CN101027468A - 组合式兰金与蒸汽压缩循环 - Google Patents

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Abstract

一种组合式有机兰金与蒸汽压缩循环的蒸发器(14)冷却燃气轮机进口空气，而该循环的锅炉(17)接收来自涡轮机废气的热量。共用冷凝器(71)可以用于兰金、蒸汽压缩循环中，兰金循环涡轮发电机(21)可以用于向马达(16)供应电力从而驱动蒸汽循环的压缩机(11)。

Description

组合式兰金与蒸汽压缩循环
技术领域和背景技术
本发明整体涉及一种有机兰金循环系统，尤其涉及一种经济、实用的方法及用于该方法的设备。
众所周知的闭合兰金循环包括用于蒸发运动流体的锅炉或蒸发器，充满来自锅炉的蒸汽用于驱动发电机或其它负载的涡轮机，用于冷凝来自涡轮机的排出蒸汽的冷凝器以及用于使得所冷凝流体再循环至锅炉的装置如泵。专利U.S.Patent 3,393,515中对这种系统进行了示出与描述。
这种兰金循环系统通常用于发电，所发的电被供向电力分配系统或输电网以便用于全国各地的居住或商业用电。在这种系统中使用的运动流体通常是水，然后通过蒸汽驱动涡轮机。通向锅炉的热源可以是任何形式的矿物燃料如油、煤、天然气或核能。这种系统中的涡轮机设计成以较高压力和高温度运行，并且在其制造与使用中成本较高。
由于能源危机的出现及需要保存并更有效地使用我们的可用能源，所以就使用兰金循环系统来捕捉所谓的“废热”，否则这种废热会损失于大气中，这样由于需要多于必要的燃料用于电力生产就间接有害于环境。
一个常见的废热源可以发现于填埋物，甲烷气体在填埋物中扩展开从而造成全球变暖。为了防止甲烷气体进入环境从而造成全球变暖，一种方法就是利用所谓“火焰”来燃烧气体。尽管甲烷的燃烧物(CO2和H2O)对环境危害较小，但是它极大地浪费了可以另外使用的能源。
另一种方法就是通过在柴油机中或在较小的燃气轮机或微型涡轮机中燃烧甲烷气体来驱动发电机而有效利用甲烷气体，其中电力随后直接应用于用电设备或者返回输电网。由于使用柴油机或微型涡轮机，所以首先就必须通过过滤等等方法来清洁甲烷气体，并且柴油机需要相当大的有关维修保养。另外，这些方法中每一个都仍然会有大量能量通过废气传到大气中。
其它可能的目前排放至环境中的废热源为地热源与来自其它类型发动机的热量，这些发动机例如在其废气中发出大量热的燃气轮机与在其废气中与为冷却液体如水和润滑剂发出热量的往复式发动机。
在燃气轮机的工作中，常见的经验使用空气调节系统来冷却传到燃气轮机的入口空气以便在较温暖的环境条件期间提高其效率。还已知使用来自燃气轮机的废气的热量来对用于热水供暖的水进行加热。然而，在热环境条件期间，用于热水供暖的需求就受到限制，而在那些条件下电力需求常常会增加。
因此，本发明的一个目的在于提供一种可以更有效利用废热的新型、改进式闭合兰金循环发电设备。
本发明的另一个目的在于提供一种在制造与使用中经济、有效的兰金循环涡轮机。
本发明的另一个目的在于提供更有效地利用废热的次级来源。
本发明的又一个目的在于提供一种可以按照较低温度与压力进行操作的兰金循系统。
本发明的另一个目的在于提供更有效地产生与利用燃气轮机能量。
本发明的又一个目的在于提供一种在使用中经济、实用的兰金循环系统。
通过参考结合附图所进行的以下描述，本发明的这些目的及其它特征与优点会变得更加清楚。
发明内容
简要地说，根据本发明的一个方面，在反向流动关系中使用离心式压缩机从而使其在闭合有机兰金循环(ORC)系统中起到涡轮机的作用，其中该离心式压缩机设计用于压缩致冷剂以便进行空气调节。按照这种方式，使用成本较低的现有硬件系统来有效满足有机兰金循环涡轮机有效利用废热的需求。
