一种闭式循环发电系统的应急能量释放装置的制作方法

本发明属于闭式循环发电技术和发电技术领域，具体涉及一种闭式循环发电系统的应急能量释放装置。

背景技术：

闭式循环发电系统是工质重复参与循环发电的特种涡轮发电技术，与外界只有能量交换，没有物质交换，因而能够应用在深空、深海等没有空气的特种环境条件下，是小型涡轮动力发展的新方向。

闭式循环发电系统组成如图1所示，热源将管道的气体加热直接推动发动机涡轮做功，发动机涡轮做功后的热气通过冷却器降温后进入发动机进气端参与系统循环。发动机带动同轴的发电机发电，通过控制器的控制给用户提供所需电能。

闭式循环发电系统在运行中可能会遇到发动机后端设备故障或控制器主动保护等情况，此时由于前端热源惯性较大，发动机能量持续汇入，短时间无法释放，会导致发动机飞车，造成设备损坏甚至是安全事故。针对此种情况，需在发电机后端设计能量释放回路来保证紧急情况下系统平稳停机，从而保证设备的安全。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种闭式循环发电系统中，紧急情况下作为保护用的系统能量释放装置，用以保证闭式循环发电系统在紧急情况下安全平稳停机，防止由于设备故障或主动保护时导致瞬时能量无处释放造成的设备损坏。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种闭式循环发电系统的应急能量释放装置，包括：包括负载箱l1、交流接触器km1、ups电源、急停开关k1、中间继电器ka1、ka2，24v电源v1、频率检测单元jq1以及相关连接电缆；能量释放装置与闭式循环发电系统的发电机、控制器组成能量释放回路；其中：

所述负载箱l1作为能量释放载体，用于吸收发电机前端持续汇入的能量；

所述交流接触器km1用于作为控制负载箱l1切入的主开关；

所述ups电源用于给交流接触器km1的供电线圈、频率检测单元jq1、负载箱l1的散热风扇提供电源；

所述急停开关k1为人工手动急停操作按钮，用于使中间继电器ka1、ka2闭合，实现能量释放回路的切入控制；

所述中间继电器ka1、ka2并联，用于通过24v电源v1控制交流接触器km1的通断；

所述24v电源v1用于为中间继电器ka1、ka2提供吸合的电源；

所述频率检测单元jq1：用于检测发电机的输出电压频率，判断转速是否超过限制值，如果超过限制值则动作，使中间继电器ka1、ka2闭合，控制能量释放回路切入，否则不动作。

优选地，所述交流接触器km1的供电线圈采用自锁设计。

优选地，所述交流接触器km1的一对常开触点分别连接供电线圈l和ups电源的火线，当交流接触器km1的供电线圈得电后吸合，则该对常开触点闭合，此时，交流接触器km1的供电线圈将持续得电，直至ups电源断电。

优选地，所述装置中，在闭式循环发电系统正常工作时，交流接触器km1处于断开状态，闭式循环发电系统中的发电机的三相电进入闭式循环发电系统中的控制器完成正常的发电功能，能量释放装置处于待机状态。

优选地，所述装置还包括声光报警器q1、电池b1，所述声光报警器q1用于提示能量释放回路切入；所述电池b1用于给声光报警器q1供电。

优选地，所述装置集成安装在标准机柜内部，对外接口全采用快速插拔接头接，底部具有万向轮。

本发明又提供了一种所述的能量释放装置的工作方法，所述能量释放装置启动分为三种工况：

第一种工况，当所述控制器发生故障或者自主保护停机时，控制器动作，使能量释放装置内的中间继电器ka1、ka2闭合，交流接触器km1的供电线圈得电，交流接触器km1闭合，将发电机的能量旁路到负载箱l1，能量旁路完成；

第二种工况，若所述控制器动作异常导致交流接触器km1未及时切入，发电机转速持续上升，此时频率检测单元jq1通过检测输出电能的电频率，当超过规定的转速保护限制时，频率检测单元jq1动作，使中间继电器ka1、ka2闭合，交流接触器km1的供电线圈得电，交流接触器km1闭合，将发电机的能量旁路到负载箱l1，能量旁路完成；

第三种工况，通过人工操作急停开关k1闭合，使能量释放装置内的中间继电器ka1、ka2闭合，交流接触器km1的供电线圈得电，交流接触器km1闭合将发电机能量旁路到负载箱l1，能量旁路完成。

上述三种工况中，第一种工况和第二种工况为自动启动，第三种工况为人工操作，第一种工况不起作用时第二种工况才会启动。

优选地，所述交流接触器km1闭合的同时，通过交流接触器km1常开触点的闭合使得声光报警器q1和负载箱l1的散热风扇供电回路闭合，声光报警器q1启动，提示系统进入能量释放状态，且负载箱l1的散热风扇启动，实现负载散热。

优选地，所述闭式循环发电系统上电初始，通过闭合急停开关k1完成系统的功能自检。

本发明还提供了一种所述的能量释放装置在30kw闭式循环发电系统中的应用。

(三)有益效果

使用本发明的装置可以可靠保证闭式循环发电系统在后端控制器等设备出现故障或者主动保护后，前端持续汇入的能量得以释放，有效防止发动机等关键部件因为能量过大而造成飞车事故，避免了关键设备的损坏造成巨大的经济损失和进度延迟。

附图说明

图1为现有闭式循环发电系统组成图；

图2为利用本发明的能量释放装置组成的能量释放回路组成图；

图3为某型30kw闭式循环发电系统组成图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明的一种闭式循环发电系统的应急能量释放装置，可以在故障发生后实现快速切入。

