能量轉換系統和其組件的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種能量轉換系統，其具有用于轉化能量的微型燃氣輪機，該微型燃氣輪機提供由第一流體構成的載熱的流體流；還具有形式為鍋爐的熱傳遞系統，鍋爐與微型燃氣輪機經由流體流處于熱傳遞關系中。
【背景技術】
[0002]在此，能量轉換系統尤其被理解為用于同時提供機械能和熱能的系統，具體來說，是由鍋爐、尤其是溫水鍋爐、熱水鍋爐或蒸汽鍋爐和至少一個燃氣輪機設備構成的系統。
[0003]在此，溫水鍋爐尤其被理解為用于加溫可用介質或可用流體的裝置，尤其是用于提供相對于初始狀態加溫、尤其是加溫到環境溫度的可用介質或可用流體、尤其是液體的鍋爐。在此，熱水鍋爐尤其被理解為用于加熱可用介質或可用流體的裝置，尤其是用于提供相對于初始狀態、尤其是環境溫度強烈加溫的，優選加溫直到接近沸點的可用介質或可用流體、尤其是液體的鍋爐。通常，在溫水或熱水鍋爐的情況下，在可用介質或可用流體中僅有很小部分中出現相態過渡，尤其是升華或蒸發。“很小部分”在此尤其被理解為，至多形成可用介質或可用流體的未飽和的汽相態。在此，在溫水或熱水鍋爐的情況下，可用介質或可用流體尤其是以其液相態的形式來作為被提供的供給流體在鍋爐輸出端處被提供用以隨后的利用。
[0004]在此，蒸汽鍋爐尤其被理解為用于加溫、加熱或導致可用介質，尤其是流體、優選是液體至少局部相態過渡的裝置。在本文中，局部相態過渡尤其指的是一部分可用介質發生液化、蒸發和/或升華。
[0005]在此，優選的可用介質或可用流體可以是水、氨、導熱油、適當的碳氫化合物或其他適當的介質，可用介質或可用流體在鍋爐中通過在給定溫度的情況下的熱輸送來執行尤其是從液態至氣態的相態過渡。
[0006]之前描述的類型的鍋爐在此可以構造為廢熱鍋爐、管水鍋爐或大容量水鍋爐(Gro β raumwasserkessel)，其中，也可以采用具有廢熱區、管水區和/或大容量區的組合式鍋爐。在此，廢熱鍋爐尤其被理解為由前置的、產生熱的單元的余熱來加熱并且沒有自身的加熱燃燒器的鍋爐。類似的情況適用于廢熱區。管水鍋爐尤其被理解為如下鍋爐，其中，可用介質或可用流體(優選水)引導穿過鍋爐中的管路系統，并且在此進行加溫或加熱。管水鍋爐或管水區在此也可以被稱為連續式加熱器。與此相應地，大容量水鍋爐或大容量區尤其被理解為如下鍋爐或鍋爐中的區，在其中設置有針對可用介質或可用流體(優選水)的儲存器，將熱導入其中用來加熱。在此，可以優選借助熱源的，例如鍋爐通道或線路系統的熱輻射和/或接觸式熱過渡和/或對流和/或擴散將熱傳遞至儲存器中的可用介質或可用流體中。儲存器在此尤其被理解為如下容積體，在其中主要靜態地保持有或儲備有可用介質或可用流體。
[0007]此外，在現有技術中已經公知了各種各樣的用于同時提供機械能和熱能的能量轉換系統，其通常具有用于轉化能量的設備，該設備具有用于通過燃料和氧化劑的放熱氧化來將化學能轉換為熱能的燃燒器單元。此外，所公知的能量轉換系統還包括熱-力單元以及熱傳遞系統，其中，熱-力單元用于將一部分在用于轉化能量的設備中釋放的熱轉換為機械能；熱傳遞系統用于將所釋放的熱的第二部分傳遞至可用介質上。在此，機械能經常用于驅動位于后面的將機械能轉換為電能的發生器，這是因為電能尤其可以以有利方式在更大的路程上進行傳輸和/或分配。在常見的應用中，可用介質是流體，優選是液體，其通過由所釋放的熱的第二部分構成的熱傳入來激發相態過渡，其中，尤其發生液化、蒸發和/或升華了一部分的可用介質，然后可以將該部分可用介質提供給位于后面的過程。這種類型的公知的應用在此是在所提供的機械能/機電能與熱能之間具有的典型的40:55(60)分配方式的由馬達驅動的熱電聯產站(Blockheizkraftwerk，BHKW)(括號中的份額是沒有傳遞損耗的情況)。然而，如果需要更大量的熱能，那么該能量轉換系統就會沖到其極限。由馬達驅動的熱電聯產站的另一缺點是廢氣流，也就是載熱的氣態的流體與冷卻介質流，也就是載熱的液態的流體之間對所提供的熱能的幾乎等同的分配。因此，可利用的熱能被分配成兩個分流，它們的分熱能不可以或至少不可以在沒有附加的措施和與之相關的值得一提的損耗的情況下作為由馬達驅動的熱電聯產站的總熱能來利用。
【實用新型內容】
[0008]根據本實用新型的能量轉換系統具有如下優點，S卩，可以提供大的熱的和機械的功率密度和/或高的品級。這具有如下優點，即，在待提供的功率方面可以更好地充分利用可用的結構空間，這是因為在給定額定功率的情況下可以非常緊湊地實施整個能量轉換系統。為此，根據本實用新型的能量轉換系統包括:
[0009]-可變部分回收式的微型燃氣輪機，和
[0010]-形式為鍋爐、尤其是蒸汽鍋爐的熱傳遞系統。
[0011]在可變部分回收式的微型燃氣輪機中，能量、例如化學能由化石能量載體轉化為熱和機械能。可變部分回收式的微型燃氣輪機也是熱傳遞系統。在此將熱傳遞至流體上。微型燃氣輪機提供載熱的第一流體流。在此，鍋爐與用于轉化能量的設備經由載熱的流體流處于熱傳遞關系中。在此尤其地，經由載熱的流體流，可以將熱從微型燃氣輪機傳遞至熱傳遞系統上。該微型燃氣輪機具有燃氣輪機燃燒器，燃氣輪機燃燒器的廢氣至少部分輸送給渦輪機用來將機械能提供和傳遞給力消耗器、尤其是電發生器，并且燃氣輪機燃燒器的廢氣至少部分形成載熱的流體流、尤其是第一流體。熱傳遞系統其本身提供了用于隨后利用的第二流體。
[0012]根據本實用新型的能量轉換系統的特別優選的改進方案可以通過如下方式實現，即，微型燃氣輪機構造為部分回收的，尤其是可變部分回收式的微型燃氣輪機。在此，部分回收式的微型燃氣輪機具有壓縮機和回收器，壓縮機用于提供預加壓的氧化劑流、尤其是新鮮空氣流，回收器用于通過將微型燃氣輪機的廢氣的、尤其是第一流體流的其中一部分熱傳遞到預加壓的氧化劑流上來對預加壓的氧化劑流進行預熱。在此，在用于轉化能量的設備的流體輸出端上調整出200°C至700°C之間的煙氣溫度。
[0013]在此，部分回收式的微型燃氣輪機尤其被理解為具有回收器的微型燃氣輪機設備，回收器用于將廢氣的余熱傳遞至氧化劑流上，其中，通過適當的限制器件以如下方式對廢氣與氧化劑流之間的熱傳遞進行限制或使其受限制，即，在經過回收器之后的廢氣中還存在有能夠在熱傳遞系統、尤其是鍋爐中利用的形式為剩余熱的值得一提的余熱部分RNutz。該剩余熱在根據本實用新型的系統中經由載熱的流體流、第一流體作為熱源輸送或提供給熱傳遞系統。在此替選或補充地，“部分回收式的”也可以被理解為在熱交換器、尤其是回收器里面僅傳遞在這種熱交換器中最大可傳遞的熱能的確定的一小部分Rfckup，從而將熱的至少之前確定的一部分RNuJS留在廢氣中。具體來說，在忽略總是出現的損耗以及不可利用的剩余熱的情況下適用的是:RNutz+Rfckup彡1。在此，可以如下這樣地構造限制器件，即，使在回收器中提供的在廢氣與氧化劑流之間的接觸面和/或傳遞面、接觸時間和/或傳遞時間或接觸區和/或傳遞區相應限定地受到限制，并且/或者設置有用于使廢氣和/或氧化劑流至少部分繞過熱傳遞器、回收器或熱傳遞區的器件。
