CN1076813C - 为动力设备特别是发电设备生产工质的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种形成气体水化物的装置和方法，该气体水化物通过其分解而用于产生升压气体，该装置和方法用于控制作为工质的所述升压气体传送到汽轮发动机中去，汽机发动机最好连到发电机去发电。

Description

为动力设备特别是发电设备 生产工质的装置与方法

本发明涉及供动力设备发动机用的工质的生产装置和方法，特别涉及到，把低势热能和高势热能转换为机械能和电能的发电设备的动力站工程，和该发电设备工质的制备方法。

有一种包含高势能热源的发电设备。该设备有一个含中间导热介质的闭合环路，一个动力汽轮机，和加热，冷却工质的热交换器。见1948年申请的苏联公开专利70147号，国际分类F03G7/00。

还有一种发电设备，包含一个驱动负载的汽轮机，一个冷却器，一个循环泵，和两个或多个制备工质的室，所有这些通过管道连接。这些室被连到汽轮机上，它们有一个加热器，一个分离器，和在出口处的密封装置。循环泵被连到冷却器上，且连到每一室上，形成一个液体循环的回路。见1985年申请的苏联公开专利，1170180号，国际分类F01K25/00。

有一种制备发电设备工质的装置，要点是，用压气机中的压缩空气，把挥发性液体和它的蒸汽，填充到中间导热介质的管路中，并把蒸汽供给汽轮机。见1948年申请，苏联公开专利70147号，国际分类号F03G7/00。

还有一种制备发电设备工质的装置，包括，用液体填充一个或多个室，把液体引入一个附加成分室，并增加其压力，加热室中形成的工质，随后把工质供给汽轮机，这些操作是在另一室中进行。见1985年申请的苏联公开专利1170180号，国际分类号F01K25/00。

本发明的主要目的是，通过消除热能和机械能损耗的浪费，提高发电设备的效率，提高设备在低势热能和高势热能工作周期中的使用能力，创造良好的生态系统，以转换热能做功。

为实现这一目的，本发明提供的一种对用于燃气膨胀发动机，特别是用于一个旋转动力原动机，例如汽轮机提供工质的设备，包含产生工质的发生装置，和为发动机提供所述工质的传送装置，所述发生装置包含反应器装置，用以形成气体水化物，由此获得发电机的工质，其特征在于，还包括贮存装置，用于保存所述反应器装置形成的气体水化物，并且可与反应器装置结合或分离，所述传送装置包括控制装置，用于控制该传送装置从贮存装置连续地将工质供给发动机，并设有分离器，用以在工质被传送到发动机之前除去工质的液体；和

一个液体循环管路供反应器装置用，所述循环管路包括一个循环泵和一热交换器。

最好是，贮存装置包含多个分开的贮存器，传送装置包括管道装置，以便把工质从贮存器中输送到发动机，并且其中，控制装置包含操作阀，以便通过该管道装置，把贮存器中的工质连续输送到发动机中去。

此外，该装置还可具有一个气体增压器，连到容器上，以形成一个或多个气体循环的环路。贮存器可被做成具有一个或多个外部分离器，和/或一个外部反应器，经一个气体水化乳液出口连到该贮存器上，同时分离器位于反应室的出口，并经反应室的液体出口连到室内，另外，它还被连到一个液体循环的环路上。该装置可以包括一个加热器和冷却器，形成一个单一的热交换装置，它被间隔性地从外部源提供两种不同温度下的导热介质。该装置还可备有一个电解装置，该装置的负载可以是发电机，由于电解装置被连到发电机上，且电解装置的工作室被连到一个辅助热交换器上，从而形成一个附加的热回收通路，在工质进入发动机(汽轮机)之前，把电解产生的热加到系统的工质中去。该设备可装备一个辅助汽轮机，并且电解装置可被做成去接收氧气和氢气的型式，并装有一个被连到辅助汽轮机上的氧气出口。

本发明也是一个方法，一个生产供燃气膨胀发动机，特别是一个旋转动力机械，例如一个汽轮机所用工质的方法，包含一个把液体和一种附加成分，例如水和气引入一个反应室，通过反应形成一种气体水化物，由此而获得工质，并把这样产生的气体水化物贮存在贮存装置中，同时，为了在反应室中保持所需要的反应条件，水就在冷却循环管路中流，而未经反应的气体也被循环。因此，本发明可以包括一个或多个充满低压气体成分的液体的室，这些气体成分被液体吸收形成一个固相混合物，随后，当被加热时，该混合物在该室或另一室中分解，并产生一个用于发电设备的高压(力)气相工质，去驱动汽轮机。

