CN105980665A - 使用热电装置或核电装置发电并且储能的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种借助于核电装置(3)和液体蒸发装置用于发电的方法，包括在第一阶段期间，借助于该核电装置(5)产生热能并且使用该热能来使水蒸发或者加热水蒸气、使所形成的水蒸气在第一涡轮机(T1)中膨胀并且使用该第一涡轮机来驱动发电机(G1)以产生电力、蒸发来自于低温储存器(S)的液化气体(15)以产生加压气体(17)、用旨在用于该核电装置的第一涡轮机的水蒸气的一部分再加热该加压气体并且使该加压流体在第二涡轮机(T2)中膨胀以产生电力，并且在第二阶段期间，液化该有待蒸发的气体。

Description

使用热电装置或核电装置发电并且储能的方法和设备
本发明涉及一种使用热电装置或核电装置发电的方法和设备，该方法和设备允许通过使气体液化储存能量。本发明还涉及用于实施此类方法的设备。
本发明的第一目的是以提高的效率发电。
本发明的第二目的是使用发电装置并且结合使用液化气体的电能储存设施降低由发电方法产生的能量的储存成本。
许多核电装置是加压水冷核反应堆。
这些核电装置包含至少两个互相独立的水回路：初级回路和次级回路。
初级回路的功能是从核反应捕获热量。热量通过铀原子的裂变以非常大的量产生。
被置于反应容器中、在该初级回路中的水在链反应期间被加热后由此达到约320°的温度。
该水没有沸腾，因为它被非常高度加压。然后，该水由反应堆芯按指定路线送到为闭合回路的初级回路。
在该初级回路中的水经由蒸汽发生器加热在次级回路中的水，这允许在两个独立的回路之间的热交换。在该初级回路中的管通过接触加热在该次级回路中的水以形成水蒸气。
在该次级回路中的水处于更低的压力下，并且因此被转化为蒸汽。这种蒸汽驱动该反应堆涡轮机。该涡轮机的旋转进而驱动该发电机，由此允许产生电力。
其他核电装置只具有一个初级回路，并且核反应加热的水被蒸发以形成水蒸气。
在一个热电装置中，通过燃料(煤、天然气、油、等)的燃烧产生的热气体加热水或水蒸气以形成有待进料到蒸汽涡轮机中的水蒸气，该蒸汽涡轮机发电。这在联合循环中同样适用，其中在该气体涡轮机中膨胀的并且仍是热的燃烧气体用来加热水或水蒸气以形成有待进料到蒸汽涡轮机中的水蒸气，该蒸汽涡轮机发电。
出人意料地观察到当由该发电装置产生的热量的一部分不是用于该发电装置的蒸汽涡轮机中，而是用于预加热有待进料到涡轮机中的气体时，发电更有效。
根据本发明，使用主要的(而不是剩余的)热能，其通常用于在发电装置中发电，同时，此外，在那里电力被供给到电力网中。与发电装置的蒸汽涡轮机的蒸汽循环相比，该蒸发的空气(或大气气体)循环的高效率用来将更多的能量递送到电力网中。
在低电力消耗的阶段期间，有时需要储存由该发电装置产生的热能。这个目的所需要的热能储存设施是大量的、昂贵的并且相当难以实施的。
本发明提出消除或减少这些储存设施的尺寸，并且至少部分地通过用于使空气或大气气体液化的***替代它。
US-A-2012151961描述了一种用于储存液化空气的方法。在低电力需求阶段期间，空气被液化并且储存。在高电力需求阶段期间，液态空气在优化回收冷量的***中蒸发以产生驱动涡轮机产生电力的加压流体。如果在膨胀前使用余热加热该流体，所获得的能量(以及因此储存的效率)是更有效的。
在Revue Générale du Froid中通过Dubettier等人的文章“用于能量储存和能量供给优化的低温解决方案(Cryogenic Solutions for Energy Storageand the Optimization of Energy Supply)”描述了使用余热加热蒸发的空气，或借助于天然气燃烧器来增加由空气的膨胀产生的能量。
