专利名称:利用低温和中温源流体的改进型级联发电站的制作方法
本发明涉及一种利用低温和中温源流体的改进型级联发电站。
在本文以下所称的低温和中温源流体是指温度约低于350°F的这类源流体，如由许多开采井中所到的地热流体和各种工艺流程所产生的工业液体。位于加利福尼亚南部(Southern California)靠近霍尔特维尔(Holtville)的帝国流域(Imperial Velley)的东方高原发展工程(East Mesa Development Project)，目前有六口井，每小时可生产约四百万磅约324°F的地热流体。这样的地热流体就是所述类型的源流体的实例。
按照惯例，电力是由所述类型源流体，利用闭式
金循环(Rankine cycle)热机产生的。该热机的工作流体是一种有机流体(如氟利昂)，这种系统称之谓本文所述类型的发电站。一种所述类型的源流体加到含有液态有机流体的所述类型发电站的蒸发器中，从而使液态有机流体转变成蒸汽。蒸汽在涡轮发电机中膨胀，使蒸汽中的部分热能转变为功并产生热耗有机蒸汽，热耗有机蒸汽在冷凝器中冷凝。冷凝的有机流体送回到蒸发器，此循环重复进行。如果采用空气冷却的冷凝器，则冷凝器将热耗蒸汽中的余热排到周围空气中;如果采用冷却的冷凝器，则将余热排入冷却水。一般来说，蒸发器是在产生饱和的或仅仅稍过热的蒸汽的压力是比较低的，所以由蒸发器、输送蒸汽的管道系统和涡轮所构成的热交换器的设计可以简化。为了使所述类型的发电站达到最大输出功率，通过电站整个热交换系统的源流体的温差和蒸发器中的蒸发温度必须选择最佳值。
常规级联发电站使用多个闭式
金循环发电站标准组件都连接一个热交换器，源流体串联加到每个标准组件的热交换器中。无论使用什么系统，使系统产生的净功率达到最大是最重要的。增加功率的一种方法是用增加源流体的温差从源流体抽取更多的热能。可是，无论用单级或级联系统，利用增加从源流体抽取的热量会影响发电站效率的降低，因为源流体的平均温度被降低了。这就导致在热交换器中的工作流体的蒸发温度降低，这样就降低了发电站的卡诺效率(Carnot efficiency)。
在致力于增加所述类型发电站的效率和增加从源流体中抽取更多功率的过程中，建议在超临界温度和超临界压力下运行。在这种情况下，由热交换器系统产生的蒸发有机流体的温度是高于上述典型的金循环发电站的蒸发温度。虽然，这方法对于增加发电站的效率和增加发电站的效率和增加其输出功率都是有效的，但是由于循环泵浦功率消耗较高以及费用增加和电站的复杂性，即电站的压力容器必须设计成立在500-600磅/平方英寸的绝对压强范围的压力下运行，从而使增益被取消了。
因此本发明的目的是要提供一种所述类型的新的和改进的发电站，它比一般低压发电站能更有效地运行。
本发明是提供一种运行多个独立的，闭式兰金循环发电站的标准组件的方法，每个标准组件都有一个蒸发器，该运行方法包括下列步骤将中温或低温源流体串联加到发电站的蒸发器中，以产生热耗源流体，对每一台蒸发器配备一个预热器，将上述热耗源流体并联加到各予热器中。当加到蒸发器的源流体把蒸发潜热供给电站的工作流体时，热耗源流体于是使工作流体加热到蒸发温度。
本发明与所述类型的常规级联发电站相比较是有优点的，因为该源流体的温差可以增加而不降低其效率，或者，温差可以保持而效率可以增加。不论那一种情况，按本发明的发电站产生的电力是增加的。
附图简述本发明的一种方案示于附图中，其中图1是在所述类型的电站中。热交换器的温度与热量输入的关系曲线，表示源流体的温差和工作流体的蒸发温度之间的关系;
图2是按本发明的级联发电站的方块图;
图3是类似于图1的关系曲线，表示在图2方块图中不同点的温度;
图4是类似于图3的常规级联发电站的关系曲线，该发电站具有与图3所示的运行电站相同的热交换器面积;
图5是按本发明的级联发电站的第二种方案，表示多级排的多个组合式能量转换器。
