用于冷却发电厂的载体流体的方法、发电厂以及冷却系统

摘要

本发明涉及用于冷却发电厂的载体流体的方法、发电厂以及冷却系统，其中载体流体(5)用于驱动发电厂(2’)中的涡轮机(29)。根据本发明的第一实施例，通过将载体流体(5)和/或用于冷却载体流体(5)的冷却流体(13，46)引导进入地下土壤的一定深度(41)来实现至少部分冷却过程，其中土壤比环境空气冷得多。根据本发明的第二实施例，通过从冷藏室(51)供应至少一些载体流体(5)，和/或至少一些用于冷却载体流体(5)的冷却流体(13)来实现至少部分冷却过程，冷藏室(51)储存温度比涡轮机(29)中的载体流体(5)的温度低得多的流体。本发明还涉及根据这些方法的实施例运行的发电厂(2’)和冷却系统(4)。

说明书

技术领域

本发明涉及用于冷却载体流体的方法，其中载体流体用于驱动发电厂中的 涡轮机。本发明还涉及具有带有载体流体的载体回路的发电厂，载体流体在运 转中驱动发电厂的涡轮机。此外，发明涉及用于这种发电厂的冷却系统。

背景技术

在发电厂中，典型的从热能中产生电能的方式是使载体流体达到一定的热 能水平并且由此为其提供一定水平的动能。载体流体，例如水，蒸发并且变成 蒸汽。水，其被置于大约270巴的相当大的压力下，转换成蒸汽，这意味着额 外增加了载体流体的体积。从而，蒸汽具有足够的能量以驱动大型涡轮机，大 型涡轮机的运动将使发电机运动。驱动涡轮机后，该蒸汽需要被冷却，这通常 在冷凝器中完成。这种冷凝器常常是具有冷却回路的换热器，具有载体流体的 载体回路沿着该冷却回路被引导。这样，载体回路是连接到涡轮机的管路系统， 冷却回路充满冷却液体，冷却液体间接接触载体流体并且在冷凝前比载体流体 冷很多。载体流体的部分热量，也就是蒸汽，由此传递给冷却回路中的冷却液 体以使得蒸汽再次变成水。

如今采用这种技术的发电厂，为了使冷却回路中的温度降低，采用湿式冷 却塔或干式冷却塔。在湿式冷却塔中部分冷却液体，典型地再次是水，将被蒸 发并且释放到空气中。其他部分的冷却流体可以在冷却回路中重复使用或者释 放到河水中，更冷的水相应地从河水中被吸出用于再次为冷却回路供给具有河 水温度的新鲜冷却水。

根据现有技术的这种发电厂在图1中进行描述。在该图中示意性地示出发 电厂2的一些部件的发电厂2具有载体回路1和冷却回路11。在载体回路1中， 载体流体5，在这种情形下是水5，相当部分的水蒸汽通过载体回路泵3被泵送 穿过管路系统。为了将水蒸汽5冷却到相当低的温度以使其再次转换成液态水 5，采用了换热器9。冷凝水通过载体回路泵3泵送离开。换热器9还连接到具 有冷却流体13(也就是冷却水13)的冷却回路11。从河水27中吸取冷却水13 并且通过冷却回路泵23将其泵送到换热器9。在到达换热器9之前冷却水13 具有大约河水27的温度。离开换热器9之后冷却水13从载体回路1中的水蒸 汽5中吸取许多热量。因此其比离开换热器9之前热很多并且也需要被冷却以 被送回河水27中。为此目的而采用湿式冷却塔19。这里来自冷却回路11的热 的冷却水13被喷射到塔中，同时空气17在冷却塔19中流通。由这个过程产生 蒸汽云21同时冷却水13的剩余部分25以比进入湿式冷却塔19之前显著低的 温度水平被送回河水27中。