在现有技术中描述的解决方案是如下：
-在低需求的阶段期间：
·使用电能产生液态空气
·储存可供使用的热能的一部分用于偶尔的高需求，并且用于在膨胀前加热加压气体
-并且在高需求的阶段期间：
·使液化气体蒸发，伴随冷量的回收，以产生加压气体
·使用之前储存的热能加热该加压气体
·使该气体膨胀以产生电力
不是在低需求阶段期间储存热能，提出了应该导出在高需求阶段期间通过发电装置产生的热能的一部分：这降低了由该热电装置产生的电力，但是允许由该加压流体产生的电能的大量增加，该加压流体是通过由此导出的热能加热的。
尽管在这种情况下该能量效率性能稍微受损，但是可以避免非常大规模的投资以及高度昂贵的热能储存设施。
本发明的一个目的是通过消除对于储存设施的需要而降低发电设备的成本。
根据本发明的一个目的，提出了一种借助于热电装置或核电装置以及液体蒸发装置进行发电并且储存能量的方法，其中
A)在第一阶段期间：
a)i)借助于该热电装置产生热能；产生气体，这些气体中的至少一部分用来使水蒸发或者加热水蒸气；使所形成的水蒸气在第一涡轮机中膨胀；并且该第一涡轮机用来驱动一个发电机以产生电力
或
ii)借助于该核电装置产生热能，并且该热能用来使水蒸发或者加热水蒸气，使所形成的水蒸气在第一涡轮机中膨胀，并且该第一涡轮机用来驱动一个发电机以产生电力
b)蒸发源自低温储存设施的液化气体以产生一种加压气体
c)加热该加压气体，并且
d)使该加压流体在第二涡轮机中膨胀以产生电力
e)为了加热该加压流体，通过使用来自该热电装置的气体的一部分或有待递送到该热电装置或核电装置的第一涡轮机中的水蒸气的一部分、或有待递送到该热电装置或该核电装置的第一涡轮机中的水蒸气的热量的一部分来加热该加压流体，而使用在步骤a)中产生的热能的一部分来加热该加压流体，并且
B)在第二阶段期间：
a’)借助于该热电装置或核电装置产生热能，并且该热能用来发电，
b’)使用由该发电装置产生的电能和/或机械能来液化该气体，并且
c’)将该液化的气体储存在一个储存设施(S)中。
根据另外的任选的方面：
-借助于核电装置产生热能，通过由核反应产生的热量加热一种流体，该加热的流体的热能的一部分用来预加热有待递送到该第二涡轮机中的流体，并且该加热的流体的热能的另一部分用来加热递送到第一涡轮机中的水或水蒸气，在该第一涡轮机处该水或水蒸气的膨胀产生电力。
-由该核反应加热的流体的第一部分加热有待递送到该第一涡轮机中的水或水蒸气，并且由该核反应加热的流体的第二部分加热有待递送到该第二涡轮机中的加压气体，由此该流体的第二部分的流率不超过该第一和第二部分的总和的30％。
-由该核反应产生的水蒸气的第一部分在该第一涡轮机中膨胀，并且由该核反应产生的水蒸气的第二部分用来预加热有待递送到该第二涡轮机中的加压气体，由此该水蒸气的第二部分的流量不超过该第一和第二部分的总和的30％。
-借助于热电装置产生热能，通过燃料的燃烧产生气体，这些气体的热量的一部分用来预加热有待递送到该第二涡轮机中的流体，并且这些气体的热量的另一部分用来加热递送到第一涡轮机中的水或水蒸气，在该第一涡轮机处该水或水蒸气的膨胀产生电力。
-这些气体的第一部分用来加热递送到该第一涡轮机的蒸汽用于膨胀，并且这些气体的第二部分预加热该加压气体，由此这些气体的第二部分的流量不超过该第一和第二部分的总和的30％。
-这些气体首先加热该加压气体，并且然后用来加热被递送到该第一涡轮机中的蒸汽，在那里该蒸汽膨胀。
-该第一和第二涡轮机组合产生的电力比分别使用该加热的流体或这些气体的全部热能加热有待递送到该第一涡轮机中的水或水蒸气通过该第一涡轮机单独可能产生的电力更多。
-通过该第一和/或该第二涡轮机产生的电力被输送到电力网中。
