冷却系统和方法与制造工艺

文档序号:11141873
冷却系统和方法与制造工艺
本公开涉及通过涡轮机入口冷却提高发电装置效率的冷却系统和方法。在一个方面,本公开涉及可选择地使用供给到燃烧燃料的发电涡轮机的加压燃料源来冷却装置并生成水的系统。

背景技术:
能量供应、需求和输送基础设施系统带来现有的和增长的社会问题,其侧重点在于低成本、有效的和环境敏感的解决方案。能源工业、监管组和政府机关力图向消费者提供安全、有效和负担得起的能量。随着对数码和电子设备普及、人口增长、工业和个人舒适度的关注,对能量的需求急剧增加。例如,在德克萨斯州,夏季日间能量需求可经常超过国际标准化组织(ISO)对发电机的额定容量。这是由于高温以及由此导致的对空调和其它设备的增加的需求以及能量产生效率的降低所造成的。独立系统调度机构(德克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT))管理德克萨斯州的电力流动并且是美利坚合众国内的9家这样的系统调度机构之一。ERCOT已采取措施将可变的系统范围供应上限(SWOC)在2014年6月增大到7000美元每兆瓦时,并在2015年6月增大到9000美元每兆瓦时,以试图吸引发展新的发电。然而,迄今为止这尚未成功。监管者和能量行业已采取各种其它措施减小日间峰值能量需求,诸如致力于鼓励更少的电力使用以及对现有发电和输送基础设施系统的优化。一个具有提高效率潜力的措施是发电装置(诸如燃烧燃料的发电涡轮机)的入口冷却。入口冷却是指例如对供给到涡轮机的空气进行冷却以降低整体入口空气的温度(“涡轮机入口冷却”或“TIC”)。发电效率还取决于供给到涡轮机的空气的质量流率。由于气体密度在温度增加时减小(如理想气体定律所体现),因此温度的增加使所述质量流率减小。环境空气温度的增加(诸如在夏季,在峰值发电时刻期间)减少燃气轮机(combustionturbine)的发电。入口冷却使供给到涡轮机的空气密度和空气质量流率两者增加,并因而使电力输出增加。所有燃气轮机的电力输出随着入口空气温度的增加而减少。燃气轮机的ISO额定容量是基于海平面处的59华氏度(℉)和14.7psia(磅每平方英寸(绝对值))的标准环境空气状况的。入口空气温度从59华氏度增大到100华氏度(诸如在炎热的夏日)使得燃气轮机的电力输出减小到其ISO额定容量的约73%。这可导致电力生产商在环境温度的升高使电力需求增加时失去卖出更多电力的机会。将入口空气从100华氏度冷却到59华氏度防止了ISO额定发电容量27%的损失。将入口空气进一步冷却到约42华氏度将发电容量提高到ISO额定容量的110%。因此,将入口空气从100华氏度冷却到42华氏度可将输出容量增大约50%。然而,对将诸如环境空气的冷却介质制冷到入口冷却的期望温度的需要还可使可通过入口冷却实现的电力的整体增加减少。这种制冷通常在同样热的、如上所述的环境状况下执行。用于入口冷却的传统系统采用诸如冷却塔、蒸发式冷却器和/或吸收式冷却装置的水冷却器或空气冷却器,这些水冷却器或空气冷却器需要相对高的能量输入以对入口冷却介质进行制冷。蒸发式冷却使用环境空气的热以使水蒸发,伴随着高的蒸发潜热,从而冷却空气。干球温度与湿球温度之间的差异极大地限制了蒸发式冷却能够实现的入口温度。蒸发式冷却还需要大量的水。在2005年,预计美利坚合众国内全部淡水的约41%被用于冷却发电设施。当前需要增加发电而同时需要保护自然资源无法支持实行的这种做法。所述问题是美国环境保护局(EPA)的焦点,该局最近对发电行业内的淡水使用制定了新的准则。用于入口冷却的另一系统的吸收式冷却的运转方式与传统的压缩式冷却器(空调)类似,该类似点在于使用从要被冷却的介质移除的热来使具有低沸点的制冷剂蒸发。吸收式冷却提供吸收气态制冷剂的液体。随后使用加热器将制冷剂从所述液体介质中分离。吸收式冷却被对具有足够热传递和蒸发性能的环境友好型冷却剂的需要所限制。此外,吸收式系统复杂并且昂贵。估计运转这种系统所需的电力约为0.28/kW/RT(RT:制冷的吨数)。可选地,热能存储(“TES”)是在非峰值时刻期间使用低价电力生成冷却水和或冰池的系统。冷却剂可随后在能量需求高峰期被用于TIC目的。TES的缺点是需要使用非峰值电力以生成冰或对水进行冷却、外加需要用于保存水/冰介质的大的储存容积以及需要维持该温度以供在高峰期使用。因此,已知的最好的TIC系统包括相对高的资本成本、能量输入需求、对淡水的依赖以及在高峰期无法有效地运转而且在能量需求非高峰期期间并不需要资源。

