Система и способ генерирования электроэнергии
Система и способ генерирования электроэнергии, причем генератор приводится в действие двигателем, окислителем для которого служит воздух. В любых эксплуатационных условиях для данной выходной мощности эффективность двигателя оптимизируют, регулируя расход воздуха на двигателе, при этом соотношение топлива и воздуха регулируют так, чтобы поддерживать высокую пиковую температуру рабочего тела двигателя. Способ и система по настоящему изобретению позволяют повысить надежность, так как устраняют необходимость в механизмах с изменяющейся геометрией и устраняют необходимость в камерах сгорания и предкамерах с изменяющейся геометрией. Изобретение применимо к разным типам двигателей, в которых окислителем служит воздух и которые работают на низком соотношении топлива и воздуха. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Настоящее изобретение относится к генерированию электроэнергии с использованием воздушно-реактивного двигателя для привода генератора, который производит электрический ток для подачи на нагрузку. Настоящее изобретение в его конкретных вариантах относится к генерированию электроэнергии с использованием генератора, приводимого в действие небольшим турбинным двигателем.
Предшествующий уровень техники
Концепция распределенного генерирования электроэнергии широко обсуждалась в последние годы, но до сих пор системы распределенного генерирования не получили широкого распространения. Распределенное генерирование относится к использованию малых систем генерирования электроэнергии, расположенных в местах ее потребления, и поэтому его следует отличать от традиционной электроэнергетической системы, в которой крупная центральная электростанция вырабатывает электроэнергию, которая затем передается на существенные расстояния к множеству потребителей по системе линий электропередач, обычно именуемых сетью. В отличие от обычных электростанций, эксплуатируемых коммунальными службами, которые могут вырабатывать несколько мегаватт энергии, системы распределенного генерирования обычно имеют мощность менее двух мегаватт и более типично - 60-600 киловатт.
Причиной, по которой системы распределенного генерирования не получили широкого распространения, в первую очередь может быть их стоимость. В большинстве районов Соединенных Штатов и в большинстве других стран мира потребителю просто дешевле покупать электроэнергию у сети, чем инвестировать средства в систему распределенного генерирования и эксплуатировать ее. Основным фактором, обусловливающим относительно высокую стоимость электроэнергии, вырабатываемой системами распределенного генерирования, была относительно низкая эффективность малых двигателей, используемых в таких системах, особенно в условиях частичной нагрузки.
Типично в системе распределенного генерирования генератор приводится в действие небольшим турбинным двигателем, часто именуемым микротурбиной или минитурбиной, в зависимости от размера. Турбинный двигатель по существу содержит камеру сгорания для сжигания топливовоздушной смеси для получения горячих газов, преобразуя химическую энергию топлива в тепловую энергию, турбину, в которой горячие газы расширяются для вращения вала, на котором установлена турбина, и компрессор, установленный на валу или соединенный с ним и работающий для сжатия воздуха, который поступает в компрессор. Из-за относительно небольшого количества электроэнергии, требуемого от системы распределенного генерирования, турбинный двигатель, соответственно, является небольшим. По причинам, связанным с аэродинамическими явлениями, происходящими внутри двигателя, и по другим причинам эффективность турбинного двигателя стремится к уменьшению с уменьшением его размеров. Соответственно, микротурбины и минитурбины проигрывают в эффективности крупным двигателям.
Кроме того, известно, что эффективность турбинного двигателя при частичной нагрузке, независимо от его размера, особенно низка по существу из-за конкретного режима, в котором двигатель работает в условиях частичной нагрузки. Более конкретно, для турбинных двигателей типична ситуация, когда входная температура на турбине, которая по существу представляет собой пиковую температуру рабочего тела в цикле двигателя, падает, когда выходная мощность двигателя опускается ниже «проектной» точки. Эта проектная точка типично равна условиям 100% номинальной нагрузки и двигатель обычно конструируют так, чтобы его пиковая эффективность проявлялась на проектной точке. Хорошо известно, что основной переменной, влияющей на эффективность термодинамического цикла двигателя, является пиковая температура рабочего тела. При прочих равных условиях чем выше пиковая температура, тем выше эффективность, и, наоборот, чем ниже пиковая температура, тем ниже эффективность. Следовательно, если двигателем при работе в условиях частичной нагрузки управлять так, чтобы эффективная пиковая температура рабочего тела в цикле (т.е. температура на входе турбины) была существенно ниже, чем проектная точка, эффективность двигателя будет стремиться к существенному падению.
В некоторых газовых турбинах по предшествующему уровню техники, особенно в самолетных газотурбинных двигателях и в больших газовых турбинах для систем выработки электроэнергии, работающих с постоянной частотой вращения, в условиях частичной нагрузки использовались системы изменяющейся геометрии для снижения расхода воздуха так, чтобы эффективность двигателя не страдала. Например, в компрессорах с осевым потоком использовался регулируемый входной направляющий аппарат. В условиях частичной нагрузки входной направляющий аппарат закрывается для уменьшения расхода воздуха для данной частоты вращения компрессора. В случае радиальных компрессоров для достижения подобного эффекта лопатки статора иногда делали регулируемыми. В других случаях применялись регулируемые лопатки первой ступени компрессора или сопла для управления частотой вращения турбины и, следовательно, частотой вращения компрессора так, чтобы управлять расходом воздуха. Такие системы с изменяемой геометрией имеют высокую стоимость, и их подшипники и другие подвижные детали подвержены износу, что делает подобные системы непрактичными для систем генерирования электроэнергии, которые должны работать с высоким коэффициентом полезного времени, при необходимости должны работать постоянно и должны быстро реагировать на изменения потребности в энергии на обслуживаемой нагрузке. Таким образом, существует потребность в альтернативных по отношению к изменяемой геометрии способах оптимизации работы двигателя при частичной нагрузке.
