本公開涉及通過渦輪機(jī)入口冷卻提高發(fā)電裝置效率的冷卻系統(tǒng)和方法。在一個(gè)方面，本公開涉及可選擇地使用供給到燃燒燃料的發(fā)電渦輪機(jī)的加壓燃料源來冷卻裝置并生成水的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

能量供應(yīng)、需求和輸送基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)帶來現(xiàn)有的和增長(zhǎng)的社會(huì)問題，其側(cè)重點(diǎn)在于低成本、有效的和環(huán)境敏感的解決方案。能源工業(yè)、監(jiān)管組和政府機(jī)關(guān)力圖向消費(fèi)者提供安全、有效和負(fù)擔(dān)得起的能量。隨著對(duì)數(shù)碼和電子設(shè)備普及、人口增長(zhǎng)、工業(yè)和個(gè)人舒適度的關(guān)注，對(duì)能量的需求急劇增加。

例如，在德克薩斯州，夏季日間能量需求可經(jīng)常超過國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)對(duì)發(fā)電機(jī)的額定容量。這是由于高溫以及由此導(dǎo)致的對(duì)空調(diào)和其它設(shè)備的增加的需求以及能量產(chǎn)生效率的降低所造成的。獨(dú)立系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)(德克薩斯州電力可靠性委員會(huì)(ERCOT))管理德克薩斯州的電力流動(dòng)并且是美利堅(jiān)合眾國(guó)內(nèi)的9家這樣的系統(tǒng)調(diào)度機(jī)構(gòu)之一。ERCOT已采取措施將可變的系統(tǒng)范圍供應(yīng)上限(SWOC)在2014年6月增大到7000美元每兆瓦時(shí)，并在2015年6月增大到9000美元每兆瓦時(shí)，以試圖吸引發(fā)展新的發(fā)電。然而，迄今為止這尚未成功。監(jiān)管者和能量行業(yè)已采取各種其它措施減小日間峰值能量需求，諸如致力于鼓勵(lì)更少的電力使用以及對(duì)現(xiàn)有發(fā)電和輸送基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的優(yōu)化。

一個(gè)具有提高效率潛力的措施是發(fā)電裝置(諸如燃燒燃料的發(fā)電渦輪機(jī))的入口冷卻。入口冷卻是指例如對(duì)供給到渦輪機(jī)的空氣進(jìn)行冷卻以降低整體入口空氣的溫度(“渦輪機(jī)入口冷卻”或“TIC”)。發(fā)電效率還取決于供給到渦輪機(jī)的空氣的質(zhì)量流率。由于氣體密度在溫度增加時(shí)減小(如理想氣體定律所體現(xiàn))，因此溫度的增加使所述質(zhì)量流率減小。環(huán)境空氣溫度的增加(諸如在夏季，在峰值發(fā)電時(shí)刻期間)減少燃?xì)廨啓C(jī)(combustion turbine)的發(fā)電。入口冷卻使供給到渦輪機(jī)的空氣密度和空氣質(zhì)量流率兩者增加，并因而使電力輸出增加。所有燃?xì)廨啓C(jī)的電力輸出隨著入口空氣溫度的增加而減少。

燃?xì)廨啓C(jī)的ISO額定容量是基于海平面處的59華氏度(℉)和14.7psia(磅每平方英寸(絕對(duì)值))的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境空氣狀況的。入口空氣溫度從59華氏度增大到100華氏度(諸如在炎熱的夏日)使得燃?xì)廨啓C(jī)的電力輸出減小到其ISO額定容量的約73％。這可導(dǎo)致電力生產(chǎn)商在環(huán)境溫度的升高使電力需求增加時(shí)失去賣出更多電力的機(jī)會(huì)。將入口空氣從100華氏度冷卻到59華氏度防止了ISO額定發(fā)電容量27％的損失。將入口空氣進(jìn)一步冷卻到約42華氏度將發(fā)電容量提高到ISO額定容量的110％。因此，將入口空氣從100華氏度冷卻到42華氏度可將輸出容量增大約50％。

然而，對(duì)將諸如環(huán)境空氣的冷卻介質(zhì)制冷到入口冷卻的期望溫度的需要還可使可通過入口冷卻實(shí)現(xiàn)的電力的整體增加減少。這種制冷通常在同樣熱的、如上所述的環(huán)境狀況下執(zhí)行。用于入口冷卻的傳統(tǒng)系統(tǒng)采用諸如冷卻塔、蒸發(fā)式冷卻器和/或吸收式冷卻裝置的水冷卻器或空氣冷卻器，這些水冷卻器或空氣冷卻器需要相對(duì)高的能量輸入以對(duì)入口冷卻介質(zhì)進(jìn)行制冷。

