CN104662262B - 高效率发电系统和系统升级 - Google Patents

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Abstract

热/电动力转换器包括：气体涡轮机，具有可联接至惰性气体热动力源的输出的输入；压缩机，包括可联接至惰性气体热动力源的输入的输出；以及发电机，联接至气体涡轮机。热/电动力转换器还包括热交换器，具有联接至气体涡轮机的输出的输入和联接至压缩机的输入的输出。热交换器包括串联联接的过热器热交换器、沸腾器热交换器和水预加热器热交换器。热/电动力转换器还包括储存罐和配置成调整热/电动力转换器的动力输出的储存罐控制阀。

Description

高效率发电系统和系统升级
相关申请的交叉引用
本申请要求由威廉·爱德华·辛普金(W·E·辛普金)在2012年8月22日提交的题为“高效率改造”(Hi Eff Mod)的美国临时申请序列号No.61/691,955的优先权，该申请与本申请共同受让并且通过引用合并于此。
技术领域
本发明一般涉及发电系统，并且更具体地涉及用于采用布雷顿(Brayton)闭合循环发电设备来发电并提供用于热驱动负载的热源的系统和方法。
背景技术
烧煤发电是21世纪发电困境中的关键性的一个。全球电力的百分之五十五来自烧煤。由烧煤所形成的烟气排放包含宽范围的难以治理的改变气候与损害健康的化合物。例如，二氧化碳(改变气候的气体)，在发电设施中从经济上考虑事实是不可能消除。代替煤的天然气的使用，减少了但并未消除二氧化碳。煤和天然气两者还排出产生臭氧(ozone)的气体以及烟尘颗粒，从排气和烟气中提取是成本高的。
用于家庭的空间与水加热的天然气基础设施被完全开发为优选的燃料源。对于地面运输且作为用于宽范围的化学处理的原料是有利的。然而，可得到的天然气储藏比煤有限得多。用于发电的天然气的使用从长远观点来看似乎是被引入歧途的。
为提供一种视角，田纳西河流域管理局(“TVA”)金士顿化石电站一天烧大约14,000吨的煤，但是每天产生高于50,000吨的二氧化碳。未提及臭氧的排出和颗粒排放。该电站向700,000个家庭提供电力，但是要求必须从地里挖出且运输至金士顿的煤的每天140个货运车厢装载量的传输。煤开采、横越全国传输、现场处理以及燃烧可以直接关系到人力成本，并且可以直接关系到对于仅该一个电站的安装环境劣化。
世界电力的大约百分之二十生产自具有不同的公众接受程度的水冷核裂变，不同的公众接受程度从被动但不情愿的接受的到绝对要求消除核动力的歇斯底里的恐惧。现有的核电站提供固有的风险，但是被按照优异的安全规范进行工程设计和操作。核电站最初设计为20年的寿命。越来越多的核电站接近60年的寿命。在全面检查和分析之后重复授予10年和20年的操作许可证延长。对于电站老龄化的令人满意的解决方案是难以找到的。
人口增长、提高的生活水平以及经济增长正在使全世界的输电电网产生容量余地处在危险之中。节约和可供选择的产生源是有帮助的，但是不期望满足日益增长的需求。另外，规划了全世界的为用于空调的日益增长的需求和用于电动汽车的预期的需求提供动力的电需求增长，以致进一步过度增加了现有电网容量的压力。显然，存在着用于更多电力的日益增长的需求，但是当前的发电方法是有问题的并且是不可持续的。
1824年，萨迪·卡诺(Sadi Carnot)描述了取决于最高热输入温度和最低废热温度的完美发动机的最终热机效率极限。朗肯(Rankine)、狄赛尔(Diesel)、奥托(Otto)和布雷顿设想了基本发电发动机循环并且其他人对这些基本发动机进行了完善。阿特金森循环是奥托和狄赛尔循环的近年来的改进。通用电气(“GE”)和西门子开发了开放气体涡轮/蒸汽联合循环发电站。各自对电力生产技术做出了独特的贡献。
基于蒸汽的朗肯循环发动机在发电上占据主要地位。朗肯循环发动机具有两个可能的能量源，烧煤或其他化石燃料以及核裂变。在两者中，处于高压的过热蒸汽驱动涡轮机，涡轮机进而驱动电交流发电机。在闭合系统中，水和蒸汽稳定的、连续的、再循环流过锅炉、涡轮机、冷凝器和水泵。热源是煤、低级(sub-grade)烃或天然气的外部燃烧，或者来自沸水核反应堆。废热在蒸汽冷凝热交换器中在环境露点(dew)温度或接近环境露点温度时被从涡轮机排气中排出。该低温的废热排出温度是正常循环效率在百分之(“％”)35至40％的范围内的关键。然而，连续的、过热的蒸汽涡轮机入口温度被限制为大约1000度(“°”)华氏(“F”)以避免涡轮机叶片的氢脆(hydrogen enbrittlement)。该材料限制排除了在以较高过热蒸汽温度进行操作的较高效率。该过热蒸汽温度限制对于两种燃烧以及核热源都存在。
燃煤机组一般采用以煤/化石为燃料的、闭合朗肯循环(蒸汽)发电站、通过在锅炉中烧煤以对水进行加热从而产生蒸汽来发电。处于巨大压力的蒸汽流入涡轮机内，该涡轮机使发电机旋转以发电。蒸汽被冷却、冷凝回水，并且水被泵吸返回至锅炉以使过程继续。
例如，在田纳西州诺克斯维尔附近的TVA的金士顿化石电站(Kingston FossilePlant)处的燃煤锅炉将水加热至大约1000°F(540°摄氏(“C”)以创建蒸汽。蒸汽被以超过1,800磅每平方英寸(130千克每平方厘米)的压力管道传输至涡轮机。涡轮机被连接至发电机并接着使其以3600转每分钟的速度旋转，以产生例如20,000伏的交流电。河水通过管子被泵吸在冷凝器中以使从涡轮机排出的蒸汽冷却和冷凝。金士顿发电站一年发电大约100亿千瓦小时，或者供给700,000个家庭的足够的电。如在上文中先前所述的，为该满足该需求，金士顿一天烧大约14,000吨的煤，这样的量将每日填满140个铁路车厢。
