можно установить конденсатор 25 для конденсации отработанной рабочей текучей среды, выпущенной из турбодетандера 21. Также обеспечен насос 27 для перекачивания охлажденной и конденсированной рабочей текучей среды при высоком давлении и для подачи жидкой рабочей текучей среды под давлением через холодную сторону рекуператора 23 и через холодную сторону теплообменного устройства 19, где рабочую текучую среду нагревают, испаряют и перегревают перед тем, как окончательно подать ее во входной коллектор 22 турбодетандера для расширения в турбодетандере 21.
Рабочую текучую среду, циркулирующую в нижнем низкотемпературном термодинамическом цикле 5, подвергают циклическим термодинамическим превращениям для преобразования части тепловой энергии, подаваемой в нее с помощью теплообменного устройства 19, в механическую энергию, которая доступна на выходном валу 21С турбодетандера 21 и которую можно использовать для приведения в движение второй вращающейся нагрузки. В некоторых воплощениях вторая вращающаяся нагрузка содержит турбомашинное оборудование, такое как компрессор 29 или компрессорная линия. Между выходным валом 21С турбодетандера 21 и компрессором 29 обеспечено механическое соединение 31 с переменной скоростью. Номер позиции 31А обозначает выходной вал механического соединения 31 с переменной скоростью. Механическое соединение 31 с переменной скоростью обеспечивает функционирование компрессора 29 при скорости, отличной от скорости вращения турбодетандера 21 и изменяющейся независимо от последней.
Подходящее механическое соединение с переменной скоростью представляет собой VORECON Variable Speed Planetary Gear, поставляемое компанией Voith Turbo GmbH & Co KG, Германия.
Компрессор 29 может быть соединен по текучей среде с тем же трубопроводом 10, с которым соединены компрессоры 11А и 11В. Как схематически показано на Фиг. 2, компрессор 29 может быть соединен с трубопроводом 10 посредством всасывающего трубопровода 33, соединенного по текучей среде с всасывающей стороной компрессора 29, и посредством нагнетательного трубопровода 35, соединенного по текучей среде с нагнетательной стороной или стороной давления компрессора 29. В этой конструкции компрессоры 11А, 11В и 29 расположены параллельно на одном и том же трубопроводе 10, и все они вносят вклад в полную скорость потока газа через трубопровод 10. Возможны и другие схемы. Например, компрессор 29 можно использовать для обработки газа, отличного от газа, обрабатываемого компрессорами 11А и 11В, или можно предусмотреть последовательное, а не параллельное расположение компрессоров.
Благодаря утилизации отходящего тепла посредством нижнего низкотемпературного термодинамического цикла, выполняемой в системе 5 с ОЦР, поток через компрессор 29 уменьшает количество газовой среды, обрабатываемой компрессорами 11А, 11В, так что можно уменьшить полное количество высококачественной энергии, требуемой для энергоснабжения газотурбинных двигателей 9А, 9В, и можно сохранить топливо. Альтернативно, схема компрессоров 11А, 11В, 29 может обеспечить обработку потока газовой среды с более высокой скоростью, используя такое же количество топлива. Как станет яснее из последующего описания, как правило, нижний низкотемпературный термодинамический цикл можно регулировать таким образом, чтобы всегда использовать всю тепловую энергию, предоставляемую теплообменником 17 утилизации отходящего тепла.
На Фиг. 3 схематически показаны основные компоненты системы 5 с ОЦР в сочетании с примерным расположением устройств, используемых для управления ее ротационными машинами, а именно турбодетандером 21, механическим соединением с переменной скоростью или редуктором 31 и компрессором 29. Одинаковые номера позиций используют для обозначения таких же элементов, показанных на Фиг. 2.
На Фиг. 3 показаны первый регулятор 41 давления на входе, второй регулятор 43 давления на входе и третий регулятор 45 давления на входе. Первый регулятор 41 давления на входе выполнен для воздействия на обводной клапан 47, размещенный на обводном трубопроводе 49. Обводной трубопровод 49 соединяет входной коллектор 22 турбодетандера с рекуператором 23 или с конденсатором 25, в обход турбодетандера 21.
Второй регулятор 43 давления на входе функционально объединен с регулятором 51 скорости компрессора и с датчиком 53 скорости компрессора. Регулятор 51 скорости компрессора функционально соединен с механическим соединением 31 с переменной скоростью.
Третий регулятор 45 давления на входе выполнен и размещен для воздействия выборочно на пусковой клапан 55 и регулируемые входные направляющие аппараты или впускные сопла 57А, 57В первой ступени 21А турбодетандера и второй ступени 21В турбодетандера, соответственно. В других воплощениях, например, если обеспечен одноступенчатый турбодетандер, требуется только один набор сопел с регулируемыми входными каналами или входных направляющих аппаратов.
Как указано выше, в некоторых воплощениях регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В могут быть соединены таким образом, что ими можно управлять с помощью одного управляющего сигнала.