[0014]在此，如此構造的根據本實用新型的能量轉換系統具有如下優點，S卩，通過能量轉換系統提供使用的機械能、電能和熱能在確定的初級能量消耗的情況下在其不同的(機械的、電的和熱的)能量類型之間的相對分配方面可以在非常大的變化范圍上有針對性地進行調整。R—與RRekup之間的比尤其可以在0:95與95:0之間的，優選在10:90與90:10之間的，特別優選地在30:70與70:30之間的參數范圍上進行調整。所述一小部分RRekup也可以被稱為回收率。其通常以百分數表示。在部分回收式的微型燃氣輪機的情況下，回收率位于0%至95%之間，優選其可以在0%至95%之間進行調整和/或調節。尤其是在可變部分回收式的實施方案中，這種調整也仍可以在安裝能量轉換系統之后執行。
[0015]在部分回收式的微型燃氣輪機的特別的優選的實施方案或運行方式中可以附加地設置的是，廢氣中的可為隨后的利用所提供的熱量在回收率可變的情況下通過如下方式也基本上保持恒定，g卩，使輸送給燃氣輪機燃燒器的燃料的質量流量與經改變的回收率對應，尤其是在回收率上升的情況下降低，而在回收率下降的情況下提高。與由馬達驅動的BHKW相比，因此，在機械/電的功率提供與熱的功率提供之間的分配尤其可以在10:85與40:55之間，優選在20:75與35:60之間以可調整的方式變化。替選或補充地，在優選的實施方案或運行方式中可以設置部分回收式的微型燃氣輪機，雖然對熱能的要求有變化，所提供的機械能/電能尤其是在電發生器的額定功率的范圍內仍然基本上保持恒定。在此，廢氣中的可為隨后的利用而提供的熱量經由可變的回收率進行調整，而輸送給燃氣輪機燃燒器的燃料的質量流量與經改變的回收率對應，尤其是在回收率上升的情況下提高，而在回收率下降的情況下降低。與由馬達驅動的BHKW相比，因此，在能量轉換系統的機械/電的額定功率的范圍內，在機械/電的功率提供與熱的功率提供之間的分配尤其可以在10:15與10:60之間，優選在10:20與10:50之間以可調整的方式變化。
[0016]概括性地可以確定的是，根據本實用新型的具有部分回收式的微型燃氣輪機的能量轉換系統的特征在于，在對通過能量轉換系統來提供的機械能/電能和/或熱能的量的要求有變化的情況下，燃氣輪機設備的回收器的回收率和/或燃氣輪機燃燒器的燃料的質量流量與要求對應或匹配。尤其地，在電功率在額定功率范圍內保持恒定的情況下，熱功率也仍可以在40%至熱全負荷之間變化。優選地，幾乎是無級地實現該變化。此外，相對于由馬達驅動的BHKW，所提出的根據本實用新型的能量轉換系統還具有如下優點，即，在每個能量類型中的可用能量都是以高的品級、能量密度和/或可用率來提供。