蒸發(fā)式冷卻使用環(huán)境空氣的熱以使水蒸發(fā)，伴隨著高的蒸發(fā)潛熱，從而冷卻空氣。干球溫度與濕球溫度之間的差異極大地限制了蒸發(fā)式冷卻能夠?qū)崿F(xiàn)的入口溫度。蒸發(fā)式冷卻還需要大量的水。在2005年，預(yù)計(jì)美利堅(jiān)合眾國(guó)內(nèi)全部淡水的約41％被用于冷卻發(fā)電設(shè)施。當(dāng)前需要增加發(fā)電而同時(shí)需要保護(hù)自然資源無法支持實(shí)行的這種做法。所述問題是美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(EPA)的焦點(diǎn)，該局最近對(duì)發(fā)電行業(yè)內(nèi)的淡水使用制定了新的準(zhǔn)則。

用于入口冷卻的另一系統(tǒng)的吸收式冷卻的運(yùn)轉(zhuǎn)方式與傳統(tǒng)的壓縮式冷卻器(空調(diào))類似，該類似點(diǎn)在于使用從要被冷卻的介質(zhì)移除的熱來使具有低沸點(diǎn)的制冷劑蒸發(fā)。吸收式冷卻提供吸收氣態(tài)制冷劑的液體。隨后使用加熱器將制冷劑從所述液體介質(zhì)中分離。吸收式冷卻被對(duì)具有足夠熱傳遞和蒸發(fā)性能的環(huán)境友好型冷卻劑的需要所限制。此外，吸收式系統(tǒng)復(fù)雜并且昂貴。估計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)這種系統(tǒng)所需的電力約為0.28/kW/RT(RT：制冷的噸數(shù))。

可選地，熱能存儲(chǔ)(“TES”)是在非峰值時(shí)刻期間使用低價(jià)電力生成冷卻水和或冰池的系統(tǒng)。冷卻劑可隨后在能量需求高峰期被用于TIC目的。TES的缺點(diǎn)是需要使用非峰值電力以生成冰或?qū)λM(jìn)行冷卻、外加需要用于保存水/冰介質(zhì)的大的儲(chǔ)存容積以及需要維持該溫度以供在高峰期使用。

因此，已知的最好的TIC系統(tǒng)包括相對(duì)高的資本成本、能量輸入需求、對(duì)淡水的依賴以及在高峰期無法有效地運(yùn)轉(zhuǎn)而且在能量需求非高峰期期間并不需要資源。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

需要新的系統(tǒng)和方法來提供不具有上述系統(tǒng)的弊端和局限的冷卻。用于滿足高峰日電力需求的新的電廠建筑在資本和環(huán)境成本方面對(duì)于社會(huì)來講是昂貴的并且低效的。本公開的多個(gè)方面促進(jìn)資源的有效使用。與建造新的、資本密集的發(fā)電廠或需要額外的消耗水的設(shè)備相比，本公開的多個(gè)方面還能夠利用現(xiàn)有的輸送/基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)并生成淡水。

如在此處所描述的，要被冷卻的裝置可包括例如：渦輪機(jī)或渦輪機(jī)入口、發(fā)電設(shè)施、渦輪機(jī)系統(tǒng)、通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)(諸如用于建筑、管道或任何其它材料、結(jié)構(gòu)或期望被冷卻的設(shè)備)。

此處所使用的術(shù)語“已冷卻的(chilled)”、“冷卻的(chilling)”和“冷卻效應(yīng)”涉及通過使裝置或材料與溫度相對(duì)較低的材料(例如，諸如在換熱系統(tǒng)或混合單元中的溫度相對(duì)較低的氣體或液體)進(jìn)行熱接觸而降低裝置或材料(例如液體、氣體或氣體入口)的溫度。當(dāng)相對(duì)溫暖的和相對(duì)冷的材料或流動(dòng)處于熱接觸時(shí)，所述材料或流動(dòng)各自趨于熱平衡。此處描述的冷凍或冷卻效應(yīng)可被直接施加以對(duì)裝置或流動(dòng)進(jìn)行冷卻，或者在將冷卻效應(yīng)施加到最終使用的氣體、液體或期望被冷卻的裝置(諸如渦輪機(jī)入口)之前可被轉(zhuǎn)移到一個(gè)或更多個(gè)隨后的液體、氣體或材料。

