CN1027518C - 利用气态流体产生机械能的方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
一种通过气态流体产生机械能的装置包括由带有一燃烧室4的燃气轮机1和一由涡轮机T驱动的压缩机单元C。这后一个涡轮机T由经过布置在燃气轮机T的排气管处的主热交换器3的来自上述单元C的压缩空气供应。压缩涡轮机T的输出管10与燃烧室4相连。
Description
本发明涉及一借助气态流体产生机械能的装置，包括一由燃气轮机和至少由一台单列的压缩涡轮机驱动的一压缩机单元组成的机组，其中这（这些）涡轮机与压缩单元由一连接导管串联起来。人们知道这种装置有各种类型，但至今还没人成功地设计出一个装置，它和已有的动力源如内燃机、汽轮机等相比能有一个令人满意的效率（35%）。
在这些已有的装置中往往忘记了充分注意燃气轮机的有害的废气。例如建议为了提高气态流体的温度而把燃烧室加到压缩涡轮机上。这后一种措施加剧了有害燃烧物的散发。
本发明的目的是填补这一空白，提供一种装置，它有约40%的效率，能在50到3000千瓦范围之间工作，由此限制有害物的散发。
本发明的一种利用气态流体产生机械通能的方法，所述气态流体流动通过由至少一个单个的压缩涡轮机（T）驱动的一动力涡轮机（1）和压缩机单元（C），该压缩涡轮机（T）的输入通过连接于一主热交换器（3）的一热交换侧的连接管道（6、8、9）以串联流体流动方式连到所述压缩机单元（C），所述主热交换器的另一热交换侧连到所述动力涡轮机的排气侧以便在上述各部件工作期间从所述动力涡轮机的排放气体至被压缩的空气之间进行热交换。
其特征在于，从所述压缩机单元（C）流向压缩涡轮机（T，T1或T2）的被压缩空气的加热是在所述主热交换器（3）中进行的，由此，在所述压缩涡轮机（T，T1或T2）中膨帐的被压缩和加热的空气保持不受污染，只有所述动力涡轮机（1）具有所述被压缩空气中燃烧然
料的燃烧室（4），且所述被压缩机未污染的空气从所述的（最后的）压缩涡轮机（T或T2）排放到与之相连的所述燃烧室（4）。
本发明的实现上述方法的装置，它包含由至少一个单个的压缩涡轮机（T）驱动的压缩机单元（C）构成的机组，该机组进一步包含一个动力涡轮机（燃气轮机）（1），这些涡轮机利用连接导管（6-10）依次连接到压缩机单元，且从压缩机单元到压缩涡轮机的连接管道6安装在燃气轮机（动力涡轮机）（1）的排出管（2）中的主热交换器（3）中，其特征在于只有动力涡轮机（1）设有燃烧室（4），来自压缩涡轮机的膨帐气体的排气管（10）连接到该燃烧室（4）。
设想中装置的可以预料的用途是如用一种能供给约为700千瓦能量的装置驱动火车或船。按本发明的装置特征在于燃气轮机（动力涡轮机）单独有一燃烧室，来自最后一压缩涡轮机的膨胀气体的排气管与这燃烧室相连，特征还在于将压缩机单元与压缩涡轮机的连接导管和燃气轮机的排气管组合成主热交换器。
上述本发明的关键在于压缩机的驱动涡轮机不是由燃气轮机的废气馈给的，而是压缩空气本身在被引到动力涡轮机前就被用了。因此本发明使得有可能实现比迄今为止已实现的更接近于理论的CARNOT循环的操作。这为整个装置的热效率的根本增长打下基础。况且根据本发明整个装置的重要部件可以购买现成的如有的和已成熟的部件，这对整个装置的成本是非常重要的。
从美国专利3，054，257SCHELP已经知道，在机械能产生装置中，为了提高在这些涡轮机中流体的温度，为每个涡轮机配置一个辅助燃烧室。和已有的这种技术相反，本发明把燃烧室的运用限制在动力涡轮机，因此用在动力涡轮机排气管处回收的热量在流体通过压缩涡轮机前去加热该流体。
