CN101999032A - 在管线中产生液流的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在管线(7、9)中产生液流的方法，管线(7、9)具有至少一个涡轮装置(11、13)以从液流中提取能量，其中蒸汽用于在管线(7、9)中产生液流，并且液流通过涡轮机(11、13)。本发明还公开了一种实现该方法的设备。

Description

在管线中产生液流的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种在管线中产生液流的方法和设备。具体地，本发明涉及一种在管线中产生液流的方法和设备，该管线具有至少一个涡轮装置以从液流提取能量。
背景技术
利用蒸汽轮机、燃气轮机或内燃机产生诸如电能的能量是公知的。然而，这些设备的效率相对较低，大约30-40％。这意味着会产生相对较多的CO2以提供电能。此外，这个设备需要很多所谓的动力设备，而且结构复杂且具有相对较高的维护费用。
由于上述缺陷，目前，已不倾向于使用可燃气体例如甲烷的有限矿藏或有限产品。这些有限的矿藏通常存在于具有腐化的生物块团的地方。这种生物块团的实例是在生产食品的过程中产生的残余物，例如肥料、屠宰废弃物和蔬菜废料。
通常是将气体作为化肥播撒在农田中以直接排放到大气中或在所谓的燃烧之后排放到大气中，而不是使用以这类气体为代表的资源。
在很长一段时间，基于将热水分配到周围区域的所谓分区供热厂已经被认为是一种相对来说对环境无危害的方案。尤其在能量基于例如废物或CO2中性能源如木屑的燃烧的时候，这类供热厂被认为是对环境无危害的。
然而，分区供热厂具有若干缺陷。首先，这类供热厂需要相对大的投资和运行成本。其次，对在这类供热厂中产生的热量的需求会有波动。需求会在一天中和一个季节中变化。最后同样重要的是，热水形式的能量的供给距离短，只能在连接到分区供热厂的网路系统中分配。仅在工业密度大的区域才可能售出任何过剩热。
公开文献GB 162641公开了一种利用加压蒸汽在管线中提供液流的设备。
公开文献US 2007/0151234 A1公开了一种产生能量的系统，其中加压空气用于为水轮机提供液流。
发明内容
本发明的目的在于克服或减少现有技术中的至少一个缺陷。
该目的是通过下面的说明书和随后的权利要求书中具体说明的特征实现的。
本发明的第一方面，提供了一种在管线中产生液流的方法，所述管线具有至少一个涡轮设备以从液流中提取能量，其中该方法包括下述步骤：
-使第一压力的蒸汽得以流动通过可闭合的入口流入容器以置换一定体积的液体通过容器的可闭合的出口流出并流入管线；
-使液流得以驱动涡轮机，并使涡轮机下游的液流得以处在较涡轮机上游的压力低的压力通过低压线路并经由缓冲容器和液体供给线路返回容器的第二入口，所述入口是可打开的；
-关闭对容器的蒸汽供给；
-使容器中的压力得以置换液体流出容器并通过涡轮机；
-关闭通向管线的出口；
-打开以形成流出容器的蒸汽的液体连通；及
-打开以将液体从液体供给线路回填到容器中，液体供给线路与缓冲容器液体连通。
以加压蒸汽的形式供给系统的能量可以以已知的方式提供，例如通过蒸汽锅炉提供。
为了使通过至少一个涡轮机的液体的流动尽可能的稳定，如果两个或多于两个容器并联布置将是有利的，上述步骤在各个容器之间以相位滞后的方式进行。
在一种优选实施方式中，至少一个额外的涡轮机置于为至少一个容器而排布的至少一条额外的中压管线的每一条中，容器中的压力是各条管线中的液流的控制因子。
由此，液体可被控制为相继地流入一条或多条中压液体线路中并通过额外的涡轮机，额外的涡轮机被优化为使液流具有受限制的压力范围。
由于该设备对于从容器流出蒸汽的上述液体连通(所谓的压力泄放)是开放的，因此为了能够维持设备中的蒸汽和液体平衡，如果通过热交换器输送从容器流出进入到压力泄放线路的蒸汽并通过缓冲容器将蒸汽返回到液体系统中将是有利的。由此，维持了设备中的液体平衡，该设备就液体而言对周围环境是闭合的。
在一种替代实施方式中，压力泄放线路中的蒸汽通过泵装置输送到蒸汽发生装置中。
在另一种替代实施方式中，压力泄放线路中的蒸汽被输送到热交换器并从热交换器中泵入蒸汽发生装置中。