开放布雷顿循环一般用在烧液体或气体化石燃料的涡轮机与联合循环发电站中，并产生棘手的环境压力源(stressor)。然而，由超合金材料形成以限制氧化和蠕变温度特性的涡轮机叶片以及其他结构将涡轮机操作温度限制为大约2000°F至2100°F。复杂的内部涡轮机叶片冷却系统使得涡轮机入口气体温度能够超过2500°F，但是这些高温度产生了全范围的有害臭氧活性剂以及高水平的氮和氮氧化物(“NOx”)。500°F至700°F的典型涡轮机排气温度将效率损害至百分之40几的范围(mid-40percentage range)。在传统的以化石为燃料的发电站中，无论设计用于蒸汽还是气体的涡轮机，燃烧产物是作为环境压力源的产生臭氧的气体、二氧化碳以及颗粒烟尘。这些有毒排气产物不能被容易地消除，并且将其降低的成本高。从燃煤锅炉中去除挑战气候稳定性的二氧化碳在这个时候是不实际的。
在核动力的发电站中，通过水与裂变反应燃料棒的接触冷却产生高压蒸汽。在加热过程中，循环水和蒸汽变成放射性的。该大量的放射性污染的水是所有现有的核电站中的不可避免且不幸的副作用。结果，所有现有的核电站都必须绝对防止水和蒸汽放气或泄漏。它们还必须在所有操作模式中被主动地控制以防止“融化”(melt-down)和伴随的水离解、氢爆炸以及放射性气体、液体和粒子的不受控的扩散。这些类型的故障的预防是安全文化中的工程设计、制造以及警戒操作方面的全面且详尽性优异的高度成果。
尽管有这些预防措施，在过去的半个世纪中还是发生了包括没有损伤的三里岛在内的三起反应堆融化事件。另一事故发生在切尔诺贝利，31人当场死亡以及1000平方公里区域的长期疏散、再加上未公开的高度的人类和动物疾病与早期死亡。2011年，日本福岛发电站的多起融化跟随具有极大灾难的海啸而发生。
传统的发电途径的限制现在已成为具有高效率以及低水平不期望的环境污染物的大规模发电的基本障碍。没有出现令人满意的策略以提供用于解决这些争论的可持续的长期的解决方案。于是，现有技术中需要克服当前解决方案中的缺陷的新途径。
发明内容
通过本发明的优越的实施例，一般解决或避免了这些以及其他问题，并且一般获得了技术优点，在本发明的优越的实施例中，引入了包括热/电动力转换器在内的发电系统。在一个实施例中，热/电动力转换器包括：闭合循环气体涡轮机，其具有可联接至惰性气体热动力源的输出的输入；压缩机，其机械地联接至气体涡轮机，包括可联接至惰性气体热动力源的输入的输出；和发电机，其机械地联接至气体涡轮机。热/电动力转换器还包括热交换器，其具有联接至气体涡轮机的输出的输入和联接至压缩机的输入的输出。热交换器包括串联联接的过热器热交换器(super-heater heat exchanger)、沸腾器热交换器(boiler heat exchanger)和水预加热器热交换器(water preheater heat exchanger)。热/电动力转换器还包括惰性气体储存罐，其经由储存罐控制阀联接至压缩机的输入并经由另一储存罐控制阀联接至压缩机的输出。储存罐控制阀和另一储存罐控制阀被配置成调整热/电动力转换器的动力输出。
前述内容相当宽地概括了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下发明的详细描述。发明的附加特征和优点将在下文中描述，其形成了发明的权利要求的主题。本领域技术人员应该理解的是，可以将所公开的概念和特定实施例用作用于对执行本发明相同目的用的其他结构或过程进行变型或设计的基础。本领域技术人员还应该认识到的是，这样的等同构造不脱离随附权利要求中所陈述的发明的精神和范畴。
附图说明
为了更完整地理解本发明，现在对结合附图做出的以下描述进行参照，其中：
图1和图2图示了发电系统的实施例的图；
图3图示了发电系统的热交换器的实施例的图；
图4图示了惰性气体动力源的实施例的正视图；以及
图5图示了用于提供用于热驱动过程负载的动力的方法的实施例的流程图。
不同图中的相应的数字和符号一般是指相应的部件，除非另有说明，并且可以在第一实例之后为了简洁起见不进行重新描述。多个图被绘制用于图示示例性实施例的有关方面。
具体实施方式
下面详细讨论本示例性实施例的构造和使用。然而，应该理解的是，实施例提供了很多适用的发明性构思，这些发明性构思可实现在宽种类的特定背景中。所讨论的特定实施例是构造和使用与用于产生热动力源的过程相关联的系统、子系统和模块的仅说明性的特定方式。
采用了开放布雷顿-闭合朗肯联合循环的联合气体/蒸汽循环发电包括烧燃料的气体涡轮机和烧燃料的蒸汽涡轮机发电机。热的涡轮机排气能量在锅炉中被回收以部分地产生蒸汽发电站的蒸汽和过热蒸汽。然而，联合循环发电布置要求具有高性能气体涡轮机和完整蒸汽发电站两者的满载设施成本的满额的复杂且高成本的组成部件及控制。仍然存在复杂且宽范围的超高温燃烧与环境压力源，这抵消或缩减了联合循环发电布置的一些价值。
通过引用合并于此的于1995年7月11日发布的由W·E·辛普金题为“高效率发电”的美国专利No.5,431,016(以下称作“辛普金1”)描述了形成有由闭合布雷顿循环提供动力的轻质气体反应堆的发电系统，闭合布雷顿循环排出废热以供给用于基于蒸汽的朗肯循环的能量。物理应用指向于指定所有超高温部位中的碳-碳材料。辛普金1采用了超高温轻质气体以在降低各循环的限制的同时从两种循环的能量效率优点中获益。辛普金1是利用卡诺原理产生较高效率的发电的进步。描述了提高整体的、复合循环效率的综合途径。
辛普金1还包括传统钢结构内的用于包含极高温管道和压力容器的设计概念。辛普金1的一部分后来被作为通过引用合并于此的于1999年4月27日发布的由W·E·辛普金题名的“辐射对流导热流隔离屏障(Radiation Convection Conduction Heat FlowInsulation Barriers)”的美国专利No.5,896.895(以下称作“辛普金2”)发布。最初的隔离概念保留在辛普金1中公开的“高效率发电”描述中。
