CN104169542A - 发电设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使用诸如液态氮或液态空气的低温流体以及低级废热源的发电设备和方法，以及通过组合朗肯和布雷顿循环，提高从这些设备回收能量的效率的装置。

Description

发电设备和方法
技术领域
本发明涉及使用诸如液态氮或液态空气的低温流体以及低级废热源的发电设备以及方法，以及提高从这些设备回收能量的效率的装置。
背景技术
配电网(或电网)通常由柴油发电机机群(fleet)和开式循环燃气轮机支持，柴油发电机机群和开式循环燃气轮机在高需求时段以及诸如发电站意外故障的紧急事件时间段期间提供电力。这些发电资源，通常也称为高峰电厂，以低效率燃烧化石燃料，并且能够为相当大的大气污染物源。这些高峰电厂提供的服务包括但不限于：
·在一天中的不同时间并且快速地平衡供应和需求之间的差；
·在全网络故障的情况下，提供为重新启动发电资源所需的辅助设备供能所需的电力(黑启动支持)；
·对配电网的在高电能需求的时间段期间容量不足的部分进行网络加强；
·当对电力的需求快速增加时，将电能注入配电网，以支持电网的频率。
另外，从配电网损失的电能能够导致对诸如数据中心的一些消费者的相当大经济损失，或者例如在医院中电力故障的情况下危及人员。这些应用通常采用柴油发电机，以在来自配电网的供电供电中断情况下提供备用电力。以使用来自可持续来源的零排放设备代替这些柴油发电机将是有益的。
存在一种对以下设备的需求，其能够提供类似服务，但是使用源自可持续来源的、产生低的或者优选零大气污染的燃料。
本发明人已经认识到，存在使用液态空气、液态氮或制冷剂的膨胀发电来驱动涡轮机发电的潜力。这种设备能够提供一种对平衡网络供应和需求问题的紧凑、反应性和环境清洁的解决方案。
WO2007/096656公开了一种低温能量储存系统，其采用低温液态空气、液态氮或致冷剂与周围空气或废热之间的温度或相差，在低需求和/或过量生产时间段储存能量，允许该被储存的能量随后在高需求和/或受限输出时间段期间被释放来发电。该系统包括用于在低电力需求时间段期间液化空气的装置，用于储存所产生的液态空气的装置，以及用于使液态空气膨胀的膨胀涡轮机。膨胀涡轮机被连接至发电机，以当需要满足供应和需求之间的不足时发电。
GB1100569.1改进了WO2007/096656的电能回收元件，并且公开了一种用于零排放发电的设备、冷冻机组(cryogenset)和方法，其使用低温流体和低级废热源，并且能够用于提供对配电网的负荷平衡和紧急支持，或者用作对诸如医院或数据中心的关键消费者的备用电源。参考图1，GB1100569.1的发明采用一种低温流体，诸如液态氮或液态空气，以及低级废热源140，以为涡轮发电机供能。设备的排放物是气态氮或气态空气，并且不存在环境问题。在工业制冷或空气分离厂100中，使用来自电网150或来自可再生源160的电能制造低温流体，并且优选地经由储存罐120将低温流体由罐车或管道110供应给冷冻机组130。
对这种系统和设备的效率的主要约束在于，对在加热至周围温度期间，从低温流体释放的热能的利用不良。冷冻机组的排放物仅在低温流体的温度以上几度，因此明显地低于周围温度。理想地，由于从过程回收功更有效，所以来自过程的排放物将更接近周围温度。
发明内容
发明人已经发现，通过在GB1100569.1中所述的主开式朗肯(Rankine)循环中包括另外的电能回收循环，能够从工作流体进一步提取功。另外的电能回收循环与主朗肯循环的组合利用周围环境与第一朗肯循环的排放物之间的温度差，以从工作流体提取更多功。能够包括几个循环，以逐渐将最终排放物的温度提高为接近周围环境。然而，随着循环的热和冷部分之间的温差降低，每个另外循环的效率也逐渐降低，由此降低了每个递增的另外循环的卡诺效率(Carnotefficiency)。在实践中，将应用一个或两个另外的循环，因为进一步循环的成本效益存在边际效应。
