CN102900529B - 双工质联合循环透平机降温提效方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机、蒸汽轮机技术领域，即双工质联合循环透平机降温提效方法。工质采用燃气和水（蒸汽），燃气在燃烧室内产生，水在相变室内相变；两个势能分别产生，共同作功。在相变室产生的湿蒸汽与燃气混合、作功，实线工质总量可调。第二工质水以汽液界面温度补入相变室，为零部件降温的同时发生相变。实现势能的强势利用。把不同燃烧方式的两部透平式发动机精简成一部透平，实现两种不同的工质在一部透平中串联完成勃雷登循环和郎肯循环。用大量的水蒸汽取代了燃气，使耗油率降低，二氧化碳的排放也同比例的降低，低碳环保，以新理念调控发动机温度，大幅度改善单机的热功转化能力，热效率≥60%，杜绝有害气体排放。

Description

双工质联合循环透平机降温提效方法

技术领域　

本发明涉及燃气轮机、蒸汽轮机技术领域，针对燃气轮机消除热伤害、提高热效率、降低自耗功的方法，即双工质联合循环透平机降温提效方法。适用于陆路、水路大小行走机械和座台机械的动力源。

背景技术

热力学认为：“‘热’不能直接转化成为机械功，必须借助于工质”。

在现有技术中，“热~工质—机械功”，“热”的来源是燃料的热值，是个固定值；“工质”是热功转换的介质，它被“气燃比”和发动机的结构精准固定，也是个固定值；“机械功”是用固定的“工质”转化固定的“热”，得到的“机械功”结果，必然也是个固定值。

所以，用固定值转化固定值得到的结果必然是固定值，这就是热力机械热效率提高不上去的根本原因。

闭口燃烧方式的发动机只能利用第一梯阶的化学能，对第二梯阶以后的能量只能作为“剩余热”排放到大气中，作无用功。

开口燃烧方式的发动机对第一梯阶能量不具备利用和转化的设备条件，只能利用第二梯阶的物理能，对第一梯阶和第三梯阶以后的热能无偿排放，作无用功。

燃气轮机（简单）循环的热效率18%，工作温度提高到1430℃热效率可达38%。高温、高速的工质对叶轮叶片的伤害非常严重。

燃气轮机：热效率低、热伤害严重、自耗功大、选材要求高，制造成本高、实际应用受限。A、热效率：18~38% 。B、工作温度：1340~1430℃（燃气指标）。C、提高热效率的理念是：尽量提高工作温度，用增大工质“比容”的方法提高工质流量。D、为了降低高温对燃烧室和叶轮的伤害，需要大量的空气对燃气轮机进行冷却，进入压气机的空气2/3作为冷却工质，只有1/3是为燃料供氧的，压气机的负担非常沉重。E、叶轮和燃烧室必须采用高级耐高温材质。

程氏循环：在一部燃气轮机中并联完成勃雷登循环和郎肯循环。

A、热效率：≈53%。B、第二工质在余热锅炉内完成相变。C、蒸汽（与燃气）等压状态补入燃烧室。D、相变势能在储存和输送衰减后才得以利用。E、余热锅炉和配套设施占用巨大空间。F、余热回收后再利用。

双机联合循环热力机组：燃气轮机与蒸汽轮机共同使用一份燃料能，使用两种不同工质。分别完成勃雷登循环和郎肯循环，分别作输出功。双机热效率：≈55%。不适用于小型机械和行走机械。

内燃机：“气燃比”是确保碳氢化合物完全氧化供氧需求的精准比例，而不是保证“热功转换”精准“工质需求”。A、汽油机热效率：27~30%，柴油机热效率：37~42%。B、单一工质完成单一循环。C、活塞连杆组惯量大，运转震动大，噪音大、故障率高、维修周期短。D、强制冷却***散失热量30%，尾气携走热量30%，作了无用功。如何实现工质总量调控，是消除热伤害、提高热效率的关键。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足而提供一种以燃气、水为工质，两种不同的工质在一部透平中串联完成勃雷登循环和郎肯循环的双工质联合循环透平机降温提效方法。