Другой аспект проблем, связанных с распределенным генерированием, связан с вредными выбросами (включая, помимо прочего, окислы азоты, несгоревшие углеводороды и моноксид углерода). В целом для данной вырабатываемой мощности выбросы NOx стремятся уменьшить или минимизировать, минимизируя температуру сгорания топлива (также известную как температура пламени), которая по общему правилу выше, чем пиковая термодинамическая температура (температура на входе в турбину), тем самым сокращая образование окислов азота без снижения эффективности. Основным способом снижения температуры пламени является предварительное смешивание топлива и воздуха до зоны сгорания для создания смеси с относительно высоким соотношением топлива и воздуха, т.е. бедной смеси. Предварительное смешивание обеспечивает очень близкую к равномерной температуру в зоне пламени, без возникновения горячих точек, которые могут приводить к локальному образованию NOx. Однако чем беднее смесь, тем больше образуется моноксида углерода (СО), несгоревших углеводородов (НУВ) и флуктуаций давления. Эти тенденции сохраняются по мере дальнейшего обеднения смеси, и зона пламени становится все более нестабильной, пока не будет достигнут предел обеднения смеси. При более бедной смеси пламя поддерживать невозможно. На практике выбросы моноксида углерода и несгоревших углеводородов и пульсации давления становятся неприемлемо высокими еще до достижения предела обеднения.
Предел обеднения можно сместить в более бедные режимы, увеличивая температуру на входе в камеру сгорания и используя каталитическое сгорание. Применение каталитического сгорания существенно увеличивает рабочий режим обедненной смеси, что приводит к очень низким выбросам NOx, приемлемым выбросам СО и НУВ, и практически не дает пульсаций давления. Каталитическое сгорание привносит другое ограничение на работу, именуемое нижним пределом каталитической активности. Входная температура в каталитической камере сгорания должна поддерживаться выше этого предела, чтобы поддерживать каталитическое сгорание.
Во многих обычных микротурбинах управление двигателем осуществляют так, чтобы в условиях частичной нагрузки температура на входе в камеру сгорания снижалась и топливовоздушная смесь обеднялась. В случае обычного сгорания предварительно приготовленной обедненной смеси это приводит к увеличению вредных выбросов; при каталитическом сгорании понижение температуры на входе в камеру сгорания может привести к невозможности поддерживать каталитическое сгорание. На практике камеры сгорания для заранее приготовленной обедненной смеси и для каталитического сгорания могут работать лишь на определенном участке диапазона нагрузок газовой турбины из-за снижения температур на входе в камеру сгорания и все большего обеднения смеси при снижении нагрузки.
В некоторых случаях перед камерами сгорания использовались предкамеры для повышения температуры на входе в камеру сгорания. Дополнительно использовались камеры сгорания с изменяемой геометрией, в которых часть воздуха отводилась в обход камеры сгорания для поддержания соотношения топлива и воздуха на уровне, обеспечивающем стабильность работы. При использовании предкамеры приходится жертвовать надежностью, поскольку избыточная температура или иные неисправности предкамеры могут привести к поломке основной камеры сгорания и, кроме того, повышают стоимость системы. Кроме того, возрастает стоимость эксплуатации системы, что является результатом потери давления, которая возникает в предкамере. Такая потеря давления возникает даже тогда, когда предкамера не используется. Для устранения потери давления можно использовать изменяемую геометрию, которая будет выполнять эту функцию в дополнение к функции поддержания соотношения топлива и воздуха. Однако решения, в которых используется изменяемая геометрия, дорогостоящи, усложнены и подвержены ускоренному износу, что снижает надежность и увеличивает расходы на ремонт.
Для многих потенциальных пользователей эти факторы в совокупности стали причиной того, что выработка электроэнергии через системы распределенного генерирования стала менее привлекательной, чем закупка электроэнергии у крупных электростанций.
Краткое изложение существа изобретения
Настоящее изобретение направлено на удовлетворение вышеуказанной потребности и дает другие преимущества. Технической задачей настоящего изобретения является создание системы генерирования электроэнергии и способа, согласно которым при любом рабочем состоянии для данной выходной мощности эффективность двигателя по существу оптимизируется путем управления расходом воздуха на двигателе таким образом, что отношением топлива к воздуху управляют так, чтобы поддерживать высокую пиковую температуру рабочего тела в двигателе. Способ и система согласно настоящему изобретению устраняют необходимость в механизмах с изменяемой геометрией в двигателе, устраняют необходимость в камерах сгорания с изменяемой геометрией и сводят к минимуму необходимость в предкамерах. Настоящее изобретение применимо к разным типам двигателей, в которых в качестве окислителя используется воздух и которые работают с низким отношением топлива к воздуху, таким как турбинные двигатели и двигатели, совершающие возвратно-поступательные перемещения, например свободнопоршневые двигатели.
Согласно настоящему изобретению также предлагается способ повышения эффективности двигателя, в котором окислителем является воздух, при частичной нагрузке в системе генерирования электроэнергии. Система имеет подвижный вал, механически соединенный с двигателем, и топливную системы, соединенную с двигателем и подающую топливо в двигатель с регулируемым расходом; при этом двигатель выполнен так, что пиковая термодинамическая эффективность по существу совпадает со 100% нагрузкой на двигатель. Система содержит электрогенератор, соединенный с валом так, что движение вала, приводимого двигателем, приводит в действие генератор, вырабатывающий переменный ток, а двигатель, вал и генератор соединены так, что изменение частоты вращения генератора вызывает соответствующее изменение частоты вращения двигателя и, следовательно, изменение расхода воздуха на двигателе. Способ содержит шаги, при которых эксплуатируют двигатель в условиях частичной нагрузки и управляют частотой вращения генератора в условиях частичной нагрузки так, чтобы управлять расходом воздуха на двигателе, одновременно управляя расходом топлива на двигателе, чтобы регулировать соотношение топлива и воздуха таким образом, чтобы пиковая температура цикла соответствовала условиям 100% нагрузки. Другими словами, пиковой температуре цикла не позволяют падать в какой-либо существенной степени при уменьшении нагрузки менее 100% (хотя при очень низкой нагрузке допускается падение пиковой температуры цикла, как описано ниже). Это достигается путем регулирования соотношения топлива и воздуха, в первую очередь путем регулирования расхода воздуха на двигателе. Поскольку расход воздуха является функцией частоты вращения двигателя, расход воздуха можно регулировать путем регулирования частоты вращения генератора.
В одном варианте шаг регулирования частоты вращения генератора включает регулирование уровня электрического тока за генератором. Это может выполняться путем преобразования переменного тока после генератора в постоянный ток и затем преобразования постоянного тока в переменный ток фиксированной частоты, не зависящей от частоты вращения генератора; после этого переменный ток фиксированной частоты подают на нагрузку. Используя активное регулирование преобразования переменного тока в постоянный, регулируют уровень постоянного тока так, чтобы регулировать частоту вращения генератора. Например, при по существу постоянном расходе топлива уменьшение постоянного тока приводит к уменьшению нагрузки на вал, и, следовательно, частота вращения генератора растет так, что выходное напряжение увеличивается для поддержания общего баланса энергии; наоборот, при увеличении постоянного тока растет нагрузка на вал, поэтому частота вращения генератора снижается.
При использовании генератора с обмотками и системой возбуждения регулирование частотой вращения генератора может осуществляться, по меньшей мере частично, путем управления системой возбуждения. Альтернативно, частоту вращения генератора с обмотками можно регулировать, управляя преобразователем переменного тока в постоянный, как упоминалось выше, или используя комбинированное регулирование системы возбуждения и преобразователя переменного тока в постоянный.
В другом варианте настоящего изобретения используют рекуператор для предварительного подогрева воздуха, который смешивается с топливом, или для предварительного подогрева топливовоздушной смеси; при этом рекуператор осуществляет теплообмен между воздухом или топливовоздушной смесью и выхлопными газами, выбрасываемыми из двигателя. В условиях очень низкой нагрузки, если пиковая температура цикла поддерживается на том же уровне, что и при 100% нагрузке, температура выхлопных газов, входящих в рекуператор, может превышать максимально допустимую величину (например, диктуемую свойствами материалов). Соответственно, согласно настоящему изобретению в таких условиях частота вращения генератора регулируется так, чтобы управлять расходом воздуха на двигателе и тем самым регулировать отношение топлива к воздуху так, чтобы пиковая температура цикла могла снизиться ниже величины, соответствующей температуре при 100% нагрузке. Соответственно, температура выхлопных газов, входящих в рекуператор, не превышает заранее определенную максимально допустимую величину.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения топливо сжигают в каталитической камере сгорания, имеющей заранее определенную минимальную температуру на входе, требуемую для поддержания каталитической реакции в камере сгорания. Во многих обычных схемах регулирования двигателя температура на входе в камеру сгорания стремится упасть при уменьшении нагрузки на двигатель менее 100%; соответственно, это температура может упасть ниже минимума, необходимого для каталитической реакции. Согласно настоящему изобретению соотношение топлива и воздуха при частичной нагрузке регулируют так, чтобы температура на входе в камеру сгорания была по меньшей мере равна заранее определенной минимальной температуре на входе в камеру сгорания. В одном варианте соотношение топлива и воздуха регулируют так, чтобы температура на входе в камеру сгорания в условиях частичной нагрузки превышала температуру на входе камеры сгорания в условиях 100% нагрузки.
Система для генерирования электроэнергии для питания нагрузки по одному варианту настоящего изобретения содержит двигатель, в котором в качестве окислителя используется воздух и который механически соединен с подвижным валом. Электрический генератор соединен с валом так, что движение вала, создаваемое двигателем, приводит в действие генератор для выработки переменного тока. Двигатель, вал и генератор соединены так, что изменение частоты вращения генератора вызывает соответствующее изменение частоты вращения двигателя и, следовательно, изменение расхода воздуха на двигателе. Система далее содержит топливную систему, реагирующую на сигнал регулирования подачей топлива для изменения расхода топлива на двигателе, и по меньшей мере один датчик двигателя, измеряющий по меньшей мере одну термодинамическую переменную, связанную с двигателем, которая указывает на относительную термодинамическую эффективность двигателя.
Блок силовой электроники соединен с генератором для приема от него переменного электрического тока и синтезирования выходного переменного тока с заранее определенной частотой для подачи его на нагрузку. Блок силовой электроники в одном варианте содержит модуль выпрямителя, структурированный и расположенный для преобразования переменного электрического тока, поступающего от генератора, и получения непеременного, постоянного тока с непеременным напряжением, а также модуль инвертора, структурированный и расположенный для преобразования этого непеременного, постоянного тока в переменный выходной ток и напряжение с заранее определенной частотой и относительной фазой для подачи на нагрузку. В одном варианте модуль выпрямителя может реагировать на сигнал регулирования тока для изменения уровня непеременного, постоянного тока независимо от переменного электрического тока от генератора.
Система также содержит датчик мощности генератора, измеряющий выходную мощность системы, и датчик мощности нагрузки, измеряющий мощность, требуемую нагрузкой. Контроллер оперативно соединен с топливной системой, с по меньшей мере одним датчиком двигателя, с блоком силовой электроники, с датчиком мощности генератора и с датчиком мощности нагрузки. Контроллер управляет топливной системой так, чтобы по существу согласовать выходную мощность системы с мощностью, требуемой нагрузкой, и одновременно управляет частотой вращения генератора так, чтобы регулировать частоту вращения двигателя (и, следовательно, расход воздуха), чтобы соотношение топлива и воздуха в смеси, сжигаемой в двигателе, регулировалось по существу для максимизации относительной термодинамической эффективности двигателя.
Регулирование частоты вращения генератора может осуществляться путем регулирования уровня непеременного постоянного тока от модуля выпрямителя блока силовой электроники, если модуль выпрямителя выполнен с возможностью активного регулирования. В другом варианте, где генератор является генератором с обмоткой, имеющим систему возбуждения, система управления может регулировать систему возбуждения так, чтобы регулировать частоту вращения генератора и, следовательно, расход воздуха.
В системе, описанной выше, предложен другой способ согласно настоящему изобретению, содержащий следующие шаги:
определяют мощность, требуемую нагрузкой,
измеряют, по меньшей мере, одну термодинамическую переменную, связанную с двигателем, которая указывает на относительную термодинамическую эффективность двигателя,
регулируют систему подачи топлива для подачи топлива на двигатель с регулируемым расходом так, чтобы выходная электрическая мощность системы была по существу согласована с мощностью, требуемой нагрузкой,
регулируют расход воздуха на двигателе независимо от выходной электрической мощности системы так, чтобы регулировать соотношения топлива и воздуха в смеси, сжигаемой в двигателе, чтобы по существу оптимизировать термодинамическую эффективность двигателя, одновременно по существу согласуя мощность, требуемую нагрузкой, при этом расход воздуха регулируют путем регулирования электрическим способом частоты вращения генератора и, следовательно, расхода воздуха на двигателе.
Краткое описание чертежей
Ниже следует подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает схему системы генерирования электроэнергии согласно одному варианту настоящего изобретения;
Фиг.2 - диаграммы температур в разных точках двигателя как функции от относительной нагрузки на генератор согласно способу регулирования по одному варианту настоящего изобретения (сплошные линии) по сравнению с известным способом регулирования (штриховые линии);
Фиг.3 - диаграммы соотношения топлива и воздуха в зависимости от нагрузки на генератор согласно способу регулирования по одному варианту настоящего изобретения (сплошные линии) по сравнению с известным способом регулирования (штриховые линии).
Подробное описание настоящего изобретения
Ниже следует более подробное описание настоящего изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показаны некоторые, но не все, варианты настоящего изобретения. Настоящее изобретение может быть реализовано в различных формах и не должно толковаться как ограниченное вариантами, раскрытыми в настоящем описании.
Система 10 (фиг.1) генерирования электроэнергии по одному варианту настоящего изобретения содержит двигатель 20, в котором окислителем является воздух и в котором сгорает смесь топлива и воздуха для производства горячих газообразных продуктов сгорания, которые затем расширяются для выполнения механической работы. Двигатель содержит турбинный двигатель, имеющий компрессор 22, установленный на одном конце выполненного с возможностью вращения вала 24, турбину 26, установленную на другом конце этого вала, и камеру сгорания 28 для сжигания топливовоздушной смеси. Камера сгорания может относиться к разным типам, включая, помимо прочего, диффузионно-пламенный, каталитический, работающий на обедненной предварительно подготовленной смеси, и прочее. В камеру сгорания подают топливовоздушную смесь. Воздух сначала сжимается в компрессоре. Топливовоздушную смесь сжигают в камере сгорания и горячие газообразные продукты сгорания направляют в турбину, в которой они, расширяясь, приводят турбину во вращение. Турбина, в свою очередь, вращает вал, который приводит в действие компрессор.
Система содержит генератор 30, соединенный с валом 24 так, что движение вала приводит в движение генератор. В показанном варианте, на котором вал выполнен с возможностью вращения, генератор также выполнен с возможностью вращения и вращательное движение вала передается на генератор. Генератор может быть установлен на валу непосредственно или соединяться с ним так, что между валом и генератором существует передаточное отношение 1:1, или, альтернативно, генератор и вал могут быть соединены через зубчатую передачу или подобный механизм, создающий другое передаточное отношение. Вал также может быть не вращающимся, а совершающим возвратно-поступательные движения, и генератор может совершать возвратно-поступательные перемещения или быть вращающимся. В любом случае скорость, с которой работает генератор, определяет скорость вала и, следовательно, скорость, с которой работает двигатель.
Генератор 30 может относиться к различным типам, включая генератор с постоянным магнитом, или генератор с обмотками, или их комбинации. Генератор вырабатывает переменный электрический ток и напряжение. Как будет описано ниже, переменный электрический ток от генератора преобразуется силовой электроникой для получения переменного выходного тока и напряжения с заранее определенной фиксированной частотой и отношением фаз для подачи на нагрузку.
Система 10 также содержит топливную систему для подачи топлива в камеру 28 сгорания. Топливная система по существу содержит топливный насос (не показан) и дозирующий топливный клапан 32, который управляется управляющим сигналом 34 так, чтобы регулировать расход топлива. Дозирующий клапан 32 соединен с системой 40 управления, которая управляет его работой. Система управления выполняет также и другие функции, описанные ниже.
Система 10 может в некоторых случаях содержать рекуператор 50, содержащий теплообменник для переноса тепла из выхлопных газов 52 двигателя в сжатый воздух 54, выходящий из компрессора 22 прежде, чем этот воздух будет подан в камеру сгорания. Рекуператор захватывает часть отходящего тепла, которое в ином случае было бы потеряно, и использует его для предварительного подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания, тем самым повышая общую эффективность двигателя.
