CN109296418B - 用于从压力能到电能的能量转换的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于利用膨胀涡轮机(2)进行从压力能到电能的能量转换(2)的方法，其中，在供应到膨胀涡轮机(2)中之前对处于压力下的气态的第一介质进行加热并且所述膨胀涡轮机驱动发电机(4)。根据本发明，还通过所述膨胀涡轮机(2)驱动压缩机(5)，通过所述压缩机(5)在加热装置中压缩至少一个气态的第二介质，并且将在压缩过程中形成的热量以及优选还有根据热交换原理通过利用环境热(W)得到的热量被用于加热气态的第一介质。

Description

用于从压力能到电能的能量转换的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于利用膨胀涡轮机进行从压力能到电能的能量转换的方法，其中在供应到膨胀涡轮机之前加热处于压力下的气态的第一介质，并且所述膨胀涡轮机驱动发电机。本发明的主题还包括一种用于执行所述方法的膨胀涡轮设备。

背景技术

在方法或能量技术设备中，在不断提高效率方面越来越多地存在这样的需求，即，充分利用具有高压力能的工艺气体，以便由此例如推动发电机，以产生电能。为此，将工艺气体供应给膨胀涡轮机或膨胀机，所述膨胀涡轮机或膨胀机有控制地使压力降低并将其转换成旋转动能形式的机械能。

由于压力降低，工艺气体由于所谓的焦耳-汤姆孙效应强烈冷却。此时，特别是在使用具有一定残余水分的工艺气体时，例如潮湿的空气或天然气，在低于极限温度时，例如对于水低于T＝0℃的极限温度时，会出现形成冰晶。由于在膨胀涡轮机中较高的流动速度，在流动中夹带运动的冰晶可能导致严重的破坏，从而在准备阶段就已经应避免出现结冰。

这里，特别是这样的方法得到了验证，其中，在供应到膨胀涡轮机中之前对工艺气体进行加热，使得在膨胀过程中不会低于可能形成冰晶的下限温度。作为用于加热过程的热源主要利用来自燃烧系统的热的废气。

例如DE 101 55 508 A1记载了一种方法，在这种方法中，处于压力下的天然气在膨胀涡轮机中膨胀之前它能够给水-蒸汽循环的分流加热，所述分流事先在由燃气轮机驱动的废热锅炉的热废气加热。

EP 0 670 957 B1中，加热过程所需的热通过包括燃气发动机和用于产生电流的发电机的热电联产机组获得。

但这些目前已知的方法中的问题在于，工艺气体的加热总是在采用燃烧过程的情况下才能进行。这种方法因此在生态学以及经济学的角度上都不是特别有效率的。这里，同样不利的是，传统的气体燃烧还会排放附加的温室气体。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种方法和一种执行所述方法的装置，在所述方法和装置中，能够改进有效性并且特别是改进整体的效率。

本发明的主题和所述目的的解决方案是根据本发明的用于从压力能到电能的能量转换的方法以及根据本发明的膨胀涡轮设备。

为此本发明提出，在前面所述类型的方法中，膨胀涡轮机附加于发电机还驱动压缩机，通过加热装置中的所述压缩机压缩至少一个气态的第二介质并且将在压缩过程中产生的热量用于加热气态的第一介质。这里，利用了这样的情况，即，与膨胀涡轮机相反，在压缩介质时温度提高。

热的介质接下来可以例如直接供应给入口热交换器，由此实现向第一介质的能量传递。加热装置这里一方面包括采用开放过程的可能性，例如通过使用热的环境空气，也包括采用闭合回路的可能性。

根据本发明可以放弃燃烧化石燃料或者也可以放弃其他可能的能量供应，如下面还要详细说明的那样，优选根据热交换原理附加于压力能还供应环境热。还得到了这样的优点，即，通过根据本发明的方法设定的或设定为用于实施所述方法的膨胀涡轮设备能够自给式(autark)运行，其中只需在膨胀之后作为压力气体导出所述介质并使用或输出所获得的电能。

作为为了获得能量而膨胀的第一介质例如可以是天然气或压力空气。例如，在输送之后，蒸发的液化天然气(LNG)通常存在于高压下，但存在于较低的温度下，这里，在本发明的范围内，应在供应到远程天然气网络中或在其他形式的使用之后将这种压力能转换成电能。但在本发明的范围内也可以使用其他任意的介质，例如压力空气。

