專利名稱：用于提高發(fā)電廠的能效的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于提高發(fā)電廠的能效的一種方法和一種裝置。
背景技術(shù)：
在發(fā)電廠中產(chǎn)生的、在燃料燃燒之后且在渦輪機后面出現(xiàn)的廢熱 包含較大的尤其(剩余)熱量的形式的能量儲備。所述能量儲備可以 用于向發(fā)電廠中的不同的工藝過程供給能量。比如并不少見的是，借 助于發(fā)電廠的廢熱對燃燒用空氣進行預熱，用于實現(xiàn)更加有效的燃燒。 也可以設想其它應用，比如生產(chǎn)用于發(fā)電廠的設備的或者用于饋入電 網(wǎng)中的電流。

發(fā)明內(nèi)容
用于利用廢熱的通用的方法麻煩且效率低。因此，本發(fā)明的任務 是說明一種方法，利用該方法可以高效地利用發(fā)電廠的廢熱。
該任務通過在獨立權(quán)利要求中所說明的發(fā)明來解決。有利的設計 方案由從屬權(quán)利要求中獲得。
在按本發(fā)明的方法中，如此充分利用所謂的熱聲學效應，從而將 發(fā)電廠的廢熱比如用于產(chǎn)生用于壓縮機的工作功率P并且/或者用于產(chǎn)
生冷氣。在所述熱聲學效應中，首先如比如在DE43 03 052 Al中所說 明的一樣通過聲源比如通過揚聲器在傳熱介質(zhì)中產(chǎn)生聲波。所述傳熱 介質(zhì)處于共振管中，聲波沿所述共振管的縱向方向輻射。所述熱聲學 效應現(xiàn)在主要在于，沿所述共振管的縱向方向在特定的位置之間產(chǎn)生 溫度梯度。通過合適的恰好布置在這些位置上的換熱器可以將熱量輸 出給環(huán)境或者說從環(huán)境中吸收熱量。
所述熱聲學效應比如可以如此顛倒，從而通過相應的換熱器產(chǎn)生 溫度梯度，其結(jié)果是在所述介質(zhì)中觸發(fā)壓力波動。
本發(fā)明在實施例中如此利用這種顛倒的熱聲學效應，從而在第一 熱聲機器中通過被具有高溫的介質(zhì)從中流過的第一換熱器以及被較冷 的介質(zhì)從中流過的第二換熱器在傳熱介質(zhì)中產(chǎn)生壓力波動。本發(fā)明的 特殊優(yōu)點在于，從發(fā)電廠的廢熱中提取流經(jīng)所述第一換熱器的熱介質(zhì)。 尤其在此涉及發(fā)電廠的熱的煙氣和/或蒸汽。流經(jīng)所述第二換熱器的介質(zhì)通過常見的冷卻劑也就是冷卻水或冷卻空氣來實現(xiàn)。
傳熱介質(zhì)中的壓力波動作用于用于產(chǎn)生功率的裝置，該裝置包括 通過壓力波動被置于運動之中的部件。這在最筒單的情況下是活塞， 該活塞根據(jù)壓力波動在缸中實施線性運動，所述線性運動比如通過曲 軸轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。
如此產(chǎn)生的工作功率可以以機械功率或電功率的形式進一步傳 遞。在所述實施例中，所述工作功率被傳遞到壓縮機上，該壓縮機作 為空氣分解設備的組成部分對有待分解的空氣進行壓縮。在理想情況 下，僅僅用所述第一熱聲機器能夠產(chǎn)生的工作功率就足以驅(qū)動所述壓 縮機。否則可以設想，接通另外的能源用于向壓縮機供給。
圖1示意示出了兩種利用所述熱聲學效應的方案。在圖la中在如 其上面早已簡短說明的一樣的用于產(chǎn)生功率的裝置130中通過以下方 式產(chǎn)生工作功率P，即第一熱聲機器100的笫一換熱器110和第二換熱 器120被具有不同溫度的介質(zhì)從中流過。在圖lb中則相反，第二熱聲 機器200以本身公知的方式作為制冷機如此工作，使得第三換熱器210 被具有高溫的介質(zhì)從中流過，而用于饋入功率的裝置230則在所述第 二熱聲機器的傳熱介質(zhì)中產(chǎn)生壓力波動。其結(jié)果是，由于所述熱聲學 效應對流經(jīng)第四換熱器220的介質(zhì)進行冷卻。所述用于饋入功率的裝 置230在此原則上可以與所述用于產(chǎn)生功率的裝置構(gòu)造相同，不過其 中的差別是，所述活塞或者說曲軸在用于饋入功率的裝置中從外面來 驅(qū)動。
