[发明专利]发电设备和方法

说明书

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(Carnot efficiency)。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)。