CN104870781B - 用于发电站的预热*** - Google Patents

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Abstract

用于发电站的预热***(28)包括内燃发动机(1)和冷却***(2)，所述冷却***(2)用于从所述内燃发动机(1)去除过量的热，所述预热***(28)设置有热泵***(281)，所述热泵***(281)被布置用于利用待经由/穿过散热器(21)传递的空气的热能，所述热泵***(281)被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，所述预热***(28)设置有所述热泵***(281)的热交换器(2815)，该热交换器被构造成将热传递到所述内燃发动机(1)。本发明还涉及对应的发电站和用于发电站预热的方法。

Description

用于发电站的预热***
技术领域
本发明涉及预热***。本发明还涉及相应的方法和发电站单元。
背景技术
在用于供电目的尤其是用作峰值负荷资源或应急发电站的电站中，年度使用量可能非常低。这意味着，发电站保持备用状态并且做好准备以在特定的十分短的时间段内(例如，10分钟内)启动。因为发动机需要在启动之前被预热至特定的发动机依赖温度(例如，50℃至55℃)，所以在这些峰值负荷和应急发电站中，发动机在这个预热备用状态下保持恒定。
进行预热的主要目的是，确保功能上彼此一起操作并且暴露于热负荷的发动机中的这些部件处于足够接近发动机在操作时的正常稳定状态温度的温度。因此，因开始燃烧没有使发动机部件的温度改变太多。过高的温度变化可例如造成发动机部件(例如，轴承内，活塞和气缸之间等)之间的这些操作时必须的间隙闭合。为了使预热温度在发动机的正确位置起效，将冷却***用于此目的。当冷却***被设计成从这些相同位置去除过量热时，反过来也非常可用的是预热发动机的关键组件。因此，冷却流体被加热至预热温度并且类似地或近似类似地进行循环，就像当发动机正在运转时那样循环。冷却流体的电加热是执行这个预热的最常见方式。然而，长远来说，在发动机中保持预热温度消耗了大量能量，尤其是，如果外部或环境温度和预热温度之间的温度差大。
发明内容
本发明的目的是提供用于保持发动机预热的有效方式。
本发明的预热***是一种用于发电站的预热***，所述发电站包括内燃发动机和冷却***，所述冷却***用于从处于运转状态时的所述内燃发动机去除过量的热，所述冷却***包括：布置在所述内燃发动机内的冷却流体循环、用于所述内燃发动机的热交换的散热器、将所述冷却流体从所述内燃发动机导向所述散热器的出口流体通道、将所述冷却流体从所述散热器返回到所述内燃发动机的入口流体通道和用于使所述冷却流体循环的流体泵，
所述冷却***设置有当所述内燃发动机处于备用状态时加热所述冷却流体的所述预热***，
所述预热***设置有热泵***，所述热泵***被布置用于利用待经由/穿过所述散热器传递的空气的热能，所述热泵***被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，
所述热泵***还包括热泵单元、低温主回路和高温次回路，其中，热传递介质被布置成在所述低温主回路和所述高温次回路之间被压缩和膨胀，
所述预热***设置有所述热泵***的热交换器，该热交换器被构造成将热传递到所述内燃发动机。
本发明的电站单元是这样一种发电站单元，所述发电站单元包括内燃发动机和冷却***，所述冷却***用于从处于运转状态时的所述内燃发动机去除过量的热，所述冷却***包括：布置在所述内燃发动机内的冷却流体循环、用于所述内燃发动机的热交换的散热器、将所述冷却流体从所述内燃发动机导向所述散热器的出口流体通道、将所述冷却流体从所述散热器返回到所述内燃发动机的入口流体通道和用于使所述冷却流体循环的流体泵，所述冷却***设置有当所述内燃发动机处于备用状态时加热所述冷却流体的预热***，