Номер позиции 59 обозначает регулятор скорости турбодетандера, который функционально соединен с датчиком 61 скорости турбодетандера и с селектором 62, который также соединен с третьим регулятором 45 давления на входе. Выходной сигнал селектора 62 подают на блок 65 переключения. Блок 65 переключения выполнен для переадресации управляющего сигнала от третьего регулятора 45 давления на входе или от регулятора 59 скорости турбодетандера выборочно на пусковой клапан 55 или на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В, в зависимости от режима работы системы с ОЦР.
Согласно некоторым воплощениям, регулируемый впускной клапан 63 турбодетандера может быть расположен параллельно с пусковым клапаном 55. В некоторых воплощениях можно дополнительно обеспечить двухпозиционный клапан 66, расположенный последовательно с впускным клапаном 63 турбодетандера и пусковым клапаном 55 турбодетандера. В других воплощениях можно использовать схему с одним клапаном или с двумя клапанами вместо системы с тремя клапанами 55, 63, 66.
Дополнительные элементы регулирования работы системы 5 с ОЦР могут включать обводной клапан 67 компрессора, который соединяет нагнетательную сторону компрессора с всасывающей стороной компрессора. Обводной клапан 67 компрессора может представлять собой противопомпажный клапан компрессора 29.
Описанное до сих пор управляющее устройство используют для регулирования различных этапов работы системы 5 с ОЦР от начальных условий до регулирования нагрузки. Теперь будут описаны возможные способы регулирования, в особенности, относящиеся к схеме, изображенной на Фиг. 3.
При начальном пуске в эксплуатацию нижнего низкотемпературного термодинамического цикла системы 5 с ОЦР применяют следующие начальные условия. Двухпозиционный клапан 66, впускной клапан 63 турбодетандера и пусковой клапан 55 турбодетандера закрыты. Механическое соединение 31 с переменной скоростью устанавливают на минимум (минимальная скорость выходного вала, минимальная нагрузка). Регулируемые входные направляющие аппараты или сопла 57А, 57В ступеней 21А, 21В турбодетандера полностью открыты. Обводной клапан 67 компрессора полностью открыт.
Когда запускают систему 5 с ОЦР, включают первый регулятор 41 давления на входе для регулирования обводного клапана 47. Заданное значение давления для первого регулятора 41 давления на входе указано как Р1 и обозначено как «пусковое давление». Пусковое давление устанавливают немного выше, например, примерно на 50 кПа (0,5 бар) выше, чем рабочее давление на входе турбодетандера в условиях установившегося режима, которое ниже указано как Р2 (давление на входе турбодетандера в установившемся режиме). Давление на входе турбодетандера в установившемся режиме можно установить на уровне, например, примерно 3,95 МПа (39,5 бар), а пусковое давление можно установить на уровне, например, примерно 4 МПа (40 бар). Нужно понимать, что эти численные значения приведены лишь в качестве примера, и их не следует истолковывать как ограничивающие область защиты настоящего изобретения.
Пуск системы происходит следующим образом. Когда газотурбинная система 3 предоставляет отходящее тепло, рабочая текучая среда нижнего низкотемпературного термодинамического цикла в системе 5 с ОЦР начинает нагреваться. До тех пор, пока пусковой клапан 55, впускной клапан 63 и/или двухпозиционный клапан 66 закрыты, вся рабочая текучая среда, циркулирующая в системе 5 с ОЦР, обходит турбодетандер 21 через обводной трубопровод 49, при этом обводной клапан 47 открыт.
warm-up
Двухпозиционный клапан 66 полностью открывают. Включают регулятор 59 скорости турбодетандера, и он принимает на себя управление скоростью турбодетандера до тех пор, пока не будет достигнута скорость ω прогрева турбодетандера 21. Управляющий сигнал от регулятора 59 скорости турбодетандера подают на пусковой клапан 55, который постепенно открывается для отвода возрастающего количества потока нагретой рабочей текучей среды с повышенным давлением по направлению к турбодетандеру 21. Остающийся поток рабочей текучей среды продолжают отводить через обводной клапан 47 и обводной трубопровод 49 по направлению к конденсатору 25. Обводной клапан 47 поддерживают в открытом состоянии под управлением первого регулятора 41 давления на входе.
warm-up
exp-operating
Постепенное открывание пускового клапана 55 продолжается до тех пор, пока не достигают скорости ω прогрева, которая может находиться в интервале, например, приблизительно 20% - 40% от расчетной рабочей скорости ω турбодетандера, то есть проектной рабочей скорости турбодетандера 21.
warm-up
warm-up
Когда была достигнута скорость ω прогрева, турбодетандер 21 поддерживают при указанной скорости в течение заранее заданного интервала Δt времени прогрева.
warm-up
warm-up
warm-up
Согласно некоторым воплощениям, после истечения интервала Δt времени прогрева, выходной сигнал регулятора 59 скорости турбодетандера направляют с помощью блока 65 переключения на регулируемые входные направляющие аппараты или сопла 57А, 57В турбодетандера 21. Пусковой клапан 55 постепенно приводят в полностью открытое состояние. Скорость вращения турбодетандера теперь регулируют с помощью выходного сигнала регулятора 59 скорости турбодетандера, подаваемого на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В, причем выходной сигнал определяют на основе сигнала скорости от датчика 61 скорости турбодетандера. Скорость турбодетандера поддерживают около скорости ω прогрева, при этом продолжается открывание пускового клапана 55. Постепенное закрывание регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В поддерживает турбодетандер при скорости ω прогрева или около нее. Так как регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В двух ступеней 21А, 21В турбодетандера могут быть соединены друг с другом, одиночный управляющий сигнал может быть достаточным для управления обоими регулируемыми входными направляющими аппаратами.
