机械发电/电力发电系统的制作方法

背景技术：

本发明涉及机械发电和电力发电系统。

使用气体作为工作介质的燃气轮机循环或使用蒸汽作为工作介质的汽轮机循环的发电系统是众所周知的成熟技术。长期以来，它们一直是发电、船用发动机和航空发动机中应用的主要技术。在这种循环中，主要能源将涉及化石燃料的燃烧或核堆中产生的核能的燃烧，这两者都带来了主要排放物或废物处置问题。

最近，有人提出，甲烷为主要成分的液化天然气(lng)燃烧可以作为柴油或船用瓦斯油的更清洁替代品来用作船用发动机的主要能源[参见:“costsandbenefitsoflngasshipfuelforcontainervessels”,ajointstudybygermanischerlloydseandmansegroup,andersenetal,publishedbygermanischerlloydsein2013]。作者得出结论，将co2排放量减少20-25％，将nox和sox排放减少80％以上是可行的。

rodneyallam博士提出了一种新的循环，称为“allam循环”，该循环使用lng进行氧燃烧，并在非常高的温度和压力(通常在从燃烧室到涡轮机流过的工作流体中是300bar和1150℃的压力)下使用超临界co2作为工作介质[参见:“netpower’sco2cycle:thebreakthroughthatccsneeds”,allam,10^thjuly2013,modernpowersystems,wo25012/040169]。尽管该系统旨在以58.9％的目标效率产生可观的功率(250mw)，但它基本上与石油生产设施相关联，因为燃烧产生的过量co2主要旨在注入到包含油气的地层中用于燃料回收。系统中非常高的温度和压力，以及超临界co2的涡轮机和压缩机比传统蒸汽循环中的同等涡轮机和压缩机小得多的事实，带来了技术、材料和安全性方面的挑战，仅仅为了实施阿拉姆循环，就需要对所用的燃烧室、热交换器、涡轮机和压缩机进一步创新，从而能够应对这种高温和高压的要求。在此类设备及其规格方面缺乏现有的现场经验会给技术的可扩展性带来风险。据信，商业化仅是拟议的小型50mw火力发电中试装置。

从本发明的图1和图2可以清楚地看出阿拉姆循环中固有的另一个问题，这些附图是从上述阿拉姆论文中摘录的相应附图的副本。图1是简化的示意性工艺图，而图2是co2工作流体的对数压力-比焓图。来自燃烧室1的温度为1150℃、压力为300bar的超临界co2在涡轮机2中膨胀，以通过由涡轮机驱动的发电机产生电能。跟随涡轮机，工作流体流经同流换热器(热交换器)3，该换热器将热量传递到返回燃烧室的co2中。离开热交换器3后，涡轮机废气流被冷却至接近大气温度，以便水在4处冷凝并与冷却后的气流分离。剩余的工作流体在5处分两级压缩，然后在6处泵送回热交换器3的另一侧，然后进入燃烧室1进行进一步循环。然而，该系统的热量输入不足，并且需要来自其他来源的额外热量7。allam博士建议，这种额外的热量可以由联合的空气分离装置asu中的废热提供，后者是从供氧燃烧器中使用的空气中获取氧气，或者由衍生的netpower煤循环中的市售煤气化炉提供，后一选择似乎与阿拉姆循环避免排放的主张背道而驰。额外热源获得的要求意味着，安拉姆循环不能轻易用作适合于提供所有机械和电力需求的独立发电厂，例如在集装箱船上或在孤立的石油生产平台上。

发明概述

本发明采用了不同的方法来获得将co2用作工作流体所固有的高功率密度和小尺寸益处，同时避免了来自外部源的额外热量的需要。从下面给出的优选实施方式的详细描述中将更加清楚地明白，在不超出现有技术的范围的情况下，根据本发明的教导构造设备的实际实施方式是可能的，并避免了安拉姆循环必要的非常高的温度和压力。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种发电方法，包括使用co2作为工作流体来操作第一嵌套循环和第二嵌套循环，而不在嵌套循环之间混合工作流体，第一循环包括在co2为亚临界的低压条件下操作的半开环：以及第二循环包括在co2为超临界的较高压力条件下运行的闭环；第一循环在布雷顿循环中操作，包括低压条件下在燃烧室中对碳氢化合物，优选lng，进行氧化燃烧，膨胀发电以提供第一电源，在换热器中冷却，压缩，经由所述换热器通过逆流通道再加热，由换热器加热的工作流体返回燃烧室；所述氧燃烧产生的水和过量co2从第一循环分离；第一循环通过气体/气体热交换器中的气体/气体热交换用作第二循环的热源，其导致第一循环中燃烧产物的冷却和工作流体的循环以及所述第二循环中工作流体的加热；第二循环在布雷顿循环中操作，包括在第二循环中由所述气体/气体热交换器加热工作流体，膨胀发电以提供第二电源，通过第一和第二换热步骤分两阶段冷却，压缩，经由第一换热步骤通过逆流通道再加热，将由第一换热步骤加热的工作流体返回至气体/气体热交换器；所述压缩步骤之后的第一循环中的工作流体通过第二换热步骤由逆流通道被第二循环中的工作流体加热。

