NO20120029A1 - System og fremgangsmate for termisk stryring i en eller flere insdustriprosesser - Google Patents

Description

OMRÅDE FOR OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse er generelt knyttet til et system som muliggjør en eller begge av: (i) adressere forskjellige termiske styringsproblemer (f.eks.. innløpsluft-kjøling) i gassturbiner, gassturbinmotorer, industrielt prosessutstyr og/eller interne forbrenningsmotorer; og (ii) gi en superkritisk fluidbasert varmekraftmaskin. I én utførelsesform benytter foreliggende oppfinnelsen minst et arbeidsfluid valgt blant ammoniakk, karbondioksid, nitrogen eller andre egnede arbeidsfluidmedium. I en annen utførelsesform benytter foreliggende oppfinnelse karbondioksid eller ammoniakk som et arbeidsfluid for å oppnå et system som muliggjør å adressere innløpskjøling i en gassturbin, intern forbrenningsmotor eller andre industrielle bruksområder og også gi en superkritiskfluid basert varmekraftmaskin som en andre syklus som bruker spillvarmen fra gassturbinen og/eller den interne forbrenningsmotoren til å danne en kombinert kraftsyklus.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Ulike tilnærminger er foreslått for å løse ulike problemer angående varmestyring (f.eks.. luftinnløpskjøling, gjenvinning av spillvarme) i gassturbiner, gassturbinmotorer, interne forbrenningsmotor og andre industrielle prosesser. Slike tilnærminger innbefatter de diskutert i rapporten med tittelen Experimental and Theoretical Investigations of New Power C veles and Advanced Falling Film Heat Exchangers av U.S. Department of Energy sammen med University of New Mexico.

I denne rapporten var to nye termodynamiske sykluser foreslått og undersøkt basert på termodynamikkens andre lov. To dataprogrammer ble utviklet for å finne effekt av viktige systemparametere på irreversibilitetsfordeling av alle komponenter i syklusen: (1) den første syklusen var basert på en kombinerte trippel (Brayton/- Rankine/Rankine)/(Gas/steam/ammonia) syklus i stand til å produsere høye effektiviteter; og (2) den andre syklusen er en (Brayton/Rankine)/(gas/ammonia) kombinert syklus med integrert kompressor innløpslutfkjøling i stand til å produsere høy kraft og effektivitet. De foreslåtte syklusene og resultatene oppnådd fra andre lov analyser av syklusen ble utgitt i Energy Conversion and Management and ASME proceedings (IMEC&E 2001 ).

På bakgrunn av det ovenstående, er det på området behov for systemer som er utviklet for å håndtere ulike varmestyringsproblemer for ulike enheter (f.eks.. gassturbiner, gassturbinmotorer, industrielt utstyr eller interne forbrenningsmotorer). I ett tilfelle er det behov for et system som er i stand til å adressere forskjellige termiske styringsspørsmål (f.eks. innløpsluftkjøling) i gassturbiner, gassturbinmotorer, interne

forbrenningsmotor eller annet industrielt utstyr.

SAMMENDRAG AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse er generelt knyttet til et system som muliggjør en eller begge: (i) adressere forskjellige varmestyringsproblemer (f.eks. innløpsluftkjøling) i gassturbiner, gassturbinmotorer, industrielt prosessutstyr og/eller interne forbrenningsmotorer; og (ii) gi en superkritisk fluidbasert varmekraftmaskin. I én utførelsesform benytter foreliggende oppfinnelse minst et arbeidsfluid valgt blant ammoniakk, karbondioksid, nitrogen eller andre passende arbeidsfluidmedium. I en annen utførelsesform benytter foreliggende oppfinnelsen karbondioksid eller ammoniakk som et arbeidsfluid for å oppnå et system som muliggjør å adressere innløpskjøling i en gassturbin, forbrenningsmotor eller andre industrielle bruk men også gi en superkritisk-fluidbasert varmekraftmaskin som en andre syklus som bruker spillvarmen fra gassturbinen og/eller den interne forbrenningsmotoren til å danne en kombinert kraftsyklus.

I en utførelsesform relateres foreliggende oppfinnelse til et system som er designet for å både oppnå kjøling av innløpsluft i gassturbiner, gass turbinmotorer, forbrenningsmotor motorer og/eller andre industrielle prosesser (f.eks. gass- eller luftkompresjon) men gir også en superkritisk fluidbasert varmekraftmaskin som en andre syklus ved å bruke spillvarmen fra gassturbinen, intern forbrenningsmotor, og/eller andre industrielle prosesser for å opprette en kombinert kraftsyklus som vist og beskrevet heri.

I en annen utførelsesform, er foreliggende oppfinnelse relatert til et system for temperaturkondisjonering av innløpsluft til en turbin omfattende: minst én turbin som har en innløpsside og en utløpsside; minst én luftinnløpsvarmeveksler operativt koblet til innløpssiden av minst den ene turbinen, hvori minst den ene innløpslutfsvarme-veksleren er utformet for å fjerne varme fra innløpsluft som blir tilført til innløpssiden av minst den ene turbinen og overføre varmen via et arbeidsfluid til en bunnloop; minst én utløpsvarmeveksler operativt koblet til utløpssiden av minst én turbin, hvori minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren er utformet for å fjerne varme fra utløpsluft som genereres av minst den ene turbinen og overføre denne varmen via et arbeidsfluid til bunnloopen; hvori bunnloopen er utformet for å utnytte den overførte varmen fra minst den ene luftinnløpsvarmeveksleren og minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren for å gi egnet kondisjonert arbeidsfluid tilbake til både minst den ene luftinnløpsvarme-veksleren og minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren.

I ytterligere en annen utførelsesform, relateres foreliggende oppfinnelse til en fremgangsmåte for temperaturkondisjonering av innløpsluft til en turbin hvor fremgangsmåten omfatter trinnene: å fremskaffe minst én turbin som har en innløpsside og en utløpsside; å fremskaffe minst én luftinnløpsvarmeveksler operativt koblet til inn-løpssiden av minst den ene turbinen, hvori minst den ene innløpsluftsvarmveksleren er utformet for å fjerne varme fra innløpsluft som blir tilført til innløpssiden av minst den ene turbinen og overføre varmen via et arbeidsfluid til en bunnloop; å fremskaffe minst en utløpsvarmeveksler operativt koblet til utløpssiden av minst én turbin, hvori minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren er utformet for å fjerne varme fra utløpsluft som genereres av minst den ene turbinen og overføre denne varmen via et arbeidsfluid til bunnloopen; hvori bunnloopen overfører varme fra minst den ene luftinnløpsvarme-veksleren og minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren for å gi egnet kondisjonert arbeidsfluid tilbake til både minst den ene luftinnløpsvarmeveksleren og minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren.

I ytterligere en annen utførelsesform, relateres foreliggende oppfinnelse til et system for temperaturkondisjonering av luft omfattende minst en varmekilde; minst én første varmeveksler operativt koblet til minst den ene varmekilden og utformet for å fjerne og/eller benytte spillvarmen fra varmekilden for å overføre varmen til et arbeidsfluid; minst én kompressor operativt tilkoblet via arbeidsfluidet til minst den ene første varmeveksleren, hvori minst den ene kompressoren er utformet for å motta det oppvarmede arbeidsfluidet generert av minst den ene første varmeveksleren, og til å utnytte, eller avgi varme fra det oppvarmede arbeidsfluidet for å gi et avkjølt arbeidsfluid; minst én andre varmeveksler operativt koblet til minst den ene kompressoren, hvori minst den ene andre varmeveksleren er utformet for å motta det avkjølte arbeidsfluidet og til å utnytte det avkjølte arbeidsfluidet å fjerne varme fra eller kondisjonere lufttemperaturen.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Figur 1 er en illustrasjon av et system i samsvar med én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 2 er en illustrasjon av et annet system i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 3 er en illustrasjon av et annet system i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; Figur 4 er en illustrasjon av et annet system i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse; og Figur 5 er en illustrasjon av et annet system i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Foreliggende oppfinnelse er generelt knyttet til et system som muliggjør en eller begge av: (i) adressere forskjellige varmestyringsproblemer (f.eks. innløpsluftkjøling) i gassturbiner, gassturbinmotorer, industrielt prosessutstyr og/eller interne forbrenningsmotorer; og (ii) gi en superkritisk fluidbasert varmekraftmaskin. I én utførelses- form benytter foreliggende oppfinnelsen minst et arbeidsfluid valgt blant ammoniakk, karbondioksid, nitrogen eller andre egnede arbeidsfluidmedium. I en annen utførelses-form benytter foreliggende oppfinnelse karbondioksid eller ammoniakk som et arbeidsfluid å oppnå et system som muliggjør å adressere innløpskjøling i en gassturbin, forbrenningsmotor eller andre industrielle bruksområder og også gi en superkritisk fluid basert varmekraftmaskin som en andre syklus som bruker spillvarmen fra gassturbinen og/eller intern forbrenningsmotor til å danne en kombinert kraftsyklus.

I én utførelsesform, er formålet med foreliggende oppfinnelsen er todelt: (i) for å opptre som en superkritisk fluidbasert varmekraftmaskin som en andre syklus som bruker spillvarmen fra en intern gassturbin og/eller forbrenningsmotor (ICE) til å opprette en kombinert kraftsyklus; og (ii) for å ha en integrert løsning for gassturbin/- ICE innløpsluftkjøling (skjematisk vedlagt). I denne utførelsesform er foreliggende oppfinnelse utformet for å være primær bunnsyklus varmekraftmaskin med en dynamisk dampkompresjon kjølekomponent som kan brukes når høyere omgivelsesbetingelser oppstår, og dermed øke total produksjon i det kombinerte kraftverket. I en annen utførelsesform kan den superkritiske fluidbaserte syklusen brukes til å gi innløps ladnings kjøling for en luft- eller gasskompresjonsenhet, og dermed redusere det termodynamiske arbeidet som kreves for kompresjon. Varmetilførselen for denne prosessen kan helt eller delvis leveres av spillvarmen fra kompresjon.

I én utførelsesform vil foreliggende oppfinnelse bli beskrevet i forhold til en General Electric GE-10 gassturbin. Imidlertid er foreliggende oppfinnelse ikke begrenset til dette. Snarere kan foreliggende oppfinnelsen brukes på enhver egnet turbin, gassturbin, industrielt prosessutstyr eller intern forbrenningsmotor. Gitt dette, den forutsagte ytelsen for utførelsesformen på figur 1 innebærer arbeidsbetingelser for en General Electric GE-10 gassturbin og fordelene som er oppnådd ved å benytte et integrert system i samsvar med en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. For illustrasjonsformål, opp til 28 prosent av en typisk gassturbin (f.eks., en GE-10) kraft tapes når omgivelsestemperaturen stiger fra 15 °C (59 °F) til 45° C (113 °F). På samme tid, kan prisen for elektrisitet øke betydelig på varme dager grunnet økt etterspørsel fra boliger og kommersiell air conditioning. Ytelsesnedgang på gassturbinen fører også til redusert ytelse for den andre syklusyteevnen. For eksempel oppstår en 5,0 prosent nedgang i utgangseffekt i en andre NH3syklus eksemplar GE 10 over den tidligere nevnte temperatur variasjonen/forskjellen.

Angående utførelsesformen der foreliggende oppfinnelsen er brukt på en General Electric 10 (GE-10) gassturbin, omfatter beregningseksempler heri en GE-10 gassturbin som opererer ved 15 °C (59 °F) og 30 °C (86 °F) omgivelsestemperaturer. Avgasstemperaturen fra gassturbinen for GE-10 driftsspesifikasjoner er 489.5 °C (914 °F) og 505 °C (941 °F) på 15 °C (59 °F) og 30 °C (86 °F) omgivende, henholdsvis. Avgassens massestrømningsrate uten innløpskjøling ved disse to omgivelsesbetingel sene er henholdsvis 47 kg/s (373,086 lbs/t) og 42 kg/s (333,396 lbs/t). Avgassmasse-strømningsraten for det integrerte innløpskjølte betingelser passer godt 15°C (59 °F) situasjon. Mengden luftinntak for det integrerte med innløpskjølte betingelser bestemmes ved å fjerne massen av naturgass nødvendig basert på foreskrevet varme-mengde og 9.570 kJ/kg (20.000 btu/lb) for naturgass. Innkommende luftstrømnings-hastighet brukt til den integrerte løsningen er 46,2 kg/s (366.966 lbs/t).

