专利名称：有机兰金循环(orc)负载跟踪发电系统及操作的方法
有机兰金循环(ORC)负载跟踪发电系统及操作的方法
背景技术：
兰金循环系统通常用于发生电力。兰金循环系统包括用于工作流体的蒸发的蒸发器或锅炉、从蒸发器接收蒸汽来驱动发电机的涡轮、用于冷凝蒸汽的冷凝器，以及用于将被冷凝的流体再循环至蒸发器的泵或其它器件。兰金循环系统中的工作流体通常为水，且因此涡轮由水蒸汽驱动。有机兰金循环(ORC)系统以与常规兰金循环类似的方式运行，只是ORC系统使用有机流体来替代水作为工作流体。一些有机流体在低于水的温度下汽化，允许诸如エ业废热、生物质热、地热和太阳能热カ热等低温热源被用作为蒸发器的热源。在一些情形中，在由ORC系统生成电カ之后，其经由逆变器系统流至负载或电网。逆变器系统包括DC总线，必须将DC总线保持在接近恒定电压下。通常，ORC系统被连接到无限电网上，无限电网接收由ORC系统生成的所有电力，并且在DC总线上保持恒定电压。然而，可以期望使用ORC系统来在遥远的区域或无限电网不可用的其它位置中生成电力。当无限电网不可用时，流入DC总线中的电カ必须跟踪负载，以便在DC总线上保持恒定电压。
发明内容
一种用于使用有机兰金循环(ORC)产生电力的系统，其包括涡轮、发电机、蒸发器、电加热器、逆变器系统和ORC电压调节器。涡轮被联接到用于产生电カ的发电机上。蒸发器在涡轮的上游，且电加热器在蒸发器的上游。蒸发器向涡轮提供汽化的有机流体。电加热器在蒸发器之前加热有机流体。逆变器系统被联接到发电机上。逆变器系统将电カ从发电机传递至负载。ORC电压调节器被联接到逆变器系统上并且被联接到电加热器上，且其将过剩的电カ从逆变器系统转移至电加热器。
图I为设计成用以将过剩的电力从逆变器系统转移回到有机兰金循环(ORC)系统的有机兰金循环(ORC)发电系统的示意图。图2为类似于图I且还包括用于ORC系统的寄生负载(parasitic load)的发电系统的不意图。图3为处于稳态模式中的图2的发电系统的放大示意图，其图示了系统中所选点处的电力。图4为刚好在负载中的正步进变化之后的图3中的发电系统的示意性视图。图5为发电系统在正步进变化之后已进入稳态模式后的图4中的发电系统的示意性视图。图6为刚好在负载中的负步进变化之后的图3中的发电系统的示意性视图。图7处于准备模式而等待再连接至电网的图6中的发电系统的示意性视图。
具体实施例方式兰金循环系统可用于生成电力。兰金循环使用汽化的工作流体(即，水)来驱动产生电力的发电机。有机兰金循环(ORC)以与常规兰金循环类似的方式运行，只是ORC系统使用有机流体来替代水作为工作流体，以便ORC系统可使用低温热源来用于工作流体的蒸发。示例性低温热源包括エ业废热、生物质热(诸如树)、地热、太阳能热カ热。在由发电机产生电力之后，电カ经由逆变器系统流至电网或负载。逆变器系统包括DC总线，必须将DC总线保持在接近恒定电压下。流入和流出DC总线的电カ必须相等，以便在DC总线上保持恒定电压。当ORC系统被连接到无限电网时，过剩生成的电カ被输出至无限电网，并且保持DC总线的电压。然而，当ORC系统在遥远的区域或无限电网不可用的其它位置中使用时，逆变器系统必须响应于负载中的变化补充或多或少的电力来保持DC总线的电压。例如，当使用者开灯时，流出 DC总线比流入DC总线的电カ更多，其导致DC总线的电压下降，并且必须增加进入DC总线的电カ来保持DC总线的电压。同样，当使用者关灯时，流入DC总线比流出DC总线的电カ更多，这导致DC总线的电压增加，并且必须减少进入DC总线的电カ来保持DC总线的电压。发电系统必须作用为将DC总线的电压保持在可接受的极限内。一种用以保持恒定的DC总线电压的方式在于调整由ORC系统生成的电カ的量。然而，如下文将进ー步描述的那样，不能快速地控制由ORC系统生成的电力。逆变器系统提供几毫秒至一秒之间的电容来用于DC总线的电压调整，同时其将花费几分钟来调整由ORC系统生成的电カ的量。本文所描述的系统和方法包括生成过剩的电和将过剩的电转移回到ORC系统，以便在无限电网不可用时在负载中的正步进变化和负步进变化期间在DC总线上保持恒定电压。该系统和方法快速地改变至DC总线的电力，创造出负载跟踪ORC发电系统且允许在没有无限电网的情况下使用ORC系统。图I为具有有机兰金循环(ORC)发电系统12、逆变器或电カ电子系统14和负载16的电カ系统10的示意图。