众所周知该方法，并且通常将所谓的“顶”或“底”循环应用于发电设备。例如，组合循环燃气涡轮机发电站采用开式布雷顿(Brayton)循环与闭式蒸汽朗肯底循环的组合。冷冻机组能够与闭式朗肯循环组合，该闭式朗肯循环采用在周围环境和致冷剂温度之间的运行范围内冷凝的工作流体(参见图2)。替代地，能够使用开式或闭式布雷顿循环(参见图3a和b)。
在大多数情况下，对主循环和底循环使用不同的工作流体，诸如在上述情况下使用空气和蒸汽。发明人已经注意到，在冷冻机组的情况下，如果将开式布雷顿循环(诸如图3b中所示的)用作底循环，就能够对主工作流体和底循环工作流体两者使用单一工作流体。这有利于简化设计和降低成本，这是储备电能的目标市场的必要特征。在图3b的循环中，对布雷顿底循环的进气空气可以首先穿过空气净化单元，以移除水和二氧化碳。参考图4，通过在第一或第二膨胀涡轮机的进口处组合主工作流体和底循环工作流体，实现了对设计的简化。
因此，本发明提供了一种能量产生设备，包括：
储存罐，用于储存低温流体，
流体泵，用于将从储存罐获得的低温流体压缩到高压，
蒸发器，用于蒸发高压低温流体，以提供高压气体，
第一膨胀涡轮机，用于使高压气体膨胀，并且从高压气体提取功；
第一再加热器，用于使用周围环境或废热，对从第一膨胀涡轮机排放的气体再加热；
第二膨胀涡轮机，用于使从第一再加热器排放的工作流体膨胀，并且从第一再加热器排放的工作流体提取功；其中
第二膨胀涡轮机具有排放出口，该排放出口分为第一和第二路径，以便从第二膨胀涡轮机排放的工作流体被分为第一和第二部分，其中工作流体的第一部分被沿第一路径，穿过第一排放出口引导至周围环境，并且工作流体的第二部分被沿第二路径引导至蒸发器的进口，使得工作流体的第二部分与蒸发器内的高压低温流体交换热能；和
第一压缩机，用于在工作流体的第二部分穿过蒸发器后压缩工作流体的第二部分，其中，压缩机的排放出口与第一膨胀涡轮机的排放出口连接，使得工作流体的第二部分以及从第一膨胀涡轮排放的气体被组合并且被引导到第一再加热器中，以使用周围环境或废热再加热。
因此，本发明结合了朗肯循环和布雷顿循环。
压缩机通常由电动马达或类似设备驱动。
能够使用膨胀涡轮机中的一个或全部来驱动发电机，以从由膨胀涡轮机产生的旋转能量产生电。
低温流体在系统内起工作流体的作用。
通过本发明的布置，两个循环中的工作流体相同。另外，通过第二涡轮机的流体的质量流量本质上大于通过第一涡轮机的流体的质量流量。
流体泵将低温流体压缩为至少50巴，并且更通常超过100巴的高压。
该发电设备还可以包括过热器，以使用来自处于同一地点的过程的热源，将蒸发器输出的高压工作流体加热至高温。处于同一地点的热源可以来自周围环境、来自大气、大地、河流、海洋或湖泊水，或者来自废热源，诸如发电站，或者诸如钢铁厂或数据中心的工厂，或者例如发电站的冷却水的类似的低级废热源。过热器可以被定位在系统中在蒸发器和第一膨胀涡轮机之间。
穿过再加热器的组合流体流在第二膨胀涡轮机中膨胀为约为周围环境压力。第二膨胀涡轮机包括低压涡轮机，从该低压涡轮机提取功。
第二低压膨胀涡轮机的分开的排放物将流的一部分通过第一排放出口释放至周围环境，并且使其余部分循环至蒸发器，在蒸发器，低压工作流体与低温高压工作流体交换热能。得到的低压和低温气体在与第一高压膨胀涡轮机的排放物汇合之前在压缩机中被压缩。
再加热器使用周围环境或废热源，将从第一膨胀涡轮机排放的工作流体再加热。峰值循环温度由可用热源驱动。可用热源能够来自周围环境，来自大气、大地、河流、海洋或湖泊水，或者来自诸如发电站的处于同一地点的过程，或者诸如钢铁厂或数据中心的工厂，或者类似的低级废热源。
该设备还可以包括被定位在蒸发器与第一膨胀涡轮机之间的第三膨胀涡轮机和第二再加热器，以及被定位在第一再加热器和第二膨胀涡轮机之间的第四膨胀涡轮机和第三再加热器。在该情况下，被加热的低温工作流体通过两个高压级和两个低压级膨胀，并且压力在四个级中逐渐降低，在每个膨胀级之间存在级间再加热。在该情况上下，过热器可以被定位在蒸发器和第三膨胀涡轮机之间。