对于所述液体和气相成分使用的物质，可以分别是，水和气体，例如是甲烷和丙烷混合物，它和水起反应，形成气体水化物，同时室中热交换过程的最佳条件，通过水被循环，水被外部导热介质和未经反应的气体循环而冷动来达到。此外，在工质被供给汽轮机以前，它可能又被高温导热介质加热。

现在，参照附图举例说明本发明的实施例：

图1.简略示出了本发明第一实施例的发电设备；

图2.简略示出了第二实施例的发电设备；

图3.示出了可用于图1和2中设备的电解装置。

图4.是一个气体水化物，特别是重量比为0.6的，甲烷一丙烷混合物(CH₄＋C₃H₃)＋6HC₂O的热力学平衡状态曲线。

图5A，5B和图6示出了设备改型。

参照图1，发电设备包含一个汽机3，用以驱动发电机型负载；包含两个或多个室5，6，室做成反应器，以形成气体水化物，由此获得汽机3的气态工质；管道1和2用于把工质供给汽机3和介质排出管，由此，管道1，2和汽机3和室5，6别形成闭合环路。室5，6包括在反应器下部的乳化器7，8和在反应器上部的分离器5S，6S。室5，6经循环泵9，10，被包含在液体11，12循环的环路中，该环路包含热交换器13，14，它们是外部选择加热器和冷却器，经管道15，16和可调节的三相阀17，18从外源间歇性地被供给两种不同温度的导热介质。用于加热导热介质的物质可以是低势能热传导液体，例如是用工业设备的废热加热的水，或用太阳能变换器加热的水，用热吸收剂热泵设备加热的水，以及来自蒸汽，例如工业和自然界蒸汽源中的水蒸汽冷凝放热加热的水。用于冷却导热介质的物质可以是任何流体，其温度低于加热热传导介质的物质H的温度。热传导介质可以是由任何方便水源获得的水，例如从蓄水池的不同深度获得水，从而获得相应的不同温度值的水。例如，加热导热介质的温度可以是28℃(见图4，B′点)，冷却导热介质的温度可以是4℃(见图4，A′点)。本设备可用一高温热交换介质装备一个辅助热交换器19，使之先于汽机运行，以便加热工质，送入汽机。用作高温热交换介质的物质，可以是内燃机排出的废气，工业设备的烟道排气，等等。本设备装有一气体增压器20，或经可调三相阀21和经可调阀22，23连到室5，6上的压气机，以便对室5，6内未经反应的气体循环。气体增压器20被包含在具有公共出口管道26的循环回路24，25中。室5，6被包含在气体循环回路29，30中，该回路包含可调截止阀27，28。在本设备中用作工质的物质，是一个在本设备中形成和分离的气体水化物，例如是具有相对重量比为0.6的，(CH₄＋C₃H₈)＋6H₂O型的85％甲烷＋15％丙烷的混合物。可用特种添加剂，例如，乙二醇加于水中，提高工质(气体水化物)生产过程的效率。为了制配工质，室之一，例如室5(图1)，通过开启阀22，截止阀23和27，和关闭回路24的截止阀21，而被充满水。气体，例如是甲烷—丙烷混合物，经乳化器7通过这个水，直到室中的压力升高到形成气体水化物所需要的值，例如15个大气压(见图4中A点)。气体水化物的形成释放了反应室中的热量。为了稳定室5中形成气体水化物的反应，泵9通过冷却导热介质的热交换器13，抽吸小室5中的水。同时增压器20被用于未经反应的气体循环。当室完全被气体水化物充满时，气体水化物形成过程被停止。随后，阀17被用于把热的(暖的)导热介质送到热交换器13中，热量被传到室5，结果，气体水化物在高压下分解。被释放的增压气体，通过室5上部的分离器5S与小水滴分离。结果，室5中工作压力就成为与气体水化物分解的温度对应，(见图4，B点)，例如300个大气压。随后阀27被打开，并且高压气体供给汽机3，使其工作，驱动发电机例如是发电机4。同时，当气体被供到汽机3时，室5中的水被连续加热。在从室5向汽机供汽期间，上述生产气体水化物的操作，是利用阀23，28在室6和热交换器14中进行。当由于全部气体水化物已经分解，室5中压力开始下降，阀27被关闭，室6中的水开始加热。在室6中一个工作压力已经产生之后，阀28被找开，被增压的气体由小室6供给汽机3。在有高温导热介质源的地方，热交换器19被用于进一步提高进机之前的气体温度，由此而增加汽机的功率。通过本设备具有所需数量的上述反应器室及其按步骤操作，可以实现对汽机3定期供汽，使环路中压力波动最小。本设备可以包括一个外部反应器54(图2)，经出口32通过循环泵33并通过可调阀34和35连到室5A和6A。室5A，6A依次经调整阀36，37和管道55，连到冷却器38上，由此也和液体循环的环路39连起来，和连于反应器54下部56的泵39A连起来。增压器20被连到反应器54的上部31，连到排气管2，并连到乳化器7A，从而形成气体循环回路40。本设备可以包含一个外部分离器41，连于小室5，6的上部，并经出口管42连到液体循环回路43上，回路43包括一个使用低势能外部导热介质的加热器44，泵45，和连到小室5，6的调整阀46—49。此外，当多个室被使用时，分离器41执行储蓄器功能，定期对汽机3供气。

