【专利摘要】本发现涉及操纵诸如液态氮或液态气氛的低温流体以及初级废热源的发电装备和形式，以及通过组合朗肯和布雷顿轮回，提升从这些装备接纳能量的效用的装配。

　　[0001]本发现涉及操纵诸如液态氮或液态气氛的低温流体以及初级废热源的发电装备以及形式，以及提升从这些装备接纳能量的效用的装配。

　　[0002]配电网(或电网)平常由柴油发电机机群(fleet)和开式轮回燃气轮机声援发电设备，柴油发电机机群和开式轮回燃气轮机正在高需求时段以及诸如发电站无意阻碍的紧要变乱时光段时候供应电力。这些发电资源，平常也称为顶峰电厂，以低效用燃烧化石燃料，而且可能为相当大的大气污染物源。这些顶峰电厂供应的办事网罗但不限于:

　　[0004].正在全收集阻碍的情状下，供应为从头启动发电资源所需的辅帮装备供能所需的电力(黑启动声援)；

　　[0005].对配电网的正在高电能需求的时光段时候容量缺乏的个人举办收集巩固；

　　[0006].当对电力的需求急速加多时，将电能注入配电网，以声援电网的频率。

　　[0007]其余，从配电网亏损的电能可能导致对诸如数据中央的少许消费者的相当大经济亏损，或者比朴直在病院中电力阻碍的情状下危及职员。这些使用平常采用柴油发电机，以正在来自配电网的供电供电停止情状下供应备用电力。以操纵来自可陆续原因的零排放装备替代这些柴油发电机将是有益的。

　　[0008]存正在一种对以下装备的需求，其可能供应相像办事，可是操纵源自可陆续原因的、出现低的或者优选零大气污染的燃料。

　　[0009]本发现人仍旧剖析到，存正在操纵液态气氛、液态氮或造冷剂的膨胀发电来驱动涡轮机发电的潜力。这种装备可能供应一种对均衡收集供应和需求题主意紧凑、反映性和处境干净的治理计划。

　　[0010]W02007/096656公然了一种低温能量积储编造，其采用低温液态气氛、液态氮或致冷剂与方圆气氛或废热之间的温度或相差，正在低需乞降/或过量临蓐时光段积储能量，许诺该被积储的能量随后正在高需乞降/或受限输出时光段时候被开释来发电。该编造网罗用于正在低电力需求时光段时候液化气氛的装配，用于积储所出现的液态气氛的装配，以及用于使液态气氛膨胀的膨胀涡轮机。膨胀涡轮机被衔接至发电机，以当需求餍足供应和需求之间的缺乏时发电。

　　[0011]GBl 100569.1鼎新了 W02007/096656的电能接纳元件，而且公然了一种用于零排放发电的装备、冷冻机组(cryogenset)和形式，其操纵低温流体和初级废热源，而且可能用于供应对配电网的负荷均衡和紧要声援，或者用作对诸如病院或数据中央的闭头消费者的备用电源。参考图1，GB1100569.1的发现采用一种低温流体，诸如液态氮或液态气氛，以及初级废热源140，认为涡轮发电机供能。装备的排放物是气态氮或气态气氛，而且不存正在处境题目。正在工业造冷或气氛离散厂100中，操纵来自电网150或来自可再生源160的电能创造低温流体，而且优选地经由积储罐120将低温流体由罐车或管道110供应给冷冻机组 130。

　　[0012]对这种编造和装备的效用的重要束缚正在于，对正在加热至方圆温度时候，从低温流体开释的热能的使用不良。冷冻机组的排放物仅正在低温流体的温度以上几度，因而显著地低于方圆温度。理念地，因为从进程接纳功更有用，所往后自进程的排放物将更切近方圆温度。

　　[0013]发现人仍旧发掘，通过正在GB1100569.1中所述的主开式朗肯(Rankine)轮回中网罗其余的电能接纳轮回，可能从使命流体进一步提取功。其余的电能接纳轮回与主朗肯轮回的组合使用方圆处境与第一朗肯轮回的排放物之间的温度差，以从使命流体提取更多功。可能网罗几个轮回，以渐渐将最终排放物的温度提升为切近方圆处境。然而，跟着轮回的热和冷个人之间的温差消重，每个其余轮回的效用也渐渐消重，由此消重了每个递增的其余轮回的卡诺效用(Carnot efficiency)。正在执行中,将使用一个或两个其余的轮回，由于进一步轮回的本钱效益存正在边际效应。