所述预热***设置有热泵***，所述热泵***被布置用于利用待经由/穿过所述散热器传递的空气的热能，所述热泵***被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，
所述热泵***还包括热泵单元、低温主回路和高温次回路，其中，热传递介质被布置成在所述低温主回路和所述高温次回路之间被压缩和膨胀，
所述预热***设置有所述热泵***的热交换器，该热交换器被构造成将热传递到所述内燃发动机。
本发明的方法是这样一种用于发电站单元预热的方法：
-在冷却***内布置冷却流体循环，所述冷却***包括内燃发动机、用于所述内燃发动机的热交换的散热器、将所述冷却流体从所述内燃发动机导向所述散热器的出口流体通道、将所述冷却流体从所述散热器返回到所述内燃发动机的入口流体通道，其中，操作流体泵以使所述冷却流体循环，
-由当所述内燃发动机处于备用状态时加热所述冷却流体的预热***向所述冷却***提供热，
所述预热***设置有热泵***的热交换器，所述热泵***利用待经由/穿过所述散热器传递的空气的热能，所述热泵***被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，
所述热泵***还包括热泵单元、低温主回路和高温次回路，其中，热传递介质被布置成在所述低温主回路和所述高温次回路之间被压缩和膨胀。
为了显著降低发动机预热能耗，可以非常成本有效的方式使用一种利用待经由/穿过散热器传递的空气的热能的热泵***，其中，所述热泵***被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能。这种解决方案尤其对于只在一年内的短时间间隔内运行的备用、峰值和应急电站具有吸引力。术语“经由/穿过”在这里用于描述实际散热器构造中的可能差异，空气可流过散热器或者它可流经散热器。
另一个优点是在维持发动机经预热的备用状态期间提高能耗方面的效率的***。在某些状况下，热泵***能够提供是它消耗电能量的大约四倍的热能。在非常冷的环境空气的情形下，这个有效因子降低至或接近1:1。然而，在发电站设计阶段，如果这个***对于该特定位置的给定天气而言是经济上可行的，则可十分容易地进行计算。又一个优点是，可以提供能够以有效方式在各种天气下保持预热备用状态的***。
在本说明书中，使用以下的定义。
术语“热交换器”是例如在两个介质(从冷却流体的一个回路到冷却流体的另一个回路)之间进行热交换的设备。在本说明书中，术语“热交换器”包括两个闭合回路：主回路，其具有在热交换器中发热的功能；以及次回路，其具有在热交换器中接收热的功能。在本说明书中，术语“散热器”意指特定类型的热交换装置，其包括发动机的冷却流体的一个闭合回路并且另一个热传递介质是环境空气(开放回路)。散热器具有冷却运转时的发动机的主要功能。一个或一组发动机可存在一个或多个散热器，并且一个散热器可包括一个或多个散热器单元。
根据实施方式，存在一种预热***，其中，热泵***的主回路布置成与待流过散热器的所述冷却流体热连接。存在布置这个热连接的许多方式并且下面的实施方式更详细地公开了这些中的一些。一种可能性是，借助于热泵***的所述主回路和所述冷却流体之间的热交换器来布置热连接。在这个实施方式中，还通过所述热交换器进行散热器中的冷却流体循环，因为热泵***的主回路和制冷剂被布置成在所述热交换器的次回路中循环。因此，热泵***的主回路是所述热交换器的次回路。
另一个实施方式是预热***，其中，所述热泵***的主回路被布置成包括与冷却流体回路分开并且与所述散热器一起定位的散热器型热交换器。
在这个实施方式中，散热器的外壳或框架被构造成还包括另一种散热器型的交换装置，该交换装置包括热泵***的主回路。这个实施方式使得有可能具有用于发热的大表面区域。
根据实施方式，预热***被构造成包括中间流体通道，所述中间流体通道在所述内燃发动机处于备用状态时将所述冷却***构造成至少两个回路：
-散热器回路，其中，所述冷却流体的一部分被构造成在所述热泵***的所述低温主回路的热交换器和所述散热器之间循环；以及
