用于涡轮膨胀机中的可变几何形状入口喷嘴的方法和系统

摘要

本发明涉及用于涡轮膨胀机中的可变几何形状入口喷嘴的方法和系统，具体而言，提供了用于功率发生的方法和系统，其包括带有至少两个膨胀级的涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机连接在功率发生单元上。该系统包括控制器，其配置成控制(i)设于涡轮膨胀机的第一膨胀级入口处的第一入口导向叶片的角度，以便将第一膨胀级的入口压力保持在预定的范围内，以及(ii)设于涡轮膨胀机的第二膨胀级入口处的第二入口导向叶片的角度。控制器配置成从所确定的功率发生单元的功率确定最高功率和相应的第二入口导向叶片的角度，并独立于第一入口导向叶片的角度而调整第二入口导向叶片的角度以达到最高功率。

说明书

技术领域

本文公开的主题实施例一般地涉及功率发生系统，且更特别地涉 及涡轮膨胀机。

背景技术

兰金循环在闭式循环中使用工作流体，以便收集来自加热源或储 热器中的热量，并产生通过涡轮而膨胀的热气流，从而产生功率。膨 胀流在冷凝器中通过将热量传递给储冷器而冷凝，并且再次用泵加压 至加热压力从而完成循环。功率发生系统例如燃气轮机或往复式发动 机(初级系统)产生热的排气，其或者用于后续功率生产过程(通过次级 系统)或作为废热损失于环境中。例如可在废热回收系统中回收大型发 动机的排气，用于生产额外的功率，从而提高整个系统效率。图1中 显示了在兰金循环中操作的普通废热功率发生系统。

功率发生系统1包括热交换器2(也被称为锅炉或蒸发器)、涡轮膨 胀机4、冷凝器6和泵8。在操作过程中，从热交换器2开始，外部 热源10(例如热的烟道气)加热热交换器2。这造成所接收的加压液体 介质12转化成加压蒸气14，其流向涡轮膨胀机4。涡轮膨胀机4接 收加压蒸气流14，并可随着加压蒸气膨胀而产生功率16。由涡轮膨 胀机4释放的膨胀的低压蒸气流18进入冷凝器6，冷凝器6使膨胀的 低压蒸气流18冷凝成低压液体流20。然后低压液体流20进入泵8， 泵8产生高压液体流12，并保持闭环系统流动。然后高压液体流12 流入热交换器2中，以继续该过程。

可用于兰金循环中的一种工作流体是有机工作流体。此类有机工 作流体被称为有机兰金循环(ORC)流体。ORC系统已经作为用于发动 机的改型以及小型和中型燃气轮机而被部署，用于捕获来自热烟道气 流的废热。此废热可用于次级功率发生系统中，从而在由产生热的烟 道气的发动机单独传送的功率之上还产生高达额外20％的功率。

因为此类碳氢化合物流体如果直接暴露于高温(～500摄氏度)燃气 轮机排气流下会降解和/或点燃的问题，需要采取措施以限制包含ORC 工作流体的蒸发器中的热交换表面的表面温度。当前用于限制包含 ORC工作流体的蒸发器中的热交换表面的表面温度的方法是将中间 热油环路引入到热交换系统中，即避免ORC液体循环而穿过燃气轮 机的排气烟囱。在热的烟道气和可蒸发的ORC流体之间可使用中间 热油环路作为中间热交换器的一部分。

如上所述，在功率发生系统中使用了涡轮膨胀机4。涡轮膨胀机 4可以是离心式或轴流式涡轮，通过该涡轮使高压气体膨胀，从而产 生功，该功可用于产生功率。图2和图3中显示了涡轮膨胀机4的一 部分的示例，其由美国专利No.5,841,104(‘104专利)复制而来，其整 个内容通过引用而结合在本文中。图2显示了径向内流式涡轮机中的 可变喷嘴装置。径向内流式涡轮机具有带环形入口104的外壳102。 固定环板106定位在环形入口104的一侧。喷嘴调整系统设于环形入 口104的另一侧。调整环108布置在夹紧环110的径向外侧。调整环 108能够围绕夹紧环110而旋转，而锚定在固定环板106中的喷嘴枢 轴销112防止夹紧环旋转。

