CN103180573A - 用于发电的固定发电站，特别是燃气发电站 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于发电的固定发电站，特别是燃气发电站；有一个内燃机，包含一个燃料介质进口及一个废气出口，内燃机废气流通过废气出口排出；有一个发电机，通过内燃机驱动发电，可连入到一个电网中，将所发电送入电网；有一个燃料介质供应管，与燃料介质入口相连；提供一个气流回路，工作介质通过一个送料泵回转循环，气流回路包含一个热交换器位于废气流中，废气流的废热被输送到工作介质中，使工作介质部分或全部气化，气流回路还包含一个冷凝器，其中工作介质部分或全部发生凝结。本发明的特点在于：气流回路中提供一个往复活塞式扩张器，工作介质膨胀并产生机械功，往复活塞式扩张器通过可分离合器机械连接到内燃机和/或发电机上。

Description

用于发电的固定发电站,特别是燃气发电站
本发明涉及一个用于发电的固定电站，尤其是一个燃气发电站，具体地，具有权利要求1中所述的特点。在一个优选实施例中，发电站设计成一个热电组合单元（CHP），形成热电联产。
发电站，特别是热电组合单元，通常进行模块化安装以生产电能及优选热能，比如，它能直接在热消耗的区域执行操作，或将可用的热能送到当地的供热管网或一个区域的供热管网。它的运转模式是以热电联产原则作为基础的。
通常，可考虑使用一个内燃机作为发电机的驱动机，优选实施例是采用一个柴油或汽油发动机。具有燃气涡轮的实施例形式也已被公开。
这种系统组合使用了废热回收产生的热流，并通过内燃机驱动发电机产生电能，内燃机同时产生的废热可用作输入主能源高达80-90%，所以，该系统能达到很高的效率。与传统的发电站相比，比如蒸汽发电站，这意味着能节省高达40%的主能源。这种固定发电站，通常发电能力在5kW以及5或10MW之间，因此可以认为几乎是理想的。然而，能提供更好的主能源使用可进一步提高效率。进一步提高和改善的问题在于，一个超重型机械系统需要更复杂的系统配置，其潜在限制了上文中提及已知发电站类型的大量使用。
专利US 2007/0007771 A1公开了一种内燃机，其产生的废热用在带有一个涡轮和一个冷凝器的一个蒸汽回路里。涡轮驱动一个发电机。
之后出版的专利DE 10 2010 000 487 A1公开了一个热电联合单元所驱动的元件废热的使用，其中一个内燃机和 一个膨胀燃机可通过直接机械连接的方法，共同驱动一根曲柄。
专利US 2010/0242476 A1被认为是该种技术的另一种形式。 
本发明的目的是，在效率方面以及能量输出上，进一步优化上文所述类型的固定发电站。所以，已有的优点仍旧能保留使用，优化产品完全不能限制每个发电站的有效性。
本发明的目的是通过有着权利要求1中所述特点的固定发电站实现的。本发明的优点和特别有针对性的实施例在相关的权利要求中公开。
根据本发明的一个固定发电站，其特别设计成一个燃气发电站，能产生电能，并包括一个内燃机，通过它驱动一个发电机。内燃机包含一个燃料介质入口和一个废弃排出口。一个燃料介质供应管，尤其是一个气体供应管，连接在燃料介质入口上，为内燃机输送燃烧介质，特别是气体介质，通过燃料介质进口进入到燃烧室内，特别是进入到一个或多个膨胀缸形式的燃烧室内。内燃机产生的废气流通过废气排出口排出，其中的废气流中含有废热。
由内燃机驱动的发电机与一个电网相连或者可以与一个电网相连，从而将所述发电机发的电能输送到所述电网里去。当然，可在发电机与电网之间安装一个整理器或一个转换器或其它电子元件。
如果发电站按照热电联产原则工作，则内燃机通过一股载热流进行冷却，特别是一股载热水流，而内燃机的废热传到载热流中。内燃机的废热因此可直接从内燃机里，更确切地说，尤其是从发动机壳内部，传递到载热流里和/或者可从内燃机产生的废气流中传出，并送入载热流中，比如通过废气流中的一个热量交换器实现。内燃机从载热流中吸收的废热随后输送到一个区域的供热管网、当地的供热管网、工程供热管网或其它热能回收系统。