　　[0014]有目共见该形式，而且平常将所谓的“顶”或“底”轮回使用于发电装备。比方，组合轮回燃气涡轮机发电站采用开式布雷顿(Brayton)轮回与闭式蒸汽朗肯底轮回的组合。冷冻机组可能与闭式朗肯轮回组合，该闭式朗肯轮回采用正在方圆处境和致冷剂温度之间的运转界限内冷凝的使命流体(参见图2)。替换地，可能操纵开式或闭式布雷顿轮回(参见图3a和b)。

　　[0015]正在公多半情状下，对主轮回和底轮回操纵差此表使命流体，诸如正在上述情状下操纵气氛和蒸汽。发现人仍旧提神到，正在冷冻机组的情状下，假若将开式布雷顿轮回(诸如图3b中所示的)用作底轮回，就可能对主使命流体和底轮回使命流体两者操纵简单使命流体。这有利于简化策画和消重本钱，这是贮备电能的对象墟市的需要特点。正在图3b的轮回中，对布雷顿底轮回的进气气氛能够起首穿过气氛净化单位，以移除水和二氧化碳。参考图4，通过正在第一或第二膨胀涡轮机的进口处组合主使命流体和底轮回使命流体，告竣了对策画的简化。

　　[0021]第反复加热器，用于操纵方圆处境或废热，对从第一膨胀涡轮机排放的气体再加执.

　　[0022]第二膨胀涡轮机，用于使从第反复加热器排放的使命流体膨胀，而且从第反复加热器排放的使命流体提取功；此中

　　[0023]第二膨胀涡轮机拥有排放出口，该排放出口分为第一和第二旅途，以便从第二膨胀涡轮机排放的使命流体被分为第一和第二个人，此中使命流体的第一个人被沿第一起径，穿过第一排放出口诱导至方圆处境，而且使命流体的第二个人被沿第二旅途诱导至蒸发器的进口，使得使命流体的第二个人与蒸发器内的高压低温流体换取热能；和

　　[0024]第一压缩机，用于正在使命流体的第二个人穿过蒸发器后压缩使命流体的第二个人，此中，压缩机的排放出口与第一膨胀涡轮机的排放出口衔接，使得使命流体的第二个人以及从第一膨胀涡轮排放的气体被组归而且被诱导到第反复加热器中，以操纵方圆处境或废热再加热。

　　[0027]可能操纵膨胀涡轮机中的一个或扫数来驱动发电机，以从由膨胀涡轮机出现的回旋能量出现电。

　　[0029]通过本发现的部署，两个轮回中的使命流体一样。其余，通过第二涡轮机的流体的质料流量性质上大于通过第一涡轮机的流体的质料流量。

　　[0030]流体泵将低温流体压缩为起码50巴，而且更平常高出100巴的高压。

　　[0031]该发电装备还能够网罗过热器，以操纵来自处于统一位置的进程的热源，将蒸发器输出的高压使命流体加热至高温。处于统一位置的热源可往后自方圆处境、来自得气、大地、河道、海洋或湖泊水，或者来自废热源，诸如发电站，或者诸如钢铁厂或数据中央的工场，或者比方发电站的冷却水的相像的初级废热源。过热器能够被定位正在编造中正在蒸发器和第一膨胀涡轮机之间。

　　[0032]穿过再加热器的组合流体流正在第二膨胀涡轮机中膨胀为约为方圆处境压力。第二膨胀涡轮机网罗低压涡轮机，从该低压涡轮机提取功im电竞。

　　[0033]第二低压膨胀涡轮机的分裂的排放物将流的一个人通过第一排放出口开释至方圆处境，而且使其余个人轮回至蒸发器，正在蒸发器，低压使命流体与低温高压使命流体换取热能。取得的低压和低温气体正在与第一高压膨胀涡轮机的排放物汇合之前正在压缩机中被压缩。

　　[0034]再加热器操纵方圆处境或废热源，将从第一膨胀涡轮机排放的使命流体再加热。峰值轮回温度由可用热源驱动。可用热源可能来自方圆处境，来自得气、大地、河道im电竞、海洋或湖泊水，或者来自诸如发电站的处于统一位置的进程，或者诸如钢铁厂或数据中央的工场，或者相像的初级废热源。

　　[0035]该装备还能够网罗被定位正在蒸发器与第一膨胀涡轮机之间的第三膨胀涡轮机和第二再加热器，以及被定位正在第反复加热器和第二膨胀涡轮机之间的第四膨胀涡轮机和第三再加热器。正在该情状下，被加热的低温使命流体通过两个高压级和两个低压级膨胀，而且压力正在四个级中渐渐消重，正在每个膨胀级之间存正在级间再加热。正在该情状上下，过热器能够被定位正在蒸发器和第三膨胀涡轮机之间。