作為使用所述第一熱聲機器的替代方案或者補充方案，本發(fā)明如 結(jié)合圖lb所說明的一樣在制冷設備中利用所述熱聲學效應在此所述 流經(jīng)第三換熱器210的熱介質(zhì)-如在所述第一換熱器110的情況中一樣-由來自發(fā)電廠的廢熱的熱的煙氣和/或蒸汽構(gòu)成。所述流經(jīng)第四換熱器 的介質(zhì)是早已在壓縮機中得到壓縮的、在第四換熱器中得到冷卻的空
作為用于空氣分解設備的具體利用方案的替代方案，所述第一熱 聲機器比如也可以用于驅(qū)動產(chǎn)生電流的發(fā)電機，而所述第二熱聲機器 通常能夠用于對任意的介質(zhì)進行冷卻。
本發(fā)明相應地提供這樣特殊的優(yōu)點，即由發(fā)電廠以及比如空氣分 解設備構(gòu)成的總設備的能量需求或者說能量平衡得到改進，因為從發(fā)要的能量。


本發(fā)明的其它優(yōu)點、特征和細節(jié)從下面所說明的實施例并且借助
于附圖來獲得。其中
圖la是熱聲學效應的第一利用方案， 圖lb是熱聲學效應的第二利用方案， 圖2是氧燃料發(fā)電廠的示意圖并且 圖3是按本發(fā)明的空氣分解設備。
具體實施例方式
為降低發(fā)電廠的二氧化碳排放，公開了不同的方法，在這些方法 中將二氧化碳從發(fā)電廠的可燃氣體或煙氣中分離出來，隨后將其單獨 存儲或者說存放。分離工作是必需的，因為發(fā)電廠的廢氣只有較小部 分由二氧化碳構(gòu)成氮氣構(gòu)成廢氣的絕大部分，除了氧氣之外環(huán)境空 氣中包含了所述氮氣。因為在地質(zhì)學上存儲無害的氮氣沒有意義，所 以首先必須將二氧化碳從氮氣以及必要時其它包含在廢氣中的物質(zhì)中 分離出來。
在根據(jù)氧燃料方法工作的氧燃料發(fā)電廠中，燃料不是與空氣而是 與純氧一起燃燒。這具有在產(chǎn)生的煙氣中二氧化碳濃度很高的優(yōu)點， 這大大簡化了以后從煙氣中分離二氧化碳。在利用附圖2示范性地通 過燃燒器3和渦輪機4表示的氧燃料發(fā)電廠2的前面連接著空氣分解 設備l，在該空氣分解設備l中生產(chǎn)為燃燒所需要的氧氣。在此，通過 管路40向所述空氣分解設備1輸入空氣。將從空氣中分離出來的氧氣 通過管路331導送給燃燒器3，在那里最后可以使燃料B與純氧一起燃 燒。所述渦輪機4最后與發(fā)電機5相耦合。發(fā)電廠的廢熱尤其熱的煙 氣和蒸汽通過廢熱管路6排出。
用于分解空氣的方法本身得到公開。通常首先對有待分解的空氣 進行壓縮，而后對其進行冷卻并且最后分離為其組成部分。為此根據(jù) 空氣分解設備的生產(chǎn)商情況使用不同的壓縮機、制冷設備及蒸餾柱。 但是對所述公開的方法來說，較高的能量需求是其共同點，從而產(chǎn)生 發(fā)電廠的較差的總體效率。
在圖3的示意圖中示出了空氣分解設備1。該空氣分解設備l包括用于對有待分解的空氣進行壓縮的壓縮機10、用于對由該壓縮機10壓 縮的空氣進行冷卻的制冷設備20以及分離裝置30。將有待分解的空氣 通過管路40輸送給壓縮機10并且在那里對其進行壓縮。被壓縮的空 氣通過另外的管路50傳送給所述制冷設備20，在那里所述空氣在所述 制冷設備20的冷卻裝置240中得到冷卻。所述冷卻裝置240包括至少 一個換熱器，在本實施方式中是兩個換熱器220、 250，在下文中將對 其進行說明。被壓縮的空氣的冷卻在下面稱為第四換熱器220的換熱 器220中進行。所述換熱器250則稱為第五換熱器250。
