CN103850785A

CN103850785A - 产生电能的发电设备及方法

Info

Publication number: CN103850785A
Application number: CN201310627771.9A
Authority: CN
Inventors: 安德鲁·祖英科尔斯
Original assignee: Lumenion AG
Current assignee: Lumenion AG
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2033-11-28
Also published as: US20140150441A1; EP2738458B2; EP2738458B1; US9567911B2; AU2013257421B2; CN103850785B; EP2738458A1

Abstract

本发明涉及用于产生电能的发电设备，其具有：燃烧器单元，其中，可通过燃烧燃料产生热能；涡轮机组，其中，热能可引起旋转运动；以及发电机组，其由旋转运动驱使以生成电能。根据本发明的发电设备的特征在于：为了产生热能，除燃烧器单元之外，还配置有电加热单元，通过该电加热单元电能可转变为热能从而驱动涡轮机组。此外，本发明涉及产生电能的方法。

Description

产生电能的发电设备及方法

技术领域

本发明一方面涉及根据权利要求1前序所述的产生电能的发电设备。本发明另一方面涉及根据权利要求14前序所述的产生电能的方法。

背景技术

通用的发电设备具有：燃烧器单元(燃烧装置)，在其中可通过燃烧燃料产生热能；涡轮机组，在其中热能可引起旋转运动；以及发电机组，其由旋转运动驱使生成电能。

根据生成电能的通用方法，燃料在燃烧器单元中燃烧从而生成热能，然后热能在涡轮机组中转化为旋转运动。发电机组由该旋转运动驱动并以此产生电能。

在多数国家，电能主要通过上述类型的发电设备产生。根据发电设备，所使用的发电设备可包含不同的能量载体，特别是化石。举例来说，煤、天然气或石油均可作为燃料。

在生成电能的总量中，可再生能源所占的比例不断增加。具体而言，太阳能和风能越来越多地用于发电。然而，以此方式产生的电量会随时间剧烈波动。几乎没有可能大量储存以此方式产生的过剩电能。这导致的严重问题是如何使用过剩的电能。即使在增加的发电量用于电能消费的时代，该问题也并不罕见。

通常可以想到，在通过太阳能或风能增加发电量的过程中可中断上述发电设备的电源。然而，中断和重启发电设备会带来高额的原料负担，并且该过程在已知的发电设备中只能缓慢地实行。这些速度不足以有效地响应风量或太阳辐射量的波动。

发明内容

因此，本发明的目标可当作为指出一种用于生成电能的方法以及一种帮助有效适应可用电量的波动的发电设备。

通过具有权利要求1中所述特征的发电设备和权利要求14所述特征的方法，该目标得以实现。

根据本发明的发电设备和方法的有益变型是从属权利要求的主题，并在下面的描述中进行说明。

为生成热能，在根据本发明的上述类型的发电设备中，假使要生产热能，则除了配置燃烧器单元外，还配置有电加热单元。该电加热单元可将电能转变为驱动涡轮机组的热能。

根据上述类型的方法，按照本发明，不只是通过燃烧器单元生成热能，也通过电加热单元生成热能，在电加热单元中电能转变为驱动涡轮机组的热能。

使用电能驱动涡轮机组和相关的发电机组可当作本发明的基本理念。为了这个目的，电能被转化为热能。因此调整来自燃烧器单元以及来自电加热单元用于驱动涡轮机组的热能的比例成为可能。

因此，改变供应至燃烧器单元的供应量而不会对涡轮机组和发电机组造成大幅影响可能会成为独有的优势。从而有可能在给定时刻快速地改变燃料燃烧的量。因此，在电能过量供给的情况下，有可能快速地调整当前燃烧的燃料量。

有利地，在风能或太阳能不断增加发电量的时期，可利用的能量也可被有意义地使用。相较于常规的发电设备，可以确保在这些情况下，结果是剩余的燃料数量会更高。根据本发明的发电设备因此可被描述为能量储存单元。在电能过量供给的情况下，可通过消耗较少燃料来储存能量。相较于常规的发电设备，所排放的CO₂的总量也会减少。

在电能过量供给的情况下，尤其倾向于提供控制单元以增加电加热单元的加热功率并减少燃烧器单元的加热功率。过量供给的存在既可以手动地输入控制单元也可采用一定标准由控制单元主动判断，例如，借助于电能的短期价格。转换损耗确实与电能转换为热能、进一步转换为旋转运动以及最终通过发电机组再次转换为电能的过程必然相关。然而，由于大部分可利用电能仍然被有意义地使用，因此有可能节约有效的燃料。

