专利名称：一级和两级直接气体和蒸汽螺杆膨胀器发电机系统(dsg)的制作方法
技术领域：
本发明涉及发电并且更具体地涉及利用废蒸汽、气压和地热加热的水的电功率生成系统。
背景技术：
尽管有诸多非热发电技术的显著发展，施加热以将水转换成蒸汽仍然形成全球多数发电的基础。尽管煤炭是产生该热的主导燃料，但是竞争性燃料包括核聚变、各种形式的生物量、垃圾和集中的红外线太阳辐射。基于高温空气的引擎的废热经常用来在火管或者水管锅炉中生成蒸汽。目前利用驱动发电机的干蒸汽涡轮机来生成世界上多数的电力。干蒸汽可以由来自核反应堆或者来自化石燃料，比如煤炭和天然气的热生成。这一过程已经在过去数百年内变得相当高效。然而有来自这一发电方法的问题和限制。涡轮机具有在很高速率旋转的涡轮叶片，因而它们颇为易碎。它们利用的干蒸汽必须极为清洁以便阻止破坏涡轮叶片。出于相似原因，它们不能利用湿蒸汽或者水。这些限制阻碍这些涡轮机使用于许多应用中。对于发电尤其成问题的是地热应用。目前使用如下换热器，这些换热器在水可以转变成干蒸汽之前加热来自加热的地热水的净水。这是低效的并且难以有效缩减这样的技术的规模用于与更小的源一起使用。从地热、气压和/或加热的水蒸汽源直接发电而无需利用干蒸汽涡轮机将是有利的。如果可以从热水、气压和从湿蒸汽发电则将是有利的
发明内容
本专利申请公开并且要求保护一种用于利用水蒸汽、气压和地热加热的水的电功率生成系统的有用、新颖和非显而易见的发明。它的主要部件是I.两级直接蒸汽和气体螺杆膨胀器发电机系统(DSG)，用于接收废蒸汽、气压或者地热加热的水并且将其能量用于驱动至少一个输出轴；以及2.旋转发电机,稱合到输出轴用于发电。在系统中利用(DSG)的一个优点在于它有能力直接接受废蒸汽、气压或者地热加热的水、由此利用来自废蒸汽、天然气管线或者地热井的所有可用能量。(DSG)的又一优点在于它涂有特殊聚合物涂层以保护它免于侵蚀和磨损。(DSG)能够在恒定速度下在宽的功率负载范围内高效运行。除了在满足功率需求波动时对于电力公司而言第一重要之外，这一特性还允许系统应用于宽范围的地热流体入口条件。因而本发明的系统可以在具有不同压力、温度和流量条件的任何数目的不同地热和气压降压位置中高效地操作。阐述本发明的被认为新颖的特征。全球每年110万亿立方英尺的天然气通过3百万个天然气降压站。在高压IOOOpsi经过管线长距离运输天然气。借助气压降压站将高压气体降低至更低压力。在城市门站中，压力通常必须从IOOOpsi降低至250-50psi。通常用节流阀实现气压降低，其中发送等焓膨胀而未产生任何能量。浪费某一数量的压能，因为不可逆过程节流天然气并且降低它的势能。在膨胀期间多数气体冷却(Joule-Thompson效应)。天然气的温度降将根据气体消耗和状态近似为每15psi为I °F。将膨胀的气体节流过程替换为使用Langson(GPG)气压发电机使得有可能将天然气的这一压力转换成可以向负载设备(比如发电机)传输的机械能、由此从先前浪费的资源发电。
图I是根据本发明一个实施例的电功率生成系统的示意图。图2是根据本发明一个实施例的在电力生成系统中利用的“DSG “”两级直接蒸汽和气体螺杆膨胀器“的截面图。图3是根据本发明一个实施例的可以在电力生成系统中利用的串联和级联连接的两个双螺杆膨胀器的前视图。图4是根据本发明一个实施例的可以在电力生成系统中利用的单个双螺杆膨胀器和发电机的前视图。图5是根据本发明一个实施例的用于气压降压和直接蒸汽膨胀并且可以在电力生成系统中利用的另一双螺杆膨胀器和发电机的侧视图。图6A是根据本发明一个实施例的可以在电力生成系统中利用的单级干螺杆气体或者蒸汽膨胀器的横截面图。图6B是根据本发明一个实施例的可以在电力生成系统中利用的单级油浸(oilflooded)膨胀器的横截面图。图7是根据本发明一个实施例的比较使用两级(DSG)螺杆膨胀器的系统所利用的潜在可用能量数量的曲线。图8是示出了根据本发明一个实施例的两级气压降低发电机的框图。图9是示出了根据本发明一个实施例的两级气压降低系统的图。