在一方面中，本公開提供一種用于對(duì)裝置進(jìn)行冷卻并/或生成水的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：加壓氣體源；膨脹機(jī)，與加壓氣體源流體連通并被構(gòu)造為使加壓氣體的至少一部分膨脹以提供冷卻的氣體；換熱器，與冷卻的氣體熱接觸并被構(gòu)造為使冷卻的氣體與第二氣體或流體熱接觸以提供冷卻的第二氣體或流體；以及可選的管道，被構(gòu)造為將冷卻的第二氣體或流體輸送到要被冷卻的裝置。

在本公開的另一方面中，冷卻的第二氣體或流體包括空氣。所述空氣可進(jìn)一步包括水蒸氣。在本公開的另一方面中，所述系統(tǒng)還包括在冷凝水從空氣中凝結(jié)時(shí)適于收集冷凝水的管道或容器。

在本公開的另一方面，所述系統(tǒng)還包括壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)被配置為在膨脹氣體通過換熱器之后對(duì)膨脹氣體的至少一部分進(jìn)行重新壓縮。在優(yōu)選的實(shí)施例中，冷卻的第二氣體或流體被冷卻到59華氏度或59華氏度以下。

在本公開的另一方面，被冷卻的裝置包括建筑的通風(fēng)或空調(diào)系統(tǒng)。在另一方面中，被冷卻的裝置包括發(fā)電渦輪機(jī)。所述渦輪機(jī)由來自加壓氣體源的氣體提供燃料。

在本公開的另一方面，加壓氣體源包括氣體管線、氣體儲(chǔ)存罐和井眼(well bore)中的至少一個(gè)。

在本公開的另一方面，加壓氣體是天然氣。

在又一方面，換熱器包括空氣室、吸收式冷卻裝置和冷卻塔中的至少一個(gè)。

在另一方面，所述系統(tǒng)還包括與第二氣體或流體和冷卻的第二氣體或流體中的至少一個(gè)熱接觸的蒸發(fā)式冷卻器和吸收式冷卻器中的至少一個(gè)。

在本公開的另一方面，所述系統(tǒng)包括空氣混合單元，所述空氣混合單元被配置為將冷卻的第二氣體或流體與環(huán)境空氣混合。在本公開的另一方面，所述系統(tǒng)還包括適于在冷凝水從環(huán)境空氣中凝結(jié)時(shí)收集冷凝水的管道或容器。

在本公開的一方面，加壓氣體源包括空氣。在又一方面，所述系統(tǒng)包括：壓縮機(jī)，被配置為將環(huán)境空氣流壓縮到加壓氣體源中；可再生能源，被配置為從風(fēng)車或流動(dòng)氣流、太陽(yáng)能源和地?zé)崮茉粗械闹辽僖环N生成電力，并且其中生成的電力運(yùn)轉(zhuǎn)所述壓縮機(jī)。

在另一方面，本公開提供了一種用于為發(fā)電設(shè)施提供渦輪機(jī)入口冷卻的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：加壓燃料源，被配置為供給到渦輪機(jī)；膨脹機(jī)，與所述加壓燃料源流體連通并被配置為使來自所述加壓燃料源的燃料的一部分膨脹以生成冷卻的膨脹的燃料；換熱器，被配置為在冷的膨脹的燃料與空氣之間提供熱接觸以冷卻空氣并加熱膨脹的燃料；管道，被配置為將冷卻的空氣輸送到渦輪機(jī)的入口；可選的壓縮機(jī)，被配置為對(duì)熱的膨脹的燃料加壓；可選的容器或管道，被配置為在水從空氣冷卻中冷凝時(shí)捕獲水。

在又一方面，本公開提供了一種用于為由加壓氣體源提供燃料的發(fā)電裝置提供渦輪機(jī)入口冷卻的方法，包括：使來自加壓氣體源的氣體的一部分膨脹以生成冷卻的氣體；通過與冷卻的氣體熱接觸來冷卻第二氣體或流體，以生成冷卻的第二氣體或流體和熱的氣體；將冷卻的第二氣體或流體傳輸?shù)綔u輪機(jī)的入口；并且可選地將熱的氣體重新壓縮到與加壓氣體源相同或大約相同的壓力，其中第二氣體包括濕空氣，并且其中在冷卻濕空氣時(shí)，水在容器或管道中被凝結(jié)并捕獲。

在又一方面，所述方法還包括：將冷卻的空氣與環(huán)境空氣混合；將冷卻的空氣和環(huán)境空氣的組合流輸送到渦輪機(jī)的入口；并且在與冷卻的空氣混合時(shí)，捕獲從環(huán)境空氣中凝結(jié)的水，其中在渦輪機(jī)入口處冷卻的空氣和環(huán)境空氣的組合流處于或低于59華氏度。