Согласно другим воплощениям, регулирование скорости турбодетандера можно переключить на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В до окончания интервала времени прогрева, так чтобы после истечения интервала времени прогрева регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В были частично закрыты, при этом пусковой клапан 55 был полностью открыт.
Когда пусковой клапан 55 полностью открыт, открывают впускной клапан 63 турбодетандера, а затем закрывают пусковой клапан 55 турбодетандера.
В других воплощениях можно использовать одинарный клапан вместо параллельных клапанов 55, 63. В таком случае описанный выше способ упрощается, и только один одинарный клапан регулируют для постепенного открывания до тех пор, пока не достигают полностью открытого состояния. В некоторых особенно упрощенных воплощениях схему с тремя клапанами 55, 63, 66 можно заменить одинарным клапаном. В таком случае описанный выше способ выполняют путем воздействия на одинарный клапан, которым управляют для постепенного движения от полностью закрытого состояния до полностью открытого состояния.
В течение описанной выше фазы компрессор 29 неподвижен или вращается с низкой скоростью, так как механическое соединение 31 с переменной скоростью установлено на минимум.
warm-up
warm-up
exp-operating
После истечения интервала Δt времени прогрева система готова для постепенного повышения скорости турбодетандера от скорости ω прогрева до его расчетной рабочей скорости ω. Регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В теперь частично закрыты в результате предыдущей фазы, и на них можно оказывать действие для увеличения скорости потока рабочей текучей среды через турбодетандер 21 и, таким образом, для ускорения турбодетандера 21.
Ускорение турбодетандера выполняют под управлением регулятора 59 скорости турбодетандера, оказывающего действие на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В, которые постепенно открывают. В течение ускорения турбодетандера 21 можно пропустить критическую скорость посредством подходящей функции пропуска зоны критической скорости.
Скорость компрессора также может возрастать, так как он механически соединен с осью турбодетандера 21 посредством механического соединения 31 с переменной скоростью.
Постепенное открывание регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В турбодетандера 21 в течение этой фазы пуска посредством регулятора 59 скорости турбодетандера увеличивает количество рабочей текучей среды, протекающей через турбодетандер 21. Первый регулятор 41 давления на входе поддерживает давление в коллекторе 22 турбодетандера на уровне заданной величины Р1 давления путем постепенного закрывания обводного клапана 47, уменьшая таким образом скорость обводного потока. Второй регулятор 43 давления на входе, имеющий заданное значение Р2 давления (давление на входе турбодетандера в установившемся режиме) ниже Р1, временно отключен.
min-comp-speed
В течение этой фазы пуска компрессор 29 ускоряют до минимальной рабочей скорости ω компрессора, которая может находиться в интервале приблизительно 20% - 70% от его проектной рабочей скорости, при этом обводной клапан 67 компрессора все еще открыт и поэтому компрессор находится в режиме полной рециркуляции. Данной скорости компрессора достигают благодаря настройке механического соединения 31 с переменной скоростью в течение пуска.
exp-operating
Управление скоростью компрессора активируют после того, как скорость турбодетандера была стабилизирована на ее расчетном рабочем значении ω. Если необходимо, скорость компрессора доводят до ее минимального рабочего значения путем настройки требования к механическому соединению 31 с переменной скоростью, при этом компрессор все еще работает в режиме полной рециркуляции (обводной клапан 67 компрессора полностью открыт).
min-comp-speed
После достижения минимальной рабочей скорости ωкомпрессора, которую регистрируют с помощью датчика 53 скорости компрессора, включают второй регулятор 43 давления на входе. Так как второй регулятор 43 давления на входе имеет заданное значение Р2 давления (давление на входе турбодетандера в установившемся режиме), которое ниже заданного значения Р1 давления для первого регулятора 41 давления на входе, второй регулятор 43 давления на входе вырабатывает управляющий сигнал, который вызывает уменьшение давления в коллекторе 22 турбодетандера. Этого достигают следующим образом.
exp-operating
Управляющий сигнал, вырабатываемый вторым регулятором 43 давления на входе, подают на регулятор 51 скорости компрессора. Последний оказывает действие на механическое соединение 31 с переменной скоростью, увеличивая скорость его выходного вала и, таким образом, энергию, передаваемую от турбодетандера 21 компрессору 29 через механическое соединение 31 с переменной скоростью. Скорость компрессора 29 увеличивается, а скорость турбодетандера 21 уменьшается. Снижение скорости турбодетандера определяют с помощью датчика 61 скорости турбодетандера. Сигнал, вырабатываемый датчиком 61 скорости турбодетандера, подают на регулятор 59 скорости турбодетандера, который вызывает постепенное открывание регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В, увеличивая скорость потока через турбодетандер и, таким образом, поддерживая скорость вращения турбодетандера на уровне расчетной рабочей скорости ω или около нее.