具体实施例方式本发明是可以对低压蒸汽和气压(包括可能被杂质污染的饱和或者湿蒸汽)操作的耐用连续流外部加热旋转引擎。引擎的耐用设计允许它相对免受如下杂质或者颗粒的影响，这些杂质或者颗粒将侵蚀常规金属涡轮机叶片。为了相等的压力比和功率输出，本发明涉及到比用来旨在于对低压气体和湿蒸汽操作的常规多叶片蒸汽涡轮机低得多的资金成本。公开的电功率生成系统的设计利用废热蒸汽、气压或者地热加热的水中可用的全部能量。电力生成系统包括废热蒸汽、气压或者地热加热的水的源。提供一个或者多个双螺杆膨胀器或者合为一体的(DSG)用于接收所述废热蒸汽、气压或者地热加热的水并且将其中生成的能量用于驱动至少一个输出轴。(DSG)包括以定时关系在壳内可旋转地装配的一对或者多对配对的转子。发电机通常耦合到输出轴用于发电。在废蒸汽、气压或者地热加热的水流过膨胀器时，液体或者气体压力下降，并且其部分然后可以闪蒸(flash)成汽相。蒸汽的质量流量继续随着压力经过膨胀器下降而增加。这增加蒸汽的质量流量并且膨胀由转子形成的室以可旋转地驱动转子并且因此驱动例如连接到发电机的输出轴以产生电力。两级肓接蒸汽和气体螺杆膨胀器发电机系统(DSG)。本发明从作为原动流体的废蒸汽、气压和地热加热的水产生电力。从废蒸汽、气压或者地热水发电出于许多原因而合乎需要。遍及世界的废蒸汽喷气孔、气体降压站或者地热井提供用于发电的实质上无限能量供应。另一原因在于燃料燃烧发电厂可能通过释放温室气体(比如CO2)而造成污染和可能的全球变暖。全世界可能有蒸汽主导地热场20倍之多的液体主导地热场。在这些井中可用的地热能量的大多数通常是以饱和蒸汽(多数饱和蒸汽通常为热水或者盐水)的形式。全世界仅有限数目的井喷射过热或者干蒸汽。利用蒸汽涡轮机作为其主要原动力的当前地热电 力系统通常仅能对干蒸汽操作。这些涡轮机简单地不能接受湿气、粒状物或者溶解的固体。由于这一点，要求当前电力生成系统在干蒸汽可以由涡轮机使用之前从混合物分离蒸汽。虽然分离和转储这一热水是必需的，但是这不是很高效，因为浪费大量可用能量。在许多地热井中，可用地热能量的近似三分之二是以水的形式存在的，并且这一能量被需要干蒸汽的涡轮机系统浪费。本发明已经成功通过利用(DSG)而不是涡轮机作为主要原动力来利用废蒸汽、气压和地热加热的水作为原动流体。目前为止，主要利用双螺杆机器作为蒸汽压缩机。很少机器用作膨胀器，并且在所有这样的情况下，用于这些机器的原动流体是以蒸汽的形式。简言之，在本发明之前，尚未利用(DSG)机器以作为由高温、高压水驱动的膨胀器来操作并且驱动用于发电的发电机。图I是根据本发明一个实施例的电功率生成系统的示意图。电功率生成系统包括经过管道17向DSG 35递送的水蒸气或者地热加热的水10的源。水蒸气或者地热加热的水10的源可以是井，并且井可以具有一个或者多个阀12。可以提供过滤器14用于管道17。也可以在管道17内提供门控阀27用于控制进入DSG 35的加热的水的流量。也可以提供止回阀16。DSG 35连接到来自管道17的原动流体。(DSG) 35包括可以耦合到旋转发电机40的输出轴37。本发明的电力生成系统的这一部分通常操作如下优选地保持来自井10的整个流量在防止它闪蒸成蒸汽的压力之下。用于饱和液体的正常条件可以是135psia和近似350 T。液体穿过控制阀27、然后进入DSG螺杆膨胀器35。