CN102345511A - 混合式动力发生***及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及混合式动力发生***及其方法。一种混合式动力发生***包括燃气轮机发动机***和超临界朗肯循环***。燃气轮机发动机***包括第一压缩机、中间冷却器和第二压缩机。第一压缩机构造成压缩入口空气流以产生第一出口空气流。中间冷却器联接到第一压缩机，且构造成冷却第一出口空气流以产生第二出口空气流。第二压缩机联接到中间冷却器，且构造成压缩第二出口空气流以产生第三出口空气流。超临界朗肯循环***联接到燃气轮机发动机***。超临界朗肯循环***联接到中间冷却器，以便以与第一出口空气流成热交换关系的方式使工作流体循环来将超临界压力处的工作流体从第一温度加热到超过工作流体的临界温度的第二温度，以及冷却第一出口空气流。

Description

混合式动力发生***及其方法
技术领域
本发明大体涉及动力发生***，并且更具体而言，涉及具有燃气轮机***和朗肯(rankine)循环***的混合式动力发生***。
背景技术
各种各样的工商业过程和操作产生了非常大量的废热。实例废热源包括来自空间加热组件、蒸汽锅炉、发动机和冷却***的热。当废热是低等级的(例如具有例如低于300摄氏度(570华氏度)的温度的废热)时，传统的热回收***不能以足以使能量的回收节省成本的效率来运行。最终结果是大量的废热简单地排到大气、地面或水中。
一般而言，在燃气轮机发动机***中，空气在压缩机或多级压缩机中被压缩。压缩空气在燃烧室中与燃料(例如天然气、轻燃料油等)混合和燃烧。由于燃烧而产生的排气被用来驱动涡轮，涡轮可用来产生动力或实现旋转。在暖和的日子里，由于压缩机的入口处的升高的空气温度，燃气轮机的性能可降低。可通过在压缩机级之间在中间冷却空气来提高发动机效率。在传统上，使用冷却塔来将由于在压缩机级之间的空气的中间冷却而产生的热排到环境中。中间冷却器热通常被浪费，这是因为它通过冷却塔排到环境中。而且，需要大型的热交换器和风扇来将处于低温的这个热排到环境中。
在另一个应用中，可使用朗肯循环***来发电，而不增加燃气轮机排放的输出。基本的朗肯循环典型地包括涡轮发电机、蒸发器/锅炉、冷凝器和液体泵。在传统上，在这种朗肯循环***中，在膨胀过程之前使工作流体预热、蒸发和过热。但是，很大一部分的热在沸腾温度处被提取来加热工作流体，从而导致“窄点(pinch-point)”问题，其限制了可通过加热工作流体来提取的热的量或在空气和工作流体之间的最低可能平均温差。
因此，存在对于克服了上面论述的缺陷的增强的***和方法的需要。
发明内容
根据本发明的一个示例性实施例，公开了一种混合式动力发生***。混合式动力发生***包括燃气轮机发动机***和超临界朗肯循环***。燃气轮机发动机***包括第一压缩机、中间冷却器和第二压缩机。第一压缩机构造成以便压缩入口空气流，以产生处于第一压力的第一出口空气流。中间冷却器联接到第一压缩机上，并且构造成以便冷却离开第一压缩机的第一出口空气流，以产生第二出口空气流。第二压缩机联接到中间冷却器上，并且构造成以便压缩离开中间冷却器的第二出口空气流，以产生处于第二压力的第三出口空气流。超临界朗肯循环***联接到燃气轮机发动机***上。超临界朗肯循环***联接到中间冷却器上，以便以与第一出口空气流成热交换关系的方式使工作流体循环，以将处于超临界压力的工作流体从第一温度加热到超过工作流体的临界温度的第二温度，以及冷却离开第一压缩机的第一出口空气流。
根据另一个示例性实施例，一种超临界朗肯循环***通过中间流体回路联接到燃气轮机发动机***上，中间流体回路构造成以便使传热流体循环。传热流体以与第一出口空气流成热交换关系的方式循环，并且工作流体以与传热流体成热交换关系的方式循环，以将处于超临界压力的工作流体从第一温度加热到超过工作流体的临界温度的第二温度，以及冷却离开第一压缩机的第一出口空气流。
根据本发明的另一个示例性实施例，公开了其一种与混合式动力发生***相关的方法。