现参见图1来说明本发明所解决现有技术中的问题。曲线表示在一种源流体的温度变化是热交换器交换速度的函数。曲线A代表源流体在热交换器中从温度Tin′(在热交换器入口处)冷却到温度TouH1(在热交换器的出口)，其中，Tin-Toutl＝△Tio在已知方法中，工作流体的蒸发温度Teval(其变化曲线B表示)是由进入热交换器的工作流体的温度、Tcond和△T1所决定的。比例a1和/b1称作交换器的予热百分比，它是单位间时内将工作流体从冷凝器温度提高到蒸发点(仍为液态)所需要的热量与单位时间内蒸发工作流体所需要的总热量之比。对所述类型的源流体来说，这比例可以在25%-55%范围内变动。
源流体在曲线B的转折点的温度Tpp1和Tevap之差称作扭点温度(pineh-point);这温度一般是在8-12°F之间。可以看到，降低扭点温度以提高蒸发温度具有增加该系统效率的效应，因为卡诺效率正比于蒸发温度和冷凝器温度之比。可是能看到，以这种方法增加卡诺效率，就要靠不成比例的大大增加热交换器的表面积才行。
一个发电站，使用按曲线B的工作流体和按曲线A冷却的源流体，要增加其输出功率的较合适做法是增加源流体的温度差。在这种情况下，源流体的温度差。在这种情况下，源体将按照曲线C从Tin冷却到Tout2;而工作流体将以曲线D描述。也就是说，Tevap2将低于Tevap1。并且可以着到，当从源流体抽吸的热量随着源流体冷却的增强而增加时，系统的效率就降低了。输出功率的增加与否决于在热交换器中源流体的冷却速度。本发明提出并解决了如何增加输出功率的问题。
现在参见图2，标号10是本发明的发电站。发电站10包括许多独立的闭式金循污有机流体发电站标准组件12A、12B和12C。所表示的是三个这样的发电站标准组件。但是本发明对于2个或2个以上独立的发电站标准组件均可实施。每个标准组件都是一样的，因此，只需要详细描述标准组件12A。这标准组件包括装有一种有机液体的蒸发器13A，并由入口14A将从源11来的低温或中温源流体加到13A。在蒸发器13A中的有机液体经蒸发产生基本上饱和的或稍过热的蒸汽，该蒸汽加到涡轮发电机15A的涡轮16A。蒸汽在涡轮16A中膨胀，在蒸汽中含有的部分热能转变为功，使发电机17A发电。由涡轮16A排出的蒸汽加到冷凝器18A，在18A中，冷凝器使用冷水将蒸汽冷凝为液体，或者，也能使用空气冷却的冷凝器。
用一个泵(图中没有标出)将冷凝液由冷凝器18A输送到予热器19A，也可以与13A分开。将由第三标准组件的蒸发器出口所得的热耗源流体从予热器的入口20A加到予热器19A中，在出口21A把冷却的源流体输送出去。如果源流体是地热流体，则冷却的流体可以输送到废井，或者，如果源流体是一种化工品，则冷却的流体可以输回工艺流程中。
如图2所示，由蒸发器13A的出口22A流出的源流体加到发电站标准组件12B的蒸发器13B的入口14B;而由蒸发器13B的出口22B流出的源流体加到标准组件12C的蒸发器13C的入口14C。在下面，由蒸发器13C的22C流出的源流体称为热耗源流体，因为蒸发器13A、13B和13C的每一个都抽吸热能。将这种热耗流体并联加到予热器19A、19B和19C的每一个中。也就是说，本发明形成了将低温或中温源流体从源11串联加到发电站12A、12B和12C的蒸发器13A、13B和13C，以便在蒸发器13C的出口22C呈现所产生的热耗源流体，并将热耗源流体并联加到予热器19A、19B和19C的每一个中。如果源流体是地热流体，则由予热器流出的源流体就输送到废井。
图3表示了类似于图2发电站的典型的温度-热能曲线图，该电站能用上述东部高原地热流体运行。温度和流速的大小取决于东部高原地区的电流容量，也是为了便于比较，在使用具有同样总面积的热交换器时，本发明发电站和常规级联发电站所产生的功率。