随着液体进入膨胀器35，它的压力下降并且它的小部分闪蒸成汽相。随着压力继续下降，蒸汽的质量流量继续增加。这一蒸汽质量流量增加是用于驱动DSG 35的媒介。用于(DSG)的第一级的出口条件可以是75psia和近似300 0F。在这一点，混合物的多数可以是饱和液体。蒸汽质量流量继续增加以驱动DSG 35。用于膨胀器35的第二级的出口条件同样出于示例考虑而可以在近似101 0F为 14psia。然后可以向分离器43中馈送从第二级膨胀器35退出的混合物。分离器43的一些功能是(I)在真空下操作以降低第二膨胀器级的排出压力、由此增加工作输出并且(2)从蒸汽分离液体以便让蒸汽冷凝成液态。在分离之后，液体然后可以经过管道45退出分离器43去往接触冷凝器50。蒸汽然后可以经过管道退出接触冷凝器50去往再注入井55。也可以有耦合于输入管道17与接触冷凝器50之间的喷射器18。它也可以分离出不可冷凝气体19。如果必要则冷却塔也可以耦合到冷凝器50从而提供附加冷却。来自冷却塔52和冷凝器50的输出可以在经过门控阀54向再注入井55传输之前由止回阀5151控制。图2示出了在电力生成系统中用作主要原动力35的相互卩齿合(intermeshing)(DSG) o膨胀器包括两对相互哨合的转子65和67,每 对优选地可旋转地装配于壳70内的一个轴68上。定时齿轮73可以连接到轴68的极端并且优选地相互接合以同步转子的旋转速度。结果是转子组65和67优选地在旋转期间未在绑定意义上接合并且在一个实施例中形成两级膨胀器。图6A和6B示出了成对相互卩齿合的转子69、71的不同实施例的示例。因此,所示DSG 35实际上具有四个转子一在第一级的一组转子65中的公转子69和母转子73以及在第二级的一组转子67中的公转子69和母转子73。这是示例，并且其它级数也在本发明的范围内。然而已经发现如这里所示两级系统在许多情形中提供良好结果。优选地提供适当轴和止推轴承77以充分支撑壳70内的转子65和67。随着原动流体进入入口 22，形成于转子与壳壁之间的袋通常开始形成。随着转子65和67转动，这些袋进一步分离并且体积增加从而允许原动流体膨胀。如上文指出的那样，(DSG)能够接受废蒸汽、气压或者地热加热的水。它直接膨胀随着水、气体或者其它流体经过机器降低压力而从其连续产生的蒸汽或者气体。因此，由于蒸汽、气体或者其它流体的质量流量随着压力经过膨胀器下降而增加，所以更完全利用而未浪费固有能量。于2009 年 12 月 29 日授权、名称为 “Power Compounder “的第 7,637，108 号美国专利和于2006年10月26日公布、名称为”Waste Heat Recovery Generator “的第2006/0236698 Al号美国专利申请(二者均为本申请人)公开了这里适用的单和双转子膨胀器并且通过引用而结合于此。图3是根据本发明一个实施例的可以在电力生成系统中利用的串联和级联连接的两个双螺杆膨胀器的前视图。在这一图示中，双螺杆膨胀器用皮带驱动发电机。这为示例，并且从双螺杆膨胀器向发电机传送功率的其它方法也在本发明的范围内。另外，不同于发电的其它用途也在本发明的范围内。图4是根据本发明一个实施例的可以在电力生成系统中利用的单个双螺杆膨胀器和发电机的前视图。在这一图示中，单个双螺杆膨胀器用皮带驱动发电机。图5是根据本发明一个实施例的用于气压降压和直接蒸汽膨胀并且可以在电力生成系统中利用的另一双螺杆膨胀器和发电机的侧视图。在这一图示中，DSG 35由轴37耦合到发电机40。尽管这一实施例示出了发电机40由来自DSG 35的轴驱动，但是应当理解这为示例并且由驱动轴传送的功率的其它用途也在本发明的范围内。