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CN104822906B - 涡轮膨胀机和从动涡轮机系统 - Google Patents

涡轮膨胀机和从动涡轮机系统 Download PDF

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CN104822906B CN201380051456.4A CN201380051456A CN104822906B CN 104822906 B CN104822906 B CN 104822906B CN 201380051456 A CN201380051456 A CN 201380051456A CN 104822906 B CN104822906 B CN 104822906B
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Abstract

涡轮膨胀机和从动涡轮机系统包括：涡轮膨胀机(13)，其构造成用于使第一流体膨胀并且包括带有一个膨胀机叶轮的膨胀机级；第一组可移动入口导叶(23)，其在膨胀机级的入口处；从动涡轮机(21)，其构造成用于处理第二流体并且包括涡轮机叶轮；第二组可移动入口导叶(27)，其在涡轮机叶轮的入口处；机械传动装置(19)，其在涡轮膨胀机和从动涡轮机之间；和控制器(25、29)，其连接至第二组可移动入口导叶(27)，并且构造为用于控制第二组可移动入口导叶(27)，以用于调整从动涡轮机和所述涡轮膨胀机的旋转速度。

Description

涡轮膨胀机和从动涡轮机系统
技术领域
在本文中公开的主题的实施例大体涉及包括涡轮膨胀机和从动涡轮机的系统和用于操作该系统的方法。
背景技术
涡轮膨胀机广泛地用于工业制冷、油气处理并且在低温工艺中使用。在一些已知的应用中，涡轮膨胀机在热回收循环中使用来驱动发电机。US 2011/0305556公开了用于功率生成的一种系统和方法，其包括涡轮膨胀机，该涡轮膨胀机带有用于热回收和机械功率生成以驱动发电机的两个膨胀级。在这种已知应用中，将涡轮膨胀机引入兰金循环中。
EP 2400117公开了根据现有技术的涡轮膨胀机-压缩机系统的应用，其中，在涡轮膨胀机中和在压缩机中处理相同的流体。图1示出了现有技术的涡轮膨胀机-压缩机系统。系统标注为200。涡轮膨胀机210具有涡轮膨胀机叶轮212。涡轮膨胀机210在214处接收入口气体流。气体可在涡轮膨胀机210内膨胀并因而引起涡轮膨胀机叶轮212的旋转。膨胀的气体在216处排出涡轮膨胀机210。当涡轮膨胀机-压缩机系统200在设计条件下作用时，214处的入口气体流的压力p1和温度T1，以及排出侧216处的气体流的压力p2和温度T2具有接近预定值的值。但是，在一些情况下，涡轮膨胀机-压缩机系统在偏离设计条件下操作。当偏离设计条件发生时，214处的进入气体流的压力p1可使用例如第一组可移动输入导叶(IGV1)218调整为变得再次接近相应的额定值。第一组可移动输入导叶218定位在涡轮膨胀机210的入口处。
在图1示出的涡轮膨胀机-压缩机系统200中，压缩机224具有压缩机叶轮226。压缩机224从涡轮膨胀机210接收气体流，并且在输送侧228处输送压缩气体流。但是，在涡轮膨胀机210和压缩机224之间，气体流的压力可由于其它处理构件(例如，分离器、冷却器、阀)和压力损失而变动，使得216处的气体流在进入压缩机224时具有压力p3。
由涡轮膨胀机中的气体的膨胀生成的机械功使涡轮压缩机叶轮212旋转。涡轮膨胀机叶轮212安装在与压缩机叶轮226相同的轴230上。压缩机叶轮226因而由于在气体在涡轮膨胀机210中膨胀期间生成的机械功而旋转。压缩机叶轮226的旋转提供能量，该能量用来压缩压缩机224中的气体。旋转压缩机叶轮226需要的机械功影响轴230的旋转速度u，并且因而间接地影响使涡轮膨胀机210内侧的气体膨胀的工序。
涡轮膨胀机效率与轴230的旋转速度u和跨过涡轮膨胀机210的焓降ΔΗ的比率相关。涡轮膨胀机210中的气体膨胀可认为近似等熵过程。
在涡轮膨胀机210中的气体膨胀的特性参数(即，p1、Tl、p2和T2)和轴230的旋转速度u可不独立地变化。因而，在偏离设计条件下，为了使涡轮膨胀机效率最大化，可例如通过在压缩机入口处提供的第二组可移动入口导叶IGV2 232来控制在压缩机224的入口216处的气体流的压力p3。通过更改输入压缩机224中的气体流216的压力p3，更改轴230的旋转速度u，并且因而使涡轮膨胀机210的效率最大化。
控制器240通过适当的传感器接受关于以下的信息：涡轮膨胀机210的入口侧214处的气体流的压力p1和温度T1、压缩机224的入口216处的气体流的压力p3、和轴230的旋转速度u。控制器240可向IGV1 218发送命令C1，以便将涡轮膨胀机入口214处的气体流的压力p1调整为在预定范围内。基于监控所获得的信息，控制器240确定何时涡轮膨胀机-压缩机系统200在偏离设计条件下起作用。当控制器240确定了涡轮膨胀机-压缩机系统200在偏离设计条件下起作用时，控制器240向第二组IGV2 232发送命令C2，来调整输入压缩机中的气体的压力p3，以便使轴230的旋转速度u和跨过涡轮膨胀机210的焓降ΔΗ之间的比率R最大化。
在已知的实施例中，相同的控制器控制涡轮膨胀机的可移动入口导叶和压缩机的可移动入口导叶，来基于如下假定来最优化系统的效率：在两个涡轮机中处理相同的流体。
发明内容
本公开的实施例涉及涡轮膨胀机和从动涡轮机系统。涡轮膨胀机-从动涡轮机系统可包括：涡轮膨胀机，其构造成用于使第一流体膨胀并且包括带有一个膨胀机叶轮的至少一个膨胀机级；至少第一组可移动入口导叶，其在膨胀机级的入口处；和从动涡轮机，其构造成用于处理第二流体并且包括至少一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮在涡轮机叶轮的入口处设有第二组可移动入口导叶。该系统可还包括涡轮膨胀机和从动涡轮机之间的机械传动装置。该系统可还包括控制器，该控制器连接至第二组可移动入口导叶并且构造成用于控制第二组可移动入口导叶，来调整所述从动涡轮机和所述涡轮膨胀机的旋转速度。
涡轮膨胀机的入口处和从动涡轮机的入口处的不同组的可移动入口导叶分别一方面允许控制系统的旋转速度，且另一方面最优化由涡轮膨胀机产生的功率。例如，第一流体可在闭合热回收热力学循环中处理，且第一组可移动入口导叶用来基于可从热源获得的热来调整涡轮膨胀机的操作条件。第二流体可例如为通过压缩机或泵处理的气体或液体，且第二组可移动入口导叶用于例如调整穿过从动涡轮机的第二流体的流速，来设置、调整或维持系统的期望旋转速度。
在优选实施例中，机械传动装置构造为以便提供涡轮膨胀机和从动涡轮机之间的固定传动比。在一些示范实施例中，涡轮膨胀机具有安装在轴上的单个叶轮。从动涡轮机具有安装在相同轴上的至少一个叶轮，以便两个机械以相同的旋转速度旋转，传动比为1。单个轴可由一个或更多个轴部分形成。可提供接头来将两个或更多个轴部分连接至彼此。接头可为刚性接头、弹性接头、或离合器等。
在其它示范实施例中，涡轮膨胀机可包括多于一个级，各级包括至少一个叶轮。至少一个，或优选地，所有叶轮可设有相应的可移动入口导叶。如果在多于一级的入口处提供多于一组可移动入口导叶，那么各组可移动入口导叶可与其它独立地控制，以用于各涡轮膨胀机级的最优化操作。