本设备可以装备一个电解槽50，并且汽机3的负载可以是发电机4。在这种情况下，电解槽50的工作室被连到一个使用高温导热介质的辅助热交换器19上，从而形成辅助循环回路51，用于回收电解热到本设备的工作循环中。例如，电解槽50可用于生产氢和氧，具有一个通到辅助汽机53的氧出口52。对于做成外部反应器54和分离器41的本设备，气体水化物的形成是在贮存室5，6外进行的。这是通过在反应器54和液体循环回路39中，充入来自外贮水箱的蒸馏水(可能铺添加剂，实现的。当系统已经充满水的时候，上述工作汽体通过具有并闭阀34，35的乳化器7A被抽吸。同时，水通过冷却器38而连续循环，且未经反应的汽通过轮扇20被循环。在反应器54中形成的气体水化物乳液，被泵33抽吸到室之一中，例如是具有开启阀34和截止阀27的室5A。当气体水化物充满室时，就把剩余的水沿管道55排到管路39中。随后，阀46，48被打开，阀34，36被亲闭，水通过加热器44被泵45抽吸。同时在室5A中，气体水化物在高压下被分解，并且气体聚集在室5的贮存部中。当通过加热器44抽吸的水的温度被稳定时，阀27被打开，气体在工作压力下进入分离器41，在此它和小水滴分离，然后经管1进入汽机3。同时通过加热器44继续抽水。当所有气体在恒压下从室5A排出时，阀46和48被关闭。此后，上述过程由室6A重复，室6A被充满气体水化物。来自汽机的废气，沿管道2通入乳化器7A，气体通过氧化铜整流器54中水层冒泡，结果气体水化物在本设备操作过程中连续产生。

当有许多室时，如果外分离器41被设置，它还可以作用一个储存气室，消除系统中气体压力的波动。如果本设备使用一个电解槽50，其工作室被连到一个通以高温导热介质的辅助热交换器19，这就能够利用电解槽的热。根据本发明，本设备由于不受高温或机械应力作用，而具有操作可靠性，它允许使用便宜的建筑材料，并且其工作循环自动达到高稳定。本发明能够大大减少生产电力的成本。

图5A是一个更有效地生产气体水化物的设备改型。同时具有大的发电容量，改型设备按吸入原理工作，抽取或抽吸气体进入水流内，该设备被说成是液体射流(或喷流)引射器。因此，在具有大截面的进口集气管的喉道中，提供一个混合室60到引射器一侧，而在另一侧，是喇叭形排出口62B，通到室5，6或54。一个高压循环水的入口管63伸入集气管61，一个排气管咀63A置于喉道收缩进气口62A处，还有一个进气管64把气体送入集气管61。工作时，循环高压冷却水W由管咀63A排出，集气管61中的气体经喷入口62A，抽吸到水流中去气，水在混合室60中混合，结果，有效地产生气体水化物。

图5A示出一个简单的液体喷射引射器，但它也可使用一排(或一组)这样的引射器，输出更多的气体水化物和较大的功率容量，图5B示出了这样一组引射器的构造。在这种情况下引射器组位于室54中的区域54A上，并包括形成多个混合室60的一排喉道。高压冷却水送到室54中的集流腔状物63M中，室54具有多个管咀排出管63A，每个对应于一个相应的混合室60(全和图5A中一样)，并且气体通到室54上的一个进气口64A。图5B中引射器的操作完全与图5A中引射器相同。

图6示出了一个本发明系统中适用的另一种发电设备，如汽机3，3′……形式中两个或多个蒸汽发动机，被安排与气体水化物中产生的工质连通，工质连续通过汽轮机，一个辅助热交换器19′被安排在顺序相连的汽轮机3，3′之间的流通通路之中，以使中间加热在汽机之间流动的工质，提高发电设备的工作效率。

