产生电能的方法和装置的制造方法
【专利说明】产生电能的方法和装置
[0001]本发明涉及根据权利要求1的前序部分的方法。
[0002]“一次空气压缩机”可以是专指用于燃烧单元和冷储存系统的空气量(本文称为“一次压缩空气流”)，或者除了用于燃烧单元和冷储存系统的空气量(本文称为“一次压缩空气流”)之外，还可以产生用于其他使用者的其他的空气比例。这些其他的空气比例可以相对较小(例如仪表空气)，或者相反，也可以非常大；因此，一次空气压缩机是更大的、集成的空气压缩系统的一部分。通常，一次空气压缩机所属的空气压缩系统主要用来供给燃烧单元和冷储存系统。在本文中，在任何情况下，“一次压缩空气流，其在一次空气压缩机内被压缩到第一压缩空气水平”应被理解为是指在一次空气压缩机内压缩的空气比例的总和，其最终被导入燃烧单元或冷储存系统。
[0003]所述一次空气压缩机可以具有一个或多个串联连接的级，并且由一个或多个流(flow)构成。一次空气压缩机和升压器可以有共同的驱动器，或由单独的轴来驱动。
[0004]在本文中使用术语“压力水平”以便可以忽略不可避免和非故意造成的压力差，比如，流所通过的设备的自然压力损失。压力水平包括，例如，+/-1bar的压力范围。在权利要求书中提到的第二压力水平可以等于、低于或高于第一压力水平。通常，它至少比第一压力水平高5bar，优选地高8bar以上。
[0005]在本发明中，冷量的生成、储存和回收可通过任何合适的方法来进行。在所述冷储存系统内，用于从压缩空气产生冷量(冷生成)的构件以及用于产生具有第二压力水平的压缩空气流(冷回收)的构件可以由分别的设备来形成；然而，优选地，至少在一定程度上相同的设备用于冷生成和回收。冷储存可以以任何已知的方式进行，例如以冷流体或低温流体的形式或以固体冷储存器的形式，例如再生器。在冷生成的情况中，储存流体可以仅仅由显热的变化冷却，否则可以通过气体的液化而形成。在本发明的上下文中，冷量的生成、储存和回收的所有可能性的组合也是可以的。
[0006]术语“冷储存系统”所未包括的是用于另一个主要目的且额外充当冷储存器的系统，例如空气分馏系统，其在本文中随电力和缓冲液产品的价格而可变地运行。
[0007]在本文开始时所提到的类型的方法以及相应的装置可从US 2003101728 Al中获知。在此，一次空气压缩机只在正常运行和装载运行下运行；在此，一次空气压缩机的出口压力(“第一压力水平”)等于燃烧单元的运行压力(“第二压力水平”)。卸载运行开始前，一次空气压缩机与驱动器分开，并因此停止；这需要大量的设备支出和运行技术。
[0008]因此，本发明是基于减少组合系统的设备支出的目的。
[0009]该目的是通过权利要求1的特征的组合来实现的。在本文中，一次空气压缩机还以第二运行模式(卸载运行)运行。因此，复杂的机器可在组合系统的所有运行阶段中使用；其他用于燃烧空气的压缩的系统可以被配置为更小、更经济，或者，在最好的情况下完全省略。
[0010]在本发明中，在卸载运行中，给冷储存器卸载所需要的热量至少部分地由一次空气压缩机内产生的空气引入。
[0011]在本发明中，第一压力水平和第二压力水平是不同的。“第一压力水平”介于4bar和1bar之间，优选4bar和8bar之间，并且“第二压力水平”高于lObar，优选介于12bar和70bar之间。
[0012]特别地，这种压力差是由第一升压器产生的，其用于在一次空气压缩机内被压缩到第二压力水平的压缩空气的升压。第一升压器是“空气压缩系统”的一部分。在正常运行中，所有来自一次空气压缩机的空气被引导入第一升压器。
[0013]此外，在本发明中，所述系统的能量储存容量通过使用至少一个冷压缩机增大，而在已知的系统中，虽然也使用冷压缩机，但其仅用于装载运行。该冷压缩机被用于冷储存系统内的至少部分第一压缩空气流的第二运行模式，使其达到第二压力水平(并且在一些实施方案中，超过第二压力水平，达到较高的压力水平)。为此，不完全使用常规的暖气体压缩机，其中，压缩热在再冷器内被除去。在本发明的上下文中，冷压缩机被用于此目的。在本文中，“冷压缩机”应理解为是指气体压缩机，其入口温度低于240K。当然，本发明的冷储存系统也可以具有两个或更多个冷压缩机。
[0014]在第二运行模式(卸载运行)下，第一压缩空气流可以仅由一次空气压缩机内所产生的一次压缩空气流的第一部分形成。剩余部分或其部分可以被直接引导入燃烧单元内(即绕过冷储存系统)。
[0015]例如，在本发明的上下文中，在发电设备中使用未耦合到空气压缩机的燃烧涡轮机(combust1n turbine)是足够的。在本文中，“燃烧祸轮机”应理解为是指一种系统，其中，以和典型的燃气轮机(gas turbine)系统类似的方式，燃烧废气在涡轮机(膨胀器)内膨胀做功，以在与涡轮机耦合的发电机内产生电能。但是，与包括燃气轮机燃烧室、燃气轮机膨胀器以及用于压缩燃烧空气的燃气轮机压缩机的典型的燃气轮机系统不同，“燃烧涡轮机”不与压缩机机械耦合，而是将所获得的机械能全部或基本上全部传递给发电机用于产生电能。因此，在机器的效率的范围内，通过燃烧气体做功膨胀而在燃烧涡轮机内产生的机械能全部或基本上全部被转化成电能。
[0016]在本发明的这项特别优选的改进中，用于所述冷储存系统的一次空气压缩机还完全承担了压缩发电设备的燃烧空气的功能。
[0017]优选地，在冷储存系统中，更确切地在用于从压缩空气产生冷量的构件中，至少在第一运行模式(装载运行)下，通过膨胀空气做功而获得冷量。为此，第一压缩空气流的至少一部分(“第一分流”)被引导入空气涡轮机。后者驱动用于第一压缩空气流的至少一部分(“第二分流”)的“第二升压器”。优选地，第二分流包括第一分流，这意味着升压器增大了空气涡轮机的入口压力，并因此在那里产生冷输出，而无需从外部导入额外的能量。可以提供一个或多个另外的升压器，它们被并联或串联连接到第二升压器，并且类似地被空气涡轮机内的空气的做功膨胀驱动或通过从外部(例如电动机)引入的能量驱动。例如，所述冷储存系统可以具有两个涡轮机-升压器组合，以及额外的外部驱动的升压器；后者也可以被构造为循环压缩机。在多种情况下，在本发明中，可以在第一运行模式下不需要另外的外部驱动压缩机来运行；于是，流入冷储存系统的全部外部能量源自一次空气压缩机。这种情况的一个实例是冷储存系统，其中在第一运行模式下，仅有单个用于空气的升压器运行，其由空气涡轮机驱动。
[0018]本发明的冷储存系统可以特别地被构造为根据权利要求5的液态空气储存系统。在本文中，在第二运行模式下，使所储存的液态空气达到高压，其至少处于第二压力水平下，并且在此高压下，其蒸发或伪蒸发(pseudo-evaporate)。这种类型的冷储存系统本身在早先的欧洲专利申请EP 2 604 824 AU EP 2 662 552 Al、12004833.5以及与其对应的专利申请中已知。
[0019]在所述液态空气储存系统中，“用于从压缩空气产生冷量的构件”形成空气液化器，“用于产生具有第二压力水平的压缩空气流的构件”形成空气蒸发器。
[0020]在本发明中，液态空气可不加压储存(也即，在环境压力下)。可替代地，将其储存在增大的压力下，优选的范围是3_25bar，例如在4bar、6bar、8bar或16bar下。
[0021 ] 在本发明的上下文中，所述空气蒸发器可以具有空气涡轮机，其中，在第二运行模式下，至少部分被蒸发的空气(被伪蒸发的空气)从第四压力水平膨胀到第二压力水平，做功，空气涡轮机特别地机械耦合于发电机或用于增大第二运行模式下的空气流的压力的冷机(cold machine)。在本发明中，也可以使用两个或更多个空气祸轮机。
[0022]为此目的，在其蒸发(伪蒸发)前，使液态空气达到第四压力水平，其大于42bar，优选大于63bar。第四压力水平的上限由空气涡轮机的运行参数形成。空气涡轮机还可以被构造为热涡轮机，其入口温度高于环境温度(热气体膨胀器)。
[0023]也可以在空气蒸发器内提供多个这样的空气涡轮机，例如，为每个冷机提供一个。在本文中，“冷机”应理解为是指用于增大空气流的压力的机器，其入口温度远远低于环境温度，尤其是低于240K。其可以是气态空气的冷压缩机或液态空气的栗。
[0024]在本发明的替代性的改进中，在第一运行模式下，在冷储存系统中液态储存流体被冷却，并被引导入冷箱，并且在第二运行模式下，液态储存流体被从所述冷箱取出并加热。在这种情况下，有利的是被加热的液态储存流体被储存在第二暖箱内。在本文中，只有显热被转移到储存流体或从储存流体转移出，这意味着在冷却过程中或在加热过程中它都不经历相变。
[0025]在此情况下，所述储存流体的冷却和加热在两个温度水平之间进行。在这种情况下，第一个较低的温度水平Tl可以在78-120K的范围内，优选78-100K，第二个较高的温度水平T2在130-200K的范围内，优选130-180K。
[0026]在本发明的变体的具体实施方案中，其中使用两种储存流体的冷储存系统记载在例如W02014026738 Al和与其对应的专利申请中。
[0027]其他优选的替代方案将再生器用作冷储存装置(权利要求8)。在本文中，同样地，在第一运行模式(A)下，“第一压缩空气流”不被液化，而只是被冷却。这种冷量不作为低温液态空气储存而是在再生器的固体储存物质中。
[0028]此外，本发明还涉及根据权利要求11的装置。根据本发明的装置可以通过对应于从属方法权利要求的特征的装置特征来补充。
[0029]下面使用在附图中示意性说明的示例性实施方案，更详细地说明本发明以及本发明的其他细节，其中:
[0030]图1用至少三种运行模式(本文中为五种)显示本发明的基本原理，
[0031]图2显示本发明