在一些实施例中，多级涡轮膨胀机可为所谓的一体有齿轮涡轮膨胀机。一体有齿轮涡轮膨胀机可包括与两个或更多个齿轮啮合的中央有齿轮(toothed wheel)，该两个或更多个齿轮绕有齿轮的轴线外围地布置。各齿轮安装在对应的涡轮膨胀机叶轮的轴上。在该情况下，各涡轮膨胀机级可在其自身的旋转速度下旋转，最优化轴之间的速度比来使涡轮膨胀机的整体效率最大化。安装在功率输出轴上的另一齿轮可与中央有齿轮啮合。功率输出轴可又支撑从动涡轮机的一个或更多个叶轮。在该布置下，在各个涡轮膨胀机级的功率输出轴和各驱动轴之间提供固定的旋转速度比。
根据一些实施例，第一组可移动入口导叶构造为用于控制第一流体的至少一个参数，该第一流体由涡轮膨胀机处理。如果涡轮膨胀机包括多于一个叶轮，那么各叶轮可设有其自身的第一组可移动入口导叶。在该情况下，提供为用于涡轮膨胀机的各组可移动入口导叶可设计为用于控制进入相应涡轮膨胀机级的第一流体的至少一个参数。
在一些实施例中，第一流体的参数是涡轮膨胀机级的入口处，或设有可移动入口导叶的各涡轮膨胀机级处的流体压力。
根据本公开的一些实施例，控制器构造为用于接收关于从动涡轮机的旋转速度的信息，并且用于控制第二组可移动入口导叶，来将旋转速度调整为处于期望的速度值。由于通常固定的传动比存在于从动涡轮机的轴与涡轮膨胀机的轴，或各涡轮膨胀机级的轴之间，因而控制从动涡轮机的旋转速度还意味着控制涡轮膨胀机或各涡轮膨胀机级的旋转速度。
一般而言，控制器可构造为根据任何期望的功能来控制旋转速度。在本公开的一些实施例中，控制器构造为用于将旋转速度维持为处于固定的期望值，或在恒定的速度值附近的可允许值范围内，例如在期望的旋转速度附近+/-2%，所述值仅作为实例且不限制本公开的范围。
可控制涡轮膨胀机的入口处的第一组可移动入口导叶，和/或在各涡轮膨胀机级的入口处的各第一组可移动入口导叶，以用于使由涡轮膨胀机生成的功率最大化。在有利的实施例中，控制器和伺服促动器可提供为用于控制所述(多个)第一组可移动入口导叶。控制器可构造为用于根据流动穿过涡轮膨胀机的第一流体的第一个或更多个参数来修改可移动入口导叶的位置，以便使通过在涡轮膨胀机中使流体膨胀而回收的能量最大化。
根据有利实施例，由涡轮膨胀机处理的流体是闭合热力学循环的工作流体，例如热回收循环的流体。在有利的实施例中，热回收循环可为兰金循环。在尤其有利的实施例中，热回收循环为有机兰金循环。例如，热回收循环可包括：冷凝器、泵、热交换布置，以用于从热源回收热并且蒸发由热回收热力学循环处理的流体。在一些实施例中，循环可包括加热器和过热器，它们沿着工作流体的回路在泵和涡轮膨胀机之间串联地布置。在一些实施例中，循环的效率可通过回流换热器来增大，在此，排出涡轮膨胀机的膨胀流体中的热传递至由泵输送的加压、冷流体。
在示范实施例中，从动涡轮机可包括泵或压缩机，例如离心压缩机或离心泵。从动涡轮机可为单级或多级涡轮机。
根据另一方面，本公开大体涉及用于操作系统的方法，该系统包括：涡轮膨胀机；由涡轮膨胀机机械地驱动的涡轮机；涡轮膨胀机处的至少第一组可移动入口导叶；从动涡轮机处的第二组可移动入口导叶。根据一些实施例，该方法包括以下步骤：
使第一流体穿过所述涡轮膨胀机膨胀，且以此产生机械功率；
借助于所述功率使所述从动涡轮机旋转；
通过所述从动涡轮机处理第二流体；
控制所述第二组可移动入口导叶，以用于调整所述从动涡轮机和所述涡轮膨胀机的旋转速度。
可进一步提供控制第二组可移动入口导叶来将旋转速度维持在恒定值附近的范围内的另一步骤。此外，还可提供控制第一组可移动入口导叶以用于使由所述涡轮膨胀机产生的功率最大化的步骤。
