一種卡諾-布雷頓混合循環高效發電設備的製作方法

2023-05-07 13:05:06

一種卡諾-布雷頓混合循環高效發電設備的製作方法
【專利摘要】本發明提供的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，包括卡諾-布雷頓循環迴路（1）；所述卡諾-布雷頓循環迴路（1）包括依次串聯的一組壓縮機（5）和換熱器（6），熱功動力轉換機械（2）及冷凝器（4）。一組壓縮機（5）兩兩之間設有冷卻器；一組壓縮機（5）進口與冷凝器（4）出口連接，出口與換熱器（6）的入口連接；所述換熱器（6）出口和熱功動力轉換機械（2）的入口相連，熱功動力轉換機械（2）的出口與冷凝器（4）的入口連接。該設備，將卡諾循環與布雷頓循環結合為一個閉式循環內，利用卡諾循環效率高的優點，對布雷頓循環加以改進，從而實現了大幅度提高循環熱效率的效果。
【專利說明】一種卡諾-布雷頓混合循環高效發電設備
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力設備領域，特別涉及一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備。
【背景技術】
[0002]卡諾循環(Carnot cycle)是由法國工程師尼古拉?萊昂納爾?薩迪?卡諾於1824年提出的，以分析熱機的工作過程。卡諾循環是由兩個等溫過程和兩個絕熱過程所構成的氣體循環，其特點是氣體工質的動力循環在熱力循環中不存在相變，包括四個步驟:氣體等溫膨脹，氣體絕熱膨脹，氣體等溫壓縮，氣體絕熱壓縮。根據熱力學第二定律，在相同的高、低溫熱源溫度T1與T2之間工作的一切循環中，以卡諾循環的熱效率為最高，稱為卡諾定理。儘管卡諾循環的熱效率高，但完全按照卡諾循環工作的熱機在現實中是難以實現的，因為熱機的膨脹做功的高壓氣體要求在等溫加熱的條件下才能實現，而實際上熱機的膨脹做功是高壓氣體在很短的時間內迅速完成的，是絕熱膨脹過程，很難通過外部加熱來實現等溫膨脹過程；而低壓氣體等溫放熱壓縮，必須使壓縮氣體的熱量隨時與外界交換，氣體溫度與外界相等，這在實際工作中是不可能實現的，氣體的壓縮過程，也是在較短的時間內完成的，也很難通過外部冷凝來實現氣體等溫壓縮過程。
[0003]布雷頓(George fcayton(1830 - 1892))，美國工程師，1872年提出，發動機工作時，不斷從外界吸入空氣，加壓後的空氣，經過加熱做功等一系列熱力過程，最後高溫排出，排出的高溫氣體在外界逐步散失能量最終達到與外界大氣平衡，構成一個開放式的循環過程。他的熱力學循環理論(後稱為布雷頓循環)的熱效率被作為計算燃氣輪機性能的方法。布雷頓循環的特點是氣體工質的等壓動力循環，由四個熱力過程組成，通過氣體在熱力設備中不斷進行高壓氣體的等壓加熱膨脹、高壓氣體的絕熱膨脹、低壓氣體的等壓放熱壓縮和低壓氣體的絕熱壓縮4個過程，使熱能不斷轉化為機械能，再由發電機將機械能轉化為電能。布雷頓循環分為開式循環及閉式循環兩種:循環工質來自大氣最後又排至大氣的是開式循環；循環工質被封閉循環使用的是閉式循環。布雷頓循環初溫和壓縮機的壓縮比，是影響熱效率的兩個主要因素。降低壓縮氣體的初溫，並相應提高壓縮比，可使布雷頓循環效率顯著提高。布雷頓循環有很多優`點，體積小，做功發電量大，易實現各種規模發電，且其使用的工質為空氣，具有廉價、無毒、無腐蝕等優點，因此廣泛應用於各種規模的燃氣輪機發電；然而，布雷頓循環最大的缺點是發電效率較低，例如，一般的燃氣輪機的效率只有25-30%，跟內燃機相比稍高，大部分熱能由尾氣排出，其出口尾氣的溫度高達450-500°C。