每小时约3.7百万磅的地热流体适用于串联输入到蒸发器13A、13B和13C;由蒸发器13C流出的热耗源流体约有一半被加到予热19A。约1/3被加到予热器19B，使与予热器19C相平衡。假定冷凝器条件是这样的由发电站的每个标准组每个标准组件的冷凝器流出的热耗地热体在流经每个予热器的过程中进一步冷却到130°F。
地热流体以324°F进入蒸发器13A并流经蒸发器被冷却到247°F的温度。在蒸发器13A中的有机液体从温度168°F，该温度是发电站标准组件12A的蒸发温度。由蒸发器13C流出的地热耗源流体温度是175°F，在予热器19A、19B和19C的每一个中地热流体由这个温度冷却到130°F。这样，对发电站标准组件12A来说，当在予热器中的有机液体由100°F加热到168°F时，地热流体由175°F冷却到130°F。
发电站12B的蒸发温度是203°F，当然，这低于发电站12A的蒸发温度。这样，发电站12B的运行压力低于发电站12A的运行压力。同样发电站12C的蒸发温度是168°F，该温度是三个发电站中最低的温度。
可以看到，标准组件12A，12B和12C的热交换器的总的对数平均温差(LMTD)分别为约23°F、约19°F和约16°F。此外，可以看到，示于图3的发电站的卡诺效率约为18.5%。具有基本上与图3发电站同样面积的热交换器的常规三级联发电站，其温度-热能曲线类似于图4所示的曲线。在这种常规发电站中，地热流体在一次串联通过热交换器后温度由324°F冷却到130°F。在三个标准组件中，蒸发温度分别为27.2°F、178°F和129°F。地热流体在进入第二个标准组件的热交换器时的温度为225°F，而进入第三个标准组件时则为168°F在这种情况下，可以看到，这样的一种级联系统的每个标准组件的对数平均温差(LMTD)分别为约22°F、19°F和17°F。就证实，常规系统的热交换器的表面积是一样的。然而，常规级联发电站同样大小的热交换器的本发明的发电站将多发出10%以上的电力而费用并无显著的增加。
发明的第三个方案示于图5，它是由多个如图2所示的组合式能量转换器组成，以便通过在选用合适数量的转换器组成，以便通过在选用合适数量的转换器几乎任何容量的发电站都能建设。示于图5的发电站100因而是由多级排列的多个标准组件组成。图中表示三级，但是级数和每级的标准组件数都是根据发电站所需容量选择的。仅作为例子，示于图5的发电站由9个标准件组成，排列成三级，每级有三个标准组件101A-C，级2的每个标准组件102A-C和级3的每个标准组件103A-C，都由一个蒸发器、一个予热器、一个有机流体涡轮发电机(图中没有示出)和一个冷凝器(图中没有示出)按图2所示的方式组成。这样，在标准组件101A中，例如，如氟利昂或类似的有机流体被加热并被输送到蒸发器105A进行蒸发。蒸发的有机流体用管道输送到涡轮发电机，并因膨胀而驱动发电机而产生电能和热耗蒸汽在标准组件的冷凝器中被冷凝并回到予热器。
按照本发明，由井(没有示出)中流出的地热源流体经过集流管106串联加到级1的标准组件的每个蒸发器，并聚集在这些标准组件的每个蒸发器，并聚集在这些标准组件的出口处，然后经过集流管107并联加到级2的标准组件的蒸发器，等等。热耗地热流体在级3的蒸发器的出口被收集在集流管108中，然后把它并联加到全部予热器。这样，示于图5的三个垂直列成一行的标准组件的每一列相当于图2的排列。当地热源流体产生足够体积的流体来供应如图2所示排列的多级发电站时，则示于图5所组建的发电站是特别有用的。
根据以上对本发明最佳方案的描述可以相信本发明的方法和设备所具有的优点和改进的效果是显著的。只要不违反以下权利要求
中所描述的本发明的精神和范围，可以进行各种改变和调整。
补正 85106574文件名称 页 行 补正前 补正后说明书 1 4 由许多开采井中所到 在许多开采井中所有18 是在产生 在产生2 10 典型的 金 典型的兰金12 浦功率消耗 的功率消耗13 成立在500 成约在5003 15 Tin′……温度TouH′ Tin……温度Tout116 Tin-Tout1＝△Tto Tin-Tout1＝△Ti17 Teval Tevapl18 a1和/b1a1/b119 单位间时 单位时间5 17 电流容量 热流容量2021 被加到予热19A 加到予热器19A22 每个标准组每个标准 每个标准组件组件7 1 几乎任何容量的发电 建成几乎任何容量的发站都能建设 电站权项 1 16 亚临界 金 亚临界兰金
权利要求
1.多个独立闭式循环的发电站标准组件的运行方法，每个标准组件具有一个蒸发器，该运行方法包括以下步骤(a)将所述类型的中温或低温源流体串联加到发电站的蒸发器，以产生热耗源流体；(b)每个蒸发器配备一个预热器；和(c)将上述热耗源流体并联加到全部预热器。
2.按权利要求
1的方法，其中源流体是地热流体。
3.按权利要求
1的方法，该方法包括在不同温度时发电站的运行步骤。
4.按权利要求
3的方法，该方法包括在不同压力时发电站的运行步骤。
5.按权利要求
2的方法，该方法包括使用一种有机流体作为发电站的工作流体的步骤。
6.按权利要求
5的方法，该方法包括在每个标准组件中使用同一类型的工作流体。
7.按权利要求
1的方法，该方法包括在亚临界兰金循环时操作标准组件的步骤。
8.在具有多个独立闭式循环发电站标准组件的发电站中，每个标准组件都有一个蒸发器，将中温或低温的流体串联加到蒸发器中以产生热耗流体，其改进包括每个蒸发器都有预热器，和将上述热耗流体并联加到全部预热器的装置。
9.权利要求
4的发明，其中一种有机流体组成发电站的工作流体。
10.权利要求
8的发明，其中所述流体是地热流体。
11.用所述类型的低温或中温流体源运行的发电站包括(a)多个闭式兰金循环的发电站标准组件，每个标准组件都配有一个蒸发器，它负责使所说源流体将发电站标准组件的工作流体转变成蒸汽;(b)将所说源流体串联加到发电站的蒸发器以产生热耗源流体的装置。(c)与每个蒸发器连接的预热器，用于预热工作流体，该工作流体在相连的蒸发器中蒸发;和(d)将所说热耗源液体并联加到全部预热器的装置。
12.按权利要求
11的发电站，其中所说的源是地热流体。
13.按权利要求
11的发电站，其中每个发电站标准组件包括(a)一个涡轮发电机，它负责将发电站相连接的蒸发器所产生的蒸发工作流体用来发电并产生热耗工作流体;(b)一个冷凝器，它冷凝所说的热耗工作流体并产生液体冷凝物，将该冷凝液加到与所说连接的蒸发器相连的预热器中。
14.按权利要求
13的一种地热发电站，其中冷凝器是水冷的。
15.按权利要求
1的方法，包括将标准组件排列成多级的步骤，和将源流体并联加到给定级的全部标准组件的蒸发器的步骤。
16.按权利要求
11的发电站，包括将所说源流体并联加到给定一级的多个蒸发器的装置。
专利摘要
多个独立的、闭式兰金循环发电站都有一个蒸发器，该发电站是由将中温或低温源流体加到发电站的蒸发器以产生热耗源流体而运行的。每个蒸发器都配置有一个预热器，而所说的热耗源流体是并联加到全部预热器的。这样，当加到蒸发器的源流体将蒸发潜热供给发电站的工作流体时，热耗源流体使工作流体加热到蒸发温度。本发明与所说类型的常规级联发电站相比较是有优点的，因为源流体的温差可以增加而不降低效率。或者，温差可以保持而效率可以增加。无论哪一种情况，按本发明的发电站所产生的电力都得到增加。
文档编号F03G7/04GK85106574SQ85106574
公开日1987年3月18日 申请日期1985年8月31日
发明者兹维·克里格, 亚历克斯·莫里茨 申请人:奥马蒂系统公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan