專利名稱：基于有機郎肯循環的能量生產設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于有機郎肯循環(ORC)的能量生產設備，特別地，涉及包括多個使用特定渦輪機的級聯ORC系統的能量生產設備。
背景技術：
如所已知的，ORC設備為通常用于同時生產電能和熱能的系統，熱能可以以溫度為60-90°C的水的形式獲得。有機郎肯循環類似于傳統蒸汽渦輪機使用的循環，不同之處在于工作流體，其通常為具有高分子量的有機流體。典型的ORC設備基本上由泵、渦輪機和ー些換熱器構成。有機工作流體通過使用熱源在蒸發器中蒸發。有機流體的蒸汽在渦輪機中膨脹，然后通常利用換熱器中的水流來冷凝。冷凝的液體最終通過泵傳送回到蒸發器中，因而使循環閉合。為了提高ORC設備的 產率，可能設想使用蓄熱器。在該情況下，離開渦輪機的流體在冷凝之前穿過蓄熱器，并且在冷凝后被泵送到蓄熱器中；在所述蓄熱器中，在被傳送到蒸發器之前，所述流體由離開渦輪機的流體預熱。通常，這些ORC設備用于使用來自大范圍的エ業過程和能量產生過程(熱電聯產發動機和渦輪機、所有類型的加熱爐、石油化工設備的畑 、天然地熱源)的廢流體，其特征是可能具有很高的溫度躍變，而且通常流量有限，或流量在任何情況下隨時間改變，或具有高流量但是溫度等級低。用于有機流體蒸發的能量載體通常為導熱油(溫度高于300°C的礦物油或合成油)，或者水——對于使用冷凝水的情況。此外，使用導熱油還避免了使用高壓鍋爐。工作流體通常由有機化合物或有機化合物的混合物構成，特征是高分子量。根據可用熱源的溫度進行所用有機流體的選擇，以優化熱力學循環的產率。另外，通常還必須根據有機流體的特性和工作條件設計渦輪機。因此，明顯的是，ORC系統的應用受到很多限制，并且受到來自作為主要能量源的可用熱源、來自ー個或多個溫度水平(熱源的質量)和熱負荷的穩定性和/或隨時間的相對變化性的重要方面的約束。此外，明顯的是，考慮到如前面提到的，有機工作流體和渦輪機特性的選擇明顯取決于操作條件，因此目前的ORC系統對于不同的操作條件不具有靈活性和適應性。
發明內容
因此，本發明的目的是提供ー種用于基于有機郎肯循環(ORC)生產電能的設備，其將能夠消除或減少前述缺陷。特別地，本發明的目的是提供一種用于生產電能的ORC式設備，其能夠實現所生產的電能的產率的最大化。本發明的另ー個目的是提供一種用于生產電能的ORC式設備，其能夠容易地適用于不同的工作條件。
本發明的又一個目的是提供一種用于生產電能的ORC式設備，其能夠甚至在初級流(primary flow)效率下降的過程中仍保持最佳的產率特性。本發明的又一個目的是提供一種用于生產電能的ORC式設備，其只有很少的幾個部件，并且易于以具有競爭力的成本生產。根據本發明，上述目的通過基于有機郎肯循環(ORC)的能量生產設備實現，所述設備的特征在于，其包括第一 ORC系統，所述第一 ORC系統包括第一有機操作流體，其依次在處于與熱源換熱狀態下的第一蒸發器、可操作地連接到發電機的渦輪機中的第一膨脹站、第一蒸發器/冷凝器和用于將所述第一有機工作流體再循環到所述第一蒸發器的第一泵之間循環。根據本發明的設備的又一個獨特的特征是，所述渦輪機為可偏向渦輪機(partializable turbine),包括用于使所述有機工作流體的進入流量偏向的偏向裝置,所述偏向裝置設計成用于使所述進入流量偏向，以保持所述渦輪機的轉速恒定。 