Увеличение скорости потока через турбодетандер 21, заданное постепенным открыванием регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В, вызывает снижение давления в коллекторе 22 турбодетандера до тех пор, пока не будет достигнуто давление Р2 на входе турбодетандера в установившемся режиме. Снижение давления в коллекторе 22 турбодетандера приводит к тому, что первый регулятор 41 давления на входе закрывает обводной клапан 47. Таким образом, после достижения давления Р2 на входе турбодетандера в установившемся режиме, то есть заданного значения давления для второго регулятора давления на входе, вся рабочая текучая среда, циркулирующая в нижнем низкотемпературном термодинамическом цикле в системы 5 с ОЦР, протекает через турбодетандер 21.
В ходе этого процесса обводной клапан 67 компрессора постепенно закрывают, и компрессор 29, расположенный в линии параллельно с компрессорами 11А, 11В, начинает обработку газовой среды, протекающей в трубопроводе.
comp-oper
exp-operating
Процесс продолжают до тех пор, пока скорость компрессора 29 не доводят до полной рабочей скорости ω компрессора, которая находится в пределах рабочего диапазона компрессора, обычно между минимальной и максимальной проектной рабочей скоростью. Для полного использования энергии, предоставляемой теплообменником утилизации отходящего газа, рабочую скорость можно установить на уровне максимальной проектной рабочей скорости (см. блок 69). Давление на входе турбодетандера поддерживают на уровне давления Р2 на входе турбодетандера в установившемся режиме, а скорость турбодетандера поддерживают на уровне 100% от его расчетной рабочей скорости ω.
Компрессор можно поместить под нагрузку путем закрывания обводного клапана 67 компрессора, и включают регулирование нагрузки компрессора.
exp-operating
Описанный выше способ регулирования осуществляют таким образом, что если изменяется энергия, поступающая от системы утилизации отходящего тепла, то скорость вращения турбодетандера поддерживают на уровне его расчетной рабочей скорости ω, при этом изменяют энергию, передаваемую посредством механического соединения 31 с переменной скоростью, что вызывает изменение скорости компрессора. Например, если снижается количество отходящего тепла, предоставляемого верхним высокотемпературным термодинамическим циклом, то давление в коллекторе 22 турбодетандера стремится к снижению, так как меньше тепловой энергии поступает в нижний низкотемпературный термодинамический цикл. Второй регулятор 43 давления на входе вырабатывает управляющий сигнал, который подают на регулятор 51 скорости компрессора. Последний, в свою очередь, вырабатывает сигнал, который уменьшает крутящий момент, доступный на выходном валу механического соединения 31 с переменной скоростью, уменьшая таким образом скорость компрессора. Наоборот, если поступает больше отходящего тепла, то это вызывает повышение давления во входном коллекторе 22 турбодетандера, что служит причиной выработки вторым регулятором 43 давления на входе сигнала, который подают на регулятор 51 скорости компрессора, а последний вырабатывает сигнал, который увеличивает крутящий момент, доступный на выходном валу механического соединения 31 с переменной скоростью, увеличивая таким образом скорость компрессора.
exp-operating
exp-operating
Изменение крутящего момента, необходимого для компрессора 29, на выходном валу механического соединения 31 с переменной скоростью, вызывает отклонение скорости вращения турбодетандера 21 от расчетной рабочей скорости ω турбодетандера. Контур регулирования скорости турбодетандера, содержащий датчик 61 скорости турбодетандера и регулятор 59 скорости турбодетандера, обеспечивает управляющий сигнал, который, воздействуя на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В, поддерживает скорость вращения турбодетандера на уровне расчетной рабочей скорости ω или около нее, противодействуя таким образом воздействию изменения крутящего момента, обусловленного сигналом, выработанным регулятором 51 скорости компрессора.
Согласно некоторым воплощениям, система управления системой 5 с ОЦР может содержать устройства, позволяющие системе справляться с запросами на быструю дифференциацию скорости потока, обрабатываемого посредством компрессора 29. Согласно воплощениям описанной в данном документе системы, если требуется понизить скорость компрессора, например, из-за пониженных требований от трубопровода 10, то можно обеспечить подачу соответствующего сигнала дифференциации с помощью блока 71 на селектор 73, который выбирает минимальный сигнал из сигнала дифференциации и сигнала от второго регулятора 43 давления на входе. Этот выбранный минимальный сигнал затем подают на регулятор 51 скорости компрессора. Таким образом, если требуется резкое уменьшение скорости потока из компрессора 29, то сигнал дифференциации имеет приоритет перед вторым регулятором 43 давления на входе и вызывает быстрое уменьшение скорости выходного вала механического соединения 31 с переменной скоростью. Это, в свою очередь, вызывает возрастание давления во входном коллекторе 22 турбодетандера выше Р1 и открывание обводного клапана 47 первым регулятором 41 давления на входе.
Согласно дополнительным воплощениям, систему управления можно дополнительно оборудовать устройствами, которые обеспечивают уменьшение скорости потока в турбодетандере, которое является более быстрым, чем то, которое получено так, как описано выше, например, если требуется быстрое уменьшение скорости потока.