附图说明
当参照附图来阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，相同的符号在所有图中表示相同的部件，其中：
图1是根据本发明的一个示例性实施例的具有燃气轮机发动机***和超临界朗肯循环***的混合式动力发生***的图示；
图2是温度(T)—熵(S)的(关系)的图解表示，其用以比较传统的亚临界朗肯循环***与根据本发明的一个示例性实施例的超临界朗肯循环***；
图3是根据本发明的一个示例性实施例的逆流中间冷却器的图示；
图4是根据本发明的一个示例性实施例的逆流中间冷却器的图示；以及
图5是根据本发明的一个示例性实施例的、具有通过中间流体回路联接到超临界朗肯循环***上的燃气轮机发动机***的混合式动力发生***的图示。
部件列表：
10混合式动力发生***
12燃气轮机发动机***
14超临界朗肯循环***
16燃气轮机发动机
18第一压缩机
20第二压缩机
22涡轮
23液体区域
24燃气轮机轴
25两相区域
26燃烧器
27蒸气区域
28负载发电机
29表示传统的亚临界朗肯循环***的曲线
30入口空气
31表示超临界朗肯循环***的曲线
32第一出口空气流
33表示从第一压缩机供应的第一出口空气流的冷却曲线
34中间冷却器
35蛇形盘管
36第二出口空气流
37翅片盘管
38第三出口空气流
39压力壳体
40燃料
42燃烧排气
44经膨胀的气体
46膨胀器
48发电机
50冷凝器
51回流换热器
52泵
54中间流体回路
56热交换器
58泵。
具体实施方式
根据本发明的各方面，公开了一种混合式动力发生***。混合式动力发生***包括燃气轮机发动机***和超临界朗肯循环***。燃气轮机发动机***包括第一压缩机、中间冷却器、第二压缩机、燃烧器和涡轮。第一压缩机构造成以便压缩入口空气流，以产生处于第一压力的第一出口空气流。中间冷却器联接到第一压缩机上，并且构造成以便冷却离开第一压缩机的第一出口空气流，以产生第二出口空气流。第二压缩机联接到中间冷却器上，并且构造成以便压缩离开中间冷却器的第二出口空气流，以产生处于第二压力的第三出口空气流。超临界朗肯循环***联接到中间冷却器上，以便以与第一出口空气流成热交换关系的方式使工作流体循环，以将处于超临界压力的工作流体从第一温度加热到超过工作流体的临界温度的第二温度，以及冷却离开第一压缩机的第一出口空气流。在某些实施例中，超临界朗肯循环***通过中间流体回路联接到中间冷却器上。如本文中所论述，由于在中间冷却燃气轮机发动机压缩机而产生的热可被超临界朗肯循环***用来产生动力。另外，超临界朗肯循环***为在燃气轮机发动机***中的压缩机的两个级之间的压缩空气提供了足够的冷却。
参照图1，公开了示例性混合式动力发生***10。混合式动力发生***10包括燃气轮机发动机***12和超临界朗肯循环***14。根据本发明的各方面的燃气轮机发动机***12包括燃气轮机发动机16。燃气轮机发动机16包括通过燃气轮机轴24相互联接的第一压缩机(即低压压缩机)18、第二压缩机(即高压压缩机)20和涡轮22。第二压缩机20联接到燃烧器26上。燃烧器26的出口联接到涡轮22的入口上。负载发电机28以机械的方式联接到涡轮22上，并且构造成以便产生功率。燃气轮机发动机16操作来将负载发电机28保持在期望的速度和负荷处。
第一压缩机18通过过滤器(未显示)吸入入口空气30(即环境空气)，并且压缩空气30，以产生处于第一压力的第一出口空气流32。空气30的温度由于压缩的原因而被提高。燃气轮机发动机***12包括联接在第一压缩机18和第二压缩机20之间的中间冷却器34。来自第一压缩机18的压缩空气(即第一出口空气流)32穿过中间冷却器34。在运行期间，压缩空气32流过中间冷却器34，使得在被输送到第二压缩机20中之前，空气的温度被降低。在该示例性实施例中，在超临界朗肯循环***14中循环的工作流体用来帮助去除来自压缩空气的热，以产生第二出口空气流36。来自中间冷却器34的经冷却的压缩空气(即第二出口空气流) 36供应给第二压缩机20。第二压缩机20构造成以便压缩经冷却的空气36，以产生处于第二压力的第三出口空气流38，第二压力高于第一压力。