图6A是根据本发明一个实施例的可以在电力生成系统中利用的单级干螺杆气体或者蒸汽膨胀器的横截面图。图6B是根据本发明一个实施例的可以在电力生成系统中利用的单级油浸膨胀器的横截面图。图6A和6B示出了具有与母转子73对接的公转子69的双转子膨胀器。公转子69可以具有适于向形成于母转子73中的六个凹槽72中延伸的四个瓣71。壳70也可以具有向转子室15的一端中延伸的入口 22和从另一端引导的排出装置23。定时齿轮可以连接到轴68的极端并且优选地相互接合以同步转子的旋转速度。结果是转子69和73优选地在旋转期间未在绑定意义上接合。实际上可优选的是，通过定时和容差，两个转子69、73从未实际接触，但是实际上，在它们之间的容差足以使得在转子之间或者根据用于特定DSG的预计工作材料在转子与壳70的侧部之间无绑定。由于(DSG)是正移位机器，所以它通常能够在恒定速度在宽的功率负载范围内高效运行。除了满足功率需求波动之外，该系统还可以应用于宽的蒸汽、气压和地热流体入口条件范围。因此，一个系统可以高效覆盖大量不同压力、温度和流量条件。随着蒸汽、气体和液体进入机器并且压力下降，其小部分闪蒸成汽相。随着压力继续下降，蒸汽的质量流量增加。类似地，热函下降。对照而言，在相同流体输入上的涡轮机安装必须先将压力降低至闪蒸蒸汽被分离的最优点。然后仅利用这一固定数量的蒸汽。因而涡轮机利用的势能的量为由(DSG)利用 的全部势能的近似三分之一。螺杆的表面和螺杆壳的内表面可以涂有特殊聚合物涂层以防止化学物、固体和矿物的侵蚀和过量磨损。这根据膨胀的流体或者气体类型而可以是Teflon版本或者其它材料。图8是示出了根据本发明一个实施例的两级气压降低发电机90的框图。天然气可以例如在600psia和100 °F下进入82系统。方向控制阀84可以用来选择性地指引天然气经过气压降低阀86或者两级减压发电机90。如果天然气引向两级减压发电机90，则它先进入第一级DSG 92。然后当它离开第一级DSG 92时，它进入第二级DSG 94。当气体离开第二级DSG 94或者气压降低阀86时，它将通常在明显更低压力和温度。例如气体可以在50至200psia和60°F离开系统96。在这一实施例中，示出了两级气压降低发电机。这为示例，并且其它级数也在本发明的范围内。通常在比用于递送的压力高得多的压力长距离运输天然气。目前在该高压力固有的能量在压力降低时损失，因此可以利用气体。此图中所示气压降低阀86是现有技术中的用于实现这一减压的典型机制。以这一方式利用本发明的优点之一在于可以高效捕获这一能量并且将其转变成电力。图9是示出了根据本发明一个实施例的两级气压降低系统的图。天然气可以在主天然气管线101上例如在600psia和100 °F进入系统。减压器102控制天然气从主天然气管线101流入第一高压管线103。第一高压管线103向气体加热器104中馈送，该加热器的输出可以像第二高压管线105中馈送。在系统的现有技术部分中，高压天然气管线105向降压站106中馈送，并且它的输出向低压天然气管线107中馈送。取而代之，来自第二高压天然气管线105的气体的一部分，如果不是全部的话，可以经过球阀110馈送、继而由压力调节器112向馈送天然气管线113中馈送。馈送天然气管线113中的气体如果必要则向附加气体加热器114馈送、并且在此由压力计116和温度计118向两级双螺杆膨胀器120中馈送。来自双螺杆膨胀器120的输出气体向穿过压力计126和温度计128的返回天然气管线129馈送并且向止回阀108和球阀109中馈送并且往回向低压天然气管线107中馈送。双螺杆膨胀器120可以驱动发电机122，该发电机可以产生电力123。它也可以耦合到温度计 124。
