在两个闭环中操作的组合的布雷顿/朗肯循环燃气和蒸汽轮机发电系统的制作方法
【专利说明】在两个闭环中操作的组合的布雷顿/朗肯循环燃气和蒸汽 轮机发电系统
【背景技术】
[0001] 本公开通常设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/朗肯炬rayton/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氨 气和氧气来替代化伴随空气的化石燃料。
[0002] 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姪类 或化石燃料W加热工作流体（通常是馈送的水），W产生蒸汽用于操作祸轮发电机来产生 电力，该电力被馈送至配电网W向客户供应电力。该样的电厂产生必须被消散的废热，典型 地W冷却塔、散热器、散热片、凝析气藏等方式。即使当废热可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，该样的缓和技术也仅部分地有助于减少低效。其它已 知的使用祸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。
[0003] 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（娜）、二氧化娃（S〇2)-氧化氮（NO)和例如二恶英、隶、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氨 化合物燃料，需要大规模的开采、加工和运输设施及操作，该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。
[0004] 大多数常规电厂在开环循环中操作。例如，通过锅炉由碳氨化合物燃料燃烧所加 热的水提供蒸汽W驱动祸轮机，该从而驱动发电机来发电。从祸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W用于热电厂中或被馈送至冷却塔或储备 库（reservoirs)W消散热量。
[0005] 经典的闭环系统是由乔治?布雷顿（George化ayton)首次于1870年描述的用于 燃油发动机的布雷顿循环炬rayton切cle)。需要注意的是，闭环系统的特征在于一种系 统，其中能量可W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 馈送入压缩空气的祸轮机的系统中实现；在燃烧部中加热该压缩空气并允许其在祸轮机中 扩张W旋转祸轮机的输出轴和连接到祸轮机的发电机。从祸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。
[0006] 已经设计了许多方案来回收该种系统中的热损失。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W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=种技术中，通过在从 第一个祸轮机中排出的气体进入第二个祸轮机之前对其进行加热，来使用串联操作的两个 祸轮机。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。
[0007] 尽管有该些改进w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，使用燃气祸轮发动机来发电，虽然因为它们在飞机和远洋船舶中的广泛使用 W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W提供实质 的经济性。如果可W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 环中的燃气祸轮发动机，则对于发电系统来说似乎是意义重大的前景。
[000引在一种已知的闭环系统中，最近由桑迪亚国家实验室（Sandia化tional L油oratories)开发的化ayton循环燃气轮机用超临界二氧化碳（C02)替代空气一燃气祸 轮发动机的通常的工作流体一作为工作流体，该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0)2的 更大的密度一类似于液体的密度一与作为具有较低密度的气体的空气相比。超临界0)2由 于其更大的密度和更高的温度因此可W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。
