用于可靠地启动ORC系统的设备与方法技术方案

本发明专利技术涉及一种热动力循环装置，包括：工作介质；用于蒸发工作介质的蒸发器(2)；膨胀机(3)，其用于在使蒸发的工作介质膨胀时产生机械能；用于冷凝工作介质的冷凝器(4)；以及泵(1)，其用于将冷凝工作介质泵送到冷凝器。蒸发器的几何布置选择为使得，在启动泵以前，冷凝工作介质能够通过重力从冷凝器流动到蒸发器，工作介质可以经由蒸发器与冷凝器在闭合回路中循环，因此尤其可以在泵处提供液体工作介质的预定的净正吸入压头。本发明专利技术另外地涉及启动根据本发明专利技术的热动力循环装置的方法，此方法包括以下步骤：将热量施加到蒸发器并且蒸发蒸发器中的工作介质，因此致使工作介质流动到冷凝器；将所述冷凝器中的所述工作介质冷凝；当达到或超过在泵处的工作介质的预定净正吸入压头时启动所述泵。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及热动力循环装置，尤其是有机朗肯循环装置，其包括：工作介质；用于蒸发所述工作介质的蒸发器；膨胀机，其用于在使所述蒸发工作介质膨胀时产生机械能；冷凝器，其用于冷凝与可能地使所述工作介质过冷，尤其是在所述膨胀机中膨胀的所述工作介质；以及泵，当所述热动力循环装置在操作中时其用于将冷凝的工作介质泵送到所述冷凝器。本专利技术此外涉及启动讨论中的类型的热动力循环装置的方法。现有技术ORC系统包括以下主要部件：供给泵，其以极大增加的压力将液体工作介质传送到蒸发器；蒸发器，工作介质在其中蒸发；膨胀机，高度加压的蒸汽在其中膨胀因此产生机械能，机械能通过发电机能够转换成电能；以及冷凝器，来自膨胀机的低压蒸汽在其中被液化。液体工作介质从冷凝器经由可能的存储箱(供给箱)与抽吸管线返回到系统的供给泵。在启动过程期间，足够量的工作介质将优选地存在于泵的抽吸管线中或者还在供给箱中，使得在整个启动操作过程中泵可获得足够量的介质。用于工作介质通过泵的无故障传送的第二条件是施加到泵的流体(工作介质)的充足的净正吸入压头。净正吸入压头(NPSH)是不仅受到大地净正吸入压头影响而且受到工作介质的热动力状态影响的参数，是一种可以如下面在下文说明的环境。如果在泵的入口处的流体的过冷(到沸点的距离)不是充分地高，便可能在泵入口处发生流体的短时间蒸发。此现象可能导致泵损坏以及泵传送的部分或完全失效。这称为气穴现象。在泵的入口处到流体的沸腾压力的距离称作为净正吸入压头。用于量化此净正吸入压头的参数是NPSH值(净正吸入压头)。在此方面，在要求的、泵特定的(NPSHr)净正吸入压头与施加的(NPSHa)净正吸入压头之间作出差值，施加的NPSHa值取决于几个装置与操作特定参数(温度、源于大地净正吸入压头的压力、饱和压力、惰性气体分压，
此惰性气体分压是可以另外地存在于回路中的非冷凝气体的其它分压)。为了泵的可靠操作，施加的NPSHa值必须总是高于要求的NPSHr值。尤其对于像ORC这样的循环系统来说，气穴现象是挑战。这里，液体冷凝时到沸点具有小的距离或者根本没有距离，并且因此，必须被泵送以小的施加NPSHa值。由于要求的NPSHr值由泵的结构设计预先确定了，因此其仅能够在小程度上受到影响，并且必须在泵送操作的任意时刻通过处理技术装置确保施加的NPSHa值未下降到要求值以下。当ORC系统关停时，例如由于热源的故障/停用或者由于系统的紧急关停，这可能导致系统(例如，在膨胀机、水平管或流体袋中)中工作介质的不受控的分布；在此情形中，工作介质将不流动到供给箱。这可能具有的影响是供给泵可用的工作介质的量对于整个启动过程是不充足的。启动过程包括填充蒸发器，蒸发工作介质，并且在这样做的同时，积聚压力，启动膨胀机以及开始冷凝并且因此使工作介质流动返回到供给泵。工作介质的不利的分配以及导致的困难或者甚至不可能启动是众所周知的问题，为此在现有技术中提出了多种解决方案。EP2613025A1(System andmethods for cold startup of Rankine cycle devices)提出通过突然打开阀以及通过因此“清除”系统的各部分积聚的液体工作介质来有序地分配工作介质。然而，为此目的，必须使用作为另外部件的一个或多个阀。在EP2345797A2(Fluidfeedback pump to improve cold start performance of organic Rankine cycle plants)中，通过另外的泵将工作介质泵送到系统中的正确位置处。同样在此情形中，需要以泵的形式出现的其它部件以便确保系统的可靠启动。现有技术还教导蒸汽管线应该总是朝向冷凝器/供给箱倾斜。这意味着蒸发器必须位于最高点处，并且其在静止情形中，冷凝液经由冷凝器朝向供给箱流动。然而，在ORC系统为紧凑结构设计的情形中，尤其如果需要观察最大整体高度时，这难以实现或者根本不能实现。即使蒸发器位于最高点处，这将致使工作介质自动地收集在冷凝器/供给箱中，如上所述的施加的净正吸入压头NPSHa不充足的系统情形的问题，也不会得到解决。然而，这两个上述现有技术公开还不能解决另一问题：当ORC系统启动时，可能出现此种情形，供给泵以及还有可能其供给管线可能具有高于从冷凝器中
吸入的工作介质或者刚在冷凝器中冷凝的工作介质的温度。在回路中用作散热器的冷凝器可能在静止情形中，成为系统中的最冷点，例如，当外部冷凝器在冷的外部温度下安装在外部空气中时，以及当定位在机器壳体/建筑物中的泵的温度处于高于外部温度的温度时。由于在冷凝器中存在大的热传送区域或者由于介质在冷凝器中的停留时间，因此，即使泵与冷凝器的环境温度相同，泵自身的温度也可能暂时地高于冷凝器的温度。因此，从冷凝器到供给泵的温度会增加，并且这导致在泵入口处的施加的净正吸入压头(NPSHa)的减小。影响是泵形成气穴并且不传送工作介质。这阻止了系统的启动并且可能对泵造成损坏。即使在供给泵、供给管线与冷凝器之间的温度补偿以后，然后施加的净正吸入压头NPSHa，特别是在高度没有大的差值并且因此没有很多大地净正吸入压头的具有紧凑结构设计的系统中，可能小于要求的净正吸入压头NPSHr，并且这继而，将导致气穴现象。ORC装置中的气穴现象的问题是已知的，并且根据DE102009053390B3的公开，可以例如通过额外地将惰性气体供给到供给箱/冷凝器来解决。总结，以下可以指定为本专利技术的动机：为了可靠地启动ORC系统，在系统的供给泵处必须存在具有足够净正吸入压头的足够量的工作介质。在ORC系统中，可能在静止情形中或者由于系统的控制不佳的关停而发生液体工作介质的分布不均，借此，由于供给泵上游的介质的量不充足，因此阻止了系统的启动。此外，可能在工作介质回路中发生不利的温度分布，供给泵上游区域中的工作介质可以例如具有比系统中最冷点处更高的温度。由于在此情形中施加到泵的小的净正吸入压头，因此可能发生泵的气穴现象。这阻止了系统的可靠启动。在相对冷的大气条件下，还可能由冷系统条件阻止装置的启动。例如，工作介质或存在于回路中的诸如润滑剂的一些其它介质的粘度可能增加，借此可能减弱介质通过供给泵的传送。
技术实现思路
本专利技术的目的是至少部分地克服上述缺点。通过根据权利要求1的设备实现了此目的。根据本专利技术的热动力循环装置，尤其是ORC设备包括：工作介质；蒸发器，
