內部再加熱以抑制露點的燃料壓縮系統的製作方法

2023-05-31 04:06:06

專利名稱：內部再加熱以抑制露點的燃料壓縮系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種內部再加熱以抑制露點的燃料壓縮系統。

發明內容
本發明實施例提供一種氣體調節系統。該系統包括用於壓縮並加熱氣體為 熱氣體的壓縮機，產生空氣流的氣流裝置，以及換熱器，該換熱器沿第一流路 接收該熱氣體及沿第二流路接收該空氣流。熱量從該熱氣體傳遞至該空氣流以 產生冷卻氣體及熱空氣流，且水分凝結在冷卻氣體中。氣水分離器從冷卻氣體 中分離凝結的水分以產生飽和氣體。再熱器沿 一條流路從氣水分離器接收該飽 和氣體及沿另 一流鴻^人換熱器接收該熱空氣流。熱量^Mv該熱空氣流傳遞至該飽
和氣體以產生溫度高於該氣體飽和溫度的過熱氣體。
在其它實施例中，該壓縮機可包括噴油壓縮機(oil-flooded compressor J， 從而油與熱氣體混合。這些實施例可包括從該熱氣體中分離油的分離器，也可 包括從油交換熱量至空氣流的油冷卻器。
本發明另一實施例提供一種調節氣體的方法。該方法包括壓縮並加熱壓縮 機內的氣體以產生熱氣體，產生空氣流，該熱氣體與該空氣流之間進行熱交換 以產生冷卻氣體及熱空氣流，從該冷卻氣體中分離水分以產生飽和氣體，以及 以該熱空氣流再加熱該冷卻氣體以產生過熱氣體。
本發明又一 實施例提供一種用於發電的微型渦輪引擎。該微型渦輪引擎包 括空氣壓縮機，以及燃燒器，該燃燒器燃燒來自上述燃料調節系統的氣體與來 自空氣壓縮機的壓縮空氣組成的混合物。該燃燒器產生燃燒產物。該微型渦輪 引擎進一步包括因燃燒產物的膨脹而旋轉的動力渦輪。該動力渦輪驅動發電機 旋轉。該微型渦輪引擎進一步包括回熱器，該回熱器在該壓縮空氣流入燃燒器
之前以將燃燒產物的熱量交換至該壓縮空氣。
通過閱讀以下的詳細說明以及附圖，本發明的其它方面將會變得更加明顯。


圖l是本發明燃料壓縮系統的一個實施例的示意圖。
圖2是使用本發明的微型渦輪引擎發電機的示意圖。
具體實施例方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實 施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅 僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。本發明可採用其它實施例並以不同 的方式進行實施。此外，下文中所使用的措辭及術語僅僅用作描述用途，不應 作限定性解釋。下文中所使用的"包括"、"包含"、"具有，，等類似措辭意 為包含其後所列出之事項、等同物及其它附加事項。除特別聲明外，"安裝，，、 "連接，，、"支撐"、"配合，，等類似措辭應作廣義解釋，以包含直接及間接 的安裝、連接、支撐、配合。此外，"連接"及"配合"不限於物理的或機械 的連接或配合。
圖1所示的燃料壓縮/調節系統10自燃料源20處接收潮溼(即含有水汽) 氣體，去除氣體中的凝結的水分，並輸送氣體至燃料消耗裝置30。該燃料壓縮 /調節系統10包括壓縮機35、發動機40、分離罐45、後冷卻器50、油冷卻器 55、鼓風機60、氣水分離器65及再熱器70。
上述燃料源20可為，例如，廢水處理設施、垃;及掩埋場或其它可釋^:氣體 的場所。氣體內的雜質可例如為矽氧烷或其它若不去除可導致燃燒腔及其關聯 的移動部件汙染或者損壞的致汙物。該燃料消耗裝置30可為，例如，燃燒器， 該燃燒器燃燒該氣體從而降低釋放到環境中的未燃燒氫氣的數量。可選擇地， 該燃料消耗裝置30也可為使用氣體燃料的發動機。此類發動機示例包括往復發 動機、微型渦輪發動機及大型氣體渦輪發動機。此類發動機的用途示例包括發 電，驅動冷卻器、製冷器、壓縮機，聯合製備熱水，或以升降等方式移動物體。
潮溼氣體/人燃料源20流至壓縮才幾35 ( 71處)。該壓縮衝幾35可例如為，噴 油螺杆壓縮機，並由發動機40驅動。當氣體壓力增加時，氣體和油在壓縮機 35內混合。該氣體和油在壓縮過程中變熱。在所示實施例中，熱氣體和油以約 220華氏度(。F)的溫度流出壓縮機(72處)。
熱氣油流隨後進入分離罐45,在該分離罐45中氣體上升至頂部油下沉至 底部。氣體由分離罐45 (從75處)輸送至後冷卻器50,油(從80處)輸送至 油冷卻器55。後冷卻器50與油冷卻器55分別包含用於熱氣體與油的第一流路。 該後冷卻器50與油冷卻器55可以採用任何形式的能提供本文描述功能的換熱 器，包括如逆流或錯流板翅式換熱器及管翅式換熱器。
鼓風機60吹出的相對較冷空氣(從81處)通過後冷卻器50和油冷卻器 55內的第二流路，以冷卻熱氣體和熱油。在其它實施例中，風扇或其它具有移 動空氣通過換熱器功能的氣流裝置可取代鼓風機60。後冷卻器50和油冷卻器 55中的熱交換致使空氣溫度上升並產生熱氣流(82處)。在所示實施例中，氣 體溫度降至約高於環境溫度15°F，且油溫度降至約175°F。但在其它實施例中， 後冷卻器50和油冷卻器55可為其它尺寸以實現其它目標溫度。該從後冷卻器 50出來的氣體可稱為冷卻氣體。該冷卻氣體輸送(從83處)至氣水分離器65， 且油(從85處)重新進入壓縮機35內再次使用。
該氣水分離器65去除冷卻氣體中由於通過後冷卻器50氣體溫度下降而可 能凝結的水分。流出氣水分離器65的氣體仍高於環境溫度約15°F，並達到飽 和(即氣體達到其露點)。飽和的氣體(從90處)離開氣水分離器65,並進 入再熱器70內的一條流路。水分同樣(從95處)流出氣水分離器65。
再熱器70置於後冷卻器50和油冷卻器55的與鼓風機60相對的另一側， 從而該熱氣流82 (即流出後冷卻器50與油冷卻器55的空氣)流過再熱器70 中的另一流路(即與飽和氣體的流路不同的流路)。該再熱器70可以採用任何
形式的能提供本文描述功能的換熱器，包括如逆流或錯流板翅式換熱器及管翅
式換熱器。在某些實施例中，再熱器70可安裝於後冷卻器50和油冷卻器55 上，但在其它實施例中該再熱器70可單獨安裝。
在再熱器70內，熱量從熱氣流交換到飽和氣體，從而氣體溫度上升至其露 點或飽和溫度以上。在這點上，該(從96處)離開再熱器70的氣體可稱為"過 熱"氣體，因為其溫度提升至其飽和溫度之上。在所示實施例中，再熱器70 的尺寸構造成用於產生約高於環境溫度40°F的過熱氣體96。該加熱步驟產生 露點抑制，從而殘餘的水分存留於氣體中，且當氣體在燃料消耗裝置30中被消 耗時，殘餘的水分不會凝結。
圖2示意性表示出一種燃料消耗裝置，該裝置可用於與上述燃料調節系統 IO協同使用。所示燃料消耗裝置為微型渦輪引擎發電機100,其可用於分布式 電源應用場合，甚至可安裝於滑軌上並在工位之間移動。微型渦輪引擎發電機 通常產生2兆瓦(MW)或低於2兆瓦的電量，因此其功率相較於電力網的發 電站的發電機而言較小。
所示微型渦輪引擎發電機100包括壓縮機105、回熱器IIO、燃燒器115、 動力渦輪120及發電機125。空氣在壓縮機105中壓縮並輸送至回熱器110的 較冷一側。回熱器110可例如為逆流板翅型換熱器。壓縮空氣在回熱器110中 預熱並與來自燃料源(例如上文所述的且如圖1中所示的來自燃料調節系統 10的過熱氣體96 )的氣態燃料混合形成易燃混合物。
易燃混合物在燃燒器115中燃燒產生燃燒產物。燃燒產物通過動力渦輪120 發生膨脹以給動力渦輪120的旋轉提供能量。轉動的動力渦輪120通過可選變 速箱130來驅動發電機125運轉，以產生可用頻率的電能。在其它可選實施例 中，電力電子技術可取代變速箱130來調節電信號的頻率至可用頻率。在所示 的微型渦輪100中，動力渦輪120與壓縮機105通過轉軸135耦合以共同旋轉， 從而動力渦輪120的旋轉同樣驅動壓縮機105旋轉。在其它實施例中，動力渦 輪120可僅驅動發電機125，且可使用一個額外的燃氣發生器式渦輪來驅動壓
縮機105。在這些實施例中，燃燒產物通過動力渦輪120和燃氣發生器式渦輪 時均發生膨脹。
在從微型渦輪引擎100排出燃燒產物之前，燃燒產物流入回熱器110的較 熱一側以預熱流入的壓縮空氣。在排出燃燒產物前，燃燒產物中的任何殘餘熱 量在最後的換熱器140內均被合理利用(例如加熱水)。
本發明的各種特徵與優點如權利要求中所述。
權利要求
