渦輪式發(fā)電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明描述了一種用于運行渦流式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方法。所述系統(tǒng)包括并聯(lián)設(shè)置的并與氣體流流體連通的多個渦輪式發(fā)電機(jī)。所述方法包括識別當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的一個或更多個渦輪式發(fā)電機(jī)，并調(diào)節(jié)所述一個或更多個渦輪式發(fā)電機(jī)的速度，以使得所述多個渦輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出成為更加相似的。以該方式，可以使得所述多個渦輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出相匹配。
【專利說明】
滿輪式發(fā)電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種滿輪式發(fā)電機(jī)。本發(fā)明的實施例設(shè)及一種滿輪式發(fā)電機(jī)、一種用 于運行滿輪式發(fā)電機(jī)的方法、一種滿輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)W及一種用于運行滿輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 滿輪式發(fā)電機(jī)用于從氣體流提取能量，所述氣體流諸如來自于壓縮燃燒式柴油發(fā) 動機(jī)的排氣、來自于點火燃燒式氣體發(fā)動機(jī)的排氣、蒸汽、有機(jī)朗肯流體(organiC Rankine fluid)或壓縮氣體。例如，從往復(fù)式發(fā)動機(jī)的排氣管道中的流體回收的排氣能量可被轉(zhuǎn)換 成用于供應(yīng)至公共電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的電功率。滿輪式發(fā)電機(jī)可與滿輪增壓器組合地設(shè)置(或并聯(lián) 或串聯(lián)）。
[0003] 在GB2451703中，描述了串聯(lián)滿輪式發(fā)電機(jī)的運行，其中，滿輪式發(fā)電機(jī)的速度被 設(shè)定為優(yōu)化其效率。然而，在一些情況下，效率可能不是主要的考慮因素，替代地，可能所期 望的是優(yōu)化(盡可能地)滿輪式發(fā)電機(jī)W實現(xiàn)最大功率輸出。然而，實現(xiàn)運樣的優(yōu)化具有挑 戰(zhàn)性。
[0004] 對于其中設(shè)置有多個滿輪式發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)，實現(xiàn)最佳(總的）功率輸出甚至更具挑 戰(zhàn)性，運是由于發(fā)動機(jī)和每個滿輪式發(fā)電機(jī)的入口之間的管道的變化，W及由于供給至并 聯(lián)滿輪式發(fā)電機(jī)的排出氣體的量不能使得任何一個滿輪式發(fā)電機(jī)超過其個體的最大額定 功率。因此，來自于多個滿輪式發(fā)電機(jī)的組合的功率輸出將受限于產(chǎn)生最多功率的滿輪式 發(fā)電機(jī)(對于給定的來自于發(fā)動機(jī)的排氣輸出）。
[0005] 本發(fā)明的實施例圖解決運些問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種用于運行滿輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng) 包括并聯(lián)設(shè)置的且與氣體流流體連通的多個滿輪式發(fā)電機(jī)，所述方法包括W下步驟：
[0007] 識別當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的一個或更多個滿輪式發(fā)電機(jī);W及 [000引調(diào)節(jié)所述一個或更多個滿輪式發(fā)電機(jī)的速度，W使得所述多個滿輪式發(fā)電機(jī)的功 率輸出成為更加相似的。
[0009] W該方式，可W使得所述多個滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出相匹配。運(如下面將詳細(xì) 地解釋的）可W使得充分利用所述多個滿輪式發(fā)電機(jī)的額定功率是可行的。調(diào)節(jié)速度的步 驟可包括W下中的一個或兩個:增大被識別的滿輪式發(fā)電機(jī)的速度和降低未被識別為當(dāng)前 其運行最接近于其最大功率輸出的多個滿輪式發(fā)電機(jī)中的至少一個的速度。調(diào)節(jié)速度的步 驟可包括降低未被識別為當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的多個滿輪式發(fā)電機(jī)中的 所有發(fā)電機(jī)的速度。響應(yīng)于確定被識別的滿輪式發(fā)電機(jī)處于或接近于其最大功率輸出，實 施調(diào)節(jié)速度的步驟。調(diào)節(jié)速度的步驟可通過W下被實施：如果被識別的滿輪式發(fā)電機(jī)低于 預(yù)定速度而運行，則通過增大所述被識別的滿輪式發(fā)電機(jī)的速度;如果被識別的滿輪式發(fā) 電機(jī)中的一個或更多個未低于預(yù)定速度而運行，則通過降低未被識別為當(dāng)前其運行最接近 于其最大功率輸出的多個滿輪式發(fā)電機(jī)中的至少一個的速度。對滿輪式發(fā)電機(jī)速度的調(diào)節(jié) 可使得被識別的滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出減小。
[0010] 優(yōu)選地，所述方法包括在已減小被識別的滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出之后，增加穿 過多個滿輪式發(fā)電機(jī)的氣體的總流速的步驟。通過首先降低最高功率滿輪式發(fā)電機(jī)的功率 輸出（但是將該功率輸出有效地轉(zhuǎn)移至低于其最大額定功率而運行的另一滿輪式發(fā)電機(jī)）， 可W使得流至所有滿輪式發(fā)電機(jī)的氣體質(zhì)量流增加，而不會導(dǎo)致所述滿輪式發(fā)電機(jī)中的任 何一個超出其額定功率。將被理解的是，緊隨著速度改變，由所述多個滿輪式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的 總體功率可能不保持為相同的，因為功率不僅僅是質(zhì)量流速的函數(shù)，而且也是壓力比(橫跨 滿輪式發(fā)電機(jī))和效率的函數(shù)。通過改變一個或更多個滿輪式發(fā)電機(jī)的速度，于滿輪式發(fā)電 機(jī)中的每一個(和旁通閥口，請見下文)處的入口壓力將改變，W至于所述一個或更多個滿 輪式發(fā)電機(jī)的效率將改變，并因此，作為整體的系統(tǒng)的效率將改變。然而，原理仍然是通過 改變一個或更多個滿輪式發(fā)電機(jī)的速度，使得可W降低所述一個或更多個滿輪式發(fā)電機(jī)的 功率輸出并增加其余滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出，因此實現(xiàn)功率平衡。增大穿過多個滿輪式 發(fā)電機(jī)的氣體的總流速的步驟可持續(xù)進(jìn)行，直到或者所有滿輪式發(fā)電機(jī)具有最接近于其最 大功率輸出的功率輸出，或者直到總流速達(dá)到最大水平。優(yōu)選地，氣體總流速的增大由閥口 控制。優(yōu)選地，所述閥口是與所述多個滿輪式發(fā)電機(jī)并聯(lián)布置的旁通閥口，W及氣體總流速 的增加通過關(guān)閉所述旁通閥口 W減少穿過所述旁通閥口的氣體流并因此增加穿過所述多 個滿輪式發(fā)電機(jī)的氣體流而實現(xiàn)。所述多個滿輪式發(fā)電機(jī)中的每個可具有相同的最大功率 輸出。在該情況下，識別當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的一個或更多個滿輪式發(fā)電 機(jī)包括識別當(dāng)前具有最高功率輸出的一個或更多個滿輪式發(fā)電機(jī)。調(diào)節(jié)滿輪式發(fā)電機(jī)的速 度的步驟可包括調(diào)節(jié)該滿輪式發(fā)電機(jī)上的負(fù)載。滿輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可為電動滿輪式復(fù)合系 統(tǒng)(electric turbocompounding system)，該電動滿輪式復(fù)合系統(tǒng)包括被設(shè)置為與發(fā)動機(jī) 流體連通的滿輪增壓器，且所述多個滿輪式發(fā)電機(jī)可與所述滿輪增壓器或串聯(lián)或并聯(lián)地設(shè) 置。
