阅读说明：本技术 对膨胀机运行状态的基于模型的监视 (Model-based monitoring of expander operating conditions ) 是由 安德里亚斯·舒斯特 罗伊·朗格尔 延斯-帕特里克·施普林格 法比安·韦甘德 于 2017-11-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于调节热力学循环设备、特别是ORC设备的方法,其中热力学循环设备包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和供给泵,并且膨胀机在正常运行中与外部设备联接,并且该方法包括以下步骤：测量膨胀机下游的乏汽压力；并且按照热力学循环设备的电脑实现的调节模型、根据测得的乏汽压力和作为调节模型输入值的膨胀机额定转速并且以作为调节模型输出值的供给泵体积流量对该供给泵的体积流量进行调节。本发明还涉及一种相应的热力学循环设备。(The invention relates to a method for regulating a thermodynamic cycle plant, in particular an ORC plant, wherein the thermodynamic cycle plant comprises an evaporator, an expander, a condenser and a feed pump, and the expander is coupled to an external plant in normal operation, and the method comprises the following steps: measuring the pressure of the exhaust steam downstream of the expander; and the volume flow of the feed pump is regulated according to a computer-implemented regulating model of the thermodynamic cycle plant as a function of the measured exhaust steam pressure and the nominal rotational speed of the expansion machine as input values of the regulating model and as a function of the volume flow of the feed pump as output value of the regulating model. The invention also relates to a corresponding thermodynamic cycle device.)

对膨胀机运行状态的基于模型的监视

技术领域

本发明涉及一种用于运行热力学循环设备、特别是具有膨胀机的有机朗肯循环设备(ORC设备)的方法以及一种热力学循环设备，该热力学循环设备可以利用根据本发明的方法运行。

背景技术

若为了将能量馈入电网中而将热力学循环设备、例如有机朗肯循环设备与发电机或发动机/发电机单元联接，那么由电网频率决定地，所述膨胀机的特征在于转速。在与其它外部设备、诸如具有内燃机的设备为了辅助这个内燃机而联接时发生类似情况。

已经证实的是：例如在外部设备的联接过程中可能在热力学循环设备的膨胀机上产生损伤、特别是在膨胀机的旋转元件的轴承中。根据本申请人的经验，当为膨胀机有效地提供功率时，发生这些损伤。这特别是涉及螺杆膨胀机。

在EP 1759094 B1中对以ORC系统运行的发电机的联接进行了说明。当测得的发电机转速与电网频率相匹配时，则进行与电网的联接，这因此意味着无功的(leistungsfrei)的联接。然而这个转速测量意味着额外的费用支出或者在(半)密封的机器中费用甚至是极高的，这是因为主轴从外部不能直接接近。在不与电网连接或另外非磁化的异步发电机中不能进行基于所产生的电压的转速测量。

发明内容

本发明的目的是避免上述缺点。

本发明通过如下方式说明了上述问题的解决方案，即，为具有膨胀机的热力学循环设备的运行(起动过程、正常运行、关闭过程)添加基于模型的调节和/或监视。

根据本发明的解决方案通过具有权利要求1特征的方法得以限定。

本发明因此公开了一种用于调节热力学循环设备、特别是ORC设备的方法，其中，所述热力学循环设备包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和供给泵，并且膨胀机在正常运行中与外部设备联接，并且该方法包括以下步骤：测量膨胀机下游的乏汽压力；并且按照热力学循环设备的电脑实现的调节模型、根据测得的乏汽压力和作为调节模型的输入值的膨胀机额定转速、并且以作为调节模型输出值的供给泵体积流量对供给泵体积流量进行调节。

可以在膨胀机与供给泵之间、特别是在膨胀机与冷凝器之间或在冷凝器与供给泵之间进行对膨胀机下游的乏汽压力的测量。在冷凝器与供给泵之间进行测量时，要么可以忽略冷凝器的压力损失，要么该压力损失是已知的并且在调节中加以考虑。

(除了膨胀机的额定转速之外)作为输入值只有测得的乏汽压力或该乏汽压力的经修正值修正的测量值进入调节模型。由此在测量冷凝器与供给泵之间的乏汽压力时可以考虑冷凝器的压力损失和/或在膨胀机与测量点之间的管道的压力损失并且可以对测得的乏汽压力进行相应的修正。

可以通过不同的方式调节由供给泵泵送的工作介质的体积流量。对供给泵转速的调节是一种用于调整供给泵体积流量的可能性，其它可能性是泵后的节流器(节流阀)或三通阀或者通过调节导轮或活塞冲程对供给泵供给特性的调整。

