联合循环发电系统的制作方法

联合循环发电系统的制作方法
【专利摘要】根据本公开内容的一个方面，一种联合循环发电系统（100）可以包括：具有至少两个废热源的用于生成电力的至少一个发电机组（130A，130B）；具有工作介质的直接有机朗肯循环系统（200），该直接有机朗肯循环系统包括模块化排热系统（230）和有机朗肯涡轮模块（210，240）；其中该模块化排热系统包括普通蒸汽分离器和与该至少两个废热源中的每一个相关联的锅炉子系统（234），并且每个锅炉子系统被配置为将相应热源的热量传递至所述工作介质，并且该蒸汽分离器被配置为从离开每个锅炉子系统的工作介质得出工作介质气相并且将工作介质气相提供至有机朗肯涡轮模块以便进行发电。
【专利说明】联合循环发电系统
【技术领域】
[0001]本公开内容总体上涉及从废热发电，尤其涉及使用有机朗肯循环(ORC)将多个废 热源的废热转换为电力。
【背景技术】
[0002]例如，能够另外通过从燃烧引擎(combustion engine)的废热(例如,排放气体的 热量)发电来提高例如利用燃烧引擎进行发电的效率。类似地，将从废热进行发电用在联合 循环发电中，其例如使用ORC而将从蒸汽或燃气轮机进行的发电与至少一个从蒸汽或燃气 轮机的废热获取电力的附加阶段相结合。
[0003]这里，术语“联合循环”要被理解为包括具有ORC与诸如燃烧引擎(例如，气体或液 体燃料发电机组)之类的基于燃烧的发电系统的组合、以及ORC与基于蒸汽或燃气轮机的发 电系统的组合。
[0004]为了从低温废热有效生成能量，已经研发出了 ORC技术。ORC使用在废热的可利用 温度变为气相的工作介质并且被用来驱动ORC涡轮。总体上存在两种类型的ORC:
[0005]间接ORC使用中间液体循环将废热传递至工作介质，由此工作介质在ORC单元的 封闭循环中进行循环。这些类型的系统被称作闭环ORC系统。
[0006]与之相反，直接ORC (也被称作开环0RC)直接利用废热对工作介质进行加热。直 接 ORC 系统例如在 US 2007/0240420A1 和 US 2008/0289313A1 有所公开。
[0007]例如，在US 2011/0011089A1中公开了一种用于低温直接朗肯循环的多组件工作 流体系统。
[0008]本公开内容至少部分针对于改进或克服现有系统中的一个或多个方面。

【发明内容】

[0009]根据本公开的一个方面，一种联合循环发电系统可以包括第一发电机组，其用于 生成电力并且具有高温废热源和低温废热源；直接有机朗肯循环系统，其利用有机工作介 质进行操作，该直接有机朗肯循环系统包括模块化排热系统和有机朗肯涡轮模块，其中该 模块化排热系统包括锅炉子系统，其具有锅炉和蒸汽分离器，该锅炉包括被配置为将该高 温废热源的热量传递至工作介质的蒸发管道系统，该蒸汽分离器被配置为从离开该蒸发管 道系统的工作介质得出工作介质液相和工作介质气相，将工作介质气相提供至有机朗肯涡 轮模块以便进行发电，从有机朗肯涡轮模块接收工作介质，并且将所得出的工作介质液相 和从有机朗肯涡轮模块所接收的工作介质的混合物提供至该蒸发管道系统，并且该有机朗 肯涡轮模块包括用于使用所得出的工作介质气相的热量驱动发电机的涡轮、用于再生离开 该涡轮的工作介质的再生系统，用于冷凝离开该再生系统的工作介质的冷凝器，以及被配 置为将来自发电机组的低温废热源的热量传递至离开该冷凝器的工作介质的预加热系统。
[0010]根据另一个方面，一种联合循环发电系统可以包括具有至少两个废热源的用于生 成电力的至少一个发电机组；具有工作介质的直接有机朗肯循环系统，该直接有机朗肯循环系统包括模块化排热系统和有机朗肯涡轮模块；其中该模块化排热系统包括普通蒸汽分 离器以及与至少两个废热源中的每一个相关联的锅炉子系统，并且每个锅炉子系统被配置 为将相应废热源的热量传输至工作介质，并且该蒸汽分离器被配置为从离开每个锅炉子系 统的工作介质得出工作介质气相并且将该工作介质气相提供至该有机朗肯涡轮模块以便 进行发电。
[0011 ] 在一些实施例中，该至少两个废热源中的两个或多个可以是单个发电机组的不同 类型的废热源。附加地或可替换地，至少两个废热源中的两个或多个可以是两个或多个发 电机组的废热源。该废热源例如包括排放气体的热量和发电机组的冷却剂的热量中的至少 一个，该冷却剂系统包括高温增压空气冷却系统或低温增压空气冷却系统或冷却水冷却系 统。
[0012]在一些实施例中，该至少一个发电机组可以包括用于从热解油生成电力的热解油 引擎，用于从热解气生成电力的热解气引擎、柴油引擎和/或气体引擎。
[0013]在一些实施例中，该联合循环发电系统可以包括控制系统，其被配置为对工作介 质通过锅炉子系统的循环进行控制，以使得工作介质的至少15%、20%、30%、40%或50%在离 开锅炉子系统时保持为液相。
[0014]通常，除了(多个)常规燃烧引擎所生成电力的效率之外，使用如这里所描述的例 如基于来自燃烧引擎的排放气体或增压空气冷却系统的热量的直接ORC系统会使得效率 增加例如大约10%。