優選地，根據本發明的能量生產設備包括第二 ORC系統，所述第二 ORC系統包括第二有機工作流體，其依次在所述第一蒸發器/冷凝器、可操作地連接到一發電機的一渦輪機中的第二膨脹站、第二蒸發器/冷凝器和用于將所述第二有機工作流體再循環到所述第一蒸發器/冷凝器的第二泵之間循環，對于所述膨脹站中的每一個，所述渦輪機均包括使所述有機流體的進入流量偏向的偏向裝置。與已知類型的ORC系統相比較，根據本發明的設備能夠實現相當多的一系列優點。實際上，在多級有機郎肯循環的情況下，所述系統的特征在于，一系列連續的焓躍變，其不是由渦輪機的轉子-定子組件中的單一流體提供的(例如在渦輪機的多級中，在不同壓力水平下膨脹的水蒸汽)，而是由多種流體提供，每一種流體都在其自己的渦輪機內、在多個壓力和溫度水平下工作，每個渦輪機都軸向對準地或平行地連接到用于其他流體的渦輪機，并且與其一起構成所述系統。所述設備因此包括所謂的初級(primary)流體，其與所述熱源接觸，并且包括適當數量的第二流體，其以之前的流體的冷凝使接下來的流體蒸發的方式排序，以回收得自所述源的能量的最大可能量，使其進入環境中的部分最小。所述熱源的質量的限制(例如低焓水平)顯然規定了技術應用的限制。冷卻流體的可用性和溫度相反則限定下限級，能夠通過將有機流體和二元混合物用于低溫應用，將末級渦輪機排出物擴大到理論上低于熱力學零的水平。通過示例，對于最常見的高溫低流量能量源的示例，優選初級回路的操作流體具有相當高的分子量，以充分利用排出口處可能存在的高溫(通常500-900°C)。但是，所述流體的流量在該情況下受有效可用熱功率限制，并且該情況是對由初級流體產生的功率的第一限制因素。較不重要的第二因素是，流體自身的分子量。高分子量，其有利地能夠跟隨熱源的高溫，證明是渦輪機中從焓躍變和冷凝溫度來說的不利因素。例如，如果蒸發器處的該流體在不過高的壓力(20-40巴)下能夠在非常高的溫度(250-350°C )下蒸發，則在冷凝器處，雖然在遠高于I巴的壓力下，仍在較高的溫度下，在160-250°C的區域中出現蒸發。因此，使用第一操作流體的情況下，在低流量和渦輪機中的有限的焓躍變下，在該區域中可通常獲得排出口處的功率的15%的低功率。但是，經受冷凝的初級流體的仍非常高的溫度，及其選擇用于換熱的具有非常高的傳熱系數的相使得能夠使用第二工作流體，其將完全或部分回收第一流體的冷凝熱，并且將進行一獨立的郎肯循環，產生進ー步的大量的電能。實際上，假設前面提到的15%的值為初級循環的產率，則意味著在IOOkW用于第一流體的輸入下，還剩余85kW可用于第二有機工作流體。選擇具有例如對于在較低操作溫度下以及類似于第一流體的那些的壓カ范圍工作最佳的特性的第二有機工作流體，則所述流體將在較低的等溫線下工作，確保在任何情況下具有類似的產率。再次假設15%的回收率，意味著，由可用的85kW功率可再獲得12. 75kff的功率，總共27. 75kff的功率，這是僅使用兩種級聯流體工作的設備的熱產率。因此，將所述概念外推，則可容易地設想使用第三流體，或一般地，第η流體的可能，所述流體以級聯方式工作，即如已經所述的，在前面的流體冷凝的作用下蒸發，優化整個過程，將由末級冷凝產生的熱限制到最小，所述熱為隨后將排出至環境中的熱，因而最大化總產率。在根據本發明的能量生產設備中，優選地，對于所述多級中的每ー級而言，用于使所述有機工作流體的進入流量偏向的偏向裝置包括由相應的有機工作流體驅動的液壓裝 置。另外，有利地，所述可偏置渦輪機為多級渦輪機，具有單個軸或多個軸，所述多個軸軸向對準或具有平行軸線。