在又一方面，所述方法還包括：將冷卻的空氣與環(huán)境空氣混合，其中在與冷卻的空氣混合之前環(huán)境空氣處于或高于95華氏度；將冷卻的空氣和環(huán)境空氣的組合流輸送到渦輪機(jī)的入口；并且在與冷卻的空氣混合時(shí)，捕獲從環(huán)境空氣中凝結(jié)的水，其中在渦輪機(jī)入口處已冷卻的空氣與環(huán)境空氣的組合流處于或低于70華氏度。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)代表性實(shí)施例的TIC系統(tǒng)的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的另一代表性實(shí)施例的利用可再生能源的冷卻系統(tǒng)的示意圖。

具體實(shí)施方式

通常，發(fā)電設(shè)施位于為發(fā)電設(shè)備提供能源的加壓燃料源附近。例如，燃?xì)廨啓C(jī)可由天然氣管線提供能源。發(fā)電設(shè)施可以是能夠產(chǎn)生電力的任何系統(tǒng)或設(shè)備，例如，熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)施、三聯(lián)產(chǎn)設(shè)施或多聯(lián)產(chǎn)設(shè)施，一種或多種燃料供給的燃?xì)廨啓C(jī)的系統(tǒng)，或能夠利用入口冷卻的效應(yīng)、益處和/或增強(qiáng)效果的任何其它系統(tǒng)或裝置。如在此討論的，可通過冷卻的氣體或流體直接施加到每個(gè)被提供燃料的燃?xì)廨啓C(jī)而應(yīng)用入口冷卻，或者入口冷卻被提供到隨后將入口冷卻分配和/或引導(dǎo)到每個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的系統(tǒng))的入口中。

參照?qǐng)D1，在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，用于提供冷卻的氣體或流體的系統(tǒng)包括加壓氣體源110、膨脹機(jī)150、換熱器170、空氣混合單元180、發(fā)電設(shè)施130或要被冷卻的其它裝置以及壓縮機(jī)1010。本實(shí)施例利用來自加壓氣體源110的氣體的一部分的膨脹來冷卻第二氣體流或流體流171，以提供冷卻的氣體流或流體流172。第二氣體或流體可以是與加壓氣體源相同類型的氣體或化學(xué)成分，或者可包括不同的成分。

包括至少一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)電設(shè)施130優(yōu)選地位于加壓氣體源110附近并由加壓氣體源110提供燃料。加壓氣體源110可以是例如氣體的管線或其它加壓流、容器或井中的氣體的加壓儲(chǔ)存器或能夠?qū)⑷剂蠚怏w輸送到發(fā)電設(shè)施130的產(chǎn)氣設(shè)施。氣體源110還可以是例如諸如罐、上級(jí)或下級(jí)儲(chǔ)存容器(above or below grade storage vessel)的儲(chǔ)存容器或諸如罐卡車的儲(chǔ)存車輛。在特定實(shí)施例中，氣體源110是如美國(guó)專利6,840,709中所公開的轉(zhuǎn)換為氣體儲(chǔ)存系統(tǒng)的井眼，該專利的全部?jī)?nèi)容通過引用包含于此。

參照?qǐng)D1，來自氣體源110的加壓燃料流120可直接供給到發(fā)電設(shè)施130，更具體地講，供應(yīng)到能夠產(chǎn)生電力的供給燃料的渦輪機(jī)。

通常，任意合適數(shù)量的加壓氣體源110或部分的加壓氣體源110可通過管道140轉(zhuǎn)移到此處描述的冷卻系統(tǒng)。典型的數(shù)量范圍可從約0.1mcf/天(mcf：千立方英尺)到750000mcf/天、約50000mcf/天到300000mcf/天并且更具體地從約150000mcf/天到250000mcf/天。所述數(shù)量可根據(jù)需要冷卻的裝置的尺寸、發(fā)電設(shè)施的電力生產(chǎn)容量和所述設(shè)施內(nèi)供給燃料的燃?xì)廨啓C(jī)的數(shù)量而變化。氣體源110可包含能夠在膨脹期間降低溫度的任何加壓氣體，諸如空氣、氮?dú)?、氧氣、丙烷、甲烷或天然氣。在某些?yōu)選的實(shí)施例中，所述氣體是天然氣。氣體源110可處于任意合適的壓力，例如，約50psia到5000psia、約500psia到3000psia，以及在特定方面，約200psia到1000psia。