叶片114定位在环形入口104周围。这些叶片定位在一侧的固定 环板106和另一侧的夹紧环110和调整环108之间。叶片114构造成 在它们之间提供流线型流动路径。该路径在横截面积上可基于叶片 114的旋转位置而增加或减少。叶片114枢转地安装在喷嘴枢轴销112 周围。在图3中以重迭的虚影显示了叶片114相对于夹紧环110的相 对位置。

在‘104专利中，喷嘴调整机构包括凸轮和凸轮随动件机构。如图 3中所示，凸轮随动件116从销112的轴线侧向移动，并被轴固定在 叶片114中。凸轮随动件116围绕轴自由地旋转。为了与凸轮随动件 116协作，在调整环108中布置了呈偏压槽118形式的凸轮。它们尺 寸设置成容纳凸轮随动件116，从而在调整环108旋转时容许自由滚 动运动。叶片114、凸轮随动件116、偏压槽118和调整环108的此 布置使得叶片114的开度线性地依赖于调整环108的旋转。所以通过 调整叶片114，可控制容许进入涡轮膨胀机4中的流体数量。

在一些情况下，涡轮膨胀机4可具有多个膨胀级，并且各级具有 一组入口导向叶片114以控制流体流。然而，控制多个膨胀级中的叶 片114可能改变功率发生系统中的各种参数，这在传统的功率发生系 统中可能导致困难，例如不能在优化功率输出效率时调整系统压力。

因此用于更有效地操作功率发生系统的系统和方法是所期望的。

发明内容

根据一个示例性实施例，用于功率发生的系统包括带有至少两个 膨胀级的涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机连接在功率发生单元上。该系统 包括控制器，其配置成控制(i)设于涡轮膨胀机的第一膨胀级入口处的 第一入口导向叶片的角度，以便将第一膨胀级的入口压力保持在预定 的范围内，和(ii)设于涡轮膨胀机的第二膨胀级入口处的第二入口导 向叶片的角度，以便将第一膨胀级的入口压力保持在预定的范围内。 控制器配置成改变第二入口导向叶片的角度，同时保持第一入口导向 叶片的角度固定，并针对相应变化的角度而确定由功率发生单元产生 的功率。控制器配置成从所确定的功率发生单元的功率确定最高功率 和相应的第二入口导向叶片的角度，并独立于第一入口导向叶片的角 度而调整第二入口导向叶片的角度以达到最高功率。

根据另一示例性实施例，用于功率发生的方法包括带有至少两个 膨胀级的涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机连接在功率发生单元上。该方法 包括控制(i)涡轮膨胀机的第一膨胀级中的第一入口导向叶片的角度， 以便将第一膨胀级的入口压力保持在预定的范围内，和(ii)涡轮膨胀机 的第二膨胀级中的第二入口导向叶片的角度，以便将第一膨胀级的入 口压力保持在预定范围内的步骤；在保持第一入口导向叶片角度固定 的同时改变第二入口导向叶片角度的步骤；针对相应变化的角度确定 由功率发生单元产生的功率的步骤；确定由功率发生单元产生的最高 功率和相应的第二入口导向叶片角度的步骤；以及独立于第一入口导 向叶片的角度之外调整第二入口导向叶片的角度以达到最高功率的 步骤。

根据又另一示例性实施例，存在包括计算机可执行指令的计算机 可读介质，其中该指令在执行时事实一种用于功率发生的方法，其包 括带有至少两个膨胀级的涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机连接在功率发生 单元上。该方法的步骤类似于之前段落中所描述的那些步骤。

附图说明

附图显示了示例性实施例，其中：

图1描绘了兰金循环；

图2显示了径向内流式涡轮机中的可变喷嘴装置；

图3显示了涡轮膨胀机中的叶片相对于夹紧环的相对位置；

图4显示了根据示例性实施例的兰金循环；

图5显示了根据示例性实施例的涡轮膨胀机的膨胀级的入口导向 叶片部分；

图6-8描绘了根据示例性实施例的入口导向叶片相对流体开度的 各种位置；

图9显示了根据示例性实施例的控制系统的元件；

图10显示了根据示例性实施例的用于功率发生方法的流程图；

图11描绘了根据示例性实施例的可用作功率发生系统的控制器 的装置；和

图12显示了根据示例性实施例的用于功率发生方法的另一流程 图。

具体实施方式

以下示例性实施例的详细描述参考附图。不同图纸中的相同的标 号标识相同或相似的元件。另外，图纸并不一定按比例绘制。同样， 以下详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求 来限定。