由ORC系统12生成的电カ经由逆变器系统14流至负载16。负载16可为局部电网或孤立电网的一部分。ORC系统12未被连接到无限电网上。因此，超过负载16的电カ不可输出至无限电网，并且电カ系统10必须能够跟踪负载16中的变化。ORC系统12包括冷凝器18、储液器20、泵22、同流换热器(recuperator) 24、电加热器26、蒸发器28、涡轮30和发电机32。有机工作流体34经由ORC系统12中的闭环而循环，并且用于生成电カ。接收器或储液器20储存来自于泵22的上游的冷凝器18中的液体工作流体34a。接收器20通过提供泵22的上游的液体工作流体34a源并防止蒸汽进入泵22来向ORC系统12提供稳定性。尽管图I中将接收器20图示为単独的结构，但接收器20可与冷凝器18形成一体。例如，冷凝器18可为水冷式冷凝器，其执行冷凝器和接收器的功倉^:。液体工作流体34a从接收器20被供送至泵22。泵22増大了液体工作流体34a的压力。然后，高压液体流体34a经由同流换热器24和电加热器26流至蒸发器28。在液体工作流体34a进入蒸发器28之前，同流换热器24和加热器26加热工作流体34a。蒸发器28利用热源36来汽化工作流体34。在一个实例中，热源36可包括用生物质(即，树)加燃料的燃烧器来加热的热油。工作流体34作为蒸汽(34b)离开蒸发器28，并且传递到涡轮30中。汽化的工作流体34b用于驱动涡轮30，涡轮30继而又向发电机32供能，使得发电机32产生电力。高压汽化的工作流体34b在涡轮30中膨胀，并且作为低温低压蒸汽离开。工作流体34b在离开涡轮30之后由同流换热器24来冷却。最后，工作流体34b回到冷凝器18，在冷凝器18处将工作流体34b冷凝回液体32a，并且重复该循环。热沉38向冷凝器18提供冷却。尽管将冷凝器18大体上示为热交換器，但冷凝器18可为适用于将工作流体蒸汽34b冷却并冷凝回工作流体液体34a的任何冷凝器。在一个实例中，冷凝器18为空气冷却式冷凝器，其使用空气来将蒸汽工作流体34b冷却并冷凝至液相34a。在另ー实例中，冷凝器18为水冷式冷凝器，其使用水来将蒸汽34b冷却并冷凝至液体34a。如上文讨论的那样，同流换热器24在工作流体34进入蒸发器28之前加热工作流体34，而在工作流体进入冷凝器18之前冷却工作流体34。同流换热器24为逆流式热交换器，其使用从较热的蒸汽工作流体34b回收的废热来加热较冷的液体工作流体34a。同流换热器24通过从工作流体34b回收热量来保存能量，否则能量将损失。在一些运行条件下，同流换热器24可以不存在于ORC系统12中。同流换热器24通常在工作流体34b于远比环境温度热的温度下离开涡轮30时存在，使得过热的工作流体34b在进入冷凝器18之前必须被冷却。在工作流体34a进入蒸发器28之前，电加热器26也加热工作流体34a。如下文进一歩描述那样，逆变器系统14将过剩的电カ转移至加热器26，以便不论负载16増大还是减 小都保持恒定的电压。加热器26应当将尺寸确定为用以接收由涡轮30和发电机32产生的最大电力，以便如果需要的话诸如在局部电网跳闸时，可将全部电カ的量转移至加热器26。在一个实例中，来自于加热器26的热量等于或小于由蒸发器28传递至工作流体34a的总热量的大约10%。因此，加热器26不会显著地干扰系统12。不可快速地改变由ORC系统12生成的电カ的量。例如，如上文所描述的那样，至蒸发器28的热源36可包括热油，热油由燃烧器加热且流经蒸发器28以使工作流体34汽化。控制热油的流动控制了蒸发器28中的工作流体34的温度变化，且因此控制了生成的电カ的量。为了降低工作流体34的温度(并减小由ORC系统12生成的电力)，将减小热油至蒸发器28的流动。减小热油的流动导致燃烧器上的油温度増加。作为响应，降低燃烧器的燃烧速率来減少油的温度。然而，降低油的流动速率不会立即改变电カ的生成。最后，蒸发器28和工作流体34必须改变温度，以便减小生成的电カ的量。因此，改变系统12发电所需的实际时间不是减小热油流动至蒸发器28所花费的时间，而是在于冷却蒸发器28和工作流体34所花费的时间。由于工作流体34的较大热质量和蒸发器28的热容量，故该时间处于几分钟的数量级。在由ORC系统12生成电カ之后，其经由逆变器系统14流至负载16。逆变器系统14包括AC/DC整流器40、直流电流(DC)总线42、DC/AC逆变器44、电容器46、电池48和电压调节器50。