[0015]考虑到ORC系统的高成本，在用于工作介质的排热循环的模块化概念内组合若干 热源可以降低用于实施基于ORC而从废热进行发电的成本。
[0016]此外，可替换地或附加地，可以使用诸如高温增压空气冷却系统之类的各种类型 的热源来对工作介质进行预加热。
[0017]考虑到直接对有机工作介质进行加热必须以不影响工作介质自身(例如，导致聚 合)的方式来进行的事实，这里公开了用于对直接ORC进行控制的控制概念。该控制概念可 以避免或至少减少工作介质的过热量，由此提供了工作介质的长期使用。
[0018]本公开内容的特征和方面将从以下描述和附图而变得清楚。
【专利附图】

【附图说明】
[0019]图1是包括使用三个发电机组的废热的直接ORC系统的组合系统的示意性概览 图；
[0020]图2是用于包括使用来自气体发电机组和液体发电机组的废热的直接ORC系统的 基于热分解的发电厂的组合系统的示意性概览图；
[0021]图3是具有模块化排热系统和ORC涡轮模块的直接ORC系统的示意性图示；
[0022]图4是图示具有包括三个排热模块的模块化排热系统的直接ORC系统的示意图；
[0023]图5是包括过热处理区的直接ORC系统的示意性图示；
[0024]图6是包括在将工作介质供应至模块化排热系统和过热处理区之前对其进行预 加热的直接ORC系统的示意性图示；以及
[0025]图7是发电机组的空气系统和冷却系统的示意性图示。【具体实施方式】
[0026]以下是对本公开内容的示例性实施例的详细描述。这里所描述以及在附图中图示 的示例性实施例意在教导本公开内容的原理，使得本领域普通技术人员能够在许多不同环 境中以及针对许多不同应用实施并使用本公开内容。因此，示例性实施例并非意在并且不 应当被认为是对专利保护范围的限制描述。
[0027]本公开内容可以部分基于认识到，为了提高例如生物燃料发电厂的发电厂的效 率，而可以将各发电机组的废热或者一个或多个发电机组的各种废热经由普通有机朗肯循 环而被转化为电力。
[0028]将多个废热源经由如这里所描述的模块化排热循环进行组合可以基于普通蒸汽 分离器以及具有涡轮和再生器的普通ORC涡轮模块。
[0029]普通蒸汽分离器可以可连接至普通ORC涡轮模块以将工作介质的气相提供至涡 轮并且在利用ORC涡轮模块的再生器再生工作介质之后接收工作介质。在联合循环发电系 统中，普通蒸汽分离器可以被配置作为ORC涡轮模块和模块化排热循环之间的接口。此外， 将普通蒸汽分离器配置为从ORC涡轮模块接收工作介质并且随后将该工作介质分配至各 个排热循环，可以允许简单的ORC控制概念。
[0030]在一些实施例中和/或在具体操作条件下，普通蒸汽分离器可以被配置为在将工 作介质供应至各个排热循环之前以普通预设温度提供工作介质。
[0031]在一些实施例中，常见蒸汽分离器例如可以使用引擎的冷却系统和锅炉的低温区 来接收预加热的工作介质。使用引擎冷却系统的预加热可以在工作介质再生单元之前执 行，而使用锅炉的低温区进行的预加热可以在工作介质再生单元之前但是向普通蒸汽分离 器供应工作介质之前执行。
[0032]在一些实施例中，可以在工作介质循环的不同阶段期间使用处于不同温度水平的 废热。例如，诸如引擎的低温和/或高温冷却电路的冷却剂之类的低温废热源可以在冷凝 以支持再生以预加热的工作介质之后而被用于对工作介质进行预加热。关于诸如排放气体 之类的高温废热源，锅炉内的最高温度区域(过热处理区)可以在工作介质被供应至涡轮之 前对工作介质的气相进行过热处理。在中间温度区域(蒸发区)，主要的能量转化可能发生 并且开始工作介质的液相-气相变换。锅炉的最低温度区域(预加热区)可以被用于在工作 介质被供应至蒸汽分离器并且在其中与蒸汽分离器中所生成的液相进行混合之前被用于 (附加地)对工作介质进行预加热。在一些实施例中，锅炉的过热处理区、蒸发区和预加热区 可以布置在高温废热源的流动方向上。
[0033]为了允许使用多个废热源的热量，可以对普通蒸汽分离器进行配置以使得多个并 列排热循环共享普通蒸发分离器。例如，每个排热循环可以包括其自己的泵和锅炉并且提 供在普通蒸汽分离器开始和结束的加热循环。由于每个排热循环可以具有其自己的泵，所 以可以如这里所描述的对排热循环内的流动进行调节以便保护工作介质。
[0034]例如，为了避免过热并且由此令有机工作介质分解，如这里所描述的控制概念可 以将排热循环内的循环速率调节为值1.3至1.5。由此，值1.0被定义为如下循环速率，其 使得对工作介质进行加热以使得100%的工作介质变化为气相，即通过锅炉的工作介质的 全部数量都被蒸发。因此，高于1.0的值指示更多工作介质进行循环。作为示例，对于值
1.30而言，与对应于值1.00的工作介质的数量的130%进行循环。这对应于在拉蒙特原则下对排热循环进行操作。例如，锅炉可以被认为是作为拉蒙特锅炉进行操作。
