一種閉式三角循環高效發電設備的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供的一種閉式三角循環發電設備，包括發電機（1）以及依次連接成環的一組壓縮機（2）、換熱器（3）和熱功動力轉換機械（4）；所述熱功動力轉換機械（4）、壓縮機（2）之間以及壓縮機（2）兩兩之間分別設有冷凝器（5），所述熱功動力轉換機械（4）和一組壓縮機（2）均通過轉軸（6）與發電機（1）連接。該設備將卡諾循環與布雷頓循環結合為一個三角形的閉式循環內，利用卡諾循環效率高的優點，對布雷頓循環加以改進，形成一個新的閉式三角熱力循環，實現了大幅度提高燃氣輪機等熱機發電效率的效果。而且由于采用了外燃式加熱方式，可應用于各種不同的燃料包括液態燃料及氣態燃料及固態燃料，包括太陽熱高溫發電等，對于節能減排，無疑具有十分重要的應用價值及意義。
【專利說明】一種閉式三角循環高效發電設備
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于電力設備領域，特別涉及一種新式熱力循環發電設備，具體涉及一種閉式三角循環高效發電設備。
【背景技術】
[0002]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，加壓后的空氣，經過燃燒室加熱做功等一系列熱力過程，最后高溫排出，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(后稱為布雷頓循環)的熱效率被作為計算燃氣輪機性能的方法。燃氣輪機自大氣吸入空氣，在壓氣機中壓縮，壓縮后的氣體進入燃氣輪機燃燒室，在此加入燃料燃燒加熱。加熱后的高溫燃氣進入燃氣透平(以下簡稱透平)膨脹作功。膨脹后的燃氣排向大氣。上述四個過程都是連續地進行的。透平排氣溫度還相當高(約400~550°C )，而壓氣機吸入的空氣是大氣溫度，相當于在大氣中進行了冷卻。透平膨脹功扣去壓氣機消耗的壓縮功之后的凈功，作為燃氣輪機的輸出功。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四個過程，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后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，氣體的初溫和壓縮機的壓縮比，是影響熱效率的兩個主要因素。增加壓縮氣體的初溫，并相應提高壓縮比，可使布雷頓循環效率顯著提高。開放式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，因此廣泛應用于各種規模的燃氣輪機發電及飛機的引擎；然而，開放式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，原因是低壓氣體的等壓放熱壓縮過程，是個開放的虛擬過程，實際上是用做完功的尾氣，最后高溫排出大氣中，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，才構成一個等壓放熱氣體壓縮過程的熱力循環。
[0003]為了提高布雷頓循環燃氣輪機發電效率，工業上常用的方法是把燃氣輪機做完功的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，燃氣輪機聯合循環盡管在一定程度上提高了效率，其代價是高昂的。由于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后體積過大，難以用于中小規模的燃氣輪機的發電。因此，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。
[0004] 卡諾循環(Carnot cycle)是由法國工程師尼古拉?萊昂納爾?薩迪?卡諾于1824年提出的，以分析熱機的工作過程。卡諾循環是由四個熱力過程所構成，包括兩個等溫過程和兩個絕熱過程，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Tl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。盡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，很難在很短的時間內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。如何實現或接近實現卡諾循環是一個提高熱機效率的方向。
[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，以提高燃氣輪機的發電效率，并簡化設備，無疑具有十分重要的意義。
實用新型內容
[0006]實用新型目的:本實用新型的目的在于提供一種閉式三角循環高效發電設備，該設備利用卡諾循環熱效率高的優點，對布雷頓循環加以改進，形成一個新的閉式三角熱力循環，從而大幅度提高燃氣輪機發電熱效率。