在本发明的第二和替代方面，我们提供一种适于在第一嵌套循环和第二嵌套循环中利用co2作为工作流体而在嵌套循环之间不混合工作流体来机械发电/电力发电的装置，第一循环在co2为亚临界的低压条件下操作，以及第二循环在co2为超临界的较高压力条件下操作；第二循环在co2为超临界的较高压力条件下操作；该装置包括：第一装置，其连接用于提供第一循环，并且包括适于在低压条件下于氧中燃烧碳氢化合物，优选lng的燃烧室；至少一个第一涡轮机，其适于使包括燃烧产物的工作流体膨胀以提供第一电源；用于冷却来自第一涡轮机的膨胀流体的第一换热器，第一压缩机，用于使工作流体从第一压缩机经由通过所述第一换热器的逆流通道返回燃烧室的第一流体联轴器，以及用于去除第一循环中的水和多余二氧化碳的分离器；气体/气体热交换器，适于在所述第一循环中冷却燃烧产物和工作流体，并适于通过与第一循环中所述燃烧产物和工作流体的气体/气体热交换而用作第二循环的热源；和第二装置，连接到气体/气体热交换器上以提供第二循环，包括第二涡轮机，适于使来自气体/气体热交换器的受热第二循环工作流体膨胀以提供第二电源，两级换热器装置用于在第一级换热器中以及随后在第二级换热器中冷却来自第二涡轮机的膨胀工作流体；第二压缩机，从两级换热器装置接收工作流体，以及第二流体联轴器，用于将所述第二循环中来自第二涡轮机的工作流体经由流过第一级换热器的反向流体返回到气体/气体热交换器中，从而被加热；第一流体联轴器联接至第二级换热器以在第一循环中加热工作流体，然后在第一换热器中进一步加热工作流体。

优选实施方式具有以下一个或多个特征：在所述第一循环中，燃烧产物和工作流体的冷却在所述膨胀步骤之前进行。存在单个的第一涡轮机以及位于第一涡轮机上游的气体/气体热交换器。可替代地，在不太优选的配置中，要么第一涡轮机设置在气体/气体热交换器的上游，要么存在多个第一涡轮机，其中至少一个位于气体/气体热交换器的上游。这些替代配置是不太优选的，因为在气体/气体热交换器上游的涡轮机将需要由昂贵的合金进行特别地构造，所述昂贵的合金可以承受直接来自燃烧室的高温气体和/或需要叶片冷却。

优选实施方式具有以下一个或多个特征：在第一循环中于第一换热器中冷却的工作流体，包括燃烧产物，在转移到水分离器之前进一步在冷却冷凝器中冷却，以将冷凝水与随后进入到第一压缩机中的剩余气态工作流体进行分离。如果将纯甲烷用作燃烧室中的燃料，假如进一步纯化，那这种分离出的水可能会提供饮用水。第二循环中工作流体的最高温度不大于800℃，第二循环中的最大压力不大于400bar。第二循环中工作流体的最高温度在700℃至800℃之间，第二循环中的最大压力在200至400bar之间。第一循环中的最大压力不超过30bar。第一循环的最大压力在20至30bar之间。过量的二氧化碳从第一压缩机下游的第一循环中除去，必要时在增压后可用于存储或隔离或用于其他用途。该系统是无排放的。该装置提供了用于船舶的独立式电力系统，第一和第二电源之一提供机械驱动以推动船舶，另一个为船舶提供电力，分离出的水可进行处理以提供船舶饮用水的水源。该装置为孤立的油井或气井钻井设施提供了独立的电力系统，第一和第二电源之一提供了机械驱动以推动钻头，另一个为该设施供电，分离出的水可进行处理，从而为该设施提供饮用水水源。该装置为孤立的石油或天然气生产设施提供了独立的电力系统，分离出的水可进行处理为设施提供饮用水水源，并去除了多余的co2，将其作为注入地下的co2来源以提高石油或天然气采收率或co2的隔离。该装置为化工厂或石化厂或炼油厂提供了独立的电力系统，去除了多余的co2，用作过程使用或隔离的二氧化碳源，分离出的水用作过程使用的水源或可进行处理的水源用于工厂或精炼厂的饮用水水源，多余的热量用作过程使用的热源。