如果涡轮膨胀机和/或从动涡轮机包括多于一级，那么各级可设有相应组的可移动入口导叶。因而，术语“第一组可移动入口导叶”可包括一个涡轮膨胀机叶轮的入口处的单组可移动入口导叶，或多于一个这种叶轮的入口处的多于一组。相似地，术语“第二组可移动入口导叶”可包括从动涡轮机的一个叶轮的入口处的单组可移动入口导叶，或多于一个驱动叶轮的入口处的多于一组。
根据一些实施例，该方法可包括借助于由涡轮膨胀机处理的第一流体从热源回收热，并且在涡轮膨胀机中将热部分地转换成机械功率的步骤。第一流体可在闭合热力学循环中处理，该方法包括以下步骤：冷凝、加压、加热、蒸发第一流体；使第一流体在涡轮膨胀机中膨胀从而生成功率并且再次冷凝膨胀的流体。该方法可包括从较高的热力学循环(例如，燃气涡轮循环)回收热。在其它实施例中，该方法可包括借助于例如太阳能集中器从可再生能源(例如，太阳能发电厂)回收热的步骤。
特征和实施例在下面公开，并且进一步在形成本说明书的一体部分的所附权利要求中提出。上面的简要的描述陈述了本发明的各种实施例的特征，以便随后的详细的描述可被更好地理解，并且以便对领域的本贡献可被更好地理解。当然，存在本发明的其它特征，其将在下文中描述并且其将在所附权利要求中提出。在该方面中，在详细说明本发明的数个实施例之前，应当理解的是，本发明的各种实施例在它们的应用中不限制于构造的细节和在下列描述中提出或在附图中示出的构件的布置。本发明能够有其它实施例并且以各种方式实践和进行。此外，应当理解的是，在本文中采用的措词和术语用于说明的目的，并且不应被认为是限制。
同样地，本领域技术人员将理解的是，本公开基于的构思可易于用作设计其它结构、方法、和/或用于执行本发明的若干目的的系统的基础。因而，重要的是，权利要求被认为包括这种等同构造，只要它们不脱离本发明的精神和范围。
附图说明
将易于获得本发明的公开的实施例及其附随优点中的许多的更完全的理解，因为它们通过在结合附图考虑时参照下列详细描述变得更好地理解。
图1示出了现有技术的涡轮膨胀机-压缩机系统；
图2示出了根据本公开的一个实施例的带有涡轮膨胀机的热回收系统，涡轮膨胀机驱动从动涡轮机；
图3示出了根据在本文中公开的主题的一个实施例的驱动压缩机的一体带齿轮的两级涡轮膨胀机的区段。
图4示出了图3的涡轮膨胀机-压缩机系统的齿轮布置的示意图；且
图5示出了用于控制从动涡轮机的入口导叶的方法的框图。
具体实施方式
示范实施例的下列详细描述参照附图。在不同的附图中的相同的标号指示相同或相似的元件。此外，附图不一定遵循比例绘出。此外，下列详细描述不限制本发明。而是，本发明的范围通过所附权利要求而限定。
遍及说明书对“一个实施例”、或“实施例”、或“一些实施例”的引用指的是与实施例结合地描述的具体特征、结构或特性包括在公开的主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“在一些实施例中”的在遍及说明书的各种位置中的出现不一定意指(多个)相同的实施例。而且，可将具体特征、结构或特性以任何适当的方式结合在一个或更多个实施例中。
在图2中，示出并且将在下面更详细地描述涡轮膨胀机-从动涡轮机系统的可能的应用。应当理解的是，图2的涡轮膨胀机和从动涡轮机系统的应用仅是根据在本文中公开的主题的系统的可能应用和用途的一个示范实施例。具体地，在图2所示的实施例中，涡轮膨胀机从燃气涡轮回收热，该燃气涡轮机从动涡轮机(例如，离心压缩机)。但是，应当理解的是，待借助于涡轮膨胀机回收的热源可为任意其它的热源，例如太阳能集中器、用于驱动发电机的柴油发动机等。
参照图2，标号1指示用于驱动从动涡轮机的燃气涡轮，该从动涡轮机例如为压缩机或压缩机组2，例如离心压缩机或离心压缩机组。压缩机2可属于用于在天然气液化系统中处理制冷剂的压缩机系统。在未示出的其它实施例中，燃气涡轮1可用于发电目的而不用于机械驱动。在这种情况下，燃气涡轮1将装载有发电机。燃气涡轮1生成燃烧气体，燃烧气体在排放到大气中之前流动穿过热回收交换器3。
第一闭合回路4用来从热交换器3移除热并且将其输送至第二闭合回路5。在第一闭合回路4中，热传递流体(例如，透热油)用来将从燃烧气体移除的热传递入闭合回路5中。标号6指示闭合回路4的循环泵。
第二闭合回路5是热力学循环。在闭合回路5中循环的工作流体经历热力学转化，包括冷凝、泵送、加热、蒸发、膨胀，以将热能转化成机械能。在本文中公开的实施例中，在闭合回路5中进行的热力学循环基于兰金循环法则。在第二闭合回路5中使用适当的工作流体(例如，环戊烷)或能够用在有机兰金循环中另一适当有机流体。
第二闭合回路5包括循环泵7、蒸发器9、过热器11、涡轮膨胀机13、回流换热器15和冷凝器17。如本领域技术人员所公知，额外的构件可存在于循环中。
在第二闭合回路5中循环的处于流体状态的工作流体由循环泵7在第一、较高的压力水平下泵送。在蒸发器9中且在过热器11中，借助于由第一闭合回路4中的流体循环回收的热来对加压流体进行加热。在过热器11的出口处，在第二闭合回路5中循环的工作流体处于过热、气态、高压状态。然后使高压、过热的工作流体在涡轮膨胀机13中膨胀。排出涡轮膨胀机13的排放流体流动穿过热回流换热器15并且最终在冷凝器17中冷凝。冷凝器17可包括液体/空气热交换器。
在回流换热器中，在排出涡轮膨胀机13的膨胀流体中包含的低温热与由循环泵7输送的处于液体状态的冷的加压流体交换。
在图2中示出的示范实施例中，涡轮膨胀机13借助于机械传动装置19机械地连接至从动涡轮机21。例如，从动涡轮机21可为压缩机，例如，离心压缩机。在其它实施例中，从动涡轮机21可为泵。
如在下面将更详细地描述的，涡轮膨胀机13可为多级、一体带齿轮的涡轮膨胀机。但是，在图2的示意图中，涡轮膨胀机13以简化的方式示为单级涡轮膨胀机。
涡轮膨胀机13设有第一组可移动入口导叶23，其可由第一控制器25基于在第二从动回路5中进行的热力学循环的参数来控制，以便最优化涡轮膨胀机13的效率，即，以便使由涡轮膨胀机13生成的机械功率最大化。
由涡轮膨胀机13生成的机械功率例如可取决于燃气涡轮1的操作条件而波动。燃烧气体的温度和流速可根据由燃气涡轮1生成的功率的变化而变化，这又通过驱动从动涡轮机2所需的机械功率来确定。这影响了涡轮膨胀机13的操作。
在其它实施例中，热力学循环5可用来从不同的热源，例如从太阳能集中器回收热。此外在该情况下，热力学循环5从其接收待转化成机械功率的热的热源可经历波动，这要求涡轮膨胀机13的操作条件的调整，以便使涡轮膨胀机13的功率输出轴上的可获得的机械功率最大化。
从动涡轮机21(例如，离心压缩机)处理与在热力学循环5中循环的流体不同的流体。例如，从动涡轮机21可为压缩机，其用来运送管线中的气体。压缩机21设有第二组可移动入口导叶27。控制器29可用来基于压缩机21的操作参数和基于其旋转速度来调整可移动入口导叶27的位置。
压缩机21的操作参数基本由入口或吸引压力P1、入口或吸引温度T1、出口或输送压力P2、和出口或输送温度T2代表。压缩机21的旋转速度与涡轮膨胀机13的旋转速度相关，因为机械传动装置19提供涡轮膨胀机13和从动涡轮机或压缩机21的旋转速度之间的固定比率。如果提供直接驱动，例如由轴19示意地代表的，那么比率可为1。一般地说，如果要求不同的旋转速度，那么齿轮箱可布置在涡轮膨胀机13和压缩机21之间。