概括而言，本发明的电力生成系统具有实现高效使用废蒸汽、气压和地热能的独特性质。这一系统简单、维护少并且寿命长。
本领域技术人员将认识到可以进行修改和变化而未脱离本发明的精神实质。因此旨在于本发明涵盖如落入所附权利要求书的范围内的所有这样的变化和修改。
权利要求
1.一种生成电功率的方法，包括 提供废蒸汽、气压或者地热加热的流体的恒定供应，所述流体包括在给定温度和压力处于基本上饱和液态的水的大部分； 向具有输出轴的、在流体或者蒸汽经过其中膨胀时旋转的相互啮合的多个转子(DSG)供应所述流体； 将所述膨胀器内的流体或者蒸汽膨胀至使得所述水的部分在所述膨胀器内闪蒸成汽相的压力和温度；并且 将所述膨胀器的输出轴耦合到用于发电的发电机。
2.—种电力生成系统,包括 在(DSG)的第一级的废蒸汽、气压或者地热加热的流体的源，所述流体包括在第一压力和温度处于基本上饱和液态的水作为其大部分； DSG，具有多个相互啮合的转子和输出轴，其在流体经过其中膨胀时旋转；用于经过所述膨胀器将所述废蒸汽、气压或者地热加热的流体膨胀至第二级压力和温度以使得所述水的部分在所述膨胀器内闪蒸成汽相的装置；以及用于耦合到所述膨胀器的输出轴以发电的装置。
3.根据权利要求2所述的发明，其中所述废蒸汽、气压或者地热加热的流体包括水作为其主要部分。
4.根据权利要求2所述的发明，其中所述DSG还包括两个相互啮合的定时齿轮，各自连接到相应转子，用于控制所述转子的相应旋转速度。
5.根据权利要求2所述的发明，其中所述电力生成系统还包括用于冷凝用所述DSG生成的蒸汽并且经过原动流体出口排出的装置。
6.根据权利要求2所述的发明，其中所述用于供应所述废蒸汽、气压或者地热加热的水的装置包括 井泵，位于所述地热加热的水的源内；以及 导管装置，与所述井泵和所述DSG的原动流体入口连通。
7.—种生成电功率的方法，包括以下步骤 提供废蒸汽、气压或者地热加热的匀质流体的恒定供应，所述流体包括在给定温度和压力处于饱和液态的水作为其主要部分； 向DSG的流体入口供应所述流体，所述DSG具有多个相互啮合的转子和当流体经过其中在所述入口与出口之间膨胀时旋转的输出轴，所述膨胀器具有流体出口 ； 在所述膨胀器出口提供排出压力和温度，从而所述水的部分在所述膨胀器内闪蒸成汽相，所述排出压力和温度低于所述给定压力和温度； 将所述膨胀器的输出轴耦合到用于发电的发电机。
8.一种用特殊聚合物涂层保护铁金属表面的方法，包括 能够使用直接经过DSG的直接蒸汽、气体和地热盐水； 保护所述转子和膨胀器壳的铁金属表面免受侵蚀、剥落和磨损； 保护所述转子和膨胀器壳的所述铁金属表面免受由于与所述蒸汽或者地热盐水中的矿物固体和侵蚀水化学物直接接触而产生的磨损。
9.一种使用(DSG)以增加系统膨胀效率的方法，包括通过使用所述(DSG)中的两组双螺杆，可以将体积压力比从约为4比I的比值增加至·10 比 I ; 通过用所述(DSG)增加所述体积压力比，可以使用直接进入所述螺杆的蒸汽、气体或者地热盐水并且将系统效率100%从10%增加至20%以上； 通过将所述(DSG)用于引导蒸汽、气体压力或者地热盐水，可以将膨胀效率从40%增加至80%以上。
10.一种电功率生成系统,包括 输入系统，提供废蒸汽、气压或者地热加热的流体作为工作流体； 直接蒸汽和气体螺杆膨胀器发电机系统(DSG)，包含至少一个螺杆并且从所述路由系统接受所述工作流体以转动所述DSG中的所述至少一个螺杆，所述工作流体随着它移动经过所述DSG而膨胀，并且所述至少一个螺杆转动至少一个轴； 输出系统，在所述工作流体已经穿过所述DSG之后接收所述工作流体；以及 通过所述至少一个轴的动作来转动的发电机。
11.根据权利要求10所述的电功率生成系统，其中所述DSG包含至少一对相互接合的螺杆。