附图简述

下面仅以示例方式参考附图，其中：

图1和图2是取自allam论文中上述附图的注释版本；

图3是根据本发明教导的独立式电力系统的总体示意电路图；

图4是两部分的表格，其示出了对于图3系统的计算机模拟所得计算值的功率平衡计算，图4a示出了高压第二循环的计算值，图4b示出了低压第一循环的相似值；

图5示出了在高压第二循环中净效率随第二涡轮机的入口温度变化的计算值。

优选实施方式描述

图3中示意性说明的那种发电系统是针对需要原动机的各种独立应用而设计的，提供了30mw至80mw之间，热效率范围为30％至40％的发电系统。典型的此类应用可包括但不限于：油气分离，生产和出口；天然气井口压缩，冷凝及输出；向油气储层注气，以维持并提高采油率；煤气管道；石化厂和炼油厂；需要200-300mw功率的液化天然气生产系统，但目前使用多个较小单元的40-50mw的蒸汽/燃气轮机来代替这种较小的单元；海上用途，特别是在以lng为燃料的船舶动力/推进系统中；以及需要50-250mw发电的采矿活动中。

下面给出的典型温度和压力取自nist(美国国家标准技术研究院)，并使用过程建模和计算机仿真进行了验证。

参照图3，在第一循环中，在相应的入口8、9处将适当地通过在空气液化和蒸发分离工厂中蒸发而获得的lng，基本上是甲烷，ch4和氧气供送给低压燃烧室10，进气口11处也向该室中供送了循环的co2气体，用于氧气燃烧：

ch4+2o2＝co2+2h2o

使用氧气而不是空气，以及使用液化天然气作为燃料，获得了干净且完全的二氧化碳燃烧和水，并且产生的不良氮氧化物和二氧化硫污染物最少。燃烧需要通过第一循环中的工作流体的再循环来提供大量的co2，以冷却火焰温度，使得在现有材料和技术的常规范围内进行燃烧。co2在亚临界低压燃烧中通常以20-30bar压力进行使用，意味着可以使用通常可得材料的市购燃烧室。工作流体和燃烧产物通常在20-30bar和800-1200℃下离开燃烧室。该高温低压气体在第一循环中通向气体/气体热交换器12，该气体/气体热交换器12也包括在下面讨论的第二高压循环中。应该注意的是，在两个循环中工作流体之间没有混合。

燃烧气体中大约70％的热量通过热交换器12在第二个循环中传递给高压工作流体。在第一循环中，离开热交换器12的低压工作流体以第一涡轮机13的形式传递给低压膨胀器，且仍然处于500-900℃(更优选为500-750℃)的较高温度下，足够的热量使得第一涡轮机13获得有用的能量。

可替代地，涡轮机13可定位在热交换器12之前，或者可存在多个第一涡轮机13，其可以并行或串行地操作，并且其中至少一个可以定位在热交换器12之前。涡轮机13位于换热器12上游的装置并不是优选的，因为这种涡轮将需要由能够直接承受来自燃烧室气体高温的合金特别构造和/或需要叶片冷却。

在所示的实施方式中，来自第一涡轮机的流体首先被第一换热器14冷却，该换热器14将热量传递到再循环的co2，co2传递回燃烧室10，然后通过冷却器15冷却，通常冷却到20-60℃的温度，使得水冷凝成液态水，并在分离器16中分离，由该分离器产生的水通过水泵17除去，从而为饮用水供应提供可处理的水源。通常在10bar和20-60℃的剩余co2气体进入第一压缩机18，在此将其压缩到20-30bar和110-130℃，通过后冷却器19，重新加热之前在此将其冷却到20-60℃，首先包括在高压第二循环中并在下文讨论的两级换热器21的第二级20中，然后在如上所述的第一换热器14中升温至120-140℃，在再循环进入燃烧室10之前，由此在20-30bar和400-600℃的温度排放。在第一压缩机18和后冷却器19的下游22，从第一循环中抽出过量的co2。