根据本发明的另一个方面，当用于反向流动设置中时，具有叶片式扩散器的离心式压缩机就有效地用作带有导流喷嘴的发电涡轮机。
根据本发明的又一个方面，带有管式扩散器的离心式压缩机在反向流动关系中操作时被用作涡轮机，其中单个管口用作喷嘴。
根据本发明的另一个方面，压缩机/涡轮机使用有机致冷剂作为运动流体，其中致冷剂选择成在用作压缩机时使其工作温度处于压缩机/涡轮机的工作范围内。
根据本发明的另一个方面，将来自涡轮机废气的可用废热用于驱动有机兰金循环涡轮机从而产生部分地用于驱动蒸汽压缩循环机如离心式冷却器的动力，以便将燃气轮机的进口温度冷却下来从而增加其效率与容量。
根据本发明的又一个目的，  兰金循环系统与蒸汽压缩循环系统使用共用冷凝器。
仍根据本发明的另一个目的，共用轴用于兰金循环系统的涡轮发电机和蒸汽压缩循环系统压缩机，因此就不需要压缩机马达，从而减小了发电机尺寸并且不再需要分离式压缩组件。
在下文所述的附图中，对优选实施例进行了描述；然而：在不背离本发明的精神实质及范围的情况下，对本发明可以采用多种其它变型与替代构造。
附图说明
图1为根据现有技术的蒸汽压缩循环的示意性图示。
图2为根据现有技术的兰金循环系统的示意性图示。
图3为根据现有技术的离心式压缩机的剖视图。
图4为根据本发明优选实施例中压缩机/涡轮机的剖视图。
图5为根据现有技术的扩散结构的透视图。
图6为根据本发明优选实施例的喷嘴结构的示意性图示。
图7A和7B分别为用于现有技术和用于本发明的涡轮机喷嘴设置的半径比R2/R1(外侧/内侧)的示意性图示。
图8为在根据本发明优选实施例的压缩机/涡轮机中使用时两种运动流体的温度与压力关系的图解说明。
图9为根据本发明优选实施例的兰金循环系统及其各种部件的透视图。
图10为根据现有技术的空气调节装置应用的示意性图示。
图11为根据本发明优选实施例的兰金循环/蒸汽压缩系统组合的示意性图示。
图12为其兰金循环系统部分的示意性图示。
图13为根据本发明优选实施例的带有共用冷凝器的组合式系统的示意性图示。
图14为根据本发明优选实施例的带有共用驱动轴的组合的示意性图示。
具体实施方式
现在参看图1，示出典型蒸汽压缩循环，其包括处于串联流动关系的压缩机11、冷凝器12、节流阀13以及蒸发器/冷却器14。在这个周期内使得致冷剂如R-11、R-22或R-134a沿着由箭头所示的逆时针方向流过系统。
由马达16所驱动的压缩机11接收来自蒸发器/冷却器14的致冷剂蒸汽并将其压缩至较高温度与压力，较热的蒸汽随后传到冷凝器12，所述蒸汽在冷凝器12中利用与冷却介质如空气或水的热交换关系而被冷却并凝结成液体状态。液体致冷剂随后从冷凝器传到节流阀，其中在传到蒸发器/冷却器14时致冷剂扩展为低温、两相液体/蒸汽状态。蒸发的液体为穿过蒸发器/冷却器的空气或水提供了冷却效果。随后低压蒸汽传到压缩机11，在此处再次开始循环。
根据空气调节系统的尺寸情况，压缩机可以是用于小型系统的旋转式、螺杆式或往复式压缩机，或者用于较大系统的螺杆式压缩机或离心式压缩机。典型的离心式压缩机包括用于将致冷剂蒸汽加速至高速度的叶轮、用于将致冷剂减速至低速度并将动能转化成压能的扩散器以及蜗壳或集流器形式的用于收集排出蒸汽以便随后流入冷凝器的排出压力通风系统。驱动马达16通常为电动马达，其密封于压缩机11的另一端并且通过传动装置26进行操作以使得高速轴转动。
如图2所示的典型兰金循环系统还包括分别按照与上文中所述的蒸汽压缩循环相同方式来接收与扩散热量的蒸发器/冷却器17和冷凝器18。然而，将会看出，系统内流体流的方向与蒸汽压缩循环中相应方向相反，压缩机11由涡轮机19代替，涡轮机19不是由马达16驱动而是由系统中的运动流体驱动，涡轮机19又驱动发电机21发电。