[0011] 優(yōu)選地，氣體流是來自于發(fā)動機(jī)的排出氣體流。然而，將被理解的是，本發(fā)明的實 施例可應(yīng)用于非來源于發(fā)動機(jī)的氣體流。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種滿輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括：
[0013] 并聯(lián)設(shè)置的并與氣體流流體連通的多個滿輪式發(fā)電機(jī)；
[0014] 控制器，該控制器是可操作的W識別當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的一個 或更多個滿輪式發(fā)電機(jī)，且該控制器是可操作的W調(diào)節(jié)所述一個或更多個滿輪式發(fā)電機(jī)的 速度W降低被識別的滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于運行與氣體流流體連通的滿輪式發(fā)電機(jī) 的方法，該方法包括W下步驟：
[0016 ]確定穿過滿輪式發(fā)電機(jī)的氣體的質(zhì)量流速；
[0017] 使用被確定的質(zhì)量流速、W及針對最大功率輸出的滿輪速度與質(zhì)量流速之間的第 一預(yù)定關(guān)系，來確定滿輪式發(fā)電機(jī)的運樣的速度：W該速度，所述滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出 被大致最大化;W及
[0018] 基于被確定的速度調(diào)節(jié)滿輪式發(fā)電機(jī)的速度。
[0019] W該方式，甚至當(dāng)氣體的質(zhì)量流速變化時（例如，因為發(fā)動機(jī)產(chǎn)生較少的排出氣 體，或者也附接至該發(fā)動機(jī)的滿輪增壓器需要更多的運些排出氣體），可W運行控制循環(huán)W 大致最大化滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出。
[0020] 優(yōu)選地，所述方法進(jìn)一步包括確定滿輪式發(fā)電機(jī)的入口和出口之間的膨脹比的步 驟。在該情況下，確定質(zhì)量流速的步驟包括使用被確定的膨脹比、滿輪式發(fā)電機(jī)的當(dāng)前速度 W及質(zhì)量流速、速度與膨脹比之間的第一預(yù)定關(guān)系計算質(zhì)量流速。確定膨脹比的步驟可包 括測量滿輪式發(fā)電機(jī)的入口壓力、和基于滿輪式發(fā)電機(jī)的出口壓力及測量到的入口壓力計 算膨脹比。出口壓力可W是被測量的或是被估算的。
[0021 ]確定質(zhì)量流的步驟可包括:依據(jù)被確定的膨脹比、滿輪式發(fā)電機(jī)的當(dāng)前速度W及 質(zhì)量流速、速度和膨脹比之間的第二預(yù)定關(guān)系，計算被減小的質(zhì)量流速；W及基于測量到的 滿輪式發(fā)電機(jī)的入口壓力和測量到的或估算到的滿輪式發(fā)電機(jī)的出口壓力，將所計算的減 小的質(zhì)量流速轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流速。所述第一預(yù)定關(guān)系可由查找表示出，所述查找表用于依據(jù) 被確定的質(zhì)量流速獲得針對最大功率輸出的速度。計算被減小的質(zhì)量流速的步驟可包括基 于滿輪式發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、測量到的或估算到的滿輪式發(fā)電機(jī)入口溫度計算所述滿輪式 發(fā)電機(jī)的當(dāng)前的被減小的速度，和基于所計算的被減小的速度計算被減小的質(zhì)量流速。
[0022] 確定滿輪式發(fā)電機(jī)的會使?jié)M輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出被大致最大化的速度包括:依 據(jù)被確定的質(zhì)量流速和第一預(yù)定關(guān)系確定被減小的速度，和基于測量到的或估算到的滿輪 式發(fā)電機(jī)入口溫度將被減小的速度轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)速度。所述第一預(yù)定關(guān)系可得自滿輪式發(fā)電 機(jī)的一個或更多個滿輪特性。可替代地，所述第一預(yù)定關(guān)系可為基于滿輪式發(fā)電機(jī)的性能 測試數(shù)據(jù)。
[0023] 調(diào)節(jié)滿輪式發(fā)電機(jī)的速度的步驟可包括調(diào)節(jié)施加于該滿輪式發(fā)電機(jī)上的負(fù)載。滿 輪式發(fā)電機(jī)可為電動滿輪式復(fù)合系統(tǒng)的一部分，該電動滿輪式復(fù)合系統(tǒng)包括被設(shè)置為與往 復(fù)式發(fā)動機(jī)流體連通的滿輪增壓器，其中，所述滿輪式發(fā)電機(jī)與所述滿輪增壓器并聯(lián)地設(shè) 置。
[0024] 優(yōu)選地，氣體流是來自于發(fā)動機(jī)的排出氣體流。然而，將被理解的是，本發(fā)明的實 施例可應(yīng)用于非來源于發(fā)動機(jī)的氣體流。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種被設(shè)置為用于接收氣體流的滿輪式發(fā)電機(jī)的 方法，該滿輪式發(fā)電機(jī)包括：
[0026] 滿輪，氣體穿過該滿輪W使得滿輪旋轉(zhuǎn)；
[0027] 功率轉(zhuǎn)換器，用于從滿輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電功率;W及 [00%]控制器，該控制器是可操作的
[0029] 確定穿過滿輪的氣體的質(zhì)量流速；
[0030] 使用被確定的質(zhì)量流速、W及針對最大功率輸出的滿輪速度與質(zhì)量流速之間的第 一預(yù)定關(guān)系，來確定運樣的滿輪旋轉(zhuǎn)速度：W該滿輪旋轉(zhuǎn)速度，所述滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸 出被大致最大化;W及
[0031] 基于被確定的速度調(diào)節(jié)滿輪旋轉(zhuǎn)速度。
【附圖說明】
[0032] 參照W下附圖，將W示例的方式描述本發(fā)明，在附圖中：
[0033] 圖I示意性地示出了根據(jù)第一實施例的發(fā)動機(jī)和能量回收系統(tǒng)；
[0034] 圖2示意性地示出了對于典型滿輪級的膨脹比、滿輪輪轉(zhuǎn)速與滿輪級效率之間的 關(guān)系；
[0035] 圖3示意性地示出了為實現(xiàn)最佳滿輪效率的、膨脹比和最佳滿輪輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān) 系；
[0036] 圖4示意性地示出了為實現(xiàn)最佳滿輪效率的或最大功率輸出的、質(zhì)量流和最佳滿 輪輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；
[0037] 圖5示意性地示出了對于典型滿輪的、被減小的質(zhì)量流量、膨脹比與滿輪速度之間 的關(guān)系；
[0038] 圖6是描述用于大致最大化在圖1中所描述的能量回收系統(tǒng)的功率輸出的控制循 環(huán)的示意性流程圖；
[0039] 圖7示意性地示出根據(jù)第二實施例的發(fā)動機(jī)和利用多個滿輪式發(fā)電機(jī)(與滿輪增 壓器串聯(lián))的能量回收系統(tǒng)；
[0040] 圖8示意性地示出根據(jù)第二實施例的發(fā)動機(jī)和利用多個滿輪式發(fā)電機(jī)(與滿輪增 壓器并聯(lián))的能量回收系統(tǒng)；
[0041] 圖9在描述針對多個不同的滿輪速度的、功率輸出和膨脹比之間的關(guān)系的圖中示 意性地示出兩個并聯(lián)的滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出；