Ytelsen til en ammoniakkdrevet andre syklus ved hjelp av spillvarmen fra GE-10 til 15 °C (59 °F) vil legge til 3.310 kW av netto energi til en 11. 250 kW produksjon fra en GE-10 gassturbin utlikning til produksjonen for et kombikraftverk på 14.560 kW. Dette tilsvarer en 29,4 prosent økning i kraft over en enkelt syklus. Uten innløps-kjøling ved 30 °C (86 °F) omgivelsesbetingelsene, er mengden kraft levert av den andre syklusen redusert til 3.189 kW ved 30<0>(86 °F). Kombinert med en nedgang i gass-turbinens forventede ytelse til 10.000 kW, den totale kraftproduksjonen fra kombi-syklusen reduseres med 9.4 prosent. Nedgangen i den andre syklusens kraftproduksjon er en direkte følge av nedgangen i gassturbineffekten.

Når den integrerte kjøling syklusen å legge til, faller ikke lenger gassturbineffekten til 10.000 kW, men forblir på 11. 250 kW grunnet konsekvent 15 °C (59<0>F) luftinnløpstemperatur uavhengig av omgivelsestemperaturen. I tillegg forblir varme-mengden til den enkle syklusen på 11.500 kJ/kW-hr (10.900 Btu/kW-hr) som motsatt til å øke til 12.100 kJ/kW-hr (11.374 Btu/kW-hr) på 30 °C (86 °F). Den andre syklusens effekt faller til 3,123 kW grunnet økning av kompressorenergien. Økningen i gass-turbinytelsen pluss den andre ammoniakksyklusen produksjonen fører til en kombi-kraftverksproduksjon på 14.374 kW; en 9,0 prosent økning på 30 °C (86 °F) dag over elementært ammoniakk kombikraftverket og en 45,1 prosent økning på enkel syklus ytelse ved den samme omgivelsestemperaturen.

I tilfelle der et ammoniakk arbeidsfluid benyttes i forbindelse med en GE-10, kan noen variasjoner i driftsforhold inkludere følgende: høytrykksider typisk i området fra 10.3 20.7 MPa (1500-3000-psia), høytemperatursider typisk i område 149 °C - 482 °C (300-900 °F), lavtrykkside varmekraftmaskin typisk i området fra 2,1-4,2 MPa (300-600 psia), nedkjøling trykk typisk i området fra 0,1 - 0,69 MPa (14,7-100 psia) og omgivelsesbetingelser så høye som 50 °C (12 °F). Med henvisning til dette er ikke foreliggende oppfinnelse begrenset til eventuelt ett sett med driftsbetingelser, og heller ikke til et bestemt arbeidsfluid. Snarere kan foreliggende oppfinnelse, som det vil forstås av en fagperson på området, være designet til å operere over et bredt spekter av ulike betingelser, og med flere ulike arbeidsfluider. Som sådan kan foreliggende oppfinnelse tolkes i bredt i lys av fremleggingen heri.

I én utførelsesform gir foreliggende oppfinnelse forskjellige fordeler, inkludert, men ikke begrenset til, (i) bruken av superkritisk fluid fjerner temperatur pinch point som er involvert med fordampning, i tillegg til problemene med behandling tofase- strøm; (ii) bruken av superkritisk fluid vil føre til et spillvarmevekslerdesign som gjør det mulig med høyere arbeidsfluidtemperaturer relativt til en enkelt trykk dampbasert varmegjenvinning dampgenerator; (iii) bruk av superkritisk karbondioksid eller ammoniakk gjør det mulig for drift av en syklus der det ikke er noen kondensasjon i turbinen uten tilføyelsen av en overheter.

Foreliggende oppfinnelse gjør det også mulig å oppnå en konsekvent masse-strøm gjennom kraftsyklusen under generering av varierende mengde kjøling for innløpskjøleren når omgivelsestemperaturen endres. I én utførelsesform oppnås dette ved å fjerne kjølemediet etter kraftsyklusens kondenseringstrinn og re-introdusere det før pumpen. En fordel med dette er at kraftsyklusen, som vil gå til enhver tid, vil forbli på samme driftspunkt til enhver tid i form av trykk, massestrøm, i tillegg til temperatur. Denne konsistens av drift vil tillate alle komponenter å yte optimalt, og dermed holde sykluseffektiviteten på sitt designpunkt. Ettersom behovet for kjølemediet øker på varme dager, vil arbeidsfluid bli fjernet fra lavt trykksiden av systemet, men vil bli gjeninnført i en anvendelig form før pumpen uten at det påvirker kraftsyklusen.

I tillegg muliggjør foreliggende oppfinnelse å ta en sidestrøm av arbeidsfluid fra et hvilket som helst punkt på høytrykksdelen av kraftproduksjonssyklusen og bruke det i en ejektor på kjølesyklusen. Dette vil gi en lavere kostnadskomponent, samt unngå redusert ytelse grunnet kompressormotoreffektivitet (det vil fortsatt være et effektivitetstap som er tilknyttet ejektoren).

I tillegg, i en annen utførelsesform muliggjør foreliggende oppfinnelse å separeres ut nitrogen og hydrogen bestanddeler som kan dannes i den ammoniakk-baserte prosessen og gjør ett eller flere av følgende med nitrogenet og/eller hydrogenet: (i) regenerere ammoniakk gjennom Haber-prosessen og tilbakeføre genererte ammoniakk til systemet; (ii) samle opp fri hydrogen og bruke det som råstoff for forbrenning og/eller brenselcelle; (iii) samle opp hydrogen og nitrogen separat og ta ut for kommersielt forbruk; og/eller (iv) ventilere nitrogen og fakle hydrogen. Det bør bemerkes at elementer (i) til (iv) ovenfor skal tjene som naturlige eksempler og mange andre potensielle bruksområder for nitrogen eller hydrogen generert av systemene ved foreliggende oppfinnelsen finnes, men er ikke listet opp her for korthetsskyld.