轻质气体(例如，氦，“He”)反应堆一般称作第四代新兴核反应堆，其具有由固有的安全方面激励的很长的研发(“R&D”)历史。氦是在反应堆设计中遇到的所有压力和温度中独特的完全稳定的气体。甚至在高强度辐射或极高温度中氦也不会变成放射性的。它不会改变状态并且是绝对惰性的。氦不会与有机或无机的原子或分子产生化学作用。它的惰性对于表面反应是绝对均匀的。氦不会在反应堆冷却应用中遇到的温度中电离并且不会改变它的原子结构。
先进的核技术由第四代国际论坛全球性地协调。六个第四代核反应堆开发计划中的两个是氦冷却的。极高温度反应堆(“VHTR”)是2013年修建的全规模原型的热反应堆，并且现在正经历组成部件测试和开发的气冷快中子增殖反应堆(“GFR”)比VHTR晚部署七至十年。这两个氦冷反应堆在它们的中子行动过程和生命周期中显著不同。作为极高温度氦流动的产生者，它们是很类似的。利用VHTR和GFR的应用在这里描述为为了提供极高温度氦的热源而在功能上可互换的。
已规划了GFR以有益地降低困难且成本高的核废料存储问题。现有的核废料将在GFR电力生产中提供即使没有数世纪也有数十年的非常低成本的燃料供给。GFR是提取潜在的可裂变材料中的几乎全部并留下了低水平的残留辐射废料的快中子增殖反应堆(fastneutron breeder reactor)。第四代核电站包括氦冷(轻质气体)反应堆，因为它们固有地安全的并且是环境无害的。热版的VHTR和GFR提供了超越用于两个反应堆的当今的高性能的很有可能进一步的增长潜力。
VHTR是具有热中子能谱的石墨减速氦冷反应堆(graphite-modulated,helium-cooled reactor)。VHTR被设计成能够为宽范围的高温且能量密集的过程供给电和过程热(process heat)的高效率系统。形成有连接至中间热交换器的600兆瓦热(“MWth”)堆芯的美国能源部(“DOE”)基准反应堆能够传输过程热例如高达900°C(1652°F)。反应堆堆芯根据燃料粒子的结构可以是棱柱块堆芯(prismatic block core)或球床堆芯(pebble-bedcore)。燃料粒子被用耐高温的连续材料层涂敷，并且接着或者被形成为嵌入到用于棱柱块型堆芯反应堆的六边形石墨块内的燃料压缩体或棒，或者被形成为用于球床堆芯的涂敷有石墨的球。反应堆产生具有高达大约1000℃的堆芯出口氦温度的热。闭合氦回路可以使得能够提供诸如氢生产或用于石化工业的过程热等的非电力生产的应用。要求比由反应堆供给所供给的温度低的温度的热过程(thermal processes)可以被配置成供给应用特定的压缩机-涡轮机-发动机组，其提供应用特定的涡轮机排出温度。作为核热产生过程的应用，可以通过利用热化学碘-硫过程(iodine-sulfur process)或者通过施加蒸汽重整(steamreformer)技术利用附加天然气的高温电解过程而仅从热和水中高效地生产氢。原型VHTR是在2013年为了2010年代中期的示范试验而建造的，并且组成部件和子系统测试具有GFR的证明了的固有安全特征。
因此，VHTR提供了用于高效率电生产以及宽范围过程热应用的热源，同时还在正常以及非正常事件中保留期望的安全特征。在诸如美国圣符仑堡和桃底原型以及德国的AVR和THTR原型等的先前的高温气体反应堆电站中已经很好地建立了用于VHTR的基本技术。该技术通过由诸如在南非、日本、法国、韩国和美国的PBMR、GTHTR300C、ANTARES、NHDD、GT-MHR和NGNP等的多个电站供应商和国家实验室领导的短期或中期项目而正在进步中。诸如在日本的HTTR(30MWth)和在中国的HTR-10(10MWth)等的实验反应堆支持先进的概念开发，以及电与核热生产应用的热电联产。
GFR系统采用快中子能谱氦冷反应堆以及闭合燃料循环。DOE第四代GFR示范项目使用用于电产生的直接循环氦涡轮机，或者可以可选地使用其过程热用于氢的生产。通过快中子能谱与锕系元素的完全循环再利用的组合，GFR降低了长久的放射性废料的产生。GFR的快中子能谱还使得能够比采用单程(once-through)的燃料循环的热能谱气体反应堆更加高效地使用可得到的裂变且增殖的材料(包括贫铀)。多个燃料形式是保持用于以极高温度操作的潜力并且确保优异的裂变产物的保留的候选。燃料形式包括混合陶瓷燃料、先进燃料粒子或者锕系化合物的陶瓷包覆的元件。堆芯配置可以基于以针或板为基础的组件或基于棱柱块。DOE第四代GFR基准引用了集成的现场“核废料”再加工电站GFR燃料供给。通过快中子能谱与锕系元素的完全循环再利用的组合，GFR开发了成本非常低的电力并且降低了长久的放射性废料的产生。
如这里所引入的，复合发电设备形成具有两个相互依赖的闭合循环的涡轮机驱动的交流发电机。闭合循环布雷顿惰性气体(例如，氦)涡轮机/交流发电机发电系统被联接至闭合循环朗肯蒸汽涡轮机/发电机并将过热蒸汽供给至该闭合循环朗肯蒸汽涡轮机/发电机。经过彻底检修的候选的(即退役的)或新的朗肯蒸汽涡轮机/发电机被采用用于朗肯发电过程。朗肯蒸汽涡轮机/发电机以受控的量、压力和温度从提取自热交换器提取的能量接受蒸汽，热交换器来自由布雷顿发电系统生产的高温氦涡轮机流出气体。布雷顿循环气体涡轮机由惰性轻质气体反应堆(例如，VHTR或GFR)提供动力。供给至朗肯蒸汽涡轮机/发电机系统的蒸汽温度被设定且控制为取决于应用的温度水平，以足以为朗肯蒸汽涡轮机/发电机负载提供动力。
布雷顿发电系统中采用的涡轮机具有低的定制的压力比，以及低成本的压缩机和气体涡轮机。因此，布雷顿发电系统根据用于整合到现有的蒸汽涡轮机发电机中以形成复合发电站的规范产生电力并提供过热蒸汽。在实施例中，布雷顿发电系统为诸如氢生产或石油提纯等的热驱动的化学或提纯过程提供动力。这样的化学或提纯过程可以是吸热的或放热的。