　　[0036]该装备还能够网罗第二压缩机，用于正在使命流体的第二个人第一次穿过蒸发器后压缩使命流体的第二个人，而且正在使命流体的第二个人被第一压缩机进一步压缩之前，诱导使命流体的第二个人第二次返回穿过蒸发器。正在该部署中，使命流体的第二个人起首正在蒸发器中冷却，而且然后正在返回以正在蒸发器中进一步冷却而且第一高压压缩机中压缩之前，由第二低压压缩机压缩。其余的压缩机通过采用级间冷却省略压缩机使命。

　　[0037]高压涡轮机级或多个级能够被装置正在与压缩机或多个压缩机一样的动力轴上。这种部署拥有通过较低驱动损耗，效用较高而且本钱较低的甜头。

　　[0039]相对付GBl 100569.1中所述的冷冻机组，本发现的装备拥有更高本钱/效益衡量。发现人的揣度指出，对付幼于4%的装备本钱擢升，可能告竣20%或更高的比功提升。正在积储墟市中，对付资金本钱的适度加多，由本发现的提升的效用导致的操作本钱显著低落将更有利。

　　[0040]本发现供应优于图2、3a、和3b中所示的装备的很多显著甜头。这些甜头网罗:

　　[0041]1.消重的零件数以及因而的本钱。发现人仍旧揣度出，对付20%的效用提升，本发现相对付GB1100569.1的单轮回冷冻机组的本钱提升幼于4%。对付相像的效用提升，图

　　[0042]2.简化的流体打点。闭式朗肯和布雷顿轮回需求只身的流体回途，这导致预防流体交叉污染时的联系庞杂性。本发现的编造不受这种庞杂性影响。

　　[0044]图1示出与处于统一位置的废热源以及从长途定位的气氛离散厂的致冷剂输送选项联系的冷冻机组的构造；

　　[0048]图4示出拥有两个涡轮机级的本发现发电装备和形式的第一奉行例；

　　[0050]图6示出拥有四个涡轮机级的本发现发电装备和形式的第二奉行例；而且

　　[0051]图7示出拥有四个涡轮机级和两个压缩机级的本发现发电装备和形式的第三奉行例。

　　[0052]图4中所示的本发现的第一奉行例由低温储罐400构成，低温或使命流体被从低温储罐400输送至高压泵410。低温流体被压缩为起码50巴，而且更平常地高出100巴的高压。然后，正在被称为蒸发器的热换取器420中加热该高压流体，此中热能正在来自罐的低温使命流体和组合轮回的布雷顿回途中的低压使命流体之间转达。可选地，正在过热器430中，从诸如来自愿电站的冷却水的处于统一位置的废热源480增添进一步的热。现正在假若压力正在临界压力以下则为气态，或者假若温度和压力条款超临界则为液态的、取得的高压流体通过第一高压涡轮机440膨胀，从该第一高压涡轮机440提取功。来自高压涡轮机的排放物与来自布雷顿轮途压缩机470的排出物联络，而且正在再加热器450中操纵方圆处境或废热480再加热。组合流(朗肯回途和布雷顿回途)正在从其提取功的低压涡轮机460中膨胀为约为方圆处境压力。然后，涡轮机的排放物被离散，流的一个人通过排放口 490被开释至方圆处境，而且其余个人被轮回至蒸发器420，正在蒸发器420，低压使命流体与低温高压使命流体换取热能。来自排放口 490的稳态流量等于来自低温储罐的质料流量。轮回至蒸发器420的排放物个人是低压而且低温的气体，其正在与高压涡轮机440的排放物汇合之前正在压缩机470中被压缩。朗肯回途和布雷顿回途中的使命流体性质上一样。