所述第二介质应能实现有效的热交换，这里优选还应充分利用在蒸发或在冷凝时的热容量。在本发明的范围内，例如丙烷适于用作所述第二介质。

在所述加热装置作为闭合的热动力回路的优选实施形式中，特别优选使用这样的介质，所述介质首先以液态的聚集态存放在容器中，并且在外部能量的作用下蒸发。由此能够以特别有利的方式特别高效地在回路中利用蒸发能。外部的能量例如可以通过太阳热、地热或其他热过程提供。

特别优选的是这样的实施形式，其中，第二介质和方法技术上的压力这样选择，使得第二介质的蒸发温度(沸点)低于环境温度。为此，预先测量并确定环境温度。通过环境和第二介质之间的温度差实现从环境到第二介质中的热流，由此，在热交换器装置具有相应的结构设计方案时，实现了部分仍为液态的第二介质的优选完全的蒸发，从而第二介质能够以气态的聚集态供应给压缩机并在能量上利用蒸发热。附加于或备选于完整蒸发，根据所形成的具体温度差，也可以对气态的第二介质略微进行加热。

如果通过其他热动力方法提供能量，则在方法过程中，相应地对第二介质的选择和压力范围进行适配。已经证实，与丙烷相结合是特别适合的。

原则上，本发明包括在压缩机中进行单级或多级压缩的可能性。在两级的压缩中，第二介质在第一次压缩之后回输到容器中，由此一方面可以使流动稳定，另一方面可以分离压缩过程中形成的液体。第二介质接着以气态状态供应给第二压缩级。但也可以采用这样的实施方案，其中，第二介质仅在第一压缩级中被压缩，而在第二压缩级中使用另一种介质，在第二压缩级的预报阶段中首先在这两种介质之间进行热交换。

在本发明的一个特别优选的实施形式中，第二介质不是直接用于在入口热交换器中加热气态的第一介质，而是首先在第一热交换器中将其热量传递给第三介质，接着将所述第三介质用于在入口热交换器中加热气态的第一介质。优选采用液体、特别是水作为第三介质。

第三介质优选在闭合的回路中循环。为此，首先将第三介质存放在容器中，并且通过泵驱动将其供应给入口热交换器。这样被冷却的第三介质接着在第一热交换器中重新通过第二介质加热，然后接着将第三介质重新供应给所述容器。为了使得在膨胀涡轮机开始运行时就已经存在足够量的经加热的第三介质，可选地在相配的容器中通过单独的加热装置对第三介质进行预热。

原则上，本发明也包括这样的可能性，即除了压缩热和通过热交换获得的环境热，还将其他废热、例如来自油冷却器或发电机冷却机的废热用于第三介质的加热过程。

在本发明的范围内，特别优选的是这样的实施形式，其中，为了进行从压力能到热能的能量转换，只利用压力能、环境热以及必要时还有在该方法过程本身中出现的废热。这个方法因此可以完全自给地且独立地运行，而不必为此由其他热动力学过程供应能量。

由于作为第三介质优选采用液体、特别是水，由于液体的沸点限制了第一介质和第三介质之间的温度差。出于这个原因，在本发明的一个优选的实施形式中，第一介质首先在第一阶段中膨胀到一个中间的压力水平，接着重新预热并且最后在第二阶段中再膨胀到最终压力。由此保持第一介质在膨胀期间的平均温度较高，而不需要用热的第三介质来加热第一介质。这里，对于第二个加热过程优选也可以使用第三介质。原则上本发明还包括单级膨胀的可能性，此时，在没有中间设置第二加热过程的情况下直接膨胀到最终压力。

本发明的主题还涉及一种用于实施前面所述方法的膨胀涡轮设备，其中所述膨胀涡轮设备提供膨胀涡轮机和发电机，所述膨胀涡轮机通过传动装置驱动所述发电机。此外，所述膨胀涡轮机还通过传动装置与压缩机连接，所述压缩机作为加热装置的组成部分设定为用于压缩第二介质，并且所述加热装置具有在膨胀涡轮机的输入部中的入口热交换器，用于加热第一介质。