这里引入的发电体系结构技术开发时刻到来，其中安全、健康和环境因素比获得创纪录的系统效率具有更重大的后果。健康和安全上的深远进步以及环境压力源的消除可以用现有的实用的发电站的所描述的改造来获得。另外，这里引入的改造可以容易地使现有电站容量增加40％或更高，具有用于进一步容量增长的潜力。
发电改造同样适于或者燃化石燃料的或者核动力的电站。现有的以化石为燃料的或核动力的电站中的热源系统和锅炉将被去除。电站的剩余部分、蒸汽涡轮机、交流发电机、冷凝器、泵以及电气和控制系统元件和以前一样继续使用。
附加的大的经济节约来自于使用相同的场地、相同的配电系统、相同的支持与物理基础设施以及不变的冷却水供给与蒸汽冷凝器系统。如这里所引入的，蒸汽发电设备的改造提供复合电站容量和效率上的大的增加。经过再加工的“核废料”可以为GFR提供低成本燃料的充裕的供给。这些经济杠杆为实施被束之高阁的电站的高效率改造或者代替必要的主要检修提供了动机。
经改造的发电站可以提供对于实用性可观的财务效益。可以将有价值的资产收回再利用，包括场地、转动系统、冷却冷凝系统、电的基础设施/电网连接以及商业基础设施的功能性元件。因此，可以得到使用充裕的、低成本燃料的可观的电站容量增加，由此提供了比先前采用的解决方案更安全且更干净的发电解决方案。
现在转到图1，图示的是发电系统的实施例的图。发电系统包括具有布雷顿闭合环路发电和处理系统以及朗肯闭合环路动力处理系统的两个相互依赖的闭合环路热/电动力系统。图1图示的元件未按比例绘制。
热/电动力转换器102形成有全部经由可转动轴130机械地联接的发电机(诸如交流发电机等)110、气体涡轮机112以及压缩机114。发电机110的电力输出111可以通过开关设备和可选的功率转换器113被联接至诸如交流(“ac”)或直流(“dc”)电力网等的电力网106。发电机110是能够根据其设计产生ac输出或者dc输出的电-机械装置。术语“交流发电机”在这里将用于指能够产生ac输出的电-机械装置。开关设备和可选的功率转换器113可以包括ac变压器和反相器。
在实施例中，可选的功率转换器113可以被用于成将发电机110的dc输出转换成频率适于连接至电力网106的ac。在实施例中，可选的功率转换器113可以被用于将发电机110的一频率的ac输出转换成适于连接至电力网106的另一频率。可以在气体涡轮机112与发电机110之间联接可选的齿轮箱，以提供与发电机110的相对于气体涡轮机112的转动速率不同的转动速率。
气体涡轮机112的输入124被联接至诸如VHTR或GFR氦冷轻质气体反应堆等的高温高压惰性气体热动力源(称作“惰性气体动力源”或“惰性气体热动力源”)101。在下文中参照图4图示并描述了示例的高温高压氦冷气体动力源。诸如但不限于氩、氙和氖等的其他惰性气体在本发明的宽范畴内被预想作为用于惰性气体动力源的热传送/工作流体介质。气体涡轮机112的低压输出128被联接至热交换器140的高温输入129。热交换器140的低压输出126被联接至压缩机114的低压输入123。压缩机114的高压输出121经由返回线122被联接至惰性气体动力源101的输入。
诸如VHTR或GFR等的惰性气体反应堆可以将粉尘粒子引入到惰性气体流内，特别是用球床反应堆。随着时间的推移，粉尘粒子可以侵蚀气体涡轮机和压缩机叶片，并且甚至侵蚀管道弯折处的惰性气体管道。为了从惰性气体流中去除这样的粉尘粒子，可以在热交换器140的低压输出126与压缩机114的低压输入123之间安装过滤器131，安装过滤器131的部位是低温位置。在实施例中，这样的过滤器131可以具有7的最小等效报告值(“MERV”)。
热/电动力转换器102在这里被假定为可在其输入与联合输出之间操作，联合输出包括发电机110的电力输出111以及在热交换器140的高温蒸汽输出142与低温流体水输入144之间的热输出，其中热交换器140具有高度高效的动力转换。这假定发电机110能够以基本上100％的动力转换效率操作。能够操作成在高电力发电站中将机械轴动力转换成电输出的实用发电机一般可以获得在90％几的范围至90％几的范围内靠后的(mid-to high-90％range)动力转换，并且这里该高功率发电设备的略不完美的动力转换效率被忽略掉。这样的机械-电动力转换电站不受由卡诺循环强加的第二定律效率约束的限制。
热交换器140的高温蒸汽输出142被联接至热驱动朗肯循环发电站(也称作“发电站”)104的输入。在实施例中，在热交换器140的高温蒸汽输出142处产生的热能可以将动力输入提供至可以是现有的经过改造的蒸汽驱动电站的发电站104。发电站104的高压被冷却的水输出被联接至热交换器140的低温流体水输入144。因此，除了发电机110的小的低效率以外，基本上热/电动力转换器102的整个热输出都被供给至发电站104。除了用于发电机110的适度冷却以外，基本上不需要联接至热/电动力转换器102的热沉。
在计算系统性能评价时，为了方便起见，在计算热交换器压降时包括管线压力损失。在热交换器140的输入侧的小的压降不会对系统低效率做贡献。热交换器140的小压降简单地通过操作压缩机114与气体涡轮机112之间的压力差来调节。可能用于冷却发电机110(或其他系统元件)的被加热的水或其他被加热的流体的热含量可以在被供给至压缩机114之前对热交换器140的高温蒸汽输出142处的低压的被冷却的氦进行预加热，以便为热/电动力转换器102提供进一步的效率增加。
发电站104能够以传统的方式操作。来自热交换器140的高温蒸汽输出142的高压高温蒸汽被联接至发电站104的气体涡轮机152的高压高温输入。发电站104的发电机150被机械地联接至气体涡轮机152的可转动轴，并且发电机150的电功率输出151可以通过在功能上可与上文先前描述的开关设备和可选动力转换器113类似的开关设备和可选动力转换器153被联接至电力网106。发电机150联接至其上的电力网可以与热/电动力转换器102的发电机110联接至其上的电力网相同或不同。