[0009] 总括来说，现有的电厂设计存在W下几个缺点，包括（a)操作于化石燃料上一基 于碳氨化合物的物质，该物质不仅是不可再生的，而且在燃烧时释放大量的副产品到大气 中，导致气候变化、环境污染和潜在的危害健康的影响。另外，化）燃烧化石燃料W产生热 的现有设计具有相对低的效率，该导致不可再生资源W比慎用的情况下更快的速度枯竭。 此外，（C)用于减轻固有低效的措施往往趋向于复杂、降低可靠性并增加制造安装和维护成 本。此外，（d)操作依赖于超临界C〇2的Brayton循环电厂冒着寿命缩短和/或因腐蚀而导 致的损坏的风险，该腐蚀起因于极高温度下使用此工作流体。
[0010] 其他已知的设计包括美国专利号5687559和5775091W及德国申请号 DE19808119A1。然而，当前的公开相对于该些申请呈现效率增益（如热力学效率增益）。
[0011] 所需要的是，一种发电系统，W降低的环境影响来操作并且对空气污染做贡献，可 W依靠可再生资源和较少的不可再生资源，W实质上更高的效率和长寿命发电，具有紧凑 的体积，并且能够W较低的成本被投入生产和被操作。
[0012] 没有一种已知的发明和专利，单独或组合地被采用，被视为描述了如所要求保护 的即时公开内容。因此，有利的是；具有改进的级联的燃气和蒸汽轮机发电系统，其从增强 的地下水或地热流体来在闭环中操作，并且其中在所述燃气轮机组件118中只燃烧氨气和 氧气来代替化石燃料与空气。
【发明内容】
[0013] 公开了一种系统和方法。
[0014] 一种组合的循环双闭环发电系统，包括燃气轮机组件（包括燃烧室、压缩机、第一 累、第一驱动轴、燃气轮机和第一发电机）和蒸汽轮机组件（包括第二累、第二驱动轴、蒸汽 轮机和第二发电机）。所述工作流体的所述第一部分通过所述燃气轮机组件和第一热交换 器循环。所述工作流体的所述第二部分通过所述蒸汽轮机组件和所述第一热交换器循环。 所述第一热交换器将第一热能从所述燃气轮机环路传递至所述蒸汽轮机环路。所述燃气轮 机组件生成输出电力的第一部分。所述蒸汽轮机组件生成所述输出电力的第二部分。
[0015] 一种使用组合的循环双闭环发电系统的方法，包括；通过燃烧部分&和02利用燃 气轮机组件来生成输出电力的第一部分；循环经过燃气轮机环路的工作流体的第一部分和 经过蒸汽轮机环路的所述工作流体的第二部分；利用第一热能来加热所述蒸汽轮机环路， 所述第一热能利用第一热交换器发自所述燃气轮机环路；将所述工作流体的所述第二部分 传送至蒸汽轮机组件；并且利用所述蒸汽轮机组件生成所述输出电力的第二部分；所述燃 气轮机组件包括燃烧室、压缩机、第一累、第一驱动轴、燃气轮机和第一发电机。所述蒸汽轮 机组件包括第二累、第二驱动轴、蒸汽轮机和第二发电机。所述燃气轮机环路能够保持和传 送工作流体的第一部分。所述蒸汽轮机环路能够保持并传送所述工作流体的第二部分。两 个闭环包括所述燃气轮机环路和所述蒸汽轮机环路。所述工作流体包括位于所述两个闭环 中不同阶段的流体和蒸汽。所述工作流体的所述第一部分经过所述燃气轮机组件和第一热 交换器循环。所述工作流体的所述第二部分经过所述蒸汽轮机组件和所述第一热交换器循 环。所述第一热交换器将第一热能从所述燃气轮机环路传递至所述蒸汽轮机环路。
【附图说明】
[0016] 图1示出了双闭环发电系统的发电系统的简化框图。
[0017] 图2A和图2B分别示出了使用所述双闭环发电系统的第一方法和第二方法。
[001引图3A和图3B示出了所述双闭环发电系统的两个详细实施例。
[0019] 图3A示出了发电系统的详细框图。
[0020] 图3B示出了发电系统的详细框图。
[0021] 图4A、图4B、图4C和图4D示出了所述发电系统简化框图的细节部分。
[0022] 图4A示出了所述输入电力的细节图。
[0023] 图4B示出了所述燃气轮机组件的细节图。
[0024] 图4C示出所述蒸汽轮机组件的细节图。
[0025] 图4E示出了所述输出电力的细节图。
[0026] 图5A、图5B和图5C示出了市场负荷表。
[0027] 图5A示出了具有预测市场负荷和实际市场负荷的所述市场负荷表。
[002引图5B示出了仅具有所述实际市场负荷的所述市场负荷表。
[0029] 图5C示出了具有所述预测市场负荷的所述市场负荷表。
[0030] 图6示出了资源模型表。
[0031] 图7示出了基本负荷场景表。
【具体实施方式】
[0032] 本文描述的是来自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/朗肯炬rayton/Rankine)循环燃气和蒸汽轮机发电系统，并且在所述燃气轮机组件118 中只燃烧氨气和氧气而不是伴随空气的化石燃料。做出W下描述W使所属领域的任何技 术人员能够制造和使用如权利要求中所声明的发明，并且W下描述是在下面讨论的特定实 施例的上下文中提供的，该特定实施例的变型例对于那些本领域技术人员来说是显而易见 的。为了清楚起见，并未在本说明书中描述实际实现的所有特征。应当认识到，在任何该 种实际实现的开发中（如在任何开发项目中），必须做出设计决定W实现设计者的特定目 标（例如，遵守与系统和商业有关的限制），并且该些目标会从一个实现到另一个实现而变 化。还应当认识到，该种开发努力可能