在一些实施例中，控制从动涡轮机或压缩机21的可移动入口导叶27，使得从动涡轮机21的旋转速度，并且因而涡轮膨胀机13的旋转速度维持为恒定值或在公差范围内在恒定值附近。
在此前描述的布置下，第一组可移动入口导叶23由控制器25使用，来基于热力学循环5中的条件最优化涡轮膨胀机13的操作，从而使涡轮膨胀机13的机械功率输出最大化，而控制器29调整第二组可移动入口导叶27，来控制涡轮机的旋转速度，使得所述速度维持在恒定值附近，该恒定值代表涡轮膨胀机13的设计速度，即，在其下涡轮膨胀机13具有最大效率的速度。
在至今描述的布置下，可能以有效的方式匹配涡轮膨胀机13和从动涡轮机21的不同要求。避免绕过涡轮膨胀机13从而释放热力学循环5的过热工作流体中的可获得功率的部分。同时，还避免了在涡轮膨胀机输出轴和从动涡轮机21之间的变速器。这种变速器将增加整体成本和涡轮膨胀机-从动涡轮机布置的占地面积，并且将引入功率损失，从而降低了系统的整体效率。
考虑从动涡轮机21的操作参数，尤其是入口或吸引压力P1和出口或输送压力P2，控制第二组可移动入口导叶27，使得涡轮机的旋转速度维持在期望的设置值附近，这两个参数由条件确定，该条件在由从动涡轮机21处理的流体内必须得到维持。
如在上面所注意到的，在一些实施例中，如在图2中示意地显示的，涡轮膨胀机13可为单级涡轮膨胀机，其带有安装在轴上的单个叶轮，并且设有单组第一可移动入口导叶。在轴的相反端部上，可安装从动涡轮机21的叶轮。从动涡轮机21可为多级或单级涡轮机。
图3和4示意地示出了多级涡轮膨胀机13的主要特征，并且更具体地，两级涡轮膨胀机具有第一、高压级13A和第二、低压级13B。工作流体通过相应的第一组可移动入口导叶23A进入涡轮膨胀机13的第一、高压级13A，排出第一涡轮膨胀机级13A以通过导管24输送至涡轮膨胀机13的第二、低压级13B的入口。
在图3的示范实施例中，标号23B指示涡轮膨胀机13的低压级13B的相应的第一组可移动入口导叶。这两组可移动入口导叶23A和23B由控制器25控制，以便使两级涡轮膨胀机13的效率最大化。例如使用有机兰金循环的热回收系统中的两级涡轮膨胀机的最大化可例如基于在US 2011/0305556中描述的算法，其内容通过引用而并入本文中。
在图3的示意图中，标号19指示在两级涡轮膨胀机13和从动涡轮机21(例如，同样是压缩机，例如，离心压缩机)之间的机械传动装置。标号27指示放置在从动涡轮机21的入口处的第二组入口导叶。P1和T1指示在涡轮机21的吸引侧处的入口压力和入口温度。P2和T2指示在从动涡轮机21的输送侧处的出口压力和出口温度。
在图3的示范实施例中，机械传动装置19包括齿轮箱20，其带有两个驱动入口轴和一个驱动出口轴。标号31A指示第一入口轴，在其上支撑有涡轮膨胀机13的第一、高压级13A的第一叶轮。因而，第一入口轴31A在涡轮膨胀机13的第一、高压级的叶轮的旋转速度下旋转。涡轮膨胀机13的第二、低压级13B的叶轮支撑在第二入口轴31B上，该第二入口轴31B在涡轮膨胀机13的第二、低压级13B的叶轮的旋转速度下旋转。
如在图4中最佳显示，图4以前视示出了根据图3的IV-IV线的示意图，齿轮箱20包括安装在第一入口轴31A上的第一齿轮33A和安装在第二轴31B上的第二齿轮33B。两个齿轮33A和33B与中央冕状轮34啮合。齿轮箱30的第三齿轮33C安装在输出轴19A上，输出轴19A例如通过接头22连接至从动涡轮机21的轴。
齿轮箱20的构件33A、33B、33C、34之间的传动比选择为，使得两级涡轮膨胀机13的两个级13A、13B可在要求的设计速度下旋转，并且在从动涡轮机21的设计速度下驱动从动涡轮机21。
借助于控制器29和适当的伺服促动器40，可控制和调整从动涡轮机21的旋转速度，且因而控制第一涡轮膨胀机级13A和第二涡轮膨胀机级13B的旋转速度。传感器41探测例如齿轮箱20的输出轴19A的旋转速度，并且所述参数由控制器29用作控制参数，来调整压缩机21的第二组可移动入口导叶27，以便例如将旋转速度维持在要求值下或所述值附近的公差范围内。
在图5中总结了由控制器29执行的控制算法。该算法与涡轮膨胀机13的级数无关地应用，该涡轮膨胀机13例如使用在上面提及的US 2011/0305556中公开的算法与从动涡轮机21独立地由控制器25控制。
现再次转向至图5，附图示出了如下。利用适当的传感器，测量入口压力P1和出口压力P2，并将测量值输送至控制器29。传感器41测量在图5中以S1指示的实际旋转速度，并且所述值输送至控制器29。
控制器29检查测得的速度S1是否在设定操作速度附近的公差范围内，该设定操作速度对应于两个涡轮膨胀机级13A、13B的设计速度，考虑齿轮箱20的速度比。在图5的图中，要求的恒定速度指示为DS。+/-ΔS指示期望的速度值DS附近的公差范围。
如果测得值S1在公差范围内，那么不采取动作并且控制器29反复进行算法步骤。如果测得的速度值S1在公差范围外，那么控制器检查这种测量值是否低于最小可接受的速度值DS-ΔS。如果是这种情况，那么控制器29生成信号，该信号借助于伺服促动器40关闭第二组可移动入口导叶。否则，即，如果测得值S1高于DS+ΔS，那么控制器导致第二组可移动入口导叶打开。
事实上，低于最小可容许值DS-AS的旋转速度降指示可从涡轮膨胀机13获得的功率足以处理当前流动穿过从动涡轮机21的流体的流速。关闭从动涡轮机21的可移动入口导叶组27降低由从动涡轮机21处理的流体的流速，因而将旋转速度增加回在值DS附近的可容许公差范围内。
在相反的情况下，如果速度S1超出最大阈值DS+ΔS，那么可从涡轮膨胀机13获得的机械功率高于处理流动穿过从动涡轮机21的流体的实际流速所需的机械功率。可处理更高的流速，以便完全利用输出轴19A上的可获得的机械功率，并且因而打开从动涡轮机21的可移动入口导叶27，来允许处理更高的流速。
虽然在本文中描述的主题的公开的实施例已经在附图中显示，并且尤其且详细结合数个示范实施例在上面完全描述，但是本领域技术人员将明白的是，许多修改、改变以及省略是可能的，而本质上不脱离在本文中提出的新颖教导、原理和构思，以及在所附权利要求中叙述的主题的优点。因而，公开的创新的适当范围应当仅由所附权利要求的最广泛的释义确定，以便包括所有此种修改、改变和省略。此外，任何工序或方法步骤的顺序或次序可根据备选实施例而改变或重新排序。

Claims (18)

1.一种涡轮膨胀机和从动涡轮机系统，其包括：
涡轮膨胀机，其构造成用于使第一流体膨胀并且包括具有一个膨胀机叶轮的至少一个膨胀机级；
至少第一组可移动入口导叶，其处于所述至少一个膨胀机级的入口处；
从动涡轮机，其构造成用于处理与所述第一流体不同的第二流体，并且包括至少一个涡轮机叶轮；
第二组可移动入口导叶，其处于所述涡轮机叶轮的入口处；
机械传动装置，其在所述涡轮膨胀机与所述从动涡轮机之间；和
控制器，其连接至所述第二组可移动入口导叶，并且构造为用于控制所述第二组可移动入口导叶，来调整所述涡轮膨胀机和所述从动涡轮机的旋转速度；其中，所述控制器构造成用于接收关于所述旋转速度的信息并且控制所述第二组可移动入口导叶，来将所述旋转速度调整为处于期望的速度值。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一组可移动入口导叶构造成用于控制所述第一流体的至少一个参数。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述第一流体的所述参数是流体压力。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成用于通过排外地控制所述第二组可移动入口导叶来将所述旋转速度调整为处于期望值。
5.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成用于将所述旋转速度维持在恒定速度值附近的范围内。
6.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其特征在于，控制所述第一组可移动入口导叶，以用于使由所述涡轮膨胀机生成的功率最大化。
7.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一流体是闭合热力学循环的工作流体。
8.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述第一流体是包括热源的热回收循环的工作流体。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，控制所述第一组可移动入口导叶，以基于可从所述热源获得的热来调整所述涡轮膨胀机的操作条件。
10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述热回收循环是有机兰金循环。
11.根据权利要求1-3中的任一项所述的系统，其特征在于，所述从动涡轮机包括压缩机。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述控制器构造成基于所述压缩机的操作参数来调整所述第二组可移动入口导叶的位置。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述压缩机的所述操作参数包括所述压缩机的吸引压力、入口温度、输送压力、和输送温度。
14.一种操作涡轮膨胀机和从动涡轮机系统的方法，所述系统包括：涡轮膨胀机；从动涡轮机，其由所述涡轮膨胀机机械地驱动；至少第一组可移动入口导叶，其在所述涡轮膨胀机处；第二组可移动入口导叶，其在所述从动涡轮机处；所述方法包括以下步骤：
使第一流体穿过所述涡轮膨胀机膨胀，且以此生成机械功率；
借助于由所述涡轮膨胀机生成的所述机械功率使所述从动涡轮机旋转；
通过所述从动涡轮机处理与所述第一流体不同的第二流体；
控制所述第二组可移动入口导叶，以用于调整所述从动涡轮机和所述涡轮膨胀机的旋转速度。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述旋转速度通过排外地控制所述第二组可移动入口导叶来调整。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，包括控制所述第二组可移动入口导叶，以用于将所述旋转速度维持在恒定值附近的范围内的步骤。
17.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，包括控制所述第一组可移动入口导叶，以用于使由所述涡轮膨胀机生成的机械功率最大化的步骤。
18.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，包括借助于所述第一流体从热源回收热，并且在所述涡轮膨胀机中将所述热部分地转换成机械功率的步骤。
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Granted publication date: 20171010