Система 10 также содержит силовую электронику. В показанном варианте силовая электроника содержит выпрямитель 60 и модуль преобразования постоянного тока в переменный или инвертор 70. Выпрямитель 60 может содержать любой подходящий выпрямитель, способный преобразовывать переменный электрический ток, вырабатываемый генератором, частота которого может быть переменной, зависящей от частоты вращения генератора, в непеременный постоянный ток, выполненный с возможностью работы в режиме регулирования по току для регулирования уровня постоянного тока независимо от характеристик входного переменного тока (в определенных пределах). Активное регулирование по току по существу основано на схемах широтно-импульсной модуляции, в которых используются полупроводниковые переключающие устройства, которые осуществляют переключение с высокой частотой и эффективно позволяют току протекать только на протяжении части каждого периода волны входного тока. Такое «временное окно», во время которого ток может течь, может изменяться по длительности так, чтобы изменять «средний» выходной ток выпрямителя.
Модуль ДС/АС или инвертор 70 затем обрабатывает выходной ток выпрямителя 60 так, чтобы синтезировать переменный ток фиксированной частоты. Во многих странах стандартной частотой является 60 Гц, в других - 50 Гц. Выходную частоту инвертора выбирают в соответствии со стандартной частотой сети, используемой в конкретном месте, где должна работать система 10.
Система 10 также содержит несколько датчиков, соединенных с системой 40 управления, для измерения различных параметров. Например, датчик 72 выходной мощности установлен для измерения величины электрической мощности, вырабатываемой системой. Один или более датчиков 74 двигателя отслеживают одну или более термодинамических переменных, связанных с циклом двигателя. Термодинамические переменные используются для определения, когда двигатель работает в пределах регулировочной характеристики, т.е. работает ли он рядом со своей проектной точкой или выходит за проектные пределы. Например, можно использовать датчик температуры на входе в турбину. Как отмечалось выше, температура на входе в турбину представляет пиковую температуру рабочего тела в двигателе и, по существу, коррелирует с общей эффективностью двигателя. Следовательно, измеряя температуру на входе в турбину, наряду с другими параметрами, можно определить относительную термодинамическую эффективность двигателя.
Датчик 76 измеряет температуру потока выхлопных газов на входе рекуператора 50. В условиях частичной нагрузки, если двигатель регулируется неправильно, температура на входе рекуператора может превысить максимально допустимый уровень, определяемый пределами материалов. Соответственно, система управления соединена с датчиком 76 для отслеживания температуры на входе рекуператора и регулирует расход воздуха на двигателе, чтобы предотвратить превышение температурного предела материалов, одновременно поддерживая температуру на входе турбины максимально высокой в пределах этого дополнительного ограничения.
На практике чаще не требуется определять реальную относительную термодинамическую эффективность двигателя, а нужно просто измерять один или более из параметров, указывающих на относительную эффективность или на рабочие условия двигателя. Например, известно, что для данной выходной мощности двигателя (и, следовательно, данной выходной мощности генератора, измеряемой датчиком 72 мощности) эффективность двигателя будет по существу оптимизирована при максимальной температуре на входе в турбину. Соответственно, чтобы максимизировать температуру на входе в турбину в допустимых пределах, можно регулировать соотношение топлива и воздуха, управляя расходом воздуха. Более конкретно, материалы входных сопел турбины имеют максимально допустимую температуру, которую нельзя превышать, чтобы сохранить достаточную прочность и целостность материалов во избежание разрушения деталей. При проектной точке, соответствующей 100% нагрузке, по существу двигатель должен проектироваться так, чтобы температура на входе в турбину равнялась этой максимально допустимой температуре или была близка к ней. Для условий пониженной нагрузки можно регулировать расход воздуха так, чтобы температура на входе в турбину не падала существенно ниже проектной точки.
Если система содержит рекуператор 50, пределы прочности материалов, используемых в рекуператоре, могут обусловить необходимость отхода от такого режима работы с постоянной температурой на входе турбины. Более конкретно, если при очень низкой частичной нагрузке температуру на входе турбины поддерживать на том же уровне, что и при 100% проектной точке, температура выхлопных газов, попадающих в рекуператор, может превысить максимально допустимую величину, диктуемую пределами прочности материалов, используемых в рекуператоре. Соответственно, согласно настоящему изобретению при таких условиях частоту вращения генератора можно регулировать так, чтобы управлять расходом воздуха на двигателе (одновременно регулируя расход топлива на двигателе), чтобы регулировать соотношение топлива и воздуха, чтобы температура на входе турбины могла упасть ниже температуры, соответствующей рабочим условиям при 100% нагрузке. Таким образом можно ограничить повышение температуры выхлопных газов, попадающих в рекуператор, до определенной максимально допустимой величины.
Например, система 40 управления может хранить в запоминающем устройстве заранее определенный перечень температур на входе в турбину при данной относительной нагрузке на генератор. Относительная нагрузка на генератор, которая выражается через выходную мощность, измеренную датчиком 72 мощности, по существу указывает на относительную нагрузку на двигателе и, следовательно, показывает, когда двигатель работает в пределах регулировочной характеристики. Система 40 управления может использовать подходящий управляющий алгоритм для регулирования расхода воздуха (через регулирование частоты вращения генератора некоторым подходящим образом, например, регулируя постоянный ток от выпрямителя 60), чтобы температура на входе в турбину по существу совпадала с величиной, диктуемой заранее определенным перечнем. Это просто упрощенный пример одной из возможных схем управления, и в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться и другие схемы.