　　[0053]正在图5中的温度-熵图上暗示该轮回，此中图5的图上所示的形态数字对应于图4中的六边形中所示的带数字地位。

　　[0054]正在图6中所示的本发现的第二优选奉行例中，向进程增添两个其余的涡轮机级，以提升从使命流体接纳功。发现人仍旧发掘，通过以下办法，告竣显著鼎新的职能:通过两个高压级441和442以及两个低压级461和462使被加热的低温使命流体膨胀，此中压力正在四个级中渐渐消重，而且正在每个膨胀级之间级间再加热。通过这种办法，膨胀进程更切近理念的等温情状。完善进程如下:低温使命流体起首被从罐400输送至高压泵410。然后，正在蒸发器420中加热现正在为高压的流体，正在蒸发器420中，与布雷顿回途中的低压流体热换取。然后，可选地，正在过热器430中，进一步由废热或方圆处境热加热高压变暖的使命流体。然后，高压和高温使命流体正在高压涡轮机441中膨胀，正在再加热器451中再加热，而且正在另一高压涡轮机442中膨胀。然后，使命流体与来自布雷顿回途的高压进料联络，而且正在另反复加热器452中加热。流体正在低压涡轮机461中膨胀，然后正在另反复加热器453中再加热，结尾正在另一低压涡轮机级462中膨胀。最终的低压涡轮机的排放物被划分为再轮回流和排放流490。再轮回流起首正在蒸发器420中冷却，然后正在与再加热器452上游的主使命流体流联络之前正在压缩机470中压缩。鄙人表(表I)中示出轮回邻近的各个点处的榜样温度、压力和质料流量，而且参考图6中的六边形中所示的带数字地位。

　　[0056]应提神，表I中所示的形态涉及本发现的一个实例，其正在相对低的压力(100巴的级I涡轮机进口)下操作，契合易于获取的涡轮呆板的操作压力。发现人的剖判仍旧指出，可能正在这种装备应该可获取的更顶峰值使命流体压力下告竣更好的职能。

　　[0057]正在图7中所示的另一奉行例中，向编造增添其余的压缩机级，以使用级间冷却，省略压缩机使命。低压布雷顿回途使命流体正在蒸发器420中冷却，而且正在返回以正在蒸发器中进一步冷却和正在高压压缩机471中压缩之前，起首由低压压缩机472压缩。通过这种策画，省略了压缩机的使命，可是价值是其余的压缩机级的庞杂性。

　　[0058]正在图中未示出的另一奉行例中，高压涡轮机级440或级441和442被装置正在与压缩机470或压缩机471和472一样的动力轴上。发现人仍旧发掘，高压涡轮机级传输的电能简直庄重契合最佳运转条款下的压缩机电能需求。通过经由排挤与压缩机衔接的电马达而且消重电能输出，因而减幼被衔接至涡轮机的发电机的尺寸，使驱动亏损较低，该奉行例拥有更高效用和更低本钱两个甜头。固然正在该奉行例中，发电机的输出消重，可是编造的净输出依旧与前一奉行例一样，由于通过由高压涡轮机直接驱动压缩机，排挤了压缩机马达的寄生电负荷。

　　1.一种能量出现装备发电设备，网罗: 积储罐，用于积储低温流体， 流体泵，用于将从所述积储罐获取的低温流体压缩到高压， 蒸发器，用于蒸发高压低温流体，以供应高压气体， 第一膨胀涡轮机，用于使所述高压气体膨胀，而且从所述高压气体提取功； 第反复加热器，用于操纵方圆处境或废热，对从所述第一膨胀涡轮机排放的气体再加执.第二膨胀涡轮机，用于使从所述第反复加热器排放的使命流体膨胀，而且从排放自所述第反复加热器的使命流体提取功；此中 所述第二膨胀涡轮机拥有排放出口im电竞，所述排放出口分为第一和第二旅途，使得从所述第二膨胀涡轮机排放的使命流体被划分为第一和第二个人，此中，所述使命流体的第一个人被沿所述第一起径通过所述第一排放出口诱导至方圆处境，而且所述使命流体的第二个人被沿所述第二旅途诱导至所述蒸发器的进口，使得所述使命流体的第二个人与所述蒸发器内的所述高压低温流体换取热能；和 第一压缩机，用于正在所述使命流体的第二个人穿过所述蒸发器后压缩所述使命流体的第二个人，此中，所述压缩机的排放出口与所述第一膨胀涡轮机的排放出口衔接，使得所述使命流体的第二个人以及从所述第一膨胀涡轮排放的气体被组归而且被诱导到所述第反复加热器中，以操纵方圆处境或废热再加热。