在工作中，蒸发器通常为具有大量热输入的锅炉，该蒸发器使得通常为水但也可能为致冷剂的运动流体蒸发，蒸汽随后传到涡轮机以便为其提供原动力。在离开涡轮机时，低压力蒸汽传到冷凝器18，其在冷凝器18中利用与冷却介质的热交换关系而被冷凝。冷凝液体随后通过所示的泵 2而循环至蒸发器/锅炉从而完成这个循环。
现在参看图3，所示的典型离心式压缩机包括电驱动马达24，其操作连接于传动装置26上以便驱动叶轮27。油泵28提供通过传动装置26的油循环。利用叶轮27的高速转动，使得致冷剂通过进口导向叶片31流入进口29、通过叶轮27、通过扩散器32至集流器33，其中排放蒸汽在集流器33中被收集以便流入上文中所述的冷凝器。
在图4中，图3中所示的同一设备应用来起到径向内流式涡轮机而不是离心式压缩机的作用。同样，运动流体被引入已被设计成集流器33的进入室34。随后，其沿径向向内穿过在离心式压缩机中用作扩散器的同一结构的喷嘴36。随后，运动流体冲击叶轮27从而使其转动。于是，叶轮通过传动装置26来驱动与在离心式压缩机的情况下用作马达的装置为同一结构的发电机24。在穿过叶轮27之后，低压力气体穿过进口导向叶片31通往出口37。按照这种模式操作，优选地进口导向叶片31运动至全开位置或者被从设备中完全去除。
在如上文中所述的离心式压缩机的应用中，扩散器32可以是各种类型中的任意一种，包括有叶式或无叶式扩散器。一种已知类型的有叶式扩散器通称管式扩散器，如转让给本发明受让人的专利U.S.Patent No.5,145,317中所示与描述。这种扩散器在图5中在38处表示，其沿圆周方向围绕着叶轮27。在此，后掠式叶轮27按照如所示的顺时针方向转动，而高压致冷剂如箭头所示地沿径向向外流过扩散器38。扩散器38具有多个其间带有锥形通道41的沿圆周方向隔开的锥形段或楔形物39。于是，受压缩的致冷剂就如所示地沿径向向外穿过锥形通道41。
在如图6中所示的离心式压缩机起涡轮机作用的应用中，叶轮27就按照如所示的逆时针方向转动，叶轮27由如箭头所示地沿径向向内流过锥形通道41的运动流体来驱动。
这样，在离心式压缩机中用作扩散器38的同一结构在涡轮机应用中被用作喷嘴或喷嘴的收集装置。另外，这种喷嘴设置结构提供了与现有技术喷嘴设置结构相比的优点。为了考虑其与现有技术喷嘴设置结构相比的差异与优点，所以参看图7A和7B。
现在参看图7A，其示出了相对于中心配置式叶轮42的现有技术的喷嘴设置结构，该中心配置式叶轮42接收来自多个沿圆周方向配置的喷嘴元件43的运动流体。喷嘴43的半径范围由所示的内半径R1和外半径R2限定。将会看出，单个喷嘴元件43较短，并且其横截面积从外半径R2至内半径R1快速变窄。另外，喷嘴元件在其压力面44和其负压面46上基本弯曲，从而使得如箭头所示流过它们的气体基本转向。
上述喷嘴设置结构的优点在于总体机械尺寸较小。基本由于这个原因，若不是全部也是主要由于这个原因，所以用于涡轮机应用的喷嘴设计为这种设计。然而，这种设计存在一些缺点。例如，喷嘴效率受到喷嘴转向损失影响，并且受到出口流不均匀的影响。这些损失被认为较小，并且由于较小尺寸机构所获得的收益因而值得。当然，将会认识到，由于流将会因高转向率与快速减速而分离，所以这种类型的喷嘴不能反向以便使其通过使流动方向反向而用作扩散器。
现在参看图7B，其示出了本发明的喷嘴设置结构，其中叶轮42在圆周方向上由多个喷嘴元件47所围绕。将会看出，这些喷嘴元件通常长、窄且直。压力面48和负压面49为线性从而提供较长且较缓慢的收敛流道51。它们包括在通道51的边界内成优选地小于9度的锥角∝，将会看出，由虚线所示的这些圆锥中心线为直线。由于喷嘴元件47较长，所以R2/R1之比大于1.25，优选地处于1.4的范围内。