根据本发明，提出了一个气流回路，从而优化废热的利用，其中仍然包含在废气流中，在回路中，一种工作介质通过一个进料泵驱动回转。气流包括一个位于废气流中的热量交换器，通过它，废气流中的废热传递到工作介质中，从而使工作介质部分或全部气化。这个第一热量交换器因此也可设计成一个气化器。除此以外，气流回路包含一个往复活塞式的扩张器，工作介质在其中发生膨胀产生机械功，还有一个冷凝器，工作介质在其中部分或全部发生冷凝。
根据本发明，往复活塞式扩张器可机械连接在内燃机和/或者连接在发电机上，从而驱动所述发电机。此外，往复活塞式扩张器也可连接在另一个附加的发电机上。
往复活塞式扩张器与内燃机和/或者发电机的连接，优选采用一个可分离合器的形式实现，其中发电机通过内燃机驱动。在气流回路或往复活塞式扩张器发生问题时，离合器能容易断开，这样发电站可继续恢复到没有附加的废热回收系统的状态下工作。因此，发电站的使用可不受限制。另外，在不影响使用寿命的前提下，这样还可实现独立于发电站其它零件保养间隔，选择气流回路或往复活塞式扩张器的保养间隔。
在一个特别优选实施例中，往复活塞式扩张器包括一根曲柄，其与内燃机的一根曲柄相连，特别采用离合器直接连接。
内燃机的设计优选方案是采用一个燃气发动机，对于气体，特别是含有空气的气体，作为燃烧介质通过位于燃料介质进口的气体供应管送入所述发动机中。
根据本发明的一个优选实施例，气体回路的工作介质是水或一种税混合物。特别地，当内燃机设计成一个燃气发动机时，其优点是，这样，在这样的燃气发动机产生的废气高温下，工作介质不会发生分解，此外，在环境压力、温度范围为80℃至99℃的条件下，介质发生冷凝，从废气中吸收的热量送入到介质中后，仍可在常温水平下的热电联产系统中很好地利用。出于这种目的，根据第一个实施例，用于冷却内燃机的载热流，同时也是气流回路中的工作介质，特别地，在同一时间，介质被送入到一个封闭回路或开口气流的能量回收系统中。此外，气流回路中工作介质的凝结热可通过一个热交换器传到载热流中，在这个实施例中，设计了第二热量交换器，它能部分或全部地实现冷凝器的作用。
在气流回路中可设置一个工作介质储存箱，实现工作介质泄露和/或者容量波动的补偿。根据一个实施例，工作介质储存箱设计成一个可让工作介质流过的箱子，也就是说，有一个工作介质入口，通过一个送料泵源源不断地输入，所有的工作介质在气流回路中循环流动，以及一个工作介质出口，所述工作介质通过它再从工作介质储存箱中流出。
内燃机和往复活塞式扩张器优选以相同的旋转速度运行，特别是，两个机器的驱动轴或曲柄精确地以相同的旋转速度旋转。两个机器优选实施例是设计成往复活塞式扩张器，根据一个实施例，同时驱动同一个发电机，或如果有数个发电机的话，同时驱动同一组发电机。
例如，往复活塞式扩张器可设计成双缸、三缸、四缸、五缸或六缸的机器。对于内燃机而言也一样。
如果内燃机设计成一个燃气发动机，沼气、特别是天然气、垃圾填埋气、木材气化气或污气都可成为合适的燃烧介质。当然，使用其它燃烧介质也以。
整个气体回路和它与发电站的融合过程可通过一个公用控制系统来控制和/或者监控。这样，一个有着封闭回路、自调节控制系统以及适应不同内燃机的重载荷、低维护系统就实现了。
现对本发明通过实施例的形式来举例说明。
在图1中，一个内燃机1，这里采用燃气发动机的形式，包含公开的一个燃料介质进口2以及一个排气出口3。
一方面空气从一个空气进口4进入，另外还有气体从一个气体储存箱5中进入，通过连接在一个燃料介质入口2上的燃料介质供应管19，送入到内燃机1中进行常规燃烧。通过废弃出口3的高温废气流首先通过一个热交换器6，一股载热流7，特别是一股冷却水流，通过它被加热，随后通过一个热交换器8，它的功能是作为气流回路9中工作介质的气化器。在这个过程中，废气流沿着10指向。
气流回路9中的工作介质通过一个送料泵11泵入，送料泵通过往复活塞式扩张器12驱动，工作介质通过热交换器8并在那里发生气化，随后流入到往复活塞式扩张器12中，在这里工作介质发生膨胀并产生机械功。内燃机1的各个曲柄通过这些机械功进行驱动，通过内燃机1中产生的机械功再驱动发电机13。发电机13将其产生的电流输送到一个电网14中。
