高效率發電系統和系統升級的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的奪叉引用
[0002] 本申請要求由威廉?愛德華?辛普金（W?E?辛普金）在2012年8月22日提交 的題為"高效率改造"(HiEffMod)的美國臨時申請序列號No. 61/691，955的優先權，該申 請與本申請共同受讓并且通過引用合并于此。
技術領域
[0003] 本發明一般涉及發電系統，并且更具體地涉及用于采用布雷頓（Brayton)閉合循 環發電設備來發電并提供用于熱驅動負載的熱源的系統和方法。
【背景技術】
[0004] 燒煤發電是21世紀發電困境中的關鍵性的一個。全球電力的百分之五十五來自 燒煤。由燒煤所形成的煙氣排放包含寬范圍的難以治理的改變氣候與損害健康的化合物。 例如，二氧化碳（改變氣候的氣體），在發電設施中從經濟上考慮事實是不可能消除。代替 煤的天然氣的使用，減少了但并未消除二氧化碳。煤和天然氣兩者還排出產生臭氧（ozone) 的氣體以及煙塵顆粒，從排氣和煙氣中提取是成本高的。
[0005] 用于家庭的空間與水加熱的天然氣基礎設施被完全開發為優選的燃料源。對于地 面運輸且作為用于寬范圍的化學處理的原料是有利的。然而，可得到的天然氣儲藏比煤有 限得多。用于發電的天然氣的使用從長遠觀點來看似乎是被引入歧途的。
[0006] 為提供一種視角，田納西河流域管理局（"TVA"）金士頓化石電站一天燒大約 14, 000噸的煤，但是每天產生高于50, 000噸的二氧化碳。未提及臭氧的排出和顆粒排放。 該電站向700, 000個家庭提供電力，但是要求必須從地里挖出且運輸至金士頓的煤的每天 140個貨運車廂裝載量的傳輸。煤開采、橫越全國傳輸、現場處理以及燃燒可以直接關系到 人力成本，并且可以直接關系到對于僅該一個電站的安裝環境劣化。
[0007] 世界電力的大約百分之二十生產自具有不同的公眾接受程度的水冷核裂變，不同 的公眾接受程度從被動但不情愿的接受的到絕對要求消除核動力的歇斯底里的恐懼。現有 的核電站提供固有的風險，但是被按照優異的安全規范進行工程設計和操作。核電站最初 設計為20年的壽命。越來越多的核電站接近60年的壽命。在全面檢查和分析之后重復授 予10年和20年的操作許可證延長。對于電站老齡化的令人滿意的解決方案是難以找到的。
[0008] 人口增長、提高的生活水平以及經濟增長正在使全世界的輸電電網產生容量余地 處在危險之中。節約和可供選擇的產生源是有幫助的，但是不期望滿足日益增長的需求。另 外，規劃了全世界的為用于空調的日益增長的需求和用于電動汽車的預期的需求提供動力 的電需求增長，以致進一步過度增加了現有電網容量的壓力。顯然，存在著用于更多電力的 日益增長的需求，但是當前的發電方法是有問題的并且是不可持續的。
[0009] 1824年，薩迪?卡諾（SadiCarnot)描述了取決于最高熱輸入溫度和最低廢熱溫 度的完美發動機的最終熱機效率極限。朗肯（Rankine)、狄賽爾（Diesel)、奧托（Otto)和 布雷頓設想了基本發電發動機循環并且其他人對這些基本發動機進行了完善。阿特金森循 環是奧托和狄賽爾循環的近年來的改進。通用電氣（"GE"）和西門子開發了開放氣體渦輪 /蒸汽聯合循環發電站。各自對電力生產技術做出了獨特的貢獻。
[0010] 基于蒸汽的朗肯循環發動機在發電上占據主要地位。朗肯循環發動機具有兩個可 能的能量源，燒煤或其他化石燃料以及核裂變。在兩者中，處于高壓的過熱蒸汽驅動渦輪 機，渦輪機進而驅動電交流發電機。在閉合系統中，水和蒸汽穩定的、連續的、再循環流過鍋 爐、渦輪機、冷凝器和水泵。熱源是煤、低級（sub-grade)烴或天然氣的外部燃燒，或者來 自沸水核反應堆。廢熱在蒸汽冷凝熱交換器中在環境露點（dew)溫度或接近環境露點溫 度時被從渦輪機排氣中排出。該低溫的廢熱排出溫度是正常循環效率在百分之（"％")35 至40%的范圍內的關鍵。然而，連續的、過熱的蒸汽渦輪機入口溫度被限制為大約1000度 ("° "）華氏（"F"）以避免禍輪機葉片的氫脆（hydrogenenbrittlement)。該材料限制 排除了在以較高過熱蒸汽溫度進行操作的較高效率。該過熱蒸汽溫度限制對于兩種燃燒以 及核熱源都存在。
[0011] 燃煤機組一般采用以煤/化石為燃料的、閉合朗肯循環（蒸汽）發電站、通過在鍋 爐中燒煤以對水進行加熱從而產生蒸汽來發電。處于巨大壓力的蒸汽流入渦輪機內，該渦 輪機使發電機旋轉以發電。蒸汽被冷卻、冷凝回水，并且水被泵吸返回至鍋爐以使過程繼 續。