[0035]作为示例，如这里所描述的控制策略可以在通过锅炉的工作介质的至少30%保持 为液相的条件下对排热循环进行操作。随后，可以以还没有蒸发的工作介质的形式提供能 量缓冲以使得液相可以在温度进一步增加的情况下接收该能量。
[0036]具体地，该控制概念可以将排热循环内泵的速度控制为可以提供排热循环内的工 作介质的如下时间的值，该时间在锅炉出口处导致工作介质的液相和气相的预设比率。
[0037]在下文中并且参考图1至7，公开了直接ORC系统及其在组合发电系统中的实施方 式的各种实施例。
[0038]如图1所示，多个发电机组10可以向直接ORC系统20提供废热。具体地，单个发 电机组10可以向直接ORC系统20提供不同类型的废热，诸如排放气体热量、增压空气冷却 系统的冷却剂热量和冷却水(jacket water)的热量，该增压气体冷却系统的冷却剂热量例 如高温增压空气冷却剂循环和/或低温增压空气冷却剂循环。
[0039]虽然在原则上对于作为发电机组10的示例的燃料燃烧引擎而言，以燃料形式的 能量输入的大约50%可以被转化为机械输出，但是基于ORC系统使用例如排放气体和/或 增压空气冷却系统的废热进行二级发电可以导致引擎所生成的电力有例如额外10%的增 力口，即在该示例中，有额外5%的能量输入可以被转化为电力。
[0040]以下结合图2对向多个发电机组10应用ORC的一般概念进行描述。
[0041]图2示出了作为使用生物质综合液化的电力系统的示例的基于热分解的发电厂 100的流程图。基于热分解的发电厂100可适于包括使用废热的ORC系统。
[0042]基于热分解的发电厂100可以包括被提供以诸如木材或农业肥料(例如，小麦或 玉米的茎、草、木头、刨花、葡萄和甘蔗)的生物质111。例如，使用快速热分解，热分解反应 器110可以生成热分解气体112A、热解油112B和炭。快速热分解是使得以液体部分(这里 为热解油)最大化为任务而执行的一种具体类型的常规慢速热分解。
[0043]热解气112A和热解油112B可以被提供至调节单元120A、120B。Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG于2010年4月 I 日提交并且公布为 W02011/120542A1 的PCT 申请PCT/ EP2010/002114公开内容了一种用于制备(调节)用于燃烧引擎的热解油的示例性方法。热 解气的调节例如可以包括对热解气进行清洁、冷却和压缩。
[0044]经调节的热解气112A和经调节的热解油112B分别可以被用作气体发电机组130A 和液体发电机组130B的燃料。
[0045]发电机组130A和130B分别可以提供电输出132A、132B。气体发电机组130A例如 可以是适于利用热解气运行的常规气体引擎。液体发电机组130B例如可以是适于利用热 解油运行的常规柴油机。
[0046]此外，气体发电机组130A和液体发电机组130B分别可以生成一种或多种废热输 出134A和134B。废热输出134A和134B可以被提供至有机朗肯系统140，其使用废热134A 和134B来额外提供电输出142。
[0047]有机朗肯系统140可以基于直接ORC系统，其示例在随后结合图3至6进行描述。 具体地，直接ORC系统可以基于模块化概念。
[0048]参考图3，模块化概念的示例性直接ORC系统200可以包括ORC涡轮模块210和模 块化排热系统230。[0049]直接ORC系统200可以被配置为使得在闭环中，工作介质通过ORC涡轮模块210 和模块化排热系统230。因此，从一个或多个发电机组的一种或多种废热类型在模块化排热系统230内直接执行工作介质的加热(还参见图7)。根据能量容量和温度，一些类型的废热可以被用来对ORC涡轮模块210内(例如，低温和高温引擎冷却循环)或者处于ORC涡轮模块210和模块化排热系统230之间(例如，排气锅炉的预加热区)的工作介质进行预加热。具有大的能量容量和温度的废热源可以被用于蒸发模块化排热系统230(例如，排气锅炉的较高温度区域)内的工作介质。
[0050]ORC工作介质为有机属性而不是水(水蒸汽)。有机工作介质的示例包括饱和碳氢化合物和非饱和碳氢化合物、氟化碳氢化合物、诸如硅氧烷的硅油、氨和氨水混合物。工作介质的类型尤其定义了可以在其中执行ORC的温度范围。例如，可以随基于热分解的发电厂100而应用硅基流体。
[0051]参考图3，ORC涡轮模块210可以包括用于驱动发电机214的涡轮212。ORC涡轮模块210可以进一步包括再生单元216和冷凝器单元218。
[0052]再生单元216可以将在已经驱动涡轮212之后仍然处于气相的工作介质的热量传递至处于液相的再生工作介质。
[0053]冷凝器单元218可以连接至水循环220并且对工作介质进一步进行冷却并冷凝直至其再次处于液相。
[0054]ORC涡轮模块210可以进一步包括一个或多个控制阀226以及一个或多个泵228。