[0007]技術方案:本實用新型提供的一種閉式三角循環發電設備，包括發電機(I)以及依次連接成環的一組壓縮機(2)、換熱器(3)和熱功動力轉換機械(4);所述熱功動力轉換機械(4)、壓縮機(2)之間以及壓縮機(2)兩兩之間分別設有冷凝器(5)，所述熱功動力轉換機械(4)和一組壓縮機(2)均通過轉軸(6)與發電機(I)連接。
[0008]作為優選，所述一組壓縮機(2)的數量為兩個以上。
[0009]作為另一種優選，所述一組壓縮機(2)為渦旋式壓縮機、螺桿式壓縮機、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，還包括調壓閥(7)，所述調壓閥(7)設于換熱器(3)和熱功動力轉換機械⑷之間。
[0011]作為另一種優選，所述閉式三角循環發電設備采用空氣、二氧化碳、氮氣、氦氣、氫氣或氧氣作為循環工質。
[0012]作為另一種優選，所述的熱功動力轉換機械(4)為汽輪機或膨脹機。
[0013]作為進一步優選，所述膨脹機為渦旋式膨脹機、螺桿式膨脹機、離心式膨脹機或活塞式膨脹機。
[0014]有益效果:本實用新型提供的閉式三角循環發電設備，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，形成一個閉式三角熱力循環動力設備，從而發揮各自的優勢，用一個循環就大幅度提高了燃氣輪機發電的熱效率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型閉式三角循環發電設備的結構示意圖；
[0016]圖2為本實用新型閉式三角循環的為熱力循環的P-V圖；[0017]圖3為本實用新型閉式三角循環的的T-S圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖對本實用新型做出進一步說明。
[0019]閉式三角循環發電設備，見圖1，包括發電機(I)以及依次連接成環的一組壓縮機
(2)、換熱器(3)、調壓閥(7)和熱功動力轉換機械(4);所述熱功動力轉換機械(4)、壓縮機
(2)之間以及壓縮機(2)兩兩之間分別設有冷凝器(5)，所述熱功動力轉換機械(4)和一組壓縮機⑵均通過轉軸(6)與發電機⑴連接。
[0020]本實施例中，壓縮機的數量為三個，也就是說，本實施例中，閉式三角循環發電設備包括發電機(I)以及依次連接成環的第一壓縮機(21)、第一冷卻器(22)、第二壓縮機(23)、第二冷卻器(24)、第三壓縮機(25)、換熱器(3)、調壓閥(7)、熱功動力轉換機械(4)；所述熱功動力轉換機械(4)、第一壓縮機(21)第二壓縮機(23)、第三壓縮機(25)均通過轉軸(6)與發電機(I)連接。可選地，壓縮機(2)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實用新型的目的，然而，使用兩個以上的壓縮機串聯，能夠大大提高發電效率。
[0021]本實用新型中，壓縮機2為螺桿式壓縮機；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、螺桿式壓縮機、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]本實用新型中，熱功轉換機械4為汽輪機；可選地，也可以選擇任意合適的熱功轉換機械；優選地，可選用汽輪機或膨脹機，其中，膨脹機包括但不限于渦旋式膨脹機、螺桿式膨脹機、離心式膨脹機和活塞式膨脹機。
[0023]該裝置的工作原理為:
[0024]閉式三角循環發電設備內的循環工質氣體經一組壓縮機2和冷凝器5的數級冷卻壓縮后，形成高壓氣體，經換熱器加熱后，形成高溫高壓氣體，進入熱功動力轉換機械4內膨脹做功，帶動發電機I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。
[0025]本實用新型提供的閉式三角循環是由一個等溫壓縮過程、一個等壓膨脹過程及一個絕熱膨脹過程共三個過程所構成的氣體循環(見圖2和圖3)，具體為:壓縮機連續的吸入低溫的氣體，被吸入的氣體在壓縮機中先進行低壓氣體等溫放熱壓縮(1-2，卡諾循環)過程壓縮為高壓低溫的氣體，高壓氣體再經過等壓加熱膨脹(2-3，布雷頓循環)過程形成高溫高壓的氣體，再進入熱功動力轉換機械內進行絕熱膨脹做功(3-1，布雷頓循環)過程，從而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。該循環的高壓空氣等壓加熱膨脹(2-3)是布雷頓循環，低壓空氣等溫放熱壓縮(1-2)是卡諾循環的壓縮過程，從而形成三角熱力循環(1-2-3)的組合。
[0026]膨脹過程，通常按照卡諾循環工作的膨脹過程中的等溫加熱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(3-1)過程，通過在熱機外部膨脹前加熱高壓氣體，實現了高壓氣體的加熱的過程。
