蓄熱式燃氣輪的製造方法
2023-06-03 05:16:31
蓄熱式燃氣輪的製造方法
【專利摘要】本文提出一種蓄熱式燃氣輪機，包括蓄熱體、渦輪和補燃裝置。蓄熱體用以加熱流過蓄熱體的空氣以輸出被加熱的空氣。渦輪通過渦輪工質通道與蓄熱體流體相通從而通過渦輪工質通道接收欲在渦輪上做功的工質，在渦輪上做功的工質具有預定工質溫度。補燃裝置設置在渦輪工質通道上。當蓄熱體輸出的空氣的溫度低於預定工質溫度時，補燃裝置以燃燒的方式對空氣進行加熱從而提高工質的溫度。
【專利說明】蓄熱式燃氣輪機
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種燃氣輪機，特別是涉及一種蓄熱式燃氣輪機。
【背景技術】
[0002]蓄熱式燃氣輪機通常包括一個蓄熱體。蓄熱體代替傳統的燃氣輪機中的燃燒室對壓氣機提供的壓縮氣體進行加溫。蓄熱體工作一段時間後，其輸出的壓縮空氣的溫度將會降低。此時，蓄熱體將會被更換，造成蓄熱體的熱能一般利用率較低。
【發明內容】
[0003]有鑑於此，本文提出一種能夠提高蓄熱體熱能利用率的蓄熱式燃氣輪機。
[0004]本文提供一種蓄熱式燃氣輪機，包括蓄熱體、渦輪和補燃裝置。蓄熱體用以加熱流過所述蓄熱體的空氣以輸出被加熱的空氣。所述渦輪通過渦輪工質通道與所述蓄熱體流體相通從而通過所述渦輪工質通道接收欲在所述渦輪上做功的工質，在所述渦輪上做功的所述工質具有預定工質溫度。所述補燃裝置設置在所述渦輪工質通道上。當所述蓄熱體輸出的空氣的溫度低於所述預定工質溫度時，所述補燃裝置以燃燒的方式對所述空氣進行加熱從而提高所述工質的溫度。
[0005]在一個實施例中，所述蓄熱體與所述渦輪之間設置用於形成所述渦輪工質通道的輸氣管，所述補燃裝置設置在所述輸氣管內。
[0006]在一個實施例中，所述輸氣管具有直徑擴大部，所述補燃裝置設置在所述直徑擴大部內。
[0007]在一個實施例中，所述補燃裝置包括由穿孔壁形成的燃燒腔以及向所述燃燒腔內供給燃料的燃料供給裝置。
[0008]在一個實施例中，所述穿孔壁與所述輸氣管的管壁之間形成子通道，使得所述蓄熱體輸出的一部分空氣經所述子通道進入所述渦輪。
[0009]在一個實施例中，所述蓄熱體輸出的空氣能夠達到的最大溫度等於或者低於所述預定工質溫度。
[0010]在一個實施例中，所述蓄熱式燃氣輪機包括與所述蓄熱體流體相通的壓氣機，流過所述蓄熱體的所述空氣來自於所述壓氣機。
[0011 ] 在一個實施例中，通過所述渦輪工質通道接收的工質為第一工質，所述蓄熱式燃氣輪機還包括作為第二工質的蒸汽，所述渦輪包括第一工質渦輪部和第二工質渦輪部，所述第一工質在所述第一工質渦輪部上做功，所述蒸汽在所述第二工質渦輪部上，所述蓄熱式燃氣輪機還包括蒸汽回收裝置，以將所述蒸汽回收並再次注入到所述第二工質渦輪部上做功，所述第一工質渦輪部和第二工質渦輪部是沿著所述渦輪的旋轉方向進行劃分的，使得每個渦輪部在所述渦輪上的具體部位隨著所述渦輪的旋轉而不斷變化。
[0012]本文還提出一種蓄熱式燃氣輪機，包括壓氣機、蓄熱體、渦輪、補燃裝置以及旁通流道。所述壓氣機用以壓縮空氣並具有出氣部。所述蓄熱體與所述壓氣機的出氣部連接，用以加熱流過所述蓄熱體的壓縮空氣。所述渦輪通過渦輪工質通道與所述蓄熱體連接並通過所述渦輪工質通道接收欲在所述渦輪上做功的工質，在所述渦輪上做功的所述工質具有預定工質溫度。所述補燃裝置設置在所述渦輪工質通道上。當所述渦輪工質通道內的工質的溫度低於所述預定工質溫度時，所述補燃裝置以燃燒的方式加熱所述渦輪工質通道內的工質。所述旁通流道連接在所述壓氣機的出氣部與所述補燃裝置的進氣部之間。所述壓氣機的出氣部設有閥門，用以控制所述壓氣機的壓縮空氣輸入所述蓄熱體或經所述旁通流道輸向所述補燃裝置。
[0013]在一個實施例中，當所述蓄熱體輸出的空氣的溫度低於所述預定工質溫度但不低於一預設的最低空氣溫度時，所述閥門控制所述壓氣機的壓縮空氣輸入所述蓄熱體；當所述蓄熱體輸出的空氣的溫度低於所述預設的最低空氣溫度時，所述閥門控制所述壓氣機的壓縮空氣經所述旁通流道輸向所述補燃裝置。
[0014]綜上所述，本文提出的蓄熱式燃氣輪機中，在蓄熱體輸出的空氣能夠滿足預定工質溫度時，直接由被所述蓄熱體加熱的空氣作為渦輪工質，不需要利用補燃裝置對渦輪工質進行加熱。而當蓄熱體輸出的空氣的溫度不足時，補燃裝置對此時的空氣進行加熱，以使渦輪工質維持在預定溫度。如此，即使蓄熱體在運行一段時間後其輸出的空氣的溫度達不到預定工質溫度，其仍然可以利用補燃裝置進行加熱以達到預定的渦輪工質溫度從而實現更高的燃氣輪機效率，也從而增加了蓄熱體的熱能的利用率。而且，在一些實施例中，當蓄熱體不工作時，壓氣機提供的壓縮空氣可以不經過蓄熱體而直接進入補燃裝置，不影響燃氣輪機的正常運作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1是蓄熱式燃氣輪機的一個實施例的示意圖。
[0016]圖2是圖1中的補燃裝置的一個實施例的示意圖。
[0017]圖3是蓄熱式燃氣輪機的另一個實施例的示意圖。
[0018]圖4是蓄熱式燃氣輪機的另一個實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0019]在詳細描述實施例之前，應該理解的是，本發明不限於本申請中下文或附圖中所描述的詳細結構或元件排布。本發明可為其它方式實現的實施例。而且，應當理解，本文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。本文所使用的「包括」、「包含」、「具有」等類似措辭意為包含其後所列出之事項、其等同物及其它附加事項。特別是，當描述「一個某元件」時，本發明並不限定該元件的數量為一個，也可以包括多個。
[0020]圖1是蓄熱式燃氣輪機的示意圖。所示的燃氣輪機主要包括壓氣機10、蓄熱體12、渦輪14和補燃裝置16。渦輪14驅動負載18，例如發電機。
[0021]壓氣機10用以壓縮空氣。本發明並不限制壓氣機10的形式，其可為軸流式、離心式或者兼具兩者的混合式壓氣機。
[0022]蓄熱體12構造成用以存儲熱能。蓄熱體12與壓氣機10流體相通以接收並加熱壓氣機10輸出的壓縮空氣以輸出被加熱的壓縮空氣。蓄熱體12可以是任何能夠存儲熱能並能夠將熱能傳遞給流過其體內的儲能裝置。本發明對蓄熱體12的熱能來源不加以限制，其可以是來自電能，例如利用太陽能所發出的電，也可以是從其它形式的能源轉化而來。作為一個具體的例子，本實施例的蓄熱體12為電熱式蜂窩陶瓷蓄熱體。
[0023]渦輪14通過渦輪工質通道20與蓄熱體12流體相通從而通過所述渦輪工質通道20接收欲在渦輪14上做功的工質。該工質在渦輪14入口具有預定工質溫度，即預定的渦輪前溫度。總的來說，燃氣輪機的效率和加熱比和增壓比密切相關。渦輪前溫度越高，其意味著加熱比越高，其工質做功的能力就越高，進而燃氣輪機的效率也就越高。在加熱比一定的條件下，存在一個最佳增壓比使得效率達到最高，且該最佳增壓比隨加熱比的升高而升高。因此，該預定工質溫度的選擇應使得渦輪具有較高的效率，同時與該壓氣機的增壓比匹配。在本實施例中，渦輪前溫度的範圍是900-1200度，例如，900度、1000度或1200度。在實際循環中，低於或高於這個溫度，基本上都會使得燃氣輪機的整體效率降低。
[0024]補燃裝置16設置在所述渦輪工質通道20上，當蓄熱體12輸出的壓縮空氣的溫度低於所述預定工質溫度時，補燃裝置16會以燃燒的方式加熱蓄熱體12輸出的空氣。另一方面，當蓄熱體12輸出的空氣的溫度能夠達到該預定工質溫度，則補燃裝置16不會啟動。
[0025]圖2是補燃裝置16的一個實施例的示意圖。連接於蓄熱體12與渦輪14之間的渦輪工質通道20由輸氣管22形成。補燃裝置16設置在輸氣管22內。在所示的實施例中，輸氣管22具有直徑擴大部24，而補燃裝置16設置在這個直徑擴大部24內。
[0026]補燃裝置16包括由穿孔壁26形成的燃燒腔28以及向燃燒腔28內供給燃料F的燃料供給裝置30。穿孔壁26的孔可以讓蓄熱體12輸出的一部分空氣進入燃燒腔28以冷卻穿孔壁表面。穿孔壁26與輸氣管22的管壁之間間隔一段距離，從而於穿孔壁26和輸氣管22之間形成子通道32。該子通道32可供一部分蓄熱體12輸出的空氣直接通往渦輪14，而不進入燃燒腔28。也就是說，從蓄熱體12向渦輪14輸送的空氣一部分進入補燃裝置16的燃燒腔28，然後進入渦輪14，還有一部分空氣不進入燃燒腔28而通過子通道32進入渦輪14。
[0027]如果補燃裝置16未被啟動(例如，當蓄熱體12輸出的空氣的溫度達到預定工質溫度時)，蓄熱體12輸出的空氣通過子通道32以及通過燃燒腔28輸向渦輪14以在渦輪14上做功。因此，此時在渦輪14上做功的工質全部是空氣。
[0028]如果補燃裝置16被啟動(例如，當蓄熱體12輸出的空氣的溫度低於所述預定工質溫度時)，則進入燃燒腔28的空氣與燃料供給裝置30供給的燃料F進行燃燒，其高溫燃燒產物(即燃氣)向渦輪14被輸往渦輪進行做功。此時，在渦輪14上做功的工質將會是高溫燃氣。通過控制燃料F的流量，可以控制燃氣的溫度，從而控制工質的溫度達到所述預定工質溫度。
[0029]在一些實施例中，至少在蓄熱式燃氣輪機的部分運行時間內，蓄熱體12輸出的壓縮空氣的溫度與所述預定工質溫度相等。在這部分運行時間內，所述補燃裝置14內不進行燃燒反應。
[0030]在一些實施例中，蓄熱體12輸出的壓縮空氣能夠達到的最大溫度與所述預定工質溫度相等。例如，蓄熱體12輸出的壓縮空氣能夠達到的最大溫度是1000攝氏度，而所述預定工質溫度也是1000攝氏度。這樣，在蓄熱體12開始工作的一段時間內，蓄熱體12能夠保持空氣的溫度在1000攝氏度，這樣補燃裝置14不需要啟動。這段時間之後，蓄熱體12輸出的空氣的溫度不斷下降，為了保證燃氣輪機的效率，需要啟動補燃裝置14並相應地控制燃料F的流量以保證工質達到所述預定工質溫度。
[0031]在一些實施例中，在燃氣輪機的整個運行時間內，蓄熱體12輸出的壓縮空氣的溫度都低於所述預定工質溫度。例如，蓄熱體輸出的壓縮空氣在300至600攝氏度之間，而所述預定工質溫度為1000攝氏度。在這種情況下，補燃裝置14 一直啟動運行，並相應地控制燃料F的流量以保證工質達到所述預定工質溫度1000攝氏度。
[0032]可以對渦輪14的排氣進一步處理或回收，以進一步增加效率。例如，上述燃氣輪機可以與餘熱鍋爐和溴化鋰機組一起構成冷熱電聯供系統。
[0033]圖3描繪了蓄熱式燃氣輪機的另一個實施方式。圖3的實施例與圖1的實施例不同之處在於，壓氣機10的出氣部與補燃裝置14的進氣部之間設置一個旁通流道40。壓氣機10的出氣部設置閥門42，用以控制所述壓氣機10的壓縮空氣輸入所述蓄熱體12或經所述旁通流道40輸向所述補燃裝置14。
[0034]當蓄熱體12輸出的空氣的溫度能滿足預定工質溫度(例如1000攝氏度)時，壓氣機10的壓縮空氣輸入蓄熱體12，加熱後進入渦輪做功，補燃裝置14不開啟。當蓄熱體12輸出的空氣的溫度低於預定工質溫度(例如，1000攝氏度)但不低於一個預設的最低空氣溫度(例如，300攝氏度)時，壓氣機10的壓縮空氣輸入蓄熱體12進行加熱，同時補燃裝置14開啟以進一步對空氣進行加溫。
[0035]當蓄熱體12使用一段時間後，其輸出的空氣的溫度低於所預設的最低空氣溫度(例如，300攝氏度)，整體燃氣輪機系統的效率將會明顯偏低，因此不宜繼續使用蓄熱體12。在這種情況下，壓氣機10的壓縮空氣通過旁通流道40輸向補燃裝置14以利用燃燒的方式對壓縮空氣加溫。在這種情況下，蓄熱體12完全不參與工作，此時燃氣輪機以傳統的方式進行工作。因此，本蓄熱式燃氣輪機不會因為蓄熱體12的原因而停止工作。圖3的實施例中的其它構造可與圖1的實施例中一致，在此不再贅述。
[0036]圖4描繪了蓄熱式燃氣輪機的另一種實施方式。圖4的實施例與圖1的實施例不同之處在於，蓄熱式燃氣輪機採用雙工質，渦輪14包括第一工質渦輪部50和第二工質渦輪部52。第一工質渦輪部50用於接收輸氣管22輸入的作為第一工質的空氣或燃氣(如前所述，根據燃氣輪機的不同運行狀態，其可能是空氣，也可能是燃氣)，因此也可以稱為空氣/燃氣渦輪部50。第二工質渦輪部52用以接收作為第二工質的高溫蒸汽，因此也可以稱為蒸汽渦輪部52。空氣或燃氣在空氣/燃氣渦輪部50上做功後從渦輪14排出。蒸汽在蒸汽渦輪部52上做功後離開渦輪14。離開渦輪14的蒸汽可以利用蒸汽回收裝置54回收後再次注入蒸汽渦輪部52做功。蒸汽回收裝置54可以將排出渦輪14的第一工質空氣或燃氣的熱量交換給離開蒸汽渦輪部52的第二工質蒸汽。第一工質渦輪部50和第二工質渦輪部52是沿著所述渦輪的旋轉方向進行劃分的，使得每個渦輪部在渦輪14上的具體部位隨著所述渦輪的旋轉而不斷變化。本實施例中的第一工質渦輪部50和第二渦輪部52的概念和具體構造以及相關配套結構請參考本 申請人:在2011年10月19日提交的PCT申請第PCT/CN2011/080985 號。
[0037]與圖3的實施例類似，在圖4的實施例中，壓氣機10的出氣部與補燃裝置14的進氣部之間也可以設置一個旁通流道40，使得當蓄熱體12無法工作時，壓氣機10的壓縮空氣能夠通過旁通流道40輸入至補燃裝置14進行燃燒，讓整個燃氣輪機系統還是能夠正常工作。[0038]綜上所述，本文提出的蓄熱式燃氣輪機中，在蓄熱體輸出的空氣能夠滿足預定工質溫度時，直接由被所述蓄熱體加熱的空氣作為渦輪工質，不需要利用補燃裝置對渦輪工質進行加熱。而當蓄熱體輸出的空氣的溫度不足時，補燃裝置對此時的空氣進行加熱，以使渦輪工質維持在預定溫度。如此，即使蓄熱體在運行一段時間後其輸出的空氣的溫度達不到預定工質溫度，其仍然可以利用補燃裝置進行加熱以達到預定的渦輪工質溫度從而實現更高的燃氣輪機效率，也從而增加了蓄熱體的熱能的利用率。而且，在一些實施例中，當蓄熱體不工作時，壓氣機提供的壓縮空氣可以直接進入補燃裝置，不影響燃氣輪機的正常運作。
[0039]本文所描述的概念在不偏離其精神和特性的情況下可以實施成其它形式。所公開的具體實施例應被視為例示性而不是限制性的。因此，本發明的範圍是由所附的權利要求，而不是根據之前的這些描述進行確定。在權利要求的字面意義及等同範圍內的任何改變都應屬於這些權利要求的範圍。
【權利要求】
1.一種蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，它包括: 蓄熱體，所述蓄熱體用以加熱流過所述蓄熱體的空氣以輸出被加熱的空氣； 渦輪，所述渦輪通過渦輪工質通道與所述蓄熱體流體相通從而通過所述渦輪工質通道接收欲在所述渦輪上做功的工質，在所述渦輪上做功的所述工質具有預定工質溫度；以及 補燃裝置，所述補燃裝置設置在所述渦輪工質通道上，當所述蓄熱體輸出的空氣的溫度低於所述預定工質溫度時，所述補燃裝置以燃燒的方式對所述空氣進行加熱從而提高所述工質的溫度。
2.如權利要求1所述的蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，所述蓄熱體與所述渦輪之間設置用於形成所述渦輪工質通道的輸氣管，所述補燃裝置設置在所述輸氣管內。
3.如權利要求2所述的蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，所述輸氣管具有直徑擴大部，所述補燃裝置設置在所述直徑擴大部內。
4.如權利要求2所述的蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，所述補燃裝置包括由穿孔壁形成的燃燒腔以及向所述燃燒腔內供給燃料的燃料供給裝置。
5.如權利要求4所述的蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，所述穿孔壁與所述輸氣管的管壁之間形成子通道，使得所述蓄熱體輸出的一部分空氣經由所述子通道進入所述渦輪。
6.如權利要求1所述的蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，所述蓄熱體輸出的空氣能夠達到的最大溫度等於或者低於所述預定工質溫度。
7.如權利要求1所述的蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，所述蓄熱式燃氣輪機包括與所述蓄熱體流體相通的壓氣機，流過所述蓄熱體的所述空氣來自於所述壓氣機。
8.如權利要求1所述的蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，通過所述渦輪工質通道接收的工質為第一工質，所述蓄熱式燃氣 輪機還包括作為第二工質的蒸汽，所述渦輪包括第一工質渦輪部和第二工質渦輪部，所述第一工質在所述第一工質渦輪部上做工，所述蒸汽在所述第二工質渦輪部上，所述蓄熱式燃氣輪機還包括蒸汽回收裝置，以將所述蒸汽回收並再次注入到所述第二工質渦輪部上做工，所述第一工質渦輪部和第二工質渦輪部是沿著所述渦輪的旋轉方向進行劃分的，使得每個渦輪部在所述渦輪上的具體部位隨著所述渦輪的旋轉而不斷變化。
9.一種蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，它包括: 壓氣機，所述壓氣機用以壓縮空氣並具有出氣部； 蓄熱體，所述蓄熱體與所述壓氣機的出氣部連接，用以加熱流過所述蓄熱體的壓縮空氣; 渦輪，所述渦輪通過渦輪工質通道與所述蓄熱體連接並通過所述渦輪工質通道接收欲在所述渦輪上做功的工質，在所述渦輪上做功的所述工質具有預定工質溫度； 補燃裝置，所述補燃裝置設置在所述渦輪工質通道上，當所述渦輪工質通道內的工質的溫度低於所述預定工質溫度時，所述補燃裝置以燃燒的方式加熱所述渦輪工質通道內的工質；以及 旁通流道，所述旁通流道連接在所述壓氣機的出氣部與所述補燃裝置的進氣部之間，所述壓氣機的出氣部設有閥門，用以控制所述壓氣機的壓縮空氣輸入所述蓄熱體或經所述旁通流道輸向所述補燃裝置。
10.如權利要求9所述的蓄熱式燃氣輪機，其特徵在於，當所述蓄熱體輸出的空氣的溫度低於所述預定工質溫度但不低於一預設的最低空氣溫度時，所述閥門控制所述壓氣機的壓縮空氣輸入所述蓄熱體；當所述蓄熱體輸出的空氣的溫度低於所述預設的最低空氣溫度時，所述閥門控制所述壓氣機的壓縮空 氣經所述旁通流道輸向所述補燃裝置。
【文檔編號】F02C6/00GK203604049SQ201320717714
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年11月13日 優先權日:2013年11月13日
【發明者】王志強 申請人:深圳智慧能源技術有限公司