本发明的技术解决方案是：双工质联合循环透平机降温提效方法，其特征在于一部透平中同时采用燃气工质和水为第二工质，创建合理的“工质热比”，以变量的工质转化固定值的燃料内能，提高燃料能的利用率；第二工质在燃烧室等压的相变室内遇热完成相变，不从燃气中直接吸收热量，不影响燃料的正常燃烧；第二工质的相变势能与第一工质的燃烧势能衔接作功，以调节工质总量来控制发动机温度和热效率。

环形燃烧室和相变室是双质透平可以对燃料能中第一梯阶的化学能和第二梯阶及以后的物理能同时进行热功转化的互补设备条件。环形燃烧室是环圆锥纵向波纹空间，环形燃烧室内壁和相变室外壁之间设有倒锥筒状隔离板，隔离板为波纹板。

第二工质以汽液界面温度补入相变室，缩短相变滞后时间，避免衰减，体现强势利用。

把不同燃烧方式的透平式发动机精简成一部透平，在燃气轮机结构的基础上增加第二工质补给系，实现两种不同工质在一部透平中串联完成勃雷登循环和郎肯循环。

采用燃气工质和水为第二工质，燃气在燃烧室内燃烧，第二工质在相变室内相变，然后湿蒸汽与燃气混合换热、作功，实现工质总量调控。

第二工质以汽液界面温度补入相变室，为零部件降温同时发生相变。

把不同燃烧方式的两部透平式发动机精简成一部透平，实现两种不同的工质在一部透平中串联完成勃雷登循环和郎肯循环。

“燃烧势能”是燃料燃烧化学反应过程中不可逆的势能，这个化学反应过程所汲取并转化的能量设为“第一梯阶”的化学能。“相变势能”利用“燃烧势能”作功剩余的热量进行热功转化，这是“第二阶梯”可逆的物理能，尾气中的“热”设为“第三梯阶能量”，排放的双气中的能量设为“第四梯阶能量”……

低热密度的热能被第二工质从低温热源逐步携回（而不是传递）到高温热源，再吸收燃烧室外壁（波纹隔板）高温热源的热量，完成相变，产生相变势能，直接作有用功。

环形燃烧室和相变室正是双质透平可以对燃料能中第一梯阶的化学能和第二梯阶及以后的物理能同时进行热功转化的互补设备条件。燃料都是碳氢化合物，“燃烧”是一个“吸”“放”热的氧化过程，而不是单纯的放热过程，这一氧化过程是不可逆的化学反应过程，氧化过程所消耗的热能被转化成“燃烧势能”，对“燃烧势能”你利用它，它作有用功，不利用它，它作无用功。它对其余的热能已经不再需要而作为剩余，无偿排放，浪费掉了。外燃机对它的“剩余热”再通过“水”作为工质，完成热功转换。水完成相变，生成蒸汽，是可逆的。所以：不可逆的是化学能，可逆的是物理能。

双工质联合循环透平机的工质采用燃气和水（只能是水，经济、无污染、低热值，但不绝对限于水，也可以是其它工质，如：氟利昂、液态氨、等液态物资。），燃气和水在燃烧室内分隔进入；第二工质水在相变室发生相变后以湿蒸汽与燃气汇合、控温、作功，实现工质总量可调。第二工质水以汽液界面温度补入相变室，为零部件降温的同时发生相变。

双工质联合循环透平机（简称：双质透平）以燃气轮机的结构和工作原理为基础完成勃雷登循环，以蒸汽轮机的工作原理为基础在燃气轮机的透平中完成郎肯循环。把不同燃烧方式的两部透平式发动机精简成一部透平，使用两种不同的工质在一部透平中串联完成勃雷登循环和郎肯循环。在双质透平中：绝热压缩过程和定压加热、定压吸热过程是单独完成的；绝热膨胀过程和定压放热过程是在同一个透平中共同完成的。

“可调工质总量”是掌控“热功转换能力”新思路。在一部透平中串联完成勃雷登循环和郎肯循环。以变量的工质转化固定值的燃料内能，掌控热能利用率，可使热效率≥60%（因为：“‘热’不能直接转化成为机械功，必须借助于工质”，以提高工质总量替代提高工质比容的做法。）。工作温度：最低可调控480℃（水是低热物资，相变潜热很大，相变势能很强。）。叶轮和燃烧室采用普通耐高温耐酸材料。第二工质以汽液界面温度补入相变室。以燃气势能的压力高峰值为其压力起点在相变室完成相变。无活塞惯量，转速高、故障率低、维修周期长、持续运转特性好。