[0055]ORC涡轮模块210可以进一步包括工作介质入口 222和工作介质出口 224，用于在 ORC涡轮模块210内的工作介质循环部分和模块化排热系统230内的工作介质循环部分之间的流体连接。
[0056]模块化排热系统230可以包括具有入口 252和多个锅炉子系统234的普通蒸汽分 1--? 232。
[0057]为了将ORC涡轮模块210内的工作介质循环部分和模块化排热系统230内的工作介质循环部分进行连接，ORC涡轮模块210的工作介质出口 224可以流体连接至蒸汽分离器232的入口 252。因此，具体地，工作介质可以直接从再生单元216流至蒸汽分离器232 中。在一些实施例中，具体是在供应至蒸汽分离器232之前，在将工作介质供应至蒸汽分离器232之前，可以在ORC涡轮模块210内或者ORC涡轮模块210和模块化排热系统230之间的工作介质循环部分内对其执行预加热。预加热例如结合图6和7进行描述。
[0058]蒸汽分离器232可以被配置为将在锅炉子系统234中进行加热的工作介质的气相从液相分离开来。
[0059]在被供应至锅炉子系统234之前，从ORC涡轮模块210所返回的工作介质可以在蒸汽分离器232中与已经通过锅炉子系统234的分离的液体工作介质进行混合，这导致进一步加热了从ORC涡轮模块210返回的工作介质。蒸汽分离器(232)可以包括用于得出工作介质液相和工作介质气相的部分，以及用于将所得出的工作介质液相和从有机朗肯涡轮模块(210，410)接收的工作介质进行混合的部分。蒸汽分离器232内的混合可以具有进一步的优势在于，在联合循环发电系统内供应各种锅炉子系统234时的简单管道配置和对称条件。[0060]每个锅炉子系统234可以包括泵236和锅炉238。锅炉238可以被配置用于将发电机组的诸如排放气体237或温度有所增加的冷却水之类的废热输出的热量传递至工作 介质上。一个或多个锅炉子系统234可以根据拉蒙特原则进行操作。因此，锅炉子系统234 的锅炉238可以被认为是拉蒙特锅炉。
[0061 ] 根据拉蒙特锅炉对锅炉子系统234进行操作可以关于相应的锅炉子系统234内的 热传递条件的变化而提供快速响应时间。这可以基于与热传递相关联的低的管壁温度和良 好的阿尔法值。拉蒙特锅炉可以进一步基于小尺寸管道，这也会对响应时间具有正面影响。 这些优势可以具体应用于将排热循环内的循环速率调节为1.3至1.5的值的概念。
[0062]在图3所示的示例性实施例中，多个锅炉子系统234可以经由一个或多个锅炉子 系统连接线路240连接至蒸汽分离器232。
[0063]示例性地参考在图3中详细示出的锅炉子系统234，蒸汽分离器232的分离器出口 242可以经由锅炉子系统连接线路240连接至锅炉子系统234的泵236。对于锅炉子系统 236而言，泵236可以连接至相应锅炉238的锅炉入口 244。锅炉238的锅炉出口 246可以 连接至蒸汽分离器232的分离器入口 248。蒸发管道系统(由虚线示意性指示)可以整合到 锅炉238中。该蒸发管道系统可以被配置为将高温废热源(例如，排放气体)的热量传递至 工作介质。
[0064]蒸汽分离器232的气相出口 250可以经由连接线路254连接至ORC涡轮模块210 的工作介质入口 222以使得气相工作介质可以被提供至涡轮212以便驱动发电机214，由此 闭合工作介质循环。可以如以下结合图5所描述的，在气相出口 250和ORC涡轮模块的工 作介质入口 222之间额外执行气相的过热处理。
[0065]在操作期间，可以通过锅炉238供应温度处于例如310°C且质量例如为 75000-112000kg/h的排放气体。泵236可以泵送工作介质通过锅炉238以使得工作介质部 分变为气相并且生成气相与液相的工作介质的混合物。排放气体可以在大约180°C的温度 离开锅炉238。
[0066]作为工作介质的温度发展的示例，工作介质可以在大约170°C的温度离开ORC涡 轮模块210并且可以在部分为气相且部分为液相的混合状态中在锅炉238中被加热至大约 250°C的温度。在蒸汽分离器232中进行分离之后，气态工作介质以大约250°C的温度进入 ORC涡轮模块210。
[0067]加热工作介质的气相和液相混合物可以供应至蒸汽分离器232并且在其中进行 分离以使得仅有气相可以被提供至ORC涡轮模块210。
[0068]在ORC涡轮模块210的操作期间，涡轮212可以通过气态工作介质驱动发电机 214，该气态工作介质由此膨胀且温度下降。在涡轮212的下游，工作介质可以通过再生单 元216，其中仍然为气态的工作介质的热量可以被传递至液体工作介质，该液体工作介质已 经使用水循环220而在冷凝器218中由工作介质的气相所生成。
[0069]在蒸汽分离器232中分离加热工作介质的气相和液相以及将气相供应至涡轮212 产生处于250°C(参考以上示例)的液体工作介质，其然后可以在蒸汽分离器232中与从ORC 涡轮模块210接收(在图3所示的实施例中是从再生单元216所接收)的(可能被预加热的) 工作介质相混合。