在上述的两种替代实施方式中，在设备中具有改进的蒸汽和液体的分离。在上述的替代实施方式中，也在设备中维持了液体平衡。
在一种实施方式中，压力泄放线路具有蒸汽轮机以从在线路中流动的蒸汽提取能量。蒸汽轮机置于可能有的热交换器的上游。
结果证明，如果涡轮机是所谓的容积式涡轮装置将具有极大的益处。在一种实施方式中，将所谓的凸轮泵用作涡轮机，凸轮泵由管线中的液流驱动。如果涡轮机用于以下述方式控制涡轮机下游的压力也将具有极大的益处：压力不降低到预定的最小压力之下。
本发明的第二方面，提供了一种在管线中产生液流以驱动置于管线中的至少一个涡轮机的设备，该设备包括至少一个用于保持蒸汽和液体的容器，已被导入容器中的蒸汽用于驱动容器中的液体通过可闭合的出口流出并流入包括涡轮机的管线，以第一压力迫出容器的液体通过缓冲容器流体连接到容器的可闭合液体入口部分，通过该可闭合液体入口部分，液体以第二压力被输送，第二压力低于所述第一压力，但高于容器内的残压。
为了防止蒸汽冷凝，最好是将尽可能多的蒸汽与液体隔离，例如通过借助于浮式活塞将容器分为蒸汽腔室和液体腔室，浮式活塞优选地由绝热材料制成。
为了使通过涡轮机的液体的流动尽可能地稳定，下述事实是有利的：两个或多于两个容器并联布置，且以相位滞后的方式控制蒸汽和液体的流入和流出，从而使得例如第一容器排空时另一容器被填充。
如果缓冲容器置于设备的涡轮机的下游侧和容器之间的一部分是有利的。为了保持设备内的超压，从而使液体可不利用泵装置而进入容器，如果缓冲容器是压力容器将是有利的。
在一种优选实施方式中，用来自缓冲容器的液体供给蒸汽发生装置，可选地或此外，用来自压力泄放线路或可能有的热交换器的液体供给蒸汽发生装置，其中，可能有的热交换器与蒸汽发生装置流体连通。本领域技术人员会理解到，液体或蒸汽必须在输送到蒸汽发生装置之前经历加压过程，以保证供给。
附图说明
下文描述了在附图中示出的优选实施方式的例子，在附图中：
图1是设备的原理图，该设备中，蒸汽用于驱动液体通过平行地设置在管线圈上各自部分中的两个涡轮机，该原理图示出了处于给定相位的设备。
具体实施方式
在该图中，附图标记1表示根据本发明所述的设备，该设备图示成处于给定相位或者在“瞬时图”中。
设备1由下述主要组件组成：
-已知种类的蒸汽锅炉3，用于将蒸汽输送到蒸汽供给线5；
-四个蒸汽供给阀S1、S2、S3和S4，每一个用于控制蒸汽供给通过顶部进入各自的容器V1、V2、V3和V4；
-连接到每个容器V1、V2、V3和V4的底部的高压液体线路7，液流从各个容器V1、V2、V3和V4流出并流入高压液体线路7，高压液体线路7由各自的高压阀H1、H2、H3和H4控制；
-连接到每个容器V1、V2、V3和V4的底部的中压液体线路9，液流从各个容器V1、V2、V3和V4流出并流入中压液体线路9，中压液体线路9由各自的中压阀M1、M2、M3和M4控制；
-第一涡轮机11，其与高压液体线路7流体连通，第二涡轮机13，其与中压液体线路9流体连通；
-第一低压液体线路15和第二低压液体线路17，分别连接到第一涡轮机和第二涡轮机13的下游侧；
-缓冲容器19，其与第一低压液体线路15和第二低压液体线路17流体连通；
-在缓冲容器19和每个容器V1、V2、V3和V4的底部之间延伸的液体供给线路21，对容器V1、V2、V3和V4的液体供给由各自的液体供给阀L1、L2、L3和L4控制。
-连接到每个容器V1、V2、V3和V4的顶部的压力泄放线路23，从各个容器V1、V2、V3和V4泄放的压力由各自的压力泄放阀B1、B2、B3和B4控制；以及
-蒸汽锅炉供给线路29，其通过泵31将液体从缓冲容器19输送到蒸汽锅炉3。
图1中，各条管线中的流动方向由箭头指示。
如图1所示，在给定相位，蒸汽供给阀S2是打开的，而蒸汽供给阀S1、S3和S4是关闭的。因此，在给定相位，来自蒸汽锅炉3的水蒸气或水蒸汽仅流入容器V2。蒸汽锅炉产生第一压力例如30巴的蒸汽。本领域内技术人员会了解到，可提供不同于指出的示例性压力的压力值的蒸汽。
进入容器V2的蒸汽置换了液体，液体例如水通过打开的高压阀H2流出并流入高压液体线路7的。分别控制来自容器V1、V3和V4的液体流出的高压阀H1、H3和H4在图示时刻处于闭合位置。