与典型的燃气或蒸汽涡轮机或大型柴油发动机相比，第一涡轮机13和第一压缩机18的实际实施方式可以相对紧凑和轻便。例如，可以从设备制造商那里获得一系列涡轮机械转子，这些设备制造商目前提供高压气体压缩机，这些压缩机可以达到本方法的实际实施方式中设想的10-30bar至400bar的压力，并且还可以制造用于承受150bar和600℃温度的机械驱动蒸汽涡轮机。合适的此类设备列在美国《压缩技术采购补充》中，该出版物由diesel&gasturbinepublications发布于2017年3月，威斯康星州，wi53186-1873。传统的工业重型燃气轮机被设计和制造成比本发明方法中设想的更高温度，但是压力限制为30bar，即在本发明的实际实施方式中，第一低压循环中设想的最大压力量级的压力。

第二循环在基本上闭合的循环中高压下将co2用作工作流体，其中co2处于超临界状态。在73bar的临界压力和35℃的温度下，co2变得非常稠密，其行为更像液体而不是气体，并且需要大大降低的压缩功率。高于此温度和压力的超临界co2具有非常高的密度和比热，更像液体而不是气体。如上所述，第一循环中的燃烧产物在气体/气体热交换器12中用作第二循环的热源，超临界co2出现在200/400bar和700-800℃，传送到第二涡轮机23中。因为第二循环在超临界co2的高压条件下运行，所以整个系统中产生的大部分电能都是通过第二涡轮23的膨胀产生的。工作流体从第二涡轮机23以80bar和500-600℃流出，并通过ko鼓25传递到第二压缩机26以冷凝任何可能存在的液滴之前，在两级换热器21和另一冷却器24中冷却。两级换热器21包括第一阶段27，其中第二循环中返回到气体/气体热交换器12的工作流体被加热，在200-400bar和500-600℃的温度下排出，并通过第二涡轮机23膨胀的工作流体进行加热。来自第二涡轮机23的工作流体在80bar和130-150℃下从换热器的第一级27排出，并在换热器的第二级20中进一步冷却至70-80℃，其中，热量在第一循环中传递到低压工作流体，如上所述，从第一压缩机18流回燃烧室10。冷却器24进一步将第二循环中的工作流体在80bar下降低至40℃的温度。

所述的系统自身可变形适合特定的需求。例如，对于船舶推进系统而言，来自气体/气体热交换器的高压气流可分成两股流体，并流至并联的膨胀涡轮机。一种可通过恒定速度运行来产生电能。另一个可以以不同的速度运行来驱动船舶推进系统。

所提出的压缩机是小型且紧凑的，并且适当地是离心式的。鉴于此，可以看出，图3的各个压缩机都装有防振阀28和29，都用以防止振动并在启动时用作旁通阀。

在启动时，分别在30和31处用干燥的co2填充第一低压循环和第二高压循环。

由于优选将图3装置的第二循环中的工作流体最高温度保持在800℃以下，因此系统中的组件可以用常规的市售材料制造，包括可从供应商处获得的那种压缩机和涡轮机组件，这些供应商列在上述“压缩技术采购补充资料”中。

上述嵌套的第一和第二co2循环的实施方式可实现超过40％的净效率，这比常规的蒸汽或燃气轮机系统要高，同时比常规的蒸汽或燃气轮机发电系统要轻得多并且占用的空间要少得多。而且，他们可以这样做而无需依靠allam循环所需的极端温度和压力来达到其要求的效率，因此，可以使用经过验证且容易获得的材料和容易获得的组件。

图5显示了如何通过更改其他参数来影响效率的示例。如图5所示，升高或降低第二循环中充当膨胀器的第二涡轮机23的入口温度会影响效率。所示数值是计算模拟的结果。

我们系统的实际实施方式对重量和空间的要求很小，可通过无排放地清洁燃烧产生50mw的功率，净效率约为40％，这使得该系统特别适合为船舶提供动力或用于孤立的石油或天然气平台。根据本发明的教导，在50mw电力系统的实际实施方式中，高压循环所需的涡轮机械可由于采用超临界co2而非常紧凑，因此其体积不大于常规货物集装箱的体积。低压循环所需的压力会更大，但是与用于为集装箱船和散装石油或lng散货船供能的常规蒸汽轮机相比，通过本文所述类型的电力系统的实际实施方式，利用适当的设计和设备的优化，实现了总体上重量和空间的显著节省。这样的节省可以用于增加所携带的有效载荷，从而使操作更有利可图。在孤立的石油或天然气平台上，空间总是很宝贵的。