该设备还可以包括第二压缩机，用于在工作流体的第二部分第一次穿过蒸发器后压缩工作流体的第二部分，并且在工作流体的第二部分被第一压缩机进一步压缩之前，引导工作流体的第二部分第二次返回穿过蒸发器。在该布置中，工作流体的第二部分首先在蒸发器中冷却，并且然后在返回以在蒸发器中进一步冷却并且第一高压压缩机中压缩之前，由第二低压压缩机压缩。另外的压缩机通过采用级间冷却减少压缩机工作。
高压涡轮机级或多个级可以被安装在与压缩机或多个压缩机相同的动力轴上。这种布置具有通过较低驱动损耗，效率较高并且成本较低的优点。
根据本发明的设备可以被用作低温能量储存系统的电能回收组件。
相对于GB1100569.1中所述的冷冻机组，本发明的设备具有更高成本/效益权衡。发明人的计算指出，对于小于4％的设备成本提升，能够实现20％或更高的比功提高。在储存市场中，对于资金成本的适度增加，由本发明的提高的效率导致的操作成本明显下降将更有利。
本发明提供优于图2、3a、和3b中所示的设备的许多明显优点。这些优点包括：
1.降低的零件数以及因此的成本。发明人已经计算出，对于20％的效率提高，本发明相对于GB1100569.1的单循环冷冻机组的成本提高小于4％。对于类似的效率提高，图2、3a、和3b中所示的设计将可能导致20至40％的成本提高。
2.简化的流体处理。闭式朗肯和布雷顿循环需要单独的流体回路，这导致防止流体交叉污染时的相关复杂性。本发明的系统不受这种复杂性影响。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1示出与处于同一地点的废热源以及从远程定位的空气分离厂的致冷剂输送选项相关的冷冻机组的构造；
图2示出具有朗肯底循环的冷冻机组；
图3a示出具有闭式布雷顿底循环的冷冻机组；
图3b示出具有开式布雷顿底循环的冷冻机组；
图4示出具有两个涡轮机级的本发明发电设备和方法的第一实施例；
图5示出示出图4中所示的本发明第一实施例的温度熵图；
图6示出具有四个涡轮机级的本发明发电设备和方法的第二实施例；并且
图7示出具有四个涡轮机级和两个压缩机级的本发明发电设备和方法的第三实施例。
具体实施方式
图4中所示的本发明的第一实施例由低温储罐400组成，低温或工作流体被从低温储罐400输送至高压泵410。低温流体被压缩为至少50巴，并且更通常地超过100巴的高压。然后，在被称为蒸发器的热交换器420中加热该高压流体，其中热能在来自罐的低温工作流体和组合循环的布雷顿回路中的低压工作流体之间传递。可选地，在过热器430中，从诸如来自发电站的冷却水的处于同一地点的废热源480添加进一步的热。现在如果压力在临界压力以下则为气态，或者如果温度和压力条件超临界则为液态的、得到的高压流体通过第一高压涡轮机440膨胀，从该第一高压涡轮机440提取功。来自高压涡轮机的排放物与来自布雷顿循环回路压缩机470的排出物结合，并且在再加热器450中使用周围环境或废热480再加热。组合流(朗肯回路和布雷顿回路)在从其提取功的低压涡轮机460中膨胀为约为周围环境压力。然后，涡轮机的排放物被分离，流的一部分通过排放口490被释放至周围环境，并且其余部分被循环至蒸发器420，在蒸发器420，低压工作流体与低温高压工作流体交换热能。来自排放口490的稳态流量等于来自低温储罐的质量流量。循环至蒸发器420的排放物部分是低压并且低温的气体，其在与高压涡轮机440的排放物汇合之前在压缩机470中被压缩。朗肯回路和布雷顿回路中的工作流体本质上相同。
在图5中的温度-熵图上表示该循环，其中图5的图上所示的状态数字对应于图4中的六边形中所示的带数字位置。