[0042] 圖10示出了在圖9中所描述的功率輸出水平時，穿過兩個并聯(lián)的滿輪式發(fā)電機(jī)的 質(zhì)量流；
[0043] 圖11示意性地示出了圖10的變型，其中，滿輪式發(fā)電機(jī)中的一個的速度已經(jīng)降低， 滿輪式發(fā)電機(jī)中的另一個的速度被增大；
[0044] 圖12示意性地示出了兩個并聯(lián)的滿輪式發(fā)電機(jī)在圖11的速度配置中的功率輸出； W及
[0045] 圖13是描述用于大致最大化圖7和8的能量回收系統(tǒng)的功率輸出的控制循環(huán)的示 意性流程圖。
【具體實施方式】
[0046] 第一實施例一一控制單個滿輪式發(fā)電機(jī)的速度W最大化功率輸出
[0047] 首先參照圖1，其示出了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括滿輪增壓發(fā)動機(jī)、滿輪式發(fā)電機(jī)W 及相關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器(PC)，該功率轉(zhuǎn)換器(PC)用于將從滿輪式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)換成 可被引入公共電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的形式。第一實施例特別地適用于與滿輪增壓器并聯(lián)配置的滿輪 式發(fā)電機(jī)中。在圖1中，設(shè)置了一種滿輪增壓發(fā)動機(jī)1，其具有排氣出口 14,該排氣出口 14經(jīng) 由排氣管道22和閥口 31通向滿輪式發(fā)電機(jī)3的入口 26。相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換器5被設(shè)置W將由滿輪 式發(fā)電機(jī)3產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)換成可被引入公共電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)(輸出至公共電網(wǎng)的電力輸出）中的形 式。
[0048] 往復(fù)式發(fā)動機(jī)1可W是柴油或火花點燃往復(fù)式發(fā)動機(jī)，其被設(shè)置為通過空氣入口 管道12接收經(jīng)由空氣供應(yīng)線路10穿過滿輪增壓器2的進(jìn)入空氣。排氣管道14除通向滿輪式 發(fā)電機(jī)3之外，還排氣至滿輪增壓器2的滿輪18的入口 16中。閥口31控制提供至滿輪增壓器2 的排氣氣體相對于提供至滿輪式發(fā)電機(jī)3的排氣氣體的比例。滿輪18的出口 20排氣至周圍 環(huán)境。
[0049] 滿輪式發(fā)電機(jī)3包括滿輪24，該滿輪24具有入口 26和出口 28，該入口 26用于接收來 自于排氣管道22的流體，該出口 28用于將流體排放至周圍環(huán)境。滿輪式發(fā)電機(jī)3還包括交流 發(fā)電機(jī)4,該交流發(fā)電機(jī)4設(shè)置在滿輪24的輸出軸上，W用于將軸輸出功率轉(zhuǎn)換為電功率，且 該交流發(fā)電機(jī)4通過電連接部30連接至功率轉(zhuǎn)換器5,該功率轉(zhuǎn)換器5供應(yīng)電力輸出（如所 示)至公共電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。功率轉(zhuǎn)換器5包括AC/DC轉(zhuǎn)換器6和DC/AC轉(zhuǎn)換器8,該AC/DC轉(zhuǎn)換器6用 于將來自于交流發(fā)電機(jī)4的AC輸出轉(zhuǎn)換為DC連接線路7上的DC電源，該DC/AC轉(zhuǎn)換器8用于產(chǎn) 生=相輸出，該=相輸出用于經(jīng)由輸出線路9供應(yīng)至公共電網(wǎng)。
[0050] 滿流式發(fā)電機(jī)的運行由控制器40控制，該控制器40連接至功率轉(zhuǎn)換器5。功率轉(zhuǎn)換 器5能夠為控制器40提供滿輪24的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的指示。在一個可替代實施例中，滿輪24的 旋轉(zhuǎn)速度由在滿輪24處的傳感器直接測量?？刂破?0使用傳感器42測量入口 26處的壓力， 該傳感器42設(shè)置為包括結(jié)合有應(yīng)變儀的膜片的壓力傳感器的形式。此外，測量出口 28處的 壓力、入口 26處的溫度W及出口 28處的溫度的傳感器44可被設(shè)置?？刂破?0能夠通過使得 功率轉(zhuǎn)換器5調(diào)節(jié)施加至交流發(fā)電機(jī)4上的電力負(fù)載而減慢或加速滿輪24的旋轉(zhuǎn)速度。為了 減慢滿輪24,電力負(fù)載被增加，為了加速滿輪24,電力負(fù)載被減小?？刂破?0因此能夠控制 滿輪24的旋轉(zhuǎn)速度，其目的將在下文中詳細(xì)描述。
[0051] 之前的滿輪式發(fā)電機(jī)控制技術(shù)側(cè)重于最大化滿輪級的效率。參照圖2,通過描述， 典型的滿輪級具有關(guān)聯(lián)跨越滿輪的膨脹比、滿輪輪轉(zhuǎn)速和滿輪級效率的特性。在圖2中，橫 坐標(biāo)軸表示跨越滿輪式發(fā)電機(jī)3(即，圖1中在26處的入口壓力與在28處的出口壓力的比例） 的膨脹比?？v坐標(biāo)軸表示滿輪的效率(作為百分比）。圖2中繪制的每條線示出針對特定的滿 輪式發(fā)電機(jī)速度，膨脹比和效率之間的關(guān)系。在本案例中，繪制了針對7個不同速度的關(guān)系， 范圍從821N/ V T(21 .Okrpm)至1641N/ V T(42.0krpm)。將被注意的是，圖2是針對"被減小的 速度"而繪制的，而不是針對滿輪轉(zhuǎn)子的絕對旋轉(zhuǎn)速度而繪制。實際速度和被減小的速度之 間的關(guān)系如在下面的公式(1)中被闡明：
[0052] 被減小的速度=轉(zhuǎn)子速度(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)VV溫度化） 公式(1)
[0053] 如從圖2可看到，在低膨脹比時，較低的速度更加有效，而在高膨脹比時，較高的速 度更加有效。因此，將被理解的是，滿輪式發(fā)電機(jī)的最有效的運行速度根據(jù)膨脹比而變化。 運引出膨脹比和最佳滿輪輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，W得到在圖3中示出的最好的滿輪效率。參照 圖3,在滿輪膨脹比(橫坐標(biāo)軸線)對被減小的速度(縱坐標(biāo)軸線）的圖上示出了最佳效率線。 在此處可看出，隨著滿輪膨脹比增加，最佳速度通常增加。W該方式，可W通過改變滿輪式 發(fā)電機(jī)的速度W針對當(dāng)前膨脹比匹配最佳速度而使得滿輪式發(fā)電機(jī)的效率最大化。將被理 解的是，膨脹比可根據(jù)來自于發(fā)動機(jī)的排氣輸出而改變，且可在任何給定的時間根據(jù)閥口 31的打開程度而改變。因此，維持最大效率需要連續(xù)控制循環(huán)，該連續(xù)控制循環(huán)隨著膨脹比 改變而連續(xù)地修改轉(zhuǎn)子速度(注意到的是，在圖3中繪制的被減小的速度將需要使用上述公 式(1)被轉(zhuǎn)換為實際的轉(zhuǎn)子速度），W保持為盡可能接近在圖3中示出的最佳效率線。
[0054] 盡管往往效率是主要的驅(qū)動因素，在一些情況下，更重要的是最大化功率輸出。如 將變得清晰明了的，第一實施例設(shè)及控制滿輪式發(fā)電機(jī)的速度W優(yōu)化其功率輸出，而不是 優(yōu)化其效率。運通過W下實現(xiàn)，通過首先測量滿輪式發(fā)電機(jī)速度和滿輪式發(fā)電機(jī)的上游壓 力，并且或者通過測量下游壓力及上游溫度、或者通過對運些參數(shù)做出可能的值的假設(shè)。然 后，基于運些參數(shù)計算穿過滿輪式發(fā)電機(jī)的排氣氣體的質(zhì)量流。然后使用查找表W針對滿 輪式發(fā)電機(jī)速度選擇設(shè)定點。因此，滿輪式發(fā)電機(jī)速度被反復(fù)改變W就最大化(在切實可行 范圍內(nèi)盡量地)功率輸出而言給出最佳性能。W該方式，可W通過改變滿輪式發(fā)電機(jī)速度而 優(yōu)化該滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出。