　　2.依据权益请求1所述的装备，此中，操纵所述第一和第二膨胀涡轮机中的起码一个出现电力。

　　3.依据权益请求1或权益请求2所述的装备，此中，所述流体泵用于将所述低温流体压缩为起码50巴的压力。

　　4.依据任一前述权益请求所述的装备，进一步网罗过热器，用于操纵来自处于统一位置的进程的热源，将从所述蒸发器输出的高压使命流体加热至高温。

　　5.依据权益请求4所述的装备，此中，所述处于统一位置的热源是方圆处境、大气、大地、河道、海洋或湖泊水，或者来自愿电站或工场的废热。

　　6.依据任一前述权益请求所述的装备，此中，所述第一膨胀涡轮机被装置正在与所述第一压缩机一样的动力轴上。

　　7.依据任一前述权益请求所述的装备，进一步网罗: 被定位正在所述蒸发器与所述第一膨胀涡轮机之间的第三膨胀涡轮机和第二再加热器，和 被定位正在所述第反复加热器和所述第二膨胀涡轮机之间的第四膨胀涡轮机和第三再加热器。

　　8.依据权益请求7所述的装备，此中，所述第一和第三膨胀涡轮机被装置正在与所述第一压缩机一样的动力轴上。

　　9.依据任一前述权益请求所述的装备，进一步网罗第二压缩机，用于正在所述使命流体的第二个人第一次穿过所述蒸发器后压缩所述使命流体的第二个人，而且正在所述使命流体的第二个人被所述第一压缩机压缩之前，诱导所述使命流体的第二个人返回第二次穿过所述蒸发器。

　　10.当隶属于权益请求8时依据权益请求9所述的装备发电设备，此中，所述第一和第三膨胀涡轮机被装置正在与所述第一和第二压缩机一样的动力轴上。

　　11.一种拥有电能接纳组件的低温能量积储编造，网罗依据任一前述权益请求所述的装备。

　　12.—种出现能量的形式,网罗: 正在积储罐中积储低温流体； 从所述积储罐提取所述低温流体，而且操纵流体泵，将所述低温流体压缩为高压； 正在蒸发器中蒸发所述高压低温流体，以供应高压气体； 操纵第一膨胀涡轮机使所述高压气体膨胀，而且从所述高压气体提取功； 操纵第反复加热器和方圆处境或废热，再加热从所述第一膨胀涡轮机排放的气体； 操纵第二膨胀涡轮机，使从所述第反复加热器排放的使命流体膨胀，而且从排放自所述第反复加热器的使命流体提取功；此中 所述第二膨胀涡轮机拥有排放出口，所述排放出口分为第一和第二旅途，使得从所述第二膨胀涡轮机排放的使命流体被划分为第一和第二个人，此中， 所述使命流体的第一个人被沿第一起径通过第一排放出口诱导至方圆处境，而且所述使命流体的第二个人被沿第二旅途诱导至所述蒸发器的进口，使得所述使命流体的第二个人正在所述蒸发器内与所述高压低温流体换取热能；而且 操纵第一压缩机，以正在所述使命流体的第二个人穿过所述蒸发器后，压缩所述使命流体的第二个人，此中，所述压缩机的排放出口与所述第一膨胀涡轮机的排放出口衔接，使得所述使命流体的第二个人以及从所述第一膨胀涡轮机排放的气体被组归而且被诱导到所述第反复加热器中，以操纵方圆处境或废热再加热。

　　13.依据权益请求12所述的形式，进一步网罗操纵所述第一和第二膨胀涡轮机中的起码一个，以驱动发电机而且出现电力。

　　14.依据权益请求12或13所述的形式，进一步网罗操纵过热器和来自处于统一位置的进程的热源，以将从所述蒸发器输出的高压使命流体加热至高温。

　　15.依据权益请求12至14中的任何一项所述的形式，进一步网罗: 操纵第三膨胀涡轮机使所述高压气体膨胀； 操纵第二再加热器，将从所述第三膨胀涡轮机排放的气体再加热；和 操纵第四膨胀涡轮机，使从所述第反复加热器排放的使命流体膨胀；和 操纵第三再加热器，将从所述第四膨胀涡轮机排放的气体再加热。

　　16.依据权益请求12至15中的任何一项所述的形式，进一步网罗操纵第二压缩机，以正在所述使命流体的第二个人第一次穿过所述蒸发器后压缩所述使命流体的第二个人，而且正在所述使命流体的第二个人被所述第一压缩机压缩之前，诱导所述使命流体的第二个人返回第二次穿过所述蒸发器。

　　17.依据任一前述权益请求所述的装备或形式，此中，所述低温流体网罗液态氮、液态气氛或液态自然气。

　　【发现者】约翰·丹尼尔·阿拉斯泰尔·哈里斯, 罗伯特·摩根, 斯蒂芬·加雷斯·布雷特 申请人:高维有限公司

　　技能研发职员：约翰·丹尼尔·阿拉斯泰尔·哈里斯;罗伯特·摩根;斯蒂芬·加雷斯·布雷特

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