机械发电/电力发电系统技术方案

通过使用CO

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】机械发电/电力发电系统
技术介绍
本专利技术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,10thJuly2013,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。从本专利技术的图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。专利技术概述本专利技术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，根据本专利技术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。根据本专利技术的第一方面，本专利技术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。在本专利技术的第二和替代方面，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.发电方法，包括：使用CO

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170505 GB 1707272.91.发电方法，包括：使用CO2作为工作流体来操作第一和第二嵌套循环，而在嵌套循环之间不混合工作流体，所述第一循环包括在CO2为亚临界的低压条件下操作的半开环，和所述第二循环包括在CO2为超临界的较高压力条件下操作的闭环；第一循环在布雷顿循环中操作，包括在低压条件下于燃烧室中氧燃烧碳氢化合物，优选LNG，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，换热器加热的工作流体返回燃烧室；由所述第一循环中分离出的所述氧燃烧产生的水和过量的CO2；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，包括在所述第二循环中由所述气体/气体热交换器加热工作流体，膨胀发电以获得第二电源，在第一和第二换热器步骤中分两阶段冷却，压缩，经由第一换热器步骤进行再加热，以及将由第一换热器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器步骤通过逆流通道第二循环中的工作流体加热。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一循环中冷却所述燃烧产物和工作流体的所述步骤发生在所述膨胀步骤之前。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述膨胀步骤由单个第一涡轮机执行，且其中，在所述第一循环中，所述气体/气体热交换器位于所述第一涡轮机的上游。


4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一循环中的所述膨胀步骤在所述冷却燃烧产物和工作流体的步骤之前进行。


5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一循环中的所述膨胀步骤由多个第一涡轮机执行，其中至少一个位于所述气体/气体热交换器的上游。


6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，进一步包括冷却工作流体，包括在冷却冷凝器的所述换热器中已经进行冷却的所述第一循环中的燃烧产物，且其中通过将冷凝水与剩余的气态工作流体分离，在所述第一循环中所述冷却冷凝器冷却之后并且在所述压缩步骤之前，从所述第一循环中分离出水。


7.根据权利要求6所述的方法，其中，用于所述第一循环的碳氢燃料由基本上纯的甲烷组成，且其中，在进一步纯化之后，所述分离的冷凝水提供了饮用水源。


8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其中，所述第二循环中的工作流体的最高温度不大于800℃，并且所述第二循环中的最大压力不大于400bar。


9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述第二循环中的工作流体的最高温度在700℃至800℃之间，并且所述第二循环中的最大压力在200bar至400bar之间。


10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其中，所述第一循环中的最大压力不大于30bar。


11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述第一循环中的最大压力在20bar和30bar之间。


12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，在所述压缩步骤之后，从所述第一循环中去除过量的CO2以便存储或隔离。


13.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的情况下提供机械能/电能的装置，第一循环在其...

【专利技术属性】
技术研发人员：米尔扎·西布坦·阿赫塔尔，
申请(专利权)人：Ceox有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB