Установка с турбодетандером и приводной турбомашиной
Изобретение относится к установкам, содержащим турбодетандеры и приводные турбомашины, а также к способам управления такими установками. Технический результат заключается в обеспечении эффективности установки. Установка с турбодетандером и приводной турбомашиной содержит турбодетандер, выполненный с возможностью расширения первой текучей среды и содержащий ступень расширения с одним рабочим колесом, первый ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный на входе указанной ступени расширения, приводную турбомашину, выполненную с возможностью обработки второй текучей среды и содержащую рабочее колесо, второй ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный на входе рабочего колеса турбомашины, механическую передачу, расположенную между турбодетандером и приводной турбомашиной, и контроллер, соединенный со вторым рядом подвижных направляющих лопаток и выполненный с возможностью управления вторым рядом подвижных лопаток для регулирования скорости вращения указанной приводной турбомашины и указанного турбодетандера. Контроллер выполнен с возможностью приема данных об указанной скорости вращения и управления вторым рядом подвижных лопаток для регулирования скорости вращения до требуемого значения. Способ управления установкой содержит турбодетандер, турбомашину с механическим приводом, приводимую в действие турбодетандером. Также содержит первый ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный у турбодетандера, и второй ряд подвижных входных направляющих лопаток, рассоложенный у приводной турбомашины. Способ включает следующие этапы: расширение первой текучей среды в турбодетандере и выработку с его помощью механической энергии; обеспечение вращения приводной турбомашины с помощью механической энергии, вырабатываемой турбодетандером; обработку второй текучей среды; управление вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток для регулирования скорости вращения приводной турбомашины и турбодетандера и управление вторым рядом подвижных лопаток для поддержания скорости вращения в пределах диапазона вблизи постоянного значения. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Варианты выполнения настоящего изобретения, рассмотренные в данном документе, в целом относятся к установкам, содержащим турбодетандеры и приводные турбомашины, а также к способам управления такими установками.
ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
Турбодетандеры широко используются в холодильной промышленности, при переработке нефти и газа, а также в низкотемпературных процессах. Согласно некоторым известным применениям турбодетандеры используются в циклах регенерации тепла для приведения в действие электрогенератора. В заявке на патент США №2011/0305556 описаны установка и способ выработки электроэнергии, в которых используется турбодетандер по меньшей мере с двумя ступенями расширения, предназначенный для регенерации тепла и выработки механической энергии для приведения в действие электрогенератора. Согласно данному применению турбодетандер введен в цикл Рэнкина.
В европейском патентном документе ЕР 2400117 описано применение турбодетандер-компрессорной установки, которая выполнена в соответствии с известным уровнем техники, причем в указанных турбодетандере и компрессоре происходит обработка одной и той же текучей среды. Фиг. 1 изображает турбодетандер-компрессорную установку, выполненную в соответствии с предшествующим уровнем техники. Установка обозначена номером 200 позиции. Турбодетандер 210 содержит рабочее колесо 212 и принимает входящий газовый поток в местоположении 214. Внутри турбодетандера 210 газ может расширяться, приводя во вращение рабочее колесо 212. Расширенный газ выходит из турбодетандера 210 в местоположении 216. Когда установка 200 работает в расчетных условиях, давление р1 и температура Т1 входящего газового потока в местоположении 214, также как и давление р2 и температура Т2 газового потока на выпускной стороне 216, имеют значения, близкие к заданным. Однако в некоторых случаях турбодетандер-компрессорная установка работает при нерасчетных условиях, и в таком случае давление р1 поступающего газового потока в местоположении 214 может быть отрегулировано для очередного приближения к соответствующему номинальному значению благодаря использованию, например, первого ряда подвижных входных направляющих лопаток 218 (ВНЛ1). Первый ряд подвижных входных направляющих лопаток 218 расположен на входе турбодетандера 210.
В турбодетандер-компрессорной установке 200, показанной на фиг. 1, компрессор 224 содержит рабочее колесо 226. Компрессор 224 принимает газовый поток из турбодетандера 210 и подает поток сжатого газа на выпускной стороне 228. Однако поскольку между турбодетандером 210 и компрессором 224 давление газового потока может изменяться из-за других элементов процесса (например, сепараторов, охладителей, клапанов), а также вследствие потерь давления, газовый поток в местоположении 216 имеет давление р3 при его поступлении в компрессор 224.
Механическая работа, создаваемая благодаря расширению газа в турбодетандере, обеспечивает вращение рабочего колеса 212 турбодетандера. Рабочее колесо 212 установлено на том же валу 230, что и рабочее колесо 226 компрессора. Таким образом, рабочее колесо 226 компрессора совершает вращение благодаря механической работе, совершаемой во время расширения газа в турбодетандере 210. Вращение рабочего колеса 226 компрессора обеспечивает выработку энергии, используемой для сжатия газа в компрессоре 224. Механическая работа, необходимая для вращения рабочего колеса 226 компрессора, влияет на скорость u вращения вала 230 и, соответственно, косвенно влияет на процесс расширения газа внутри турбодетандера 210.