12.根据权利要求11所述的电功率生成系统，其中所述DSG包含在相继阶段中操作的至少两对相互啮合的螺杆，所述工作流体在流过和转动第二对相互接合的转子的螺杆之前，穿过和转动第一对相互接合的转子的螺杆。
13.根据权利要求10所述的电功率生成系统，其中所述DSG的所述螺杆涂有聚合物涂层以防止化学物、固体和矿物的侵蚀和过量磨损。
14.一种生成电功率的方法，包括 在第一温度和压力提供气体的恒定供应； 向具有相互啮合的多个转子的第一膨胀器供应所述气体，所述转子具有由于所述气体膨胀而旋转的至少一个输出轴； 将所述第一膨胀器内的所述气体膨胀至第二压力和温度； 由于所述气体经过所述第一膨胀器的转子膨胀而在所述至少一个输出轴上生成转矩；并且 将所述第一膨胀器的至少一个输出轴耦合到用于发电的发电机。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括 在所述第二温度和压力退出所述第一膨胀器之后向第二膨胀器供应所述气体，所述第二膨胀器具有相互啮合的多个转子，所述转子具有由于所述气体膨胀而旋转的至少一个输出轴；并且 将所述第二膨胀器中的所述气体从所述第二温度和压力膨胀至第三温度和压力。
16.根据权利要求14所述的方法，其中 所述气体为天然气；并且 所述气压的恒定供应为主天然气管线。
17.根据权利要求14所述的方法，还包括 在所述气体进入所述第一膨胀器之前加热所述气体的供应。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括在所述气体进入所述第一膨胀器之前测量所述气体的温度和压力； 确定是否需要进一步加热；并且 如果确定需要进一步加热则进一步加热所述气体。
19.根据权利要求14所述的方法，还包括 将所述气体分离成气体的第一蒸汽和第二蒸汽； 向所述第一膨胀器中传输气体的所述第一蒸汽； 向降压站中传输气体的所述第二蒸汽；并且 在低压气体管线中的气体的输出流中组合所述第一膨胀器与所述降压站的输出。
20.根据权利要求14所述的方法，其中 所述第一膨胀器为无油膨胀器，其中所述转子不彼此接触或者不接触用于所述第一膨胀器的壳的内部。
21.一种用于从天然气降压生成电功率的系统，包括 第一膨胀器，具有相互啮合的多个转子，所述转子具有至少一个输出轴，其中 所述第一膨胀器在第一温度和压力接受气体的供应； 所述第一膨胀器将所述气体膨胀至第二温度和压力； 所述气体从所述第一温度和压力膨胀至所述第二温度和压力的膨胀旋转所述至少一个输出轴； 用于发电的发电机，耦合到所述至少一个输出轴并且通过所述至少一个输出轴旋转。
22.根据权利要求21所述的系统，其中 所述第一膨胀器为无油膨胀器，其中所述转子不彼此接触或者不接触用于所述转子的壳的内部。
23.根据权利要求21所述的系统，还包括 第二膨胀器为无油膨胀器，其中转子不彼此接触或者不接触所述壳的内部，所述转子具有至少一个输出轴，其中 所述第二膨胀器在所述第二温度和压力接受气体的供应； 所述第二膨胀器将所述气体膨胀至第三温度和压力； 所述气体从所述第二温度和压力的膨胀旋转至少一个输出轴。
全文摘要
一种用于从地热、气压降压和/或加热的废蒸汽源生成电功率的方法和系统利用双螺杆压缩机，该压缩机被反转成作为膨胀器来操作，其中膨胀提供可以利用发电机来转换成电功率的机械功率而无需利用干蒸汽涡轮机。可以在膨胀过程中利用多级。
文档编号F01K25/02GK102782262SQ201180006173
公开日2012年11月14日 申请日期2011年1月11日 优先权日2010年1月15日
发明者理查德·朗森 申请人:理查德·朗森