На фиг.2 показаны диаграммы, отображающие соотношение температуры на входе турбины и нагрузки на генератор, и приведено сравнение различных температур в различных точках системы 10 (сплошные линии) с соответствующими температурами, возникающими при использовании известного подхода (штриховые линии). В соответствии с настоящим изобретением при величине относительной нагрузки на генератор, равной 100% (т.е. проектная точка для двигателя), температура на входе турбины по существу равна максимально допустимой температуре на входе турбины, составляющей около 1200 К. Температуру на входе турбины поддерживают на этом уровне при падении нагрузки на генераторе вплоть до около 40%. Наоборот, в способе по предшествующему уровню техники температура на входе турбины постепенно падает при снижении нагрузки менее 100%. Следовательно, при одинаковой относительной нагрузке общая эффективность двигателя будет выше при использовании схемы управления согласно настоящему изобретению, чем схемы управления по предшествующему уровню техники.
Видно, что при относительной нагрузке, равной 40%, температура на выходе турбины (которая по существу равна температуре на входе рекуператора) повысилась до максимально допустимой для рекуператора температуры, равной около 900 К. При еще меньших нагрузках, если поддерживать температуру на входе турбины на уровне 1200 К, температура на выходе турбины превысит максимально допустимую для рекуператора температуру. Соответственно, согласно настоящему изобретению температуру на входе турбины поддерживают ниже 1200 К.
Другой фактор, который может влиять на схему управления, это использование каталитической камеры 28 сгорания. Как указывалось, в каталитических камерах сгорания существует минимальная входная температура, которую нужно поддерживать для проведения каталитической реакции. На фиг.2 показано, что в известной системе при относительной нагрузке ниже 50% температура на входе камеры сгорания падает ниже этой минимальной рабочей температуры, равной около 800 К. В соответствии с настоящим изобретением температура на входе камеры сгорания поднимается от около 800 К при нагрузке 100% до около 860 К при нагрузке 40%. При нагрузке менее 40% температура на входе камеры сгорания остается постоянной на уровне около 860 К. Таким образом, настоящее изобретение позволяет реализовать улучшение эффективности в условиях частичной нагрузки и одновременно обеспечить правильность работы каталитической камеры сгорания во всех рабочих точках.
На фиг.3 показано, как меняется соотношение топлива и воздуха при регулировании согласно настоящему изобретению, где регулируется расход воздуха, и согласно предшествующему уровню техники без регулирования расхода воздуха. При регулировании расхода воздуха соотношение топлива и воздуха по существу существенно выше в условиях частичной нагрузки, чем в известном способе. Повышенное соотношение топлива и воздуха при регулировании расхода воздуха отражает тот факт, что расход воздуха ниже, чем в известном способе. При падении нагрузки со 100 до 40% соотношение топлива и воздуха, использующее регулирование расхода воздуха, уменьшается относительно медленно. В результате температура на входе турбины поддерживается по существу постоянной (фиг.2). При нагрузке ниже 40% соотношение топлива и воздуха падает существенно быстрее.
Из фиг.3 также видно, что температура на входе камеры сгорания согласно изобретению по существу выше, чем в известном способе. Более высокое соотношение топлива и воздуха и более высокая температура на входе камеры сгорания по существу понижают количество вредных выбросов в камерах сгорания, работающих на заранее приготовленной смеси с низким количеством вредных выбросов.
Описанная выше схема управления основана на прямом измерении температуры на входе турбины, результаты которого используются как регулируемый параметр. Однако в некоторых случаях измерение температуры на входе турбины может быть непрактичным из-за экстремальных условий, в которых придется работать датчику температуры на входе турбины. Поэтому, альтернативно, можно измерять другие термодинамические переменные в цикле двигателя и определять температуру на входе турбины на основе расчета цикла. В качестве еще одной альтернативы система управления может хранить список подходящего регулируемого параметра (например, расход воздуха на двигателе) относительно нагрузки на генератор и можно измерять термодинамические переменные, что позволит вычислить регулируемый параметр. При этом система управления затем приводит реальный (т.е. вычисленный) регулируемый параметр в соответствие с приведенной в списке величиной.
Конкретный применяемый способ регулирования и параметры, измеряемые для осуществления этого способа, не критичны. Основная идея настоящего изобретения заключается в регулировании расхода воздуха на двигателе как средства повышения или оптимизации общей эффективности двигателя для каждой данной величины выходной мощности системы 10 генерирования электроэнергии.
Одновременно в режиме регулирования по нагрузке выходная мощность системы 10 генерирования электроэнергии должна регулироваться так, чтобы быть согласованной с мощностью, требуемой для определенной нагрузки. Выходная мощность в первую очередь является функцией расхода топлива. Соответственно, при регулировании по нагрузке система управления 40 регулирует расход воздуха, одновременно регулируя выходную мощность (измеряемую датчиком 72 мощности), чтобы удовлетворять спрос. Схемы регулирования по нагрузке хорошо известны и, следовательно, не требуют более подробного описания.
В зависимости от конкретной задачи система 10 также может работать не только в режиме регулирования по нагрузке. В таких случаях применяется тот же тип регулирования расхода, который был описан выше.
Система 10 имеет однокаскадный турбинный двигатель 20. Однако настоящее изобретение не ограничено каким-либо конкретным типом двигателя, в котором окислителем является воздух. Могут использоваться многокаскадные турбинные двигатели, турбинные двигатели со свободной турбиной, роторные двигатели внутреннего сгорания (например, двигатель Ванкеля), поршневые двигатели, совершающие возвратно-поступательные перемещения, и другие. В каждом случае регулирование расхода воздуха на двигателе осуществляют, регулируя частоту вращения генератора.
Генератор 30 может относиться к разным типам, включая генераторы с постоянным магнитом и генераторы с обмотками. В описанном варианте системы 10 генератор 30 является генератором с постоянным магнитом, в котором отсутствует система возбуждения. В случае генератора с обмотками генератору нужна система 80 возбуждения (фиг.1) для подачи тока возбуждения на обмотки ротора, как известно в этой области техники. Система возбуждения может содержать, например, небольшой генератор, установленный на том же валу, что и ротор, или механически соединяться (например, приводным ремнем) с валом ротора.