相应地，如果电能的过量供给不再存在或者电价上涨，控制单元会减少电加热单元的加热功率或者关闭电加热单元。在电加热单元降低加热功率的情况下，燃烧器单元的加热功率可再次上升。

控制单元优选地允许电加热单元和燃烧器单元的加热功率以彼此依赖的方式控制，以便涡轮机组可以恒定或基本恒定的总功率运转。特别是总功率可在控制单元预先确定的范围内保持恒定。此外，加热功率可依赖贮存容器的填充水平来控制，贮存容器将在下文中详细描述。作为恒定总功率的一种替代，也可由控制单元以涡轮机组的总功率不超过预定的变化率这种方式控制电加热单元和燃烧器单元的加热功率。

燃烧器单元可有效地具有用于燃烧燃料的燃烧室。燃烧室因此能够具有多个入口，其中，燃料的供料管线与至少一个入口相连接。根据按照本发明的发电设备的优选实施例，由电加热单元加热的介质的供给至少依靠其他的一个入口促进。因此，燃烧室中由燃料供给减少所造成的热能下降可通过从电加热单元引入越来越多的热能来部分地或全部地进行补偿。因此，燃烧室中的温度普遍不受燃料供给量的变化的影响。有利地是，由于温度波动所引起的燃烧室应力会因此减小。从而能够实现在给定时刻更快速地改变燃烧的燃料数量。

为了这个目的，燃料的供给量和电加热单元加热的介质量可由控制单元以彼此依赖的方式控制，以便燃烧室的温度基本上保持恒定。特别是燃料供给减少的情况下，控制单元可使温度保持在预先限定的范围内和/或确保不超过预定的温度变化率，该目标凭借电加热单元增加加热功率而实现。

原则上讲，倘若介质由电能加热，电加热单元可以任何期望的方式构成。介质可是液体或气体。电加热单元优选地具有等离子体喷枪来加热介质，通过该介质涡轮机组可被驱动。在具有等离子体喷枪的情形中，气体转变为等离子体，并且等离子体在电场的帮助下加速，以此增加等离子体中的热能。此方式的优势在于温度可以快速达到接近于燃烧室的温度。另外，等离子体喷枪具有紧凑结构，因此适合于随后与常规发电设备的配合。

等离子体喷枪优选地布置在燃烧室的一个入口上。从而使由等离子体喷枪加热的介质可直接输出至燃烧室。因此，相较于等离子体喷枪与燃烧室空间上彼此远离的情形，这种布置可避免热损失。原则上讲，其他电加热单元的设计同样可布置在其中一个入口上。

如果燃料供给线路的入口和连接电加热单元的入口以相同方式形成，将会实现更多可变的应用可能性。有利地，据此以简单的方法随后升级常规发电设备成为可能。尤其是为了这个目的，常规发电设备可连接等离子体喷枪或另一电加热单元到燃烧室的一个入口而不是连接燃料供给线路。此外，此结构允许燃料供给量和由电加热单元提供的热量更大程度的可变。为了这个目的，入口的连接可随着燃料供给线路或等离子体喷枪不定地改变。

如果提供多个电加热单元，本结构具有特定的优势。除了并联布置电加热单元，也可提供串联布置。可能的温度范围因此会增大，在此范围中待加热的介质可以被加热。

如果电加热单元具有串联形式的发热元件且每个发热元件可由控制单元单独控制，那么电加热单元的加热功率和/或将要被电加热单元加热的介质的温度能够进行特别灵活地调节。串联排列可被理解为相应发热元件一个排列在另一个的旁边或一个元件在另一个元件后面。由于它们是单独可控的，也就是说可以被打开或关闭，所以加热功率能够以简单的方式变化。

替代地或可选地，对于等离子体喷枪而言，电加热单元可具有感应装置来加热介质。感应装置优选地可由控制单元通过改变感应装置的磁阻来控制。举例来说，感应装置包含线圈。如此会产生磁场，该磁场经由导电材料提供给待加热的介质。控制单元可改变导电材料上的气隙，凭借这种方式调节磁阻。因此可容易地控制供应给待加热介质的能量。

在可用电能波动的情况下，如果提供贮存容器，该进程的发生甚至更加有效。已经被电加热单元加热的介质可存储中贮存容器中。提供了排出管线，经加热的介质可通过排出管线从贮存容器运送到燃烧室和/或涡轮机组。因此，在电能过量供给的情况下，控制单元可方便地控制过剩的电能以热能的形式额外地存储在贮存容器中。

作为贮存容器另外的一个优势，其有助于渡过电加热单元消耗电能过程中的临时中断。为了这个目的，如果电加热单元的加热功率减少，控制单元触发贮存容器中经加热的介质的排放。电能的过量供给一不存在就会发生这种情形。

优选地，来自电加热单元的经加热的介质运送到贮存容器还是运送到燃烧室或涡轮机可由控制单元可变地设定。为了将其运送到燃烧室或涡轮机，可特别地将经加热的介质从电加热单元运送到贮存容器的排出管线，此管线通向燃烧室或涡轮机。

如果电加热单元的加热功率改变了，贮存容器同样也有助于避免所供应的燃料量的必需快速的适应。因此，以防电加热单元的加热功率变化，可使控制单元一开始就运送经加热的介质进出贮存容器，从而使供应给燃烧器单元的燃料量保持恒定。因此还可能以基本恒定的总功率运转涡轮机组。

有利地，即使在电加热单元的加热功率降低时，也不会增加燃烧器单元的燃料供给量。相反，只有在贮存容器中的填充水平降到预定的临界值以下或降为零时，才会增加燃料量。

以防电加热单元的加热功率降到预定的临界值以下或降为零，控制单元优选地适应于触发来自贮存容器经加热的介质的供应。同样地，如果达到贮存容器的最大填充水平，也会触发供应。在这种情况下，供应给燃烧器单元的燃料量会同时减少。涡轮机组因此能够继续以基本恒定的总功率运转。在这种情况中，无需改变电加热单元的加热功率。

在燃烧器单元和电加热单元均包含输出管线的实施例中，由于这两个输出管线彼此相连以形成通向涡轮机组的联合输出管线，因此会促进后续常规发电设备的尤为简单的适应。有利地，按照上述实施例，无需改变常规发电设备的燃烧器单元和涡轮机组。相反，它基本上足够电加热单元连接到燃烧器单元的排出管线。

附图说明

其它特征和优势通过参照附加的示意图进行描述，其中：

图1示出了根据本发明的发电设备的实施例的示意图；

图2是图1中发电设备的详细示图；

图3示出了根据本发明的发电设备的电加热单元的示意图；

图4示出了根据本发明的发电设备的另一个实施例的主要部件的示意图；以及

图5示出了根据本发明的具有贮存容器的发电设备的实施例的示意图。

相似部件以及那些以相似方式工作的部件在图中通常以相同参考符号表示。

具体实施方式

图1示出了发电设备100实施例的示意图。其包括作为基本部件的燃烧器单元10、涡轮机组50、发电机组60以及电加热单元20。

燃烧器单元10具有燃烧室15。燃料通过供料管线8进入燃烧室15，供料管线8通向燃烧室15的多个入口11、12。通过燃烧燃料，燃烧室15中介质的温度上升。

随后，经加热的介质通过输出管线37运送到涡轮机组50。涡轮机组50由此而驱动，其中，经加热的介质的热能转化为涡轮机组50的部件的旋转运动。通过该旋转运动，发电机组60中产生电能。随后，电能被传输到外部电网。

流经涡轮机组50后，经加热的介质通过回流管线39朝着燃烧室15的方向返回。回流介质可以此方式有效地流经其它元件（在此并未更详细地示出），例如冷凝器和泵。

原则上讲，流经涡轮机组50的经加热的介质的温度和流速应当大致恒定。如果涡轮机组50的动力上下变动，也不应超过预先确定的最大变化率。同样，还期望燃烧室15中的条件随着时间的变化尽可能保持恒定。这意味着来自燃烧室15的经加热的介质的温度和输出量不应超过预定的最大变化率。

因此，对于常规发电设备而言，引入燃烧室15的燃料量只能缓慢地变化。因此，已知的发电设备对于由可再生能源所产生的可利用电能的波动无法响应，或基本不能响应。这导致了电能的过量供给，迄今为止，几乎不可能有意义地使用这部分过量供给的电能。

但是，对于根据本发明的发电设备100而言，引入到燃烧室15中的燃料量可随着时间的推移快速变化。

该目标可通过利用电能加热介质的电加热单元20来实现。电能可由外部电网供应。因此过量供给的电能得以使用。

待加热的介质（例如空气）通过补给管线18进入电加热单元20并在此加热。经加热的介质然后通过输出管线33朝向涡轮机组50输出。

控制单元30能够以彼此相互依赖的方式控制所供给的燃料量以及电加热单元20的加热功率（也就是说，供给到电加热单元20的电能）。具体而言，在所供给的燃料量减少的情况下，控制单元30可提高电加热单元的加热功率，反之亦然。因此，涡轮机组50可以在基本恒定的条件下运行。