本发明是供永久性的，利用可回收低势热能自然源的，创造良好生态的发电设备之用。本发明也可和各种产生废热的强电力工艺过程联合使用，其废热在本设备中可以转化为有用功，提高效率，例如，用在氧的经济有效生产中。

当然，本发明也可用于发电设备以外的设备中，例如，用在泵设备中，本发明通常可为各种燃气膨胀发动机，提供工质。

Claims (19)

1.一种对用于燃气膨胀发动机，特别是用于一个旋转动力原动机，例如汽轮机提供工质的设备，包含产生工质的发生装置(5，6)，和为发动机(3)提供所述工质的传送装置(30，1)，所述发生装置(5，6)包含反应器装置，用以形成气体水化物，由此获得发电机(3)的工质，其特征在于，还包括贮存装置(5/6，5A/6A)，用于保存所述反应器装置形成的气体水化物，并且可与反应器装置结合或分离，所述传送装置(30，1)包括控制装置(27，28)，用于控制该传送装置(30，1)从贮存装置(5/6，5A/6A)连续地将工质供给发动机(3)，并设有分离器(5S，6S，41)，用以在工质被传送到发动机(3)之前除去工质的液体；和

一个液体循环管路(11，12，39)供反应器装置用，所述循环管路(11，12，39)包括一个循环泵(9，10，39A)和一热交换器(13，14，38)。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，贮存装置包含多个分开的贮存器(5/6，5A/6A)，传送装置(30，1)包括把贮存器(5/6，5A/6A)中的工质供给发动机(3)的管道装置，并且控制装置包含操作阀(27，28)，以便通过管道装置，把工质从贮存器(5/6，5A/6A)连续输送到发动机(3)。

3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于，还具有回收管道装置(2)，用于把发动机(3)用完的工质回收到反应器装置(5，6)中，从而使发动机(3)和工质供给装置在闭循环中工作。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热交换器包含一个冷却器。

5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热交换器包含一个加热器。

6.如权利要求1所述的设备，所述反应装置包括一个乳化器(7，8)。

7.如权利要求2所述的设备，其特征在于，每个贮存器(5、6)，从其排气口，被连通到发动机(3)的入口，发动机的排气口被通到反应器装置的进气口。

8.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还个有一个气体叶轮(20)被安排在一个或多管路(24/26，25/26)中，以便循环未反应的气体到反应器装置(5，6，54)中去。

9.如权利要求2所述的设备，其特征在于，贮存器被做成具有一个或多个外部分离器和/或一个或多个外部反应器，反应器通过一个气体水化物乳液排出口被连到具有一个分离器的贮存器上，分离器设置在贮存器的这个排出口上，并且通过其液体排出口连到贮存器的液体入口，该贮存器还被连到液体循环管路上。

10.如权利要求5所述的设备，其特征在于，加热器和冷却器被做成一整体形式的热交换器，间歇地从外源提供至少两种不同温度的导热介质。

11.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还设有一个使用高温导热介质的辅助热交换器(19)，设置于发动机(3)之前，用以加热进入发动机的工质。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，还设有一个电解槽(50)，用于把加热的介质供给所述辅助热交换器(19)，从而形成一个辅助循环回路，一个电源供电解槽(50)用。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述电源包含一个由发动机(3)驱动的发电机(4)，该发动机由所述贮存器装置提供工质。

14.如权利要求13所述的设备，其特征在于，该设备装有一个辅助汽轮机(53)，同时电解槽装有连到辅助汽轮机(53)上的氧气和/或氢气出口(52)。

15.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还设有一个或多个液体喷射压缩器或引入装置(60，61)，用于混合水和气，以形成气体水化物。

16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，有一排或一组所述压缩器或引入装置；它包括，形成多个气水混合室(60)的一排喉道装置，一个容纳循环水的集流腔(63M)，具有多个排放管咀(63A)，每一个对应于一个相应的混合室(60)，还包括装置(64A)，用来提供气体，从而使从管咀排出的水的射流或喷流抽吸气体，并在所述混合室(60)内与水混合。

17.一个生产供燃气膨胀发动机，特别是一个旋转动力机械，例如一个汽轮机所用工质的方法，包含以下步骤：把液体和附加成的水和气引入一个反应室，通过反应形成一种气体水化物，由此而获得工质，并把这样产生的气体水化物贮存在贮存装置中，同时，为了在反应室中保持所需要的反应条件，水就在冷却循环管路中流，而未经反应的气体也被循环。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述附加成分包含能够产生气体水化物的甲烷-丙烷，作为工作气体。

19.如权利要求17或18所述的方法，其特征在于，工作介质在传送到发动机(3)之前，通过高温加热装置(19)再被加热。

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