根據本發明的能量生產設備的優選實施例設想所述熱源將包括蓄熱裝置。例如，所述蓄熱裝置可包括耐熱物料蓄熱系統或熔融鹽閉合電池回路。根據本發明的能量生產設備的又ー個優選實施例設想，所述熱源包括用于整合可用能量的裝置。例如，用于整合可用能量的所述裝置包括熱力學太陽能系統。根據本發明的能量生產設備的ー個特定實施例設想，所述渦輪機和所述發電機之間存在機械連接裝置。所述渦輪機和所述發電機之間的所述機械連接裝置例如包括設置在所述渦輪機的軸和所述發電機的軸之間的減速器、飛輪調節器和制動器。根據本發明的能量生產設備的ー個可替代實施例設想，可替代地，所述渦輪機直接連接到所述發電機，所述設備還包括用于轉變所述發電機的輸出電壓的電子裝置。
根據基于有機郎肯循環(ORC)的能量生產設備的優選但不排他的實施例(其以非限制性示例在附圖中示出)的描述，本發明的其他特征和優點將變得明顯，附圖中圖I顯示了根據本發明的設備的一般實施例的示意圖；圖2顯示了根據本發明的設備的第一特定實施例的示意圖；圖3顯示了根據本發明的設備的第二特定實施例的示意圖；圖4顯示了根據本發明的設備中的渦輪機和發電機之間的機械連接裝置的第一實施例的不意圖；和圖5是根據本發明的設備的到電網干線的連接裝置的實施例的示意圖。
具體實施方式
參照附圖，根據本發明的基于有機郎肯循環(ORC)的能量生產設備整體以附圖標記I標示，以其更一般的實施例在圖I中示出，其包括至少一個第一 ORC系統10。所述第一 ORC系統10則包括第一有機工作流體，所述第一有機工作流體依次在處于與熱源2熱交換條件下的第一蒸發器11、可操作地連接到發電機4的渦輪機中的第一膨脹站12、第一蒸發器/冷凝器13和用于使所述第一有機工作流體再循環到所述第一蒸發器11的第一泵14之間循環。優選地，如圖2中所示，根據本發明的能量生產設備I包括第二 ORC系統20，所述第二 ORC系統20則包括第二有機工作流體，所述第二有機工作流體依次在所述第一蒸發器/冷凝器13、可操作地連接到發電機5的渦輪機中的第二膨脹站22、第二蒸發器/冷凝器23和用于使所述第二有機工作流體再循環到所述第一蒸發器/冷凝器13的第二泵24之間循環；對于所述站12和22中的每一個，所述渦輪機包括用于將所述有機流體的進入流量偏向(partializing)的偏向裝置。
基本上，如已經提到的，所述設備包括至少兩個有機工作流體，其以級聯方式工作(即第一流體的冷凝使得第二流體蒸發)，優化了整個過程，將由末級冷凝產生的熱限制到
最小值。換句話說，使用該方案，閉合回路有機郎肯循環利用初級能量源將第一流體轉變為蒸汽，渦輪機中的膨脹將由蒸汽積蓄的該熱能轉變為動能，所述動能則將變成電能。在級聯方式中，冷凝器變為第二流體的初級能量源，并且因此變成用于可能的第三級和后續級的初級能量源。通過應用附圖2中所示的原理，實際上可能將該概念延伸到包括第三ORC系統的設備中，所述設備包括第三有機工作流體，其依次在所述第二蒸發器/冷凝器、可操作地連接到相應的發電機的渦輪機中的第三膨脹站、第三蒸發器/冷凝器和用于使所述第一有機工作流體再循環到所述第二蒸發器/冷凝器的第三泵之間循環。這樣，大體上，該原理可延伸到包括η個另外的ORC系統的設備。根據本發明的設備I的一個獨特的特征是，所示渦輪機為可偏向渦輪機(partializable turbine),并且包括將所述有機工作流體的進入流量偏向的裝置。特別地，所述偏向裝置設計成用于使所述入口流量偏向，以保持所述渦輪機的轉速恒定。