在图6中所示的本发明的第二优选实施例中，向过程添加两个另外的涡轮机级，以提高从工作流体回收功。发明人已经发现，通过以下方式，实现明显改进的性能：通过两个高压级441和442以及两个低压级461和462使被加热的低温工作流体膨胀，其中压力在四个级中逐渐降低，并且在每个膨胀级之间级间再加热。通过这种方式，膨胀过程更接近理想的等温情况。完整过程如下：低温工作流体首先被从罐400输送至高压泵410。然后，在蒸发器420中加热现在为高压的流体，在蒸发器420中，与布雷顿回路中的低压流体热交换。然后，可选地，在过热器430中，进一步由废热或周围环境热加热高压变暖的工作流体。然后，高压和高温工作流体在高压涡轮机441中膨胀，在再加热器451中再加热，并且在另一高压涡轮机442中膨胀。然后，工作流体与来自布雷顿回路的高压进料结合，并且在另一再加热器452中加热。流体在低压涡轮机461中膨胀，然后在另一再加热器453中再加热，最后在另一低压涡轮机级462中膨胀。最终的低压涡轮机的排放物被划分为再循环流和排放流490。再循环流首先在蒸发器420中冷却，然后在与再加热器452上游的主工作流体流结合之前在压缩机470中压缩。在下表(表1)中示出循环附近的各个点处的典型温度、压力和质量流量，并且参考图6中的六边形中所示的带数字位置。
应注意，表1中所示的状态涉及本发明的一个实例，其在相对低的压力(100巴的级1涡轮机进口)下操作，符合易于获得的涡轮机器的操作压力。发明人的分析已经指出，能够在这种设备应当可获得的更高峰值工作流体压力下实现更好的性能。
在图7中所示的另一实施例中，向系统添加另外的压缩机级，以利用级间冷却，减少压缩机工作。低压布雷顿回路工作流体在蒸发器420中冷却，并且在返回以在蒸发器中进一步冷却和在高压压缩机471中压缩之前，首先由低压压缩机472压缩。通过这种设计，减少了压缩机的工作，但是代价是另外的压缩机级的复杂性。
在图中未示出的另一实施例中，高压涡轮机级440或级441和442被安装在与压缩机470或压缩机471和472相同的动力轴上。发明人已经发现，高压涡轮机级传输的电能几乎严格符合最佳运行条件下的压缩机电能需求。通过经由消除与压缩机连接的电马达并且降低电能输出，因此减小被连接至涡轮机的发电机的尺寸，使驱动损失较低，该实施例具有更高效率和更低成本两个优点。虽然在该实施例中，发电机的输出降低，但是系统的净输出保持与前一实施例相同，因为通过由高压涡轮机直接驱动压缩机，消除了压缩机马达的寄生电负荷。

Claims (18)

1.一种能量产生设备，包括：
储存罐，用于储存低温流体，
流体泵，用于将从所述储存罐获得的低温流体压缩到高压，
蒸发器，用于蒸发高压低温流体，以提供高压气体，
第一膨胀涡轮机，用于使所述高压气体膨胀，并且从所述高压气体提取功；
第一再加热器，用于使用周围环境或废热，对从所述第一膨胀涡轮机排放的气体再加热；
第二膨胀涡轮机，用于使从所述第一再加热器排放的工作流体膨胀，并且从排放自所述第一再加热器的工作流体提取功；其中
所述第二膨胀涡轮机具有排放出口，所述排放出口分为第一和第二路径，使得从所述第二膨胀涡轮机排放的工作流体被划分为第一和第二部分，其中，所述工作流体的第一部分被沿所述第一路径通过所述第一排放出口引导至周围环境，并且所述工作流体的第二部分被沿所述第二路径引导至所述蒸发器的进口，使得所述工作流体的第二部分与所述蒸发器内的所述高压低温流体交换热能；和
第一压缩机，用于在所述工作流体的第二部分穿过所述蒸发器后压缩所述工作流体的第二部分，其中，所述压缩机的排放出口与所述第一膨胀涡轮机的排放出口连接，使得所述工作流体的第二部分以及从所述第一膨胀涡轮排放的气体被组合并且被引导到所述第一再加热器中，以使用周围环境或废热再加热。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，使用所述第一和第二膨胀涡轮机中的至少一个产生电力。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其中，所述流体泵用于将所述低温流体压缩为至少50巴的压力。