Для этой цели между регулятором 51 скорости компрессора и регулятором 59 скорости турбодетандера можно обеспечить блок 75 регулирования с прямой связью. Сигнал уменьшения скорости потока от блока 71 в этом случае заставляет блок с прямой связью вырабатывать упреждающий управляющий сигнал, который имеет приоритет перед описанным выше способом регулирования скорости и который подают непосредственно на регулятор 59 скорости турбодетандера, который, в свою очередь, вырабатывает управляющий сигнал, который быстро закрывает регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В.
Согласно некоторым воплощениям, система управления также может содержать устройства, препятствующие падению давления на входе турбодетандера ниже минимального допустимого давления Р3, которое может быть, например, на 50 кПа (0,5 бар) меньше Р2. Согласно описанным в данном документе воплощениям, этого достигают с помощью селектора 62 и третьего регулятора 45 давления на входе. Последний имеет заданное значение давления Р3 ниже заданного значения давления Р2 второго регулятора 43 давления на входе. Если заданное значение давления Р2 составляет 3,95 МПа (39,5 бар), то заданное значение давления Р3 третьего регулятора 45 давления на входе может составлять, например, 3,9 МПа (39,0 бар).
Если давление во входном коллекторе 22 турбодетандера падает до Р3, например, из-за неправильной работы теплообменника 17 утилизации отходящего тепла или контура 7 теплообмена или же из-за снижения поступающего отходящего тепла, то третий регулятор 45 давления на входе вырабатывает управляющий сигнал, который подают на селектор 62. Последний выбирает наименьший сигнал из управляющих сигналов третьего регулятора 45 давления на входе и регулятора 59 скорости турбодетандера. Если третий регулятор 45 давления на входе регистрирует падение давления, то его сигнал имеет приоритет перед сигналом от регулятора 59 скорости турбодетандера и поступает с помощью селектора 62 на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В, вызывая быстрое уменьшение потока через турбодетандер 21.
Возможны альтернативные способы регулирования, как для пуска, так и для регулирования нагрузки. Дополнительное примерное воплощение способа регулирования описано ниже со ссылкой на схему, изображенную на Фиг. 4.
Элементы и компоненты, изображенные на Фиг. 4, соответствующие элементам и компонентам, изображенным на Фиг. 2 и 3, обозначены такими же номерами позиций. Далее будет дано краткое описание схемы системы воплощения, показанного на Фиг. 4. Затем будет подробно описана ее работа.
На Фиг. 4 показаны основные компоненты системы 5 с ОЦР в сочетании с примерной компоновкой устройств, используемых для регулирования ее ротационных машин. Турбодетандер 21 здесь показан как турбодетандер со встроенным редуктором, содержащий первую ступень 21А высокого давления и вторую ступень 21В низкого давления. Каждая ступень турбодетандера 21А, 21В содержит выходной вал 20А, 20В. Выходные валы 20А, 20В соединены с возможностью передачи приводного усилия с редуктором 21D. Энергию подают от турбодетандера 21 посредством выходного вала 21С турбодетандера на механическое соединение с переменной скоростью, которое снова обозначено как 31. Механическое соединение 31 с переменной скоростью, в свою очередь, соединено с компрессором 29.
На Фиг. 4 показаны первый регулятор 41 давления на входе и второй регулятор 43 давления на входе. Первый регулятор 41 давления на входе выполнен для регулирования обводного клапана 47, расположенного на обводном трубопроводе 49. Обводной трубопровод 49 соединяет входной коллектор 22 турбодетандера с рекуператором 23 или с конденсатором 25 в обход турбодетандера 21. Номер позиции 41А обозначает датчик давления, сигнал которого подают на первый регулятор 41 давления на входе. Номер позиции 43А обозначает датчик давления, сигнал которого подают на второй регулятор 43 давления на входе.
Первый регулятор 51А скорости компрессора и второй регулятор 51В скорости компрессора соединены с датчиком 53 скорости компрессора, который регистрирует скорость вращения выходного вала 31А механического соединения 31 с переменной скоростью. Первый регулятор 51А скорости компрессора может быть функционально соединен с пусковым клапаном 55. Второй регулятор 51В скорости компрессора соединен с селектором 62 сигнала низкого уровня. Выходной сигнал селектора 62 сигнала низкого уровня подают на регулируемые входные направляющие аппараты (ВНА) 57А, 57В первой ступени 21А высокого давления турбодетандера 21 и второй ступени 21В низкого давления турбодетандера 21. В других воплощениях, например, если обеспечен одноступенчатый турбодетандер, требуется только один набор сопел с регулируемыми входными каналами или входных направляющих аппаратов.
Также в воплощении, изображенном на Фиг. 4, регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В могут быть соединены таким образом, что ими можно управлять с помощью одного управляющего сигнала, например, выходного сигнала селектора 62 сигнала низкого уровня.
Номер позиции 59А обозначает первый регулятор скорости турбодетандера, который функционально соединен с датчиком 61 скорости турбодетандера и получает от него сигнал о скорости турбодетандера. В воплощении, изображенном на Фиг. 4, датчик 61 скорости турбодетандера регистрирует скорость вращения вала 21С. В других воплощениях датчик 61 скорости турбодетандера можно использовать для вала 20А и/или для вала 20В или для всех трех валов 20А, 20В и 21С.
