[发明专利]高效率发电系统和系统升级

说明书

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。