由于R2/R1之比较大，所以总体机械尺寸与图7A的常规型喷嘴设置结构相比适度增加(即在15％的范围中)。另外，由于通道51较长，所以摩擦力损失大于图7A的常规型喷嘴的摩擦力损失。然而，这种设计还存在一些性能优点。例如，由于没有转向损失或出口流不均匀现象，所以即使考虑到上述摩擦力损失，这种喷嘴效率与常规型喷嘴设置结构相比也得到显著增加。这种效率的增加在2％的范围内。另外，由于这种设计基于扩散器设计，所以这种类型的喷嘴可以在反向流动方向中使用以便用作扩散器，从而使得同一硬件可以用于涡轮机和压缩机两种目的，这已在上面进行描述并将在下文中对此进行更详细地描述。
如果同一设备在用于离心式压缩机应用时也用于有机兰金循环涡轮机应用，申请人认识到就必须使用不同的致冷剂。就是说，如果已知的离心式压缩机致冷剂R-134a用于有机兰金循环涡轮机应用中，则压力就会变得过量。就是说，在离心式压缩机中使用R-134a作为致冷剂，压力范围将在50与180psi之间，如果同一致冷剂如本发明所提出地用于涡轮机应用中，压力将会上升至大约500psi，这就超出压缩机的最大设计压力。为此，申请人必须发现另一种可以用于涡轮机应用的致冷剂。因此，申请人发现在应用于涡轮机应用时，致冷剂R-245fa将会在如图8的曲线图所示的40-180psi之间的压力范围中运行。这个范围对于在设计用于离心式压缩机应用的硬件中使用也可以接受。另外，用于这种使用R-245fa的涡轮机系统的温度范围处于100-200的范围中，这对于在设计用于在40-110的范围内温度进行操作的离心式压缩机的硬件系统也可以接受。因此在图8中将会看出，当使用R-245fa时，设计用于R-134a的空气调节设备可以用于有机兰金循环发电应用中。另外，已经发现，由于现有压缩机的额外安全裕度，所以同一设备可以在较高温度与压力范围中(例如：图8中用虚线示出270°和300psia)安全、有效地使用。
已经对本发明的涡轮机部分进行了讨论，现在我们将考虑能与涡轮机一起使用的相关系统部件。参看图9，上文中所讨论的涡轮机在52处表示为ORC涡轮机/发电机，其作为按照如上文中所述的反向方式进行操作的Carrier 19XR2离心式压缩机可以从市场上买到。系统的锅炉或蒸发器部分在53处表示，其用于提供通往涡轮机/发电机52的较高压力、高温度的R-245fa致冷剂蒸汽。根据本发明的一个实施例，这种锅炉/蒸发器可以通过可从Carrier Limited Korea买到的商品名称为16JB的蒸汽发生机来提供。
用于锅炉/蒸发器53的能量源在54处表示，可以是任何形式的通常可能损失于大气中的废热。例如，其可以是小型燃气轮机如CapstoneC60，通常称作微型涡轮机，热量来源于微型涡轮机的废气。其还可以是较大的燃气涡轮机，例如Pratt & Whitney FT8固定式燃气轮机。废热的另一种实用源来自内燃机，例如大型往复式柴油机，它们用于驱动大型发电机并且在这个过程中产生大量的热量，这些热量通过废气与在散热器和/或润滑系统内循环的冷却液排出。另外，能量可以源于用于涡轮增压中间冷却器的热交换器，其中引入的压缩燃烧空气被冷却以便获得更好的效率与较大容积。
最后，用于锅炉的热能可以来自于地热源或来自于垃圾燃烧废气。在这些情况下，将燃烧气体直接应用于锅炉以便产生致冷剂蒸汽，或者通过首先使用那些资源气体而间接应用于驱动发动机，该发动机又发出可以按照上文所述方式使用的热量。
在致冷剂蒸汽穿过涡轮机52之后，其传到冷凝器56，用于将蒸汽冷凝回液体，随后通过泵57而该液体抽吸至锅炉/蒸发器53。冷凝器56可以是任何一种众所周知的类型。已经发现适用于这种应用的一种类型是可以从Carrier Corporation买到的型号为09DK094的空气冷却冷凝器。已经发现适用的泵57为从市场上可买到的SundyneP2CZS。