本发明还有两个优点。除接近CARNOT循环和结构可用在市场竞争中能购得的元件组成外，申请的新的装置使一种无论在内部
或在外部完全“清洁”的操作变为可能。完全没有被污染的空气（因而很少或没有内部污染）通过其压缩机和涡轮机。供给动力涡轮机的燃烧室的气体只需要有一个非常低的压力（约为200kpa）并与其有关系的在动力涡轮机中将有一相对较低的入口温度（约为900℃）。在这种情况下，NOx的散发量是很低的，使得环保负荷减经了。
按照本发明，如果该装置的压缩机单元包括至少两部分，则通过在压缩机单元两部分之间的导管内至少加一个热交换器而得到效率方面的另一改进。要指出的是，当提到热交换器时，它们可能是复热型或蓄热型的。
本发明的另一特征是该装置的动力涡轮机设计成一直流内流式涡轮机。这种涡轮机在涡轮机壳体的入口和轮叶顶部入口之间允许大约摄氏100℃的温度降低。在燃烧室中相对较高的温度不是绝对需要叶轮的冷却就能迅速地降温。如需要的话，这种冷却可用少量的冷却空气的简单方法能实现的，在此情况下，形成NOx的可能很小。
该装置的一个主要实施例特征在于：除在压缩机单元之中作为中间冷却器的热交换器以外，在燃气轮机的出口处现有的主热交换器后的以及在动力涡轮机的燃烧室前的压缩涡轮机的输出导管处至少有一个附属热交换器，这一实施例使得这装置完全适用于所谓全能量***能使该装置的总效率进一步提高。
用在燃烧室中提供一注射器的方法能进一步促使在动力涡轮机的排气中取得一较低的NOx的含量。通过一带有泵的导管将该注射器连到贮存水的容器上，该电容器连到在热交换器中冷却的连接导管的部分。在原理上将水或蒸汽喷射到燃气轮机燃烧室的火舌是已知的，按照本发明水是由压缩燃烧用空气的凝结水来的。这凝结水由节流阀收集，经过滤网注入到存储容器中。由此，泵能输送适量的凝结水到注射器，这凝结水例如在注射器前的排气管的热交换器
中，变成或者不变成蒸气。
本发明还体现在上述装置的操作过程中，这过程的特征在于在花卉和蔬菜的暖房中应用的全能量原理上，清洁的燃料（如来自Groningen）的天然气供给燃烧室，特征还在于使用一外部热交换器。以达到在释放出的热能和机械能之间的预定比例（H/P）。动力涡轮机的废气冷却向暖房排放。通过这些措施，CO2气体有助于植物进行二氧化碳的同化作用，能得到的另一点是能在所需的机械能之外单独测定发热量。反之亦然。因此本装置能很好地适应于各种需要有机械能和/或者热能的场合。
本发明将参照本装置的几种实施图及附带的曲线图作详细的描述。
图1表示该装置的流程图;
图2表示图1的T-S曲线图;
图3表示第一个变化例在所用的两压缩涡轮机之间的一个附加加热级;
图4表示图3的T-S曲线图;
图5示意地表示了该装置的全能量应用;
图6是一个大致上表示内流式动力涡轮机的轴剖面图。
图1所示的装置包括一由压缩机单元C组成的机组，这里它由单独一台压缩机组成。该机组也包括一台提供有效能量的燃气轮机1，称为动力涡轮机。这动力涡轮机有一排气管2。它伸到主热交换器3中。压缩机单元C由另外一个压缩涡轮机T驱动。动力涡轮机1有一燃烧室4，它在图1中单独表示出。压缩机C有一个吸气管5和一排气管6，排气管6通过主热交换器3和导管9通到压缩涡轮机T，压缩涡轮机T的排气管由导管10连到燃烧室4。
压缩机单元C通过连接导管6、8和9串联地连到压缩涡轮机T是很清楚的。通过主热交换器3，来自压缩机单元C的压缩空气的温
度进一步升高。结果是涡轮机T能供给压缩机C足够的动力。因此已用过但仍是压缩的空气通过导管10流到燃烧室4，同时燃料通过导管11通入室4并用于燃烧。由此得到的低压混合气体通过导管12流入动力涡轮机1，将机械能由转轴释放。动力涡轮机1的排气管2在经过主热交换器3后通过导管14排气。