燃料40在发动机***12的燃烧器26中与来自第二压缩机20的压缩空气(即第三出口空气流)38混合，并且被燃烧，以提高第三出口空气流38的温度。来自燃烧器26的燃烧排气42供应给涡轮22。涡轮22通过使排气42膨胀来提取能量，用于使联接到压缩机18、20和发电机28上的燃气轮机轴24旋转。经膨胀的气体44通过涡轮22的出口排出。
在示出的实施例中，超临界朗肯循环***14联接到中间冷却器34上。工作流体通过超临界朗肯循环***14循环。在某些实施例中，超临界朗肯循环***14是超临界有机朗肯循环***，并且工作流体是有机工作流体。有机工作流体可包括丁烷、丙烷、戊烷、环己胺、环戊烷、噻吩、酮、芳香族化合物、制冷剂(例如R134a、R245fa)，或它们的组合。在某些其它实施例中，工作流体包括非有机工作流体。
超临界朗肯循环***14以这样的方式联接到中间冷却器34上：即使得以与第一出口空气流32成热交换关系的方式使工作流体循环。在某些实施例中，工作流体和第一出口空气流32通过中间冷却器34沿逆流方向循环。工作流体在超过其临界压力的压力处被从第一温度加热到超过其临界温度的第二温度。同时，离开第一压缩机的第一出口空气流被充分地冷却。超临界朗肯循环***14的工作流体在中间冷却器34中用作冷却剂，以有利于去除来自由第一压缩机18提供的压缩空气32的热。当来自第一压缩机18的压缩空气32在其进入第二压缩机20之前被冷却时，工作流体被加热。
处于超临界状态的工作流体然后穿过膨胀器46(在一个实例中，其包括径向型膨胀器)，以驱动构造成以便产生功率的发电机48。在膨胀过程期间，工作流体会经历膨胀到更低的压力，并且典型地进入过热流体状态。本文中应当注意到，提到压力为更低，这是与在亚临界朗肯循环***中膨胀之后的工作流体的压力相比。在某些其它示例性实施例中，膨胀器46可为轴向型膨胀器、径向型膨胀器或高温螺杆型膨胀器、往复型膨胀器，或它们的组合。在穿过膨胀器46之后，处于相对更低的压力和更低的温度的工作流体蒸气会穿过冷凝器50。在冷凝器50中，工作流体蒸气冷凝成液体，该液体然后被泵52泵送到中间冷却器34。然后可重复该循环。取决于循环布局，在进入冷凝器50之前，工作流体可穿过回流换热器51，以预热液体工作流体。在这种实施例中，回流换热器51构造成以便在从冷凝器50供应的冷凝的工作流体供应给中间冷却器34之前，通过以与从膨胀器46供应的经膨胀的工作流体成热交换关系的方式使该冷凝的工作流体循环，来预热该(从冷凝器50供应的)冷凝的工作流体。
如上面所论述，在中间冷却的燃气轮机发动机***中，中间冷却器热通常被浪费，并且需要大型的热交换器和风扇来排出处于低温的这种热。而且在传统上，在朗肯循环***中，在膨胀过程之前使工作流体预热、蒸发和过热。这会导致“窄点”的问题，其限制了通过加热工作流体来从空气中可能提取的热的量或在空气(第一出口空气流)和工作流体之间的最低可能平均温差。通过借助于泵52控制通过中间冷却器34的工作流体的质量流量来控制在第一出口空气流32和工作流体之间的温差。
根据本发明的各方面，超临界朗肯循环***的工作流体在超临界压力处被从第一温度加热到超过工作流体的临界温度的第二温度，而工作流体没有相变。换句话说，工作流体在超临界压力处被加热，而没有恒温蒸发。因此，避免了“窄点”问题。因此，可在空气(第一出口空气流)和工作流体之间有更低的平均温差的情况下更高效地提取热。因为热交换过程的不可逆性更低，所以可更高效地提取热，并且工作流体温度和工作流体的质量流量相对更高。提高了动力产生效率，并且充分地满足了中间冷却器的冷却需求。
参照图2，示出了温度(T)—熵(S)关系的图解表示，其用以比较传统的亚临界朗肯循环***与根据本发明的一个示例性实施例的超临界朗肯循环***。工作流体的液体区域、两相区域和蒸气区域分别由参考标号23、25和27表示。表示传统的亚临界朗肯循环***的曲线由参考标号29指示。表示根据本发明的一个示例性实施例的超临界朗肯循环***的曲线由参考标号31表示。表示从第一压缩机供应的第一出口空气流的冷却曲线由参考标号33指示。