可增加电加热单元20的加热功率，特别是在电能过量供给的情况下。在这些情况中，能够以优惠价格从外部电网获得电能。原则上讲，从发电机组60到电加热单元20，可提供可切换的电气连接。因此，与从外部电网获得电力相比，其有可能保持电能的功率损耗特别地低。通过使用过量供给的电能，可降低燃料的燃烧速度。从而能有利地节约燃料。因此，可有利地节省燃料成本，并能够减少通过燃料燃烧产生的CO₂排放。

图1所示的实施例中，电加热单元20的输出管线33通向燃烧室15的入口13、14。因此，燃烧室15中减少的燃料供给可通过增加由电加热单元20加热的介质的供给来补偿。因此可在所供给的燃料量减少时保持条件基本恒定，这些条件例如为燃烧室15中的压力和温度。

优选地，入口11至14以相同的方式在燃烧室15上形成。数目可变的入口从而能够连接至燃料供给管线8和电加热单元20的输出管线33。同样，也可连接多个电加热单元20。

以此方式，随后还能够更加简化对常规发电设备的适应。为实现该目的，电加热单元20与可用入口中的至少一个连接。

图2示出了图1中的发电设备100的详细示意图。

首先，在此额外示出了燃料存储元件6。原则上讲，燃料可为任何可燃能量载体。在所示示例中，使用的燃料为煤。燃料从燃料存储元件6进入磨粉机7。燃料在此被研磨成粉末。然后，粉末通过供料管线8进入燃烧室15。

所示的涡轮机组50进一步包含高压涡轮机以及后续的一个或多个低压涡轮机。来自燃烧室15的经加热的介质通过涡轮机组50，然后被运送到冷凝器52中。从冷凝器52处，介质通过泵54经由回流管线39返回到燃烧室15。

图中还示出了变压器62，其改变由发电机组60所提供电能的功率级和电压。

最后，图中还示出了沉降装置70，燃烧室15的出口通向沉降装置70。塔72设置在沉降装置之后，废气由塔72排出。

原则上讲，电加热单元20能够以任何期望的方式使用电能来加热介质。例如，可使用电阻加热或电感加热。

图3示意性示出了使用电感加热的电加热单元20。电加热单元20首先包括一个或多个线圈22，交流电压供应至线圈22。由此变化的磁场会经由导电材料23（例如铁芯23）进行供给。待加热的介质通过通道21进行传送，该通道穿过热传导材料24。通过磁场，材料24中产生感应电流，从而产生热量，该热量传递给通道21中的介质。由此会产生将电能以节约成本且快速可调的方式转化为热能的可能性。快速调节通过开关25进行。开关25可关闭导电材料23中的气隙，借此，导电材料23形成闭环。从而增强导电材料23中供应的磁场。

额外地或可选地，可使用由等离子体喷枪构成的电加热单元20。以此方式，节省空间的实施例成为可能，同时使用等离子体喷枪可以达到高温。

另外，能够采用等离子体喷枪简化燃烧室15的连接。在使用等离子体喷枪的情况下，可省去图1中所示的输出管线33。相反，等离子体喷枪可直接连接到入口13、14的其中之一。特别地，以此方式可以避免热损失，并且即使在非常受限的空间条件下，也可能适应后续的常规发电设备。

图4示意性示出了根据本发明的发电设备100的实施例的局部视图。该实施例特别适合随后适应常规发电设备。

发电设备100包括具有燃烧室15的燃烧器单元10、供料管线8和输出管线38。输出管线38通向涡轮机组50，随后通向回流管线39，特别地是通向燃烧器单元10。这些部件可如常规发电设备的情形进行配置。

本实施例区别于已知的发电设备之处至少在于存在电加热单元20，待加热介质可由供料管线18运送至此。通过将燃烧室15和电加热单元20的输出管线结合形成联合输出管线38，可实现后续特别简单的适应。联合输出管线38通向涡轮机组50。有利地是，对常规发电设备的改造主要限于将输出管线38构造为联合输出管线38。

如果由电加热单元20加热的介质能在被运送到燃烧器单元或涡轮机组前首先进行储存，则随后会产生特定的优势。根据本发明的发电设备的一个实施例实现了上述假设，其主要部件在图5中示意性示出。从电加热单元20通向燃烧器单元或涡轮机组的输出管线33具有分枝点31。由电加热单元20加热的介质可从分枝点31运送到贮存容器40。可选地，输出管线33也可专门通向贮存容器40。

经加热的介质容纳在贮存容器40中且可通过另一输出管线41运送到燃烧器单元或涡轮机组。原则上讲，还能使得经加热的介质并不经过另一输出管线41从贮存容器40输出，恰恰相反，经加热的介质被输送回分枝点31。