-在该第二涡轮机中膨胀的唯一的气体是该加压流体。
-在该第一阶段期间，该气体没有液化。
-该第二阶段对应于一个具有更低的电力需求的阶段和/或其中电价比在该第一阶段中更低的阶段。
-在该第二阶段期间，该第一涡轮机发电，该电力用来液化该气体。
-在该第一阶段期间，该气体没有液化。
-在该第一阶段中，在该第二涡轮机中该储存的液体不被蒸发和/或该加压流体不被膨胀。
根据本发明的另一个目的，提供了一种集成的发电设备，该集成的发电设备包含具有第一涡轮机的核电装置或发电装置、具有第二涡轮机的用于液化气体并且蒸发该液化的气体的一个装置，其中该第一涡轮机是一种蒸汽涡轮机、被连接到用于发电的装置上，该第二涡轮机是一种用于使蒸发的液化气体膨胀的涡轮机、被连接到用于发电的装置上，用于由该发电装置到该液化装置转移电能或机械能的装置，以及用于预加热该膨胀涡轮机的蒸发的液化气体上回路(up-circuit)的装置，其特征在于该集成的发电设备包含用于传送以下各项到用于预加热该蒸发的液化气体的装置中的装置
i)源自该热电装置的这些气体或水蒸气，或
ii)由该核反应产生和/或加热的并且源自该核电装置的水蒸气，或
iii)由该核反应加热的、源自该核电装置的一种流体，在于该液化装置被连接到该发电装置用于向其供给由该发电装置产生的电能和/或机械能，并且在于该集成的发电设备包含一个用于储存液化气体的储存设备。
将参照附图更详细地描述本发明，这些附图展示了根据本发明的一种方法。图1示出了根据本发明的一种方法的示意以及部分表示，并且图2示出了根据本发明的一种方法的一个变体的细节。
在图1中，为了实施一种用于发电的方法，使用发电装置3，该发电装置可以是伴有液体蒸发装置V的热电装置或核电装置。
在热电装置的情况下，借助于该发电装置3产生热能，该发电装置可以以燃料1(例如煤或天然气)供应。在热电装置的情况下，该热电装置产生气体，这些气体的至少一部分用来蒸发水或加热水蒸气。因此，该热电装置产生水蒸气5。
该发电装置3还可以是一个核电装置，在其中核反应加热(无论直接或间接地)并且蒸发水以产生水蒸气5。
该水蒸气5的一部分13，包含至少70％的该流量5，在第一涡轮机T1中膨胀，由此该膨胀的水蒸气19然后总体上在一个冷凝器C中冷凝，然后返回到该发电装置3，并且该第一涡轮机用来驱动发动机G1以产生电力。
剩下的水蒸气9，包含不超过30％的该流量5，用来加热一种蒸发的低温液体17，该低温液体可以是例如空气或氮气。该蒸发的液体17由该水蒸气在该热交换器E中加热到超过周围温度的温度，并且被递送到该第二涡轮机T2。该第二涡轮机用来驱动一个发电机G2。如果该蒸发的液体17的膨胀在多个步骤中进行，该蒸发的液体17可以在每个步骤之前被加热。
这代表本发明的实施例的最简单的形式。在这种情况下，在该第二涡轮机T2中膨胀的空气或氮气可以被排放到大气中。在该热交换器E中加热过气体17的水蒸气9可以被送回到该发电装置3中，在适当情况下在冷凝器中冷凝后，该水蒸气可以与在该涡轮机T1的下回路(该冷凝器C)使用的、或排放到大气中的水蒸气相同。
由这两个发电机G1、G2产生的电力的量超过如果所有的蒸汽5被递送到该第一涡轮机T1并且只有发动机G1在工作所产生的电力的量。
该集成的方法使用源自该发电装置3的机械能或电能7用于操纵装置L液化大气气体，例如空气或氮气。将液化气体储存在一个储存设施S中，并且该储存的液体被导出用于在蒸发器V中的蒸发，以便提供有待在该第二涡轮机T2中膨胀的气体。
该液化气体可以是除了大气气体之外的气体，例如天然气或二氧化碳。
优选地，在第一阶段期间，该液化装置L不使用，并且该储存的液体被蒸发，由该蒸汽9加热并且被递送到该第二涡轮机T2中。该阶段对应于一个具有更高的电力需求的阶段和/或其中电价更高的阶段。只有该蒸汽的一部分13被递送到该第一涡轮机T1中。该部分13构成该流量5的至少70％。
在第二阶段期间，该阶段是一个更低的电力需求的阶段和/或其中电价比在该第一阶段中更低的阶段，全部的量的蒸汽5被递送到该第一涡轮机T1中，构成该流量13，该液化装置接收用于使气体液化的能量7并且储存该液化的气体。该蒸发器V和该涡轮机T2不使用。没有该蒸汽的部分被递送到该热交换器E中。
如果该发电装置3是一个热电装置，一个另外的可能性将是使用这些气体的一部分在该热交换器E中加热该气体17，并且使用这些气体的剩余部分加热该水蒸气或水，以便产生用于递送至该第一涡轮机T1的蒸汽。递送到该热交换器E中的这个气体的部分将被限制在不超过该总流量的30％，以便允许该涡轮机T1的连续运转。
不是将该水蒸气5分为两部分用于供给该涡轮机T1和该热交换器E，另一种可能性将是在该水蒸气5在该第一涡轮机T1中膨胀之前，将该水蒸气首先进料到该热交换器E中。
同样，在一个热电装置中，这些气体可以首先被进料到该热交换器E用于加热该气体17，然后用来加热有待递送到该第一涡轮机T1中的水蒸气。
用于加热该热交换器E的水蒸气9可以源自在该第一涡轮机T1中的中间阶段。
如在图2中示出的，可以使用多个在不同温度的水蒸气的流以便在不同的阶段加热该蒸发的液体17。
为了改进热交换效率，在图1中该涡轮机T1包含高压涡轮机T1’、中压涡轮机T1”和低压涡轮机T1”’。该水蒸气13在这三个串联的涡轮机中膨胀，并且该蒸汽在八个不同的压力水平下被导出。蒸汽的这些流中的每一个在热交换器E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8中加热该蒸发的液体17以便产生递送到该涡轮机T2中的加热的流。这些热交换器E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、E8履行在图1中的E的作用。同样，根据以上描述的原则，该涡轮机T2可以包含多个膨胀阶段，在每次膨胀之前被再加热。
蒸汽的流再次被结合并且递送到该冷凝器C中，在那里冷凝由最终的涡轮机T1”’排出的蒸汽19。如在图1中示出的，在该冷凝器C中冷凝的蒸汽可以被输送到该发动机3中。

Claims (14)

1.一种借助于热电装置或核电装置(3)以及液体蒸发装置进行发电并且储存能量的方法，其中
A)在第一阶段期间：
a)i)借助于该热电装置产生热能；产生气体(5)，这些气体中的至少一部分用来使水蒸发或者加热水蒸气；使所形成的水蒸气在第一涡轮机(T1)中膨胀；并且该第一涡轮机用来驱动发电机(G1)以产生电力
或
ii)借助于该核电装置(5)产生热能，并且该热能用来使水蒸发或者加热水蒸气，使所形成的水蒸气在第一涡轮机(T1)中膨胀，并且该第一涡轮机用来驱动发电机(G1)以产生电力
b)蒸发源自低温储存设施(S)的液化气体(15)以产生一种加压气体(17)
c)加热该加压气体，并且
d)使该加压流体在第二涡轮机(T2)中膨胀以产生电力，并且
e)为了加热该加压流体，通过使用来自该热电装置的这些气体的一部分(9)或有待递送到该热电装置或核电装置的第一涡轮机中的水蒸气的一部分、或有待递送到该热电装置或该核电装置的第一涡轮机中的水蒸气的热量的一部分来加热该加压流体，而使用在步骤a)中产生的热能的一部分来加热该加压流体，并且
B)在第二阶段期间：
a’)借助于该热电装置或核电装置(3)产生热能，并且使用该热能来发电，
b’)使用由该发电装置产生的电能和/或机械能来液化该气体(7)，并且
c’)将该液化的气体(15)储存在储存设施(S)中。