现在参看图10，其示出了离心式冷却器为增加其效率而用于冷却燃气涡轮机进口空气的现有技术的应用情况。就是说，该系统按照常规方式进行操作以便使得致冷剂从马达驱动压缩机11至冷凝器12，节流阀13和蒸发器冷却器14连续循环。空气受到冷却而不是被循环至待冷却的建筑物，所述空气被传到燃气涡轮机的进口，从而扭转其动力输出。这样是由于两个原因。第一，热力循环的效率通过进口气体的下部进口温度而增加。第二，由于进口空气的较低温度增加了其密度，并且由于燃气涡轮压缩机基本上由流动装置启动，所以通过压缩机的质量流量就增加。由于因按照这种方式使用空气调节器而导致的动力输出增加大于用于操作空气调节器所需的动力，所以这种应用可能经济可行。当该系统与根据本发明的兰金循环系统结合使用时其变得更可行。现在将参看图11对此进行描述。
与上文中所述的系统一致，由箭头58所示的周围空气进入空气调节器59，随后被冷却的空气作为由箭头62所示的进口空气进入燃气轮机61。随后，由燃气轮机所产生的电力沿着虚线63传到输电网64。来自燃气轮机61的废气通常温度大约为700，这些废气通常被排放至大气中。根据本发明，废气沿着线66传递以便驱动有机兰金循环系统的涡轮机19，如图11和12所示。涡轮机19又驱动发电机21，于是电力分别通过虚线68和69而传到空气调节器59和输电网64。来自燃气轮机61废气的由ORC系统65所产生的动力估计比用于在执行燃气轮机进口冷却时操作空气调节器59所需的动力大4-6倍(根据燃气轮机的废气温度与质量流量情况而定)。因此，额外的电力可以沿着线69而经过输电网64。
现在参看图13，其示出了图10的空气调节系统与图12的兰金循环系统的一种组合。然而，不是分别提供相应的冷凝器12和18，而是提供单独共用冷凝器71来在两个系统的每一个中执行冷凝功能。利用这种组合式系统，当然其必须具有从压缩机11和涡轮机19传到冷凝器71的相同介质。已经发现致冷剂R-245a适用于这种目的。因此，上文中所述的兰金循环系统，通过扩散器在反向方式中用作喷嘴并且利用R-245a作为致冷剂，从而使得致冷剂通过如图13所示的系统循环，其中致冷剂将会利用来自燃气轮机废气的热量而在锅炉中被加热至225的温度。在通过涡轮机19之后，致冷剂的温度将会在被传到冷凝器71之前减少至140，其后致冷剂的温度在被传到待加热的锅炉之前将会为大约100。
蒸汽压缩循环将会不同于上文中所述情况，其中高压系统如所述地使用R-134a作为致冷剂。在此，必须使用带有R-245a致冷剂的较低压力系统。用于这种目的的适用的蒸汽压缩系统将会基于低压冷却器设计，例如R-11、R-123或R-124。在这种使用R-245a的蒸汽压缩系统中，致冷剂穿过该循环时的温度如图13中所示。这样，来自冷凝器71的冷凝致冷剂大约会为100，在穿过节流阀13后将会为40并且为约85％的液体与15％的蒸汽的蒸汽/液体混合物形式。在穿过蒸发器14之后，致冷剂仍将会是40，但将完全以蒸汽状态传到压缩机11。于是，传到冷凝器71的致冷剂的温度大约为125。
在这种组合式系统中，冷凝器71需要略微大于在兰金循环系统中所使用的冷凝器18，如图12所示。然而，尺寸略微增加的缺点将会让位于由于去除了在蒸汽压缩循环中所需要的冷凝器12而在成本与空间方面所产生的优点。