气体涡轮机152的低压蒸汽输出154被联接至发电站104的热交换器/冷凝器156的输入。传导低压被冷却的水的热交换器/冷凝器156的低温输出155被联接至发电站104的水泵160的低压输入。水泵160的高压水输出被联接至热交换器140的低温液体水输入144。热交换器/冷凝器156的高温水输出158被联接至诸如从河供给的冷却水等的低温热沉。热交换器/冷凝器156的低温(例如，40°F至80°F)液体水输入159被联接至低温热沉。热交换器/冷凝器156可以是对于排出到热驱动过程中的冷却水子系统的废热而言不变化的蒸汽冷凝器。
以在上文中描述的与对于在热交换器140的低压输出126之后安装的氦过滤器131方式类似的方式，可以将水过滤器引入到热交换器/冷凝器156与热交换器140之间的冷水回路中以去除悬浮粒子。
图1中图示的发电系统的整体动力转换效率是用发电机110、150的合计电输出除以在气体涡轮机112的输入124与压缩机114的高压输出121(至惰性气体动力源101)之间测量的热输入得到的值，并且在实际电站中可以是45％至50％或更高的数量级。典型的以核、天然气、油或煤为燃料的发电站的整体热效率典型地为百分之三十五左右，并且受实际朗肯循环气体涡轮机/压缩机动力转换器的卡诺效率的限制。如这里介绍的前端热/电动力转换器102的整体效率不受如此限制。
在示例的实施例中，惰性气体动力源101将具有大约1100MWth的能量流的处于大约1650°F的温度的惰性气体热源提供至气体涡轮机112的输入124。可以预想的是，惰性气体动力源101可以产生处于高达2500°F或更高(在示例中为1650°F)的温度的惰性气体，并且由惰性气体动力源101产生的处于较低温度的遗留热能可以被完全用于为热驱动闭合环路、朗肯循环蒸汽动力系统或者诸如例如产生气体氢的化学反应器等的其他由热提供动力的过程提供动力。气体涡轮机112的在该示例中的轴输出动力是大约230兆瓦热(“MWth”)，该输出假定对于该实施例而言被以100％的效率转换成大约230兆瓦电(“MWe”)。热交换器140产生大约870MWth，这是由惰性气体动力源101产生的1100MWth与由发电机110产生的230MWe之间的差。
还可以预想的是，高效气体涡轮机-压缩机-发电机组将以20,000转每分钟或更高的受控的转动速度转动。可以进一步预想的是，由碳-碳复合材料或诸如镍基合金、铬镍铁合金、镍基高温合金(Waspaloy)以及Rene合金等的超合金形成的气体涡轮机叶片将在高达2800°F温度下能够承受这样的转动速度。尽管如此，实际的高度高效的热/电动力转换电站可以较低转动速度或较低操作温度形成。
气体涡轮机112的低压输出128通过用第一储存罐控制阀117和第二储存罐控制阀118控制惰性气体动力源101中的惰性气体的量而被调整至大约960°F的温度，各储存罐控制阀被联接至惰性气体(例如氦)储存罐(也称作“储存罐”)116并与之串联。储存罐116提供热大小调节(sizing)功能，用于使热/电动力转换器102中的氦质量流与联接至其上的热驱动过程负载的热动力要求匹配，其中热驱动过程负载可以是先前由基于碳燃烧或基于核动力的动力源提供动力的现有运行的系统。储存罐116经由第一储存罐控制阀117被联接至压缩机114的低压输入123并经由第二储存罐控制阀118被联接至压缩机114的高压输出121，并且被配置成调整惰性气体动力源101和/或热/电动力转换器102的动力输出和/或温度。
作为示例，如果900MWe蒸汽电站由三个分歧的热/电动力转换器102支持，则由储存罐116提供的用于各转换器的氦供给将是使用各个第一和第二储存罐控制阀117、118“微调”(vernier)地修整，用于在提供气体涡轮机112的输出128处的特定温度的同时基本上完美地负载共享。在提供dc输出的速度可变化的涡轮机电站中，第一和第二储存罐控制阀117、118可以用于改变气体涡轮机112的输出128处的温度或输出动力。在采用了对于气体涡轮机112而言固定的转动速率的系统中，第一和第二储存罐控制阀117、118可以用于随后的负载。这是独特的，因为所有系统温度都可以是固定的并且部分负载效率将在联接至系统的电负载的范围内基本上不变。
在实施例中，气体涡轮机112被以基本上恒定的转动速度操作，使得联接至气体涡轮机112的可转动轴130的发电机110能够产生处于基本固定频率(例如，60Hertz(“Hz”))的ac输出。联接至压缩机114的低压输入123的低压冷却的氦为大约100°F。第一储存罐控制阀117被联接至热交换器140的低压输出126。第二储存罐控制阀118被联接至来自压缩机114的高压输出121的返回线122。储存罐116内的氦气体的压力在通入压缩机114的低压输入123处的氦压力与压缩机114的高压输出121处的氦压力之间的中间。通过打开第一储存罐控制阀117，来自储存罐116的氦流入到供给惰性气体动力源101的闭合循环氦环路内，由此增加了闭合循环氦环路中的整体氦压力。通过打开第二储存罐控制阀118，氦从返回线122返回至储存罐116，由此降低了闭合循环氦环路中的整体氦压力。以该方式，控制来自惰性气体动力源101的氦输出流的温度。
在示例系统中，在热交换器140的高温蒸汽输出142处产生的高压高温蒸汽为大约900°F。供给至气体涡轮机112的输入的高压蒸汽通过气体涡轮机152被降低成在气体涡轮机152的低压蒸汽输出154处的温度为大约80°F至100°F的低压蒸汽。发电机150被机械地联接至气体涡轮机152的可转动轴，产生了300MWe。剩余的热输出被传送至热沉(即，从河或其他大量水体供给的冷却水)。气体涡轮机152的低压蒸汽输出154处的低压蒸汽在热交换器/冷凝器156中被冷凝成大约相同温度的低压水。水泵160以基本相同的温度使处于其输出的水重新加压。