Независимо от типа генератора требуется электрическое регулирование частоты вращения генератора для регулирования расхода воздуха на двигателе и тем самым для оптимизации эффективности двигателя и, возможно, для достижения других эффектов, как указано выше. В случае использования генератора с постоянным магнитом регулирование генератора осуществляется путем регулирования выпрямителя 60, как описано выше. В случае генератора с обмотками возможно несколько схем регулирования. В одной схеме система 40 управления управляет системой 80 возбуждения (через управляющую линию 82) для регулирования частоты вращения генератора. Преобразование переменного тока в постоянный и постоянного тока в переменный может оказаться ненужным, и вместо этого можно использовать преобразователь переменного тока в переменный для синтезирования переменного выходного тока с требуемой частотой для подачи его на нагрузку. Альтернативно, как описано выше, можно использовать выпрямитель и инвертор, и в этом случае выпрямитель не обязательно должен быть регулируемым по току, поскольку регулирование частоты вращения генератора осуществляется путем управления системой возбуждения.
В другой схеме частота вращения генератора может регулироваться путем комбинации управления системой возбуждения и управления выпрямителем. Еще в одной схеме частота вращения генератора регулируется исключительно через управление выпрямителем, как описано выше.
Детали регулирования частоты вращения генератора не критичны для настоящего изобретения, и можно применять различные схемы.
Преимущественно настоящее изобретение позволяет управлять термодинамическим циклом двигателя, имеющего компрессор с неизменяющейся геометрией, турбину и камеру сгорания.
Специалист в данной области легко найдет различные его модификации и другие варианты изобретения, описанного выше, которые обладают преимуществами, представленными в настоящем описании и на прилагаемых чертежах. Поэтому следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается описанными вариантами и подобные модификации и варианты охватываются прилагаемой формулой изобретения.
1. Система генерирования электроэнергии для подачи на нагрузку, содержащая двигатель (20), в котором окислителем служит воздух, механически соединенный с подвижным валом (24), при этом двигатель предназначен для получения смеси воздуха и топлива и сжигания смеси так, что смесь расширяется и создает механическую энергию, которая используется для приведения в движение вала,
топливную систему (32), соединенную с двигателем и предназначенную для подачи топлива в двигатель, при этом топливная система обеспечивает изменение расхода топлива на двигателе в ответ на сигнал регулирования подачи топлива, по меньшей мере один датчик (74) двигателя, предназначенный для измерения по меньшей мере одной термодинамической переменной, связанной с двигателем, которая указывает на относительную термодинамическую эффективность двигателя,
электрический генератор (30), соединенный с валом (24) так, что движение вала (24) под воздействием двигателя (20) обеспечивает работу генератора (30) для выработки переменного электрического тока, при этом двигатель (20), вал (24) и генератор (30) соединены так, что изменение частоты вращения генератора (30) приводит к соответствующему изменению частоты вращения двигателя (20) и следовательно к изменению расхода воздуха на двигателе, датчик (72) мощности генератора, предназначенный для измерения выходной мощности генератора (30),
датчик нагрузки, предназначенный для измерения мощности, требуемой нагрузкой, отличающаяся тем, что
содержит блок (60, 70) силовой электроники, соединенный с генератором (30) для приема от него переменного электрического тока, при этом блок (60, 70) силовой электроники предназначен для синтезирования переменного выходного тока и напряжения заданной частоты и относительной фазы для подачи на нагрузку,
контроллер (40), оперативно связанный с топливной системой (32), с по меньшей мере одним датчиком (74) двигателя, с блоком (60, 70) силовой электроники, с датчиком (72) мощности генератора и с датчиком мощности нагрузки, при этом контроллер (40) выполнен с возможностью управления топливной системой (32) так, чтобы согласовывать выходную мощность системы с мощностью, требуемой нагрузкой и одновременно электрически управлять генератором (30) через регулирование блока (60, 70) силовой электроники, чтобы обеспечить регулирование частоты вращения генератора (30) и, тем самым, регулирование расхода воздуха на двигателе (20) таким образом, чтобы соотношение топлива и воздуха в смеси, сжигаемой в двигателе, регулировалось для максимизации относительной термодинамической эффективности двигателя.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок (60, 70) силовой электроники содержит AC/DC модуль (60) выпрямителя, предназначенный для воздействия на переменный электрический ток от генератора (30) и выработки непеременного постоянного тока с непеременным напряжением, a DC/AC модуль (70) предназначен для воздействия на непеременный постоянный ток так, чтобы синтезировать переменный электрический ток, подаваемый на нагрузку, при этом AC/DC модуль (60) предназначен для изменения уровня непеременного постоянного тока в ответ на сигнал регулирования тока независимо от переменного электрического тока, приходящего от генератора (30), при этом система (40) управления обеспечивает подачу сигнала регулирования тока на AC/DC модуль (60) для регулирования уровня постоянного выходного тока AC/DC модуля (60) и, тем самым, регулирования скорости генератора.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что генератор (30) и вал (24) выполнены с возможностью вращения.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что двигатель (20) содержит компрессорное устройство (22), предназначенное для сжатия воздуха, и силовое устройство (26, 28), предназначенное для приема сжатого воздуха от компрессорного устройства (22) и топлива от топливной системы (32) и сжигания топливовоздушной смеси для создания механической мощности.
5. Система по п.4, отличающаяся тем, что дополнительно содержит теплообменник (50), предназначенный для приема сжатого воздуха от компрессорного устройства (22) и выхлопных газов от силового устройства (26, 28) и осуществления теплообмена от выхлопных газов к сжатому воздуху, чтобы обеспечить предварительный подогрев сжатого воздуха перед сгоранием в силовом устройстве (26, 28).