[0027]通常開放式布雷頓循環的壓縮過程，通常包括兩種方式:一個是等壓放熱壓縮過程，是個開放式的虛擬過程，用損失較高溫度的尾氣熱量的方法才能得以實現；而第二個壓縮過程是個絕熱壓縮過程，壓縮機耗功較大；而本實用新型的低壓空氣的等溫壓縮，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(1-2)，無須損失尾氣的熱量即可實現循環過程，且壓縮機功耗較小。本實用新型提供的閉式三角循環，用一個等溫壓縮過程，完成了開放式布雷頓循環的兩個壓縮過程，且壓縮機耗功量大幅度減小。
[0028]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。為降低壓縮后的氣體溫度和減小壓縮機功耗，盡可能向定溫壓縮過程靠近，本實用新型采用了分級壓縮加中間冷卻，有效的解決了該問題。分級壓縮后必須經過中間冷卻，使進入到第二級的壓縮空氣進氣溫度，等于或接近于第一級的進氣溫度，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；優化的壓力設計及恰當的加熱溫度，使得閉式三角循環絕熱膨脹后，其尾氣的溫度接近于環境中的空氣溫度，大幅度減少了熱的損失。
[0029]因此，本實用新型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，形成一個新的熱力循環動力設備，從而大幅度提高了采用布雷頓循環的燃氣輪機動力設備的熱效率；可大幅度節約成本及能耗，意義重大。
[0030]將上述閉式三角循環發電設備用于不同條件下發電。
[0031]應用實例一，閉式三角循環發電設備米用空氣作為工作介質，熱功動力轉換機械2的進口處高壓側壓力為IMpa，熱功動力轉換機械2的出口處低壓側壓力為0.1Mpa ;換熱器3的加熱溫度為312°C，壓縮機2的冷凝溫度為30°C，冷凝采用水冷方式。
[0032]應用實例二，閉式三角循環發電設備采用二氧化碳作為工作介質，熱功動力轉換機械2的進口處高壓側壓力為2Mpa，熱功動力轉換機械2的出口處低壓側壓力為0.1Mpa ；換熱器3的加熱溫度為439°C，壓縮機2的冷凝溫度為30°C，冷凝采用空冷方式。
[0033]應用實例三，閉式三角循環發電設備采用氮氣作為工作介質，熱功動力轉換機械2的進口處高壓側壓力為3Mpa，熱功動力轉換機械2的出口處低壓側壓力為0.1Mpa ;換熱器3的加熱溫度為526°C，壓縮機2的冷凝溫度為30°C，冷凝采用空冷方式。
[0034]應用實例四，閉式三角循環發電設備采用氦氣作為工作介質，熱功動力轉換機械2的進口處高壓側壓力為lOMpa，熱功動力轉換機械2的出口處低壓側壓力為0.1Mpa ;換熱器3的加熱溫度為855°C，壓縮機2的冷凝溫度為30°C，冷凝采用空冷方式。
[0035]應用實例五，閉式三角循環發電設備米用氫氣作為工作介質，熱功動力轉換機械2的進口處高壓側壓力為IMpa，熱功動力轉換機械2的出口處低壓側壓力為0.0lMpa ;換熱器3的加熱溫度為855°C，壓縮機2的冷凝溫度為30°C，冷凝采用空冷方式。
[0036]應用實例六，閉式三角循環發電設備米用氧氣作為工作介質，熱功動力轉換機械2的進口處高壓側壓力為IMpa，熱功動力轉換機械2的出口處低壓側壓力為0.005Mpa ;換熱器3的加熱溫度為1100°C，壓縮機2的冷凝溫度為30°C，冷凝采用空冷方式。
[0037]以上六個實例的熱效率比較見表I。
[0038]表I閉式三角循環發電設備的熱效率比較
[0039]
【權利要求】
1.一種閉式三角循環發電設備，其特征在于:包括發電機(I)以及依次連接成環的一組壓縮機(2)、換熱器(3)和熱功動力轉換機械(4);所述熱功動力轉換機械(4)、壓縮機(2)之間以及壓縮機(2)兩兩之間分別設有冷凝器(5)，所述熱功動力轉換機械(4)和一組壓縮機(2)均通過轉軸(6)與發電機(I)連接。
2.根據權利要求1所述的一種閉式三角循環發電設備，其特征在于:所述一組壓縮機(2)的數量為兩個以上。
3.根據權利要求1所述的一種閉式三角循環發電設備，其特征在于:所述一組壓縮機(2)為渦旋式壓縮機、螺桿式壓縮機、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所述的一種閉式三角循環發電設備，其特征在于:還包括調壓閥(7)，所述調壓閥(7)設于換熱器(3)和熱功動力轉換機械(4)之間。
5.根據權利要求1所述的一種閉式三角循環發電設備，其特征在于:所述閉式三角循環發電設備米用空氣、二氧化碳、氮氣、氦氣、氫氣或氧氣作為循環工質。
6.根據權利要求1所述的一種閉式三角循環發電設備，其特征在于:所述的熱功動力轉換機械(4)為汽輪機或膨脹機。
7.根據權利要求6所述的一種閉式三角循環發電設備，其特征在于:所述膨脹機為渦旋式膨脹機、螺桿式膨脹機、離心式膨脹機或活塞式膨脹機。
【文檔編號】F01K25/10GK203783657SQ201420007400
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2014年1月7日
【發明者】孟寧 申請人:孟寧