2.如权利要求1所述的方法，其中，借助于核电装置(3)产生热能，通过由核反应产生的热量加热一种流体，该加热的流体的热能的一部分用来预加热有待递送到该第二涡轮机(T2)中的流体，并且该加热的流体的热能的另一部分用来加热递送到该第一涡轮机(T1)中的水或水蒸气，在该第一涡轮机处该水或水蒸气的膨胀产生电力。
3.如权利要求2所述的方法，其中，由该核反应加热的流体的第一部分加热有待递送到该第一涡轮机(T1)中的水或水蒸气，并且由该核反应加热的流体的第二部分加热有待递送到该第二涡轮机(T2)中的加压气体，由此该流体的第二部分的流量不超过该第一和第二部分的总和的30％。
4.如权利要求2所述的方法，其中，由该核反应产生的水蒸气的第一部分在该第一涡轮机(T1)中膨胀，并且由该核反应产生的水蒸气的第二部分用来预加热有待递送到该第二涡轮机(T2)中的加压气体，由此该水蒸气的第二部分的流量不超过该第一和第二部分的总和的30％。
5.如权利要求1所述的方法，其中，借助于热电装置(3)产生热能，通过一种燃料的燃烧产生气体，这些气体的热量的一部分用来预加热有待递送到该第二涡轮机(T2)中的流体，并且这些气体的热量的另一部分用来加热递送到第一涡轮机(T1)中的水或水蒸气，在该第一涡轮机处该水或水蒸气的膨胀产生电力。
6.如权利要求5所述的方法，其中，这些气体的第一部分用来加热递送到该第一涡轮机(T1)的蒸汽用于膨胀，并且这些气体的第二部分预加热该加压气体(17)，由此这些气体的第二部分的流量不超过该第一和第二部分的总和的30％。
7.如权利要求5所述的方法，其中，这些气体首先加热该加压气体，并且然后用来加热被递送到该第一涡轮机(T1)中的蒸汽，在该第一涡轮机中该蒸汽膨胀。
8.如前述权利要求之一所述的方法，其中，该第一和第二涡轮机(T1，T2)组合产生的电力比分别使用该加热的流体或这些气体的全部热能加热有待递送到该第一涡轮机中的水或水蒸气通过该第一涡轮机(T1)单独可能产生的电力更多。
9.如前述权利要求之一所述的方法，其中，在该第二涡轮机(T2)中膨胀的唯一气体是该加压流体(17)。
10.如权利要求1至9之一所述的方法，其中，该第二阶段对应于更低电力需求的阶段和/或其中电价比在该第一阶段中更低的阶段。
11.如权利要求1至10之一所述的方法，其中，在该第二阶段期间，该第一涡轮机(T1)产生电力，该电力用于液化该气体。
12.如权利要求1至11之一所述的方法，其中，在该第一阶段期间，该气体没有被液化。
13.如权利要求1至12之一所述的方法，其中，在该第一阶段期间，在该第二涡轮机(T2)中该储存的液体(15)不被蒸发和/或该加压流体不被膨胀。
14.一种集成的发电和储能设备，包含具有第一涡轮机(T1)的核电装置或热电装置、具有第二涡轮机(T2)的用于液化气体并且蒸发该液化的气体的装置(L，V)，其中该第一涡轮机是一种蒸汽涡轮机、被连接到用于发电的装置(G1)上，该第二涡轮机是一种用于使蒸发的液化气体膨胀的涡轮机、被连接到用于发电的装置(G2)上，用于从该发电装置到该液化装置转移电能或机械能的装置，以及用于预加热(E)该膨胀涡轮机的蒸发的液化气体(17)上回路的装置，其特征在于，该集成的发电和储能设备包含用于传送以下各项到用于预加热该蒸发的液化气体的装置中的装置
i)源自该热电装置的这些气体或水蒸气(9)，或
ii)由该核反应产生和/或加热的并且源自该核电装置的水蒸气，或
i)由该核反应加热的、源自该核电装置的一种流体，在于该液化装置被连接到该发电装置上用于向其供给由该发电装置产生的电能和/或机械能，并且在于该集成的发电和储能设备包含用于储存液化气体(15)的储存设备(S)。
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