本发明还包括用于从压力能到电能的能量转换的热动力学方法，其中，首先对处于压力下的工艺气体进行预热，接下来使工艺气体膨胀，此时，压力能转换成机械能，然后转换成电能。对于所述方法，机械能的一部分用于驱动热动力学的循环过程，在该循环过程中，首先通过供应外部能量使部分液态的加热介质蒸发，接着压缩处于气态状态下的加热介质。

在通过间接或直接地向工艺气体释放能量而使气态的加热介质冷却和冷凝之后，对加热介质进行节流，由此压力重新降低，从而可以重新将冷却介质供应给所述循环过程。

根据所述热动力学循环过程的一个改进方案，加热介质不是直接向工艺气体释放其热量，而是将加热介质的热量输出用于加热第二热动力循环过程。对于这个第二热动力循环过程，首先提供液态的传递介质，在供应机械功的情况下使所述传递介质循环。通过向工艺气体释放热能而冷却传递介质，并且接着通过由加热介质供应热能而重新加热传递介质。

附图说明

下面根据仅示出一个实施例的附图来详细说明本发明。其中：

图1示出利用工艺气体、加热介质和传递介质的根据本发明的方法，

图2示出利用工艺气体和热气体的根据本发明的方法。

具体实施方式

图1示意性示出根据本发明的用于从压力能到电能的能量转换的方法的过程流程图。

首先在入口热交换器1中加热处于压力下的工艺气体P、例如天然气作为第一介质并且接着在膨胀涡轮机2的第一级2a中使其膨胀到中间的压力水平。接下来，在中间热交换器3中重新对工艺气体P进行加热。最后，在膨胀涡轮机2的第二级2b中，工艺气体P发生第二次膨胀。

通过膨胀涡轮机2获得的机械能用于通过传动装置一方面驱动发电机4，另一方面用于驱动包括第一级5a和第二级5b的压缩机5。

在加热介质容器6中提供加热介质H作为第二介质，加热介质H在加热介质容器6中作为两相混合物液态/气态地存在。从加热介质容器6中提取处于至少部分气态的状态下的加热介质H并将其供应给蒸发装置7。蒸发装置7可以包括多个单个的蒸发机7a、7b、7c、……，这些单个的蒸发机7a、7b、7c、……相互并联。原则上任何与加热介质H的蒸发温度相比具有更高温度的热源都适于蒸发加热介质H。在所示实施例中，优选使用丙烷作为加热介质H，因为丙烷在很低的温度下就已经发生蒸发，但通过压缩和在冷却又能以简单方式和方法回到液态状态。由于丙烷较低的沸点，可以仅通过环境热W的作用就实现蒸发。特别是当在建立在具有特别高环境温度的地区内的设备中执行所述方法时，这是有利的。由此，除了蒸发，还可对现在是气态的加热介质H略微进行加热。

紧接着蒸发之后，将加热介质H供应给由膨胀涡轮机2驱动的压缩机5。这里以两级进行压缩，在第一级5a中，将加热介质H压缩到中间的压力水平，接着重新将其供应给加热介质容器6。由于液态和气态加热介质H不同的密度关系，液态的部分沉积到加热介质容器6的底部，而气态的部分聚集在加热介质容器6的顶部区域中。

由此可以根据具体的提取部位来选择加热介质H的聚集态。通过加热介质容器6顶部区域中的开口重新从加热介质容器6中提取处于中间压力水平的加热介质H并将其供应给压缩机5的第二压缩级5b。

由于第二级5b中压力升高而被加热的加热介质H接着被供应给第一热交换器8，并且加热介质H的热量传递给作为第三介质的传递介质U。

第一热交换器8为此包括多个连接的单个热交换器8a、8b、8b、……。附加地，也将发电机冷却装置9的热能和油冷却装置10的热能传输给传递介质U。

传递介质U还在一个闭合的回路中循环并且首先存放在传递介质容器11中。由于在膨胀涡轮机2开始运行时还不存在经加热的传递介质U，因此不能对工艺气体P进行预热，传递介质容器11附加地设有单独的加热器12，所述加热器优选将液态的传递介质预热到必要的温度，直至能够通过经压缩的加热介质H提供必需的热量。

在该实施例中，作为用于预热的传递介质U使用水，所述水通过泵13以液体状态从传递介质容器11出发流动通过入口热交换器1以及通过中间热交换器3。入口热交换器1和中间热交换器3为此相互并联。但也可以设想的是，入口热交换器1与中间热交换器3具有相互串联的布置形式。