[0004]為了提高布雷頓循環發電效率，工業上常用的方法是把高溫尾氣接到朗肯循環的蒸汽機上再發電，從而可使熱效率增加20%左右，使整體效率達到50%左右，變成了 「燃氣輪機聯合循環」。然而，燃氣輪機聯合循環儘管在一定程度上提高了效率，其代價是高昂的。由於多使用了一套朗肯循環發電系統，一方面大大增加了成本，另一方面使本來體積小的渦輪發動機加上汽輪機後體積過大，難以用於中小規模的發電。因此，難以推廣應用，導致大部分燃氣輪機均為較低效率的單一循環的布雷頓循環發電裝置。
[0005]卡諾循環及布雷頓循環都有各自的熱力學優勢，因此如何發揮其優勢，克服缺點，探索新的循環方法及理論，找到提高布雷頓循環熱效率的新途徑，提高燃氣輪機的發電效率，並簡化設備，無疑具有十分重要的意義。

【發明內容】

[0006]發明目的:本發明的目的在於提供一種發電效率高的卡諾-布雷頓混合循環發電設備，利用卡諾循環熱效率聞的優點，對布雷頓循環加以改進，從而實現大幅度提聞熱力循環發電熱效率的目的。
[0007]技術方案:本發明提供的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，包括依次連接成環的一組壓縮機、換熱器、熱功動力轉換機械和冷凝器；所述一組壓縮機兩兩之間設有冷卻器。
[0008]作為優選，所述壓縮機的數量為兩個以上。
[0009]作為另一種優選，所述壓縮機為渦旋式壓縮機、螺杆式壓縮機、離心式壓縮機、活塞式壓縮機、滑片壓縮機或軸流式壓縮機。
[0010]作為另一種優選，還包括發電機，所述發電機與熱功動力轉換機械連接。
[0011]作為另一種優選，還包括調壓閥，所述調壓閥設於換熱器和熱功動力轉換機械之間。
[0012]作為另一種優選，所述卡諾-布雷頓混合循環發電設備採用二氧化碳、空氣、氮氣、氦氣、氫氣和氧氣中的一種或幾種的混合物作為循環工質。
[0013]作為另一種優選，所述的熱功動力轉換機械為汽輪機或膨脹機。
[0014]作為進一步優選，所述膨脹機為渦旋式膨脹機、螺杆式膨脹機、離心式膨脹機或活塞式膨脹機。
[0015]有益效果:本發明提供的卡諾-布雷頓混合循環發電設備，將卡諾循環與布雷頓循環結合，利用卡諾循環效率高的優點，對布雷頓循環加以改進，形成一個混合循環動力設備，從而發揮各自的優勢，用一個循環大幅度提高了燃氣輪機的熱效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發明卡諾-布雷頓混合循環發電設備的結構示意圖。
[0017]圖2為本發明卡諾-布雷頓混合循環原理圖；其中，(a)為熱力循環的P-V圖，(b)為熱力循環的T-S圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本發明做出進一步說明。
[0019]卡諾-布雷頓混合循環發電設備，見圖1，包括發電機(6)以及依次連接成環的一組壓縮機(I)、換熱器(2)、調壓閥(7)、熱功動力轉換機械(3)、冷凝器(4)，發電機(6)與熱功動力轉換機械(3)連接；所述一組壓縮機(I)兩兩之間設有冷卻器(5)。
[0020]本實施例中，壓縮機的數量為三個，也就是說，本實施例中，卡諾-布雷頓混合循環發電設備包括發電機(6)以及依次連接成環的第一壓縮機(11)、第一冷卻器(12)、第二壓縮機(13)、第二冷卻器(14)、第三壓縮機(15)、換熱器(2)、調壓閥(7)、熱功動力轉換機械(3)、冷凝器(4)，發電機(6)與熱功動力轉換機械(3)連接。可選地，壓縮機(5)的數量也可以根據需要合理設置，只要是在一個以上均可實現本發明的目的，然而，使用兩個以上的壓縮機串聯，能夠大大提聞發電效率。