本发明的优点是：

1、双质透平与燃气轮机比较：热效率高，消除热伤害，符合排放最高标准，选材容易，制造成本低。双工质可在超微型、微型、小型、中性、重型、超重型、超超重型中实施联合循环。热效率：≥60% 。工作温度：最低可调控480℃（双气平衡指标）。叶轮和燃烧室采用普通耐高温耐酸材质即可。

2、双质透平与“程氏循环”比较：在一部透平中串联完成勃雷登循环和郎肯循环。热效率：≥60%。第二工质以汽液界面温度补入相变室，在相变室完成相变。燃气压力高峰是相变势能压力起点，体现强势利用。第二工质补给系空间占用小。直接和回收相结合利用余热。

3、双质透平与“双机联合循环热力机组”比较：在一部透平中使用燃烧势能完成勃雷登循环，使用相变势能完成郎肯循环。单机输出机械功。单机热效率：≥60%。适用于陆路、水路大小行走机械和座台机械的动力源。

4、双质透平与内燃机比较：工质总量可调。热效率：≥60%。在一部透平中“双工质”联合循环。无活塞惯量，转速高、故障率低、维修周期长、持续运转特性好。第二工质为部件冷却的同时发生相变，无强制冷却***，尾气不直接排放，使无用功变有用功。

5、排放：任何热机的燃烧温度都很高，炽热点均在2000℃以上，在高热的炽热环境中，二氧化碳有可能被第二次热解，生成一氧化碳和氧气，氮气可以被氧化，生成氮氧化合物。双质机采用低温燃烧技术，始终不存在炽热点，利于环保。

6、在双质机中大量水蒸汽取代了（需要消耗燃料的）燃气，使耗油率降低，二氧化碳的排放也同比例的降低，低碳环保。

7、双质透平大量提高了工质总质量，第二工质为零部件降温的同时发生相变。燃气温度适于调控在1300±50℃。不仅消除热伤害，还可以杜绝有害气体的产生。

下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

附图说明

图1是双工质联合循环透平机主体结构简图。

图2是纵向波纹隔离板横截面结构简图。

具体实施方式

参见图1、2，零部件名称如下：涡轮及轴1，压气机叶轮2，压气机叶片3，压气机壳体4，润滑油入口5，燃油入口6，红外线网罩7，油、水嘴中体8，喷油嘴9，排气口10，喷水嘴11，水嘴压盖12，环形燃烧室13，纵向波纹隔离板14，燃烧室内壁15，旋流导板16，涡轮叶片17，定片导板18，隐形换热器19，温水出口20，排气管21，缓衰补芯22，燃油备用入口23，第二工质入口24，相变室外壁25，冷水入口26，相变室27。

双工质联合循环透平机包括一个运动部件、燃料供给系、第二工质补给系、电器系、润滑系、负载。具体实验结构是：它包括涡轮及轴1、涡轮叶片17；左边涡轮及轴1上有压气机叶轮2，压气机叶片3，压气机壳体4；环形燃烧室13、相变室27；环形燃烧室、相变室其间有隔离板14，隔成燃烧室13和相变室27；环形室一端带有环形喷油嘴9和环形喷水嘴11，环形喷油嘴9与燃烧室13连通；环形喷水嘴11与相变室27连通；环形室的另一端蒸汽和燃气汇合后经导流板共同吹向涡轮叶片17。

隔离板14为波纹板（倒锥筒状），接触面积大。喷油嘴9呈45o圆锥角。燃烧室13入口处喷油嘴9之间设置有红外线网罩7。燃烧室13是环圆锥纵向波纹空间。相变室27是燃烧室外壁隔离板14与相变室外壁25间的倒锥纵向波纹空间。

