CN114127392A - 用于将热能转变成机械能的系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种系统，其包括：泵(3)，该泵用于输送流介质；组件(5)，该组件用于将流介质从液态状态转变成气态状态；流体机械(6)，该流体机械用于将流介质的热能转变成机械能；冷凝器(4)，该冷凝器用于将气态的流介质冷凝成液态状态，其中，用于冷却液态的流介质的冷却单元(7)布置在泵(3)之前，以降低压缩功。
Description
技术领域
本发明涉及一种系统，其包括：泵，该泵用于输送流介质；组件，该组件用于将流介质从液态状态转变成气态状态；流体机械，该流体机械用于将流介质的热能转变成机械能；冷凝器，该冷凝器用于将气态的流介质冷凝成液态状态。
背景技术
热力过程可以封闭的方式实施。封闭式热力过程的一个示例是在用于产生电能的发电厂中的水-蒸汽回路。在此，水或蒸汽用作热载体和工作介质。这种循环过程被称为克劳修斯-郎肯过程(Clausius Rankine Prozess)。
在低的过程温度下，该循环过程还通过有机流介质来运转。这种循环过程被称为有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)。
尽管在有机朗肯循环中的流介质严格来说不是纯水蒸气，但将在该循环过程中用于将热能转变成机械能的流体机械
称为蒸汽透平。以CO2作为流介质运转的流体机械的另一名称是CO2膨胀器。
可用在回路中的另一流介质是二氧化碳。二氧化碳相对于水的优点是，临界点在相对低的压力和温度水平。二氧化碳的临界点是在约74巴的压力和约31℃的温度下。相比之下，水的临界点在约221巴的压力和385℃的温度下。这种回路几乎都是超临界回路。因此，这种回路还被称为超临界二氧化碳回路或sCO2回路(sCO2＝supercritical CO2)。虽然这里的流介质同样不是水蒸气，但用于将热能转变成机械能的流体机械被称为蒸汽透平。
图1示出了根据现有技术的在CO2循环过程中的回路1。在进入到泵3中的入口2之前，将流介质(CO2)在冷凝器4中从气态状态转变成液态状态。泵3将液态CO2输送至组件5，该组件构造成将液态的CO2转变成气态的CO2。这通过使用燃料、例如化石燃料或还通过使用地热(所谓的地热发电厂)来实现。在组件5之后，气态的CO2流向蒸汽透平6，该蒸汽透平构造成将CO2的热能转变成机械能。接着，冷却的CO2到达冷凝器4，由此循环结束。
这种sCO2回路的主要特征是，流介质的压缩是在近液态的状态区域中进行的。这意味着，工作介质具有可压缩的特性。这与克劳修斯-郎肯过程相反，在其中，水作为流介质可被称为是不可压缩的。这导致压缩机或泵必须做相对大量的压缩功。
因为压缩与损失相关联，这意味着，例如在水蒸气回路中低的压缩功导致小的损失，而例如在sCO2回路中高的压缩功导致大的损失。
在US8316955B2中公开了sCO2回路用于地热发电的应用。由于大地高度的显著差异，这里说明的系统具有附加的工作原理。输热发生在土地中，亦即，在730米以上的地下，通常在2000米至5000米的深度。在此，沿着注入井的“冷的”CO2(在10℃至40℃)的平均密度与热的CO2(在约60℃和260℃之间)的平均密度有很大差别。由于这种密度差，发生了流介质的自然循环，这还被称为热虹吸效应。工作介质在没有加入机械功的情况下进行循环。从大地汲取热能可通过循环泵来加速。
对于这些地热回路来说，同样重要的是，尽可能地朝液体的方向冷却冷的流介质，因为由此来降低在注入井的入口处的密度以及流介质的可压缩性，或减小在注入井的入口处所需的压缩功。因此加强热虹吸效应。
发明内容
本发明的目的在于改善具有sCO2回路的系统。
该目的通过一种系统来实现，该系统包括：泵，其用于输送流介质；组件，该组件用于将流介质从液态状态转变成气态状态；流体机械，其用于将流介质的热能转变成机械能；冷凝器，其用于将气态的流介质冷凝成液态状态，其中，系统具有冷却单元，以用于冷却液态的流介质。
此外，该目的通过用于系统的运转方法来实现，在其中，将流介质以液态状态通过泵输送至组件，其中，在组件中使流介质从液态状态转变成气态状态，其中，将气态的流介质引导到流体机械中，在此将流介质的热能转变成机械能，其中，在流体机械之后，将流介质在冷凝器中再次转变成液态状态，其中，在冷凝器之后，在流介质再次引导到泵之前，通过冷却单元降低流介质的温度。
在从属权利要求中说明了有利的改进方案。
本发明的主要特征是，在冷凝之后并且在进入到泵中的入口之前冷却流介质。换句话说：流介质在冷凝之后有针对性地进行过冷，由此大大增加了密度或大大降低了压缩性。更精确地说：根据本发明，流介质在泵之前或在第一压缩机级之前进行冷却，目的是使压缩功最小化。除此之外，流介质可在泵中或在压缩机中进行分级冷却，这被称为中间冷却或级间冷却。
如果通过里面使用冷却水的设备进行冷却，目的是将流介质冷却到如此程度，使得流介质的温度尽可能地接近冷却介质的温度。
本发明的优点是，当根据本发明的系统被用于地热发电厂时，通过CO2的物质特性增强热虹吸效应。
在有利的改进方案中，冷却单元构造为热交换器。冷却单元的另一名称是过冷器(Subcooler)。冷却部应有利地如此来构造，即，使得在冷凝之后流介质的温度降低为5K。温度降低还可高于5K或低于5K。
在另一有利的改进方案中，其他冷却单元构造为热交换器。其他冷却单元的另一名称是减温器。
流体机械构造为蒸汽透平或CO2膨胀器，或可被称为蒸汽透平或CO2膨胀器。
本发明的上述特点、特征和优点以及实现这些特点、特征和优点的方式，将结合附图进一步进行更清楚、更明白的阐述。
下面将借助附图对本发明的实施例进行说明。附图不是按比例示出实施例，而是在有助于解释的情况下，以示意性的和/或略微变形的形式绘制附图。
关于附图中可直接看出的教导的补充，参考相关的现有技术。
附图说明
在此，相同的构件或部件或具有相同功能的构件或部件通过相同的附图标记来表示。其中，
图1示出了根据现有技术的回路。
图2示出了根据本发明的回路。
图3示出了根据本发明的组件。
图4示出了T-S图的图示。
具体实施方式
图1示出了上文已经进行了说明的传统的回路1。
图2示出了根据本发明的回路1。在图1中示出的回路和在图2中示出的根据本发明的回路1之间的区别如下：在冷凝器4和泵3之间布置有冷却单元7。冷凝器4用冷却水8来运转，流介质在该冷凝器处进行冷凝。冷却水8通过管道9流到冷凝器壳体10中。
冷却单元7构造成进一步冷却液态的流介质。在一实施方式中，液态流介质用冷却水8来运转。在针对图3的说明中给出了冷却组件7的详细的说明。
流介质是CO2，尤其是sCO2。
在图2中示出的回路可用在地热应用中。为此，在发生器5中没有使用单独的构件，而是利用存在于地球深层中的地热。在位于原始发生器5之前的回路1中的第一部位11处，线路12构造在在地球内部中的储层(未示出)中。基本上冷的流介质在储层中通过地热加热，使得流介质发生从液态状态到气态状态的相变。接着，气态的流介质通过传送线路13再次进入到位于地球表面的回路中，其中，将流介质引导到蒸汽透平6。尽管严格来说作为流体机械的实施方式的蒸汽透平6不是通过蒸汽来运转，而是通过CO2、尤其sCO2来运转，但这里用蒸汽透平6或CO2膨胀器来指代。蒸汽透平6或CO2膨胀器将流介质的热能转变成机械能，由此可驱动发电机，其又产生电能。
通过根据本发明的组件可将液态的流介质的温度借助于冷却单元7冷却、即降低约5℃。由此引起更强的自然循环，这还被称为热虹吸效应，其特点是注入井14和生产井15的平均密度的更大的差异。
更强的热虹吸效应引起了在保持相同的循环的质量流的情况下，压缩功减小，或者在泵3的功率消耗相同的情况下，输送更多的质量流。因此实现净功率的提升。
可能的功率提升，换句话说，净功率增加(这里是针对新鲜水冷却)描绘成取决于冷却水温度或产生的冷凝温度和储层深度。冷凝温度和临界温度的差异越小，通过过冷却装置、例如冷却单元7的功率上升越大。流介质的密度通过过冷却而增加。在注入侧(注入井14)的密度增加引起流介质的更强的自然循环或取代泵功率。