膨脹機(jī)150被配置為通過管道140接收來自氣體源110的至少一部分氣體并使其膨脹。膨脹機(jī)150可以是任意合適的膨脹機(jī)，包括但不限于透平式膨脹機(jī)。透平式膨脹機(jī)可產(chǎn)生有效的冷卻并通過來自膨脹氣體的能量捕獲產(chǎn)生額外的電力。例如，以180000mcf/天的入口流量、50華氏度的入口溫度和700psig(磅每平方英寸(氣壓表值))的入口壓力以及-261華氏度的出口溫度和35psig的出口壓力運(yùn)轉(zhuǎn)的透平式膨脹機(jī)可以產(chǎn)生大約8.4MW的能量。從大于700psig壓力的膨脹甚至還可以進(jìn)一步降低冷卻溫度。

減壓的和冷的膨脹氣體流160被引導(dǎo)至換熱器170的入口，該換熱器170適于從冷的膨脹氣體流160輸送冷卻效應(yīng)以冷卻第二氣體流或液體流171。換熱器170可以是例如空氣室、吸收式冷卻裝置、冷卻池或能夠在兩個(gè)潛在多相流之間輸送熱并優(yōu)選地在兩個(gè)流之間獲得熱平衡的任何其它傳導(dǎo)裝置和/或?qū)α餮b置。第二氣體流或液體流171可以是適合在此處描述的系統(tǒng)中使用的任何換熱介質(zhì)，并通常包括環(huán)境空氣或能夠在發(fā)電設(shè)施內(nèi)安全使用的其它氣體。在某些實(shí)施例中，這可以是諸如氮?dú)獾亩栊詺怏w以將冷卻的惰性氣體提供到要被冷卻的裝置。換熱器170使冷的膨脹氣體流160與第二氣體流或液體流171熱接觸，從而生成熱的膨脹氣體流173和冷卻的第二氣體流和流體流172。如在特定應(yīng)用中適合或期望的，由于在換熱器170內(nèi)可能發(fā)生各種溫度改變，因此任何流或所有流可包含氣態(tài)和/或液體介質(zhì)。例如，如此處討論的，第二氣體流或液體流171可以是環(huán)境濕空氣，在這種情況下冷卻的氣體流或流體流172是從中凝結(jié)冷凝水的冷卻的空氣，從而作為額外的優(yōu)點(diǎn)生成淡水。水可被大量地生成并可用于在發(fā)電設(shè)施內(nèi)的多種用途或者用于如下面進(jìn)一步討論的其它用途。

管道系統(tǒng)175被配置為將冷卻的第二氣體流或流體流輸送到要冷卻的裝置，通常為發(fā)電設(shè)施130，并且具體地為供給燃料的發(fā)電渦輪機(jī)入口。管道系統(tǒng)175可以是例如被配置為從換熱器170接收液體或氣態(tài)流172并將其直接輸送到要冷卻的裝置和的管道系統(tǒng)。管道系統(tǒng)175還可包括額外的裝置(例如，空氣混合單元180)或與額外的裝置流體連通，以進(jìn)一步增強(qiáng)要冷卻的裝置的進(jìn)氣量和運(yùn)轉(zhuǎn)效率。此外，在某些實(shí)施例中，管道系統(tǒng)175還可包括其它TIC系統(tǒng)或與其它TIC系統(tǒng)共同使用。

壓縮機(jī)1010重新壓縮熱的膨脹氣體流173以將該氣體重新加壓到氣體源110的壓力或接近氣體源110的壓力?？梢允褂冒ㄈ?xì)馐綔u輪機(jī)、往復(fù)式渦輪機(jī)或電壓縮機(jī)的任何合適的壓縮機(jī)?？稍谂c加壓氣體流140被從氣體源110轉(zhuǎn)移出來的位置幾乎相同或不同的位置處將壓縮的返回氣體流174重新導(dǎo)入到氣體源110中。壓縮機(jī)1010還可被用于將重新壓縮的氣體輸送到不同的源、容器、罐或輸送到用于儲(chǔ)存或需要壓縮氣體的另一裝置。管線輸送和壓縮機(jī)的能量需求被使用此處描述的系統(tǒng)所提高的TIC效率和發(fā)電獲益超過抵消。優(yōu)選地，氣體源110、膨脹機(jī)150、換熱器170、發(fā)電設(shè)施130和相關(guān)的渦輪機(jī)入口全部設(shè)置在0.15至20英里、0.25至10英里或者0.5至5英里或更小的圓周之內(nèi)。從可選的空氣混合單元180到發(fā)電設(shè)施130的冷卻的入口冷卻流體流181可以是直接來自換熱器的冷卻的第二氣體流或流體流172，或者入口冷卻流體流181可以由冷卻的第二氣體流或流體流172與環(huán)境空氣或其它流的進(jìn)一步組合來生成。還可利用來自膨脹機(jī)150/換熱器170的冷卻效應(yīng)來冷卻任何其它裝置和或如在此描述地生成淡水。

冷卻的第二氣體流或流體流172可在空氣混合單元180中進(jìn)一步與空氣流190合并以生成冷卻的入口冷卻流體流181。在特定的實(shí)施例中，冷卻的入口冷卻流體流181可具有任何合適的體積流量，諸如從約36000mcf/小時(shí)到約180000mcf/小時(shí)或從約36000mcf/小時(shí)到約90000mcf/小時(shí)。所述系統(tǒng)可具有比要冷卻的裝置所需要的或由氣體源110的體積所限制的大得多或小得多的體積流量。可將處于比環(huán)境溫度更低的任何溫度(包括等于或低于約75華氏度、等于或低于約70華氏度、從約0華氏度到約75華氏度、從約0華氏度到約70華氏度、從約0華氏度到約59華氏度或從約20華氏度到約42華氏度)以及任何適合壓力(包括約14.7psia到約30psia或者14.7psia到20psia)的入口冷卻流體流181引入渦輪機(jī)入口或其它裝置中，其中環(huán)境溫度是包括諸如100華氏度或大于100華氏度、約85華氏度到約110華氏度、95華氏度到110華氏度或者90華氏度到105華氏度的任何溫度。

空氣混合單元180可被配置為將兩個(gè)氣態(tài)流合并或者將一個(gè)或更多個(gè)多相的氣態(tài)/液態(tài)流合并；此外，氣體混合單元180可位于蒸發(fā)式冷卻塔內(nèi)?？諝饣旌蠁卧?80還可與壓縮機(jī)進(jìn)行組合，所述壓縮機(jī)適于將空氣流190、冷卻的第二氣體流或流體流172和/或冷卻的入口流181壓縮到發(fā)電設(shè)施130或其它要冷卻的裝置內(nèi)的渦輪機(jī)入口所期望的任何入口壓力。

雖然沒必要獲得高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)，但是如果期望的話，在此描述的系統(tǒng)和方法還可與用于降低入口冷卻流體流181的溫度的其它TIC系統(tǒng)進(jìn)行組合。這種系統(tǒng)可包括蒸發(fā)式冷卻器或吸收式冷卻器。例如，在第二氣體流或液體流171被引入換熱器170之前，第二氣體流或液體流171可以部分地由這樣的冷卻方法中的一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)行冷卻，或者在空氣流190或冷卻的第二氣體流或流體流172引入空氣混合單元180冷卻之前，這樣的方法可被包含在管道系統(tǒng)175中并被應(yīng)用到空氣流190或者冷卻的第二氣體流或流體流172。

另一實(shí)施例將冷卻的氣體或流體提供到建筑物，以增加所述建筑物內(nèi)的能量效率。如上所述，該系統(tǒng)生成冷卻的入口冷卻氣體或流體流181；然而，要冷卻的裝置包括建筑物的空調(diào)系統(tǒng)、建筑物的場(chǎng)地或需要冷卻的其它結(jié)構(gòu)(例如TES系統(tǒng))。這樣的實(shí)施例有效地達(dá)到工業(yè)建筑物、商業(yè)建筑物、或居住建筑物的能量效率要求，從而降低運(yùn)轉(zhuǎn)成本并滿足綠色建筑物的要求。該建筑物冷卻實(shí)施例可與入口冷卻、連同水的生成組合使用或作為獨(dú)立的系統(tǒng)使用。加壓氣體源110不必是氣態(tài)燃料(在此對(duì)于TIC系統(tǒng)而言，氣態(tài)燃料通常是優(yōu)選的)。

在此描述的系統(tǒng)和方法還可包括可以以任何適合的方式使用的控制系統(tǒng)和裝置。例如，參照?qǐng)D1和圖2，可納入流量控制閥1以管理相應(yīng)流的流量和壓力。流量控制閥1被可選地配置為控制整個(gè)系統(tǒng)，并因此被圖解在整個(gè)系統(tǒng)中。流量控制閥1可以是本領(lǐng)域中使用的自動(dòng)控制閥或手動(dòng)控制閥。可根據(jù)需要利用額外的流量控制閥。雖然所有的流量控制閥都由參考元件1表示，但是這些閥中的任何閥還可包括泄壓閥、流量傳感器和/或任何其它適合的控制機(jī)構(gòu)。所述系統(tǒng)還可包括用于計(jì)量表(meter)和調(diào)節(jié)控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)(例如，SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)控制)系統(tǒng))，以允許通過工業(yè)遙測(cè)設(shè)備2對(duì)所有閥、計(jì)量表、傳感器和控制器進(jìn)行自動(dòng)指揮。雖然自動(dòng)控制系統(tǒng)是優(yōu)選的，但是當(dāng)適合于本領(lǐng)域時(shí)，可替代地或結(jié)合地使用手動(dòng)控制系統(tǒng)。