在贮存容器40中经加热的介质的帮助下，可弥补时间间隔，在该时间间隔中，电加热单元20的功率降低。举例来说，该情形可能是电能的过量供给已不再存在。

在这方面，贮存容器40中的经加热的介质有助于反应时间的缩短，此反应时间是使供应到燃烧器单元或涡轮机组中的经加热的介质的量增加所需的时间。

利用根据本发明的发电设备有利地促进了非常迅速地改变供应给燃烧器单元的燃料量。该优势通过电加热单元产生额外的热能来实现。如此，特别是过量供给的电能也可能被有意义地使用。结果，可以降低化石燃料的消耗量。从而，还会有利地减少CO₂排放。

Claims

1.一种用于生成电能的发电设备，包含：

燃烧器单元（10），可通过燃烧燃料在所述燃烧器单元（10）中生成热能；

涡轮机组（50），可利用所述热能在所述涡轮机组（50）中引起旋转运动；以及

发电机组（60），由所述旋转运动驱使以产生电能；

其特征在于：为产生所述热能，除所述燃烧器单元（10）之外，还配置有电加热单元（20），通过所述电加热单元（20），电能可转化为热能以驱动所述涡轮机组（50）。

2.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于：还配置有控制单元，在电能过量供给的情况下，所述控制单元增加所述电加热单元（20）的加热功率并减少所述燃烧器单元（10）的加热功率。

3.根据权利要求2所述的发电设备，其特征在于：通过采用所述控制单元，能够以彼此依赖的方式控制所述电加热单元（20）和所述燃烧器单元（10）的加热功率，使得所述涡轮机组（50）能够以基本恒定的总功率运转。

4.根据权利要求1至3任一项所述的发电设备，其特征在于：所述燃烧器单元（10）具有燃烧所述燃料的燃烧室（15），所述燃烧室（15）具有多个入口（11-14），燃料供给管线连接到入口（11、12）的至少一个上，并且，由所述电加热单元（20）加热的介质借助于入口（13、14）中至少另外一个促进供应。

5.根据权利要求4所述的发电设备，其特征在于：供给的燃料量和在所述电加热单元（20）中加热的介质量可通过所述控制单元以彼此依赖的方式控制，以便所述燃烧室（15）中的温度基本恒定。

6.根据权利要求1至5任一项所述的发电设备，其特征在于：所述电加热单元（20）包含用于加热能够驱动涡轮机组（50）的介质的等离子体喷枪（20）。

7.根据权利要求6所述的发电设备，其特征在于：所述等离子体喷枪（20）安置在所述燃烧室（15）的入口（13、14）的其中一个上。

8.根据权利要求2至7任一项所述的发电设备，其特征在于：用于燃料供给管线（8）的入口（11、12）和用于等离子体喷枪（20）的入口（13、14）以同样地方式形成。

9.根据权利要求1至8任一项所述的发电设备，其特征在于：所述电加热单元（20）具有加热介质的感应装置（22，23）且所述控制单元可通过改变所述感应装置（22，23）上的磁阻来控制所述感应装置。

10.根据权利要求1至9任一项所述的发电设备，其特征在于：

配置有贮存容器（40），经所述电加热单元（20）加热的介质可贮存在所述贮存容器（40）中，且

配置有排出管线（41），经加热的介质可通过所述排出管线（41）从所述贮存容器（40）运送到所述燃烧室（15）或所述涡轮机组（50）。

11.根据权利要求10所述的发电设备，其特征在于：经加热的介质是否从所述电加热单元（20）运送到所述贮存容器（40）或所述燃烧室（15）抑或是所述涡轮机组（50）可由所述控制单元变化地调整。

12.根据权利要求10或11所述的发电设备，其特征在于：所述控制单元适用于在所述电加热单元（20）的加热功率降低至预定的阈值以下时引发从所述贮存容器（40）运送经加热的介质。

13.根据权利要求1至12任一项所述的发电设备，其特征在于：所述燃烧器单元（10）和所述电加热单元（20）各自具有输出管线，这两个输出管线彼此连接以形成联合输出管线（38），所述联合输出管线（38）通向所述涡轮机组（50）。

14.一种产生电能的方法，特别是利用根据权利要求1至13中任一项所述的发电设备，其中：

-在燃烧器单元（10）中燃烧燃料并生成热能；

-所述热能在涡轮机组（50）中转化为旋转运动；以及

-所述旋转运动驱使发电机组（60）并由此生成电能；

其特征在于：除了所述燃烧器单元（10）之外，还能够通过电加热单元（20）产生所述热能，电能可通过所述电加热单元（20）转化为热能以驱动所述涡轮机组（50）。