本文中应当注意，在示出的图2中，在第一出口空气流的冷却曲线33和超临界朗肯循环***的加热曲线31之间的减小的间隙表示在空气和工作流体之间有更低的平均温差的情况下更高效地提取热。由于蒸气线的正斜率的原因，工作流体经历了膨胀，并且典型地进入过热流体状态。
参照图3，公开了根据本发明的一个示例性实施例的中间冷却器34。在示出的实施例中，中间冷却器34是逆流热交换器。显示了热的第一出口空气流32和冷的第二出口空气流36沿着一个方向，并且显示了通过蛇形盘管35的工作流体流沿着相反方向。
参照图4，公开了根据本发明的一个示例性实施例的中间冷却器34。在示出的实施例中，中间冷却器34是逆流热交换器。中间冷却器34包括设置在压力壳体39的内部的翅片盘管37。工作流体流过翅片盘管37。显示了热的第一出口空气流32和冷的第二出口空气流36沿着相对于工作流体流逆流的方向。
参照图5，公开了示例性混合式动力发生***10。***10类似于在图1中示出的实施例，只是朗肯循环***14通过中间流体回路54联接到燃气轮机发动机***12上。在示出的实施例中，传热流体通过中间流体回路54循环。在一个实施例中，传热流体是水。在另一个实施例中，传热流体是导热油。可采用这种实施例来将工作流体与空气分开，以防有任何泄露。
中间回路54以这样的方式联接到中间冷却器34上：即使得以与第一出口空气流32成热交换关系的方式使传热流体循环。在某些实施例中，传热流体和第一出口空气流32通过中间冷却器34沿相逆的流向循环。中间冷却器34用来使用第一出口空气流32来将传热流体加热到相对更高的温度。因此，第一出口空气流32也被充分地冷却，以产生第二出口空气流36。第二出口空气流36然后供应给第二压缩机20，如前面的实施例中论述的那样。
来自中间冷却器34的热的传热流体通过热交换器56(即加热器)以与超临界朗肯循环***14的工作流体成热交换关系的方式循环。工作流体在超临界压力处被从第一温度加热到超过工作流体的临界温度的第二温度。同时，离开热交换器56的传热流体被冷却。超临界朗肯循环***14的工作流体在热交换器56中用作冷却剂，以有利于通过传热流体从压缩空气32去除热。当来自第一压缩机18的压缩空气32在其进入第二压缩机20之前被冷却时，工作流体经由传热流体加热。
类似于图1的实施例，处于超临界状态的工作流体然后穿过膨胀器46，以驱动构造成以便产生功率的发电机48。在超临界朗肯循环***14中的其余的步骤类似于图1的实施例。然后使用泵58来将传热流体从热交换器56泵送回到中间冷却器34。
不像传统的***那样，根据图1和2的实施例，工作流体不是在恒定的温度处蒸发，而是在单相中被加热(没有相变)。工作流体作为“超临界的、稠密的、类似蒸气的流体”供应给膨胀器46。在膨胀过程期间，工作流体会经历膨胀，并且典型地进入过热流体状态。
虽然本文中仅说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域的技术人员将想到许多修改和改变。因此，将理解到，所附权利要求书意图覆盖落在本发明的真实精神内的所有这种修改和改变。

Claims (10)

1. 一种混合式动力发生***(10)，包括：
燃气轮机发动机***(12)，其包括：
第一压缩机(18)，其构造成以便压缩入口空气流(30)，以产生处于第一压力的第一出口空气流(32)；
中间冷却器(34)，其联接到所述第一压缩机(18)上，并且构造成以便冷却离开所述第一压缩机(18)的所述第一出口空气流(32)，以产生第二出口空气流(36)；以及
第二压缩机(20)，其联接到所述中间冷却器(34)上，并且构造成以便压缩离开所述中间冷却器(34)的所述第二出口空气流(36)，以产生处于第二压力的第三出口空气流(38)；以及