技术实现要素:
需要新的系统和方法来提供不具有上述系统的弊端和局限的冷却。用于满足高峰日电力需求的新的电厂建筑在资本和环境成本方面对于社会来讲是昂贵的并且低效的。本公开的多个方面促进资源的有效使用。与建造新的、资本密集的发电厂或需要额外的消耗水的设备相比,本公开的多个方面还能够利用现有的输送/基础设施系统并生成淡水。如在此处所描述的,要被冷却的装置可包括例如:涡轮机或涡轮机入口、发电设施、涡轮机系统、通风或空调系统(诸如用于建筑、管道或任何其它材料、结构或期望被冷却的设备)。此处所使用的术语“已冷却的(chilled)”、“冷却的(chilling)”和“冷却效应”涉及通过使装置或材料与温度相对较低的材料(例如,诸如在换热系统或混合单元中的温度相对较低的气体或液体)进行热接触而降低装置或材料(例如液体、气体或气体入口)的温度。当相对温暖的和相对冷的材料或流动处于热接触时,所述材料或流动各自趋于热平衡。此处描述的冷冻或冷却效应可被直接施加以对装置或流动进行冷却,或者在将冷却效应施加到最终使用的气体、液体或期望被冷却的装置(诸如涡轮机入口)之前可被转移到一个或更多个随后的液体、气体或材料。在一方面中,本公开提供一种用于对装置进行冷却并/或生成水的系统,所述系统包括:加压气体源;膨胀机,与加压气体源流体连通并被构造为使加压气体的至少一部分膨胀以提供冷却的气体;换热器,与冷却的气体热接触并被构造为使冷却的气体与第二气体或流体热接触以提供冷却的第二气体或流体;以及可选的管道,被构造为将冷却的第二气体或流体输送到要被冷却的装置。在本公开的另一方面中,冷却的第二气体或流体包括空气。所述空气可进一步包括水蒸气。在本公开的另一方面中,所述系统还包括在冷凝水从空气中凝结时适于收集冷凝水的管道或容器。在本公开的另一方面,所述系统还包括压缩机,所述压缩机被配置为在膨胀气体通过换热器之后对膨胀气体的至少一部分进行重新压缩。在优选的实施例中,冷却的第二气体或流体被冷却到59华氏度或59华氏度以下。在本公开的另一方面,被冷却的装置包括建筑的通风或空调系统。在另一方面中,被冷却的装置包括发电涡轮机。所述涡轮机由来自加压气体源的气体提供燃料。在本公开的另一方面,加压气体源包括气体管线、气体储存罐和井眼(wellbore)中的至少一个。在本公开的另一方面,加压气体是天然气。在又一方面,换热器包括空气室、吸收式冷却装置和冷却塔中的至少一个。在另一方面,所述系统还包括与第二气体或流体和冷却的第二气体或流体中的至少一个热接触的蒸发式冷却器和吸收式冷却器中的至少一个。在本公开的另一方面,所述系统包括空气混合单元,所述空气混合单元被配置为将冷却的第二气体或流体与环境空气混合。在本公开的另一方面,所述系统还包括适于在冷凝水从环境空气中凝结时收集冷凝水的管道或容器。在本公开的一方面,加压气体源包括空气。在又一方面,所述系统包括:压缩机,被配置为将环境空气流压缩到加压气体源中;可再生能源,被配置为从风车或流动气流、太阳能源和地热能源中的至少一种生成电力,并且其中生成的电力运转所述压缩机。在另一方面,本公开提供了一种用于为发电设施提供涡轮机入口冷却的系统,所述系统包括:加压燃料源,被配置为供给到涡轮机;膨胀机,与所述加压燃料源流体连通并被配置为使来自所述加压燃料源的燃料的一部分膨胀以生成冷却的膨胀的燃料;换热器,被配置为在冷的膨胀的燃料与空气之间提供热接触以冷却空气并加热膨胀的燃料;管道,被配置为将冷却的空气输送到涡轮机的入口;可选的压缩机,被配置为对热的膨胀的燃料加压;可选的容器或管道,被配置为在水从空气冷却中冷凝时捕获水。在又一方面,本公开提供了一种用于为由加压气体源提供燃料的发电装置提供涡轮机入口冷却的方法,包括:使来自加压气体源的气体的一部分膨胀以生成冷却的气体;...
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