實際上已經看到，使用上面所述類型的渦輪機，甚至在初級流效率下降過程中仍能保持最佳產率特性。由于流量的自動偏向，因此實際上渦輪機的轉速保持恒定，這是對于獲得最大產率非常重要的方面。實際上，通過控制進入流量而使軸的轉速保持恒定的渦輪機的偏向能夠使電產出水平保持恒定，而與負荷無關，因而有助于在上游遇到的每一種情況下的熱能量源的最大利用。級聯式方法的應用在每種換熱性質和動力流體的特性方面發現都是合理的。實際上，明確的是，假設所述系統與廢流體相互作用，則所述系統的第一換熱器、具有最高熱焓的初級流體的蒸發器是最重要的，所述廢流體總是代表低換熱系數、高腐蝕性和不恒定的流量。使用級聯系統，可能在該第一換熱器中集中熱回收過程，就效率和成本而論，所述第一換熱器構成整個循環的中心元件。隨后的冷凝器-蒸發器由于級聯的功能邏輯和采用的流體的性質而在交換效率和所需設計及制造材料性質方面受益，因而具有小的表面，因此降低成本。優選地，用于使所述有機工作流體的進入流量偏向的偏向裝置包括由相應的有機工作流體驅動的液壓裝置。以該方式，利用有機流體自身的壓カ變化，調節到所述有機工作流體的入口處的流量。另外，有利地，所述可偏向渦輪機可以是具有單個軸或多個分開的軸(其軸向對準或具有多個平行軸線)的多級渦輪機。圖3中示出的根據本發明的能量生產設備I的特定實施例的特征在于所述熱源2包括蓄熱裝置6。在本發明的設備用于在短時間內產生間歇式廢水的エ業過程的情況下，實際上可能需要將熱流穩定在與所述設備的分段調控相當的水平。
因此可能出現以下情形方便了通過再利用其一部分來限制負荷以優化與基本生產過程相關的消耗；如果不嚴格需要下游ORC単元的調節，則方便了可獲得熱的部分積蓄、以用于將熱流穩定在均一水平。通過使用蓄熱裝置6-其包括例如耐火物料蓄熱系統(refractory-mass
accumulation system)或溶融鹽閉合回路電池(molten-salt closed-circuit battery),則可能保持熱源2的有保證的平均熱水平，以優化的方式管理上面所述的情形。對于低的熱功率，從經濟和維護角度看具有低影響的耐火物料蓄熱系統是優選的。在該情況下，熱處理流體穿過耐火物料，直到其自己的熱負荷減小到高溫蒸發器的輸入端的值。當廢流體的流量減小和/或大約停止時，致動在蓄熱室和蒸發器之間的熱空氣的閉合回路循環(或氣體自身的再循環)。對于該類型的應用，最佳蓄熱溫度范圍在200°C和400°C之間。對于高功率，蓄熱系統可有利地基于閉合回路熔鹽電池——而且也根據按照可回收的有效熱容量以及因此相應的發電量所需的蓄熱槽的投資的經濟方面的考慮。熔融鹽的侵蝕性要求將混合物(硝酸鹽和硝酸鈉、鉀和鈣)的溫度限制到400-450°C的值，以能夠將低成本材料用于換熱器和槽。而且，為了防止鹽和源流體的侵蝕作用的組合，使用透熱式(diathermic type)的中間載體流體(vector fluid)是有利的。最后，選擇確保對于粘性流體具有低熱損耗的換熱器技術(“EM-Baffle ”技術等)來完成系統的要求。圖3中示出的根據本發明的能量生產設備I的又ー個特定實施例想到了所述熱源2包括用于整合可用能量的裝置7。如其他蓄熱系統ー樣，使用耐火物料系統和熔融鹽系統實際上可能整合可用功率，以確保有機郎肯循環中的熱焓躍變。所述整合可通過再利用所生產的電功率的一部分來穩定所述循環和/或實現其最大熱力學產率而獲得。同樣可能通過根據一天中的時間和需求使用并聯源來提高絕對功率。