被迫从容器V2流出并进入到高压液体线路7的液体流动通过第一涡轮机11。第一涡轮机11是由水流驱动的容积泵装置，举例来说，这种泵装置连接到用于产生电流的发电机(未示出)上。容积泵装置优选地由所谓的凸轮泵构成。
由涡轮机11提取的能量导致整个涡轮机11的压力下降。在涡轮机11的下游，压力降低到相当低，例如但不限于：2-3巴的数量级。理想的是，在涡轮机11的下游保持超压，以使得液体能够流动通过低压液体线路15、17并流入缓冲容器19，并且使得液体从那里通过液体供给线路21进入到各自的容器中而不需使用会消耗能量的泵装置。
在图1中，容器V1被示为由蒸汽填充了近似一半，在高压阀H1处于打开位置时，蒸汽已经迫使液体通过高压液体线路7流出。然而，在图示的相位，高压阀H1和蒸汽供给阀S1处于闭合位置，而中压阀M1处于打开位置。此时，容器V1内的压力迫使液体通过打开的中压阀M1流出到中压液体线路9中，并进一步流入蓄电池容器25以使压力均匀化，液体从此处流动通过第二涡轮机13。在第二涡轮机13的下游，液体经由第二低压线路17流入缓冲容器19。
将理解到，与放置在中压液体线路9中的蓄电池容器25基本对应的容器(未示出)可以放置在高压液体线路7中。
在图1中，容器V3和V4处于被来自缓冲容器19的液体填充的过程中。在给定相位，容器V3已被填充大约80％，而容器V4已被填充大约20％。
为了使液体得以流入到容器V3和V4中，将理解到，液体供给阀L3和L4处于打开位置。
为了防止容器V3、V4中的残压抵消发生在相当低的压力例如2-3巴下的液体的填充，压力泄放阀B3和B4处于打开位置。
在该图中，压力泄放线路23被示为连接到已知的热交换器27上。热交换器27的主要目的在于将蒸汽凝结为液体，从而维持设备中的蒸汽和液体的平衡。作为正面效应，热交换器27提供了将确定量的蒸汽吸出各自的容器V1-V4的功能。另一目的在于利用由从容器V1-V4泄放的蒸汽携带的热能的一部分。举例来说，提取的热能可用于可能连接到蒸汽锅炉3上的沼气厂(未示出)。
作为对热交换器27的替代，通过压力泄放线路23泄放的蒸汽可被直接送往缓冲容器19。然而，这种方案可能意味着泄放的蒸汽需要较长时间才能凝结，并且因此抵消容器V1-V4的有效泄放。
将用于在蒸汽锅炉3内产生蒸汽的液体通过泵31从缓冲容器19泵出并经由蒸汽锅炉供给线路29泵入蒸汽锅炉3。操作阀所需的能量被认为相对较少，因此泵31是除蒸汽锅炉3之外的仅有的利用任何显著的能量的装置。
尽管在所示实施方式中，设备1具有四个容器V1、V2、V3和V4，但会理解到，设备也可能由一个、两个、三个或多于四个容器构成。
只要需要，蒸汽就可供给到串联连接的设备，也就是说，两个或多于两个容器或容器组串联连接。
在图1中示出液体可被迫流入两个不同的液体线路7、9，并且从这里流动通过关联的涡轮机11、13。然而，将理解到，设备可具有另外的液体线路(未示出)，其中每条液体线路都具有涡轮机(未示出)。
将理解到，上文所述的阀由已知的控制装置控制，这些控制装置对于本领域技术人员来说是熟知的。
此外，本领域技术人员将理解到，至少那些向液流打开和闭合的阀基本上以压力平衡的方式操作。这在使用操作阀所必需的能量方面是一个优势。
各个容器的排空和填充循环通常在一到两分钟内发生，尽管这也可能发生在较长或较短的周期内。由于这种通常的排空和填充循环，本领域技术人员将理解到，设备1中液流的速度相当低。在该设备的原型中，测量的速度为2.5-3m/s，这使得设备的流动损失相当小，并且对设备的侵蚀极小。
根据本发明所述的设备1提供了一种闭合加压系统，该系统的效率非常高，而同时供给蒸汽锅炉3的能量可被转化为能够分配到现有的供电网络的能量。
本领域技术人员将认识到，蒸汽可通过不同的能源提供，例如但不限于：化石燃料、有机材料、废物燃烧、太阳能和工业上的过剩热，以及其中一项或多项的组合。
由于提供了用于液体循环的闭合加压系统，液体温度可高于100℃，并且该系统可以不散发或排出任何蒸汽或液体。为了降低对周围环境的非受控热损失以及由此造成的能量损失，设备1的全部或部分可具有绝热装置。