Выходной сигнал регулятора 59А скорости турбодетандера можно выборочно подать, посредством блока 58 переключения, на пусковой клапан 55 турбодетандера.
Второй регулятор 59В скорости турбодетандера может получать сигнал от датчика 61 скорости турбодетандера. Выходной сигнал второго регулятора 59В скорости турбодетандера можно выборочно подать на механическое соединение 31 с переменной скоростью.
Согласно некоторым воплощениям, регулируемый впускной клапан 63 турбодетандера может быть расположен параллельно с пусковым клапаном 55 турбодетандера. В некоторых воплощениях также можно обеспечить двухпозиционный клапан 66, расположенный последовательно с впускным клапаном 63 турбодетандера и пусковым клапаном 55 турбодетандера. В других воплощениях можно использовать конструкцию с одним или двумя клапанами вместо системы с тремя клапанами 55, 63, 66.
Дополнительные элементы для регулирования работы системы 5 с ОЦР могут включать обводной клапан 67 компрессора, который соединяет нагнетательную сторону компрессора с всасывающей стороной компрессора, непосредственно или с помощью трубопровода рециркуляции газа, который не показан. Обводной клапан 67 компрессора может представлять собой противопомпажный клапан компрессора 29.
Блок 81 схематически представляет команду включения регулирования давления. Номера позиций 83, 85, 87 схематически представляют блоки выборочного включения/выключения определенных контуров регулирования в описанной системе. Блок 89 представляет программное обеспечение системы управления, которая управляет открыванием и закрыванием клапанов 63 и 66.
Теперь будет подробно описана работа системы, изображенной на Фиг. 4.
Начальные условия являются такими же, как ранее описаны в связи со способом, выполняемым системой, изображенной на Фиг. 3. Двухпозиционный клапан 66, пусковой клапан 55 и впускной клапан 63 турбодетандера закрыты. Обводной клапан 47 регулирует давление во входном коллекторе 22 турбодетандера под управлением первого регулятора 41 давления на входе. Регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В турбодетандера 21 предпочтительно полностью открыты. Механическое соединение 31 с переменной скоростью устанавливают на минимальной скорости. Обводной клапан 67 компрессора 29 полностью открыт.
Когда отходящее тепло поступает из верхнего высокотемпературного термодинамического цикла 3, рабочая текучая среда в нижнем низкотемпературном термодинамическом ОЦР системы 5 начинает нагреваться и в ней повышается давление. Когда давление во входном коллекторе 22 турбодетандера достигает пускового давления Р1, можно начать процедуру пуска. Клапан 66 полностью открывают, при этом впускной клапан 63 турбодетандера и пусковой клапан 55 закрыты. Вращение турбодетандера начинают под управлением первого регулятора 59А скорости турбодетандера, воздействующего на пусковой клапан 55, который постепенно открывают. Для этой цели включают контур регулирования скорости турбодетандера. Контур регулирования скорости турбодетандера может содержать датчик 61 скорости турбодетандера и первый регулятор 59А скорости турбодетандера. Блок 58 переключения схематически показывает возможность включения этого контура регулирования скорости турбодетандера. Сигнал от первого регулятора 59А скорости турбодетандера подают на пусковой клапан 55.
Вышеупомянутый контур 61, 59А регулирования скорости турбодетандера постепенно открывает пусковой клапан 55 турбодетандера, увеличивая таким образом скорость потока рабочей текучей среды, которая течет из входного коллектора 22 турбодетандера через турбодетандер 21. Регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В поддерживают частично открытыми или предпочтительно полностью открытыми.
warm-up
warm-up
Скорость вращения турбодетандера повышают до тех пор, пока не достигают скорости ω прогрева. Турбодетандер поддерживают при скорости прогрева в течение интервала Δt времени прогрева. Компрессор 29 либо неподвижен, либо медленно вращается, так как механическое соединение 31 с переменной скоростью установлено на минимальном значении скорости. На этом этапе не требуется никакого регулирования скорости компрессора, поэтому регулятор скорости компрессора не включен.
warm-up
warm-up
exp-operating
После истечения интервала Δt времени прогрева начинают ускорение турбодетандера 21 от скорости ω прогрева до его полной рабочей, то есть расчетной рабочей скорости ω. Ускорения достигают путем дальнейшего постепенного открывания пускового клапана 55, все еще под управлением первого регулятора 59А скорости турбодетандера.
exp-operating
После того, как была достигнута расчетная рабочая скорость ω турбодетандера 21, управление скоростью турбодетандера посредством пускового клапана 55 отключают и включают управление скоростью компрессора.