参见图2，燃烧室13与相变室27之间由纵向波纹隔离板14隔开，隔离板14既是燃烧室13的外壁又是相变室27的内壁。

压气机圆周送气。燃油喷油嘴是环形的，45o锥角圆周喷出。窄环形压气通道接通环形燃烧室13的窄环形入口。燃烧室13可以分为两种：直燃式和红外线式。直燃式：燃料以45o锥角近距离喷向燃烧室13窄环形入口，燃料在入口处开始燃烧；红外线式：在入口前设置红外线网罩7（如钨丝），燃料在红外线网罩7间燃烧。燃烧室13是“环圆锥纵向波纹空间”。相变室27是燃烧室13外壁波纹板与筒形相变室外壁25间的“倒锥纵向波纹空间”。

燃料的燃烧过程和第二工质的相变过程在同一个压力空间独立完成，不从燃气中直接摄取汽化热，不影响燃料正常燃烧。

低热密度的热能被第二工质逐步回收携回（而不是传递）到高温热源，再吸收燃烧室外壁波纹隔离板14的热量，完成相变，产生相变势能，直接作有用功。

闭口燃烧方式的发动机只能利用第一梯阶的化学能，对第二梯阶以后的能量只能作为“剩余热”排放到大气中，作无用功。

开口燃烧方式的发动机对第一梯阶能量不具备利用和转化的设备条件，只能利用第二梯阶的物理能，对第一梯阶和第三梯阶以后的热能无偿排放作无用功。

环形燃烧室和相变室正是双质透平可以对燃料能中第一梯阶的化学能和第二梯阶及以后的物理能同时进行热功转化的互补设备条件。

工作过程：1、启动：启动时首先断开负载，打开点火器电源，用压缩空气（或电动机）启动透平转子。当转速达到8,000~10,000转/分时，迅速打开液化气阀门的40%，预热运转，适时全开液化气阀门。液化气从燃油入口6进入环形喷油嘴9；由压气机供给压缩空气，在环形喷油嘴9处混合，（电火花点燃）直接进入环形燃烧室13燃烧，燃气将纵向波纹隔离板14烧热；2、经30~40秒的运转预热，启动第二工质补给系，微量打开阀门，让少量水进入相变室27，冷却燃烧室隔离板14同时发生相变；3、湿蒸汽与燃气在纵向波纹隔离板14的出口处进入双气通道混合换热：4、事先加注在蓄水箱（换热器）中的冷水经冷水入口26进入隐形换热器19，吸收尾气热量，进一步升温，由温水出口20进入燃烧室冷却水套，吸收燃烧室内壁的热量，达到汽液界面温度，热水通过入口24进入环形喷水嘴11，经环形喷水嘴11喷向纵向波纹隔离板14，为环形燃烧室13降温同时发生相变，发生相变的水蒸汽从排气口10经汽水分离器进入双气通道；5、湿蒸汽在隔离板14出口处与燃气混合、换热，过热蒸汽和燃气经旋流导板16的紊流混合换热、加速后共同吹向涡轮叶片17；6、定片导板18阻止双气的旋流起到一个导向作用，并回推给涡轮叶片17一个反作用力；7、透平功通过涡轮及涡轮及轴1带动压气机叶轮2为压气机提供压缩功，同时带动负载作轴功。

Claims (1)

1. 一种双工质联合循环透平机降温提效方法，其特征在于在一部透平中同时采用燃气工质为第一工质，水为第二工质；以变量的工质转化固定值的燃料内能，提高燃料能的利用率；第二工质在燃烧室等压的相变室内遇热完成相变，第二工质的相变势能与第一工质的燃烧势能一同作功，以调节工质总量来控制发动机温度和热效率；环形燃烧室和相变室是双质透平可以对燃料能中第一梯阶的化学能和第二梯阶及以后的物理能同时进行热功转化的互补设备条件，环形燃烧室（13）是环圆锥纵向波纹空间，环形燃烧室(13)内壁和相变室(27)外壁之间设有倒锥筒状隔离板（14），隔离板（14）为波纹板；第二工质以汽液界面温度补入相变室，把不同燃烧方式的透平式发动机精简成一部透平，相变室（27）是隔离板（14）与相变室外壁（25）间的倒锥纵向波纹空间；在燃气轮机结构的基础上增加第二工质补给系，实现两种不同工质在一部透平中串联完成勃雷登循环和郎肯循环。