根据本发明的方法具有的优点是：在本发明的范围内借助基于模型的调节可以避免用于转速测量的、根据现有技术所需的测量点。

根据本发明的方法可以得到如下发展：热力学循环设备的起动过程可包括以下步骤：将膨胀机调节到一种状态，在该状态中膨胀机的额定转速大于或等于需与膨胀机联接的外部设备的事先确定的转速，其中，需联接的外部设备特别是包括发电机、发电机/发动机单元或以单独的发动机运行的设备；并且随后将膨胀机与所述外部设备联接。当转速相同时，进行功率中性的联接。若膨胀设备的转速在联接时(略微)大于同步转速，那么膨胀机的有效功率是正的并且因此不损害轴承。

其它发展方案在于可以进行下列另外的步骤：测量膨胀机上游的新蒸汽压力；将测得的新蒸汽压力与根据调节模型的实时模型新蒸汽压力进行比较；并且如果测得的新蒸汽压力比模型新蒸汽压力低事先确定的总额以上或事先确定的部分以上，那么引入停止过程和/或中止起动过程，所述模型新蒸汽压力取决于测得的乏汽压力。

可以在供给泵与膨胀机之间、特别是在蒸发器与膨胀机之间或在供给泵与蒸发器之间进行对膨胀机上游的新蒸汽压力的测量。例如可以在供给泵的出口/蒸发器的出口处测量新蒸汽压力并且对其修正蒸发器的和/或直到进入膨胀机中的管道的压力损失。

这可以如下地改进，即，在起动过程期间，只有当测得的新蒸汽压力大于或等于模型新蒸汽压力时才将膨胀机与外部设备联接。

根据其它改进方案可以进行以下另外的步骤：对将热经由蒸发器输送给热力学循环设备的热源的热源温度进行测量；并且只有当测得的热源温度大于或等于根据调节模型的实时模型热源温度时，才实施起动过程。

其它改进方案在于：热力学循环设备的停止过程可包括以下步骤：如果新蒸汽压力和/或热源温度低于相应的、事先规定的阈值，那么断开膨胀机与外部设备的联接；并且打开用于绕过膨胀机的旁通管。

这可以如下地改进，即，此外进行以下步骤：(特别是通过降低转速)降低供给泵的体积流量，直到根据调节模型实现膨胀设备的功率中性的或无力的状态为止，在该状态中由膨胀设备吸收的功率等于由膨胀设备输出的功率或者沿膨胀设备的旋转轴线的方向作用到该膨胀设备上的合力等于零。

根据本发明的调节模型可包括输入值与输出值的分析关系和/或数字关系和/或表格式关系。

上述目的还通过根据权利要求10所述的热力学循环设备得以实现。

根据本发明的热力学循环设备(特别是ORC设备)包括蒸发器、膨胀机、冷凝器和供给泵，其中，所述膨胀机在正常运行中与外部设备联接；热力学循环设备还包括：用于测量膨胀机下游的乏汽压力的乏汽压力测量装置；和调节装置，该调节装置用于按照热力学循环设备的存储在该调节装置的存储器中的调节模型、根据测得的乏汽压力和作为调节模型输入值的膨胀机额定转速、并且以作为调节模型输出值的供给泵体积流量对供给泵体积流量进行调节。可以在上面结合根据本发明的方法所述的位置上进行对膨胀机下游的乏汽压力的测量。

可以如下地发展根据本发明的热力学循环设备：调节装置构造为用于在热力学循环设备的起动过程期间进行以下步骤：将膨胀机调节到一种状态中，在该状态中，膨胀机的额定转速大于或等于需联接在膨胀机上的外部设备的事先确定的转速，其中，需联接的外部设备特别是包括发电机、发电机/发动机单元或以单独的发动机运行的设备；并且随后将膨胀机与外部设备联接。

根据其它发展方案，热力学循环设备此外包括新蒸汽压力测量装置，其用于测量膨胀机上游的新蒸汽压力；其中，所述调节装置构造为用于将测得的新蒸汽压力与根据调节模型的实时模型新蒸汽压力进行比较，并且如果测得的新蒸汽压力比模型新蒸汽压力低事先确定的总值以上或事先确定的部分以上，那么引入停止过程和/或中止起动过程。可以在上面已经结合根据本发明的方法述及的位置上进行对膨胀机上游的新蒸汽压力的测量。

一种其它发展方案在于：热力学循环设备此外包括热源温度测量装置，其用于测量将热经由蒸发器输送给热力学循环设备的热源的热源温度；其中，所述调节装置构造为用于只有当测得的热源温度大于或等于根据调节模型的实时模型热源温度时才实施起动过程。