在按图1装置中的工作过程大略地表示在由图2所示的T-S曲线图中，它清楚地表明了图1的装置的本质性的方法所具有的特殊优点，也就是说压缩涡轮机T不是如通常建议的由动力涡轮机废气驱动，而是由来自压缩机单元C的压缩空气通过热交换器用动力涡轮机排出的气体去进一步加热后去驱动。这意味着图2中所示的曲线非常接近（理想的）CARNOT循环。这循环的膨胀过程落在有最高温度的区域附近，这对装置的效率具有很好的影响。
按图3的实施例表示有分别由涡轮机T1和T2驱动的一低压压缩机C2和一高压压缩机C1的压缩机单元。另外在压缩机C1和C2之间的连接管6中有一热交换器7或冷却器。图4表示它的T-S曲线图。
为了得到一个概念，按图3所示的一个700千瓦有效功率的假设装置的一些参数表示如下：
C2的输入温度 15℃
C2的输出温度 114℃
C2的输出压力 250kpa
C1输入温度 30℃
C1的输出温度 139℃
C1的输出压力 6.11kpa
在热交换器3中
空气流动升温 560
在热交换器3中
废气降温 545℃
经过T2的压力比 1.82
在导管10中的温度 510℃
在导管12中的温度 890℃
在导管12中的压力 200kpa
轴13功率 约700KW
在导管2中的温度 730℃
在图3中有一附加的装置用虚线表示，它包括在燃烧室4中的注射器21。带有泵23的供给管22将注射器21和过滤后凝结水的贮存容器24相连。这凝结水来自在热交换器7之内或之外的连接导管6部分。输出导管25通过调节阀26将凝结水送到贮存器24。注射进燃烧室4的水或蒸汽使NOx的散发进一步减少。为了把凝结水加热成蒸汽，供给管22可以通过热交换器3。在它用于园艺事业（商品园艺）时，所得的凝结水用作喷雾水是很有益的。
图5为一特别适合于全能量运行的装置示意图，这运行的目的是除有作为压缩机单元（C1、C2）的中间冷却器的热交换器7外还通过使用一些外部热交换器来进一步提高装置的效率。第一个附加的外部热交换器17在燃气轮机1的排气侧，在热交换器3之后，第二外部热交换器18在动力涡轮机1的燃烧室4上游的最后一个压缩涡轮机T2的输出导管10处。
在导管10中还有一个三通阀19。直接输送给动力涡轮机的压缩空气量可用这阀调节，而剩余的空气流过热交换器18，在阀19的一个终端位置所有压缩空气通过导管10直接流到燃烧室4，而在另一终端位置所有空气通过热交换器18然后到达燃烧室4。通过阀19和由导管11中供给燃料量的正确调节以及外部热交换器17、18的作用，在热交换7、17和18中释放的热能和通过转轴13传递的机械能之间预定比值h/p是能实现的。
图5也表示了设在导管8和9中对涡轮机T1和T2的温度产生影响的附加装置28和29，当该装置用于发电，例如在一医院中，在动力涡轮机1的转轴13上负载的突然变化是常常出现的。当负载增加时，通过导管11供应的燃料增加了，在排气口2中的温度也将升高。由于它较高的热惯量，主交换器3将温升传递给已经由压缩机C1和C2压缩的流体时有一滞后。因此涡轮机T1和T2的旋转速度将不会立即变化，压缩机C1和C2的转速也不会立即变化。压缩机的这一延迟作用可能引起整个装置工作中的不稳定。为避免这一现象，装置28、29起到了将附加的热量（如通过辅助燃烧器或电热元件，图中未示）在进入涡轮机T1和T2以前供给流体的作用。由于压缩机有一较小的GD2值，它将立即有反应而避免上述的不稳定。附加装置28、29同样在动力涡轮机1的转轴负载减少时也能阻止这种不稳定。
图6表示一单向径流式涡轮机，它能在如1、3和5所示的装置中用作动力涡轮机。这一类型的涡轮机的优点是，除了别的以外，能在很高温度下向它供气，因为在到达移动叶片20以前温度下降约摄氏100℃。