[0055] 對于任何給定的滿輪質(zhì)量流，由滿輪式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率不僅與級效率關(guān)聯(lián)，而 且還與跨越滿輪式發(fā)電機(jī)的膨脹比關(guān)聯(lián)。在大多數(shù)情況下，為了產(chǎn)生最大功率而需要的轉(zhuǎn) 子速度大致高于為實現(xiàn)最佳級效率而需要的轉(zhuǎn)子速度。運在圖4中被圖示，在圖4中，橫向坐 標(biāo)軸表示滿輪質(zhì)量流（W kg/s表示），縱向坐標(biāo)軸表示被減小的速度。在圖4的曲線圖上繪制 的較低的線表示為了實現(xiàn)最佳滿輪效率而需要的被減小的速度。在圖4的曲線圖上繪制的 較高的線表示為了實現(xiàn)最大滿輪功率而需要的被減小的速度。
[0056] 為了實現(xiàn)最大滿輪功率而需要的被減小的速度可依據(jù)滿輪特性計算，或可通過實 驗確定。由滿輪產(chǎn)生的功率可被表示為如下：
[0化7] Q=m X Cp x(Tl-T2) 公式（2)
[005引其中，Q=由滿輪產(chǎn)生的功率，m=穿過滿輪的質(zhì)量流量，Tl =滿輪入口溫度化），T2 =滿輪出口溫度化），Cp是用W kj/kg. K為單位的氣體比熱容量。對于一系列質(zhì)量流速的任 何給定的滿輪質(zhì)量流，功率Q需要被優(yōu)化W達(dá)到其最大值(最大功率，而不是最大級效率）， W得到圖4的最大功率線。
[0059] 將被理解的是，為了依據(jù)圖4中所明確的被減小的速度確定實際的轉(zhuǎn)子速度，將有 必要使用上述公式（1)依據(jù)被減小的速度執(zhí)行轉(zhuǎn)換。在質(zhì)量流為〇.8kg/s的情況下，為了提 取最大功率，滿輪應(yīng)當(dāng)Wl600rpm/VT的被減小的速度運行，而不是W~1200rpm/VT(運將 實現(xiàn)最佳效率）的被減小的速度運行。為了能夠針對最大功率選擇最佳滿輪速度(基于圖 4)，需要滿輪的質(zhì)量流速。然而，直接測量該參數(shù)既困難又成本高昂。替代地，質(zhì)量流可依據(jù) 對W下參數(shù)的知曉而計算得出：
[0060] 滿輪入口壓力(Pl)--被測量，單位為kPa (絕對）
[0061] 滿輪速度一-被測量，單位為rpm(轉(zhuǎn)換為所需要的被減小的速度）
[0062] 滿輪入口溫度一-被測量或被估算，單位為開爾文化）
[0063]滿輪出口壓力(P2)--被測量或被估算，單位為kPa(絕對）
[0064] 首先，橫跨渦輪式發(fā)電機(jī)的膨脹比根據(jù)W下被計算：
[0065]
公式（3 )
[0066] 其中：Tl =滿輪入口溫度化），T2 =滿輪出口溫度化），丫=熱容量Cp和Cv的比，其 中Cp是單位為kj/kg. K的氣體比熱容。
[0067] 入口壓力(Pl)由傳感器42檢測。出口壓力(P2)可由傳感器44檢測，或可替代地，可 基于已知(具體應(yīng)用）的滿輪式發(fā)電機(jī)3的運行和/或環(huán)境條件估算該出口壓力(P2)。例如， 出口壓力可能基于大氣壓力，入口溫度可能基于處于滿負(fù)載時的排氣歧管溫度。
[0068] 圖引尋滿輪式發(fā)電機(jī)的膨脹比（橫向坐標(biāo)軸)關(guān)聯(lián)至被減小的質(zhì)量流速的曲線圖。 特別地，圖5針對滿輪的多個不同的被減小的速度繪制了被減小的流速相對于膨脹比的關(guān) 系。被減小的質(zhì)量流速W單位kg. . V K. Pa^而被測量。質(zhì)量流速和被減小的質(zhì)量流速之 間的關(guān)系如下：
[0069] 被減小的質(zhì)量流速=質(zhì)量流速X V入口溫度/入口壓力 公式(4)
[0070] 依據(jù)膨脹比和當(dāng)前滿輪速度，可W從圖5獲取穿過滿輪式發(fā)電機(jī)的當(dāng)前被減小的 質(zhì)量流速。例如，如果膨脹比被確定為2.5,且當(dāng)前被減小的速度(使用上述公式（1)依據(jù)轉(zhuǎn) 子速度而被轉(zhuǎn)換）為2383N/V T(或67.2krpm)，則可看出被減小的質(zhì)量流速大約為 0.074kg. . V K. Pa^。將被理解的是，在實踐中，可在控制器40處使用算法或在控制器40 處使用查找表(LUT)依據(jù)膨脹比和被減小的速度確定被減小的質(zhì)量流速。將被理解的是，圖 5針對典型的滿輪關(guān)聯(lián)了被減小的質(zhì)量流速、滿輪速度和膨脹比。然而，具體的關(guān)系將取決 于滿輪/滿輪式發(fā)電機(jī)的特性。在算法中使用的具體關(guān)系（或由查找表表示的具體關(guān)系）可 基于滿輪特性通過計算或通過實驗獲取。
[0071 ]依據(jù)被減小的質(zhì)量流速，可使用上述公式(4)計算出質(zhì)量流速，運將需要測量到的 入口壓力(Pl) W及測量到的入口溫度(Tl)或入口溫度(Tl)的估算值。一旦已經(jīng)確定質(zhì)量流 速，該質(zhì)量流速和當(dāng)前被減小的速度可被提供至圖4線圖（或算法或查找表），W獲得可被期 望提供來自于從滿輪式發(fā)電機(jī)的最大功率輸出的滿輪速度。
[0072] 現(xiàn)在參照圖6,提供了一種利用上述原理的控制循環(huán)。在步驟Sl時，基于測量到的 入口壓力和出口壓力(測量到的或估算到的)計算出膨脹比。然后，在步驟S2時，依據(jù)當(dāng)前滿 輪式發(fā)電機(jī)速度、膨脹比和滿輪特性計算被減小的質(zhì)量流速(見圖5)。在步驟S3時，基于上 述公式(4)，使用測量到的入口壓力和入口溫度(現(xiàn)慢到的或估算到的），被減小的質(zhì)量流速 被轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流速。在步驟S4時，依據(jù)所計算的質(zhì)量流速和滿輪最佳速度特性計算新的最 佳速度(見圖4)。最佳速度然后用于調(diào)節(jié)滿輪轉(zhuǎn)子的設(shè)定速度。流程然后返回至步驟S1。將 被理解的是，步驟Sl至S5形成控制循環(huán)，該控制循環(huán)將連續(xù)地運行。應(yīng)當(dāng)理解的是，通過在 步驟S5時改變速度，入口壓力可改變，運將在步驟Sl的下一次迭代時導(dǎo)致新膨脹比，該新膨 脹比將遍歷步驟S2至S5, W導(dǎo)致新的不同的設(shè)定速度。該流程將連續(xù)進(jìn)行，知道控制循環(huán)穩(wěn) 定。還應(yīng)當(dāng)理解的是，入口壓力還將根據(jù)來自于發(fā)動機(jī)1的、且經(jīng)由閥口 31傳到滿輪式發(fā)電 機(jī)的排氣輸出的量而改變。在由于流動至滿輪式發(fā)電機(jī)的氣體流的改變而引起入口壓力改 變的情況下，控制循環(huán)將確定新膨脹比、質(zhì)量流和目標(biāo)速度，W針對任何給定的運行條件維 持或重獲最大功率輸入。相同的原理將適用于其它改變。例如，入口和/或出口溫度可隨著 時間改變(例如，日間/夜晚運行，或隨著滿輪式發(fā)電機(jī)從冷氣動預(yù)熱），運將導(dǎo)致控制循環(huán) 重新估算針對最大功率輸出的最佳轉(zhuǎn)子速度。
[0073] 第二實施例一-控制多個滿輪式發(fā)電機(jī)W最大化總體功率輸出