現(xiàn)在被壓縮的和冷卻的空氣從所述冷卻裝置240的出口通過管路 60進入分離裝置30中，在那里必要時首先在另外的冷卻裝置310中對 所述空氣進行進一步冷卻。在所述分離裝置30中，在多階段的工藝過 程中將所述被壓縮和冷卻的空氣分解為其組成部分(氮氣、氧氣、惰 性氣體)，其中每個工藝過程階段分離出其中一種組成部分并且將留 下的其余部分導送給下一個工藝過程階段。此外，設置了第一和第二 蒸餾柱320、 330。
在所述第一蒸餾柱320中，以本身公知的方式分離出氮氣并將其 通過管路321排出。留下的氮氣稀少的空氣則通過管路322輸送給所 述第二蒸餾柱330。在本實施例中在氮氣稀少的空氣進入所述笫二蒸餾 柱330之前對其進行中間冷卻。為此，將其導送穿過另外的冷卻裝置 310和/或設置在所述制冷設備20的冷卻裝置240中的第五換熱器250。
在所述第二蒸餾柱330中，以本身公知的方式分離出包含在所述 氮氣稀少的空氣中的氧氣并將其通過管路331排出。作為這個工藝過 程的剩余物僅僅留下惰性氣體，在此將其通過管路332排出。
通過所述管路331排出的氧氣現(xiàn)在像已經(jīng)在圖2中示出的一樣用 在氧燃料發(fā)電廠2中，用于在燃燒器3中將燃料B與純氧一起燃燒并 且由此在煙氣中實現(xiàn)所期望的高二氧化碳濃度。
按本發(fā)明，在所述空氣分解設備1中裝入第一熱聲機器100和/或 第二熱聲機器200，所述熱聲機器IOO和200通過發(fā)電廠2的廢熱來運 行。
所述第一熱聲機器100產(chǎn)生由所述壓縮機10為了對有待分解的空 氣進行壓縮所需要的工作功率P的至少一部分。此外，所述第一熱聲 機器100具有第一容器160，該第一容器160比如可以構(gòu)造為共振管并且包括第一換熱器110、第二換熱器120和第一傳熱介質(zhì)170比如空氣。 所述第一換熱器IIO和第二換熱器120通過所述第一傳熱介質(zhì)170處于 熱接觸之中。
所述第一換熱器110現(xiàn)在被第一介質(zhì)從中流過并且所述第二換熱 器120被第二介質(zhì)從中流過，其中所述第一介質(zhì)的溫度高于所述第二 介質(zhì)的溫度。尤其按本發(fā)明通過輸入管路111向所述第一換熱器110 供給氧燃料發(fā)電廠的廢熱尤其供給熱的煙氣和/或蒸汽。為此，所述輸 入管路111與所述發(fā)電廠2的廢熱管路6相連接。通過輸入管路121 向所述第二換熱器120供給冷卻劑尤其供給冷卻空氣或冷卻水。如在 圖2中示出的一樣，比如可以在所述燃燒器3的后面和/或所述渦輪機 4的后面提取廢熱。
所述第一換熱器110和第二換熱器120之間的溫度梯度由于熱聲 學效應導致在所述共振管160中在所述第一傳熱介質(zhì)170中產(chǎn)生壓力 波動。用于產(chǎn)生功率的裝置130與所述第一熱聲機器IOO相耦合，使 得這些壓力波動可以作用于所述用于產(chǎn)生功率的裝置130。
所述用于產(chǎn)生功率的裝置130比如可以具有活塞131、缸132和曲 軸134,其中所述缸132安置在共振管160中的開口 180上，從而通過 所述壓力波動產(chǎn)生作用于活塞131的力。所述活塞131由此沿箭頭133 的方向運動，驅(qū)動著所述曲軸134并且由此產(chǎn)生工作功率P，而工作功 率P則最終通過線路70被傳遞給壓縮機10。在此可以設想，借助于所 述曲軸134來運行用于產(chǎn)生電流的發(fā)電機(未示出)并且向所述壓縮 機10供給所產(chǎn)生的電流。在此所述線路70是導電連接。作為替代方 案，所述曲軸134可以與壓縮機10的軸進行機械連接，從而直接驅(qū)動 該壓縮機。在這種情況下，所述線路70是所述用于產(chǎn)生功率的裝置130 和壓縮機10之間的機械連接。通?？梢愿爬?，所述用于產(chǎn)生功率的 裝置130能夠吸收共振管160中的壓力波動并將其轉(zhuǎn)換為工作功率P。 本領域的技術(shù)人員熟知這樣的用于產(chǎn)生功率的裝置。比如可以使用線 性壓縮機，所述線性壓縮機將所述用于產(chǎn)生功率的裝置130和壓縮機 IO集于一身。