整个说明书中对“某一实施例”或“一个实施例”的表述意味着结合 实施例所述的特殊的特征、结构或特性包含在本公开主题的至少一个 实施例中。因而，短语“在某一实施例中”或“在一个实施例中”出现在 整个说明书的各个地方并不一定都指相同的实施例。此外，在一个或 多个实施例中可将特殊的特征、结构或特性以任何合适的方式组合。

如背景技术中所述和图1中所示，在功率发生系统中可使用兰金 循环来捕获一部分废热能量。根据示例性实施例，带有多个膨胀级的 涡轮膨胀机可容许功率发生系统在较高的压力下(或在较高的期望压 力范围内)操作，同时优化例如发电机的功率输出效率。现在将参照图 4描述一种用于功率发生的示例性系统(其中出于简单和简洁的目的已 经除去了传统兰金系统的一些构件)，其中有此类示例性涡轮膨胀机。 然而，根据示例性实施例，针对兰金循环所述且图1中所示的构件可 用于相似的功率发生单元中，该功率发生单元使用下述示例性涡轮膨 胀机和控制系统。

最初，通过泵402对系统加压，并且使工作流体在闭环兰金循环 系统中循环(以箭头所示的方向)。工作流体，例如ORC流体被泵送至 蒸发器404，在此处使工作流体蒸发。此加压的蒸气然后去向涡轮膨 胀机406，涡轮膨胀机406具有第一膨胀级408和第二膨胀级410。 在一种应用中，可使用多个膨胀器(物理上彼此分离)而不是具有多级 的单个膨胀器。本文论述的新颖的特征适用于多个膨胀器或具有多级 的单个膨胀器。第一膨胀级408包括入口导向叶片412，其调整进入 第一膨胀级408的加压蒸气的数量/速率。加压的蒸气在膨胀期间消耗 一些能量，并移动至第二膨胀级410，通过另一入口导向叶片414而 进入第二膨胀级410，该入口导向叶片也调整进入第二膨胀级410的 蒸气的数量/速率。

当蒸气在膨胀级408和410中膨胀时执行了做功，这使它们连接 在齿轮箱420上的相应的轴416,418旋转。单个轴422将齿轮箱420 连接到发电机424上。然后从发电机424输出功率426。

返回图4的兰金循环部分，膨胀的蒸气离开第二膨胀级410，并 离开涡轮膨胀机406而去向同流换热器428，同流换热器428容许工 作流体的热交换。工作流体然后在去向泵402的途中经历兰金循环的 其它步骤(未显示)以重复循环。传感器430代表压力监测传感器，并 且传感器432代表用于监测功率输出效率的一个或多个传感器(例如 电流和/或电压传感器)。控制器434控制功率发生系统的设定值。

图5中显示了入口导向叶片412的一个示例。可变几何形状入口 导向叶片502可设置在各种位置或角度上，它们可变化以控制进入膨 胀级的工作流体的流量。另外，根据示例性实施例，通过控制叶片502 的位置，可调整压力P₁(图4中所示)以使其处于较高的最大范围内。 出于简单起见，图6-8显示了单个叶片502相对于相应的流体入口602 的不同位置。A₁代表流体入口602的开口面积，并且A₀₁代表被可变 几何形状入口导向叶片502阻塞的流体入口602的面积。图6显示了 完全打开的流体入口602，图7显示了部分打开的流体入口602，而 图8显示了完全阻塞的流体入口602。虽然在图6-8中只显示了三个 位置，但是叶片502的其它角度位置也是可能的。另外叶片502相对 于流体入口602的各种位置创造了可变几何形状入口喷嘴，便于流体 进入涡轮膨胀机406的膨胀部分。