[0074] 在一些情況中，單個發(fā)動機(jī)可裝配有包括一個W上的滿輪式發(fā)電機(jī)的能量回收系 統(tǒng)。參照圖7,其示出一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括滿輪增壓發(fā)動機(jī)和一組并聯(lián)設(shè)置的多個滿輪式 發(fā)電機(jī)。圖7的系統(tǒng)提供了與滿輪增壓器串聯(lián)的滿輪式發(fā)電機(jī)陣列。在圖7中，設(shè)置了一種滿 輪增壓發(fā)動機(jī)101，其具有排氣出口 114,該排氣出口 14通向滿輪增壓器102的滿輪118的入 口。往復(fù)式發(fā)動機(jī)1可W是柴油或火花點燃往復(fù)式發(fā)動機(jī)，其被設(shè)置為通過空氣入口管道 112接收經(jīng)由空氣供應(yīng)線路110穿過滿輪增壓器102的進(jìn)入空氣。滿輪118的出口 120排氣至 相應(yīng)的滿輪式發(fā)電機(jī)103a、103b、103c的入口 126曰、1266、126(3，因此提供了發(fā)動機(jī)101、滿輪 增壓器102和滿輪式發(fā)電機(jī)103曰、103b、103c的串聯(lián)設(shè)置。滿輪118的出口 120還排氣至旁通 閥口 132，該旁通閥口 132與滿輪式發(fā)電機(jī)103a、103b、103c并聯(lián)設(shè)置。通過打開旁通閥口 132,在入口 126a、126b、126c處的入口壓力被減小，且來自于滿輪增壓器102的更多的排出 氣體可從入口 126a、126b、126c轉(zhuǎn)移，W減小壓力比和減小穿過所有發(fā)電機(jī)103a、103b、103c 的氣體的質(zhì)量流速。相似地，通過關(guān)閉旁通閥口 132，在入口 126a、126b、126c處的入口壓力 被增大，且來自于滿輪增壓器102的更多的排出氣體進(jìn)入入口 126曰、1266、126(3，^增加壓力 比和增加穿過所有發(fā)電機(jī)103a、103b、103c的氣體的質(zhì)量流速。將被理解的是，旁通閥口 132 不能夠獨立地控制特定的滿輪式發(fā)電機(jī)的質(zhì)量流速和入口壓力。滿輪式發(fā)電機(jī)103a、103b、 103c中的每個設(shè)置有相關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器105a、105b、105c，該相關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器能夠?qū)?由滿輪式發(fā)電機(jī)103a、103b、103c產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)換為可被引入至公共電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的形式。滿 輪式發(fā)電機(jī)103a、103b、103c每個包括滿輪124a、124b、124c，滿輪124a、124b、124c具有入口 126a、126b、126c和出口，所述入口用于接收來自于排氣管道120的流體，所述出口用于排放 流體至周圍環(huán)境(將被注意的是，在圖7中，所有的出口被接合在一起，并接合至閥口 132的 出口）。每個滿輪式發(fā)電機(jī)103a、103b、103c還包括設(shè)置在其相應(yīng)的滿輪124a、124b、124c的 輸出軸上的交流發(fā)電機(jī)104曰、1046、104(3，^用于將軸輸出功率轉(zhuǎn)換為電功率，且每個交流 發(fā)電機(jī)104a、104b、104c通過電連接部連接至相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換器105曰、1056、105(3，該功率轉(zhuǎn) 換器105a、105b、105c供應(yīng)電力輸出（如所示)至公共電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。功率轉(zhuǎn)換器105a、105b、105c 可屬于相同的類型，且如圖I的功率轉(zhuǎn)換器5-樣運行。
[0075] 滿輪式發(fā)電機(jī)103a、103b、103c陣列的運行由控制器140控制，該控制器140被連接 至功率轉(zhuǎn)換器1〇5曰、105b、105c中的每個、并連接至閥口 132。每個功率轉(zhuǎn)換器105曰、105b、 105c能夠為控制器140提供其相應(yīng)的滿輪124a、124b、124c的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的指示，盡管在 一個可替代實施例中，旋轉(zhuǎn)速度替代地由在滿輪124a、124b、124c處的傳感器直接測量。控 制器140能夠通過使得一個(或更多個)功率轉(zhuǎn)換器105a、105b、105c調(diào)節(jié)施加至相應(yīng)的交流 發(fā)電機(jī)104a、104b、104c上的電力負(fù)載而減慢或加速每個滿輪124a、124b、124c的旋轉(zhuǎn)速度。 如同圖1，為了減慢滿輪，電力負(fù)載被增加，為了加速滿輪24,電力負(fù)載被減小?？刂破?40因 此能夠控制滿輪的旋轉(zhuǎn)速度，其目的將在下文中詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，控制器140能夠 互相獨立地控制每個滿輪的速度。控制器140還能夠控制旁通閥口 132, W增大或減小入口 壓力和穿過滿輪式發(fā)電機(jī)陣列的排氣的量，因此改變壓力比和總質(zhì)量流速。
[0076] 現(xiàn)在參照圖8,類似于圖7的系統(tǒng)的系統(tǒng)被示出，但是在圖8的情況中，滿輪式發(fā)電 機(jī)陣列與滿輪增壓器并聯(lián)而不是串聯(lián)地設(shè)置。在圖8中，設(shè)置了一種滿輪增壓發(fā)動機(jī)201，其 具有排氣出口214,該排氣出口 14通向滿輪增壓器202的滿輪218的入口。往復(fù)式發(fā)動機(jī)1被 設(shè)置為通過空氣入口管道212接收經(jīng)由空氣供應(yīng)線路210穿過滿輪增壓器202的進(jìn)入空氣。 出口 220排氣至周圍環(huán)境，而相比之下，在圖7的示例中滿輪118排氣至滿輪式發(fā)電機(jī)陣列。 相反，在圖8中，來自于發(fā)動機(jī)201的排氣經(jīng)由閥口 231直接提供至滿輪式發(fā)電機(jī)203a、203b、 203c，因此提供了發(fā)動機(jī)201、滿輪增壓器202和滿輪式發(fā)電機(jī)203a、203b、203c的并聯(lián)設(shè)置。 發(fā)動機(jī)201還（經(jīng)由閥口 231)排氣至旁通閥口 232,該旁通閥口 132與滿輪式發(fā)電機(jī)203曰、 203b、203c并聯(lián)設(shè)置。通過打開旁通閥口 232，在入口 226a、226b、226c處的入口壓力被減小， 且來自于滿輪增壓器201的更多的排出氣體可從入口 226a、226b、226c轉(zhuǎn)移，W減小壓力比 和減小穿過所有發(fā)電機(jī)203a、203b、203c的氣體的質(zhì)量流速。相似地，通過關(guān)閉旁通閥口 232,在入口 226a、226b、226c處的入口壓力被增大，且來自于滿輪增壓器201的更多的排出 氣體進(jìn)入入口 226曰、2266、226(：，^增加壓力比和增加穿過所有發(fā)電機(jī)203曰、20313、203(3的氣 體的質(zhì)量流速。將被理解的是，旁通閥口 232不能夠獨立地控制特定的滿輪式發(fā)電機(jī)的質(zhì)量 流速和入口壓力。滿輪式發(fā)電機(jī)203a、203b、203c中的每個設(shè)置有相關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器 205a、20化、205c，該相關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器能夠?qū)⒂蓾M輪式發(fā)電機(jī)203a、203b、203c產(chǎn)生的功 率轉(zhuǎn)換為可被引入至公共電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的形式。滿輪式發(fā)電機(jī)203a、203b、203c每個包括滿輪 224曰、2246、224。，滿輪224曰、2246、224。具有入口226曰、22613、226。和出口，所述入口用于接 收來自于發(fā)動機(jī)201的流體，所述出口用于排放流體至周圍環(huán)境(將被注意的是，在圖8中， 所有的出口被接合在一起，并接合至閥口232的出口）。每個滿輪式發(fā)電機(jī)203a、203b、203c 還包括設(shè)置在其相應(yīng)的滿輪224a、224b、224c的輸出軸上的交流發(fā)電機(jī)204a、204b、204c，W 用于將軸輸出功率轉(zhuǎn)換為電功率，且每個交流發(fā)電機(jī)204a、204b、204c通過電連接部連接至 相應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換器205a、205b、205c，該功率轉(zhuǎn)換器205a、205b、205c供應(yīng)電力輸出（如所示） 至公共電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。功率轉(zhuǎn)換器205a、205b、205c可屬于相同的類型，且如圖1的功率轉(zhuǎn)換器5 一樣運行。