在使用中，电カ从AC/DC整流器40经由DC总线42和AC/DC逆变器44流至负载16。AC/DC整流器40从发电机32接收交流电流(AC)且将其转换成直流电流(DC)。DC电流从AC/DC整流器40经由DC总线42流至DC/AC逆变器44，逆变器44从DC总线42接收DC电流，且将其转换成AC电流，以便将AC电流提供至负载16。DC总线42必须通过具有相等的流入和流出的电カ的量保持在接近恒定的电压下。电容器46和电池48被连接到DC总线42上。电容器46为DC总线42提供稳定性，以便进入和离开DC总线42的电カ不必在一秒的每ー小部分都匹配。电容器46向系统提供大约几毫秒到一秒之间的时间以响应负载16中的变化。电容器46不提供为调整由ORC系统12生成的电カ的量所需的几分钟时间。
在ORC系统12的启动期间可使用电池48。电池48可为可再充电池，其在过剩电力可用时由来自于DC总线42的电カ充电。尽管将电池48图示为单个电池，但电池48可包括多个电池。电压调节器50置于AC/DC整流器40与DC总线42之间。如前文所讨论的那样，进入和离开DC总线42的电カ必须匹配以便保持DC总线42上的电压。电压调节器50将流入DC总线42的过剩的电カ转移回ORC系统12，以便流入DC总线42中的电カ与流出DC总线42的电カ匹配。具体而言，电压调节器50将过剩的电カ发送至加热器26，加热器26在工作流体34a进入蒸发器28之前使用电カ来加热工作流体34a。通过在蒸发器28之前加热工作流体，可同等地减小蒸发器的加热速率。因此，改善了 ORC系统的效率，该效率限定为输出的电カ除以输入的外部热量。电压调节器50控制电力至加热器26的流动，以便保持DC总线42上的电压。在一个实例中，电压调节器50基于感测到的參数通过电脉冲的形式开启和关闭电加热器26来 控制电力至加热器26的流动。工作循环为装置在给定周期期间运行或处于〃起作用〃状态中时的一部分时间。例如，假设装置运行0.1秒、关闭0.9秒、又运行0.1秒等。该装置运行每一秒的十分之一、或一秒周期的1/10，且其具有1/10或百分之10的工作循环。电压调节器50可通过在一段周期期间改变加热器26起作用(或通过脉冲开启)时的持续时间来改变加热器26的工作循环。通过改变加热器26的工作循环，电压调节器50改变了发送至加热器26和DC总线42的电カ的量。例如，在一段周期期间通过增加以脉冲开启加热器26的时间量(也称为启动较大的任务)，电压调节器50増加了在该周期期间发送至加热器26的电カ的量且减小了进入DC总线42的电カ流动。同样，在一段周期期间通过減少以脉冲开启加热器26的时间量(也称为启动较小的任务)，电压调节器50減少了该周期期间发送至加热器26的电カ的量并且增大了进入DC总线42的电カ流动。逆变器系统14使用发送至电压调节器50的感测到的參数用以保持DC 42上的恒定电压，或用以将DC总线42的电压保持在特定范围内。电压调节器50响应感测到的參数，并且在大约几毫秒至一秒内使流入和流出DC总线42的电カ的流动达到平衡，以便保持DC总线42上的电压。在一个实例中，电压调节器50监测DC总线42的电压VB，以便将DC总线42的电压保持在特定范围内。例如，如果DC总线42的电压Vb増大到高于最大电压值(即，负载16减小)，则电压调节器50将启动较大的任务，以便通过脉冲使加热器26开启较长的时间。这将较多电カ发送至加热器26，而将较少电カ发送至DC总线42。同样，如果DC总线42的电压Vb降低到低于最小电压值(即，负载16増大)，则电压调节器50将启动较小的任务，以便通过脉冲使加热器26开启较短的时间。这将较少的电力发送至加热器26，而将较多的电カ发送至DC总线42。在另ー个实例中，输入电压调节器50的感测到的參数为负载电力匕，负载电力匕为离开逆变器系统14的电力。在该实例中，电压调节器50可与负载电力匕中的变化成反比地通过脉冲开启和关闭加热器26，以便保持DC总线42上的恒定电压。例如，如果负载电カ匕増大(即，负载16増大)，则电压调节器50将启动较小的任务，以便使加热器26开启较短的时间，且将较多电力发送至DC总线42。同样，如果负载电力！\减小，(即，负载16减小)，则电压调节器50将启动较大的任务，以便通过脉冲使加热器26开启较长的时间，并且将较少电カ发送至DC总线42。