除去冷凝器，现在组合式系统可以被进一步除去压缩机11的驱动马达，如图14所示。另外，涡轮机19通过轴72来驱动发电机21，于是轴72为延伸通过发电机21另一端的共用轴以便驱动压缩机11。这可以用于涡轮机与发电机之间，或者发电机与压缩机之间。然而，如果适当选择这些部件，那么直接驱动结构设置也可行。例如，400KWel的微型涡轮机会产生720KWth的废热，当这些热量由本发明的有机兰金循环系统所捕获时将会产生附加的80KWel净值。用于冷却进入400KWel微型涡轮机的周围空气所需的冷却量为20吨致冷剂(＝70KWth)从而需要压缩机带有15KWel马达。考虑到较大压头或流量的涡轮机与较小压头/流量压缩机的特定速度，就容许在共用轴上的同一空间进行操作。
尽管已经参考如附图中所示的优选、替代实施例对本发明进行了特别示出与描述，但本发明所属领域的普通技术人员应该理解：在不背离如权利要求书所确定的本发明的精神实质及范围的情况下，对本发明可以在细节方面作出多种变动。

Claims (16)

1.一种兰金循环涡轮发电系统与空气调节器的组合，包括：
兰金循环系统，其包括锅炉、用于驱动发电机的涡轮机、冷凝器与泵，其中所述锅炉被来自燃气轮机的废气所加热；以及
蒸汽压缩系统，其包括蒸发器、马达驱动压缩机、冷凝器和节流阀，其中所述蒸发器适于冷却流向所述燃气轮机的进口空气。
2.根据权利要求1所述的组合，其中所述压缩机驱动马达接收其完全来自涡轮发电机的电力。
3.根据权利要求1所述的组合，其中在所述兰金循环系统中的所述冷凝器与所述蒸汽压缩系统的所述冷凝器共用。
4.根据权利要求3所述的组合，其中在兰金循环系统和蒸汽压缩系统中使用的共用致冷剂为有机致冷剂。
5.根据权利要求4所述的组合，其中所述致冷剂为R-245a。
6.根据权利要求1所述的组合，其中涡轮发电机与所述压缩机马达包括带有将所述涡轮机互连于所述压缩机上的共用轴的单个元件。
7.根据权利要求1所述的组合，其中所述空气调节系统为冷却器。
8.一种发电方法，包括以下步骤：
操作用于驱动发电机的燃气轮机，所述燃气轮机具有用于接收进口空气的进口和用于排放废气的出口；
操作具有锅炉、用于驱动发电机的涡轮机、冷凝器与泵的兰金循环系统，其中所述锅炉被泵送的燃气轮机的废气所加热；以及
操作具有蒸发器、马达驱动压缩机、冷凝器和膨胀装置的空气调节系统，其中所述蒸发器应用于冷却所述燃气轮机的进口空气。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括利用来自所述涡轮发电机的电力来驱动所述马达压缩机的步骤。
10.根据权利要求8所述的方法，包括从所述涡轮机的出口和所述压缩机的出口至单独共用冷凝器使用致冷剂的步骤。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述致冷剂为有机致冷剂。
12.根据权利要求5所述的方法，其中所述致冷剂为R-245a。
13.根据权利要求8所述的方法，还包括利用来自所述涡轮发电机的轴驱动所述压缩机的步骤。
14.根据权利要求8所述的方法，包括利用所产生的所述燃气轮机发电机来向输电网传送电力以便进一步分配的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括传送电能的步骤。
16.一种发电的方法，包括以下步骤：
将锅炉加热以便产生高压蒸汽；
将所述高压蒸汽应用于涡轮机并且相应地驱动发电机产生电力，同时将所述高压蒸汽转化成低压蒸汽；
使得所述低压蒸汽流向冷凝器，其在所述冷凝器中冷凝成液体；
泵送所述液体的至少一部分至所述锅炉；
将所述液体的一部分传到膨胀阀，其在膨胀阀处被闪蒸成液体/蒸汽混合物，然后将所述混合物传到蒸发器以便转化成蒸汽；
将所述蒸汽传到压缩机以便将其压缩成高压蒸汽；以及
将所述高压蒸汽传到所述双向冷凝器。
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