[0077] 滿輪式發(fā)電機(jī)203a、203b、203c陣列的運行由控制器240控制，該控制器140被連接 至功率轉(zhuǎn)換器205a、205b、205c中的每個、并連接至閥口 232。每個功率轉(zhuǎn)換器205a、205b、 205c能夠為控制器240提供其相應(yīng)的滿輪224a、224b、224c的當(dāng)前旋轉(zhuǎn)速度的指示，盡管在 一個可替代實施例中，旋轉(zhuǎn)速度替代地由在滿輪224a、224b、224c處的傳感器直接測量?？?制器240能夠通過使得一個(或更多個)功率轉(zhuǎn)換器205a、205b、205c調(diào)節(jié)施加至相應(yīng)的交流 發(fā)電機(jī)204a、204b、204c上的電力負(fù)載而減慢或加速每個滿輪224a、224b、224c的旋轉(zhuǎn)速度。 如同圖1，為了減慢滿輪，電力負(fù)載被增加，為了加速滿輪24,電力負(fù)載被減小。控制器240因 此能夠控制滿輪的旋轉(zhuǎn)速度，其目的將在下文中詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，控制器240能夠 互相獨立地控制每個滿輪的速度?？刂破?40還能夠控制旁通閥口232, W增大或減小穿過 滿輪式發(fā)電機(jī)陣列的排氣的量，因此改變總質(zhì)量流速。
[0078] 如果兩個或更多個滿輪式發(fā)電機(jī)彼此并聯(lián)地放置，如圖7和8的情況，由于管道變 化和制造公差，將可W使得由每個滿輪式電動機(jī)產(chǎn)生的并從每個滿輪式發(fā)電機(jī)輸出的功率 略微不同。每個滿輪式發(fā)電機(jī)被單獨定額定功率，W能夠輸出多達(dá)特定量的功率，而不被損 壞。在參照W上圖7和8中所描述的系統(tǒng)中，可使用旁通閥口控制穿過滿輪式發(fā)電機(jī)陣列的 總質(zhì)量流速。然而，通過使用運樣的閥口，重要的是供應(yīng)至并聯(lián)的滿輪式發(fā)電機(jī)的排氣量不 能使得滿輪式發(fā)電機(jī)中的任何一個超過其獨立的最大額定功率。因此，來自于多個滿輪式 發(fā)電機(jī)的組合的功率輸出將受限于產(chǎn)生最多功率的滿輪式發(fā)電機(jī)(對于給定的來自于發(fā)動 機(jī)的排氣輸出）。換言之，通過將質(zhì)量流速設(shè)定在所準(zhǔn)許的、而不導(dǎo)致滿輪式發(fā)電機(jī)中的一 個(或更多個)超出其額定輸出的最高水平，其它滿輪式發(fā)電機(jī)可能低于其額定輸出而運 行。
[0079] 本實施例意識到，通過獨立地改變并聯(lián)連接的滿輪式發(fā)電機(jī)中的每個的速度，可 W使得其功率輸出相匹配。因此，速度控制可被用于實現(xiàn)平衡跨越所述多個滿輪式發(fā)電機(jī) 的功率輸出，而入口壓力和總體質(zhì)量流速控制(例如經(jīng)由旁通閥口）可被用于實現(xiàn)最大功率 輸出。在原理上，運能夠使得所有滿輪式發(fā)電機(jī)大致在所有的時間里同時W最大功率輸出 運行(受限于發(fā)動機(jī)提供足夠的排出氣體W運行滿輪增壓器和所有滿輪式發(fā)電機(jī)）。如從圖 7和8可見的，控制器140、240能夠通過功率轉(zhuǎn)換器105a、105b、105c、205a、20化、205c獨立地 控制轉(zhuǎn)子速度，和經(jīng)由閥口 132、232控制總體質(zhì)量流速。
[0080] 參照圖9,示出了并聯(lián)放置的兩個滿輪式發(fā)電機(jī)的示例，其中第二滿輪式發(fā)電機(jī) (TG2)由于較高的管道損失而在其入口處具有5Kpa的減少壓力。在圖9的曲線圖中，膨脹比 沿其橫坐標(biāo)軸繪制，功率輸出沿其縱坐標(biāo)軸繪制。針對四個不同的滿輪速度中的每個，膨脹 比和功率之間的關(guān)系被示出。在圖9中，兩個滿輪式發(fā)電機(jī)均W其"理想的"、在第巧日第4發(fā) 動機(jī)速度之間的、15(K)rpm/sqrt.K的被減小的速度運行。在不要求平衡的系統(tǒng)中（即，在滿 輪式發(fā)電機(jī)之間不存在壓力或質(zhì)量流差異），"理想的"速度可W例如是在該速度時，滿輪式 發(fā)電機(jī)W其最高效率運行(選擇1)，或滿輪式發(fā)電機(jī)具有最大功率輸出（選擇2)。在后者的 情況中，可使用參照第一實施例的上述技術(shù)計算理想的速度?？商娲?，理想的速度可被預(yù) 設(shè)定。在本案例中，所選擇的速度在圖9和10中示出，即為1500巧m/sqrt.K。
[0081] 圖9的曲線圖示出，當(dāng)兩個滿輪式發(fā)電機(jī)均W該速度運行時，來自于該兩個滿輪式 發(fā)電機(jī)的總輸出被產(chǎn)生60kW(最大額定）的滿輪式發(fā)電機(jī)限制為僅僅為112kW(組合質(zhì)量流 速為1.63kg/s)。運是基于第一滿輪式發(fā)電機(jī)W膨脹比El運行，及第二滿輪式發(fā)電機(jī)W較低 的膨脹比E2運行。引起滿輪式發(fā)電機(jī)產(chǎn)生不同的功率量的主要原因是穿過每個滿輪的、與 對應(yīng)的滿輪式發(fā)電機(jī)的膨脹比相關(guān)的不同的質(zhì)量流(該原理在上文中參照圖5被討論）。其 它因素包括壓力比(也通過改變轉(zhuǎn)子速度和通過控制旁通閥口而被影響)和效率，效率可W 是轉(zhuǎn)子速度和壓力比的函數(shù)。輸出功率和質(zhì)量流速之間的關(guān)系在上文中參照公式(2)做了 討論。圖10的曲線圖具有沿其橫坐標(biāo)軸繪制的膨脹比和在其縱坐標(biāo)軸上繪制的質(zhì)量流速 (單位為kg/s)?？蒞看出，基于如圖9的相同的發(fā)動機(jī)速度，具有壓縮比El的第一滿輪式發(fā) 動機(jī)(TG 1)具有0.84kg/s的質(zhì)量流速，同時具有膨脹比E2的第二滿輪式發(fā)動機(jī)(TG2)具有 0.79kg/s的質(zhì)量流速。運提供了 1.63kg/s的組合質(zhì)量流速，導(dǎo)致了 112kW的組合功率輸出 (例如基于公式(2))。與圖10相似地，圖11繪制了膨脹比(橫坐標(biāo)軸)與質(zhì)量流(縱坐標(biāo)軸）的 對比關(guān)系。圖11示出，如果第一滿輪式發(fā)電機(jī)(TGl)加速至1640rpm/sqd.K的被減小的速 度，且第二滿輪式發(fā)動機(jī)(TG2)被減慢至1400巧m/sWt.K的被減小的速度，在該情況中，穿 過每個滿輪式發(fā)電機(jī)的質(zhì)量流變得更加相似，其中第一滿輪式發(fā)電機(jī)(TGl)接收0.81kg/s 和第二滿輪式發(fā)電機(jī)(TG2)接收0.82kg/s。將被理解的是，總質(zhì)量流（1.63kg/s)保持為相同 (由于質(zhì)量流、壓力比和轉(zhuǎn)子速度之間的復(fù)雜關(guān)系，大體上可能存在與此值之間的偏差）。如 在圖12(其W與圖9相似的方式描述了膨脹比和功率輸出之間的關(guān)系）中示出，該變化的效 果是使得每個滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出為相似的值。在圖12的情況中，總體質(zhì)量流速也已 被增大，W使的兩個滿輪式發(fā)電機(jī)均W其最大額定功率輸出60kW運行。注意到，由于TGl和 TG2的運行條件的差異，為實現(xiàn)相匹配的功率輸出，TGl和TG2的質(zhì)量流可能不需要是相同 的。
[0082] 參照圖13,通過流程圖示意性地描述了利用了上述原理的控制循環(huán)。在步驟Vl時， 具有最高輸出的滿輪式發(fā)電機(jī)(或更一般性地，具有最接近于其最大額定功率輸出的滿輪 式發(fā)電機(jī)，所述最大額定功率輸出在使用了具有不同的額定功率的滿輪式發(fā)電機(jī)的情況下 可能是不同的)被選擇。該選擇是使用每個滿輪式發(fā)電機(jī)的測量到的輸出功率而做出的，該 測量到的輸出功率來自于與每個滿輪式發(fā)電機(jī)相關(guān)聯(lián)的功率轉(zhuǎn)換器，并在控制器140、240 處可得到。將被理解的是，在一些情況中，一個W上的滿輪式發(fā)電機(jī)可能提供相同的功率輸 出（或距其額定功率有相同的差距），在該情況中，運些滿輪式發(fā)電機(jī)被選擇。然后在步驟V2 時，確定被選擇的滿輪式發(fā)電機(jī)當(dāng)前是否W其最大額定功率運行。否則，則控制循環(huán)返回至 步驟VI，因為既然沒有滿輪式發(fā)電機(jī)在當(dāng)前是總體功率輸出的限制因素，則視為無需平衡 滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出。然而，將被理解的是，可能會使用運樣的運行模式，其中，即使步 驟2被回答為否，滿輪式發(fā)電機(jī)功率輸出依然被平衡一一例如，W使得在增加可用排出氣體 的情況下，排出氣體可被立即輸送至滿輪式發(fā)電機(jī)陣列。