[0012] 例如，在田納西州諾克斯維爾附近的TVA的金士頓化石電站（KingstonFossile Plant)處的燃煤鍋爐將水加熱至大約1000°F(540°攝氏（"C"）以創建蒸汽。蒸汽被以 超過1，800鎊每平方英寸（130千克每平方厘米）的壓力管道傳輸至渦輪機。渦輪機被連 接至發電機并接著使其以3600轉每分鐘的速度旋轉，以產生例如20, 000伏的交流電。河 水通過管子被泵吸在冷凝器中以使從渦輪機排出的蒸汽冷卻和冷凝。金士頓發電站一年發 電大約100億千瓦小時，或者供給700, 000個家庭的足夠的電。如在上文中先前所述的，為 該滿足該需求，金士頓一天燒大約14, 000噸的煤，這樣的量將每日填滿140個鐵路車廂。
[0013] 開放布雷頓循環一般用在燒液體或氣體化石燃料的渦輪機與聯合循環發電站中， 并產生棘手的環境壓力源（Stressor)。然而，由超合金材料形成以限制氧化和蠕變溫度特 性的渦輪機葉片以及其他結構將渦輪機操作溫度限制為大約2000°F至2100°F。復雜的 內部渦輪機葉片冷卻系統使得渦輪機入口氣體溫度能夠超過2500°F，但是這些高溫度產 生了全范圍的有害臭氧活性劑以及高水平的氮和氮氧化物（"N0X"）。500°F至700°F 的典型禍輪機排氣溫度將效率損害至百分之40幾的范圍（mid-40percentagerange)。在 傳統的以化石為燃料的發電站中，無論設計用于蒸汽還是氣體的渦輪機，燃燒產物是作為 環境壓力源的產生臭氧的氣體、二氧化碳以及顆粒煙塵。這些有毒排氣產物不能被容易地 消除，并且將其降低的成本高。從燃煤鍋爐中去除挑戰氣候穩定性的二氧化碳在這個時候 是不實際的。
[0014] 在核動力的發電站中，通過水與裂變反應燃料棒的接觸冷卻產生高壓蒸汽。在加 熱過程中，循環水和蒸汽變成放射性的。該大量的放射性污染的水是所有現有的核電站中 的不可避免且不幸的副作用。結果，所有現有的核電站都必須絕對防止水和蒸汽放氣或泄 漏。它們還必須在所有操作模式中被主動地控制以防止"融化"(melt-down)和伴隨的水離 解、氫爆炸以及放射性氣體、液體和粒子的不受控的擴散。這些類型的故障的預防是安全文 化中的工程設計、制造以及警戒操作方面的全面且詳盡性優異的高度成果。
[0015] 盡管有這些預防措施，在過去的半個世紀中還是發生了包括沒有損傷的三里島在 內的三起反應堆融化事件。另一事故發生在切爾諾貝利，31人當場死亡以及1000平方公里 區域的長期疏散、再加上未公開的高度的人類和動物疾病與早期死亡。2011年，日本福島發 電站的多起融化跟隨具有極大災難的海嘯而發生。
[0016] 傳統的發電途徑的限制現在已成為具有高效率以及低水平不期望的環境污染物 的大規模發電的基本障礙。沒有出現令人滿意的策略以提供用于解決這些爭論的可持續的 長期的解決方案。于是，現有技術中需要克服當前解決方案中的缺陷的新途徑。
【發明內容】
[0017] 通過本發明的優越的實施例，一般解決或避免了這些以及其他問題，并且一般獲 得了技術優點，在本發明的優越的實施例中，引入了包括熱/電動力轉換器在內的發電系 統。在一個實施例中，熱/電動力轉換器包括：閉合循環氣體渦輪機，其具有可聯接至惰性 氣體熱動力源的輸出的輸入；壓縮機，其機械地聯接至氣體渦輪機，包括可聯接至惰性氣體 熱動力源的輸入的輸出；和發電機，其機械地聯接至氣體渦輪機。熱/電動力轉換器還包 括熱交換器，其具有聯接至氣體渦輪機的輸出的輸入和聯接至壓縮機的輸入的輸出。熱交 換器包括串聯聯接的過熱器熱交換器（super-heaterheatexchanger)、沸騰器熱交換器 (boilerheatexchanger)和水預加熱器熱交換器（waterpreheaterheatexchanger)。 熱/電動力轉換器還包括惰性氣體儲存罐，其經由儲存罐控制閥聯接至壓縮機的輸入并經 由另一儲存罐控制閥聯接至壓縮機的輸出。儲存罐控制閥和另一儲存罐控制閥被配置成調 整熱/電動力轉換器的動力輸出。
[0018] 前述內容相當寬地概括了本發明的特征和技術優點，以便可以更好地理解以下發 明的詳細描述。發明的附加特征和優點將在下文中描述，其形成了發明的權利要求的主題。 本領域技術人員應該理解的是，可以將所公開的概念和特定實施例用作用于對執行本發明 相同目的用的其他結構或過程進行變型或設計的基礎。本領域技術人員還應該認識到的 是，這樣的等同構造不脫離隨附權利要求中所陳述的發明的精神和范疇。
【附圖說明】
[0019] 為了更完整地理解本發明，現在對結合附圖做出的以下描述進行參照，其中：
[0020] 圖1和圖2圖示了發電