由图1中图示的热/电动力转换器102进行的发电系统的整体复合系统效率是大约230MWe(由发电机110产生的)加上300MWe(由发电机150产生的)除以1100MWth(由惰性气体动力源101产生的热)得到的值，这大约为45％至50％，是传统烧燃料的或以核为动力的发电站的效率的几乎两倍。
现在转到图2，图示的是发电系统的实施例的图。发电系统形成有具有布雷顿闭合环路发电的闭合环路热/电动力系统。图2中图示的元件未按比例绘制。
类似于图1的发电系统，发电系统包括热/电动力转换器102，热/电动力转换器102形成有全部经由可转动轴130机械地联接的发电机110、气体涡轮机112和压缩机114。发电机110的电功率输出111通过开关设备和可选的动力转换器113被联接至ac电力网106。为简洁起见将不重复热/电动力转换器102的与参照图1在上文中描述的那些元件类似的剩余元件的描述。
热交换器140的高温蒸汽输出142被联接至诸如化学处理或提纯过程等的吸热过程负载240的高温热输出。在实施例中，热交换器140的低温液体水输入144被联接至诸如河或可提供处于40°F至80°F范围内温度的冷却水的过滤器水管(screen)等的冷却水源258。在实施例中，热交换器140的低温液体水输入144被联接至热驱动过程负载240的低温水输出。在任一情况中，低温液体水输入144可以通过液体水泵260来循环。
吸热过程负载240由此基本上全部由发电系统提供动力，除了液体水泵260(或者，类似地，由图1中图示的液体水泵160)所需的相对非常小的动力以外。
吸热过程负载240可以是但不限于化学或提纯吸热系统，在实施例中可以被功能性地并入到由热交换器140表示的过程中。在这样的布置中，吸热过程负载240可以作为热源直接使用由热交换器140所表示的过程提供的高温蒸汽(或其他工作流体)。热交换器140的输出142和输入144可以携带过程流体。在实施例中，吸热过程负载240的废热可以被直接排出至诸如河等的热沉，或者至大气，有或没有进一步热交换。
热驱动过程负载240一般将产生可以在热交换器(例如，参照图1在上文中图示并描述的热交换器/冷凝器156)中被冷却和冷凝的高温蒸汽。作为可选方案，根据热驱动过程负载140的需要，高温蒸汽可以被排出至大气。因此，热/电动力转换器102可以用于为热驱动过程负载提供高温蒸汽或其他工作流体，并且同时生产出在本地产生的电，所有都是以环境敏感且安全的方式进行的。
图2中图示的发电系统的动力输出(或温度)可以经由储存罐控制阀被以与用于图1的发电系统的在上文中先前所描述的方式类似的方式进行调整，储存罐控制阀分别联接在惰性气体储存罐与压缩机114的输入和输出之间。
现在转到图3，图示了发电系统的热交换器140的实施例的图。热交换器140形成有串联联接的过热器热交换器310、沸腾器热交换器320和水预加热器热交换器330。过热器热交换器310被联接至热交换器140的高温输入129和高温蒸汽输出142。过热器热交换器310被配置成从高温输入129处存在的高温惰性气体提取热能给高温蒸汽输出142处的被过加热的蒸汽。高温输入129处存在的惰性气体的示例温度为960°F。在实施例中，惰性气体是氦。在高温蒸汽输出142处产生的被过加热的蒸汽的温度为900°F或更高，取决于过热器热交换器310的效率。过热器热交换器310因此是气体到气体(gas-to-gas)的热交换器。
沸腾器热交换器320的高温惰性气体输入被联接至过热器热交换器310的降低温度的惰性气体输出。沸腾器热交换器320的高温蒸汽输出被联接至过热器热交换器310的蒸汽输入。这些输入和输出处的流体的示例温度为大约650°F。沸腾器热交换器320因此是气体到沸腾液体(gas-to-boiling liquid)的热交换器。
预加热器热交换器330的进一步降低温度的惰性气体输入被联接至沸腾器热交换器320的低温惰性气体输出。预加热器热交换器330的高温水输出被联接至沸腾器热交换器320的热水输入。这些输入和输出处的流体的示例温度为大约600°F至650°F。热交换器140的低温热水输入144被联接至预加热器热交换器330的低温输入，并且预加热器热交换器330的低压低温惰性气体输出被联接至热交换器140的低压输出126。这些输入和输出处的流体的示例温度为大约80°F至100°F。预加热器交换器330因此是气体到液体(gas-to-liquid)的热交换器。
通过构造具有形成如上文中先前所描述的三个热交换器级的三个热交换器的热交换器140，能够获得高的整体热交换器效率。可以在这些热交换器级中的每一级中获得大约4％的惰性气体氦的实际压降。通过热交换器组件的整体压降因此将是大约(1-.04)3，这大约为11％至12％。流过惰性气体动力源101(参见图1)的惰性气体的压降将是大约5％。三个热交换器级与惰性气体动力源101(大约16％)的总压降是通过由压缩机114产生的压力与由气体涡轮机112(再次参见图1)吸收的压力的差构成的。没有净能量损失，因为归因于这些压降的各个低效产生了最终由联接至热交换器140的高温蒸汽输出142的热驱动过程负载吸收的热。
现在转到图4，图示的是惰性气体动力源(例如，GFR)101的实施例的正视图。GFR是能够用布雷顿闭合循环气体涡轮机操作的快中子增殖反应堆。GFR采用氦作为能够承受高温下的高压的收容容器(containment vessel)405内的堆芯冷却剂。反应堆堆芯420通过作为被允许在惰性气体动力源101的低温输入422处以诸如460°F等的低温进入并且在惰性气体动力源101的高温输出424处以诸如1650°F等的高温排出的工作流体的氦被强制对流冷却。反应堆堆芯420的动力水平由控制棒430控制。接近千兆瓦或更高的动力水平是在实际设计中期望获得的。