根据该原理，被用于冷凝换热器9中的水蒸汽5的相当大部分的冷却水13 将在湿式冷却塔19中蒸发进入空气中。由于冷却水13的剩余部分25获得显著 低的温度，由此提供了非常高的冷却效率。由于发电厂2的效率直接取决于该 冷却系统冷却载体流体5的能力，这种冷凝系统提供总体较高的发电厂效率。 然而，湿式冷却塔消耗大量水。取决于环境条件，用于500MW发电厂的水消 耗量的值远远超过500kg/s。

因此，替代湿式冷却塔的是所谓的干式冷却塔，其原理将参照图2描述。 干式冷却塔33在载体回路1中直接冷却载体流体5。在发电厂2中载体流体5 来自涡轮机29。涡轮机29驱动发电机31，发电机31通过涡轮机29的旋转产 生电能。在干式冷却塔33中，水5穿过作为翅片管式换热器的管路系统37。为 了冷却管路系统37，通风机35提供围绕管路系统37流通的新鲜空气以使得空 气17的恒定气流围绕管路系统37流通。载体流体5由此慢慢地在管路系统37 中冷却并且通过载体回路泵3被泵送回加热单元(未示出)。这种加热单元可以 包括物质(油，煤，废料和其他可燃材料)在其中燃烧的加热腔或者可以包括 核反应堆或者太阳热场。

干式冷却塔35无需水供应，然而它们的功效受环境温度的限制。高环境温 度将导致热力学过程的效率较低，因为干式冷却塔35中的冷凝器温度以及由此 在涡轮机29的相应出口的压力将升高。

在一个发电厂中同时结合湿式冷却塔19和干式冷却塔35也是可能的。然 而，基于任何一种或者两种冷却技术的任意一种发电厂的运行仍然存在某种困 难。在一些地区，在高峰时间缺乏水和/或空气非常热。通常这两种影响可能同 时发生。然而这些干旱地方.例如沙漠，具有的优势是通常能容易地利用大量 太阳能。这样，被证实的主要问题是当理论上能以非常低的成本利用充足的热 能时如何提供有效的冷却系统。

发明内容

本发明的目的是进一步优化用于冷凝发电厂的冷却过程。特别地，本发明 的目的是更适宜地减少这种过程中水或者实际上任何其他冷却流体的消耗。

这个目的通过根据权利要求1的方法，通过根据权利要求7的方法，通过 根据权利要求13的发电厂以及也通过根据权利要求14的发电厂实现。

根据本发明的第一实施例，上述种类的方法通过如下的事实得到增强，即 至少部分冷却过程通过引导载体流体和/或用于冷却载体流体的冷却流体进入地 下的土壤一定深度来实现，其中土壤比环境空气显著更冷。换句话说，采用地 下区域来冷却载体流体和/或冷却流体。因此地下土壤的热惯性得到利用。甚至 在沙漠中，地下土壤与白天地面上的环境温度相比是相对较冷的，这主要归结 于夜间强大的冷却效果。

在该实施例的上下文中可以采用两个原理：载体流体的直接冷却可以通过 穿过地下区域规划该载体流体的载体回路来实现。间接冷却意味着冷却流体， 例如水或具有高热容量的其他流体按规划路线通过地下的管路。然后该冷却流 体冷却换热器中的载体流体。

根据本发明的方法可以替代地使用如上所述的蒸发或通风技术或另外采用 任意一种这样的技术来实现。因而，发电厂区域的土壤表面水平之下的地下区 域作为冷却区域使用，载体流体和/或冷却流体在其中至少部分地冷却。

至于“地下”的定义，本质上任何位于土壤表面下面的区域都可以认为是地 下。为了实现本发明的目的，必须冷却载体流体和/或冷却流体以使得地下区域 必须比环境空气，也就是地面上的空气显著更冷。那样意味着至少存在10℃的 温差，更优选地在环境空气和发生冷却的地下区域之间存在20℃的温差。进一 步优选地在地下区域土壤的表面水平下至少0.5m的地方，更优选地在土壤的表 面水平下至少1m的地方引导载体流体和/或冷却流体。在该区域，用于传递流 体的管路沿一定的长度布置以使得地下区域的温度将有效吸收一些较高温度的 流体。这种长度的管路优选至少10m，更优选地至少20m，但是管路不必仅在 一个方向直线布置，还可以包括转弯和缠绕，例如以典型的换热器的方式进行 布置。至于载体流体还有冷却流体，它们可以包括例如水的液体和/或例如空气 的气体。它们可以包括相同材料但是也可以包括不同材料，例如作为载体流体 的水和作为冷却流体的油。冷却流体在其中传递的冷却回路也可以包括多个单 独的冷却支回路(sub-circuit)以使得例如在换热器或类似的装置中第一冷却流 体被第二冷却流体冷却。