4.根据任一前述权利要求所述的设备，进一步包括过热器，用于使用来自处于同一地点的过程的热源，将从所述蒸发器输出的高压工作流体加热至高温。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述处于同一地点的热源是周围环境、大气、大地、河流、海洋或湖泊水，或者来自发电站或工厂的废热。
6.根据任一前述权利要求所述的设备，其中，所述第一膨胀涡轮机被安装在与所述第一压缩机相同的动力轴上。
7.根据任一前述权利要求所述的设备，进一步包括：
被定位在所述蒸发器与所述第一膨胀涡轮机之间的第三膨胀涡轮机和第二再加热器，和
被定位在所述第一再加热器和所述第二膨胀涡轮机之间的第四膨胀涡轮机和第三再加热器。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一和第三膨胀涡轮机被安装在与所述第一压缩机相同的动力轴上。
9.根据任一前述权利要求所述的设备，进一步包括第二压缩机，用于在所述工作流体的第二部分第一次穿过所述蒸发器后压缩所述工作流体的第二部分，并且在所述工作流体的第二部分被所述第一压缩机压缩之前，引导所述工作流体的第二部分返回第二次穿过所述蒸发器。
10.当从属于权利要求8时根据权利要求9所述的设备，其中，所述第一和第三膨胀涡轮机被安装在与所述第一和第二压缩机相同的动力轴上。
11.一种具有电能回收组件的低温能量储存系统，包括根据任一前述权利要求所述的设备。
12.一种产生能量的方法，包括：
在储存罐中储存低温流体；
从所述储存罐提取所述低温流体，并且使用流体泵，将所述低温流体压缩为高压；
在蒸发器中蒸发所述高压低温流体，以提供高压气体；
使用第一膨胀涡轮机使所述高压气体膨胀，并且从所述高压气体提取功；
使用第一再加热器和周围环境或废热，再加热从所述第一膨胀涡轮机排放的气体；
使用第二膨胀涡轮机，使从所述第一再加热器排放的工作流体膨胀，并且从排放自所述第一再加热器的工作流体提取功；其中
所述第二膨胀涡轮机具有排放出口，所述排放出口分为第一和第二路径，使得从所述第二膨胀涡轮机排放的工作流体被划分为第一和第二部分，其中，
所述工作流体的第一部分被沿第一路径通过第一排放出口引导至周围环境，并且所述工作流体的第二部分被沿第二路径引导至所述蒸发器的进口，使得所述工作流体的第二部分在所述蒸发器内与所述高压低温流体交换热能；并且
使用第一压缩机，以在所述工作流体的第二部分穿过所述蒸发器后，压缩所述工作流体的第二部分，其中，所述压缩机的排放出口与所述第一膨胀涡轮机的排放出口连接，使得所述工作流体的第二部分以及从所述第一膨胀涡轮机排放的气体被组合并且被引导到所述第一再加热器中，以使用周围环境或废热再加热。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括使用所述第一和第二膨胀涡轮机中的至少一个，以驱动发电机并且产生电力。
14.根据权利要求12或13所述的方法，进一步包括使用过热器和来自处于同一地点的过程的热源，以将从所述蒸发器输出的高压工作流体加热至高温。
15.根据权利要求12至14中的任何一项所述的方法，进一步包括：
使用第三膨胀涡轮机使所述高压气体膨胀；
使用第二再加热器，将从所述第三膨胀涡轮机排放的气体再加热；和
使用第四膨胀涡轮机，使从所述第一再加热器排放的工作流体膨胀；和
使用第三再加热器，将从所述第四膨胀涡轮机排放的气体再加热。
16.根据权利要求12至15中的任何一项所述的方法，进一步包括使用第二压缩机，以在所述工作流体的第二部分第一次穿过所述蒸发器后压缩所述工作流体的第二部分，并且在所述工作流体的第二部分被所述第一压缩机压缩之前，引导所述工作流体的第二部分返回第二次穿过所述蒸发器。
17.根据任一前述权利要求所述的设备或方法，其中，所述低温流体包括液态氮、液态空气或液态天然气。
18.一种基本如上文参考图4至7所述的设备和方法。
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