根据其它发展方案，热力学循环设备此外包括旁通管，其作为蒸发器与冷凝器之间的、用于绕过膨胀机的直接连接；其中，所述调节装置构造为在热力学循环设备的停止过程期间进行以下步骤：如果新蒸汽压力和/或热源温度低于相应的预设阈值，那么断开膨胀机与所述外部设备的联接；并且借助旁通管中的阀打开旁通管。

其它发展方案在于：热力学循环设备此外包括：离合器，其用于将膨胀设备与外部设备联接；和/或传动机构，其用于调节膨胀设备与所述外部设备的转速比。

所述发展方案能够单独应用或如要求保护的那样适当地相互组合。

附图说明

下面借助附图详细阐述本发明的另外的特征和示范性的实施方式以及优点。不言而喻地，各实施方式并不限定本发明的范围。此外不言而喻地，另外说明的特征中的一些或全部也可以通过其它方式相互组合。

图1示出了根据本发明的设备的一种实施方式；

图2示出了膨胀机中的力；

图3示出了膨胀机的与其转速相关的功率；

图4示出了膨胀机的与存在的压力比相关的功率；

图5示出了功率-压力比曲线图中的调节过程。

具体实施方式

下文示范性地将ORC工艺假设为热力学循环过工艺。图1示出了根据本发明的热力学循环设备的一种实施方式100。ORC循环过程包括用于提高压力的供给泵40；用于对工作介质进行预热、蒸发和过热的蒸发器10；用于使工作介质产生功率地膨胀的膨胀机20，该膨胀机利用或不用离合器27连接在发电机25(或发动机/发动机单元)上或外部工艺26上；可能的、用于绕过膨胀机20的旁通管50和用于对工作介质进行脱热、冷凝和过冷的冷凝器30。

此外，根据本发明的循环设备100包括乏汽压力测量装置61，其用于测量膨胀机20下游的乏汽压力。例如乏汽压力测量装置61在此设置在膨胀机20与冷凝器30之间。然而也可能的是：在必要时在考虑冷凝器30中的呈测得的乏汽压力的修正值的形式的压力损失的情况下，将这个乏汽压力测量装置设置在冷凝器30与供给泵之间。

此外有调节装置80，其用于调节由供给泵40泵送的工作介质的体积流量(例如通过调节供给泵40的转速)，该调节按照热力学循环设备100的存储在该调节装置80的存储器81中的调节模型、仅仅根据测得的乏汽压力(在必要时修正所述的修正值)和作为调节模型输入值的膨胀机20额定转速、并且以作为调节模型输出值的供给泵40体积流量(例如形式为供给泵40的转速)来进行。

在与发电机25(或发动机/发电机单元)联接的情况中，此外可以设置有联接开关28，该联接开关使发电机25(或发动机/发电机单元)与电网联接或者断开与该电网的联接。

下面探讨本发明解决方案的基本问题。

对存在问题的讨论

本发明面临以下问题。如果膨胀机20由发动机运行、也就是说例如通过在基于固定转速预设值的发动机运行中的发电机25或通过外部工艺26引入功率，那么由于力流与设计点(Auslegungspunkt)不符(“有缺陷的”运行)而存在损伤的危险。由新蒸汽和乏汽的工作压力(Drucklage)力作用(根据经由膨胀机的压差)以及由基于功率输出或功率吸收的力(“传输力”，取决于经由膨胀机的压力系数，参见图4)确定作用到膨胀机的转子上的力的方向(如在图2中示出的那样)。在膨胀机的运行点和因此设计点中其构成为，使得合力向着支承装置的力吸收能力的方向起作用。在所示出的实例中膨胀机20是螺杆膨胀器。

由于力的作用未通过支承装置得到辅助(图2)，所以例如通过由于转动体与壳体的触碰导致的磨屑或者碎屑形成而产生损伤。在这种情况下，同样可能发生沿着轴向的位移并且由于减负荷的原因也许会发生轴承环旋转，这会导致轴承损伤。

然而，当膨胀机在接入点中依然处于静止状态中(当前工作压力不能超过必要的再压缩)或转速低于接入同步转速(图3中的接入点a))时，自动产生这个发动机驱动运行。在这些点中，使膨胀机加速并且为此消耗功率。因此膨胀器的可用功率是负的。

为了更好地理解，在此讨论再压缩(更确切地说：再压缩功率)和再膨胀(更确切地说：再膨胀功率)。然而原则上在此涉及的是推出功(P_AA)的其它部分，该推出功为了克服乏汽压力p_AD将在膨胀结束时膨胀机腔室中存在的介质推出而可以通过膨胀机施加。因此这个区别与基准(P_AA,ref)有关，在该基准中腔室的开启压力等于该腔室之后的乏汽压力。