储层深度越浅，通过冷却单元7的功率上升越大。对于浅层储层，由于储层压力和储层温度，热虹吸效应比在深层储层的情况下弱。因此，对于这两种储层来说，如果通过冷却液态的流介质使热虹吸效应得到相同的绝对量的改善，这对浅层储层来说对相对净功率增益有更大的影响。
对于非地热加热的sCO2回路，通过冷却单元7冷却流介质是有利的。在这种回路1中，在输热之前压缩介质不是基于大地高度差来实现的，而是借助于压缩机或泵通过压缩功来实现。同样，在这种情况下，在压缩机或泵的入口处，介质过冷的程度越大，在用于CO2的T-s图或h-s图中的等压线就越密集，这意味着在增加压力时所需的压缩功就越小。
图3显示了用于冷却液态的流介质的冷却装置的不同变体a)、b)、c)和d)。
在根据a)的变体中，冷却单元7、冷凝器4和其他冷却单元16布置在一个总成中，即布置在一个壳体17中。其他冷却单元16构造成，在气态的流介质进入到冷凝器4中之前，还对该流介质进行进一步冷却。因此，其他冷却单元16布置在冷凝器4之前(在图2中未示出)。
其他冷却单元16和冷却单元7构造为热交换器。
在输入部18处，流介质流动通过壳体17。冷却水19在冷却水管道20中流动通过壳体17。冷的冷却水沿流动方向首先流过冷却单元7，然后流过冷凝器4，并且接着流过其他冷却单元16，其还可被称为减温器。因此，可以说，变体a)为串联部。冷凝物流出量如此来调节，即，在液面之下有足够的热交换器管路，使得液态流介质过冷。在三个冷却部分中的每个中出现交叉流。X＝0代表沸点线。冷却单元7以逆流式组件来构造。
变体b)与变体a)就这点而言相类似，即，冷却水串行式地引导通过各组成部分(冷却单元7、冷凝器4和其他冷却单元16)。变体b)与变体a)的区别是，组成部分以逆流原理布置在单独、即分开的总成或壳体中。
变体c)与变体a)就这点而言相类似，即，各组成部分(冷却单元7、冷凝器4和其他冷却单元16)布置在一个总成或壳体17中。变体c)与变体a)的区别是，冷却介质并行地流过所有的三个组成部分。因此，可实现子流的不同的加热期限。在三个冷却部分中的每个中出现交叉流。其可通过合适的导引设备运送到逆流式组件中。
变体d)与变体b)就这点而言相类似，即，各组成部分(冷却单元7、冷凝器4和其他冷却单元16)布置在单独、即分开的总成或壳体中。变体d)与变体b)的区别是，冷却介质并行流过所有三个组成部分。以逆流原理进行冷却。
在所有的变体a)、b)、c)和d)中，目的是将流介质的温度冷却到尽可能贴近冷却介质的温度。
图4示出了用于根据本发明的回路的T-S图，其中，在该图中示出了与传统的回路的比较。
在图中绘出的点A、B、C、C'、D与在图2中示出的点相关。因此，点A位于流介质进入到蒸汽透平6中的入口之前。点B位于蒸汽透平6之后。点C位于冷凝器4之后。点C'是根据本发明的冷却单元7布置在回路中时的情况。点D处在泵3和发生器5之间。
可将点A选为起点。从点A至点B，流介质在蒸汽透平中降压，在此，直至点B，温度降低。从点B至点C，在其他冷却单元16中发生气态的流介质的冷却，并且接着在冷凝器4中进行冷凝。冷凝等温地进行，直至线100和200的交点。在没有根据本发明的冷却单元7的情况下，回路在点C处引导至点D'(在泵3之后)。有了根据本发明的冷却单元7，流介质的温度沿着相应的等压线还进一步降低至点C'。从C'点开始，泵3必须施加比从点C到D'更小的泵送功率22。从点C到点D'的泵送功率21大于从点C'到点D的泵送功率22。
通过从点C到点C'的冷却，增加了流介质的密度，并且降低了压缩性。因此，泵送功率21和22是不同的。
尽管本发明已通过优选的实施例进行了进一步详细描述和说明，但本发明不受所披露的示例的限制，并且本领域的技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中得出其他变体。
Claims (17)
1.一种系统，包括：
泵(3)，该泵用于输送流介质，
组件(5)，该组件用于将所述流介质从液态状态转变成气态状态，
流体机械(6)，该流体机械用于将所述流介质的热能转变成机械能，