其用于蒸发以及选择性地、附加地过热所述工作介质；膨胀机，其用于在使蒸发工作介质膨胀时产生机械能；冷凝器，用于冷凝并且选择性地附加地使工作介质过冷，尤其是在膨胀机中膨胀的工作介质；以及泵，当热动力循环装置在操作中时其用于将冷凝工作介质泵送到冷凝器，其中蒸发器的所述几何布置选择为使得，在启动泵以前，冷凝工作介质通过重力从冷凝器流动到蒸发器并且工作介质可以经由蒸发器与冷凝器在闭合回路中循环，因此尤其可以在泵处提供液体工作介质的至少预定最小净正吸入压头。在热动力循环装置的启动过程中，只要净正吸入压头对于泵的无故障启动来说是充足的就提供上面的优点。闭合回路(可以阻止循环在静止情形中不闭合的关停设备)设计为使得容纳在回路中的流体在无需另外地驱动的情况下由于重力流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热动力循环装置，尤其是有机郎肯循环装置，其包括：工作介质；蒸发器，其用于蒸发以及选择性地、附加地过热所述工作介质；膨胀机，其用于在使蒸发的工作介质膨胀时产生机械能；冷凝器，其用于冷凝与选择性地、附加地使所述工作介质过冷，尤其是在所述膨胀机中膨胀的所述工作介质；以及泵，其用于在所述热动力循环装置处于操作中时将冷凝的工作介质泵送到所述冷凝器；其中，所述蒸发器的几何布置选择为使得：在启动所述泵以前，冷凝的工作介质能够通过重力从所述冷凝器流动到所述蒸发器，并且所述工作介质能够经由所述蒸发器与所述冷凝器在闭合回路中循环，从而能够在所述泵处提供液体工作介质的至少预定最小净正吸入压头。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.10.23 EP 13189918.91.一种热动力循环装置，尤其是有机郎肯循环装置，其包括：工作介质；蒸发器，其用于蒸发以及选择性地、附加地过热所述工作介质；膨胀机，其用于在使蒸发的工作介质膨胀时产生机械能；冷凝器，其用于冷凝与选择性地、附加地使所述工作介质过冷，尤其是在所述膨胀机中膨胀的所述工作介质；以及泵，其用于在所述热动力循环装置处于操作中时将冷凝的工作介质泵送到所述冷凝器；其中，所述蒸发器的几何布置选择为使得：在启动所述泵以前，冷凝的工作介质能够通过重力从所述冷凝器流动到所述蒸发器，并且所述工作介质能够经由所述蒸发器与所述冷凝器在闭合回路中循环，从而能够在所述泵处提供液体工作介质的至少预定最小净正吸入压头。2.根据权利要求1所述的热动力循环装置，其中，在所述几何布置中所述蒸发器定位在比所述冷凝器更低的高度上。3.根据权利要求1或2所述的热动力循环装置，其中，所述冷凝器与所述蒸发器之间的所述闭合回路还包括未启动的泵，以及并且/或者其中所述蒸发器与所述冷凝器之间的所述闭合回路还包括所述膨胀机。4.根据权利要求1至3中任一项所述的热动力循环装置，其中，所述泵定位在比所述蒸发器更低的高度上。5.根据权利要求1至4中任一项所述的热动力循环装置，还包括用于绕过所述回路中的所述膨胀机的旁通阀。6.根据权利要求1至5中任一项所述的热动力循环装置，还包括用于收集冷凝的工作介质的供给箱，所述供给箱在所述闭合回路中布置在所述冷凝器与所述蒸发器之间、尤其在所述冷凝器与所述泵之间。7.根据权利要求1至6中任一项所述的热动力循环装置，还包括：用于测量
\t所述泵上游的所述工作介质的净正吸入压头的至少一个传感器，尤其是用于测量所述工作介质的压力的传感器和/或用于测量所述工作介质的温度的传感器。8.根据权利要求1至7中任一项所述的热动力循环装置，还包括用于绕过所述回路中的所述泵的旁通阀。9.根据权利要求1至8中任一项所述的热动力循环装置，还包括：同流换热器，其用于在所述热动力循环装置处于操作中时将热能从膨胀的工作介质传送到...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈亚斯·舒斯特，阿西姆·切利克，安德里亚斯·格里尔，延斯帕特里克·施普林格，丹妮拉·格瓦尔德，理查德·奥曼，
申请(专利权)人：奥尔灿能源股份公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE