涡轮膨胀机和从动涡轮机系统的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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』S 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。
[0003]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pi和温度Tl，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pi可使用例如第一组可移动输入导叶(IGVl) 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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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Δ H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。
[0007]在涡轮膨胀机210中的气体膨胀的特性参数(即，pl、Tl、p2和Τ2)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ρ3。通过更改输入压缩机224中的气体流216的压力ρ3，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。
[0008]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pi和温度Tl、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IGVl 218发送命令Cl，以便将涡轮膨胀机入口 214处的气体流的压力Pl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Δ H之间的比率R最大化。
[0009]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】
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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I。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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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