[0021]本發明中，壓縮機5為螺杆式壓縮機；可選地，也可以選擇任意合適的壓縮機；優選地，可選用渦旋式壓縮機、螺杆式壓縮機、離心式壓縮機、活塞式壓縮機、滑片壓縮機或軸流式壓縮機。
[0022]該裝置的工作原理為:
[0023]卡諾-布雷頓混合循環發電設備內的低壓氣體經一組壓縮機I和冷卻器5的數級冷卻壓縮後，形成高壓氣體，經換熱器加熱後，形成高溫高壓氣體，進入熱功動力轉換機械3內膨脹做功，帶動發電機6發電，成為低溫低壓的氣體進入冷凝器4冷凝，完成一次循環。
[0024]本發明提供的卡諾-布雷頓循環是由一個等壓過程、一個等溫過程及兩個絕熱過程所構成的氣體循環(見圖2)，具體為:氣體在設備中進行低壓氣體絕熱壓縮(1-2，卡諾循環)、高壓氣體等壓加熱膨脹(2-3，布雷頓循環)、高壓氣體絕熱膨脹(3-5，布雷頓循環)、低壓氣體等溫放熱壓縮(5-1，卡諾循環)共4個過程，使熱能不斷轉化為機械能，再由發電機將機械能轉化為電能。該循環的高壓氣體等壓加熱膨脹(2-3)是布雷頓循環的膨脹過程，低壓氣體等溫放熱壓縮(5-1)是卡諾循環的壓縮過程，從而形成卡諾-布雷頓循環(1-2-3-5-1)的組合。
[0025]膨脹過程，通常按照卡諾循環工作的等溫加熱膨脹在現實中是難以實現的，因為熱機的膨脹做功是高壓氣體在較短的時間內完成的，很難通過一邊膨脹一邊用外部加熱來實現等溫膨脹過程，而布雷頓循環(1-2-3-4-1)的高壓氣體等壓加熱膨脹(2-3)是進入熱機膨脹前先加熱，再繼續高壓氣體絕熱膨脹(3-4)過程，通過在熱機外部膨脹前加熱高壓氣體，實現了氣體加熱膨脹的過程。
[0026]壓縮過程，通常按照布雷頓循環工作的等壓放熱壓縮用損失較高溫度的尾氣熱量的方法才能得以實現，而卡諾循環迴路中低壓氣體的等溫壓縮，是通過分極壓縮及分極外部環境冷凝來實現等溫壓縮的過程(5-1)，無須損失尾氣的熱量即可實現循環過程。
[0027]根據熱力學理論，熱機膨脹過程中等溫膨脹做功最大，而在壓縮過程中等溫壓縮能量損耗最小。但要實現等溫壓縮，必須使氣體的熱量隨時與外界交換，氣體溫度與外界相等，這在實際工作中一級壓縮是不可能實現的。為降低壓縮後的氣體溫度和減小壓縮機功耗，儘可能向定溫壓縮過程靠近，本發明採用了分級壓縮加中間冷卻，有效的解決了該問題。分級壓縮後必須經過中間冷卻，使進入到第二級的壓縮空氣進氣溫度，等於或接近於第一級的進氣溫度，這樣才能降低排氣溫度和壓縮機功耗。分級壓縮加中間冷卻實現了氣體定溫壓縮的過程，使得布雷頓循環無需排放高溫尾氣，即可恢復到高壓循環狀態，把布雷頓循環排放的高溫尾氣熱量進一步轉化為輸出功，大幅度增加了功的輸出(圖2的1-4-5)。
[0028]因此，本發明將高效率的卡諾循環與布雷頓循環有機的結合起來，能夠發揮各自的優勢，形成一個混合循環動力設備，從而大幅度提高了布雷頓循環動力設備的熱效率；該動力設備能夠比傳統的布雷頓循環發電裝置效率提高20%以上，用一套循環裝置，就達到了燃氣輪機聯合循環的發電效率，可大幅度節約成本及能耗，意義重大。
[0029]將上述卡諾-布雷頓混合循環發電設備用於不同條件下發電。
[0030]應用實例一，卡諾-布雷頓混合循環發電設備採用氦氣作為工作介質，高壓側壓力為IMpa，換熱器6的加熱溫度為500°C ;低壓側壓力為0.096Mpa，冷凝器14冷凝溫度為20°C，冷凝採用水冷方式。
