[发明专利]由ORC废热回收单元驱动的压缩机和控制方法

说明书

描述了一种功率转换系统，所述系统包括废热源(17)和有机朗肯循环系统(5)。有机朗肯循环系统又包括：至少一个涡轮膨胀机(21)；至少一个旋转负载(29)，其机械联接到涡轮膨胀机(21)并且由涡轮膨胀机(21)驱动；以及可变速度机械联接器(31)，其在涡轮膨胀机(21)和旋转负载(29)之间。

技术领域

本申请和所得专利一般涉及由涡轮机械驱动的旋转负载，例如压缩机。更具体地，本说明书公开的实施例涉及机械驱动应用中的有机朗肯循环(ORC，Organic RankineCycles)，用于驱动旋转机器，例如压缩机，特别是离心式或轴流式压缩机。

背景技术

对节能和减少能源开发对环境影响的需求促进了在发电领域和机械驱动应用中旨在提高能量转换系统的整体效率的研发活动，其中在发电领域，由热力循环产生的机械功率转换为电功率，而在机械驱动应用中，由热力循环产生的机械功率被用来直接驱动操作机器，例如压缩机。

已经开发了联合系统，其有时也称为混合系统，用于提高整体功率转换效率并降低功耗和环境影响。联合系统将顶部高温热力循环与底部低温热力循环相结合。由顶部高温热力循环在低温侧排放的废热被用作底部低温热力循环的热功率源。通常，顶部高温热力循环是燃气涡轮循环。一个或多个燃气涡轮用于为发电机供能或驱动旋转涡轮机械，例如，如离心式压缩机或压缩机组的压缩机、泵等。燃气涡轮的排放的燃烧气体用于直接或间接加热在执行底部低温热力循环的闭合回路中循环的工作流体。

底部低温热力循环将来自顶部高温热力循环的部分废热转换成机械功率，该机械功率通常用于驱动发电机并产生电功率。

底部低温热力循环通常包括朗肯循环。在一些已知的应用中，使用蒸汽朗肯循环。在其它应用中，应用所谓的有机朗肯循环，其中有机流体而不是水被用作工作流体。ORC的示例性实施例使用戊烷或环戊烷作为工作流体。

图1示出了使用顶部高温热力循环与底部低温热力循环联合的联合系统的示意图，其用于机械驱动应用，即，用于驱动压缩机或压缩机组。

参看图1，参考标号101表示用于驱动第一压缩机102的燃气涡轮。在燃气涡轮101的燃烧器中燃烧的燃料F用于为燃气涡轮供能，并且由燃烧产生的热能部分地转换为机械功率。需要这样产生的机械功率的一部分来驱动燃气涡轮101的气体发生器的压缩机，而剩余的机械功率可在燃气涡轮输出轴上获得并驱动压缩机102。不被燃气涡轮101转换为机械功率的低温热功率(废热)被包含在排放的燃烧气体中，排放的燃烧气体在排放到大气中之前流过废热回收交换器103。

在废热回收交换器103中，包含在燃烧气体中的废热的至少一部分被转移到第一闭合传热回路104，在那里，传热流体借助于循环泵106循环。传热流体将从燃烧气体移除的热能传递到闭合回路105中，在闭合回路105中，工作流体被处理以执行底部低温热力循环，该循环将来自顶部高温热力循环的废热部分地转换成额外的有用机械功率。

在闭合回路105中循环的工作流体，例如环戊烷或两种或更多种烃的混合物经历包括冷凝、泵送、加热、汽化、过热、膨胀的循环热力学转化，以将来自废热回收交换器103的热功率转化为机械功率。闭合回路105包括循环泵107、预热器109a、汽化器109、过热器111、涡轮膨胀机113、回热器115和冷凝器117。

由涡轮膨胀机113产生的机械功率用于驱动发电机121。然后，来自发电机121的电功率可用来为电动马达123供能，而电动马达123又驱动第二压缩机125。在该构型中，第二压缩机125与涡轮膨胀机113机械地分离，因为后者通常以对应于发电机121的操作速度的恒定速度旋转，而压缩机125可能需要以可变速度旋转。提供可变频率驱动器124用于以可变的旋转速度驱动电动马达123。