Эффективность турбодетандера зависит от отношения скорости u вращения вала 230 и понижения энтальпии ΔΗ в турбодетандере 210. Процесс расширения газа в турбодетандере 210 приближенно можно отнести к изоэнтропическому процессу.
Параметры (т.е. р1, Т1, р2 и Т2) расширения газа в турбодетандере 210 и скорость u вращения вала 230 не могут изменяться независимо. Следовательно, при непроектных условиях работы для достижения максимальной эффективности турбодетандера можно управлять давлением р3 газового потока на входе 216 компрессора 224, например, с помощью второго ряда подвижных входных направляющих лопаток 232 (ВНЛ2), выполненного на входе указанного компрессора. Путем изменения давления р3 газового потока 216, поступающего в компрессор 224, изменяется скорость u вращения вала 230 и таким образом можно обеспечить максимальную эффективность турбодетандера 210.
С помощью соответствующих датчиков контроллер 240 принимает информацию о давлении р1 и температуре Т1 газового потока у впускной стороны 214 турбодетандера 210, о давлении р3 газового потока у впуска 216 компрессора 224 и о скорости u вращения вала 230. Контроллер 240 может передавать команды С1 входным направляющим лопаткам 218 (ВНЛ1) для регулирования давления р1 газового потока на входе 214 турбодетандера так, чтобы оно находилось в пределах заданного диапазона. На основании полученных в результате текущего контроля данных контроллер 240 определяет, когда турбодетандер-компрессорная установка 200 работает в нерасчетных условиях. Когда контроллер 240 определяет, что указанная установка 200 функционирует в нерасчетных условиях, контроллер 240 передает команды С2 второму ряду подвижных входных направляющих лопаток 232 (ВНЛ2) для регулирования давления р3 газа, поступающего в компрессор, для обеспечения максимального значения отношения R между скоростью u вращения вала 230 и понижением энтальпии ΔΗ в турбодетандере 210.
В данном варианте выполнения один и тот же контроллер обеспечивает управление подвижными входными направляющими лопатками турбодетандера и подвижными входными направляющими компрессора для обеспечения эффективности рассматриваемой установки при условии, что в двух данных турбомашинах обработке подвергается одна и та же текучая среда.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты выполнения настоящего изобретения относятся к установке, содержащей турбодетандер и приводную турбомашину. Указанная установка может содержать турбодетандер, выполненный с возможностью расширения первой текучей среды и содержащий по меньшей мере одну ступень расширения с одним рабочим колесом; по меньшей мере первый ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный на входе указанной ступени расширения, и приводную турбомашину, выполненную с возможностью обработки второй текучей среды и содержащую по меньшей мере одно рабочее колесо, снабженное вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток, расположенных на входе рабочего колеса турбомашины. Данная установка может дополнительно содержать механическую передачу, выполненную между турбодетандером и приводной турбомашиной. Указанная установка может дополнительно содержать контроллер, соединенный со вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток и выполненный с возможностью управления им для регулирования скорости вращения приводной турбомашины и турбодетандера.
Отдельные ряды подвижных входных направляющих, установленные, соответственно, на входе турбодетандера и на входе приводной турбомашины, с одной стороны, обеспечивают возможность управления скоростью вращения указанной установки, а с другой стороны, способствуют выработке энергии турбодетандером. Например, первая текучая среда может быть обработана в замкнутом термодинамическом цикле регенерации тепла, при этом подвижные входные направляющие лопатки первого ряда используются для регулирования режимов работы турбодетандера в зависимости от количества тепла, доступного из источника тепла. Вторая текучая среда может быть, например, газом или жидкостью, обрабатываемой компрессором или насосом, при этом подвижные входные направляющие лопатки второго ряда используются для регулирования, например, скорости потока второй текучей среды, проходящей через приводную турбомашину, для установки, регулирования или поддержания требуемой скорости вращения рассматриваемой установки.
В предпочтительных вариантах выполнения механическая передача выполнена с возможностью обеспечения постоянного передаточного отношения между турбодетандером и приводной турбомашиной. В некоторых типовых вариантах выполнения турбодетандер содержит одно рабочее колесо, установленное на валу. Приводная турбомашина содержит по меньшей мере одно рабочее колесо, установленное на том же валу, так что две указанные машины выполняют вращение с одной и той же скоростью, при этом передаточное отношение равно 1. Единственный вал может быть образован одним или более участками вала. Для присоединения двух или более участков вала друг к другу могут быть предусмотрены соединения, которые могут представлять собой жесткие соединения, упругие соединения или сцепные муфты и т.п.
В других типовых вариантах выполнения турбодетандер может содержать более одной ступени, причем каждая ступень содержит по меньшей мере одно рабочее колесо. По меньшей мере одно или предпочтительно все рабочие колеса могут быть снабжены соответствующими подвижными входными направляющими лопатками. Если выполнено более одного ряда подвижных входных направляющих лопаток, расположенных на входе более чем одной ступени, то управление каждым таким рядом лопаток может осуществляться независимо от других рядов для обеспечения оптимальной работы каждой ступени турбодетандера.
В некоторых вариантах выполнения многоступенчатый турбодетандер может представлять собой так называемый турбодетандер со встроенным редуктором. Турбодетандер со встроенным редуктором может содержать центральное зубчатое колесо, находящееся в зацеплении с двумя или более шестернями, расположенными по периферии вокруг оси указанного зубчатого колеса. Каждая шестерня установлена на валу соответствующего рабочего колеса турбодетандера. В этом случае каждая ступень турбодетандера может совершать вращение со своей собственной скоростью, при этом передаточное отношение между указанными валами обеспечивает максимальную общую эффективность турбодетандера. Дополнительная шестерня, установленная на выходном передаточном валу, может находиться в зацеплении с центральным зубчатым колесом. В свою очередь выходной передаточный вал может удерживать одно или более рабочих колес приводной турбомашины. Такая конструкция обеспечивает стабильное отношение скоростей вращения выходного передаточного вала и каждого ведущего вала каждой ступени турбодетандера.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения первый ряд подвижных входных направляющих лопаток выполнен с возможностью управления по меньшей мере одним параметром первой текучей среды, которая обрабатывается указанным турбодетандером. Если турбодетандер содержит более одного рабочего колеса, каждое рабочее колесо может быть снабжено собственным первым рядом подвижных входных направляющих лопаток. В этом случае каждый ряд подвижных входных направляющих лопаток, выполненный в турбодетандере, может быть предназначен для управления по меньшей мере одним параметром первой текучей среды, поступающей в соответствующую ступень турбодетандера.
В некоторых вариантах выполнения параметром первой текучей среды является давление текучей среды на входе ступени турбодетандера или на каждой ступени турбодетандера, снабженной подвижными входными направляющими лопатками.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения настоящего изобретения указанный контроллер выполнен с возможностью приема информации о скорости вращения приводной турбомашины и с возможностью управления вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток для регулирования скорости вращения до требуемого значения. Поскольку, как правило, передаточное отношение между валом приводной турбомашины и валом турбодетандера или валом каждой ступени турбодетандера является постоянным, управление скоростью вращения приводной турбомашины обеспечивает также управление скоростью вращения турбодетандера или каждой его ступени.
В сущности, контроллер может быть выполнен с возможностью управления скоростью вращения согласно любому требуемому назначению. В некоторых вариантах выполнения настоящего изобретения, контроллер выполнен с возможностью поддержания постоянного требуемого значения скорости вращения или в пределах допустимого диапазона значений вокруг постоянного значения скорости, например, ±2% от требуемой скорости вращения. Указанные значения приведены лишь в качестве примеров и не ограничивают объем настоящего изобретения.
Управление первым рядом подвижных входных направляющих лопаток, установленных на входе в турбодетандер, и/или каждым первым рядом подвижных входных направляющих лопаток, установленным на входе каждой ступени турбодетандера, может обеспечить максимальное значение вырабатываемой указанным турбодетандером энергии. В предпочтительных вариантах выполнения для управления указанным первым рядом (рядами) подвижных входных направляющих лопаток могут быть выполнены контроллер и серводвигатель. Контроллер может быть выполнен с возможностью изменения положения подвижных входных направляющих лопаток в соответствии с одним или более параметрами первой текучей среды, протекающей через указанный турбодетандер, для обеспечения максимального значения энергии, восстановленной благодаря расширению текучей среды в турбодетандере.
В соответствии с предпочтительными вариантами выполнения текучая среда, проходящая через турбодетандер, является рабочей средой замкнутого термодинамического цикла, например, текучей средой цикла регенерации тепла. В предпочтительных вариантах выполнения цикл регенерации тепла может представлять собой цикл Рэнкина. В особенно предпочтительных вариантах выполнения цикл регенерации тепла является органическим циклом Рэнкина. Например, цикл регенерации тепла может содержать конденсатор, насос, теплообменные устройства, предназначенные для регенерации тепла, получаемого из источника тепла, и для испарения текучей среды, обрабатываемой в указанном термодинамическом цикле регенерации тепла. В некоторых вариантах выполнения указанный цикл может содержать нагреватель и перегреватель, расположенные последовательно вдоль контура рабочей среды между указанными насосом и турбодетандером. В некоторых вариантах выполнения эффективность указанного цикла может быть повышена посредством рекуператора, в котором осуществляется передача тепла от расширенной текучей среды, выходящей из турбодетандера, к холодной текучей среде под давлением, нагнетаемой указанным насосом.
В типовых вариантах выполнения приводная турбомашина может содержать насос или компрессор, например, центробежный компрессор или центробежный насос. Указанная приводная турбомашина может быть одноступенчатой или многоступенчатой.
В соответствии с другим аспектом настоящее изобретение в целом относится к способу управления установкой, содержащей турбодетандер, турбомашину с механическим приводом, приводимую в действие указанным турбодетандером, по меньшей мере первый ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный в указанном турбодетандере, второй ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный в указанной приводной турбомашине. В соответствии с некоторыми вариантами выполнения данный способ включает следующие этапы:
расширение первой текучей среды, проходящей через турбодетандер, и выработку с его помощью механической энергии;
обеспечение вращения указанной приводной турбомашины с помощью указанной энергии;
обработку второй текучей среды, проходящей через приводную турбомашину;
управление вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток для регулирования скорости вращения приводной турбомашины и турбодетандера.
При этом может быть выполнен дополнительный этап управления вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток для поддержания скорости вращения в пределах диапазона около постоянного значения. Помимо этого, также может быть выполнен этап управления первым рядом подвижных входных направляющих лопаток для достижения максимального значения энергии, вырабатываемой указанным турбодетандером.
Если турбодетандер и/или приводная турбомашина содержит более одной ступени, каждая ступень может быть снабжена соответствующим рядом подвижных входных направляющих лопаток. Соответственно, формулировка «первый ряд подвижных входных направляющих лопаток» может означать один ряд подвижных лопаток, расположенный на входе одного рабочего колеса турбодетандера, или означать более, чем один ряд, расположенный на входе более одного такого рабочего колеса. Аналогичным образом, формулировка «второй ряд подвижных входных направляющих лопаток» может означать один ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный на входе одного рабочего колеса указанной приводной турбомашины, или более чем один ряд, расположенный на входе более чем одного приводного рабочего колеса.
В соответствии с некоторыми вариантами выполнения данный способ может включать этап регенерации тепла, получаемого из источника тепла посредством первой текучей среды, обрабатываемой указанным турбодетандером, и частичного преобразования тепла в механическую энергию в турбодетандере. Первая текучая среда может быть обработана в замкнутом термодинамическом цикле, причем данный способ включает следующие этапы: обеспечение конденсации, сжатия, нагревания и испарения первой текучей среды; расширение указанной первой текучей среды в турбодетандере, вырабатывающем энергию, и обеспечение конденсации расширенной текучей среды. Данный способ может включать регенерацию тепла, полученного из верхнего термодинамического цикла, такого как газотурбинный цикл. В других вариантах выполнения данный способ может включать этап регенерации тепла из источника возобновляемой энергии, такого как солнечная установка, например, посредством солнечного концентратора.
Признаки и варианты выполнения изложены в данном документе далее и также указаны в прилагаемой формуле изобретения, которая составляет неотъемлемую часть данного описания. В вышеприведенном кратком описании указаны признаки различных вариантов выполнения настоящего изобретения для лучшего понимания нижеследующего подробного описания, а также для лучшей оценки вклада в данную область техники. Естественно, имеются другие признаки настоящего изобретения, которые будут рассмотрены далее, а также будут указаны в прилагаемой формуле изобретения. В этом отношении перед подробным описанием нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения следует пояснить, что различные варианты выполнения данного изобретения не ограничиваются в своем применении деталями конструкции и расположением элементов, рассмотренными в нижеследующем описании или изображенными на чертежах. Данное изобретение может включать другие варианты выполнения, которые могут быть реализованы на практике или выполнены различным образом. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в данном документе, применены для описания и не должны рассматриваться в качестве ограничительных.
По существу специалисты в данной области техники должны понимать, что концепция, на которой основано настоящее изобретение, может быть легко использована в качестве основы для создания других конструкций, способов и/или систем для осуществления некоторых целей настоящего изобретения. Соответственно, важно понимать, что формула изобретения включает конструкции, эквивалентные в той мере, в которой они не выходят за рамки сущности и объема настоящего изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для более полного понимания приведенных вариантов выполнения данного изобретения, а также множества сопутствующих преимуществ далее приведено подробное описание, сопровождаемое прилагаемыми чертежами.
На чертежах:
фиг. 1 изображает известную турбодетандер-компрессорную установку;
фиг. 2 изображает установку для регенерации тепла, содержащую турбодетандер, приводящий в действие турбомашину, в соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения;
фиг. 3 изображает секцию двухступенчатого турбодетандера со встроенным редуктором, приводящего в действие компрессор, согласно одному из вариантов выполнения настоящего изобретения;
фиг. 4 изображает схему устройства редуктора в турбодетандер-компрессорной установке, показанной на фиг. 3, и
фиг. 5 изображает блок-схему способа управления лопатками входного направляющего аппарата приводной турбомашины.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Следующее подробное описание типовых вариантов выполнения приведено со ссылкой на прилагаемые чертежи. Одинаковыми номерами на разных чертежах обозначены одни и те же или подобные элементы. Кроме того, чертежи не обязательно выполнены в масштабе. Также нижеследующее подробное описание не ограничивает данное изобретение. Напротив, объем настоящего изобретения определен прилагаемой формулой изобретения.
Ссылки на «один вариант выполнения», или «вариант выполнения», или «некоторые варианты выполнения», используемые в описании, означают, что конкретный признак, конструкция или характеристика, описанные в отношении какого-либо варианта выполнения, включены по меньшей мере в один вариант выполнения данного изобретения. Таким образом, употребление формулировки «в одном варианте выполнения», или «в варианте выполнения», или «в некоторых вариантах выполнения» в различных местах описания не обязательно относится к одному и тому же варианту выполнения (вариантам выполнения). Кроме того, конкретные признаки, конструкции или характеристики могут быть объединены любым подходящим образом в одном или более вариантах выполнения.