[0031]應用實例二，卡諾-布雷頓混合循環發電設備採用氦氣作為工作介質，高壓側壓力為IMpa，換熱器6的加熱溫度為300°C ;低壓側壓力為0.2Mpa，冷凝器14冷凝溫度為20°C，冷凝採用空冷方式。
[0032]應用實例三，卡諾-布雷頓混合循環發電設備採用氦氣作為工作介質，高壓側壓力為IMpa，換熱器6的加熱溫度為200°C ;低壓側壓力為0.33Mpa，冷凝器14冷凝溫度為20°C，冷凝採用空冷方式。熱效率見表1。
[0033]應用實例四，與應用實例三基本相同，不同之處僅在於:米用二氧化碳作為工作介質，熱效率為34.9%。
[0034]應用實例五，與應用實例三基本相同，不同之處僅在於:米用氮氣作為工作介質，熱效率為38.9%。
[0035]應用實例六，與應用實例三基本相同，不同之處僅在於:米用氧氣作為工作介質，熱效率為38.5%。
[0036]應用實例七，與應用實例三基本相同，不同之處僅在於:米用空氣作為工作介質，熱效率為39%。
[0037]通過以上實例，可以看出，所使用氣體的種類對熱效率的影響很小。
[0038]應用實例一至三的熱效率與相同條件下的布雷頓循環和卡諾循環的熱效率對比，見圖1。
[0039]表1卡諾-布雷頓混合循環混合設備的熱效率比較
[0040]
【權利要求】
1.一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，其特徵在於:包括依次連接成環的一組壓縮機(I)、換熱器(2)、熱功動力轉換機械(3)和冷凝器(4);所述一組壓縮機(I)兩兩之間設有冷卻器(5)。
2.根據權利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，其特徵在於:所述壓縮機(5)的數量為兩個以上。
3.根據權利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，其特徵在於:所述壓縮機(5)為渦旋式壓縮機、螺杆式壓縮機、離心式壓縮機、活塞式壓縮機、滑片壓縮機或軸流式壓縮機。
4.根據權利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，其特徵在於:還包括發電機(6)，所述發電機(6)與熱功動力轉換機械(3)連接。
5.根據權利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，其特徵在於:還包括調壓閥(7 )，所述調壓閥(7 )設於換熱器(6 )和熱功動力轉換機械(2 )之間。
6.根據權利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，其特徵在於:所述卡諾-布雷頓混合循環發電設備米用二氧化碳、空氣、氮氣、氦氣、氫氣和氧氣中的一種或幾種的混合物作為循環工質。
7.根據權利要求1所述的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，其特徵在於:所述的熱功動力轉換機械(3)為汽輪機或膨脹機。
8.根據權利要求7所述的一種卡諾-布雷頓混合循環發電設備，其特徵在於:所述膨脹機為渦旋式膨脹機、螺杆式膨脹機、離心式膨脹機或活塞式膨脹機。
【文檔編號】F01K23/02GK103821573SQ201310646295
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】孟寧 申請人:孟寧