Foreliggende oppfinnelsen muliggjør også å resirkulere avgass fra nedstrøms-siden av gassturbinen til innløpet og dermed å oppnå en økt evne til å fange C02-utslipp fra gassturbinen ved å fremskaffe en mer konsentrert CCVstrøm og å redusere NOx-utslipp gjennom reduksjon i maksimal flammetemperatur. Hovedflaskehalsen i denne prosessen er den høye temperaturen i resirkulert avgass, opptil 40 prosent av avgasstrømmen vil tilbakeføres til innløpet. Den integrerte løsningen av foreliggende oppfinnelse og som illustrert i figur 1, eliminerer dette problemet på flere måter. Først vil avgassen allerede være avkjølt til lavere temperatur i varmeveksleren som fjerner varme for kraftproduksjonssyklusen. Sekundært, kan en økning i kjølemediet sendes til luftinnløpet å kompensere eventuell temperaturøkning introdusert av resirkulert avgass. For det tredje, kan regeneratoren reduseres i effektivitet og tillater dermed mer energi å bli fjernet fra avgassen. Dette vil gi lavere avgasstemperatur, og kan deretter legges til innløpet av gassturbinen uten å påvirke ytelsen.

Foreliggende oppfinnelse gjør det også mulig å integrere aktuelt ammoniakk-basert selektiv katalytisk reduseringsmiddel (SCR) med den ammoniakk baserte varmekraftmaskinen. SCR enheter er brukt ved gassturbiner for å redusere utslippene av NOx for å møte EPA-standarder. En side strøm av ammoniakk kan fjernes fra hvor som helst i systemet og injiseres i avgasstrømmen med et makeup-system som tilbakefører ammoniakk til varmekraftmaskinen før pumpen.

Figur 1 avdekker et system 100 i samsvar med én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. I systemet 100 er ammoniakk benyttet for å få et system som muliggjør å adressere innløpskjølingsproblemer i en gassturbin og/eller en intern forbrenningsmotor men gir også en superkritisk ammoniakk basert varmekraftmaskin som en andre syklus som bruker spillvarmen fra gassturbinen og/eller den interne forbrenningsmotoren til å danne en kombinert kraftsyklus. Som illustrert i figur 1, omfatter systemet 100 en varmeveksler 102 som er utformet for å senke innløpstemperaturen til av luft levert til turbin 104. Turbin 104 kan være en hvilken som helst egnet turbin inkludert, men ikke begrenset til en gassturbin. I én utførelsesform er turbin 104 sammensatt av kompressor 106, forbrenningskammer 108 og turbin 110. Som det vil bli forstått av fagpersoner på området, er foreliggende oppfinnelsen ikke begrenset til bare en gassturbin eller en gassturbin som har den foran nevnte konfigurasjonen. Snarere kan foreliggende oppfinnelsen tolkes bredt og gjelder for en rekke ulike luftkrevende maskiner, eller andre industrielle prosesser som gass- eller luftkompresjon, der temperaturkontroll av innløpsluft er ønsket. Som benyttet heri, kan enhver kompressor benyttes i forbindelse med utførelsesformene av foreliggende oppfinnelse og kan velges uavhengig fra en mekanisk kompressor eller en fluidkompressor (for eksempel en ejektor).

Angående varmeveksler 102, kan enhver egnet varmeveksler brukes, innbefattet men ikke begrenset til en eller flere varmevekslere som hver inneholder en eller flere kjerner der hver kjerne benytter mikrokanalteknologi.

"Mikrokanalteknologi" som er brukt heri, innbefatter, men er ikke begrenset til, varmevekslere som inneholder ett eller flere mikrokanaler, mesokanaler og/eller minikanaler. "Mikrokanaler", er "mesokanaler" og "minikanaler" er her brukt vekslende. Mikrokanaler, mesokanaler og/eller minikanaler i foreliggende oppfinnelse er i ikke begrenset til eventuelt en bestemt størrelse, bredde og/eller lengde. Enhver passende størrelse, bredde eller lengde kan benyttes avhengig av en rekke faktorer. Videre, kan enhver orientering av mikrokanalene, mesokanalene og/eller minikanalene benyttes i forbindelse med ulike utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse.

I en annen utførelsesform, kan en varmeveksler i henhold til foreliggende oppfinnelsen utformes med én eller flere kjerner som har en eller flere trykte krets-varmeveksler (PCHE)-paneler. Slike paneler er kjent på området og er beskrevet i US patent nr 6,921, 518; 7,022,294; og 7,033,553, som er innlemmet heri som referanse i sin helhet, for sin lære knyttet til trykte kretsvarmeveksler(PCHE) paneler. Andre egnede varmevekslere for bruk som en regenerator i systemet i figur 1 er avdekket i US patentsøknad nr. 2006/0254759, fremlegningen er innbefattet heri i sin helhet.

I ytterligere en annen utførelsesform, kan hvilken som helst type varmeveksler kjent på området benyttes så lenge varmeveksleren har kapasitet til å behandle og/eller møte de termiske kravene til systemet der den skal brukes. I ytterligere en utførelses-form er ikke oppfinnelsen bare involvert et system som muliggjør å løse problemer med ulike varmestyringer i avanserte gassturbinmotorer, men også i et system som er utformet for å adressere strømstyring.

Angående turbin 104, leveres avgasser derfra ved hjelp av egnet overførings-utstyr til en annen varmeveksler 112. Angående varmeveksler 112, kan denne varmeveksleren velges fra varmevekslere lik de omtalt ovenfor i forbindelse med varmeveksler 102.1 tillegg som illustrert i figur 1, blir innløpsluft avkjølt av varmeveksler 102 og levert til turbin 104 via ethvert egnet overføringsutstyr. Videre er delkomponenter av turbin 104 også tilkoplet på en egnet måte som er kjent for en fagperson på området. Vedrørende egnet overføringsutstyr, kan slikt utstyr innbefatte, men er ikke begrenset til, kanaler, rør, avgasskanaler, etc. som er designet for å tåle de ulike miljøforhold som kan oppstår ved bruk av turbinapplikasjonene avdekket heri. Slike dimensjoneringskriterier omtales ikke her for korthetsskyld da de er velkjent for fagpersoner på området.