На фиг. 2 проиллюстрировано возможное применение установки, которая содержит турбодетандер и приводную турбомашину и более подробное описание которой приведено далее. Следует понимать, что данное применение указанной установки, показанной на фиг. 2, является только одним типовым вариантом выполнения из возможных применений и использований данной установки, выполненной в соответствии с настоящим изобретением. Точнее, в варианте выполнения, показанном на фиг. 2, турбодетандер обеспечивает регенерацию тепла, поступающего из газовой турбины, приводящей в действие турбомашинное оборудование, например, центробежный компрессор. Однако следует понимать, что источник тепла, которое предназначено для регенерации посредством указанного турбодетандера, может представлять собой любой другой источник тепла, например солнечный концентратор, дизельный двигатель, предназначенный для приведения в действие электрогенератора, или подобные им.
На фиг. 2 позицией 1 обозначена газовая турбина, предназначенная для приведения в действие турбомашинного оборудования, такого как компрессор или блок 2 компрессоров, например центробежный компрессор или блок центробежных компрессоров. Компрессор 2 может представлять собой компрессорную установку, предназначенную для обработки холодильного агента в установке для сжижения природного газа. В других вариантах выполнения, не показанных на чертежах, газовая турбина 1 может использоваться для выработки электроэнергии, а не в качестве механического привода. В таком случае нагрузкой для газовой турбины 1 может быть электрогенератор. Газовая турбина 1 вырабатывает газообразные продукты сгорания, которые проходят через регенеративный теплообменник 3 перед их выпуском в атмосферу.
Первый замкнутый контур 4 предназначен для удаления тепла из теплообменника 3 и его доставки ко второму замкнутому контуру 5. В первом замкнутом контуре 4 теплопередающая среда, например диатермическое масло, используется для передачи тепла, извлеченного из газообразных продуктов сгорания, в замкнутый контур 5. Позицией 6 обозначен циркуляционный насос замкнутого контура 4.
Второй замкнутый контур 5 относится к термодинамическому циклу. Рабочая среда, циркулирующая в замкнутом контуре 5, претерпевает термодинамические преобразования, включая конденсацию, нагнетание, нагревание, испарение, расширение для преобразования тепловой энергии в механическую энергию. В рассмотренном варианте выполнения термодинамический цикл, выполняемый в замкнутом контуре 5, основан на принципе работы цикла Рэнкина. Во втором замкнутом контуре 5 используется подходящая рабочая среда, например, циклопентан или другая подходящая органическая текучая среда, используемая в органическом цикле Рэнкина.
Второй замкнутый контур 5 содержит циркуляционный насос 7, испаритель 9, перегреватель 11, турбодетандер 13, рекуператор 15 и конденсатор 17. В данном контуре могут присутствовать дополнительные элементы, известные специалистам в данной области техники.
Рабочая текучая среда, находящаяся в жидком состоянии и циркулирующая во втором замкнутом контуре 5, подается при первом, более высоком давлении циркуляционным насосом 7. Затем рабочую среду под давлением нагревают в испарителе 9 и в перегревателе 11 с помощью тепла, регенерированного посредством текучей среды, циркулирующей в первом замкнутом контуре 4. На выходе перегревателя 11 рабочая среда, циркулирующая во втором замкнутом контуре 5, находится в перегретом, газообразном состоянии под высоким давлением. Перегретую рабочую среду под высоким давлением подвергают расширению в турбодетандере 13. Текучая среда, выходящая из турбодетандера 13, проходит через тепловой рекуператор 15 и в конечном итоге конденсируется в конденсаторе 17. Конденсатор 17 может содержать жидкостный/воздушный теплообменник.
В рекуператоре низкопотенциальное тепло, содержащееся в расширенной текучей среде, выходящей из турбодетандера 13, претерпевает изменение под влиянием холодной текучей среды под давлением, находящейся в жидком состоянии и нагнетаемой циркуляционным насосом 7.
В типовом варианте выполнения, показанном на фиг. 2, турбодетандер 13 механически присоединен посредством механической передачи 19 к приводной турбомашине 21. Например, турбомашина 21 может представлять собой компрессор, например, центробежный компрессор. В других вариантах выполнения турбомашина 21 может представлять собой насос.
Как более подробно описано в дальнейшем, турбодетандер 13 может быть многоступенчатым турбодетандером со встроенным редуктором. Как схематично показано на фиг. 2, турбодетандер 13 представлен в упрощенном виде как одноступенчатый турбодетандер.
Турбодетандер 13 содержит первый ряд подвижных входных направляющих лопаток 23, которые выполнены с возможностью управления посредством первого контроллера 25 в зависимости от параметров термодинамического цикла во втором приводном контуре 5 для обеспечения эффективности турбодетандера 13, т.е. для получения максимального значения механической энергии, вырабатываемой турбодетандером 13.
Механическая энергия, вырабатываемая турбодетандером 13, может изменяться, например, в зависимости от режимов работы газовой турбины 1. Температура и скорость потока газообразных продуктов сгорания может изменяться в результате изменения энергии, вырабатываемой газовой турбиной 1, которая в свою очередь зависит от механической энергии, необходимой для приведения в действие турбомашинного оборудования 2, что влияет на работу турбодетандера 13.
В других вариантах выполнения термодинамический цикл 5 может использоваться для регенерации тепла, полученного из другого источника тепла, например, из солнечного концентратора. Кроме того, в этом случае источник тепла, из которого в термодинамический цикл 5 поступает тепло для его преобразования в механическую энергию, может испытывать колебания, что обуславливает необходимость регулирования режимов работы турбодетандера 13 для достижения максимального значения механической энергии на выходном передаточном валу турбодетандера 13.
Приводная турбомашина 21, например, центробежный компрессор обрабатывает текучую среду, которая отличается от текучей среды, циркулирующей в термодинамическом цикле 5. Например, приводная турбомашина 21 может представлять собой компрессор, используемый для продвижения газа в трубопроводе. Компрессор 21 снабжен вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток 27. Для регулирования положения подвижных лопаток 27 в зависимости от рабочих параметров компрессора 21, а также скорости его вращения может использоваться контроллер 29.
Рабочие параметры компрессора 21 по существу представлены давлением Р1 на входе или давлением всасывания, температурой Т1 на входе или температурой всасывания, давлением Р2 на выходе или давлением подачи, температурой Т2 на выходе или температурой подачи. Скорость вращения компрессора 21 связана со скоростью вращения турбодетандера 13, поскольку механическая передача 19 обеспечивает стабильное передаточное отношение между скоростью вращения турбодетандера 13 и скоростью вращения приводной турбомашины или компрессора 21. Если конструкция содержит непосредственный привод, такой, как схематично показан в виде вала 19, передаточное отношение может быть равно 1. В общем, если необходимо обеспечить различную скорость вращения, между турбодетандером 13 и компрессором 21 может быть расположен редуктор.
В некоторых вариантах выполнения управление подвижными входными направляющими лопатками 27 приводной турбомашины или компрессора 21 выполняют таким образом, что скорость вращения приводной турбомашины 21 и, соответственно, скорость вращения турбодетандера 13 поддерживаются на постоянном значении или около постоянного значения в допустимых пределах.
Согласно рассматриваемой конструкции контроллер 25 обеспечивает управление первым рядом подвижных лопаток 23 для оптимизации работы турбодетандера 13 в зависимости от условий в термодинамическом цикле 5, таким образом обеспечивая максимальное значение механической энергии на выходе турбодетандера 13, тогда как контроллер 29 обеспечивает регулирование второго ряда подвижных лопаток 27 для управления скоростью вращения турбомашинного оборудования, таким образом указанная скорость поддерживается при приблизительно постоянном значении, равном проектной скоростью турбодетандера 13, т.е. скоростью, при которой турбодетандер 13 обладает максимальной эффективностью.
Конструктивное решение, описанное выше, обеспечивает возможность приводить в соответствие различные требуемые параметры турбодетандера 13 и приводной турбомашины 21 для обеспечения их эффективности. При прохождении через турбодетандер 13 исключена потеря части имеющейся энергии в перегретой рабочей среде термодинамического цикла 5. В то же время между выходным валом турбодетандера и приводной турбомашиной 21 отсутствует регулятор скорости. Наличие такого регулятора скорости привело бы к увеличению общих затрат и площади, занимаемой установкой, содержащей турбодетандер и приводную турбомашину, а также к потерям энергии, снижая общую эффективность рассматриваемой установки.
Управление вторым рядом подвижных лопаток 27 выполняют таким образом, что скорость вращения турбомашинного оборудования поддерживается около требуемого значения с учетом рабочих параметров турбомашины 21, в частности, с учетом давления Р1 на входе или давления всасывания, а также с учетом давления Р2 на выходе или давления подачи, причем эти два параметра определяются условиями, которые должны поддерживаться в текучей среде, обрабатываемой турбомашиной 21.
Как указано выше, в некоторых вариантах выполнения турбодетандер 13 может быть одноступенчатым турбодетандером с одним рабочим колесом, установленным на валу и снабженным только первым рядом подвижных входных направляющих лопаток, как схематично показано на фиг. 2. На противоположном конце вала может быть установлено рабочее колесо турбомашины 21. Турбомашина 21 может быть многоступенчатой или одноступенчатой турбомашиной.
На фиг. 3 и 4 схематично показаны основные признаки многоступенчатого турбодетандера 13, точнее, двухступенчатого турбодетандера, имеющего первую ступень 13А высокого давления и вторую ступень 13 В низкого давления. Рабочая среда поступает в первую ступень 13А турбодетандера 13 через соответствующий первый ряд подвижных входных направляющих лопаток 23А и выходит из первой ступени 13А для подачи через трубопровод 24 ко входу второй ступени 13В низкого давления турбодетандера 13.
В типовом варианте выполнения, показанном на фиг. 3, позицией 23В обозначен соответствующий первый ряд подвижных лопаток ступени 13В турбодетандера 13. Управление двумя рядами подвижных лопаток 23а и 23В выполняется посредством контроллера 25 для обеспечения максимальной эффективности двухступенчатого турбодетандера 13. Максимизация двухступенчатого турбодетандера в установке регенерации тепла, например, с использованием органического цикла Рэнкина, может быть основана, например, на алгоритме, приведенном в заявке на патент США №2011/0305556, содержание которой включено в данный документ посредством ссылки.