在往复活塞式扩张器12中膨胀的工作介质流过一个冷凝器15，在其中它发生凝结，进而通过工作介质储存箱16流回到送料泵11中。
冷凝器15同时是载热流7中的一个第二热交换器，将凝结热输送到载热流7中，并在载热流7送入一个能量回收系统17之前对它进行加热，比如，这个能量回收系统可以是一个当地的供热管网、一个区域的供热管网或一个工程供热管网。如图中所示，载热流7可以作为流体引导，或如图示虚线所示，是一个封闭回路。
当然，热交换器6、15的顺序在载热流7中可进行交换，或也可以提供附加热量交换器到发电站中，用于输入热量到载热流7中，比如可在内燃机1中废气再循环中添加热交换器（图中未示出）。
在这个实施例中，往复活塞式扩张器12通过一个可分离合器18连接在内燃机1上，这样，根据第一实施例，离合器18只可在系统停顿时进行断开或关闭，而根据可选择实施例的形式，也可在内燃机1和/或者往复活塞式扩张器12的运行过程中进行断开或关闭。
与所示实施例不同，送料泵11也可通过内燃机1或一个附加元件驱动，比如一个电动马达。

Claims (9)

1.一个固定发电站，特别是一个燃气发电站，用于发电；
1.1有一个内燃机（1），包含一个燃料介质进口（2）以及一个废气出口（3），而内燃机（1）的废气流（10）通过废气出口（3）排出；
1.2有一个发电机（13），通过内燃机（1）驱动发电，其可连入到一个电网（14）中，从而将所发的电送入所述电网中；
1.3有一个燃料介质供应管（19），其与燃料介质入口（2）相连；其中
1.4提供一个气流回路（9），其中工作介质通过一个送料泵（11）回转循环，气流回路包含一个热交换器（8）位于废气流（10）中，这样，废气流（10）的废热被输送到工作介质中，将工作介质部分或全部进行气化，气流回路还包含一个冷凝器（15），其中工作介质部分 或全部发生凝结，
其特征在于
1.5在气流回路（9）中提供一个往复活塞式扩张器（12），其中工作介质膨胀并产生机械功，以及
1.6往复活塞式扩张器（12）通过可分离合器（18）连接到内燃机（1）和/或者发电机（13）上。
2. 如权利要求1所述的固定发电站，其特征在于，所述的工作介质是水货一种水混合物。
3. 如权利要求1或2所述的固定发电站，其特征在于，所述的往复活塞式扩张器（12）包括一根曲柄，其与内燃机（1）上的一根曲柄相连，特别是采用直接相连的方式。
4. 如权利要求1至3中任意一项所述的固定发电站，其特征在于，所述的内燃机（1）设计成一个燃气发动机，一个燃气供应管连接在燃料介质进口（2）上，以供应气体作为一种燃烧介质，特别是与空气一起送入到燃气发动机中。
5. 如权利要求1至4中任意一项所述的固定发电站，其特征在于，所述的发电站提供了热电联产的方式，包含一股载热流（7），特别地是一股冷却水流，通过它冷却内燃机（1），并供应入当地供热管网、区域供热管网、工程供热管网或其它热能回收系统（17）中，而载热流（7）同时也是气流回路（9）的工作介质。
6. 如权利要求1至4中任意一项所述的固定发电站，其特征在于，所述的发电站提供了热电联产的方式，包含一股载热流（7），特别地是一股冷却水流，通过它冷却内燃机（1），并供应入当地供热管网、区域供热管网、工程供热管网或其它热能回收系统（17）中，而在载热流（7）中有一个第二热交换器，其用于进行工作介质的冷凝，从而将载热流（7）加热升温。
7. 如权利要求6所述的固定发电站，其特征在于，所述的第二热交换器部分或全部实现冷凝器（15）的功能。
8. 如权利要求1至7中任意一项所述的固定发电站，其特征在于，在所述的气流回路（9）中提供了一个工作介质储存箱（16），其设计成一个可使工作介质流过的箱子。
9. 如权利要求4至8中任意一项所述的固定发电站，其特征在于，所述的燃烧介质是沼气，特别是天然气、垃圾填埋气、木材气化气或污气。
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