与已知的通过蒸汽驱动涡轮装置的设备相比，本发明的设备包括非常少的移动部件，因此就维修方面而言，展现出了优势。然而，相对已知设备的最重要的好处之一在于设备的高效率，经测量已经证明，效率在60-70％之间。设备的简易性结合其高效率使得利用迄今为止未被使用的能量载体取得了经济效益。
因此，由上可知，本领域技术人员将理解到，根据本发明所述的方法和设备代表了可观的环境增益。

Claims (14)

1.一种在管线(7、9)中产生液流的方法，所述管线(7、9)具有至少一个涡轮装置(11、13)以从液流中提取能量，其特征在于，该方法包括下述步骤：
-使第一压力的蒸汽得以流动通过可闭合的入口流入容器(V1-V4)以置换一定体积的液体通过容器(V1-V4)的可闭合的出口流出并流入管线(7、9)；
-使液流得以驱动涡轮机(11、13)，并使涡轮机(11、13)下游的液流得以在较涡轮机上游的压力低的压力通过低压线路(15、17)并经由缓冲容器(19)和液体供给线路(21)返回容器(V1-V4)的第二入口，所述入口是可打开的；
-关闭对容器(V1-V4)的蒸汽供给；
-使容器(V1-V4)中的压力得以置换液体流出容器(V1-V4)；
-关闭通向管线(7、9)的出口；
-打开以形成流出容器(V1-V4)的蒸汽的液体连通；及
-打开以将液体从液体供给线路(21)回填到容器(V1-V4)中，液体供给线路(21)与缓冲容器(19)液体连通。
2.如权利要求1所述的方法，其中，两个或多于两个容器(V1-V4)并联布置，并且上述步骤在各个容器之间相位滞后地进行。
3.如权利要求1所述的方法，其中，该方法包括将至少一个另外的涡轮机(13)置于至少一条另外的中压管线(9)的每一条中，至少一条另外的中压管线(9)布置用于至少一个容器(V1-V4)，所述容器(V1-V4)中的压力是各条管线中的液流的控制因子。
4.如权利要求1所述的方法，其中，从容器(1)流出的蒸汽被导入压力泄放管线(23)，并通过热交换器(27)输送回所述设备(1)的缓冲容器(19)和蒸汽锅炉(3)中的至少一个中。
5.如权利要求1或4所述的方法，其中，从容器(1)流出的蒸汽被导入压力泄放线路(23)，并经由可能有的热交换器上游的蒸汽涡轮机输送回所述设备(1)的缓冲容器(19)和蒸汽锅炉(3)中的至少一个中。
6.如任一在先权利要求所述的方法，其中容积式涡轮泵装置用作涡轮机(11、13)。
7.如任一在先权利要求所述的方法，其中，涡轮机(11、13)下游的低压线路(15、17)中的压力由涡轮机(11、13)控制。
8.一种在管线(7、9)中产生液流以驱动置于管线(7、9)中的至少一个涡轮机(11、13)的设备(1)，其特征在于，该设备(1)包括至少一个用于保持蒸汽和液体的容器(V1-V4)，已被导入容器(V1-V4)中的蒸汽用于驱动容器(V1-V4)中的液体通过可闭合的出口流出并流入包括涡轮机(11、13)的管线(7)，以第一压力迫出容器(V1-V4)的液体通过缓冲容器(19)流体连接到容器(V1-V4)的可闭合液体入口部分，通过该可闭合液体入口部分，液体以第二压力被输送，第二压力低于所述第一压力，但高于容器(V1-V4)内的残压。
9.如权利要求8所述的设备，其中，容器(V1-V4)被浮式活塞(6)分为蒸汽腔室和液体腔室。
10.如权利要求8或9所述的设备，其中，两个或多于两个容器(V1-V4)并联布置，并且以相位滞后的方式控制蒸汽和液体的流入和流出。
11.如权利要求8-10之一所述的设备，其中，至少一个另外的涡轮机(13)置于至少一条另外的中压管线(9)的每一条中，至少一条另外的中压管线(9)布置用于至少一个容器(V1-V4)，容器(V1-V4)中的压力是管线(7、9)中已输入液体的那条管线的控制因子。
12.如权利要求8-11之一所述的设备，其中，缓冲容器(19)置于设备(1)的涡轮机(11、13)的下游侧和容器(V1-V4)之间的一部分。
13.如权利要求12所述的设备，其中，用于产生蒸汽的液体已从缓冲容器(19)输送。
14.如任一在先权利要求所述的设备，其中，涡轮机(11、13)下游的低压线路(15、17)中的压力由涡轮机(11、13)控制。
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