1、一種氣體調節系統，該系統包括壓縮機，該壓縮機用於壓縮並加熱氣體為熱氣體；氣流裝置，該氣流裝置產生空氣流；換熱器，該換熱器沿第一流路接收該熱氣體及沿第二流路接收該空氣流，從而熱量從該熱氣體傳遞至該空氣流以產生冷卻氣體及熱空氣流，其中水分凝結在冷卻氣體中；氣水分離器，該氣水分離器用於從冷卻氣體中分離凝結的水分以產生飽和氣體；及再熱器，該再熱器沿一條流路從氣水分離器接收該飽和氣體及沿另一流路從換熱器接收該熱空氣流，從而熱量從該熱空氣流傳遞至該飽和氣體以產生溫度高於該氣體飽和溫度的過熱氣體。
2、 如權利要求l所述的系統，其中該壓縮機包括噴油壓縮機，該熱氣體包 括熱油，該系統進一步包括適合於從熱氣體裡分離出熱油的分離器。
3、 如權利要求2所述的系統，其中換熱器包括後冷卻器和油冷卻器，該換 熱器沿另一流路從分離器接收熱油，熱量從熱油傳遞至空氣流以產生冷油並將 熱量釋放到熱空氣流中。
4、 如權利要求l所述的系統，其中該再熱器安裝於換熱器上。
5、 如權利要求l所述的系統，其中該氣流裝置產生環境空氣的空氣流。
6、 如權利要求5所述的系統，其中該換熱器的尺寸構造成用於產生高於環 境溫度15華氏度的冷卻氣體。
7、 如權利要求1所述的系統，其中該再熱器的尺寸構造成用於產生高於環 境溫度40華氏度的過熱氣體。
8、 一種調節氣體的方法，該方法包括 壓縮並加熱壓縮機內的氣體以產生熱氣體； 產生空氣流；該熱氣體與該空氣流之間進行熱交換以產生冷卻氣體及熱空氣流； 從該冷卻氣體中分離水分以產生飽和氣體；及 以該熱空氣流再加熱該冷卻氣體以產生過熱氣體。
9、 如權利要求8所述的方法，其中壓縮並加熱氣體產生溫度約為220華氏 度的熱氣體。
10、 如權利要求8所述的方法，其中該壓縮步驟由噴油壓縮機執行，從而 該熱氣體中包含熱油，該方法進一步包括在熱交換步驟之前從該熱氣體中分離 熱油。
11、 如權利要求IO所述的方法，其中該熱交換步驟包括從熱油和熱氣體中 交換熱量到空氣流中。
12、 如權利要求8所述的方法，其中該熱交換步驟由換熱器執行，且該再 加熱步驟由再熱器執行，該方法進一步包括安裝再熱器到換熱器上。
13、 如權利要求8所述的方法，其中產生空氣流步驟由鼓風機執行，且該 空氣流為環境溫度。
14、 如權利要求13所述的方法，其中該熱交換步驟產生溫度約高於環境空 氣流溫度15華氏度的冷氣體。
15、 如權利要求13所述的方法，其中該再加熱步驟包括產生約高於環境溫 度40華氏度的過熱氣體。
16、 一種微型渦輪引擎發電機，其包括 空氣壓縮機，該空氣壓縮機產生壓縮空氣流；燃料調節器，該燃料調節器包括用於壓縮並加熱氣體的氣體壓縮機、冷卻 該氣體並加熱空氣流的後冷卻器、從該冷卻氣體中分離出凝結的水分的氣水分 離器及利用該#1加熱的空氣流再加熱該冷卻氣體以產生過熱氣體的再熱器；燃燒器，該燃燒器燃燒該壓縮空氣與該過熱氣體的混合物以產生燃燒產物；動力渦輪，該動力渦輪因燃燒產物的膨脹而旋轉；發電機，該發電機因動力渦輪的旋轉而產生電能；及回熱器，該回熱器在該壓縮空氣流入燃燒器之前以該燃燒產物預熱該壓縮 空氣。
17、如權利要求1所述的微型渦輪，其中該燃料調節器內的氣體壓縮機包 括噴油壓縮機，該氣體壓縮機進一步包括用於從該壓縮氣體中分離油的分離器 及用於冷卻油並加熱空氣流的油冷卻器。
全文摘要
本發明實施例公開了一種內部再加熱以抑制露點的燃料壓縮系統。該系統包括用於壓縮並加熱氣體為熱氣體的壓縮機，產生空氣流的氣流裝置，以及換熱器，該換熱器沿第一流路接收該熱氣體及沿第二流路接收該空氣流。熱量從該熱氣體傳遞至該空氣流以產生冷卻氣體及熱空氣流，且水分凝結在冷卻氣體中。氣水分離器從冷卻氣體中分離凝結的水分以產生飽和氣體。再熱器沿一條流路從氣水分離器接收該飽和氣體及沿另一流路從換熱器接收該熱空氣流。熱量從該熱空氣流傳遞至該飽和氣體以產生溫度高於該氣體飽和溫度的過熱氣體。
文檔編號F02C7/22GK101201016SQ20071016777
公開日2008年6月18日 申請日期2007年10月24日 優先權日2006年10月24日
發明者唐納德·馬克·伍德, 理察·L·迪氏曼 申請人:英格索爾-蘭德能源系統公司