-预热回路，其中，所述冷却流体的一部分被构造成在所述预热回路中的热交换器和所述内燃发动机之间循环。通过这个布置，可在具有截然不同的温度的不同部分中将冷却流体分开。这使得能够高效进行预热能量产生并且可保持不同回路部分中的温度变化低。
另外，根据预热***的实施方式，预热回路中的热交换器被布置成，使得所述热交换器的次回路是所述预热回路并且所述热交换器的主回路是传递回路，所述传递回路被布置成所述热泵***的所述高温次回路中的热交换器的次回路。因此，这些回路布置在多个连续回路中，然后，各回路中的温度可逐渐变化。这个实施方式还使得能够使用一个或多个发电站单元的一个热泵***，其中，一个发电站单元包括至少一个发动机，而且还可包括多个发动机。
根据本发明的一个方面，构造了一种发电站单元，所述发电站单元包括内燃发动机和冷却***，所述冷却***用于从处于运转状态时的所述内燃发动机去除过量的热，所述冷却***包括：布置在所述内燃发动机内的冷却流体循环、用于所述内燃发动机的热交换的散热器、将所述冷却流体从所述内燃发动机导向所述散热器的出口流体通道、将所述冷却流体从所述散热器返回到所述内燃发动机的入口流体通道和用于使所述冷却流体循环的流体泵，所述冷却***设置有当所述内燃发动机处于备用状态时加热所述冷却流体的所述预热***，
所述预热***设置有热泵***，所述热泵***被布置用于利用待经由/穿过散热器传递的空气的热能，所述热泵***被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，
所述热泵***还包括热泵单元、低温主回路和高温次回路，其中，热传递介质被布置成在所述低温主回路和所述高温次回路之间被压缩和膨胀，
所述预热***设置有所述热泵***的热交换器，该热交换器被构造成将热传递到所述内燃发动机。这个发电站单元可被构造成利用已经结合预热***说明的所有实施方式。
另外，它可被布置成，使得存在包括如上说明的至少一个发电站单元的发电站，其中，一个发电站单元包括至少一个发动机，而且还可包括多个发动机。发电站单元还可包括两个或更多个发动机，其中，一个发动机的一个或多个散热器与热泵***一起使用。所述发电站单元可包括一个热泵***，该热泵***利用一个或多个散热器并且向一个或多个发动机的预热回路供电。这些实施方式还使得能够针对任何给定情形选择合适量的预热能力，此外，能够考虑到预热***、发电站和发电站单元的效率。
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于发电站单元预热的方法，其中：
-在冷却***内布置冷却流体循环，所述冷却***包括内燃发动机、用于所述内燃发动机的热交换的散热器、将所述冷却流体从所述内燃发动机导向所述散热器的出口流体通道、将所述冷却流体从所述散热器返回到所述内燃发动机的入口流体通道，其中，操作流体泵以使所述冷却流体循环，
-由当所述内燃发动机处于备用状态时加热所述冷却流体的预热***向所述冷却***提供热，
所述预热***设置有热泵***，所述热泵***利用待经由/穿过散热器传递的空气的热能，所述热泵***将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，
所述热泵***还包括热泵单元、低温主回路和高温次回路，其中，热传递介质被布置成在所述低温主回路和所述高温次回路之间被压缩和膨胀，
所述预热***设置有所述热泵***的热交换器，该热交换器将热传递到所述内燃发动机。
还可应用所述方法，使得针对散热器的环境温度选择性地控制预热***。由于热泵***的实际效率取决于外部空气温度，因此所述方法的优点是选择性地使用这些***。例如，根据所述方法的一个实施方式，在低于预定极限的环境温度下或在诸如恶劣的结冰天气的其它不利天气状况期间，将所述热泵单元选择成不运转。在结冰状况下，散热器可很好地能够从空气中取得能量，但散热器中的结冰可带来不想要的其它结果。因此，选择性地控制***及其部分或子部分的可能性在使用时是有利的。
附图说明
以下，参照附图更详细地公开本发明的一些方面。
图1呈现了发电站单元的示意图。
具体实施方式