该涡轮机也可能作为一台输出机械能的装置，所输出的机械能与该装置设计容量相差最多达40%，而仍保持热效率不变。为此，导向叶片21的角度可在厂里变更。在上述所给的700KW装置的例子中，意味着用相同的组件能组合成为大约从400KW至1000KW的装置而具有相同的热效率。
本装置的一个重要用途在于商品园艺领域，它需要如下的组合：
-发电或供给泵的能量等的机械能;
-加热暖房内壁的热量;
-关系到植物生长的附带的CO2供应。
所有这些都能从上述装置中得到，此装置中排出的废气的有利特征是它们NOx、一氧化碳和未燃烧的碳氢化合物的含量非常低。
Claims (8)
1、一种利用气态流体产生机械能的方法，所述气态流体流动通过由至少一个单个的压缩涡轮机(T)驱动的一动力涡轮机(1)和压缩机单元(C)，该压缩涡轮机(T)的输入通过连接于一主热交换器(3)的一热交换侧的连接管道(6、8、9)以串联流体流动方式连到所述压缩机单元(C)，所述主热交换器的另一热交换侧连到所述动力涡轮机的排气侧以便在上述各部件工作期间从所述动力涡轮机的排放气体至被压缩的空气之间进行热交换，
其特征在于，从所述压缩机单元(C)流向压缩涡轮机(T，T1或T2)的被压缩空气的加热是在所述主热交换器(3)中进行的，由此，在所述压缩涡轮机(T，T1或T2)中膨胀的被压缩和加热的空气保持不受污染，只有所述动力涡轮机(1)具有在所述被压缩空气中燃烧燃料的燃烧室(4)，且所述被压缩和未污染的空气从所述的(最后的)压缩涡轮机(T或T2)排放到与之相连的所述燃烧室(4)。
2、如权利要求1所述的产生机械能的方法，其特征在于，所述方法在运用于在暖房中的总能量的运行时，在燃烧室中的压力和温度通过适当供应清洁燃料给燃烧室而保持在非常低的水平，同时包括必需的外部热交换器而达到在释放的热能和机械能之间的预定比例（H/P），来自动力涡轮机的已被冷却了的燃烧气体被送到暖房。
3、如权利要求1或2所述的产生机械能的方法，其特征在于：对所述压缩机单元进行控制使得在动力涡轮机的燃烧室中的压力处在约为200kpa，在这燃烧室中的温度保持在约为900℃。
4、一种实现如权利要求1的方法的装置，它包含由至少一个单个的压缩涡轮机（T）驱动的压缩机单元（C）构成的机组，该机组进一步包含一个动力涡轮机（1），这些涡轮机利用连接导管（6、8、9、10）依次连接到压缩机单元，且从压缩机单元到压缩涡轮机的连接管道（6）安装在动力涡轮机（1）的排出管（2）中的主热交换器（3）中，其特征在于只有动力涡轮机（1）设有燃烧室（4），来自压缩涡轮机的膨胀气体的排气管（10）连接到该燃烧室（4）。
5、如权利要求4所述装置，其特征在于，除热交换器（7）作为压缩机单元（C1、C2）中的内部冷却器外，另一个外部热交换器（17）设置在主热交换器（3）下游的动力涡轮机（1）的排气管（14）中，且进而热交换器（18）设在动力涡轮机（1）的燃烧室（4）上游的压缩涡轮机（T2）的输出导管（10）中。
6、如权利要求4或5所述的装置，其特征在于：动力涡轮机（1）设计成单向径流式涡轮机。
7、如权利要求6所述的装置，其特征在于，在燃烧室（4）中有一个注射器（21），上述注射器通过一导管（22）和泵（23）连到存贮水的存贮器（24），该存贮器与在热交换器（7）中被冷却的连接导管（6）的部分进行连接。
8、如权利要求7所述的装置，其特征在于，在主热交换器（3）之后的连接导管（8、9）中有附加装置（28、29），它对通过这导管流向压缩涡轮机（T或T1、T2）的气态流体的温度产生影响。
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