[0070]如图3所示，附加的锅炉子系统234可以流体连接至蒸汽分离器232。具体地，将 工作介质分配至附加的锅炉子系统234可以经由锅炉子系统连接线路240 (还参见图4)来执行。
[0071]对于具有三个锅炉子系统234的直接ORC系统而言，图4图示了锅炉子系统234 内的工作介质的流动。此外，图4图示了锅炉子系统234的泵236的控制。
[0072]具体地，在ORC涡轮模块210的出口 224开始，再生的工作介质可以具体地通过入 口 252而被提供至蒸汽分离器232，并且在蒸汽分离器232中与源于蒸汽分离器232的分离 处理的工作介质进行混合。可替换地或附加地，再生的工作介质和所分离的工作介质可以 在蒸汽分离器232之外进行混合。
[0073]再次参考图4，在出口 242，工作介质可以沿锅炉子系统连接线路240离开蒸汽分 离器232，该锅炉子系统连接线路240将工作介质分配至三个锅炉子系统234，每个锅炉子 系统234包括至少一个泵236和至少一个锅炉238。
[0074]泵236可以经由控制单元305进行控制以对工作介质通过锅炉238的循环速度进 行调节，以使得工作介质的至少15%、20%、30%、40%或50%在离开相应锅炉238时保持为液 相。出于该目的，控制单元305可以在锅炉238中的加热处理之后接收工作介质的物理参 数(诸如温度和压力)的信息。例如，可以在出口 246处或其下游提供相应传感器。可替换 地或附加地，控制单元可以接收有关发电机组的当前性能和/或未来性能的信息。
[0075]作为示例，在一些实施例中，可以在控制单元305中提供取决于负载/温度的流动 曲线表。负载是指其废热在相应锅炉子系统中得以使用的发电机组的负载。温度是指在该 相应锅炉子系统的工作介质回路内所测量的工作介质的温度。图4示意性示出了将控制单 元305与安装在锅炉238下游的温度传感器308进行连接的温度测量线路307。在图4中， 仅示例性地示出了一条温度测量线路307。通常，可以为一个或多个锅炉子系统提供温度测 量线路。
[0076]该取决于负载/温度的流动曲线可以被用来对相应泵236在通过锅炉238的吞吐 量的预定范围内的速度进行控制。因此，控制单元305可以评估发电机组的参数负载和工 作介质的温度并且由此得出用于对泵速度进行控制的控制参数。控制输出参数可以有所限 制而使得泵236的速度可以仅在例如70-100%的范围内进行调节。
[0077]控制单元305可以包括用于为每个锅炉子系统提供取决于负载/温度的流动曲线 表的存储器单元。控制系统可以进一步经由控制线路306连接至每个锅炉子系统的泵236。
[0078]通常，控制单元305可以允许对每个锅炉和相关联废热源的循环速度进行单独调 节以使得有机工作介质得以被保护而例如免于热分解。
[0079]例如，朝着预设温度极限增加工作介质的温度，泵的速度也会有所增加。类似地， 发电机组的负载有所增加，并且例如可能预期排放气体温度的增加，并且因此泵的速度可 以增加以避免、限制或者至少减缓工作介质的温度增加和相位变换。在一些实施例中，可以 提供旁通线路，其允许带有废热的介质绕过相应锅炉(多个)，以使得通过控制带有废热的 介质的流动，工作介质的温度和相位变换也可以被确保处于可接受的限制之内。
[0080]再次参考图4，例如来自诸如燃烧引擎(例如，柴油机或燃气引擎)的三个发电机组 的废热可以被传递至锅炉238中的工作介质。加热的工作介质随后可以被组合并且提供至 蒸汽分离器232的入口 248。
[0081]蒸汽分离器232可以将工作介质的气相从液相分离出来并且经由出口 250和线路 254将气相提供至ORC涡轮模块210的入口 222。[0082]结合图5对模块化排热系统230的锅炉的实施例进行描述。具体地，排热系统230 可以包括锅炉438，其包括过热处理区460。
[0083]在图5所示的实施例中，ORC涡轮模块210以及锅炉子系统234到液相工作介质上的热量传递实质上可以如结合图3和4所描述的那样进行工作。
[0084]图5所示的实施例与图3所示的系统的区别在于蒸汽分离器232的气相出口 250 的下游。不同于直接连接至ORC涡轮模块210，气相出口 250可以连接至锅炉438的过热处理区460内的过热处理管道系统(由虚线示意性指示)的入口 462。该过热处理管道系统可以被配置为将高温废热源(例如，排放气体)的热量传递至工作介质的气相。
[0085]在图5中，并未针对实质上关于图3的实施例保持不变的特征重新生成若干附图标记，以增加说明的清楚性。
[0086]在过热处理区460，气相工作介质由例如进入锅炉438的排放气体237的废热进行过热处理。过热处理的气相工作介质可以在出口 464离开过热处理区460，该出口 464然后可以流体连接至ORC涡轮模块210的入口 222，以使得可以以更高温度提供气相工作介质而提高涡轮212的效率。