根据本发明的第二实施例，这种冷却效果也可以通过上述类型的方法实现， 其中至少部分冷却过程通过从冷藏室供应至少一些载体流体，和/或至少一些用 于冷却载体流体的冷却流体来实现，其中冷藏室储存比涡轮机中的载体流体温 度显著更低的流体。这种冷藏室可以位于如上所述的地下，但是也可以位于地 平面之上然后优选地包括热绝缘容器。优选地，在土壤下被冷却的液体或气体 被输送到该容器。然而，还可能的是冷藏室在夜间接收低温水平的流体然后在 白天储存冷温。例如，这种冷藏室可以实现为大型盆池，其中盆池在夜晚打开 以使得其内容物(也就是流体)变冷并且在白天关闭并且热绝缘以尽可能长时 间地保持低温水平。也可以用通过地面上(例如通过空气到液体的换热，其意 味着使用干冷却技术)和/或地下(也就是根据本发明的第一实施例)的冷却过 程冷却的流体来供给冷藏室。

根据本发明的方法的两个主要实施例具有一个统一的原理：在某个地方储 存或提供低温。在第一实施例中，由于可以用任何方法利用地下的低温，因此 在地下区域储存低温。在第二实施例中，本发明采用特别指定的容器，其中低 温通过人工进行保存。在本发明的两个实施例中，无需蒸发技术并且由于冷却 和冷凝而显著地降低了水的损失。通风技术也不是必须的，但是这种技术可以 额外地用于根据本发明的冷却技术。

因此，根据上述实施例的任何一个的使用，上述种类的发电厂可以以两种 不同方式实现，其可以组合使用或者单独使用。

根据本发明的方法的第一实施例，上述种类的发电厂可以通过将至少部分 载体回路和/或至少一个具有用于冷却载体流体的冷却流体的冷却回路的一部分 布置在比环境空气显著更冷的一定深度的地下得到增强。

为了实现该目的，发电厂优选地包括地下管路和/或槽。地下区域用作“冷源 /热沉”或者作为一种低温贮藏室。这种管路或槽优选地由高传热系数的材料构成 以使得从流体到管路或槽外部的地下区域的热量的传递尽可能有效。因此，这 种管路或槽的传热系数优选在15W/mK以上，更优选地在100W/mK以上，也 就是至少在金属，例如不锈钢的传热系数的范围内或者之上。因而最优选地采 用非绝热管路或槽。传热递可以通过传热增强手段例如翅片管被进一步增强。

第二，也就是另外或者替代的，上述种类的发电厂可以通过至少部分载体 流体和/或至少部分用于冷却储存在比涡轮机中的载体流体的温度显著更低的冷 藏室中的载体流体的冷却流体得到增强。

这种冷藏室可以被实现为地面水平上或地面水平下的容器或槽。为了降低 对热绝缘需求可以将其合并到发电厂的建筑物中，但是为了进一步远离加热过 程也可以位于这种建筑物的外部。这种容器优选地热绝缘以使得很少有热量被 传递到容器内部，也就意味着冷藏室内的低温被尽可能长时间保持。特别地优 选冷藏室将其内容物的温度保持在某一水平，在一天中不超过其最低水平20℃。 这是冷藏室在没有流体流入或流出冷藏室的一天里在其中充满指定的流体的优 选的值。

如上所述，根据本发明的发电厂的两个实施例也遵循参照根据本发明的方 法的两个实施例描述的共同的原理。在这些实施例的结合中，在土壤的表面下 的地下提供冷藏室并且这样无需配备绝缘装置，因为绝缘实际上是通过周围的 土壤取代额外的绝缘材料实现的。

最后，本发明还涉及用于发电厂的冷却系统，其中至少部分具有载体流体 的载体回路和/或至少具有用于冷却载体流体的冷却流体的冷却回路的一部分被 布置在比环境空气显著更冷的地下的一定深度，和/或在该冷却系统中，至少部 分载体流体和/或至少部分冷却流体被储存在比涡轮机中的载体流体的温度显著 更低的冷藏室中。

利用本发明的这种冷却系统，发电厂可以被重新装配以形成上述根据本发 明的实施例之一的发电厂。

本发明特别有利的实施例和特征通过从属权利要求给出，这在下面的说明 书中进行描述。因此，在一种方法的上下文中披露的特征也可以在另一种方法 和/或任意一种根据本发明的发电厂的实施例中实现，除非相反的地方被明确地 说明。

特别优选地，冷却在热环境下在发电厂中完成。这种热环境特别是在沙漠 环境中或者类似的干旱环境中出现。它们的特征在于在一年中至少有100天达 到最高40℃的温度。在这种环境下水是特别缺乏的。这意味着发电厂的水消耗 直接与食品生产和城市生活用水竞争以致本地生活和食品生产可能将具有比发 电高的优先权。因此，这种区域的发电厂只有在他们具有非常低的水消耗用量 (water consumption foot print)，也就是在运行中尽可能少的消耗水时才能成功 运行。采用根据本发明的方法特别有利于不浪费用于发电的珍贵的水。这样的 水现在可以节约用于其他目的例如农业或家庭使用。

同时在这种区域中的太阳能的照射达到特别高的水平。因此，这种干旱环 境提供了运行太阳能发电厂的可能，然而，一直到现在仍然存在着在如开头的 段落中描述的关于有效冷却的进退两难的局面。因此优选地需要对太阳能发电 厂中的载体流体实施冷却，特别是对集中式太阳能发电厂中的载体流体实施冷 却。首先，这种太阳能发电厂常常位于如上所述的干旱区域。其次，这种发电 厂，特别是集中式太阳能发电厂，产生具有非常高的温度的载体流体。集中式 太阳能发电厂的特征在于来自太阳的光线集中到小点上以使得它们在这些点上 产生非常高的温度。结果是通过集中式太阳能发电厂产生的温度特别高并且足 够用于发电厂循环。然而循环的效率由冷端(冷凝)的较低温度决定。该温度 限定了在涡轮机出口可能达到的最低压力。压力越低效率越高，并且因此发电 厂的汲取功率输出越高。这可以通过根据本发明的方法得到增强。

为了进一步对任意的流体进行冷却，根据本发明的方法实现的冷却之外的 额外冷却可能是必要的。第一种可能是根据本发明的冷却用于包括空冷式冷凝 器或执行部分所述冷却的干式冷却塔的发电厂中的载体流体。如前所示，具有 通风机的干式冷却塔的优点是本质上没有冷却流体流失到空气中。根据本发明 的冷却方法和采用空冷式冷凝器的冷却方法的结合使得没有流体流失到周围环 境的封闭式冷却回路或封闭式载体回路成为可能。

第二种同样包括额外冷却的可能是根据本发明的冷却在包括实施部分所述 冷却的湿式冷却系统的发电厂中运行。第一种和第二种可能可以结合以使得事 实上三种冷却系统一起提供用于载体流体和/或冷却流体的总体冷却效果。然而， 根据本发明的冷却方法也可以仅仅与湿式冷却系统组合。这意味着湿式冷却塔 接管一部分冷却而剩余的冷却由根据本发明的冷却系统实施。如上所述，湿式 冷却提供总体上最大效率的冷却以获得特别有效的系统，从而根据本发明的方 法有助于降低流体损耗。湿式冷却塔是位于根据本发明的冷却系统的上游还是 下游可以根据技术偏爱和空间的可利用性以及根据其他的预先假定进行选择。 然而在一些特殊情形下，优选地将湿式冷却塔设置在根据本发明的冷却系统的 下游。这尤其适用于冷却系统能够降低湿式冷却塔的水损失的情形，其可以通 过这两个冷却系统的这种配置得到增强。