特別地，在需求高峰過程中，例如可使用用于熱力學太陽能板的技術來充分提高可用流量。能量整合裝置與功率積蓄裝置的連接確保了整個循環的最大靈活性，其適當地采用之前在級聯多級有機郎肯循環情況下示出的潤輪機的分步操作(stepwise operation)。蓄熱裝置6和整合裝置7實際上都可以有利地用于包括圖2所示類型的多個有機郎肯式循環的設備。根據本發明的能量生產設備I可還包括用于電轉換即用于將由渦輪機產生的動能轉變為電能的裝置。例如，參照附圖4，根據本發明的能量生產設備I可在所述渦輪機和所述發電機4、5之間有利地包括機械連接裝置8。所述機械連接裝置8可例如包括設置在所述渦輪機的軸84和所述發電機4，5的軸85之間的減速器81。所述減速器81可例如為行星式減速器，以確保渦輪機到發電機(交流發電機)的轉速減小，因而保持正確的頻率來將產生的能量輸出到電網干線。而且，減速器81有利地包括能夠保持整個系統的正確工作點的所有元件(例如飛輪調節器82和制動器83)。與電網干線的連接可通過變壓器86和/或用于與所述電網干線同步的其他裝置實現。
或者，如圖5中所示，所述渦輪機直接連接到所述發電機4，5。例如，所述渦輪機可直接連接到(同步或異步)馬達，不再使用之前描述的整個機械模塊。在該情況下，所述裝置可在四個象限中(Vxl > I ；Vxl < I)用作進入渦輪機暫態和從渦輪機暫態離開的馬達以及發電機。在該情況下，存在電子裝置9——例如AC/DC轉換器，用于連續轉換由于與渦輪機直接連接而產生的高頻電壓(頻率遠高于50Hz)；以及DC/AC轉換器，用于獲得正確的輸出電壓，其具有用于輸入電網干線的適當的同步特性。可同樣有利地設置變壓器裝置91。從前面描述清楚的是，根據本發明的能量生產設備完全實現了預設任務和目的。渦輪機的偏向實際上響應于可根據預定步驟改變的熱負荷的情況，其中，功率的使用的可替代操作選項是可用的，或更直接地用于適應需求的降低，而不管所述降低的開始點。所述應用因此構成有效響應，例如在連接到偏向發電機(partializable generator)的熱電聯產的情況下，所述循環可自身進行步進加載(減小到小于名義尺寸的50%的最小值)，和/或能夠提高總電產率，以指定可用于所述生產的全部熱負荷(例如在非冬天時間或非主要對三聯產感興趣情況下，不使用或減少使用熱水/蒸汽)。此外，與第二熱源(例如太陽能聚集源)的結合能夠在其最大功率水平下利用渦輪機，降低初級消耗，或僅提高需求增加時期的總電產率。最后，功率積累能夠及時平衡生產，并且再次地，在需求增加時期，在有效可得的功率限制內最大化產率。因此可從前面所述可說明，可從來自廢物和/或任何天然的中到低絕對功率的熱源最大化電能產率的計算和經濟角度，以理性的方式提出根據本發明的能量生產設備，特別地，當其將積累整合設備下游的級聯有機郎肯循環與可偏向的渦輪機結合時。根據前面所述，對于本領域普通計算人員來說，其他特征、修改形式或改進方式是可能的并且明顯的。所述特征、修改形式和改進方式因此應視為形成本發明的一部分。實際上，所用的材料以及可能的尺寸和形狀根據要求和本領域的狀態可以是任意的。
權利要求