[0087]如图5中所指示的，附加的锅炉子系统234可以包括具有过热处理区460的锅炉 438。因此，气相可以如线路466所指示的被分配至附加的过热处理区。在这种情况下，在出口 464离开附加过热处理区460的经过热处理的气相工作介质可以如线468所指示的与来自其它过热处理区的过热处理后的工作介质相组合。在一些锅炉子系统234中可能并不具有过热处理区，并且过热处理后的和未经过热处理的气 相混合物可以被供应至ORC涡轮模块210。
[0088]类似地，如图3和4所指示的，可以提供附加的锅炉子系统234以使得来自多个锅炉子系统234的加热工作介质在入口 248处进入蒸汽分离器232之前进行混合。
[0089]结合图6对使用工作介质的增加的预加热的直接ORC系统的实施例进行描述。在图6中，并未针对实质上关于图3和4的实施例保持不变的特征重新生成若干附图标记，以增加说明的清楚性。
[0090]图6示出了包括ORC涡轮模块510和锅炉子系统534的直接ORC系统，该锅炉子系统534包括如结合图5所描述的过热处理区460。
[0091]除了已经结合图3和再生单元216所讨论过的预加热之外，图6的实施例示出了再生工作介质的两种类型的预加热--与ORC涡轮模块510进行交互的热传递单元570、以及锅炉子系统534的预加热区580。可以那些类型的预加热中的一种或多种而使得来自ORC 涡轮模块510的工作介质的温度与蒸汽分离器232所提供的所分离液相工作介质的温度相适应。
[0092]在ORC涡轮模块510内的工作介质循环的部分中，可以实施利用例如燃烧引擎的高温或低温冷却电路(也参见图7)的低温热源进行的预加热。
[0093]具体地，热传递单元570可以从例如燃烧引擎的发电机组的冷却剂循环的冷却剂介质571接收热量，并且将该热量传递至离开泵228的再生工作介质。出于该目的，热传递单元570可以与泵228和再生单元216流体连接。
[0094]离开例如处于高于50°C的温度的冷凝器218的工作介质可以在热传递单元570中被加热到例如高于120°C的温度。如在泵228和热传递单元570之间以及在热传递单元570和再生单元216之间的虚线和箭头所示，与相同或不同发电机组相关联的多个热传递单元 例如可以使用那些热传递单元的并联布置而得以被采用。此后，工作介质可以进一步被再 生单元216加热至例如高于190°C的温度。
[0095]在锅炉子系统534内的工作介质循环的部分中，例如可以使用锅炉子系统524的 至少一个锅炉538的低温部分来执行预加热。具体地，在进入蒸汽分离器232之前，工作介 质可以通过预加热区580。例如，ORC涡轮模块510的出口 224可以与预加热区580的预加 热管道系统的入口 582流体连接。预加热管道系统(由虚线示意性指示)可以被配置为将高 温废热源(例如，排放气体)的热量传递至例如在供应至蒸汽分离器232之前的经预加热的 工作介质。
[0096]经预加热的工作介质可以以例如高于260°C的温度在出口 584离开预加热区580。 而且，预加热区580内的预加热可以在结构上与锅炉子系统534相关联，以功能观点来看， 蒸汽分离器232可以被认为是在ORC涡轮模块510和锅炉子系统534内的工作介质循环部 分之间的接口。以该观点来看，预加热区580内的预加热可以被认为是属于ORC涡轮模块 510的工作介质循环部分或者属于所插入的附加工作介质循环部分。
[0097]如再生单元216和入口 582之间以及出口 584和蒸汽分离器232之间的虚线和箭 头所示，相同或不同锅炉538的多个预加热区例如可以使用那些预加热区的并联布置而得 以被米用。
[0098]出口 584可以流体连接至蒸汽分离器232的入口 252，在蒸汽分离器232中，经预 加热的工作介质与也处于例如260°C的温度的经分离的液相工作介质进行混合。
[0099]如结合图3和4所描述的，锅炉538可以提供泵236所控制的液体工作介质的加热 循环，以使得工作介质的循环速度可以以气液混合状态将工作介质提供至蒸汽分离器232。
[0100]如结合图5所描述的，所分离的气相可以被提供至锅炉538的过热处理区460以 便在向涡轮212提供过热处理后的气相工作介质之前将气相工作介质进一步加热至例如 270°C的温度。
[0101]示例性地，这里所公开的用于直接有机朗肯循环系统的发电机组的废热源基于示 意性的中等大小的柴油机或气体引擎在图7中进行了图示。
[0102]具体地，图7示出了在结合图2描述的基于热分解的发电厂100中使用的诸如气 体引擎130A或液体燃料引擎130B的常规燃烧引擎700的示例性空气系统和冷却系统。在 图7中，双线箭头是指空气系统，例如增压空气和排放气体的流，而单线箭头则是指冷却系 统，例如通常为水的冷却剂介质的流。
[0103]引擎700可以包括涡轮增压器系统710 (单级或双级)、高温冷却循环720和低温 冷却循环730。
[0104]假设增压空气的初始温度为25°C，涡轮增压器系统710中的增压空气的压缩可以 将增压空气的温度从25°C增加至225°C。高温冷却循环720可以将增压空气的温度从225°C 降低至90°C，并且低温冷却循环可以将增压空气的温度从95°C进一步降低至45°C，以使得 引擎700以大约45°C的温度的空气进行增压。