因此：

适于p_腔室＞p_AD适的是：P_再膨胀＝P_AA；基准-P_AA,实际；P_再压缩＝0

适于p_腔室＜p_AD的是：P_再压缩＝P_AA；基准-P_AA,实际；P_再膨胀＝0

适于p_腔室＝p_AD的是：P_再膨胀＝0；P_再压缩＝0

因此为了不受损伤地接入，膨胀机必须至少在中性的功率点中接近接入转速(图3中的接入点b))或高于该接入转速(图3中的接入点c))，使得膨胀机至少不被加速或者制动，并且由此至少不输出负功率。

在接入发电机或外部工艺之前再次不能输出功率，就是说，在未经限定的供汽的情况中机器会不受控地加速直到损伤。

尽管原则上借助转速测量能够了解实时膨胀机转速。然而这个转速测量意味着额外的费用支出或只有支出很高费用才能实现。

此外，当再压缩功率由于工作压力小的原因超过膨胀功率时(参见图4)，在运行和关闭过程中产生通过对膨胀机的功率提供导致的有缺陷的状态。在这种情况下，在膨胀机的封闭的膨胀室中发生气体膨胀。然而在打开之后，腔室中的压力低于在乏汽侧的水平，因此膨胀机必须在推出时将其部分地重新压缩并且将从冷凝器额外回流到腔室中的介质同样推出(“再压缩”)。因此适当的是：

P_brutto＝P_膨胀+P_再膨胀+P_再压缩

压力比π定义为新蒸汽压力与乏汽压力的比率：

π＝p_FD/p_AD

其中，

p_FD＝新蒸汽压力

p_AD＝乏汽压力

除了此处使用的和可直接测量的压力比之外，还可以使用体积比φ代替该压力比：

φ＝p_AD/p_FD

其中，

p_FD＝新蒸汽密度

p_AD＝废蒸汽密度

两个特性数值(π,φ)在一级近似中提供相同的结果。

针对存在问题的根据本发明的解决方案

起动过程

在这种情况下，将膨胀机20设置在限定的初始点(转速)上，该初始点在接入中防止膨胀机的损伤。通过基于模型的调节，回避必要的、可通过昂贵的测量技术测定的、膨胀机的转速和流量的测量值。

这种基于模型的调节在此以对膨胀机的功率中性点(leistungsneutralerPunkt)的了解为依据(如在图4中示出的那样，适用的是：P_总额＝0并且因此P_膨胀＝-P_再压缩)。这意味着：必须根据乏汽压力p_AD达到相应的新蒸汽压力p_FD。

此外，膨胀机以其在这个无功状态中运行的转速取决于提供的蒸汽体积流量

其中

n_EM＝膨胀机转速

V_腔室＝膨胀机的高压腔体积

K＝每一圈的腔室数量

由此能够明确地经由对新蒸汽压力、乏汽压力和新蒸汽体积流量(取决于所期望的接入转速)的认识来测定膨胀机20的状态(特别是其转速)。上述用于测定膨胀机转速的等式首先是最简单的形式并且例如通过借助转速可变的泄漏体积流量的修正在精度方面能够得到进一步改善。从膨胀机转速和另外的热力学参量中能够推导出电功率和由此求出例如热力学循环过程的状态。

然而新蒸汽体积流量的测量是成本较高的测量，该测量因此对整个系统的经济性产生负面影响。

尽管也能够由新蒸汽体积流量比较简单地确定新蒸汽质量流量，该新蒸汽质量流量同样也能够在供给泵40与蒸发器10之间的液相中得以测量。然而为此所需的测量仪器(例如科里奥利)同样与可观的费用是分不开的。

然而此外在新蒸汽体积流量与通过供给泵40液态供给的体积流量之间存在直接关系，该关系可以经由密度确定：

其中

p_FD＝通过膨胀机的新蒸汽的密度

p_fl＝供给泵中的液态介质的密度

在此需要注意的是：新蒸汽密度由此也取决于乏汽压力的状态，这是因为该新蒸汽密度是新蒸汽压力(和新蒸汽温度)的函数。新蒸汽压力本身在这种无功率的膨胀机运行的情况中是乏汽压力的函数。这种情况(p_FD和

变化)还导致：具有供给泵的固定转速预设值的静态起动特性根据取决于冷凝条件诸如散热温度的乏汽压力可能导致利用发动机驱动的起动过程(高的乏汽压力p_AD；次同步直到膨胀机的静止状态为止)或者导致将膨胀机加速到超过允许的转速(低的p_AD)。

此外，从必须由功能泵40提供的功率中性点得出必要的压差，其为：

p_SP＝p_FD-p_AD

因此通过这种方式得知供给泵40中的体积流量以及供给泵40必须提供的压差。通过供给泵40的建模，现在可以找到供给泵40的转速点，在该转速点上压差和流量的这个条件得以满足。

由此产生起动调节，该起动调节将用于供给泵转速的值赋值给每个乏汽压力和从属的接入转速(膨胀机20的额定转速)，而无需额外的测量点。作为不利点需要提一下：这些重要的测量参数的实际值由此通过模型示出，然而实际上在系统中保持为未知的。

然而下述机械过程依然可能威胁到不受损伤的接入：

1)供给泵失灵(气穴现象、发动机损坏等等)导致对于不受损害的运行所需来说较低的压力水平/流量。

2)未封闭或未完全封闭的旁通管50(图1)或者制冷剂另外的、未被引导通过膨胀室的流出在接入中导致过低的压力水平。

3)热源的温度水平低于能够将工作介质蒸发到必要的新蒸汽压力所需的水平。

可以通过如下方式避免问题1)+2)，即，在接入过程之前附加地设置对新蒸汽压力的达到的工艺参数的监视。如果泵和旁通管情况正常，那么这个新蒸汽压力一定与建模中确定的值相对应。若其向下偏离，那么可以中止起动，而不损伤膨胀机20。

通过如下方式避免问题3)，即，同样储存必要的热源温度(T_HW，图1)的模型，并且只有当至少达到或超过这个对于可靠起动来说必要的值时才实行起动过程。

正常运行

在运行中，在供热不足和散热不好的情况下(例如气温/水温高)可能发生p_FD与p_AD的非常小的压差。在此同样可能的是：这再次导致设备的有缺陷的运行，如在图2和图4中示出的那样。代替在此实施的总功率分析处理(其还具有另外的影响因素)，应该利用所选择的建模、借助在乏汽压力方面对必要的新蒸汽压力p_FD的监视，使必要的压力系数π或者体积比φ造成损伤地下降。如果在此达到了临界阈值，那么在可能达到有缺陷的状态之前，使系统受控地停止运转。另外的可能性是对膨胀机的电功率的监视。若这个电功率低于临界阈值，那么使系统受控地停止运转。

停止运转

在停止运转程序中，以期望方式降低系统热输入侧的温度状态，以便在适当温度的情况下实现系统的可靠的静止状态。然而这个下降降低了存在的新蒸汽压力p_FD并由此低了压力系数π。所以在极端情况中，在此在停止运转期间同样可能发生有缺陷的运行。

为了防止这一点，同样借助测量装置63监视对于可靠运行来说必要的热水温度(T_HW)并且借助测量装置62监视新蒸汽压力(p_FD)。若低于限定的阈值，那么使膨胀机与功率连结部断开联接，也就是说既不输出、也不输入功率，并且同时借助阀51打开旁通管50，以便降低新蒸汽侧的压力并且在必要时使系统继续空转(nachlaufen)。基于与乏汽压力相关的新蒸汽压力的关断首先避免了有缺陷的运行，其次也避免了压力依然高到使得在压力能够经由旁通管50足够充分地降低之前膨胀器功率连结(断开膨胀设备的联接)的关断使该膨胀器不受控地高速旋转。附加地可以通过如下方式建立这个可靠性，即，将供给泵转速逐渐地降低到一个值，该值对应于由建模获得的零功率点。由此达到一种运行状态，在该运行状态中，在对膨胀机(膨胀器)20或旁通管打开故障继续进行调节时，使膨胀机20以限定的、低于有缺陷的转速的转速功率中性运行。总的来说，还应该将功率中性范围中的运行时间最小化，这是因为在这种情况下由于很小的轴承负荷而存在缩短使用寿命的运行。

下面再次简短地概述并在图5中说明调节策略的范围：

作为建模的结果，供给泵40的调节装置80用于调节到膨胀设备20的额定转速上，所述供给泵在没有膨胀器转速测量值或流量测量值的情况下运行并且作为输入值包含低压(乏汽压力)。

为了保证供给泵40和旁通管50的正确功能(失灵再次导致发动机有缺陷的运行)，此外将由建模获得的新蒸汽压力和热水温度用作监视参数(低于模型值意味着系统中具有潜在损伤的偏差)。

所示出的实施方式仅仅是示范性的并且通过权利要求确定本发明的全部范围。