參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的各種實(shí)施例通過對(duì)來自第二氣體流或液體流171和/或環(huán)境空氣流190的濕氣或水蒸氣進(jìn)行冷凝來產(chǎn)生淡水。如上所述，這些實(shí)施例可包括加壓氣體源110、膨脹機(jī)150、換熱器170、管道或管道系統(tǒng)175和可選的空氣混合單元180。生成水的實(shí)施例在所有位置都可以使用，但在濕的環(huán)境空氣的位置特別有利，并且生成水的實(shí)施例可與在此描述的任何和所有冷卻系統(tǒng)和方法(其中要冷卻的氣體流包含水蒸氣或濕度，優(yōu)選地為環(huán)境空氣)進(jìn)行組合。空氣在幾乎所有設(shè)施中都容易獲得并經(jīng)常包含溫度遠(yuǎn)比(由例如ISO評(píng)級(jí)確定的)有效的渦輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的溫度高的大量水蒸氣，即，相對(duì)濕度。生成水的實(shí)施例中的環(huán)境空氣流和冷的流體流可與上文描述的用于入口冷卻的環(huán)境空氣流和冷的流體流相同。

此處生成水的系統(tǒng)和方法可利用加壓氣體源110，來自該加壓氣體源110的加壓氣體流140被膨脹機(jī)150減壓。加壓氣體源110可包含任何類型的氣體并包括含有所述氣體的任何裝置，所述氣體包括但不限于通過風(fēng)車或進(jìn)入諸如轉(zhuǎn)化的井眼的分散的儲(chǔ)存區(qū)域的其它可再生能源產(chǎn)生的能量產(chǎn)生的壓縮氣體。因此，在加壓氣體源是壓縮空氣的實(shí)施例中，壓縮空氣可以是被壓縮到加壓氣體源中的環(huán)境空氣，或者根據(jù)需要，壓縮空氣可以是引入到加壓氣體源的加壓空氣的源，特別在大風(fēng)時(shí)進(jìn)行儲(chǔ)存以供在無風(fēng)狀況或微風(fēng)狀況期間使用。

冷的膨脹氣體流160與換熱器170中的第二氣體流或液體流171熱連通。第二氣體流或液體流171優(yōu)選地為環(huán)境空氣。當(dāng)?shù)诙怏w流或液體流171是環(huán)境空氣時(shí)，對(duì)換熱器170中和/或隨后在空氣混合單元180中的第二氣體流或液體流171進(jìn)行冷卻會(huì)引起環(huán)境空氣中的水蒸氣的冷凝并產(chǎn)生降水。例如，處于14.7psia、60％RH(RH：相對(duì)濕度)和80華氏度的每mcf的環(huán)境空氣將保有0.108加侖的水，而處于14.7psia、75％RH和90華氏度的每mcf的環(huán)境空氣將保有0.180加侖的水。例如，使用180000mcf/小時(shí)的空氣流率運(yùn)轉(zhuǎn)換熱器以將相對(duì)濕度和環(huán)境空氣溫度分別從75％RH和90華氏度降低到60％RH和80華氏度，可因此每小時(shí)生成約12960加侖的水。此外，所述水的生成可使用上述系統(tǒng)和方法連同例如500MW的發(fā)電設(shè)施的同步TIC或?qū)λ谕娜魏纹渌b置的冷卻來執(zhí)行。

在通過換熱器170冷卻期間，由第二氣體流或液體流171中的水蒸氣的冷凝生成淡水。該實(shí)施例還可包括冷卻的第二氣體流或流體流172以在空氣混合單元180內(nèi)冷卻環(huán)境空氣流190，并進(jìn)而從環(huán)境空氣流190冷凝額外的水并形成降水而儲(chǔ)存在水儲(chǔ)存單元中。可使用任何適合的空氣混合單元以合并流171、172和/或180。在所述流合并時(shí)，諸如181的冷卻的入口冷卻流體流也可以被生成。該流還可包括淡水和/或冷卻的空氣。冷卻的入口冷卻流可被施加到期望被冷卻的任何裝置。

