[发明专利]组合的循环双闭环发电系统及其使用方法

说明书

背景技术

本公开通常涉及从增强的地下水或地热流体来在两个闭环中操作的组合的布雷顿/朗肯(Brayton/Rankine)循环燃气和蒸汽轮机发电系统，并且在燃气轮机中只燃烧氢气和氧气来替代化伴随空气的化石燃料。

传统的组合的循环燃气轮机发电厂操作于用天然气或伴随空气燃烧的其他烃类或化石燃料以加热工作流体(通常是馈送的水)，以产生蒸汽用于操作涡轮发电机来产生电力，该电力被馈送至配电网以向客户供应电力。这样的电厂产生必须被消散的废热，典型地以冷却塔、散热器、散热片、凝析气藏等方式。即使当废热可以以某种方式传递到工作流体或发送至其他用户，例如供热系统，这样的缓和技术也仅部分地有助于减少低效。其它已知的使用涡轮机发电的低效包括使用空气作为氧化剂的局限性、在需要消散在系统当中的热传导工作流体和燃烧的空气的系统的部分损失。

还已知的是，操作化石燃料的发电厂大量排放导致空气污染的化合物，主要是二氧化碳(CO₂)、二氧化硅(SO₂)一氧化氮(NO)和例如二恶英、汞、飞灰和其他微粒等的其他物质。此外，使用例如石油、煤和包括“合成气”或所谓的生物柴油的人工合成材料的碳氢化合物燃料，需要大规模的开采、加工和运输设施及操作，这已知需要非常大的资金投入、其他非可再生资源的大量使用、或者甚至造成显著的环境危害。

大多数常规电厂在开环循环中操作。例如，通过锅炉由碳氢化合物燃料燃烧所加热的水提供蒸汽以驱动涡轮机，这从而驱动发电机来发电。从涡轮机排出的废蒸汽中包含的废热，它不再循环回到系统的输入端，而它可以用于热电厂中或被馈送至冷却塔或储备库(reservoirs)以消散热量。

经典的闭环系统是由乔治·布雷顿(George Brayton)首次于1870年描述的用于燃油发动机的布雷顿循环(Brayton Cycle)。需要注意的是，闭环系统的特征在于一种系统，其中能量可以与其周围环境(穿过系统边界)进行交换， 但系统中的质量保持恒定，也就是说，它不与周围环境交换或允许穿越系统边界。在布雷顿循环中，大多数经常在使用被馈送入压缩空气的涡轮机的系统中实现：在燃烧部中加热该压缩空气并允许其在涡轮机中扩张以旋转涡轮机的输出轴和连接到涡轮机的发电机。从涡轮机排出的空气随后通过热交换器反馈回压缩机的输入端。同时因为工作流体-空气被返回至输入端因此系统中的质量的净变化是零(在理想的封闭系统中)，被返回到输入端的能量将减少，减少量是在系统中被转化为电力的热量和由于系统损耗而散发到周围环境中的热量。

已经设计了许多方案来回收这种系统中的热损失。在一种方法中，再生器被用于从排气侧将热量传导至路由到所述燃烧部的压缩空气。中间冷却器可以通过在从第一压缩机输出的气体进入第二个压缩机前对其进行冷却，而与串联操作的两个压缩机一起使用。冷却增加了压缩空气的密度从而提高了压缩比。在称为再加热的第三种技术中，通过在从第一个涡轮机中排出的气体进入第二个涡轮机之前对其进行加热，来使用串联操作的两个涡轮机。再加热提高了气体的膨胀比从而提高了对于发电机的旋转驱动。

尽管有这些改进以及在闭环系统中更高效发电的潜力，然而限制了闭环系统的效用的低效率依然存在。热损失仍然显著，并且添加到基本系统中的附加装置增加了复杂性和成本。然而，使用燃气涡轮发动机来发电，虽然因为它们在飞机和远洋船舶中的广泛使用以及一些电厂应用而并不新颖，然而由于它们的随时可用性、可靠性等，它们可以提供实质的经济性。如果可以发现一个方法通过克服现有系统中的低效来操作使用可再生能源的闭环中的燃气涡轮发动机，则对于发电系统来说似乎是意义重大的前景。

在一种已知的闭环系统中，最近由桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)开发的Brayton循环燃气轮机用超临界二氧化碳(CO₂)替代空气—燃气涡轮发动机的通常的工作流体—作为工作流体，这被认为能够将压缩发电系统的所述燃气轮机组件118部分的转换效率从约40％提升至大概50％。所增加的效率起因于超临界CO₂的更大的密度—类似于液体的密度—与作为具有较低密度的气体的空气相比。超临界CO₂由于其更大的密度和更高的温度因此可以传送更大量的热给超燃气轮机来生成更多的电力。效率的增加使能 对于发电设施的相应的较小的体积。然而，伴随着较高温度的是，由于稀碳酸的存在，燃气轮机的组件中的更大的腐蚀风险。