通過可選的輸入線路80,必要時可以向所述壓縮機IO輸送額外的 工作功率P，，如果通過所述第一熱聲機器IOO產(chǎn)生的工作功率P不足 以用于對有待分解的空氣進行足夠壓縮。作為使用所述第一熱聲機器100的替代方案或補充方案，可以在 所述制冷設備20中裝入第二熱聲機器200作為制冷機。所述第二熱聲 機器200用于對在壓縮機10中被壓縮的空氣進行冷卻。此外，所述第 二熱聲機器200具有第二容器或者說第二共振管260，所述第二共振管 260包括第三換熱器210、所述上面早已介紹的具有第四換熱器220和 第五換熱器250的冷卻裝置240以及第二傳熱介質(zhì)270比如空氣。所述 第三換熱器210通過所述第二傳熱介質(zhì)270與所述冷卻裝置240或者 說與所述第四換熱器220和第五換熱器250處于熱接觸之中。
用于饋入功率的裝置230比如通過開口 280與所述第二熱聲機器 200或者說與其共振管260相耦合，從而可以在所述第二傳熱介質(zhì)270 中產(chǎn)生壓力波動或者增強已經(jīng)存在的壓力波動。所述用于饋入功率的 裝置230比如可以包括活塞231和缸232，其中所述缸232安置在共振 管260中的開口 280上。所述活塞231比如通過曲軸234沿箭頭233 的方向運動用于產(chǎn)生壓力波動。作為替代方案，所述用于饋入功率的 裝置230也可以構(gòu)造為聲源比如構(gòu)造為揚聲器或類似裝置。重要的僅 僅是，可以在所述第二傳熱介質(zhì)270中產(chǎn)生壓力波動。
所述第三換熱器210現(xiàn)在被具有高溫的第三介質(zhì)從中流過。尤其 按本發(fā)明像所述第一換熱器110 —樣通過輸入管路211向所述第三換 熱器210供給所述氧燃料發(fā)電廠2的廢熱尤其供給熱的煙氣和/或蒸汽。 為此，所述輸入管路211與所述發(fā)電廠2的廢熱管路6相連接。如在 圖2中示出的一樣，比如可以在所述燃燒器3后面和/或在渦輪機4后 面提取廢熱。
所述第四換熱器220被在壓縮機10中經(jīng)過壓縮的空氣從中流過。 通過結(jié)合圖lb說明的熱聲學效應來使空氣在第四換熱器220中得到冷 卻。此外，在所述第五換熱器250中對來自第一蒸餾柱320的氮氣稀 少的空氣進行中間冷卻。
如早已說明的一樣，在所述第一換熱器220中得到冷卻的空氣隨 后通過管路60到達分離裝置30中，在那里最終分離出用于燃燒的氧 氣。
上面的解釋涉及空氣的壓縮和冷卻。但是很清楚，所述按本發(fā)明 的裝置和所述方法不僅能夠用于對空氣進行處理，而且普遍適合于對 尤其氣態(tài)的工作介質(zhì)進行壓縮和冷卻。此外，所述第一熱聲機器100普遍適合于將包含在發(fā)電廠2的廢 熱中的能量轉(zhuǎn)換為機械的或電的工作功率P，所述工作功率P則可以 在任意位置上由一個或多個消耗器比如泵來使用。所列舉的空氣分解 設備的實例僅僅是一種具體的應用方案。
可以特別有利地將所述用于空氣分解的方法和裝置用于氧燃料發(fā) 電廠，因為所述氧燃料發(fā)電廠的廢熱可以用于提取所需要的原材料之
權(quán)利要求
1.用于發(fā)電廠(2)的廢熱利用的方法，其特征在于，將在發(fā)電廠(2)中產(chǎn)生的廢熱尤其煙氣和/或蒸汽的至少一部分輸送給第一熱聲機器(100)和/或第二熱聲機器(200)。
2. 按權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，用所述第一熱聲機器 (100)產(chǎn)生尤其機械的或者電的工作功率(P)并且/或者用所述第二熱聲機器(200)產(chǎn)生冷氣。