[0105]在燃烧处理之后，处于数百度温度的排放气体会离开燃烧室并且可以被用来驱动 涡轮增压器系统710。在涡轮增压器系统710之后，排放气体的温度会降低至大约310°C。
[0106]通常，能够从高温冷却循环720和/或低温冷却循环730的冷却剂介质571以及从在涡轮增压器系统710之前或之后的高温排放气体237恢复热量。
[0107]作为示例，锅炉238被指示为在涡轮增压器系统710 (例如，用于对相应部分中的 工作介质进行预加热、蒸发和过热处理)之后使用排放气体237的废热，并且热传递单元 570被指示使用(例如，ORC涡轮模块内的工作介质循环部分内的)高温冷却循环720和/低 温冷却循环730的冷却剂介质571的废热。
[0108]工业实用性
[0109]除其它之外，如这里所使用的术语“发电机组”包括内燃机以及基于蒸汽或燃烧涡 轮的发电系统。
[0110]如这里所使用的术语“内燃机”并不被具体限制并且包括在其中执行燃料燃烧处 理的任意引擎。燃料的示例包括气体或液体燃料，诸如柴油、船用柴油和热解油。用与这 里所公开的两级涡轮增压系统的配置的内燃机的示例包括中等速度的内燃柴油机，如德 国 Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG, Kiel 所制造的 M20、M25、M32、M43 系列的以 500 至 IOOOrpm进行操作的内联和V型引擎，以及例如Caterpillar Motoren GmbH&C0.KG, Kiel所 提供了高速气体引擎。
[0111]这里所公开的预加热和过热处理的类型可以单独或者作为组合/子组合而包括 在ORC系统中。
[0112]在一些实施例中，蒸汽分离器中用于将所得出的工作介质液相和从有机朗肯涡轮 模块所接收的工作介质进行混合的部分可以是混合室，其从用于得出液相和气相的部分被 供应以所得出的工作介质液相并且从有机朗肯涡轮模块被供应以工作介质。
[0113]这里所公开的模块化ORC系统可以允许提高柴油、气体、生物质发电厂的整体效 率(例如，所生成的电力)以及降低操作成本。
[0114]这里关于保持为液相的工作介质而指出的百分比，例如15%、20%、30%、40%或50% 被保持为液相，涉及到体积百分比(按体积的％)，这在液体的情况下实质上与质量百分比并 无不同。例如，当泵对通过锅炉的工作介质的循环速度进行调节以使得工作介质的至少15% 在离开锅炉是被保持为液相时，被供应至锅炉的工作介质处于液相并且表示100%的体积。 在锅炉之后，至少15%体积的工作介质仍然处于液相并且被供应至锅炉的85%或更少体积 的工作介质被蒸发或处于气相。
[0115]虽然这里已经对本发明的优选实施例进行了描述，但是在不背离以下权利要求的 范围的前提下可以并入改进和修改。
【权利要求】
1.一种联合循环发电系统(100),包括:第一发电机组(130A，130B)，用于生成电力并且具有高温废热源和低温废热源；直接有机朗肯循环系统(200)，利用有机工作介质进行操作，所述直接有机朗肯循环系统(200)包括模块化排热系统(230)和有机朗肯涡轮模块(210，410)，其中所述模块化排热系统(230)包括具有锅炉(238，438，538)和蒸汽分离器(232)的锅炉子系统(234)，该锅炉包括被配置用于将所述高温废热源的热量传递至所述工作介质的蒸发管道系统，并且所述蒸汽分离器被配置用于从离开所述蒸发管道系统的所述工作介质得出工作介质液相和工作介质气相，将所述工作介质气相提供至所述有机朗肯涡轮模块 (210,410)以便进行发电，从所述有机朗肯涡轮模块(210，410)接收所述工作介质，以及将所得出的工作介质液相和从所述有机朗肯涡轮模块(210，410)接收的所述工作介质的混合物提供至所述蒸发管道系统，以及所述有机朗肯涡轮模块(210，410)包括用于使用所得出的工作介质气相的热量驱动发电机(214)的涡轮(212)，用于再生离开所述涡轮(212)的所述工作介质的再生系统(216)， 用于冷凝离开所述再生系统(216)的所述工作介质的冷凝器(218)，以及被配置用于将来自所述发电机组的所述低温废热源的热量传递至离开所述冷凝器(218)的所述工作介质的预加热系统(570)。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电系统(100)，其中所述高温废热源包括排放气体并且所述低温废热源包括所述发电机组(130A，130B)的冷却剂系统的冷却剂，例如高温增压空气冷却系统或低温增压空气冷却系统或冷却水冷却系统的冷却剂。
3.根据之前任一项权利要求所述的联合循环发电系统(100)，其中所述预加热系统 (570)的入口与所述冷凝器(218)的出口流体连接，并且所述预加热系统(570)的出口与所述再生器(216)的入口流体连接。
4.根据权利要求3所述的联合循环发电系统(100)，其中所述再生系统(216)包括流体连接至所述蒸汽分离器(232)的用于所述工作介质的出口。
5.根据权利要求3所述的联合循环发电系统(100)，其中所述锅炉(238，438，538)包括具有流体连接至所述再生系统(216)的出口的入口以及流体 连接至所述蒸汽分离器(232) 的出口的预加热管道系统。
6.根据权利要求5所述的联合循环发电系统(100)，其中相对于所述高温废热源的流动，所述预加热管道系统位于所述蒸发管道系统的下游。
7.根据之前任一项权利要求所述的联合循环发电系统(100)，其中所述锅炉(238， 438，538 )包括具有流体连接至所述蒸汽分离器(232 )的出口的入口以及流体连接至所述有机朗肯涡轮模块(210，410)的出口的过热处理管道系统。
8.根据权利要求5所述的联合循环发电系统(100)，其中相对于所述高温废热源的流动，所述过热处理管道系统位于所述蒸发管道系统的上游。
9.根据之前任一项权利要求所述的联合循环发电系统(100)，进一步包括控制系统(305)，被配置用于对所述工作介质通过所述锅炉子系统的所述蒸发管道系统的循环进行控制，使得所述工作介质的至少15%、20%、30%、40%或50%在离开所述蒸发管道系统时保持为液相。
10.根据之前任一项权利要求所述的联合循环发电系统(100)，其中所述蒸汽分离器(232)包括用于得出所述工作介质液相和所述工作介质气相的部分以及用于将所得出的工作介质液相和从所述有机朗肯涡轮模块(210，410)接收的所述工作介质进行混合的部分。
11.根据之前任一项权利要求所述的联合循环发电系统(100)，进一步包括:第二发电机组(130A，130B)，具有高温废热源和/或低温废热源；和至少一个第二锅炉子系统(234)，被配置为从所述蒸汽分离器(232)接收工作流体，将所述第二发电机组(130A，130B)的所述高温废热源的热量传递至所述工作介质，并且将所述工作流体返回至所述蒸汽分离器(232)，以及预加热系统(570)，用于使用所述第二发电机组(130A，130B)的所述低温废热源对所述有机朗肯涡轮模块(210，410)内的所述工作流体进行预加热。
12.根据权利要求11所述的联合循环发电系统(100)，其中所述第二锅炉子系统(234) 包括锅炉(238，438，538)，该锅炉具有预加热管道 系统和过热处理管道系统中的至少一个， 所述预加热管道系统具有流体连接至所述再生系统(216)的出口的入口，被配置用于将所述第二发电机组(130A，130B)的所述高温废热源的热量传递至所述工作介质的蒸发管道系统，以及流体连接至所述蒸汽分离器(232)的出口，所述过热处理管道系统具有流体连接至所述蒸汽分离器(232)的出口的入口以及流体连接至所述有机朗肯涡轮模块(210，410)的出口。
13.根据权利要求12所述的联合循环发电系统(100)，其中所述第一锅炉子系统(234) 和所述第二锅炉子系统(234)的所述预加热系统(570)、所述第一锅炉子系统(234)和所述第二锅炉子系统(234)的所述预加热管道系统、所述第一锅炉子系统(234)和所述第二锅炉子系统(234)的所述蒸发管道系统、以及所述第一锅炉子系统(234)和所述第二锅炉子系统(234)的所述过热处理管道系统中的至少一个被配置为并列循环。
14.根据之前任一项权利要求所述的联合循环发电系统(100)，其中所述第一发电机组和所述第二发电机组中的至少一个包括用于从热解油生成电力的热解油引擎、用于从热解气生成电力的热解气引擎、柴油引擎、和/或气体引擎。
15.—种用于操作联合循环发电系统(100)的方法,所述方法包括:利用工作介质的气相驱动涡轮(212)；在再生系统(216)内对离开所述涡轮(212)的所述工作介质进行再生；对离开所述再生系统(216)的所述工作介质强制冷凝；使用多个发电机组中的至少一个的低温废热对所冷凝的工作介质热量进行预加热；将预加热后的工作介质供应至所述再生系统(216)以便支持再生处理；在锅炉的预加热区中对离开所述再生系统(216)的预加热后的所述工作介质进一步进行预加热，所述多个发电机组中的至少一个的高温废热热量通过所述预加热区；将预加热后的工作介质从所述预加热区引导至普通蒸汽分离器；将所述蒸汽分离器内的预加热后的工作介质与通过所述蒸汽分离器得出的液相进行混合；将混合后的工作介质并行地传送至所述锅炉的多个蒸发区，使得所述工作介质被部分地蒸发；从离开所述蒸发区的所述工作介质得出工作介质液相和工作介质液相；将所述工作介质气相通过所述锅炉的多个过热处理区并行地传送至所述涡轮(212)。
【文档编号】F01K23/06GK103459783SQ201280016095
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年3月23日 优先权日:2011年3月25日
【发明者】J-U·雷 申请人:卡特彼勒发动机有限责任两合公司