在图1中，呈现了发电站单元，该发电站单元包括内燃发动机1和冷却***2，冷却***2用于从处于运转状态时的发动机1去除过量热，冷却***2包括：冷却流体循环(在图1中，连续管路中的大部分代表其中冷却流体被布置成流动的流体通道，箭头代表流动方向)，其布置在发动机内；散热器(或多个散热器)21，其用于发动机1的热交换(散热器21位于发动机机房的外部)；出口流体通道24，其用于将冷却流体从发动机导向散热器；入口流体通道25，其用于使冷却流体从散热器21回到发动机1；以及流体泵26，其用于使冷却流体进行循环，冷却***2设置有当发动机1处于备用状态时加热冷却流体的预热***28，预热***28设置有热泵***281，热泵***281被布置用于利用经由/通过散热器21传递的空气的热能，热泵***281被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，热泵***281还包括热泵单元2810、低温主回路2811和高温次回路2812，其中，热传递介质被布置成在主回路2811和次回路2812之间被压缩和膨胀，预热***28设置有被构造成将热传递到发动机1的热泵***281的热交换器2815。
在预热***28中，热泵***281的主回路2811被布置成与待流过散热器21的所述冷却流体热连接。在图1的实施方式中，通过热泵***281的所述主回路2811和所述冷却流体之间的热交换器2813来布置热连接。因此，冷却流体的部分被布置成在一个散热器21或多个散热器21与热交换器2813之间循环。泵212被设置用于使冷却流体在所述散热器21和热交换器2813之间循环。
另一个实施方式(图1中未示出)是，热泵***的主回路2811被布置成包括与冷却流体回路分开并且与散热器21一起定位的散热器型热交换器。
预热***28或发电站单元还可被构造成，使得它包括中间流体通道27(或多个中间通道27)，中间流体通道27在发动机处于备用状态时将冷却***2构造成至少两个回路，
-散热器回路210，其中，冷却流体的部分被构造成在热泵***281的主回路2811的热交换器2813和散热器21之间循环；以及
-预热回路280，其中，冷却流体的部分被构造成在预热回路280中的热交换器2815和发动机之间循环。
根据图1的实施方式，在预热***28中，预热回路280中的热交换器2815被布置成使得热交换器次回路是预热回路280并且热交换器主回路是传递回路285，传递回路285被布置为热泵***281的次回路2812中的热交换器2814的次回路。传递回路包括泵2850，泵2850用于使流体(最有可能，冷却流体的部分)在传递回路285中循环。预热回路还包括泵2801，泵2801用于在发动机处于备用状态时使冷却流体循环，因此，泵2801独立于发动机1的旋转。预加热回路还可包括热元件2802，热元件2802用于加热冷却流体，例如，以在热泵***能力会不充分时为异常冷天气情形做准备。
发电站包括至少一个发电站单元，其中，一个发电站单元包括至少一个发动机1，但发电站单元还可包括多个发动机1。发电站单元可包括两个或更多个发动机1，其中，一个发动机1的一个散热器21或多个散热器21可与热泵***(一个或多个)281一起使用。另外，发电站单元可包括一个热泵***281，热泵***281利用一个或多个散热器21并且向一个或多个发动机的预热回路280供电。预热***28和热泵***281的这种多重使用被图示为具有通向其它发动机1或发电站单元的入口/出口11。
如本领域的技术人员清楚的，本发明及其实施方式不限于上述实施方式的示例。代表诸如“回路包括泵”的存在的措辞是非限制性的，使得对特性的描述没有排除本申请中没有存在的这种其它特性的存在或者将该存在认为必备的。
附图中的附图标记
1 发动机
2 冷却***
21 散热器
210 散热器回路
212 泵
24 出口流体通道
25 入口流体通道
26 流体泵
27 中间流体通道
28 预热***
280 预热回路
281 热泵***
2810 热泵单元
2811 (低温)主回路
2812 (高温)次回路
2813 (主回路的)热交换器