联接到所述燃气轮机发动机***(12)上的超临界朗肯循环***(14)，其中，所述超临界朗肯循环***(14)联接到所述中间冷却器(34)上，以便以与所述第一出口空气流(32)成热交换关系的方式使工作流体循环，以将处于超临界压力的所述工作流体从第一温度加热到超过所述工作流体的临界温度的第二温度，以及冷却离开所述第一压缩机(18)的所述第一出口空气流(32)。
2. 根据权利要求1所述的混合式动力发生***(10)，其特征在于，所述超临界朗肯循环***(14)包括超临界有机朗肯循环***。
3. 根据权利要求1所述的混合式动力发生***(10)，其特征在于，所述工作流体在所述超临界压力处被从所述第一温度加热到超过所述工作流体的所述临界温度的所述第二温度，而所述工作流体没有相变。
4. 根据权利要求1所述的混合式动力发生***(10)，其特征在于，所述超临界朗肯循环***(14)联接到所述中间冷却器(34)上，以便以与所述第一出口空气流(32)成热交换关系的方式使所述工作流体沿逆流方向循环。
5. 根据权利要求1所述的混合式动力发生***(10)，其特征在于，所述超临界朗肯循环***(14)包括膨胀器(46)，所述膨胀器(46)构造成以便使从所述中间冷却器(34)接收到的经加热的工作流体膨胀到更低的压力。
6. 根据权利要求5所述的混合式动力发生***(10)，其特征在于，所述超临界朗肯循环***(14)进一步包括冷凝器(50)，所述冷凝器(50)联接到所述膨胀器(46)上，并且构造成以便使从所述膨胀器(46)供应的所述工作流体冷凝。
7. 根据权利要求1所述的混合式动力发生***(10)，其特征在于，所述燃气轮机发动机***(12)进一步包括燃烧器(26)，所述燃烧器(26)联接到所述第二压缩机(20)上，并且构造成以便燃烧燃料(40)和离开所述第二压缩机(20)的所述第三出口空气流(38)的混合物。
8. 根据权利要求1所述的混合式动力发生***(10)，其特征在于，所述燃气轮机发动机***(12)进一步包括涡轮(22)，所述涡轮(22)联接到所述燃烧器(26)上，并且构造成以便使从所述燃烧器(26)离开的燃烧排气(42)膨胀，以产生动力。
9. 一种混合式动力发生***(10)，包括：
燃气轮机发动机***(12)，其包括：
第一压缩机(18)，其构造成以便压缩入口空气流(30)，以产生处于第一压力的第一出口空气流(32)；
中间冷却器(34)，其联接到所述第一压缩机(18)上，并且构造成以便冷却离开所述第一压缩机(18)的所述第一出口空气流(32)，以产生第二出口空气流(36)；以及
第二压缩机(20)，其联接到所述中间冷却器(34)上，并且构造成以便压缩离开所述中间冷却器(34)的所述第二出口空气流(36)，以产生处于第二压力的第三出口空气流(38)；以及
超临界朗肯循环***(14)，其通过中间流体回路(54)联接到所述燃气轮机发动机***(12)上，所述中间流体回路(54)构造成以便使传热流体循环，其中，所述传热流体以与所述第一出口空气流(32)成热交换关系的方式循环，并且所述工作流体以与所述传热流体成热交换关系的方式循环，以将处于超临界压力的所述工作流体从第一温度加热到超过所述工作流体的临界温度的第二温度，以及冷却离开所述第一压缩机(18)的所述第一出口空气流(32)。
10. 一种运行混合式动力发生***(10)的方法，包括：
通过第一压缩机(18)来压缩入口空气流(30)，以产生处于第一压力的第一出口空气流(32)；
通过中间冷却器(34)来冷却离开所述第一压缩机(18)的所述第一出口空气流(32)，以产生第二出口空气流(36)；以及
通过第二压缩机(20)来压缩离开所述中间冷却器(34)的所述第二出口空气流(36)，以产生处于第二压力的第三出口空气流(38)；
其中，冷却所述第一出口空气流(32)包括以与所述第一出口空气流(32)成热交换关系的方式使超临界朗肯循环***(14)的工作流体循环，以将处于超临界压力的所述工作流体从第一温度加热到超过所述工作流体的临界温度的第二温度。
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