为了高效利用铀以及能够在高温输出424处产生高的气体温度(例如，2000°F或更高)的诸如钍等的其他裂变燃料源，反应堆堆芯420用快中子能谱操纵。氦是优选的制冷剂，因为它具有低的中子捕获截面并且不产生可能由水冷反应堆中的处于高温的蒸汽的离解所产生的诸如氢气等的爆炸气体。氦作为制冷剂具有其他优点，因为它在涡轮机中较低温度处不冷凝成可能侵蚀涡轮机叶片的表面的液滴，并且在核环境中不产生放射性同位素。GFR具有有吸引力的燃料增殖特性，并且能够操作很多年而不需要再装填燃料。
因此，通过由诸如GFR或HVTR等的惰性气体反应堆提供动力的热/电动力转换器的使用以向新的或现有的热驱动过程负载提供动力，使得能够提供用于使发电站单元生产标准化的新纪元。通过采用多个标准化的高效率改造来修建或重建发电站的在经济上可承担的成本增加了进一步的优点。
现在转到图5，图示的是用于提供用于热驱动过程负载的动力的方法的实施例的流程图。方法起始于开始步骤或模块500。在步骤或模块505中，将气体涡轮机的输入联接至惰性气体动力源的高温输出。在步骤或模块510中，将过热器热交换器、沸腾器热交换器和水预加热器热交换器串联地联接以形成热交换器。在步骤或模块515中，将气体涡轮机的低压输出联接至热交换器的高温输入。在步骤或模块520中，将压缩机的低压输入联接至热交换器的低压输出。在步骤或模块525中，将压缩机的高压输出联接至惰性气体动力源的低温输入。在步骤或模块530中，将压缩机的可转动轴机械地联接至气体涡轮机的可转动轴。在步骤或模块535中，将气体涡轮机的可转动轴机械地联接至发电机的可转动轴。在步骤或模块540中，将热交换器的高温蒸汽输出联接至热驱动过程负载的高温输入。在步骤或模块545中，将热驱动过程负载的低温输出联接至热交换器的低温液体水输入。在步骤或模块550中，将储存罐(诸如氦气体罐等的惰性气体储存罐)经由第一储存罐控制阀联接至压缩机的低压输入并且经由第二储存罐控制阀联接至压缩机的高压输出。还将储存罐经由压缩机与惰性气体动力源之间的返回线联接至惰性气体动力源的低温输入。在步骤或模块555中，用第一和第二储存罐控制阀来控制惰性气体热动力的动力输出和/或可选的气体温度。在步骤或模块560中，方法结束。
虽然如这里所讨论的高效率改造已经被定向于很大程度上需要的清洁检修的、耗尽的燃煤发电站，但是高效率改造同样应用以基本上消除当今的核电站的危害。这可以在对现有的核电站蒸汽涡轮机发电站的蒸汽供给的改造的背景中实现。水冷反应堆将被关闭。提供蒸汽发电设备的高效率改造将被连接到联接至蒸汽涡轮机的蒸汽供给管道上。为了使涡轮机蒸汽供给流动速率和温度匹配，多个标准的高效率惰性气体改造单元被分歧化(manifoled)。在从发电系统中清除包括冷凝水在内的所有放射性水之后将进行该过程。通过清除，永久性地消除放射性水的残余危害。
以前的传统核电站接着将变得安全而不受融化、爆炸以及放射性气体、液体和粒子的释放的危险。最初的涡轮机/发电机、物理、热以及电基础设施可以再次保留进行服务，发电容量增加而冷却水供给没有增加，。
先前运行的以煤或化石燃料为动力的蒸汽发电站的包括了电网连接在内的主要组成部件中的很多都可以再次使用，除了蒸汽发电子系统以外，包括先前使用的燃料供给和处理、燃烧室、锅炉以及燃烧气体排出大烟囱。水冷核裂变反应堆将被类似地替代。
设计变量的数量影响复合电站性能。作为非限制性示例，做出以下假定，并且对于被拯救的蒸汽电站设计的计算出的性能结果示出在下面表I中：
表I：示例复合系统
如上面所表明的，经过改造的电站的最终容量是先前现有的容量的大约1.75倍，没有对环境增加的热负载。
在实施例中，压缩机114、气体涡轮机112和发电机110可以设定为以可变的转动速度操作。这使得气体涡轮机气体流的到通向热交换器140的高温输入129的输出温度能够变化和控制。
这里引入的改造的独特特征是通过改变操作限制内的氦压力水平来改变处于恒定温度的氦循环动力输出的灵活性。这能够维持气体涡轮机发电机的热效率处于不同动力水平。另外，该特征可用于维持蒸汽温度处于变化的水/蒸汽流动速率，或者用于使蒸汽温度以相同的蒸汽流动速率变化。在GFR/VHTR操作压力和流动限制内，结合有其可变的操作特性的电站改造使得能够进行将给定物理大小的高效率动力和蒸汽产生单元在热力学上大小改为匹配蒸汽涡轮机发电站大小的范围的应用。通过一个或多个高效率经过改造的气体涡轮机/蒸汽产生单元的蒸汽输出和返回加压水管分歧化，能够宽范围地调节蒸汽涡轮机电站大小。
因此，在这里引入了发电系统。在一个实施例中，发电系统包括惰性气体热动力源、热/电动力转换器和热驱动过程负载。热/电动力转换器包括：具有气体涡轮机的闭合循环气体涡轮机发动机，气体涡轮机具有可联接至惰性气体热动力源的惰性气体输出的惰性气体输入；压缩机，其被机械地联接至气体涡轮机，包括可联接至惰性热动力源的惰性气体输入的惰性气体输出；和发电机，其机械地联接至气体涡轮机。热/电动力转换器还包括具有联接至气体涡轮机的惰性气体输出的输入和联接至压缩机的输入的惰性气体输出的热交换器。热交换器包括串联联接的过热器热交换器、沸腾器热交换器和水预加热器热交换器。热/电动力转换器还包括经由储存罐控制阀联接至压缩机的惰性气体输入并经由另一储存罐控制阀联接至压缩机的惰性气体输出的惰性气体储存罐。储存罐控制阀和另一储存罐控制阀被配置成调整热/电动力转换器的动力输出。热驱动过程负载包括联接至热交换器的另一输出的输入和联接至热交换器的另一输入的输出。热驱动过程负载由热/电动力转换器提供动力，该转换器进而由惰性气体热动力源提供动力。在实施例中，热驱动过程负载全部由惰性气体热动力源提供动力。