2814 (次回路的)热交换器
2815 热交换器
285 传递回路
2850 泵

Claims (17)

1.一种发电站的预热***(28)，所述发电站包括内燃发动机(1)和冷却***(2)，所述冷却***(2)用于从处于运转状态时的所述内燃发动机(1)去除过量的热，所述冷却***(2)包括：布置在所述内燃发动机(1)内的冷却流体循环、用于所述内燃发动机(1)的热交换的散热器(21)、将所述冷却流体从所述内燃发动机(1)导向所述散热器(21)的出口流体通道(24)、将所述冷却流体从所述散热器(21)返回到所述内燃发动机(1)的入口流体通道(25)和用于使所述冷却流体循环的流体泵(26)，
所述冷却***(2)设置有当所述内燃发动机(1)处于备用状态时加热所述冷却流体的所述预热***(28)，
所述预热***(28)设置有热泵***(281)，所述热泵***(281)被布置用于利用待经由/穿过所述散热器(21)传递的空气的热能，所述热泵***(281)被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，
-所述热泵***(281)还包括热泵单元(2810)、低温主回路(2811)和高温次回路(2812)，所述低温主回路被布置成与待流过所述散热器(21)的所述冷却流体热连接，其中，热传递介质被布置成在所述低温主回路(2811)和所述高温次回路(2812)之间被压缩和膨胀，
-所述预热***(28)设置有所述热泵***(281)的热交换器(2815)，该热交换器被构造成将热传递到所述内燃发动机(1)。
2.根据权利要求1所述的预热***(28)，其中，所述热连接是借助于所述热泵***(281)的所述低温主回路(2811)和所述冷却流体之间的热交换器(2813)布置的。
3.根据权利要求1所述的预热***(28)，其中，所述热泵***(281)的所述低温主回路(2811)被布置成包括与冷却流体回路分开并且与所述散热器(21)一起定位的散热器型热交换器。
4.根据权利要求1所述的预热***(28)，所述预热***(28)包括中间流体通道(27)，所述中间流体通道(27)在所述内燃发动机(1)处于备用状态时将所述冷却***(2)构造成至少两个回路：
-散热器回路(210)，其中，所述冷却流体的一部分被构造成在所述热泵***(281)的所述低温主回路(2811)的热交换器(2813)和所述散热器(21)之间循环；以及
-预热回路(280)，其中，所述冷却流体的一部分被构造成在所述预热回路(280)中的热交换器(2815)和所述内燃发动机(1)之间循环。
5.根据权利要求4所述预热***(28)，其中，所述预热回路(280)中的所述热交换器(2815)被布置成使得所述热交换器(2815)的次回路是所述预热回路(280)并且所述热交换器(2815)的主回路是传递回路(285)，所述传递回路(285)被布置成所述热泵***(281)的所述高温次回路(2812)中的热交换器(2814)的次回路。
6.一种发电站单元，所述发电站单元包括内燃发动机(1)和冷却***(2)，所述冷却***(2)用于从处于运转状态时的所述内燃发动机(1)去除过量的热，所述冷却***(2)包括：布置在所述内燃发动机(1)内的冷却流体循环、用于所述内燃发动机(1)的热交换的散热器(21)、将所述冷却流体从所述内燃发动机(1)导向所述散热器(21)的出口流体通道(24)、将所述冷却流体从所述散热器(21)返回到所述内燃发动机(1)的入口流体通道(25)和用于使所述冷却流体循环的流体泵(26)，
所述冷却***(2)设置有当所述内燃发动机(1)处于备用状态时加热所述冷却流体的预热***(28)，
所述预热***(28)设置有热泵***(281)，所述热泵***(281)被布置用于利用待经由/穿过所述散热器(21)传递的空气的热能，所述热泵***(281)被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，