В схематичном изображении на фиг. 3 позицией 19 обозначена механическая передача между двухступенчатым турбодетандером 13 и приводной турбомашиной 21, которая может представлять собой, как указано выше, компрессор, например, центробежный компрессор. Позицией 27 обозначен второй ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенных на входе турбомашины 21. С помощью обозначений Р1 и Т1 показаны давление на входе и температура на входе со стороны всасывания турбомашины 21. С помощью обозначений Р2 и Т2 показаны давление на выходе и температура на выходе со стороны подачи турбомашины 21.
В типовом варианте выполнения, показанном на фиг. 3, механическая передача 19 содержит редуктор 20 с двумя приводными валами на входе и одним приводным валом на выходе. Позицией 31А обозначен первый входной вал, удерживающий первое рабочее колесо первой ступени 13А высокого давления турбодетандера 13. Соответственно, первый входной вал 31А совершает вращение со скоростью вращения рабочего колеса первой ступени высокого давления в турбодетандере 13. Рабочее колесо второй ступени 13В низкого давления турбодетандера 13 поддерживается на втором входном валу 31В, который совершает вращение со скоростью вращения рабочего колеса второй ступени 13В низкого давления турбодетандера 13.
Как лучше всего показано на фиг. 4, схематично изображающей вид спереди по линии IV-IV, показанной на фиг. 3, редуктор 20 содержит первую шестерню 33А, установленную на первом входном валу 31А, и вторую шестерню 33В, установленную на втором валу 31В. Две указанные шестерни 33А и 33В находятся в зацеплении с центральным коронным зубчатым колесом 34. Третья шестерня 33С редуктора 20 установлена на выходном валу 19А, присоединенном, например, посредством соединений 22 к валу приводной турбомашины 21.
Передаточные отношения между элементами 33А, 33В, 33С, 34 редуктора 20 выбраны так, что две ступени 13А, 13В двухступенчатых турбодетандеров 13 могут совершать вращение с требуемой проектной скоростью и приводить в действие турбомашину 21, обеспечивая ее проектную скорость.
Управление и регулирование скорости вращения турбомашины 21 и скорости вращения первой ступени 13А турбодетандера, а также второй ступени 13В турбодетандера может быть выполнено посредством контроллера 29 и подходящего серводвигателя 40. Например, когда датчик 41 определяет скорость вращения выходного вала 19А редуктора 20, контроллер 29 использует указанный параметр в качестве параметра управления для регулирования второго ряда подвижных лопаток 27 компрессора 21, например, для поддержания требуемого значения скорости вращения или в пределах допусков около указанного значения.
Алгоритм управления, выполняемый контроллером 29, в целом представлен на фиг. 5. Данный алгоритм применяется безотносительно количества ступеней турбодетандера 13, управление которым выполняется посредством контроллера 25 независимо от приводной турбомашины 21, например, используя алгоритм, раскрытый в вышеупомянутой заявке на патент США №2011/0305556.
Возвращаясь к фиг. 5, представленная на ней блок-схема иллюстрирует следующее. Посредством соответствующих датчиков выполняют измерение давления Р1 на входе и давления Р2 на выходе и измеренные значения подают в контроллер 29. Датчик 41 измеряет фактическую скорость вращения, обозначенную на фиг. 5 как S1, после чего указанное значение подают в контроллер 29.
Контроллер 29 проверяет, находится ли значение измеренной скорости S1 в пределах допусков для заданной рабочей скорости, соответствующей проектной скорости двух ступеней 13А и 13В турбодетандера с учетом передаточного отношения редуктора 20. На блок-схеме, показанной на фиг. 5, требуемая постоянная скорость обозначена как DS (designated speed - проектная скорость). Символами ± ΔS обозначены пределы допусков около требуемого значения DS скорости.
Если измеренное значение S1 находится в пределах допусков, никаких действий не выполняют, при этом контроллер 29 повторно выполняет указанный этап алгоритма. Если измеренное значение S1 скорости выходит за пределы допусков, указанный контроллер проверяет, будет ли измеренное значение меньше минимально допустимого значения DS-ΔS скорости, и в случае, если это так, контроллер 29 вырабатывает сигнал, который посредством серводвигателя 40 обеспечивает закрытие второго ряда подвижных входных направляющих лопаток. В противном случае, т.е. если измеренное значение S1 превышает значение DS+ΔS, указанный контроллер обеспечивает открытие второго ряда подвижных входных направляющих лопаток.
В действительности, падение скорости вращения ниже минимально допустимого значения DS-ΔS указывает на то, что энергия, получаемая от турбодетандера 13, является недостаточной для обработки потока текучей среды, проходящей при этом через турбомашину 21. Закрытие ряда подвижных лопаток 27 турбомашины 21 снижает расход текучей среды, обрабатываемой турбомашиной 21, ускоряя тем самым возврат скорости вращения к значению, находящемуся в допустимых пределах около значения DS.
В противном случае, если скорость S1 превышает максимальную пороговую величину DS+ΔS, механическая энергия, получаемая посредством турбодетандера 13, будет превышать количество, необходимое для обработки фактического расхода текучей среды, проходящей через приводную турбомашину 21. Для того чтобы полностью использовать механическую энергию на выходном валу 19А, может быть обработан больший расход текучей среды, при этом, соответственно, чтобы обеспечить возможность обработки большего расхода текучей среды, открывают лопатки 27 турбомашины 21.