冷凝器(4)，该冷凝器用于将气态的流介质冷凝成液态状态，
其特征在于，设有冷却单元(7)，该冷却单元用于冷却液态的流介质。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述冷却单元(7)构造为热交换器。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述冷凝器(4)与所述泵(3)流体连接，并且所述冷却单元(7)布置在所述冷凝器(4)和所述泵(3)之间。
4.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述组件(5)为发生器，该发生器通过燃烧燃料将二氧化碳从液态状态转变成气态状态。
5.根据权利要求1至3所述的系统，其特征在于，所述组件(5)为在大地地层中的储层，其中，通过地热将布置在所述储层中的二氧化碳从液态状态转变成气态状态。
6.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述流体机械(6)构造为蒸汽透平或CO2膨胀器。
7.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述流体机械(6)与所述冷凝器(4)流体连接，并且在所述冷凝器(4)和所述流体机械(6)之间布置有其他冷却单元，其中，在所述其他冷却单元中冷却所述气态的流介质。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述其他冷却单元构造为热交换器。
9.根据上述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述冷却单元(7)、所述冷凝器(4)和所述其他冷却单元布置在一个壳体(17)中。
10.根据权利要求6、7、8或9中任一项所述的系统，其特征在于，冷却介质首先流动通过所述冷却单元(7)，然后流动通过所述冷凝器(4)，并且接着流动通过所述其他冷却单元。
11.根据权利要求6、7、8或9中任一项所述的系统，其特征在于，冷却介质并行地流动通过所述冷却单元(7)、所述冷凝器(4)和所述其他冷却单元。
12.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述冷却单元(7)、所述冷凝器(4)和所述其他冷却单元布置在分开的壳体中。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，冷却介质首先流动通过所述冷却单元(7)，然后流动通过所述冷凝器(4)，并且接着流动通过所述其他冷却单元。
14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，冷却介质并行地流动通过所述冷却单元(7)、所述冷凝器(4)和所述其他冷却单元。
15.一种用于根据权利要求1至14中任一项构造的系统的运转方法，其中，将流介质以液态状态通过泵(3)输送至组件(5)，其中，在所述组件(5)中将所述流介质从液态状态转变成气态状态，其中，将气态的流介质引导到流体机械(6)中，在此将所述流介质的热能转变成机械能，
其中，在所述流体机械(6)之后，将所述流介质在冷凝器(4)中再次转变成液态状态，其中，在所述冷凝器(4)之后，在将所述流介质再次引导至所述泵(3)之前，通过冷却单元(7)降低所述流介质的温度。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述流介质流到所述冷凝器(4)中之前，在其他冷却单元中冷却所述流介质。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，将所述流介质在所述泵(3)之后导引到在大地中的储层中，并且通过地热加热所述流介质，使得所述流介质发生从液态到气态的相变，并且接着将气态的流介质从大地导引至流体机械(6)。
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