总之，具有根据本发明的方法的这些不同冷却系统的组合使得系统的效率 获得提高。在不同时期临时采用其中一种冷却方法也是可能的。例如，主冷却 回路可以包括干式冷却塔系统，而仅在高峰时段运行有根据本发明的冷却系统。

然而简单地将载体流体和/或冷却流体引导通过地下的管路系统是可能的， 优选地载体流体和/或冷却流体在连接到冷却回路的换热器中被冷却。这种冷却 回路包含冷却流体。载体流体可以在换热器中直接被冷却或冷却流体在换热器 中被在冷却回路中循环的第二冷却流体冷却。后者意味着两个冷却回路被一起 使用，它们都包含冷却流体，其中在不同冷却回路中的冷却流体可以是不同种 类的流体但是并不是必须的。

至于根据本发明的第二实施例(也就是使用冷藏室的实施例)的方法，冷 藏室优选位于比环境空气显著更冷的一定深度的地下。事实上这意味着根据本 发明的方法的两个实施例组合在一起以使得冷却发生在位于地下的地下冷藏室 中。这是特别有利的，例如原因在于相对于冷藏室位于地上的通常情形，不需 要设置用于稳固地隔绝冷藏室的绝缘手段。

特别优选地，这种冷藏室在夜晚补充流体，然后该流体在白天被供应。这 意味着载体流体和/或冷却流体在夜晚被冷却并且收集在冷藏室中以使得它们可 以在白天，特别是在一天中天气特别热的时候被供应。

另外，一些载体流体和/或一些冷却流体可以储存在多个冷藏室中。例如， 可以设置一个可被称为“正常运行”的主冷藏室和用于在严峻条件(例如非常热 的天气或峰值功率消耗期间)下运行的附加的第二冷藏室。然而，不同的冷藏 室也可以用于不同时间，例如在不同的日子里，以使得用于在每个冷藏室中恢 复低温的时间更长。而且，所有冷藏室可以在任意给定的时间内并联同时使用 以提供组合的冷却效果。

根据本发明的冷却方法对于那些特别需要对载体流体进行冷却的时间尤其 有用。因此，他们最优选地应用在极端热的条件下和/或在峰值功率消耗的期间。

对于这种极端情形，进一步优选的是根据与温度信息和/或功率消耗信息相 关联的可变输入数据由驱动单元启动冷却方法的使用。这种驱动单元接收关于 环境温度的信息和/或关于供电网络中电流功率消耗的信息并且从中获得命令以 开动或者停止将运行根据本发明的冷却系统的发电厂的那些部分。例如进入和/ 或离开根据本发明的冷却系统的阀可以根据驱动单元的这种命令被打开和关 闭。这意味着冷却系统可以根据当前需求被打开和关闭。

附图说明

本发明的其他目的和特征将通过以下与附图结合在一起详细描述的说明书 而变得显而易见。然而可以理解的是，附图仅仅用于说明的目的而不是对本发 明的限制。

在图中，全文中相同的附图标记代表相同的物体。图中的物体无需按比例 绘制。

图1示出具有根据现有技术的第一冷却系统的发电厂的示意图，

图2示出具有根据现有技术的第二冷却系统的发电厂的示意图，

图3示出具有根据本发明的第一实施例的冷却系统的发电厂的示意图，

图4示出具有根据本发明的第二实施例的冷却系统的发电厂的示意图，

图5示出具有根据本发明的第三实施例的冷却系统的发电厂的示意图，

图6示出图5的冷却系统的部分的细节图。

具体实施方式

图1和2已经在上面对现有技术的说明进行了描述。

图3示出根据本发明的第一实施例的发电厂2’。在该图以及以下图中，为 了清晰起见，发电厂2’的其他部件例如加热腔，涡轮机，发电机和电力系统均 未示出。

在冷却回路11中，冷却流体13，这里是冷却水13，被冷却回路泵3泵送 通过管路系统。首先它流过在图2中描述的干式冷却塔33。然后冷却水13进一 步被引导到地面下方进入地下深度41的土壤中。因而冷却回路11的一部分是 地下管路40，其中冷却水13可以通过地下深度41的低温进行冷却。从而地下 管路40构成了冷却系统4。冷却水13进一步被引导进入图1描述的湿式冷却塔 19中。水蒸汽以蒸汽云21的形式离开湿式冷却塔19。然后冷却水13的剩余部 分被收集并且泵送到换热器(未示出)以冷却发电厂2’的载体流体。