1.一種基于有機郎肯循環(ORC)的能量生產設備(I),其特征在于,該設備包括第一ORC系統(10)，所述第一 ORC系統包括第一有機工作流體，所述第一有機工作流體依次在處于與熱源(2)換熱情況下的第一蒸發器(11)、可操作地連接到發電機(4)的渦輪機中的第一膨脹站(12)、第一蒸發器/冷凝器(13)和用于使所述第一有機工作流體再循環到所述第一蒸發器(11)的第一泵(14)之間循環；所述渦輪機為可偏向渦輪機，并且包括用于使所述第一有機工作流體的進入流量偏向的偏向裝置，所述偏向裝置設計成用于使所述進入流量偏向，以保持所述渦輪機的轉速恒定。
2.根據權利要求I的能量生產設備(1)，其特征在于，用于使所述第一有機工作流體的進入流量偏向的所述偏向裝置包括由相應的有機工作流體驅動的液壓裝置。
3.根據權利要求I或權利要求2所述的能量生產設備(I)，其特征在于，所述能量生產設備包括第二 ORC系統(20)，所述第二 ORC系統包括第二有機工作流體，第二有機工作流體依次在所述第一蒸發器/冷凝器(13)、可操作地連接到發電機(5)的渦輪機中的第二膨脹站(22 )、第二蒸發器/冷凝器(23 )和用于使所述第二有機工作流體再循環到所述第一蒸發器/冷凝器(13)的第二泵(24)之間循環；對于所述第一和第二膨脹站(12，22)中的每一個，所述渦輪機包括使所述第一和第二有機工作流體的進入流量偏向的偏向裝置。
4.根據前述權利要求中一項或多項所述的能量生產設備(1)，其特征在于，所述可偏向渦輪機為多級渦輪機，其具有單個軸或多個軸，所述多個軸軸向對準或具有平行軸線。
5.根據前述權利要求中一項或多項所述的能量生產設備(1)，其特征在于，所述熱源(2)包括蓄熱裝置(6)。
6.根據權利要求5所述的能量生產設備(I)，其特征在于，所述蓄熱裝置(6)包括耐熱物料蓄熱系統或閉合回路熔融鹽電池。
7.根據前述權利要求中一項或多項所述的能量生產設備(I)，其特征在于，所述熱源(2 )包括用于整合可用能量的整合裝置(7 )。
8.根據權利要求7所述的能量生產設備(I)，其特征在于，所述用于整合可用能量的整合裝置(7)包括熱力學太陽能系統。
9.根據前述權利要求中一項或多項所述的能量生產設備(1)，其特征在于，所述能量生產設備包括用于所述渦輪機和所述發電機(4，5 )之間的機械連接的機械連接裝置(8 )。
10.根據權利要求9所述的能量生產設備(I)，其特征在于，所述渦輪機和所述發電機(4，5)之間的所述機械連接裝置(8)包括設置在所述渦輪機的軸(84)和所述發電機(4，5)的軸(85)之間的減速器(8)、飛輪調節器(82)和制動器(83)。
11.根據權利要求I到8中一項或多項所述的能量生產設備(1)，其特征在于，所述渦輪機直接連接到所述發電機(4，5)，所述能量生產設備(I)包括用于轉變所述發電機(4，5)的輸出電壓的電子裝置(9 )。
全文摘要
本發明公開了一種基于有機郎肯循環(ORC)的能量生產設備。該設備包括第一ORC系統，所述第一ORC系統包括第一有機工作流體，所述第一有機工作流體依次在處于與熱源換熱情況下的第一蒸發器、可操作地連接到發電機的渦輪機中的第一膨脹站、第一蒸發器/冷凝器和用于使所述第一有機工作流體再循環到所述第一蒸發器的第一泵之間循環。所述渦輪機為可偏向渦輪機，并且包括用于使所述第一有機工作流體的進入流量偏向的偏向裝置，所述偏向裝置設計成用于使所述進入流量偏向，以保持所述渦輪機的轉速恒定。
文檔編號F01K23/04GK102834590SQ201180015672
公開日2012年12月19日 申請日期2011年3月9日 優先權日2010年3月25日
發明者科斯坦佐·佩里科, 埃內斯托·納西尼, 馬爾科·羅托利 申請人:科斯坦佐·佩里科, 埃內斯托·納西尼, 馬爾科·羅托利