在特定實(shí)施例中，參照?qǐng)D1，由熱交換器170中的或熱交換器170之后的水蒸氣被冷凝而成的淡水流400和401被引導(dǎo)到儲(chǔ)水設(shè)施402。儲(chǔ)水設(shè)施402可以是任何合適的儲(chǔ)存水的系統(tǒng)或輸送水的系統(tǒng)、容器或裝置。來自儲(chǔ)水設(shè)施402的水可用于任何適合的目的。在特定實(shí)施例中，可納入淡水流403以使淡水返回到管道系統(tǒng)175。例如，淡水流403可用于傳統(tǒng)的TIC以冷卻空氣流190。

參照?qǐng)D2，在特定實(shí)施例中，在換熱器170之后，凝結(jié)的水被通過凝結(jié)流191引導(dǎo)到儲(chǔ)水設(shè)施109C。冷卻流193包括第二氣體流或液體流171的冷卻的氣態(tài)介質(zhì)，并且如在此描述的可被引導(dǎo)而在要冷卻的任何裝置中使用。

淡水可用于城市供水、農(nóng)業(yè)、水力壓裂或任何其它用途。儲(chǔ)水單元109C和402可以是任何適合的儲(chǔ)水保持罐/池、儲(chǔ)水倉(cāng)、水塔、運(yùn)水車輛、井、管道、湖或類似的儲(chǔ)水或運(yùn)水裝置。泵(未示出)可將生成的淡水流泵送到其它位置而用于多種目的。

再次參照?qǐng)D2，在具體示出的生成水的實(shí)施例中，加壓氣體源110可由利用可再生能量對(duì)電壓縮機(jī)供電進(jìn)而壓縮氣體而生成。如圖所示，該實(shí)施例包括用于對(duì)壓縮機(jī)108供電的風(fēng)力發(fā)電廠能量源105。這樣，壓縮機(jī)108被連接到氣體源110并被配置為將可用的氣體流107壓縮到氣體源110中，該氣體源110可能是例如包含壓縮空氣(該壓縮空氣隨后被作為如上所述的加壓氣體源110)的轉(zhuǎn)化的井眼。該實(shí)施例可以使用任何氣體，但壓縮空氣提供某些經(jīng)濟(jì)性和其它優(yōu)點(diǎn)。氣體源110中的加壓氣體可由壓縮機(jī)108壓縮到任何適合的壓力，包括大約700psia到3000psia。能量源105可包括風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽(yáng)能電池陣列、地?zé)崮芰炕蛉魏位剂匣蚩稍偕茉?。?dāng)壓縮機(jī)108不需要能量時(shí)，這些能量源可額外地將生成的電提供到能量網(wǎng)。

在對(duì)用于冷卻的系統(tǒng)和方法的某些實(shí)施例(諸如為了提高發(fā)電設(shè)備和相應(yīng)燃料源的效率)進(jìn)行描述并且將特定實(shí)施例的說明性細(xì)節(jié)示出之后，應(yīng)理解，給出的具體示例僅以描述的意義使用，并且不是用于限制的目的。對(duì)實(shí)施例的各種變型可在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下進(jìn)行，本發(fā)明的精神和范圍僅由權(quán)利要求限定。例如，加壓氣體源不必在所有實(shí)施例中包括氣態(tài)燃料并且可以是環(huán)境空氣或其它可壓縮材料，并且通過膨脹冷卻的各種材料或者在換熱系統(tǒng)或混合單元中的各種材料可構(gòu)成加壓氣體源中的氣體，但也可構(gòu)成或包括第二、第三或隨后導(dǎo)入的能夠?qū)⒗鋮s效應(yīng)攜帶或輸送給其它氣體、液體、材料或裝置的氣體、液體或其它材料。此外，加壓氣體源和或第二、第三或隨后導(dǎo)入的氣體、液體或其它材料可由現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施提供或由新生產(chǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施或分布的儲(chǔ)存設(shè)施(諸如轉(zhuǎn)化的井眼、地下洞穴、儲(chǔ)存容器或罐輸送系統(tǒng)或設(shè)備)來提供。并且，雖然生成水在此被部分地示出為作為對(duì)裝置進(jìn)行冷卻的實(shí)施例的附屬物，并提高發(fā)電效率并因此提高電力輸出，但是在某些情況下，還考慮生成的淡水可以是直接或主要的目標(biāo)；在其它情況下，淡水可能不是為了使用而收集和回收的，但仍然提供了比替代地消耗水的系統(tǒng)和方法更顯著的優(yōu)勢(shì)。