如上所述，示例性实施例提供了方法以及由提供了用于进行该方法的步骤的功能性的各种模块构成的相应系统。模块可以实施为硬件、软件或其组合。虽然已经详细描述了实施例及其优点，但是应该理解的是，可以在不脱离如随附权利要求所限定的概念精神及其范围的情况下在这里做出各种改变、替换以及变更。还有，特征、功能以及操作它们的步骤中的很多都可以被重新排序、省略或添加等等，并且仍落入各种实施例的宽范畴内。
此外，各种实施例的范围不旨在限制为说明书描述的过程、机器、制造、物质的组成、手段、方法和步骤的特别的实施例。作为本领域技术人员中的一个将容易地从目前现有的或后面待开发的公开、过程、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤中理解到，也可以使用进行了与这里描述的相应实施例基本相同的功能或获得了基本相同的结果的那些。于是，随附权利要求旨在包括在它们的范围内的这样的过程、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤。

Claims (18)

1.一种热/电动力转换器，包括：
气体涡轮机，具有可联接至惰性气体热动力源的输出的输入；
压缩机，机械地联接至所述气体涡轮机，包括可联接至所述惰性气体热动力源的输入的输出；
发电机，机械地联接至所述气体涡轮机；
热交换器，具有联接至所述气体涡轮机的输出的输入和联接至所述压缩机的输入的输出，所述热交换器包括串联联接的过热器热交换器、沸腾器热交换器和水预加热器热交换器；以及
惰性气体储存罐，经由储存罐控制阀联接至所述压缩机的所述输入并经由另一储存罐控制阀联接至所述压缩机的所述输出，所述储存罐控制阀和所述另一储存罐控制阀被配置成调整所述热/电动力转换器的动力输出。
2.根据权利要求1所述的热/电动力转换器，其中所述压缩机的所述输出能被直接联接至所述惰性气体热动力源的所述输入。
3.根据权利要求1所述的热/电动力转换器，其中所述热/电动力转换器包括联接至所述惰性气体热动力源的闭合循环布雷顿动力过程。
4.根据权利要求1所述的热/电动力转换器，其中所述气体涡轮机被配置以压力比以将来自所述气体涡轮机的所述输出的惰性气体的排出流的温度提供成设定用于向热驱动过程负载提供动力的取决于应用的温度水平。
5.根据权利要求1所述的热/电动力转换器，其中所述惰性气体热动力源包括温度受控的、气体冷却的以及极高温度的反应堆。
6.一种发电系统，包括：
惰性气体热动力源；
热/电动力转换器，包括：
气体涡轮机，具有联接至所述惰性气体热动力源的输出的输入；
压缩机，机械地联接至所述气体涡轮机，包括联接至所述惰性气体热动力源的输入的输出；
发电机，机械地联接至所述气体涡轮机；
热交换器，具有联接至所述气体涡轮机的输出的输入和联接至所述压缩机的输入的输出，所述热交换器包括串联联接的过热器热交换器、沸腾器热交换器和水预加热器热交换器；以及
惰性气体储存罐，经由储存罐控制阀联接至所述压缩机的所述输入并经由另一储存罐控制阀联接至所述压缩机的所述输出，所述储存罐控制阀和所述另一储存罐控制阀被配置成调整所述热/电动力转换器的动力输出；以及
热驱动过程负载，具有联接至所述热交换器的另一输出的输入和联接至所述热交换器的另一输入的输出。
7.根据权利要求6所述的发电系统，其中所述压缩机的所述输出被直接联接至所述惰性气体热动力源的所述输入。
8.根据权利要求6所述的发电系统，其中所述热驱动过程负载由所述发电系统提供动力。
9.根据权利要求6所述的发电系统，其中所述气体涡轮机被配置以压力比以将来自所述气体涡轮机的所述输出的惰性气体的排出流的温度提供为设定用于向所述热驱动过程负载提供动力的取决于应用的温度水平。
10.根据权利要求9所述的发电系统，其中所述压缩机的压力比是3.2:1，并且所述气体涡轮机的所述压力比是2.7:1。
11.根据权利要求6所述的发电系统，其中所述热/电动力转换器进一步包括在所述热交换器的所述输出与所述压缩机的所述输入之间的过滤器。
12.根据权利要求6所述的发电系统，其中所述储存罐控制阀和所述另一储存罐控制阀被配置成将所述气体涡轮机的所述输出的温度调整至一定温度。
13.根据权利要求6所述的发电系统，其中所述惰性气体热动力源包括氦冷的、温度受控的以及极高温度的反应堆。
14.一种构造发电系统的方法，包括：
将气体涡轮机的输入联接至惰性气体热动力源的输出；
将过热器热交换器、沸腾器热交换器和水预加热器热交换器串联地联接以形成热交换器；
将所述气体涡轮机的输出联接至所述热交换器的输入；
将压缩机的输入联接至所述热交换器的输出；
将所述压缩机的输出联接至所述惰性气体热动力源的输入；
将所述压缩机机械地联接至所述气体涡轮机；
将所述气体涡轮机机械地联接至发电机；
将所述热交换器的另一输出联接至热驱动过程负载的输入；
将所述热驱动过程负载的输出联接至所述热交换器的另一输入；以及
将惰性气体储存罐经由储存罐控制阀联接至所述压缩机的所述输入并经由另一储存罐控制阀联接至所述压缩机的所述输出。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括将所述压缩机的所述输出直接联接至所述惰性气体热动力源的所述输入。
16.根据权利要求14所述的方法，其中所述气体涡轮机被配置以压力比以将来自所述气体涡轮机的所述输出的惰性气体的排出流的温度提供为设定用于向所述热驱动过程负载提供动力的取决于应用的温度水平。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述压缩机的压力比是3.2:1，并且所述气体涡轮机的所述压力比是2.7:1。
18.根据权利要求14所述的方法，其中所述惰性气体热动力源包括气体冷却的、温度受控的以及极高温度的反应堆。
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