所述热泵***(281)还包括热泵单元(2810)、低温主回路(2811)和高温次回路(2812)，所述低温主回路被布置成与待流过所述散热器(21)的所述冷却流体热连接，其中，热传递介质被布置成在所述低温主回路(2811)和所述高温次回路(2812)之间被压缩和膨胀，
所述预热***(28)设置有所述热泵***(281)的热交换器(2815)，该热交换器被构造成将热传递到所述内燃发动机(1)。
7.根据权利要求6所述的发电站单元，其中，所述热连接是借助于所述低温主回路(2811)和所述冷却流体之间的热交换器(2813)布置的。
8.根据权利要求6所述的发电站单元，其中，所述热泵***(281)的所述低温主回路(2811)被布置成包括与冷却流体回路分开并且与所述散热器(21)一起定位的散热器型热交换器。
9.根据权利要求6所述的发电站单元，所述发电站单元包括中间流体通道(27)，所述中间流体通道(27)在所述内燃发动机(1)处于备用状态时将所述冷却***构造成至少两个回路：
-散热器回路(210)，其中，所述冷却流体的一部分被构造成在所述热泵***(281)的所述低温主回路(2811)的热交换器(2813)和所述散热器(21)之间循环；以及
-预热回路(280)，其中，所述冷却流体的一部分被构造成在所述预热回路(280)中的热交换器(2815)和所述内燃发动机(1)之间循环。
10.根据权利要求9所述的发电站单元，其中，所述预热回路中的所述热交换器被布置成使得所述热交换器的次回路是所述预热回路并且所述热交换器的主回路是传递回路，所述传递回路被布置成所述热泵***的所述高温次回路中的热交换器的次回路。
11.根据权利要求6所述的发电站单元，所述发电站单元包括两个或更多个内燃发动机(1)，并且其中，一个内燃发动机(1)的一个散热器(21)或多个散热器(21)与热泵***(281)一起使用。
12.根据权利要求6所述的发电站单元，所述发电站单元包括一个热泵***(281)，所述热泵***(281)利用一个或多个散热器(21)并且向一个或多个内燃发动机(1)的预热回路(280)供电。
13.一种发电站，该发电站包括至少一个根据权利要求6所述的发电站单元，其中，一个发电站单元包括至少一个内燃发动机(1)但还能包括多个内燃发动机(1)。
14.一种用于发电站单元预热的方法：
-在冷却***(2)内布置冷却流体循环，所述冷却***(2)包括内燃发动机(1)、用于所述内燃发动机的热交换的散热器(21)、将所述冷却流体从所述内燃发动机(1)导向所述散热器(21)的出口流体通道(24)、将所述冷却流体从所述散热器(21)返回到所述内燃发动机(1)的入口流体通道(25)，其中，操作流体泵(26)以使所述冷却流体循环，
-由当所述内燃发动机(1)处于备用状态时加热所述冷却流体的预热***(28)向所述冷却***(2)提供热，
所述预热***(28)设置有热泵***(281)的热交换器(2815)，所述热泵***(281)利用待经由/穿过所述散热器(21)传递的空气的热能，所述热泵***(281)被布置成将较低温度空气的热能转换成较高温度冷却流体的热能，
所述热泵***(281)还包括热泵单元(2810)、低温主回路(2811)和高温次回路(2812)，所述低温主回路被布置成与待流过所述散热器(21)的所述冷却流体热连接，其中，热传递介质被布置成在所述低温主回路(2811)和所述高温次回路(2812)之间被压缩和膨胀。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，针对散热器(21)的环境温度，选择性地控制所述预热***(28)。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，在低于预定极限的环境温度下或在其它不利天气状况期间，将所述热泵单元(2810)选择成不运转。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述其它不利天气状况是恶劣的结冰天气。
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