Som det kan sees i utførelsesformen på figur 1, benytter system 100 et egnet arbeidsfluid i kombinasjon med ulike varmevekslere og egnet overføringsutstyr for å trekke "varme" fra innløpsluft som entrer varmeveksler 102 og dermed gir avkjølt innløpsluft til turbin 104. Angående system 100 på figur 1, kan arbeidsfluidet være ethvert egnet arbeidsfluid innbefattende, men begrenset ikke til, ammoniakk, karbondioksid (det være seg superkritisk eller ikke), nitrogen, inerte arbeidsfluider eller enhver egnet kombinasjon av to eller flere av disse. I ett tilfelle benytter systemet på figur 1 ammoniakk som arbeidsfluid. Som det vil forstås av figur log tilhørende tekst, er arbeidsfluidet i foreliggende oppfinnelsen ikke alltid i flytende form. Det vil være åpenbart for en fagperson på området at arbeidsfluidet i foreliggende oppfinnelse, undergår ulike faseendringer for å kunne oppnå målet med systemet 100.

Som kan sees i figur 1, inneholder systemet 100 forskjellige ekstra varmevekslere (f.eks. varmevekslere 114,116,118 og 120), minst én ekstra kompressor (f.eks. 122), minst en ekstra turbin (f.eks., 124), et passende antall ventiler (f.eks. 128), en statisk mikser (f.eks. 126), minst én pumpe (f.eks. 130) og minst én ekspansjons ventil (f.eks. 132). Som det vil være forstått av fagpersoner på området, er prosess-parametere som er beskrevet i figur 1 kun naturlige eksempler og på ingen måte ment å begrense omfanget av foreliggende oppfinnelse. Foreliggende oppfinnelse har et vidt bruksområde for et bredt område av situasjoner der det er ønskelig å trekke ut varme fra ett punkt eller område, i et system og "flytte" den til et annet punkt eller område.

I en annen utførelsesform kan statisk mikser 126 modifiseres som følger. Mikser 126 kan være designet for å ha lavtemperatur væsketilførsel i toppen, tilførsel av høytemperaturdamp kommer fra egnet punktet på midten, og med tilførsel av enhver ekstra kjøling nødvendig for kondensasjon. Denne kondenseringen kan integreres med varmevekslere 114 og 116. All kondensert væske trekkes ut i bunnen.

Angående tilleggskomponenter i de to bunnsløyfene i systemet 100 kan de forskjellige ekstra varmevekslere velges fra varmevekslere omtalt ovenfor. Den minst ene ekstra kompressoren (f.eks. 122), den minst ene ekstra turbinen (f.eks., 124), ventilene (f.eks. 126 og 128), minst den ene pumpen (f.eks. 130) og minst den ene ekspansjonsventilen (f.eks. 132) kan velges fra en rekke kjente komponenter av disse typene som er tilgjengelige på markedet, eller kan være hensiktsmessig utformet for det fremlagte systemet. Igjen, tilleggskomponentene i bunnsløyfen i figur 1 er koblet via egnet overføringsutstyr valgt fra de ovenfor omtalte. Typen komponentene som er valgt i dette tilfellet vil avhenge av de nøyaktige designspesifikasj onene til systemet som skal opprettes.

Et slikt arrangement for alle de ovenfor identifiserte komponentene i systemet 100 er illustrert i figur 1.1 figur 1, benyttes system 100 for å redusere temperaturen i innløpsluft fra omgivelsene av, for eksempel 86 °F til 59 °F. Dette oppnås ved å benytte varmeveksler 102 og et arbeidsfluid som tilføres varmeveksler 102. Luften med redusert temperatur tilføres deretter som innløpsluft til turbin 104 som er utformet for å brenne drivstoff (f.eks., naturgass, kull eller olje) og tilføre eksosen og spillvarmen til varmeveksler 112.

I en annen utførelsesform kan forskjellige komponenter i systemet 100 elimineres for å gi et forenklet system avhengig av målet som skal oppnås. Forskjellige komponenter i system 100 kan eventuelt erstattes av reguleringsventiler og en ejektor. Figur 3 er en illustrasjon av et system 300 som viser ejektor 334 i stedet for kompressoren 122 fira figur 1. Drivfluidet for ejektoren kan være avledet fra før varmeveksler 318, før varmeveksler 312 eller før turbin 324. En reguleringsventil tilføres systemet ved et optimalt punktet for å fjerne fluid som skal virke som drivfluid for ejektoren.

I en annen utførelsesform kan komponenter tilføres systemet 100 for å separere og samle eventuell hydrogen- eller nitrogengass dannet under termisk syklus av ammoniakkarbeidsfluidet i varmekraftmaskinen. Figur 4 er en illustrasjon av et system 400 som bruker samme varmekraftmaskin og innløpskjøling som i figur 1. Systemet 400 innbefatter imidlertid en Haber-prosessreaktor for å regenerere ammoniakk. Figur 4 viser tilleggs flashtank 434 som separerer gassformig nitrogen og hydrogen som fortsatt er til stede etter ammoniakk kondenseringstrinn i varmeveksler 420. Gassformig nitrogen og hydrogen separeres i flashtank 434 og tilføres kompressor 436 der de komprimeres til reaksjonstrykk. Komprimert nitrogen og hydrogen tilføres en katalytisk reaktor 438 der produktet er gassformig ammoniakk og overskudds nitrogen og hydrogen blir resirkulert til frontdelen av reaktoren. Det er nødvendig med varmetilførsel til katalytisk reaktor 438, denne kan tas fra en ekstern kilde eller fra intern spillvarme. Ammoniakken ekspanderes gjennom ekspansjons ventil 440 til driftstrykket på lavtrykkssiden av varmekraftmaskinen. Det ekspanderte fluidet blandes i komprimert gassventil 442. Alle andre komponenter i figur 4 er i overensstemmelse med figur 1.1 ytterligere en utførelsesform kan systemet 400 utformes til å benytte en C02-Brayton eller Rankine toppsyklus for å håndtere direkte utveksling fra en gass-turbinavgass (figur 5).

Figur 2 er en illustrasjon av et system 200 i samsvar med en annen utførelses-form av foreliggende oppfinnelse der utløpsgasser fra turbin 204 blir avkjølt ved hjelp av et arbeidsfluidbasert system i henhold til foreliggende oppfinnelse. I én utførelses-form er arbeidsfluidet karbondioksid. Denne utførelsesformen er imidlertid ikke begrenset til dette. Snarere kan ethvert egnet arbeidsfluid eller kombinasjoner av arbeidsfluider, benyttes i forbindelse med denne utførelsesform. Turbin 204 i system 200 består av kompressor 206, forbrenningskammer 208 og turbin 210. Turbin 204 leverer avgass til varmeveksler 212 som deretter avkjøles og tilføres varmeveksler 250 for ytterligere avkjøling. Varmevekslere 212 og 250 er koblet til et dobbelt loopsystem som benytter et arbeidsfluid valgt fra de omtalt ovenfor for å trekke varme fra avgass generert av turbin 204. Som det er brukt heri, er "turbin" ment å bety en gassturbin, en gassturbinmotor, en intern forbrenningsmotor eller annet industrielt prosessutstyr som produserer eksos og tilføres luft.

Som vist i figur 2, innbefatter systemet 200 minst én ekstra varmeveksler (f.eks., 256 og 258), minst én ekstra kompressor (f.eks., 252), minst én ekstra turbin (f.eks. 254), forskjellige ventiler (f.eks. 260 og 262) og minst en pumpe (f.eks. 260). Igjen, tilleggskomponentene i bunnloopen på figur 2 er tilkoblet via egnet overføringsutstyr valgt fra de omtalt ovenfor. Type komponenter som velges i dette tilfellet vil avhenge av de nøyaktige designspesifikasjonene til systemet som skal opprettes.

Som det vil forstås av fagpersoner på området, er prosessparametrene som er beskrevet i figur 2 kun naturlige eksempler og på ingen måte ment å begrense omfanget av foreliggende oppfinnelse. Foreliggende oppfinnelsen har snarere et stort bruksområde for et bredt område av situasjoner der det er ønskelig å trekke ut varme fra ett punkt eller område i et system og "flytte" den til et annet punkt eller område.

Figur 5 er en illustrasjon av enda en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, der foreliggende oppfinnelse inneholder minst to forskjellige looper og hver loop benytter eget arbeidsfluid. I et tilfelle kan hver loop bruke de samme eller forskjellige arbeidsfluider. Egnede arbeidsfluider er valgt fra de nevnt ovenfor. I en annen utførelsesform benyttes forskjellige arbeidsfluider i hver loop. I et tilfelle benyttes en loop som bruker CO2som et arbeidsfluid, og den andre benytter ammoniakk (NH3). Som det kan sees på figur 5 er innløpsluft til er en gassturbin avkjølt ved hjelp av et dobbelsyklussystem der en loop benytter karbondioksid som et arbeidsfluid og den andre loopen benytter ammoniakk som arbeidsfluid. I denne utførelsesform er de to loopene koblet sammen via en varmeveksler.

Systemet 500 på figur 5 omfatter en varmeveksler 502 som er plassert på innløpssiden av gassturbin 504, der varmeveksler 502 er av en type eller design som omtalt ovenfor, og er i stand til å utnytte et arbeidsfluid til å tilpasse temperaturen av en innløpsgass (f.eks. luft) før innføring av innløpsgassen til gassturbin 504. Gassturbin 504 leverer spillvarme til en spillvarmeveksler 506 som er av en type eller design som beskrevet ovenfor. Spillvarmeveksler 506 er operativt koblet til en turbin 508 og en pumpe 510. Som det kan sees fra figur 5, er pumpen 510 også operativt koblet til en kondenser 512. Turbin 508, kondensator 512 og en andre turbin 514 er alle operativt koblet til et varmeveksler 516 som illustrert i figur 5. Turbin 514 er operativt koblet til en andre kondenser 518. Kondensator 518 er, som illustrert i figur 5, også operativt koblet til en kompressor eller pumpe, 520 og en ekspansjonsventil 522 og en andre pumpe 524, som illustrert i figur 5. Kompressor, eller pumpe, 520 og ekspansjonsventil 522 er også både operativt koblet til varmeveksler 502 slik det er vist på figur 5. Til slutt, i utførelsesformen på figur 5 er andre pumpe 524 operativt koblet til varmeveksler 516 på en måte som illustrert på figur 5.

Angående figurer 1 til 5 illustrerer disse figurene utførelsesformer av foreliggende oppfinnelsen som er utformet for å oppnå samtidig luft- eller gassinnløps-kjøling i kombinasjon med utnyttelsen av spillvarme fra enhver industriellprosess eller forbrenningsprosess. Figurer 1 til 5 illustrerer bare eksempler på utførelsesformer av foreliggende oppfinnelse, og følgelig vil endringer av disse utførelsesformene være innenfor området for foreliggende oppfinnelse hvilket vil være innlysende for en fagperson på området.

Industrielle prosesser eller forbrenningsprosesser som nyttiggjør systemene ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter enhver industriell prosess eller forbrenningsprosess hvor prosessen blir mer effektiv når en gass (f.eks. luft) er kondisjonert på en slik måte som å øke tettheten og/eller redusere temperaturen. I én utførelsesform innbefatter slike prosesser, men er ikke begrenset til, disse prosessene som er utført av gassturbiner, interne forbrenningsmotorer, luftkompressorer, gasskompressorer eller en hvilken som helst kombinasjon av disse. I én utførelsesform er foreliggende oppfin- neise fordelaktig ved at den tillater temperaturkondisjonering av en innløpsgass for å tillate en økning i driftseffektiviteten for en enhet som er underlagt dårligere ytelse når innløpstemperaturen til innløpsgassen øker.

I ytterligere utførelsesformer omfatter foreliggende oppfinnelse en kombinasjon av et undersystem som er utformet for å oppnå temperaturtilpasningen av en gass (f.eks. en innløpsgass eller innløpsluft for en industriellprosess) med et undersystem som er utformet for å utnytte spillvarme for å forsyne undersystemet med kraft. Utformet for å oppnå temperaturtilpasningen så vel som i noen utførelsesformer å tillate spillvarme undersystemet å generere ekstra nyttig energi eller kraft som kan benyttes til ethvert ønsket formål. Dermed i denne utførelsesform er spillvarmedel-systemet til foreliggende oppfinnelse heri referert til som bunnloopen, krets eller syklus som benytter et arbeidsfluid, som definert heri, for å oppnå de tidligere nevnte mål(ene). Følgelig, i et tilfelle, oppnår foreliggende oppfinnelse integreringen av et undersystem som er designet for å oppnå temperaturtilpasningen av en gass (for eksempel en innløpsgass eller innløpsluft til industrielle prosesser) med et undersystem som er utformet for å utnytte spillvarme for å drive nevnte temperaturkondisjonerings-undersystem, så vel som å tillate spillvarme undersystemet å generere ekstra nyttbar energi eller kraft som kan benyttes til ønsket formål. I et tilfelle oppnås denne utførelsesformen ved en bunnloop (som kan ses på den nedre delen av figurene 1 til 5), som benytter spillvarmen levert til bunnloopen til å drive og oppnå nevnte undersystem temperaturkondisjonering, så vel som operere som en varmekraftmaskin som kan generere eller produsere, ekstra kraft eller energi, som kan eksporteres ut av systemet og brukes til ethvert ønsket formål.

Angående temperaturer og/eller trykk fremstilt i figurene 1 til 5, er disse temperaturer og trykk kun naturlige eksempler. Det vil være åpenbart for fagpersoner på området at slike temperaturer og trykk kan eller vil variere, avhengig av utstyret og/eller betingelsene som foreliggende oppfinnelse blir utsatt for. I tillegg vil systemene til foreliggende oppfinnelse i noen tilfeller være transkritiske eller superkritiske. Det vil være kjent for fagpersoner på området med forståelse av foreliggende fremlegging, at noen deler av systemene i foreliggende oppfinnelse være subkritiske, mens andre deler vil være superkritiske. Faktisk er et aspekt ved oppfinnelsen at arbeidsfluidet kan være et superkritisk fluid, en subkritisk væske og/eller en subkritisk damp på forskjellige steder i det oppfinneriske systemet.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet i detalj med henvisning til aspekter som er beskrevet heri, kan andre aspekter oppnå de samme resultatene. Variasjoner og endringer av den foreliggende oppfinnelsen vil være åpenbare for fagpersoner på området, og foreliggende oppfinnelse med slike modifikasjoner og ekvivalenter dekkes av de tilføyde krav.

Claims (37)

1. Et system for temperaturkondisjonering av innløpsluft til en turbin omfattende; minst én turbin som har en innløpsside og en utløpsside; minst én luftinnløpsvarmeveksler operativt koblet til innløpssiden av minst den ene turbinen, hvori minst den ene innløpsluftsvarmveksleren er utformet for å fjerne varme fra innløpsluft som blir tilført innløpssiden av minst den ene turbinen og overføre varmen via et arbeidsfluid til en bunnloop; minst én utløpsvarmeveksler operativt koblet til utløpssiden av minst én turbin, hvori minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren er utformet for å fjerne varme fra utløpsluft som genereres av minst den ene turbinen og overføre denne varmen via et arbeidsfluid til bunnloopen; hvori bunnloopen er utformet for å utnytte den overførte varmen fra minst den ene luftinnløpsvarmeveksleren og minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren for å fremskaffe egnet kondisjonert arbeidsfluid som tilbakeføres til både minst den ene luftinnløpsvarmeveksleren og minst den ene utløpsluftsvarmeveksleren.

2. Systemet ifølge krav 1, hvor arbeidsfluidet er valgt fra ammoniakk, karbondioksid eller en kombinasjon av disse.

3. Systemet ifølge krav 2, hvor arbeidsfluidet er karbondioksid.

4. Systemet ifølge krav 3, hvorved arbeidsfluidet er superkritisk karbondioksid.

5. Systemet ifølge krav 2, hvor arbeidsfluidet er ammoniakk.

6. Systemet ifølge krav 5, hvor arbeidsfluidet er superkritisk ammoniakk.

7. Systemet ifølge krav 1, hvor minst én luftinnløpsvarmeveksler benytter mikrokanalteknologi.

8. Systemet ifølge krav 1, hvor minst én luftinnløpsvarmeveksler benytter en eller flere trykte kretsvarmevekslerkjerner.

9. Systemet ifølge krav 1, hvor minst én luftutløpsvarmeveksler benytter mikrokanalteknologi.

10. Systemet ifølge krav 1, hvor minst én luftutløpsvarmeveksler benytter en eller flere trykte kretsvarmevekslerkjerner.

11. Systemet ifølge krav 1, hvor bunnloopen er utformet for å utnytte spillvarmen tilstede ved utløpssiden av minst den ene turbinen i kombinasjon med minst den ene luftinnløpsvarmeveksleren for å gi en reduksjon i temperaturen til innløpsluften fremskaffet ved innløpssiden av minst den ene turbinen.

12. Systemet ifølge krav 11, hvor bunnloopen omfatter; minst én første bunnloopsvarmeveksler er utformet for å motta et oppvarmet arbeidsfluid fra minst den ene luftutløpsvarmeveksleren; og minst én bunnloopkompressor operativt tilkoplet via arbeidsfluidet til minst den ene første bunnloopvarmeveksleren, hvor minst den ene bunnloopkompressoren er utformet for å utnytte, eller avgi varme fra det oppvarmede arbeidsfluidet for å gi et avkjølt arbeidsfluid, hvori det avkjølte arbeidsfluidet er gitt til minst den ene luftinnløpsvarme-veksleren for å redusere temperaturen på innløpsluft levert til innløpssiden av minst den ene turbinen.

13. Systemet ifølge krav 1, hvor bunnloopen er en varmekraftmaskin utformet for å utnytte overført varme til å kondisjonere innløpsluft og generere overskuddskraft eller energi.

14. En fremgangsmåte for temperaturkondisjonering av innløpsluft til en turbin hvor fremgangsmåten omfatter trinnene; å fremskaffe minst én turbin som har en innløpsside og en utløpsside; å fremskaffe minst én luftinnløpsvarmeveksler operativt koblet til innløpssiden av minst den ene turbinen, hvori minst den ene innløpsluftsvarmveksleren er utformet for å fjerne varme fra innløpsluft som blir tilført til innløpssiden av minst den ene turbinen og overføre varmen via et arbeidsfluid til en bunnloop; å fremskaffe minst en luftutløpsvarmeveksler operativt koblet til utløpssiden av minst én turbin, hvori minst den ene luftutløpsvarmeveksleren er utformet for å fjerne varme fra utløpsluft som genereres av minst den ene turbinen og overføre denne varmen via et arbeidsfluid til bunnloopen; hvori bunnloopen overfører varme fra minst den ene luftinnløpsvarmeveksleren og minst den ene luftutløpsvarmeveksleren for å gi egnet kondisjonert arbeidsfluid tilbake til både minst den ene luftinnløpsvarmeveksleren og minst den ene luftutløps-varmeveksleren.

15. Fremgangsmåten ifølge krav 14, hvor arbeidsfluidet er valgt fra ammoniakk, karbondioksid eller en kombinasjon av disse.

16. Fremgangsmåten ifølge krav 15, hvor arbeidsfluidet er karbondioksid.

17. Fremgangsmåten ifølge krav 16, hvor arbeidsfluidet er superkritisk karbondioksid.

18. Fremgangsmåten ifølge krav 15, hvor arbeidsfluidet er ammoniakk.

19. Fremgangsmåten ifølge krav 18, hvor arbeidsfluidet er superkritisk ammoniakk.

20. Fremgangsmåten ifølge krav 14, hvor minst én luftinnløpsvarmeveksler benytter mikrokanalteknologi.

21. Fremgangsmåten ifølge krav 14, hvor minst én luftinnløpsvarmeveksler bruker en eller flere trykte kretsvarmevekslerkjerner.

22. Fremgangsmåten ifølge krav 14, hvor minst én utløpsluftvarmeveksler benytter mikrokanalteknologi.

23. Fremgangsmåten ifølge krav 14, hvor minst én luftutløpsvarmeveksler benytter en eller flere trykte krets varmevekslerkjerner.

24. Fremgangsmåten ifølge krav 14, hvor bunnloopen benytter spillvarmen tilgjengelig ved utløpssiden av minst den ene turbinen i kombinasjon med minst én luftinnløpsvarmeveksler for å gi en reduksjon i temperaturen på innløpsluften til innløpssiden av minst den ene turbinen.

25. Fremgangsmåten ifølge krav 14, hvor bunnloopen omfatter: minst én første bunnloopvarmeveksler utformet for å motta et oppvarmet arbeidsfluid fra minst den ene luftutløpsvarmeveksleren; og minst én bunnloopkompressor operativt tilkoplet via arbeidsfluidet til minst den ene første bunnloopvarmeveksleren, hvor minst den ene bunnloopkompressoren er utformet for å nyttiggjøre, eller avgi varme fra det oppvarmede arbeidsfluidet for å gi et avkjølt arbeidsfluid, hvori det avkjølte arbeidsfluidet leveres til minst den ene luftinnløpsvarme-veksleren for å redusere temperaturen på innløpsluft til innløpssiden av minst den ene turbinen.

26. Fremgangsmåten ifølge krav 14, hvor bunnloopen er en varmekraftmaskin utformet for å nyttiggjøre overført varme til å kondisjonere innløpsluft og å generere overskuddskraft eller energi.

27. Et system for temperaturkondisjonering av luft omfattende minst en varmekilde; minst én første varmeveksler operativt koblet til minst den ene varmekilden og utformet for å fjerne og/eller benytte spillvarmen fra varmekilden for å overføre varmen til et arbeidsfluid; minst én kompressor operativt tilkoblet via arbeidsfluidet til minst den ene første varmeveksleren, hvori minst den ene kompressoren er utformet for å motta det oppvarmede arbeidsfluidet generert av minst den ene første varmeveksleren, og å utnytte eller avgi varme fra det oppvarmede arbeidsfluidet for å gi et avkjølt arbeidsfluid; minst én andre varmeveksler er operativt koblet til minst den ene kompressoren, hvori minst den ene andre varmeveksleren er utformet for å motta det avkjølte arbeidsfluidet og å utnytte det avkjølte arbeidsfluidet å fjerne varme fra eller kondisjonere lufttemperaturen.

28. Systemet ifølge krav 27, hvor arbeidsfluidet er valgt fra ammoniakk, karbondioksid eller en kombinasjon av disse.

29. Systemet ifølge krav 28, hvor arbeidsfluidet er karbondioksid.

30. Systemet ifølge krav 29, hvor arbeidsfluidet er superkritisk karbondioksid.

31. Systemet ifølge krav 28, hvor arbeidsfluidet er ammoniakk.

32. Systemet ifølge krav 31, hvor arbeidsfluidet er superkritisk ammoniakk.

33. Systemet ifølge krav 27, hvor minst den ene første varmeveksleren benytter mikrokanalteknologi.

34. Systemet ifølge krav 27, hvor minst den ene første varmeveksleren benytter en eller flere trykte kretsvarmevekslerkjerner.

35. Systemet ifølge krav 27, hvor minst den ene andre varmeveksleren benytter mikrokanalteknologi.

36. Systemet ifølge krav 27, hvor minst den ene andre varmeveksleren benytter en eller flere trykte kretsvarmevekslerkjerner.

37. Systemet ifølge krav 27, hvor minst den ene varmekilden er valgt fra minst en gassturbin, minst en gassturbinmotor, minst en intern forbrenningsmotor eller en kombinasjon av to eller flere av disse.