根据示例性实施例，如上所述，控制器434可控制设定值、参数、 软件以及与功率发生系统相关联的其它控制装置。图9中显示了各种 控制元件和示例性通信线路，包括控制器434。其它控制装置可包括 功率传感器432，其可用于从相关联的功率发生单元例如发电机收集 电流、电压和/或其它功率相关的信息。压力传感器430可用于从发电 循环中的各种位置收集压力数据。

如图9中所示，在功率发生系统中还可使用其它控制设备902。 这些控制元件都可与控制器434通信，然而还可能存在其它通信线路， 例如在控制元件之间可能存在备用通信线路或其它直接线路。控制器 434还与涡轮膨胀机406以及用于入口导向叶片412和414的控制装 置通信。这容许控制器434发布指令，以便改变入口导向叶片412和 414的角度。虽然控制器434显示为单一单元，但是在系统中可存在 多个控制器434，且根据需要将职责分散于这些单元中。另外，本文 所述的示例性实施例可被控制器434执行，其与另一件设备，例如涡 轮膨胀机406的控制装置集成一体。

根据示例性实施例，使用上述示例性系统和控制元件，在两级(或 多级)涡轮膨胀机中的系统和方法可具有第一膨胀级，其将兰金循环的 较高压力调整在压力范围内，使得第二膨胀级可自身调整而自动地发 现与来自例如相关联的功率发生系统中的发电机的最大功率输出相 关的最佳膨胀比。根据示例性实施例，此示例性过程可在功率发生系 统以部分负载运转时执行，从而改善功率输出。如后面将更详细论述 的那样，对于涡轮膨胀机的某些状态(阻塞状态)，膨胀器的效率直接 与涡轮膨胀机驱动的发电机的功率输出成比例。此过程可如图10的 流程图中所示而执行。最初在步骤1002中功率发生系统运转，并且 当工作流体进入涡轮膨胀机的第一膨胀级的入口导向叶片412时具有 工作流体的压力的初始值P₁。入口导向叶片412在步骤1004中调整 气体流量，以便获得和保持期望的P₁设定值，例如50巴，其在期望 的范围内，例如+/-1或+/-0.5巴的范围内。

根据示例性实施例，通过例如控制器434调整入口导向叶片412， 从而调整叶片的角度，以便获得期望的压力P₁，其可由例如设备最佳 性能参数来确定或设定。虽然入口导向叶片412为第一级调整气体流 量，但如步骤1006中所示，入口导向叶片414也为第二级调整气体 流量。入口导向叶片414以后面所述的方式调整气体流量，以便在入 口导向叶片412调整气体流量的同时不破坏系统压力。这防止了入口 导向叶片412总是改变叶片的角度，从而在预定的窗口中获得和保持 期望的P₁值。如步骤1008中所示，一旦P₁落在以设定值为中心的区 域中，就使入口导向叶片412固定，并且入口导向叶片414开始动态 地调整穿过涡轮膨胀机第二级的气体流量，从而使涡轮膨胀机的膨胀 效率最大化。膨胀效率的此最大化涉及最大化相关联的发电机426的 功率输出。如本文中所用，涡轮膨胀机的膨胀效率以如下等式(1)描述。

膨胀效率＝发电/焓流率                      (1)

其中当入口导向叶片412固定并且涡轮膨胀机被阻塞时，焓流率 变为常数。注意当涡轮膨胀机被阻塞时，恒定质量流过该装置。出于 计算简单起见，涡轮膨胀机的两个级都被认为是阻塞的。因为焓流率 在阻塞条件下是恒定的，所以涡轮膨胀机的膨胀效率与相关联的发电 机的发电成比例。

假定入口导向叶片412是固定的，入口导向叶片414被控制成扫 过各种叶片角度，从而改变功率发生的功率输出。此功率输出经过测 量，并且在一种应用中储存于数据库中。控制器434通过从入口导向 叶片414中的叶片初始角度起点上下扫掠而检查最大功率输出点，并 捕获用于各个叶片位置的数据。根据一个示例性实施例，此扫掠可发 生在大约20秒内，然而根据需要可使用其它时间帧。对于叶片的各 个角度位置，如步骤1010中所示确定发电机424的功率输出。如果 该确定导致达到非最大功率，则重复该过程，否则结束该过程，且入 口导向叶片414的叶角变为固定。在一种应用中，控制器434从数据 库确定入口导向叶片414的哪个角度使发电机424的功率输出最大 化，并由此设定入口导向叶片414的角度。根据需要可长时间重复并 复查此扫掠过程。另外，如果P₁由于系统变化例如负载变化而落在期 望范围之外，其可能影响工作流体的温度和压力，那么可重复图10 的流程图中所示的整个过程。在一种应用中，如果P₁落在期望范围之 外，入口导向叶片414构造成放弃使涡轮膨胀机406的效率最大化的 角度，并且跟随入口导向叶片412直至将P₁带入期望的范围。

根据示例性实施例，针对调整其相应的气体流量的不同阶段可使 用各种算法来描述在入口导向叶片412和入口导向叶片414之间的关 系。以下所述算法中所使用的假设包括使用为一的马赫数，而且系统 在阻塞条件下运转。根据一个示例性实施例，当入口导向叶片412首 先开始调整气体流量(或刚好在其开始调整气体流量之前)以进入期望 的压力范围内时，在两级之间的函数关系可如等式(2)中所示描述：

A₂＝A₁·f(P₁，P₂，T₁，T₂)                         (2)

其中A₁是在入口导向叶片412处不被叶片阻塞的流体入口的面 积(见图7)，A₂是在入口导向叶片414处不被叶片阻塞的流体入口的 面积(未显示但类似于图7中的A₁)，P₁是在第一入口导向叶片级412 处的工作流体的压力，P₂是在入口导向叶片414处的工作流体的压力， T₁是在入口导向叶片412处的工作流体的温度，并且T₂是在入口导向 叶片414处的工作流体的温度。

根据另一示例性实施例，当入口导向叶片412首先开始调整(或刚 好在其开始调整之前)以进入期望的压力范围内时，这两级之间的关系 可如等式(3)中所示描述。

$\frac{A_1}{A_{t1}}=\frac{A_2}{A_{t2}},---\left(3\right)$

其中AT₁是在入口导向叶片412处穿过叶片的流体入口的总面积 (见图7中的A₁+A₀₁)，并且A_t2是在入口导向叶片414处穿过叶片的 流体入口的总面积(未显示但类似于图7中的A_t1)。

根据另一示例性实施例，当入口导向叶片412调整气体流量以进 入期望的压力范围内时，在入口导向叶片412和入口导向叶片414之 间的关系被确立，使得入口导向叶片414实际上不影响进入入口导向 叶片412的气体流的压力。对于这种情形，基于等式(4)将入口导向叶 片414设置为跟随入口导向叶片412：

$A_2=A_1·\frac{{\rho }_1}{{\rho }_2}·\sqrt{\frac{T_1}{T_2}},---\left(4\right)$

其中ρ₁是在入口导向叶片412处的工作流体的密度，并且ρ₂是在 入口导向叶片414处的工作流体的密度。

根据另一示例性实施例，当入口导向叶片412已经调整气体流量 以具有期望压力范围内的压力并且该压力稳定时，入口导向叶片412 的角度被固定，并且只调整入口导向叶片414的角度，直至使涡轮膨 胀机406的效率最大化。因而，入口导向叶片414变成不依赖于入口 导向叶片412，并且用于入口导向叶片414的未阻塞的流体入口的面 积A₂如等式(5)所述：

$A_2=\frac{m}{\sqrt{k}·{\left(\frac{k+1}{2}\right)}^{\frac{\frac{1}{2}·(k+1)}{k-1}}·{\rho }_2\sqrt{R·T_2}},---\left(5\right)$

其中k是气体的等熵系数，m是工作流体的质量流率，并且R是 气体常数。从这点出发，入口导向叶片414可上下扫遍各种角度以确 定发电机424的最大功率输出点，其如上所述与最大化涡轮膨胀机406 的膨胀效率相关联。由控制器434(或其中一个相关联的控制元件)控制 的扫掠过程保持在一定的范围内，从而不容许P₁离开预定的范围。然 而，如果P₁离开预定的(期望)范围，则用于入口导向叶片414的扫掠 过程被挂起，并且入口导向叶片412开始调整气体流量，以使P₁达到 预定的范围。指示膨胀器效率的各种用于入口导向叶片414的角度值 和测量变量可储存在存储器中。在完成扫掠过程之后，控制器434可 比较储存的值，并选择使涡轮膨胀机406的膨胀效率最大化的值，并 且将入口导向叶片414的值设置为具有所选择的值。

根据一个备选的示例性实施例，涡轮膨胀机406可具有不止两个 膨胀级，且至少一个膨胀级调整系统压力，而另一膨胀级使功率效率 最大化。

根据示例性实施例，通过利用第一膨胀级408的入口导向叶片412 来调整压力，因而当工作流体进入第一膨胀级408时不需要专用的阀 门与工作流体协同来控制系统压力。另外，在功率发生系统的操作条 件发生变化，例如部分负载和变化的环境温度的情形中可使用示例性 实施例。

根据示例性实施例，可用于兰金循环中的一种工作流体是ORC 流体。ORC流体的示例包括但不局限于戊烷、丙烷、环己烷、环戊烷、 丁烷、氟代烃例如R-245f、以及酮例如丙酮、或芳香族化合物例如甲 苯或噻吩。然而，如背景技术部分提到的那样，当直接暴露于高温下 时存在ORC流体降解的风险。因此根据示例性实施例，在使用示例 性涡轮膨胀机406的功率发生系统中可使用中间热油环路或另一种流 体。

上述示例性实施例提供了用于调整兰金循环中较高压力，并且随 后使例如发电机426的功率输出效率最大化的方法和系统。控制器 434(如图11中所示)可包含处理器1102(或多个处理器核心)、存储器 1104、一个或多个次级存储装置1106、通信接口1108和软件应用 1110。处理器1102可执行指令，用于执行本文所述的示例性实施例。 另外，处理器1102可包括在支持功率发生系统的运转和控制过程中 用于执行的指令。存储器1104可储存这些指令以及传感器信息和由 扫掠叶片而获得的结果。另外，在控制器434内还可储存与P₁相关联 的信息和压力范围等。软件应用1110可代表与本文所述的示例性实 施例相关联的程序以及与功率发生系统相关联的程序。通信接口1108 可与传感器、其它控制器等通信，从而操作功率发生系统，并传送与 改变入口导向叶片角度相关联的指令。因此，上述示例性实施例可被 控制器434控制。

根据示例性实施例，如图12的流程图中所示，用于功率发生的 方法包括带有至少两个膨胀级的涡轮膨胀机。该方法包括控制(i)涡轮 膨胀机的第一膨胀级中的第一入口导向叶片的角度，以便将第一膨胀 级的入口压力保持在预定的范围内，和(ii)涡轮膨胀机的第二膨胀级 中的第二入口导向叶片的角度，以便将第一膨胀级的入口压力保持在 预定范围内的步骤1200；在保持第一入口导向叶片角度固定的同时改 变第二入口导向叶片角度的步骤1202；针对相应变化的角度确定由功 率发生单元产生的功率的步骤1204；确定由功率发生单元产生的最高 功率和相应的第二入口导向叶片角度的步骤1206；以及独立于第一入 口导向叶片的角度调整第二入口导向叶片的角度以达到最高功率的 步骤1208。

上述示例性实施例在本发明的所有方面都意在为说明性的而非 限制性的。因而本发明在详细实施方式方面能够具有许多变化，其可 从包含在本文的细节描述中由本领域技术人员推导衍伸而来。所有此 类变化和修改都被认为处于所附权利要求书所限定的精神和范围内。 除非明确地描述，否则本申请的细节描述中使用的要素、动作或指令 都不应被理解为对本发明是至关重要或是必须的。另外，本文使用的 用词“一”意图包括一个或多个事物。

本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技 术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任 何所结合的方法。本发明可获得专利的范围由权利要求限定，并且可 包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并 非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括权利要求字 面语言内的等效的结构元件，则这些其它示例都属于权利要求的范围 内。