Управление скоростью компрессора функционирует на основе сигнала скорости от датчика 53 скорости компрессора, который является частью контура регулирования скорости компрессора, содержащего первый регулятор 51А скорости компрессора. В то время как регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В турбодетандера 21 поддерживают полностью открытыми, скорость компрессора повышают путем дальнейшего открывания пускового клапана 55, так что скорость потока рабочей текучей среды через турбодетандер 21 дополнительно повышается.
exp-operating
exp-operating
Чтобы предотвратить ускорение турбодетандера выше его расчетной рабочей скорости ω по мере того, как пусковой клапан 55 далее открывается, предусмотрен контур регулирования скорости турбодетандера, воздействующий на механическое соединение 31 с переменной скоростью, и его включают на этом этапе. Согласно некоторым воплощениям, контур регулирования скорости турбодетандера теперь содержит датчик 61 скорости турбодетандера и второй регулятор 59В скорости турбодетандера. Контур 59В, 61 регулирования скорости турбодетандера воздействует на механическое соединение 31 с переменной скоростью на основе сигнала скорости от датчика 61 скорости турбодетандера. Механическим соединением 31 с переменной скоростью управляют для повышения крутящего момента, передаваемого от турбодетандера 21 компрессору 29, увеличивая таким образом выходную скорость механического соединения 31 с переменной скоростью. Дополнительную энергию, доступную от турбодетандера 21 из-за повышения скорости потока рабочей текучей среды, вызванного продолжающимся постепенным открыванием пускового клапана 55, передают компрессору 29, что вызывает его ускорение, при этом поддерживая скорость турбодетандера 21 около расчетной рабочей скорости ω.
ехр-operating
Короче говоря, теперь включен двойной контур регулирования скорости. Контур регулирования скорости компрессора, содержащий датчик 53 скорости компрессора и первый регулятор 51А скорости компрессора, используют для постепенного открывания пускового клапана 55. Турбодетандер 21 поддерживают при его расчетной рабочей скорости ω с помощью контура регулирования скорости турбодетандера, содержащего датчик 61 скорости турбодетандера и второй регулятор 59В скорости турбодетандера. Последний, на основании действительной скорости турбодетандера, воздействует на механическое соединение 31 с переменной скоростью, увеличивая количество энергии, передаваемой компрессору 29.
min-comp-speed
min-comp-speed
Ускорение компрессора 29 продолжается до тех пор, пока не будет достигнута минимальная рабочая скорость ω компрессора. После того, как достигнута указанная минимальная рабочая скорость ω компрессора, завершают фазу пуска. Обводной клапан 67 компрессора все еще открыт, регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В турбодетандера 21 все еще полностью открыты. Давление во входном коллекторе 22 турбодетандера находится под управлением первого регулятора 41 давления на входе, установленного на пусковом давлении Р1. Часть рабочей текучей среды все еще пускают в обход через обводной трубопровод 49 и обводной клапан 47, которым управляют с помощью первого регулятора 41 давления на входе.
min-comp-speed
exp-operating
min-comp-speed
После того, как достигают минимальной рабочей скорости ω компрессора, пусковой клапан 55 быстро приводят в его полностью открытое положение. Контур 61, 59В регулирования скорости турбодетандера поддерживает скорость вращения турбодетандера 21 на расчетной рабочей скорости ω турбодетандера путем воздействия на механическое соединение 31 с переменной скоростью. Управление скоростью компрессора теперь принимает на себя второй регулятор 51В скорости компрессора, который поддерживает скорость компрессора 29 на минимальной рабочей скорости ω компрессора, воздействуя на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В.
Когда пусковой клапан 55 турбодетандера полностью открыт, открывают впускной клапан 63 турбодетандера, а затем полностью закрывают пусковой клапан 55 турбодетандера. Рабочую текучую среду теперь подают в турбодетандер 21 через клапаны 63, 66. Можно использовать различную последовательность открывания и закрывания клапанов, в случае если используют различную компоновку клапанов, как было упомянуто ранее в связи с Фиг. 3.
min-comp-speed
comp-oper
Обводной клапан 47 все еще по меньшей мере частично открыт. Рабочая текучая среда течет частично через турбодетандер 21 и частично через обводной трубопровод 49. Полного потока через турбодетандер 21 достигают на следующем этапе, которая будет описана далее, в течение которой компрессор 29 ускоряют от минимальной рабочей скорости ω компрессора до полной рабочей скорости ω компрессора.
min-comp-speed
После того, как скорость компрессора возрастает выше минимальной рабочей скорости ω компрессора, обводной клапан 67 компрессора можно постепенно закрывать, так что компрессор 29 включают в линию параллельно с компрессорами 11А, 11В, и он начинает обрабатывать газовую среду в трубопроводе 10.
Конечный этап ускорения компрессора выполняют под управлением контура регулирования скорости компрессора, содержащего датчик 53 скорости компрессора и второй регулятор 51В скорости компрессора, и контура регулирования давления, содержащего второй датчик 43А давления на входе и второй регулятор 43 давления на входе. Оба контура регулирования воздействуют на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В посредством селектора 62 сигнала низкого уровня.
min-comp-speed
comp-oper
Выходной сигнал от второго регулятора 51В скорости компрессора теперь подают на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В турбодетандера 21. Так как действительная скорость компрессора составляет ω и ее необходимо увеличить до достижения полной рабочей скорости ω компрессора, второй регулятор 51В скорости компрессора вырабатывает сигнал, направленный на дальнейшее открывание регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В турбодетандера 21, так чтобы предоставить больше энергии, благодаря повышенному потоку рабочей текучей рабочей среды через турбодетандер 21, чтобы увеличить скорость компрессора. В случае, если давление, регистрируемое вторым датчиком 43А давления на входе, падает ниже второго заданного значения Р2 давления на входе для второго регулятора 43 давления на входе, то открывание регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В ограничивают с помощью регулятора 43 давления на входе через селектор 62 сигнала низкого уровня.