能量释放装置的组成如图2所示，包括负载箱l1、交流接触器km1、ups电源、急停开关k1、中间继电器ka1、ka2，声光报警器q1、电池b1、24v电源v1、频率检测单元jq1以及相关连接电缆；能量释放装置与闭式循环发电系统的发电机、控制器组成能量释放回路；其中：

负载箱l1：作为能量释放载体，用于吸收发电机前端持续汇入的能量；其可以吸收最大工况下发电机前端汇入的能量，并能够根据需求调节负载的大小；其有效能量载体可以是功率电阻，也可是其他吸收功率可以随着交流电压正比变化的储能设备；

交流接触器km1：用于作为控制负载箱l1切入的主开关；

ups电源：用于给交流接触器km1的供电线圈、频率检测单元jq1、负载箱l1的散热风扇提供可靠的电源；

急停开关k1：为人工手动急停操作按钮，用于使中间继电器ka1、ka2闭合，实现能量释放回路的切入控制；

中间继电器ka1、ka2：用于通过24v电源v1控制交流接触器km1的通断；

声光报警器q1：用于提示能量释放回路切入；

电池b1：用于给声光报警器q1供电；

24v电源v1：用于为中间继电器ka1、ka2提供吸合的电源；

频率检测单元jq1：用于检测发电机的输出电压频率，判断转速是否超过限制值，如果超过限制值则动作，使中间继电器ka1、ka2闭合，控制能量释放回路切入，否则不动作。

该装置集成安装在标准机柜内部，对外接口全采用快速插拔接头，方便连接；底部具有万向轮，方便移动和运输。

本发明所述的能量释放装置，工作原理如下：

如图2所示，平时ups电源不工作，在进行闭式循环发电系统试验时打开ups电源。

闭式循环发电系统正常工作时，交流接触器km1处于断开状态，闭式循环发电系统中的发电机的三相电进入闭式循环发电系统中的控制器完成正常的发电功能，能量释放装置处于待机状态；

能量释放装置启动分为三种工况：

第一种工况，当所述控制器发生故障或者自主保护停机时，控制器动作，使能量释放装置内的中间继电器ka1、ka2闭合，交流接触器km1的供电线圈得电，交流接触器km1闭合，将发电机的能量旁路到负载箱l1，能量旁路完成；

第二种工况，若所述控制器动作异常导致交流接触器km1未及时切入，发电机转速将会持续上升，此时频率检测单元jq1通过检测输出电能的电频率(和转速成正比)，当超过规定的转速保护限制时，频率检测单元jq1动作，使中间继电器ka1、ka2闭合，交流接触器km1的供电线圈得电，交流接触器km1闭合，将发电机的能量旁路到负载箱l1，能量旁路完成；

第三种工况，通过人工操作急停开关k1闭合，使能量释放装置内的中间继电器ka1、ka2闭合，交流接触器km1的供电线圈得电，交流接触器km1闭合将发电机能量旁路到负载箱l1，能量旁路完成。

上述三种工况中，第一种工况和第二种工况为自动启动，第三种工况为人工操作，第一种工况不起作用时第二种工况才会启动。

且交流接触器km1闭合的同时，通过交流接触器km1常开触点的闭合使得声光报警器q1和负载箱l1的散热风扇供电回路闭合，声光报警器q1启动，提示系统进入能量释放状态，且负载箱l1的散热风扇启动，保证负载散热。

其中，中间继电器ka1、ka2并联，双余度设计提高可靠性。考虑到一旦能量释放回路启动将持续工作至系统停止运行，故交流接触器km1的供电线圈采用自锁设计，即引入交流接触器km1的一对常开触点分别连接供电线圈l和ups电源的火线，当交流接触器km1的供电线圈得电后吸合，则该对常开触点闭合，此时，交流接触器km1的供电线圈将持续得电(不再受前端ka1、ka2等触发电路的影响)，直至ups电源断电。

系统上电初始，可以通过闭合急停开关k1完成系统基本的功能自检。

本发明的装置中，相关控制电路具备多余度设计，可以通过控制器故障继电器节点自动控制，也可以通过频率检测单元自动控制，还可以通过人工手动急停开关控制；其中的频率检测单元通过检测发电机输出电频率，实现转速检测和判断，完成硬件的超转自动保护；相关控制策略和元器件响应迅速，能够实现故障发生40ms以内的快速切入。

以下举例说明。

某型30kw闭式循环发电系统(组成结构如图3所示)中，未加入能量释放装置时，试验过程中出现电网断电的故障，控制器报错停机，发电机前端能量持续汇入，导致发动机飞车，造成发动机和发电机连接轴断裂，前端热气倒灌，造成发动机内部叶片等组件烧蚀，同时控制器内部由于电压过高造成功率器件和电路损坏，关键部件损坏严重，造成较大损失。

后续加装本发明能量释放装置，能量释放装置的负载容量调整为最大吸收功率30kw，负载箱能量载体为波纹电阻。实现过程如下：

1、试验开始前，连接好相关电缆，打开ups电源；

2、通过人工急停按钮开关操作进行功能自检，自检正常后开始试验；

3、在最大发电工况时，模拟控制器发生故障停机；

4、声光报警器工作，提示能量释放装置同步启动，发动机转速瞬间略有下降；

5、试验人员停止热源，发动机转速平稳缓缓下落，约130min后发动机停机；

6、关闭系统(包括能量释放装置)供电，系统完成平稳安全停机。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。