Раскрытые в данном документе варианты выполнения изобретения показаны на чертежах и полностью описаны выше в виде нескольких типовых вариантов выполнения, при этом для специалистов очевидно, что возможно выполнение множества модификаций, изменений и исключений без отклонения от новых идей, принципов и концепций, изложенных в данном документе, и преимуществ настоящего изобретения, указанных в прилагаемой формуле изобретения. В связи с этим, должный объем правовой охраны должен быть определен в самом широком толковании прилагаемой формулы изобретения для включения всех соответствующих модификаций, изменений и исключений. Кроме того, порядок или последовательность выполнения этапов любого процесса или способа могут быть изменены или переупорядочены в соответствии с альтернативными вариантами выполнения.
1. Установка с турбодетандером и приводной турбомашиной, содержащая
турбодетандер, выполненный с возможностью расширения первой текучей среды и содержащий по меньшей мере одну ступень расширения с одним рабочим колесом,
по меньшей мере первый ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный на входе указанной по меньшей мере одной ступени расширения,
приводную турбомашину, выполненную с возможностью обработки второй текучей среды, отличающейся от первой текучей среды, и содержащую по меньшей мере одно рабочее колесо,
второй ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный на входе в указанное рабочее колесо турбомашины,
механическую передачу, расположенную между турбодетандером и приводной турбомашиной, и
контроллер, соединенный с указанным вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток и выполненный с возможностью управления указанным вторым рядом подвижных лопаток для регулирования скорости вращения приводной турбомашины и указанного приводного турбодетандера, причем контроллер выполнен с возможностью приема данных об указанной скорости вращения и управления указанным вторым рядом подвижных лопаток для регулирования указанной скорости вращения до требуемого значения,
при этом второй ряд подвижных входных направляющих лопаток выполнен с возможностью управления для поддержания указанной скорости вращения в пределах диапазона вблизи постоянного значения.
2. Установка по п. 1, в которой первый ряд подвижных входных направляющих лопаток выполнен с возможностью регулирования по меньшей мере одного параметра первой текучей среды.
3. Установка по п. 2, в которой указанным параметром первой текучей среды является ее давление.
4. Установка по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью регулирования указанной скорости вращения до требуемого значения путем управления исключительно вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток.
5. Установка по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью поддержания указанной скорости вращения в пределах диапазона вблизи постоянного значения скорости.
6. Установка по п. 1, в которой первый ряд подвижных входных направляющих лопаток выполнен с возможностью управления для достижения максимального значения энергии, вырабатываемой указанным турбодетандером.
7. Установка по п. 1, в которой указанная первая текучая среда является рабочей текучей средой замкнутого термодинамического цикла.
8. Установка по п. 1, в которой указанная первая текучая среда является рабочей текучей средой цикла регенерации тепла, содержащего источник тепла.
9. Установка по п. 8, в которой первый ряд подвижных входных направляющих лопаток выполнен с возможностью управления для регулирования режимов работы турбодетандера в зависимости от доступного количества тепла, поступающего из указанного источника тепла.
10. Установка по п. 8, в которой указанный цикл регенерации тепла является органическим циклом Рэнкина.
11. Установка по любому из предыдущих пунктов, в которой указанная приводная турбомашина содержит компрессор.
12. Установка по п. 11, в которой контроллер выполнен с возможностью регулирования положения второго ряда подвижных входных направляющих лопаток в зависимости от рабочих параметров указанного компрессора.
13. Установка по п. 12, в которой указанные рабочие параметры компрессора включают давление всасывания, температуру на входе, давление подачи и температуру подачи указанного компрессора.
14. Способ управления установкой, содержащей турбодетандер, турбомашину с механическим приводом, приводимую в действие указанным турбодетандером, по меньшей мере первый ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный у указанного турбодетандера, второй ряд подвижных входных направляющих лопаток, расположенный у указанной приводной турбомашины, причем способ включает следующие этапы:
расширение первой текучей среды в турбодетандере и выработку с его помощью механической энергии;
обеспечение вращения приводной турбомашины с помощью указанной механической энергии, вырабатываемой турбодетандером;
обработку второй текучей среды, отличающейся от первой текучей среды, в указанной приводной турбомашине;
управление вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток для регулирования скорости вращения указанных приводной турбомашины и турбодетандера; и
управление вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток для поддержания указанной скорости вращения в пределах диапазона вблизи постоянного значения.
15. Способ по п. 14, в котором указанную скорость вращения регулируют путем управления исключительно вторым рядом подвижных входных направляющих лопаток.
16. Способ по п. 14, в котором управляют первым рядом подвижных входных направляющих лопаток для достижения максимального значения механической энергии, вырабатываемой турбодетандером.
17. Способ по любому из пп. 14-16, в котором обеспечивают регенерацию тепла, полученного из источника тепла, посредством указанной первой текучей среды и частично преобразуют указанное тепло в механическую энергию в турбодетандере.