exp-operating
Контур регулирования скорости турбодетандера, содержащий датчик 61 скорости турбодетандера и второй регулятор 59В скорости турбодетандера, препятствует ускорению турбодетандера 21 выше его расчетной рабочей скорости ω. Этого достигают с помощью контура 61, 59В регулирования скорости турбодетандера, воздействующего на механическое соединение 31 с переменной скоростью, так что повышенную энергию, ставшую доступной в результате открывания регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В под управлением второго регулятора 51В скорости компрессора и второго регулятора 43 давления на входе, передают на вал 31А для ускорения компрессора 29.
В то же время второй регулятор 43 давления на входе вырабатывает сигнал, который предназначен для поддержания давления во входном коллекторе 22 турбодетандера на уровне давления Р2 на входе турбодетандера в установившемся режиме, то есть заданного значения давления для второго регулятора 43 давления на входе, предотвращая падение давления на входе турбодетандера ниже второго заданного значения Р2 давления. Так как Р2 ниже заданного значения Р1 давления для первого регулятора 41 давления на входе, последний закрывает обводной клапан 47. Вся рабочая текучая среда теперь течет через турбодетандер 21.
comp-oper
Таким образом, в течение этой фазы сигнал от второго регулятора 43 давления на входе подают на селектор 62 сигнала низкого уровня, куда также подают сигнал от контура регулирования скорости компрессора. Наименьший из двух сигналов, полученных селектором сигнала низкого уровня, используют для управления регулируемыми входными направляющими аппаратами 57А, 57В. Второй регулятор 51В скорости компрессора будет вырабатывать сигнал, предназначенный для ускорения компрессора до полной рабочей скорости ω компрессора, при этом его воздействие будет уравновешиваться управляющим сигналом от второго регулятора 43 давления на входе, если давление во входном коллекторе 22 турбодетандера имеет тенденцию к падению ниже заданного значения давления Р2.
Согласно некоторым воплощениям, в условиях установившегося режима активны два регулятора и они могут выборочно воздействовать на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В турбодетандера 21. Первый регулятор представляет собой второй регулятор 43 давления на входе, который регулирует давление во входном коллекторе 22 турбодетандера. Другой регулятор представляет собой второй регулятор 51В скорости компрессора. Сигналы обоих регуляторов подают на селектор 62 сигнала низкого уровня. Согласно некоторым воплощениям, селектор 62 сигнала низкого уровня выбирает наименьший из двух сигналов регуляторов, который затем используют для воздействия на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В турбодетандера.
Если, например, энергия, поступающая из верхнего высокотемпературного термодинамического цикла, уменьшается, то падение давления во входном коллекторе 22 турбодетандера, регистрируемое вторым регулятором 43 давления на входе, обеспечит сигнал, предназначенный для уменьшения падения давления путем закрывания регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В турбодетандера 21. Если больше энергии поступает из верхнего высокотемпературного термодинамического цикла, то вызванное этим увеличение давления во входном коллекторе 22 турбодетандера будет зарегистрировано вторым регулятором 43 давления на входе, который будет вырабатывать противоположный управляющий сигнал, предназначенный для уменьшения возрастания давления путем открывания регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В.
В то же время, флуктуации скорости компрессора регистрируются датчиком 53 скорости компрессора, в результате чего второй регулятор 51В скорости компрессора будет вырабатывать управляющий сигнал. Этот сигнал предназначен для того, чтобы вызвать открывание или закрывание регулируемых входных направляющих аппаратов 57А, 57В для соответствующего увеличения или уменьшения скорости компрессора.
Когда два управляющих сигнала от второго регулятора 43 давления на входе и второго регулятора 51В скорости компрессора подают на селектор 62 сигнала низкого уровня, последний выбирает наименьший из двух сигналов, который окончательно подают на регулируемые входные направляющие аппараты 57А, 57В.
comp-oper
В случае необходимости скорость компрессора можно корректировать до значений скорости, которые выше или ниже полной рабочей скорости ω компрессора. Например, скорость компрессора можно корректировать, чтобы соответствовать (или способствовать соответствию) конкретным технологическим условиям в трубопроводе 10, с которым соединен компрессор, например, условиям, обусловленным увеличением или уменьшением потока или давления в коллекторе трубопровода.
Хотя описанные воплощения объекта изобретения, описанного в данном документе, были показаны на чертежах и полностью, тщательно и подробно описаны выше в связи с несколькими примерными воплощениями, специалистам ясно, что возможно множество модификаций, изменений и исключений без существенного отклонения от новых идей, принципов и подходов, изложенных в данном документе, и преимуществ объекта изобретения, перечисленных в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, надлежащие рамки описанных нововведений необходимо определять только путем наиболее широкой интерпретации прилагаемой формулы изобретения так, чтобы включить все такие модификации, изменения и исключения. Кроме того, порядок или последовательность любых технологических этапов или этапов способа можно изменять или переупорядочивать согласно альтернативным воплощениям.