6. Система по п.5, отличающаяся тем, что силовое устройство (26, 28) содержит камеру (28) сгорания для сжигания топливовоздушной смеси для производства горячих газообразных продуктов сгорания и расширительное устройство (26) для расширения горячих газов для выработки механической мощности.
7. Система по п.6, отличающаяся тем, что расширительное устройство (26) содержит турбину.
8. Система по п.7, отличающаяся тем, что турбина (26) является турбиной с неизменяющейся геометрией.
9. Система по п.6, отличающаяся тем, что компрессорным устройством (22) является компрессор с неизменяющейся геометрией.
10. Система по п.6, отличающаяся тем, что камера (28) сгорания является камерой сгорания с неизменяющейся геометрией.
11. Система по п.6, отличающаяся тем, что камера (28) сгорания содержит каталитическую камеру сгорания.
12. Система по п.11, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик, предназначенный для измерения переменной, указывающей температуру на входе в камеру сгорания, при этом контроллер (40) связан с датчиком и предназначен для регулирования расхода воздуха на двигателе (20), чтобы поддерживать температуру на входе в камеру сгорания выше заданной минимальной температуры, требуемой для каталитической реакции.
13. Система по п.12, отличающаяся тем, что дополнительно содержит датчик (76), связанный с теплообменником (50) и предназначенный для измерения переменной, указывающей температуру выхлопных газов, входящих в теплообменник (50), при этом контроллер (40) соединен с указанным датчиком (76), связанным с теплообменником (50), и предназначен для регулирования расхода воздуха на двигателе (20), чтобы поддерживать температуру выхлопных газов, входящих в теплообменник (50), ниже заданной максимальной температуры.
14. Система по п.1, отличающаяся тем, что генератор (30) является генератором с обмотками.
15. Система по п.14, отличающаяся тем, что дополнительно содержит систему (80) возбуждения, предназначенную для возбуждения генератора.
16. Система по п.15, отличающаяся тем, что система (40) управления предназначена для управления системой (80) возбуждения для электрического регулирования частоты вращения генератора и, тем самым, регулирования расхода воздуха.
17. Способ регулирования системы генерирования электроэнергии, содержащей двигатель (20), в котором окислителем является воздух, механически соединенный с подвижным валом (24), при этом двигатель предназначен для получения топливовоздушной смеси и сжигания этой смеси так, что смесь расширяется и создает механическую энергию, которая используется для приведения в движение вала (24), топливную систему (32), соединенную с двигателем (20) и предназначенную для подачи топлива в двигатель (20), при этом топливная система обеспечивает регулирование расхода топлива на двигателе (20) в ответ на сигнал регулирования расхода топлива, электрический генератор, соединенный с валом (24) так, что движение вала (24) под воздействием двигателя (20) заставляет генератор (30) вырабатывать переменный электрический ток, причем двигатель (20), вал (24) и генератор (30) соединены так, что изменение частоты вращения генератора (30) вызывает соответствующее изменение частоты вращения двигателя и следовательно изменение расхода воздуха на двигателе (20), а электрическая выходная мощность системы, по существу, определяется расходом топлива на двигателе (20), заключающийся в том, что:
определяют мощность, требуемую нагрузкой,
измеряют по меньшей мере одну термодинамическую переменную, связанную с двигателем (20), которая указывает на относительную термодинамическую эффективность двигателя (20),
регулируют систему (32) подачи топлива на двигатель для обеспечения подачи топлива на двигатель (20) с регулируемым расходом так, чтобы, по существу, согласовать выходную электрическую мощность системы и мощность, требуемую нагрузкой, отличающийся тем, что
система содержит блок (60, 70) силовой электроники, соединенный с генератором (30) для приема от него переменного электрического тока и предназначенный для синтезирования выходного переменного тока и напряжения заданной частоты и относительной фазы для подачи на нагрузку,
расход воздуха на двигателе (20) регулируют независимо от выходной электрической мощности системы путем электрического регулирования частоты вращения генератора (30) через регулирование блока (60, 70) силовой электроники, чтобы регулировать соотношение топлива и воздуха в смеси, сжигаемой в двигателе (20) и, по существу, оптимизировать термодинамическую эффективность двигателя (20), одновременно согласуя мощность, требуемую нагрузкой.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что переменный электрический ток от генератора (30) преобразуют в AC/DC модуле (60) в непеременный постоянный ток и непеременное напряжение, а непеременный постоянный ток от AC/DC модуля (60) преобразуют DC/AC в модуле (70) для синтезирования выходного переменного тока, который подают на нагрузку, при этом AC/DC модуль (60) формирует ответный сигнал регулирования тока для изменения уровня непеременного постоянного тока независимо от переменного электрического тока от генератора (30), а при регулировании расхода воздуха регулируют непеременный постоянный ток от AC/DC модуля (60) блока (60, 70) силовой электроники, чтобы изменить частоту вращения генератора (30) и следовательно расход воздуха.
19. Способ по п.17, отличающийся тем, что используют двигатель (20), который содержит турбинный двигатель, имеющий компрессор (22) для сжатия воздуха, камеру (28) сгорания для сжигания топливовоздушной смеси и получения горячих газов, турбину (26) для расширения горячих газов, при этом для оптимизации термодинамической эффективности двигателя (20) обеспечивают согласование температуры на входе турбины с заданной величиной.
20. Способ по п.19, отличающийся тем, что используют камеру сгорания, которая содержит каталитическую камеру сгорания, измеряют переменную, указывающую на температуру на входе в камеру (28) сгорания, регулируют расход воздуха на двигателе (20) так, чтобы поддерживать температуру на входе в камеру сгорания выше заранее определенной температуры, необходимой для каталитической реакции.