[0083] 在任何情況下，返回至圖13的示例，如果在步驟V2時確定，在步驟Vl時被選擇的一 個或多個滿輪式發(fā)電機(jī)的當(dāng)前功率輸出處于該一個或多個滿輪式發(fā)電機(jī)的最大額定功率， 則在步驟V3時確定所述一個或多個滿輪式發(fā)電機(jī)（中的至少一個）當(dāng)前是否W其最大容許 速度運行。否則，則在步驟V4時增大被選擇的一個或多個滿輪式發(fā)電機(jī)的速度(潛在地達(dá)到 其最大容許運動）。速度可W通過固定的增量增加，或可W被可變地設(shè)定，根據(jù)例如要求增 加速度W均衡滿輪式發(fā)電機(jī)之間的質(zhì)量流一一例如使用查找表。如果在步驟V3時，確定至 少一個被選擇的滿輪式發(fā)電機(jī)當(dāng)前W其最大容許速度運行（因此不能被加速），則在步驟V5 時，未被選擇的滿輪式發(fā)電機(jī)（即，在步驟Vl時被確定為不具有最高功率輸出或不接近于其 最大額定功率的滿輪式發(fā)電機(jī)）的速度被降低。步驟V4或V5中的任何一個將導(dǎo)致減少穿過 被選擇的滿輪式發(fā)電機(jī)的質(zhì)量流速和增加穿過未被選擇的滿輪式發(fā)電機(jī)的質(zhì)量流速。相應(yīng) 地，在步驟V6時，滿輪發(fā)電機(jī)速度變化引起滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出變化，在滿輪式發(fā)電機(jī) 之間有效地轉(zhuǎn)移功率輸出。由此，被選擇的滿輪式發(fā)電機(jī)應(yīng)低于其最大額定功率而輸出功 率，提供超過該輸出功率的余量W接收增加的質(zhì)量流。相應(yīng)地，在步驟V7時，如果可能，總體 質(zhì)量流被增加，因此增加了由滿輪式發(fā)電機(jī)的組合產(chǎn)生的功率總量?？刂蒲h(huán)然后返回至 步驟VI，在運里，滿輪式發(fā)電機(jī)的新的功率輸出水平被測量并被用于遍歷圖13的控制循環(huán) 的下一次迭代。將被理解的是，W其最簡單的方式，可僅僅使用功率輸水平和當(dāng)前滿輪速度 作為輸入而執(zhí)行控制循環(huán)。將被理解的是，可能經(jīng)常是運樣的情況，增加一個或多個最高功 率滿輪式發(fā)電機(jī)的速度可能不足W平衡功率輸出。在該情況中，一旦控制循環(huán)已將一個或 多個最高功率滿輪式發(fā)電機(jī)的速度推至最大水平(潛在地通過控制循環(huán)的多次迭代），步驟 V3將從"否"切換至"是"，然后其它滿輪式發(fā)電機(jī)將被減速。
[0084] -旦使得所有滿輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出相匹配(一起最大的功率），或如果沒有滿 輪式發(fā)電機(jī)W其最大額定功率運行，則控制循環(huán)意于穩(wěn)定（即，達(dá)到運樣的狀態(tài)，在該狀態(tài) 時，其將不增加或降低任何一個滿輪式發(fā)電機(jī)的速度）。因此，當(dāng)發(fā)動起起動時，旁通閥口可 被關(guān)閉W驅(qū)動所有排出氣體穿過滿輪式發(fā)電機(jī)陣列，控制循環(huán)可不執(zhí)行任何操作(在步驟 V2時終止），直至排出氣體達(dá)到運樣的水平，在該水平處，滿輪式發(fā)電機(jī)中的一個達(dá)到其最 大額定功率，或至少接近預(yù)定的功率輸出水平(其被定義為低于滿輪式發(fā)電機(jī)的最大額定 功率的某個差距）。在運個時刻，速度控制步驟V3、V4和V5將相對于其它滿輪式發(fā)電機(jī)增加 最高功率滿輪式發(fā)電機(jī)的速度(使用步驟V4或V5中的任何一個），W平衡滿輪式發(fā)電機(jī)的功 率輸出，W準(zhǔn)許更多的質(zhì)量流(總的）穿過滿輪式發(fā)電機(jī)，從而準(zhǔn)許實現(xiàn)更高的總體功率輸 出。如果滿輪式發(fā)電機(jī)全部(相等地）W最大功率運行，則旁通閥口將被打開W停止質(zhì)量流 速變得更高而使?jié)M輪式發(fā)電機(jī)過載。如果隨后排出氣體壓力下降，旁通閥口將關(guān)閉W補(bǔ)償 并盡可能長時間地保持最大功率。
【主權(quán)項】
1. 一種用于運行渦輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括并聯(lián)設(shè)置的且與氣體流流體連 通的多個渦輪式發(fā)電機(jī)，所述方法包括以下步驟： 識別當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的一個或更多個渦輪式發(fā)電機(jī)；以及 調(diào)節(jié)所述一個或更多個渦輪式發(fā)電機(jī)的速度，以使得所述多個渦輪式發(fā)電機(jī)的功率輸 出成為更加相似的。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，調(diào)節(jié)速度的步驟包括以下中的一個或兩個:增加 被識別的渦輪式發(fā)電機(jī)的速度和降低未被識別為當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的 多個渦輪式發(fā)電機(jī)中的至少一個的速度。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，調(diào)節(jié)速度的步驟包括降低未被識別為當(dāng)前其運行 最接近于其最大功率輸出的多個渦輪式發(fā)電機(jī)中的所有渦輪式發(fā)電機(jī)的速度。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，響應(yīng)于確定被識別的渦輪式發(fā)電機(jī)處于或接近于 其最大功率輸出，實施調(diào)節(jié)速度的步驟。5. 根據(jù)權(quán)利要求2至4中的任一項所述的方法，其中，調(diào)節(jié)速度的步驟通過以下被實施： 如果被識別的渦輪式發(fā)電機(jī)低于預(yù)定速度而運行，則增加所述被識別的渦輪式發(fā)電機(jī)的速 度;如果被識別的渦輪式發(fā)電機(jī)中的一個或更多個未低于預(yù)定速度而運行，則降低未被識 別為當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的多個渦輪式發(fā)電機(jī)中的至少一個的速度。6. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，對渦輪式發(fā)電機(jī)速度的調(diào)節(jié)減小 了被識別的渦輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出。7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，包括在已減小被識別的渦輪式發(fā)電機(jī)的 功率輸出之后，增加穿過多個渦輪式發(fā)電機(jī)的氣體的總流速的步驟。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，增大穿過多個渦輪式發(fā)電機(jī)的氣體的總流速的步 驟連續(xù)進(jìn)行，直到一個或更多個渦輪式發(fā)電機(jī)具有最接近于其最大功率輸出的功率輸出， 或者直到總流速達(dá)到最大水平。9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的方法，其中，總流速的增大由閥門控制。10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述閥門是與所述多個渦輪式發(fā)電機(jī)并聯(lián)布置 的旁通閥門，以及其中，氣體總流速的增加通過關(guān)閉所述旁通閥門以減少穿過所述旁通閥 門的氣體流并因此增加穿過所述多個渦輪式發(fā)電機(jī)的氣體流而實現(xiàn)。11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，所述多個渦輪式發(fā)電機(jī)中的每個 具有相同的最大功率輸出，且識別當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的一個或更多個渦 輪式發(fā)電機(jī)包括識別當(dāng)前具有最高功率輸出的一個或更多個渦輪式發(fā)電機(jī)。12. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，調(diào)節(jié)渦輪式發(fā)電機(jī)的速度的步驟 包括調(diào)節(jié)該渦輪式發(fā)電機(jī)上的負(fù)載。13. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，渦輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)是電動渦輪式 復(fù)合系統(tǒng)，該電動渦輪式復(fù)合系統(tǒng)包括被設(shè)置為與發(fā)動機(jī)流體連通的渦輪增壓器，其中，所 述多個渦輪式發(fā)電機(jī)與所述渦輪增壓器串聯(lián)或并聯(lián)地設(shè)置。14. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，氣體流是來自于發(fā)動機(jī)的排出氣 體流。15. -種禍輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，包括： 多個渦輪式發(fā)電機(jī)，所述多個渦輪式發(fā)電機(jī)并聯(lián)設(shè)置并與氣體流流體連通； 控制器，該控制器是可操作的以識別當(dāng)前其運行最接近于其最大功率輸出的一個或更 多個渦輪式發(fā)電機(jī)，且該控制器是可操作的以調(diào)節(jié)所述一個或更多個渦輪式發(fā)電機(jī)的速度 以降低被識別的渦輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出。16. -種具有指令的計算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)所述指令在計算機(jī)上運行時，使得計算機(jī)執(zhí)行 權(quán)利要求1至14中的任一項所述的方法。17. -種用于運行與氣體流流體連通的渦輪式發(fā)電機(jī)的運行方法，包括以下步驟： 確定穿過所述禍輪式發(fā)電機(jī)的氣體的質(zhì)量流速； 使用被確定的質(zhì)量流速、以及針對最大功率輸出的渦輪速度與質(zhì)量流速之間的第一預(yù) 定關(guān)系，來確定渦輪式發(fā)電機(jī)的這樣的速度：以該速度，所述渦輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出被大 致最大化;以及 基于被確定的速度調(diào)節(jié)禍輪式發(fā)電機(jī)的速度。18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，進(jìn)一步包括以下步驟： 確定渦輪式發(fā)電機(jī)的入口和出口之間的膨脹比； 其中，確定質(zhì)量流速的步驟包括使用被確定的膨脹比、渦輪式發(fā)電機(jī)的當(dāng)前速度以及 質(zhì)量流速、速度與膨脹比之間的第一預(yù)定關(guān)系計算質(zhì)量流速。19. 根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的方法，其中，確定膨脹比的步驟包括測量渦輪式發(fā)電機(jī) 的入口壓力、和基于渦輪式發(fā)電機(jī)的出口壓力及測量到的入口壓力計算膨脹比。20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述出口壓力是被測量的或是被估算的。21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中，確定質(zhì)量流的步驟包括:依據(jù)被確定的膨脹比、 渦輪式發(fā)電機(jī)的當(dāng)前速度以及質(zhì)量流速、速度和膨脹比之間的第二預(yù)定關(guān)系，計算被減小 的質(zhì)量流速；以及基于測量到的渦輪式發(fā)電機(jī)的入口壓力和測量到的或估算到的渦輪式發(fā) 電機(jī)的出口壓力，將所計算的減小的質(zhì)量流速轉(zhuǎn)換為質(zhì)量流速。22. 根據(jù)權(quán)利要求17至21中的任一項所述的方法，其中，所述第一預(yù)定關(guān)系由查找表示 出，所述查找表用于依據(jù)被確定的質(zhì)量流速獲得針對最大功率輸出的速度。23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，計算被減小的質(zhì)量流速的步驟包括基于渦輪式 發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、測量到的或估算到的渦輪式發(fā)電機(jī)入口溫度計算所述渦輪式發(fā)電機(jī)的 當(dāng)前的被減小的速度，和基于所計算的被減小的速度計算被減小的質(zhì)量流速。24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，確定渦輪式發(fā)電機(jī)的將使渦輪式發(fā)電機(jī)的功率 輸出被大致最大化的速度包括:依據(jù)被確定的質(zhì)量流速和第一預(yù)定關(guān)系確定被減小的速 度，和基于測量到的或估算到的渦輪式發(fā)電機(jī)入口溫度將被減小的速度轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)速度。25. 根據(jù)權(quán)利要求17至24中的任一項所述的方法，其中，所述第一預(yù)定關(guān)系得自渦輪式 發(fā)電機(jī)的一個或更多個渦輪特性。26. 根據(jù)權(quán)利要求17至25中的任一項所述的方法，其中，所述第一預(yù)定關(guān)系是基于渦輪 式發(fā)電機(jī)的性能測試數(shù)據(jù)。27. 根據(jù)權(quán)利要求17至26中的任一項所述的方法，其中，調(diào)節(jié)渦輪式發(fā)電機(jī)的速度的步 驟包括調(diào)節(jié)該渦輪式發(fā)電機(jī)上的負(fù)載。28. 根據(jù)權(quán)利要求17至27中的任一項所述的方法，其中，所述渦輪式發(fā)電機(jī)是電動渦輪 式復(fù)合系統(tǒng)的一部分，該電動渦輪式復(fù)合系統(tǒng)包括被設(shè)置為與往復(fù)式發(fā)動機(jī)流體連通的渦 輪增壓器，其中，所述渦輪式發(fā)電機(jī)與所述渦輪增壓器并聯(lián)地設(shè)置。29. 根據(jù)權(quán)利要求17至28中的任一項所述的方法，其中，氣體流是來自于發(fā)動機(jī)的排出 氣體流。30. -種渦輪式發(fā)電機(jī)，被設(shè)置為用于接收氣體流，該渦輪式發(fā)電機(jī)包括： 渦輪，氣體穿過該渦輪以使得渦輪旋轉(zhuǎn)； 功率轉(zhuǎn)換器，用于從渦輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生電功率；以及 控制器，該控制器是可操作的 以確定穿過所述禍輪的氣體的質(zhì)量流速； 使用被確定的質(zhì)量流速、以及針對最大功率輸出的渦輪速度與質(zhì)量流速之間的第一預(yù) 定關(guān)系，來確定這樣的渦輪旋轉(zhuǎn)速度：以該渦輪旋轉(zhuǎn)速度，所述渦輪式發(fā)電機(jī)的功率輸出被 大致最大化;以及 基于被確定的速度調(diào)節(jié)禍輪旋轉(zhuǎn)速度。31. -種具有指令的計算機(jī)可讀介質(zhì)，當(dāng)所述指令在計算機(jī)上運行時，使得計算機(jī)執(zhí)行 權(quán)利要求17至29中的任一項所述的方法。32. 大致如上文參照附圖所描述的一種用于操作所述渦輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方法。33. 如上文參照附圖所描述的一種渦輪式發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。34. 大致如上文參照附圖所描述的一種用于操作所述渦輪式發(fā)電機(jī)的方法。35. 大致如上文參照附圖所描述的一種渦輪式發(fā)電機(jī)。
【文檔編號】F02C6/12GK106030046SQ201580008722
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2015年2月13日
【發(fā)明人】J.麥圭爾, S.西姆科
【申請人】鮑曼電力集團(tuán)有限公司