在再一个实例中，被输入电压调节器50的感测到的參数包括负载电力匕和输入电カP1，输入电カP1为进入DC总线42的电力。在该实例中，电压调节器50可比较负载电力匕和输入电力P1,以便确定转移至加热器26的电カ的量。在再一个实例中，电压调节器50基于感测到的參数中的趋势来确定转移至加热器26的电カ的量。此外，适用于确定DC总线42的电压中的变化的任何其它參数可以是感测到的參数并且被发送至电压调节器50。电压调节器50可包括开关和控制器。电压调节器50的开关控制电カ至电加热器26的流动。在一个实例中，开关为可关断晶闸管(GTO)。GTO为高电力半导体装置。与普通晶闸管相反，GTO为完全可控的开关，其可以通过它们的第三导线(GATE导线)开启和关闭。当从GTO除去电流吋，GTO关闭。电压调节器50的控制器可包括处理器，处理器用于基于感测到的參数来确定转移至电加热器26的电カ的量。控制器还可控制开关，以便将确定的电力的量转移至加热器26。
电压调节器50允许发电系统10快速地对负载16中的负变化和正变化起反应。例如，当负载16减小吋，电压调节器50将过剩的电カ转移至加热器26，并且在几毫米或几秒内保持DC总线42上的电压。电压调节器50只要需要就可继续将过剩电力转移至加热器26，或电压调节器50可进入稳态模式以便不浪费过剩的热量，并且系统10可适应负载16中的正步进变化。如果负载16増大，则电压调节器50将较少的电カ转移至加热器26，以便较多电カ进入负载16。为了使电压调节器50响应负载16中的正步进，该步进不可大于刚好在正步进之前被转移至加热器26的电カ的量。为了适应负载16中的正步进变化，电压调节器50可被构造成用以将电力的缓冲量转移至电加热器26。缓冲量为高于负载16和系统10所需的电カ的由ORC系统12产生的特定电カ的量。缓冲量允许发电系统10对正步进变化作出反应。缓冲量的大小可取决于地点和预计的最大正步进增加而变化。在负载16中的正步进变化之后，电压调节器50可保持新的平衡系统或进入稳态模式，以便预料到另一正步进变化又产生特定的缓冲量。ORC系统12中使用的发电机32的类型影响逆变器系统14中使用的整流器40的类型。在一个实例中，发电机32为感应发电机。感应发电机不控制频率。作为替代，感应发电机跟踪其感觉到的频率。在此情况下，整流器40必须为完整的双向逆变器，其控制和强制感应发电机32上的频率。在另ー个实例中，发电机32为同步发电机。在同步发电机中，由发电机产生的频率被反馈回其中，以便同步发电机生成其特有的频率。当发电机32为同步发电机时，整流器40为整流器。在再一个实例中，发电机32为永磁发电机。类似于同步发电机,永磁发电机也生成其特有的频率。永磁发电机的自旋速度确定来自发电机的频率和电压两者。当永磁发电机32与简单的整流器40 —起被使用时，将频率保持在由发电机电カ和DC总线42电压限定的频带内。如果期望发电机32或涡轮30有较紧的频率控制，则主动中断逆变器可用于整流器40。图2为系统52的框图，系统52类似于图I中的电カ系统10，只是电压调节器50还被连接到泵54和逆变器56上。泵54泵送加热的流体57穿过热源36与蒸发器28之间产生的加热环。逆变器56将DC电流从电压调节器50转换成用于泵54的AC电流。泵54为从DC总线42获取电力的寄生负载。电压调节器50改变被发送至泵54的电カ的量来控制ORC系统12的电カ生成。为了用ORC系统12生成更多电力，电压调节器50将较多电カ发送至泵54。较大的电カ的量导致泵54的速度増大，这会提高蒸发器28的温度。同样，为了减少通过ORC系统12生成的电カ的量，电压调节器50发送较少电カ至泵54，这导致泵54的速度减小。泵54的降低速度导致泵54从热源36泵送较少流体至蒸发器28，且蒸发器28的温度降低。泵54为可存在于ORC系统中的寄生负载的ー个实例。其它寄生负载包括用于加热和冷却系统(即，蒸发器28、冷凝器18)的附加的泵和风扇，如泵22。这些寄生负载将以类似于泵54的方式运行，并且将不会影响电压调节器50的基本运行。系统52的其余特征如上文相对于图I所描述的那样运行。图3至图7为图2的系统的放大视图，其示出了在各种事件之后和在不同条件下的系统52中的选定点处的电力。在存在于图2至图7中的系统52中，ORC系统12可产生 高达220kW，并且DC总线42具有大约700伏DC (VDC)的电压。