3. 按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，將所產(chǎn)生的冷氣用于 對工作介質(zhì)進行冷卻并且/或者將所產(chǎn)生的工作功率(p)輸送給用于 對工作介質(zhì)進行壓縮的壓縮機(10)和/或其它消耗器。
4. 按前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述第一 熱聲機器(100)包括第一換熱器(110)和第二換熱器(120),所述 換熱器(110)和(120)通過第一傳熱介質(zhì)(170)處于熱接觸之中， 其中在所述第一傳熱介質(zhì)(170)中通過熱聲學效應產(chǎn)生壓力波動，所 述壓力波動則作用于用于產(chǎn)生功率的裝置(130)并且在那里被轉(zhuǎn)換為 所述工作功率(P)。
5. 按權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，將所述發(fā)電廠(2) 的廢熱輸送給所述第一換熱器(110)并且將冷卻劑尤其冷卻空氣或者 冷卻水輸送給所述第二換熱器(120)。
6. 按前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其特征在于，所述第二 熱聲機器(200)包括第三換熱器(210)和具有第四換熱器(220)的 冷卻裝置(240)，所述換熱器(210)和冷卻裝置(240)通過第二傳 熱介質(zhì)(270)處于熱接觸之中，其中所述工作介質(zhì)穿過所述第四換熱 器(220)并且在這過程中通過熱聲學效應得到冷卻。
7. 按權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，將所述發(fā)電廠(2) 的廢熱輸送給所述第三換熱器(210)并且用于饋入功率的裝置(230) 在所述第二傳熱介質(zhì)(270)中產(chǎn)生壓力波動或者增強早已存在的壓力 波動。
8. 按前述權(quán)利要求中一項或多項所述的方法，其特征在于，在所 述發(fā)電廠(2)的燃燒器(3)的后面和/或渦輪機(4)的后面提取所述 發(fā)電廠(2)的廢熱。
9. 按權(quán)利要求3且按前述權(quán)利要求中另外一項所述的方法，其特征在于，對所述工作介質(zhì)進行壓縮和冷卻并且隨后將其導送到分離裝置(30)中，在那里所述工作介質(zhì)在多階段的工藝過程中被分解為其 組成部分(氮氣、氧氣、惰性氣體)，其中每個工藝過程階段分離出 其中一種組成部分并且將留下的剩余介質(zhì)導送給下一個工藝過程階 段。
10. 按權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，在第五換熱器(250) 中在兩個工藝過程階段之間對所述剩余介質(zhì)進行冷卻，所述第五換熱 器(250)被安置在所述第二熱聲機器(200)的冷卻裝置(240)中。
11. 發(fā)電廠(2)，其特征在于，該發(fā)電廠(2)的用于導出至少 一部分在所述發(fā)電廠(2)中產(chǎn)生的廢熱的廢熱管路(6)與第一熱聲 機器(100)和/或與第二熱聲機器(200)相連接。
12. 按權(quán)利要求11所述的發(fā)電廠，其特征在于，所述第二熱聲機 器(200)包括具有用于對工作介質(zhì)進行冷卻的第四換熱器(220)的 冷卻裝置(240)并且/或者所述第一熱聲機器(100)通過用于傳遞工 作功率(P)的線路(70)與用于對工作介質(zhì)進行壓縮的壓縮機(10) 和/或與其它消耗器相連接。
13. 按權(quán)利要求11或12所述的發(fā)電廠，其特征在于， -所述第一熱聲機器(100)包括第一換熱器(110)、第二換熱器(120)和第一傳熱介質(zhì)(170)，其中所述第一和第二換熱器(110、 120)通過所述第一傳熱介質(zhì)(170)處于熱接觸之中，-通往所述第一換熱器(110)的輸入管路(111)與所述廢熱管路 (6)相連接并且-通過輸入管路(121)向所述第二換熱器(120)供給冷卻劑。
14. 按權(quán)利要求12或13所述的發(fā)電廠，其特征在于，用于產(chǎn)生 功率的裝置(130)耦合到所述第一熱聲機器(100)上，使得所述第 一傳熱介質(zhì)(170)的尤其通過熱聲學效應產(chǎn)生的壓力波動作用于所述 用于產(chǎn)生功率的裝置(130)，其中構(gòu)造所述用于產(chǎn)生功率的裝置(130)用于將所述壓力波動轉(zhuǎn) 換為工作功率(P)。
15. 按權(quán)利要求14所述的發(fā)電廠，其特征在于，所述用于產(chǎn)生功 率的裝置(130)-與所述壓縮機(10) —起構(gòu)造為線性壓縮機或者-包括部件(131、 132、 134)，尤其是活塞(131)、缸(132)和 曲軸(134),所述部件(131、 132、 134)為產(chǎn)生所述工作功率(P) 能夠通過所述壓力波動被置于運動之中。
16. 按權(quán)利要求14或15所述的發(fā)電廠，其特征在于，所述用于 產(chǎn)生功率的裝置(130)通過用于傳遞所產(chǎn)生的工作功率(P)的線路(70)與所述壓縮機(10)和/或其它消耗器相連接。
17. 按權(quán)利要求12到16中任一項所述的發(fā)電廠，其特征在于， -所述第二熱聲機器(200)包括第三換熱器(210)、具有第四換熱器(220)的冷卻裝置(240)以及第二傳熱介質(zhì)(270)，其中所述 第三換熱器(210 )通過所述第二傳熱介質(zhì)(270 )與所述冷卻裝置(240 ) 和第四換熱器(220)處于熱接觸之中，-通往所述第三換熱器(210)的輸入管路(211)與所述廢熱管路 (6)相連接，并且-所述第四換熱器(220)被所述工作介質(zhì)從中流過。
18. 按權(quán)利要求17所述的發(fā)電廠，其特征在于，構(gòu)造用于饋入功 率的裝置(230)并使其耦合到所述第二熱聲機器(200)上，從而在 所述第二傳熱介質(zhì)(270)中產(chǎn)生壓力波動或者增強已經(jīng)存在的壓力波 動。
19. 按權(quán)利要求18所述的發(fā)電廠，其特征在于，用于饋入功率的 裝置(230)包括聲源或者部件(231、 232、 234)，尤其是活塞(231)、 缸(232)和曲軸(234)，所述部件(231、 232、 234)為在所述第二 傳熱介質(zhì)(230)中產(chǎn)生壓力波動能夠被置于運動之中。
20. 按權(quán)利要求12到19中任一項所述的發(fā)電廠，其特征在于， 所述壓縮機(10)的出口通過用于工作介質(zhì)的管路(60)與所述第四 換熱器(220)的入口相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于提高發(fā)電廠的能效的方法和裝置。在此，充分利用發(fā)電廠的廢熱的熱函，從而將所述廢熱饋入第一和/或第二熱聲機器中。在所述第一熱聲機器中，借助于廢熱并且根據(jù)熱聲學效應產(chǎn)生工作功率，該工作功率用在發(fā)電廠中的其它位置上比如用于運行壓縮機。所述第二熱聲機器同樣在充分利用廢熱和熱聲學效應的情況下用于對工作介質(zhì)進行冷卻。
文檔編號F01K27/02GK101555809SQ20091013422
公開日2009年10月14日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月9日
發(fā)明者B·格羅莫爾, V·達諾夫 申請人:西門子公司