可以通过第一阀59向地下管路40和冷却系统4供给冷却水13，而绕过地 下管路40的直接连接60可以通过第二阀61打开和关闭。如果冷却水13将在 地下管路41中被冷却，则第一阀59打开而第二阀61优选地关闭。另一方面， 如果通过干式冷却塔33和湿式冷却塔19的自身冷却足以使冷却水13降度到达 所需的低温，则第二阀61可以打开而第一阀59可以关闭以切断到地下管路40 的连接。为了这个目的，控制单元63发出命令SB给第一阀59和第二阀61， 这两个阀根据所述命令被操作。控制单元63包括用于信息数据ID的输入接口 64，例如关于发电厂2’的环境温度和/或关于由发电厂2’供给的电力网络的当前 功率消耗的信息。驱动单元57从这些信息数据ID中获得关闭和打开第一阀59 和第二阀61的命令SB。因此阀59，61的打开和关闭取决于通过接口64提供 的那些些信息数据ID。换句话说，地下管路40可以取决于信息数据ID来切断或 接通。例如，白天在天气热的情况下，信息数据ID包含关于高温的信息。信息 数据也可以包括从其能够提取出在干旱带中的某个预期温度水平的数据和时间 信息。例如，在沙漠中处于正午时刻的信息足以指示出非常热的环境温度而无 需额外的温度测量。驱动单元57从信息数据ID中获取命令SB以打开第一阀 59并且关闭第二阀61，使得可以利用地下管路40中的额外冷却。相同的操作 可以发生在供电网络中的功率消耗极高的情况下。

这种控制单元63可以用在以下任何参照图4和5描述的实施例中。因此在 下面的图中没有示出。

图4示出根据本发明的第二实施例的发电厂2’。冷却水13同样通过泵3被 泵送通过冷却回路11。冷却水13在进入地下深度41之前流过上述干式冷却塔 33，换热器45位于地下深度41中。在换热器45中，冷却水13被冷却并且进 一步被送入参照图3描述的湿式冷却塔19中。被第二冷却回路泵49输送流经 第二冷却回路47的第二冷却液体46供应给换热器45。该第二冷却回路47在地 下深度41中，以使得其被地下土壤冷却。因此第二冷却回路47与换热器45和 第二冷却回路泵49一起组成根据本发明的第二实施例的冷却系统4。

图5示出根据本发明的第三实施例的发电厂2’。为了清晰，不再提及与图3 和4共同的特征。离开干式冷却塔33后，冷却水13被再次送入地下深度41中， 冷藏室51位于地下深度41中。可以注意到这种冷藏室51也可以位于地面上， 在这种情况下其优选地与外部热绝缘。

图6中示出冷藏室51的更多细节。其被实现作为储存大量冷却水13的盆 池。为了冷却冷却水13，带有泵55的另外的管路系统53被布置在地下以使得 冷却水13在地下冷却并且被引导回到冷藏室51中。如图5所示，冷却水13从 冷藏室51流出后回到冷却回路11中。

虽然本发明以最佳实施例和最佳实施例的变形的形式公开，但是可以理解 的是可以做出多种其他的改进和变形而不会背离本发明的范围。如上所述，冷 藏室也可以位于地面上并且除了用于实现根据本发明的方法的冷却系统外，并 不是绝对需要采用干式冷却塔和/或湿式冷却塔。

为了清晰起见，可以理解的是贯穿本申请使用的“一”或“一种”并不排 除复数，并且“包括”不排除其他步骤或元件。