在呈现于图3至图7中的实例中忽略了二次损失，诸如逆变器转换损失。此外，仅呈现了图3至图7中的电カ值和电压值来图示电压调节器50的运行和稳态模式和准备模式。电カ生成系统可具有不同于下文呈现的那些的电カ值和电压值。图3图示了稳态模式中的ORC系统52。如所图示的，涡轮30和发电机32产生130kW的电力，而负载16需要100kW。在稳态下，热泵54获得10kW。在没有加热器26的情况下，120kW将进入DC总线42。即是说，在没有加热器26的情况下，流入DC总线42中的电カ比将离开的电カ要多20kW。电压调节器50将20kW过剩电力转移至加热器26，以便IOOkff进入DC总线42并且IOOkW离开DC总线42。在稳态模式中，电压调节器50将电カ的缓冲量转移至电加热器26。缓冲量为超过负载16和热泵54的电カ需求的由ORC系统12产生的特定的电カ的量。在图3中所图示的实例中，缓冲量为20kW。缓冲量为ORC系统52在不利用备用电カ源(诸如，气体发生器)的情况下可适应的最大的正步进量。缓冲量的特定大小取决于在地点处预计的最大负载步迸。下文进ー步图示了将电压调节器50构造成用以将电力的缓冲量转移至电加热器26的益处。在图4中，负载16突然增加15kW至115kW的正步进。立即地，来自DC总线42的电カ比进入DC总线42的电カ多15kW，且DC总线42的电压下降。电压调节器50通过将至加热器26的电カ减小至5kW来响应电压降，以便使流入和流出DC总线42的电カ又在115kW处相等，并且保持DC总线42的电压。在15kW的正步进之后，在系统52中达到新的平衡。热泵54如步进变化之前那样接收相同的电カ的量(IOkW)，以便涡轮30和发电机32继续产生相同的电カ的量(130kW)。然而，电压调节器50已减小了被发送至加热器26的电力的量，以便加热器26现在仅接收5kW。电压调节器50的快速响应在小于一秒内使进入和离开DC总线42的电カ平衡。在保持DC总线42的电压吋，电压调节器50可使电压回到700VDC，或可使电压略低于700VDC，只要电压在系统的指定范围内。在该实例中，电压调节器50能够减小被转移至加热器26的电カ的量，且满足负载16的增大需求，因为刚好在步进变化之前，电压调节器50将电カ的缓冲量转移至ORC系统
12。如相对于图3描述的那样，在步进变化之前，ORC系统12产生20kW的过剩电力的缓冲量，电压调节器50将该缓冲量转移至电加热器26。电カ的缓冲量允许系统52适应负载16中的正增长。图4示出了刚好在负载16中的正步进变化之后的系统52，而图5示出了在15kW的正步进变化之后的稳态模式中的系统52。在稳态模式中，电压调节器50被构造成用以调整至热泵54的电カ的配置，以便又将大约20kW的指定缓冲量转移至加热器26。在正步进变化之后，ORC系统12必须生成更多电力，以便电压调节器50可将电カ的缓冲量转移至电加热器26，同时保持DC总线42上的恒定电压。电压调节器50通过增加发送至热泵54的电カ来增加ORC系统12的电カ生成。发送至热泵54的增加的电カ的量增大泵54的速度，这继而又升高蒸发器28的温度并增加由涡轮30和发电机32生成的电力。如图5中所示，电压调节器50将发送至热泵54的电カ増大至12kW，以便将ORC系统12的电カ生成增大至147kW。在负载16等于115kW的稳态模式中，电压调节器50将由涡轮30和发电机32生成的电カ增大至147kW;该电カ中的12kW进入热泵54，20kW的缓冲量进入加热器26，且115kff经由DC总线42进入负载16。15kW的正步进变化需要ORC系统12将电カ生成增加17kW，因为必须将更多电カ发送至热泵54，以便将更多热量供给蒸发器28。在稳态模式中，电压调节器50将电カ的缓冲量转移至加热器26。缓冲量为生成的超过热泵54和负载16的需求的电カ的量。如果负载16中存在正步进变化，则可将达到全部的缓冲量从加热器26转移至负载16来平衡流入和流出DC总线42的电力。在稳态模式中，系统52可适应高达·20kff的正步进变化。刚好在负载16中的正步进变化之后，电压调节器50通过转移较少电力至加热器26来将DC总线42的电压保持在特定范围内。如果期望的话，电压调节器50可调整由ORC系统12生成的电カ来适应该正步进变化，且使系统52回到稳态模式。例如，电压调节器50可增大发送至热泵54的电力，这将增加转嫁给蒸发器28的热量。在稳态模式中，生成了特定过剩量(也称为缓冲量)的电力，这允许系统52响应负载16中将来的正步进变化。用电压调节器50将电カ从电加热器26转移至负载16提供了对负载16中的正步进增加的快速响应，且在几毫秒至一秒的定量时段内平衡了进入和离开DC总线42的电力。相比之下，因为工作流体34的热质量较大，将花费几分钟来调整由ORC系统12生成的电カ的量，而且不可在定量时段内平衡了进入和离开DC总线42的电力。用电压调节器50将电カ从电加热器26转移至负载16允许电カ系统52响应正负载变化。图6示出了刚好在负载16中的负步进至OkW之后的ORC发电系统52。在负步进变化之前，系统52在图3中呈现的条件下运行，并且负载16为100kW。例如，当局部电网跳闸时，可发生负步进变化至OkW。刚好在负步进变化之后，进入DC总线42的电カ比离开DC总线42的电カ大100kW。这种不匹配的电カ流导致DC总线42的电压増大。电压调节器50通过发送更多电カ至加热器26来响应增大的电压。ORC发电系统52继续生成与负步进变化之前相同的电カ的量，其中过剩的电カ将转移至加热器26。如所图示，刚好在负步进之后，热泵54继续接收IOkW以使涡轮30和发电机32继续产生130kW。电压调节器50将流入DC总线42中的过剩电力转移至加热器26，以便剩余的120kW此时流至加热器26。电压调节器50允许ORC发电系统52对负载中的瞬时下降起反应，而不会损失运行期间实现的电力。在ORC系统52中形成压カ和温度之后，不期望不必要地暂停或減少由ORC系统12生成的电カ的量。停止或減少由ORC系统12生成的电カ的量将浪费用以达到ORC系统12的当前温度和压カ所消耗的能量。此外，当负载又増大或电网恢复时，由于工作流体34的热质量和热交換器18、24和28的电容量，故将消耗额外的时间来再次增加ORC系统12的温度和压カ。然而，如果在负步进变化之后保持ORC系统12的温度和压カ，则ORC系统12将准备在再连接至局部电网时立即提供电カ。在负步进变化之后或如果负步进变化持续了较短时间周期，可立即地使用图6中的系统。如果ORC系统12与局部电网断开持续了相当长的时间周期，则ORC系统52可进入准备模式且等待再连接至局部电网。图7示出了在图6中描述的负步进变化之后处于准备模式中的系统52。在准备模式中，电压调节器50通过减少至热泵54的电カ来降低由涡轮30和发电机32产生的电力。在较少电カ的情况下，热泵54泵送较少的热量至蒸发器28，因而降低了工作流体34的温度。因为由涡轮30和发电机32生成了较少电力，故存在较少过剩的热量流入DC总线42，且必须向加热器26转移较少电カ。在准备模式中，将特定最小电カ的量发送至加热器26。在系统52中，最小量为50kW。该最小电カ的量代表电网回到连线时负载中最大可允许的步进增加。总体上，ORC系统12产生55kW ;5kW进入热泵54，而剩余的50kW进入加热器26。通过将系统52保持在准备模式中，一旦再连接至电网，系统52可更快地响应正步进变化。例如，通过将工作流体34保持在最小温度下，系统52 可适应等同于再连接至电网时的最小量的步进变化。准备模式防止了在再连接至电网与由系统52生成电カ之间的延迟时间。最小电カ的量的大小可取决于地点而变化。在准备模式和稳态模式两者中，生成了过剩的电カ，且过剩的电カ被转移至加热器26。为稳态模式和准备模式生成的过剩电力的量可以是相同的或可以是不同的，这取决于特定环境下的预计负载变化。当负载16大于OkW且系统52处于稳态模式时，ORC系统12连续地生成，并且电压调节器50转移超过负载16和热泵54的电カ需求的额外电力的缓冲量。该缓冲量允许系统52和电压调节器50快速地响应负载16中的正步进变化，且保持DC总线42上的恒定电压。在使用中，电压调节器50将过剩电カ转移回加热器26。加热器26使用电カ来预热工作流体34a。预热工作流体34减少输入蒸发器28的所需的热量。因此，为缓冲量生成的过剩电カ不是完全无效率的。此外，在一个实例中，来自于加热器26的热量最多等于由蒸发器28提供的总热量的大约10%，以便加热器26不会显著地扰乱或干扰ORC系统12。由电压调节器50转移的缓冲量的大小将取决于预计地点的最大步进负载增加。当负载16为OkW且系统52处于准备模式时，ORC系统12生成且电压调节器50转移超过负载16和热泵54的电カ需求的最小电カ的量，以便不停止ORC系统12。该最小量为系统再连接至局部电网或负载16从OkW増大时允许的最大步进变化。一旦重建与电网的连接，则将最小量转移至加热器26防止了由ORC系统12电カ生成的延迟。类似于缓冲，准备模式中生成的过剩电カ由电压调节器50转移至加热器26来预热工作流体34a。预热工作流体34a減少了蒸发器28所需的输入的热量，同时将工作流体34a保持在最小温度下。此外，由于来自于加热器26的热量最多等于由蒸发器28提供的总热量的大约10%，故加热器26不会显著地干扰ORC系统12。准备模式中转移至加热器26的最小电カ的量的特定值将取决于再连接至电网时经历的最大步进而变化，并且将取决于地点而变化。如上文所描述，由于工作流体34和热交換器18、24和28的较大热质量，故不能快速改变在ORC系统12中的电カ生成以便跟踪负载。在独立系统中或连接到局部电网或孤立电网的ORC系统中，必须在大约几毫秒至一秒内平衡进入和离开DC总线的电カ。电压调节器50可重新定向负载16与电加热器26之间的电力来在大约几毫秒至大约一秒的时段内平衡进入和离开DC总线42的电力。此外，通过在ORC系统12中生成转移回加热器26的过剩电力，电压调节器50和发电系统52可快速地响应负载16中的正步进增加。因此，ORC系统12可在无限电网不可用的位置使用。图3至图7中描述的系统52在稳态模式中产生缓冲量而在准备模式中产生最小量，该系统52最佳适用于至蒸发器28的热源(如，生物质热源)并非完全免费的ORC系统。由于要考虑热源的成本，故不期望不必要地以最大电カ产生连续运转此种系统。为了降低成本，当不需要额外电カ时(诸如在系统进入稳态模式和准备模式吋)减少输入蒸发器28的热量。系统52被构造成用以在负载16大于OkW时产生20kW的缓冲量，而在负载为OkW时产生50kW的最小量。缓冲量代表系统52连接至局部电网时的负载16的最大可允许的步进增加。最小量代表将系统52再连接至局部电网时负载16中的最大可允许步进増加。可基于地点的具体要求来调整缓冲量和最小量。如果输入蒸发器28的热量(诸如地热)是免费的，则可期望以最大电カ连续运转 系统52。在此情况下，电压调节器50仍如上文描述那样将电カ转移至加热器26并且从加热器26转移电力，但系统52将不会进入稳态模式或准备模式。如果系统12以最大电カ生成连续地运转，则由于此种运行可将ORC系统12的压カ増大至高于设计压カ而应当监测系统12的压力。例如，如果由涡轮30和发电机32生成的电カ的一半转移回加热器26，并且输入蒸发器28的热保持恒定，则ORC系统12将连续地产生更多电力。最后，可达到系统12的压カ极限，而且系统12变为压力过大。监测系统12的压カ允许调整系统12的运行条件从而在超过系统12的压カ极限之前减小系统12的压力。如上文所提及的，除泵54之外或替代泵54，其它寄生负载可存在系统52中。在一个实例中，泵22和泵54都是寄生负载。泵22泵送液体工作流体或制冷剂至热交換器24。泵22的电カ需求大体上遵循与泵54的电カ需求相同的趋势。即是说，当泵54的电カ需求增加时，泵22的电カ需求也增加。包含寄生泵22和54的系统以与上文所述系统52相同的方式运行。唯一的差别在于必须在泵22和54之间分送从DC总线42获得的电力。尽管已经參照示例性实施例(多个实施例)描述了本发明，但本领域的技术人员将理解的是，在没有脱离本发明范围的情况下可制作出各种变化，并且等同物可替代其元件。例如，发电系统可在负载大于OkW时在稳态模式中运行，但ORC系统可在负载小于OkW时停止(发电系统不在准备模式中运行)。此外，在没有脱离本发明基本范围的情况下可制作出许多改动来使具体情形或材料适应本发明的教导内容。因此，并非意在将本发明限于所公开的具体实施例(多个实施例)，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。
权利要求
1.一种用于使用有机兰金循环(ORC)产生电力的系统，所述系统包括 涡轮，其被联接到发电机上来用于产生电カ； 蒸发器，其在所述涡轮的上游以用于将汽化的有机流体提供给所述涡轮； 电加热器，其在所述蒸发器的上游以用于在所述蒸发器之前加热所述有机流体； 逆变器系统，其被联接到所述发电机上来用于将电力从所述发电机传递至负载；以及 有机兰金循环(ORC)电压调节器，其被联接到所述逆变器系统上且被联接到所述电加热器上来用于将过剩的电カ从所述逆变器系统转移至所述电加热器。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，所述ORC电压调节器包括开关。
3.根据权利要求I所述的系统，其中，所述发电机为感应发电机，并且所述逆变器系统包括双向逆变器。
4.根据权利要求I所述的系统，其中，所述发电机选自由永磁发电机和同步发电机构成的集合。
5.根据权利要求I所述的系统，并且所述系统还包括被连接到所述逆变器系统上的寄生负载。
6.根据权利要求I所述的系统，其中，所述逆变器系统包括电池。
7.根据权利要求I所述的系统，其中，所述ORC电压调节器被构造成用以在负载等于Okff时将最小电カ的量转移至所述加热器。
8.根据权利要求I所述的系统，其中，所述ORC电压调节器被构造成用以在所述负载大于OkW时将电力的缓冲量转移至所述加热器。
9.根据权利要求I所述的系统，其中，所述ORC电压调节器被构造成用以在转移至所述加热器的过剩电力增加时减少输入所述蒸发器的热量。
10.根据权利要求I所述的系统，其中，所述ORC电压调节器被构造成用以在转移至所述加热器的所述过剩电カ减少时增加输入所述蒸发器的热量。
11.根据权利要求I所述的系统，并且所述系统还包括被连接到所述逆变器系统上的局部电网。
12.ー种使用有机兰金循环(ORC)系统产生负载跟踪电能的方法，所述方法包括 通过蒸发有机流体来用有机兰金循环(ORC)系统产生电力，使蒸发的有机流体穿过被联接到发电机上的涡轮，冷凝所述有机流体并且使所述冷凝的有机流体返回所述蒸发器； 将来自于所述ORC系统的电カ经由DC总线发送至负载；并且 使用电压调节器来将流入所述DC总线中的过剩电カ发送至所述ORC系统，以便流入所述DC总线的电カ匹配流出所述DC总线的电力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电压调节器将流入所述DC总线中的所述过剩电カ发送至所述ORC系统中的电加热器。
14.根据权利要求13所述的方法，并且所述方法还包括在发送至所述电加热器的所述过剩电力增加时减少输入所述蒸发器的热量。
15.根据权利要求13所述的方法，并且所述方法还包括在发送至所述电加热器的所述过剩电力减少时增加输入所述蒸发器的热量。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述电压调节器使用开关来将流入所述DC总线中的所述过剩电カ发送至所述ORC系统。
17.根据权利要求12所述的方法，并且所述方法还包括将电カ的所选部分储存在电池中。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，保持所述DC总线中的电压包括 将所述DC总线的电压与最大电压和最小电压相比较；并且 如果所述电压高于所述最大电压则通过所述电压调节器增加发送至所述ORC系统的电カ的量，且如果所述电压低于所述最小电压则通过所述电压调节器减少发送至所述ORC系统的电力的量。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述负载为大约OkW时，所述电压调节器将特定的最小的电カ的量发送至所述ORC系统。
20.根据权利要求12所述的方法，其中，当所述负载大于大约OkW时，所述电压调节器将特定的缓冲电力的量发送至所述ORC系统。
全文摘要
一种用于使用有机兰金循环(ORC)产生电力的系统，其包括涡轮、发电机、蒸发器、电加热器、逆变器系统和有机兰金循环(ORC)电压调节器。涡轮联被接到发电机上用于产生电力。蒸发器在涡轮的上游，并且电加热器在蒸发器的上游。蒸发器向涡轮提供汽化的有机流体。电加热器在蒸发器之前加热有机流体。逆变器系统被联接到发电机上。逆变器系统将电力从发电机传递至负载。ORC电压调节器被联接到逆变器系统上且被联接到电加热器上，并且其从逆变器系统将过剩的电力转移至电加热器。
文档编号F01D15/10GK102812212SQ201080065950
公开日2012年12月5日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者B.P.比德曼, F.J.科斯维尔, U.J.荣松, R.K.索恩顿 申请人:联合工艺公司