由于热传递，传递介质U发生冷却，接下来，通过压缩热以及通过发电机冷却装置9和油冷却装置10的热加热传递介质并将其重新供应给传递介质容器11。

图2示意性示出根据本发明的用于在膨胀涡轮机2的单级膨胀中从压力能到电能的转换的方法的过程线路图。工艺气体P的加热通过入口热交换器1进行，由于所述单级的过程不需要中间热交换器3。加热介质H的压缩也仅在由膨胀涡轮机2驱动的压缩机5的一个级中进行。

在加热介质容器6中提供加热介质H作为第二介质，其中，这里加热介质H也作为两相混合物液态/气态地存在。由至少部分液态的状态出发，加热介质H接下来供应给包括多个单个蒸发器7a、7b、7c、……的蒸发装置7。为此，各单个蒸发器7a、7b、7c、……相互并联。作为相对于图1示出的方法的特别之处，发电机冷却装置9和油冷却装置10的热直接用于蒸发和加热所述加热介质H。

在蒸发装置7中蒸发以后，加热介质H在压缩机5中被压缩，并且接着直接供应给入口热交换器1。因此没有向选作第二介质的传递介质U进行热交换。在入口热交换器1上，加热介质H发生冷却并且在进一步的进程中至少部分地冷凝。在这个状态下，加热介质H重新被供应给加热介质容器6，从而可以再次遍历经过所述过程。

Claims (12)

1.用于利用膨胀涡轮机(2)进行从压力能到电能的能量转换(2)的方法，其中，在供应到膨胀涡轮机(2)中之前对处于压力下的气态的第一介质进行加热，并且所述膨胀涡轮机驱动发电机(4)，其特征在于，所述膨胀涡轮机(2)附加于所述发电机(4)还驱动压缩机(5)，通过所述压缩机(5)在加热装置中压缩至少一种气态的第二介质，并且将在压缩过程中形成的热用于加热气态的第一介质。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热装置具有闭合的回路，第二介质在所述回路中循环并且从加热介质容器(6)开始以至少部分液态的状态存在。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二介质在供应到压缩机(5)中之前通过外部热的作用蒸发。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，确定环境温度，将第二介质供应给与环境的热交换过程，第二介质的蒸发温度低于环境温度，从而通过环境能的作用使第二介质蒸发。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，所述压缩以两级进行。

6.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，使第二介质在第一热交换器(8)中向第三介质传输其热量，并且第三介质用于在入口热交换器(1)中加热所述气态的第一介质。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第三介质在泵(13)的驱动下并且从一个容器出发在一个闭合的回路中循环。

8.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，气态的第一介质的膨胀分两级进行，其中在这两级(2a、2b)之间在中间热交换器(3)中重新对气态的第一介质进行预热。

9.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，为了实现从压力能到电能的能量转换，只利用压力能、环境热(W)以及还有该方法本身的废热。

10.用于执行根据权利要求1至9之一所述的方法的膨胀涡轮设备，所述膨胀涡轮设备包括膨胀涡轮机(2)，所述膨胀涡轮机通过传动装置驱动发电机(4)，其特征在于，在所述传动装置上连接压缩机(5)，所述压缩机设定为加热装置的组成部分，用于压缩第二介质，所述加热装置在膨胀涡轮机(2)的输入部中具有入口热交换器(1)，用于加热第一介质。

11.用于从压力能到电能的能量转换的方法，其中，首先对处于压力下的工艺气体进行预热，接下来使工艺气体膨胀，其中，将压力能转换成机械能，然后转换成电能，其特征在于，将机械能的一部分用于推动热动力循环过程，所述循环过程具有以下步骤：

a)通过供应外部能量使部分液态的加热介质蒸发，

b)压缩气态的加热介质，

c)通过间接或直接地向工艺气体释放能量而使气态的加热介质冷却和冷凝，

d)对加热介质进行节流。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，加热介质不是直接将其热量向工艺气体释放，而是将加热介质用于加热第二热动力循环过程，所述第二热动力循环过程具有以下步骤：

a)提供液态的传递介质，

b)向所述传递介质供应机械功，

c)通过向工艺气体释放热能而使传递介质冷却，

d)通过由加热介质供应热能而加热传递介质。

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