[0017]在優選的改進方案中，此外，根據本實用新型的能量轉換系統還包括至少一個另外的用于轉化能量的設備，尤其是加熱燃燒器或熱栗。另外的用于轉化能量的設備也是如下熱傳遞系統，在該熱傳遞系統中將熱傳遞至另外的第三流體上。在此，另外的設備經由流體流與熱傳遞系統處于熱傳遞關系中。在此，尤其可以經由第三流體也將熱從另外的設備傳遞至設備或者說熱傳遞系統上。在此設置的是，另外的設備可以經由第三流體將熱從另外的設備傳遞至熱傳遞系統上。另外附加地可以設置的是，提供第一流體的用于轉化能量的設備也與另外的用于轉化能量的設備處于熱傳遞關系中，其中，尤其是至少一部分第一流體輸送給所述另外的設備。
[0018]用于轉化能量的設備在此尤其被理解為如下系統、設備和/或裝置，系統、設備和/或裝置在輸入端側接收至少一個能量流，尤其是以化學形式和/或其他形式存儲的能量流，優選是如燃料流和/或氧化劑流那樣的進入的流體流，可從中提取的能量至少部分地以形成熱的方式，也就是說，以放熱的方式進行轉換，并且在輸出端側可以給位于后面的熱消耗器用作熱源，尤其是可以給熱消耗器提供載熱的流體流。載熱的流體流尤其被理解為在用于轉化能量的設備中加溫的流體、尤其是加溫的液體，和/或蒸汽的或至少部分蒸發的液體的流動體。尤其地，輸入端側和輸出端側的流動體優選具有不同的溫度水平，特別優選地，輸出端側的流體流的輸出溫度大于輸入端側的流動體的輸入溫度。這種類型的設備例如可以是內燃機、燃燒器、尤其是加熱燃燒器或燃氣輪機設備或熱栗。
[0019]與用于轉化能量的設備不同的是，熱傳遞系統理解為如下系統、設備、機構和/或裝置，其中，熱從流入的第一流體流傳遞至流入的第二流體流，從而這兩個流體流在輸出端側基本上具有僅一個改變的熱狀態。公知的熱傳遞系統是流動體設施，例如熱交換器、鍋爐(不具有必要時存在的燃燒器)、尤其是廢熱鍋爐、回收器、蒸發器、冷凝器或類似設施。
[0020]燃料流尤其被理解為易燃的流體、優選是易燃的液體或氣體的流動體，并且/或者被理解為輸送固體燃料。優選的易燃的液體在此可以是石油、從石油中獲得的礦物油燃料、酒精、生物燃料和/或其他易燃的液體。優選的氣體可以是天然氣、沼氣、生物質燃氣、填埋氣、污水氣和/或瓦斯、含碳氫化合物的廢氣和/或類似氣體。
[0021]氧化劑流在此被理解為輸送對于燃料流的放熱化學轉化來說必需的氧化劑，尤其是空氣或其它含氧氣的混合物或化合物，其尤其是在熱傳遞系統中存在的環境條件、尤其是環境壓力和環境溫度下，以氧化還原反應的方式在釋放熱能的情況下與燃料流一起轉化。
[0022]根據本實用新型，用于轉化能量的設備的輸出端側的流體流包括燃氣輪機燃燒器的廢氣，優選由其構成。在此，在優選的設備中，廢氣的特征在于具有至少200 °C，尤其是250 °C，優選至少300 °C，特別優選地至少350 °C的煙氣溫度。特別優選地，用于轉化能量的設備的廢氣的煙氣溫度位于250°C與800°C之間，尤其是270°C與700°C之間，理想地在350°C與650°C之間。此外優選的是，廢氣的質量流量位于0.2kg/s與3.0kg/s之間，尤其是0.3kg/s 與 2.0kg/s 之間，優選 0.4kg/s 與 1.5kg/s 之間，特別優選地 0.45kg/s 與 0.8kg/s之間。
[0023]根據本實用新型，用于提供機械能的燃氣輪機燃燒器的廢氣至少部分經由渦輪機，尤其是燃氣輪機，優選徑流式渦輪機來釋壓，其將廢氣的一部分熱動力能轉換為渦輪機的旋轉能。然后，該旋轉能可以輸送給一個、兩個或更多個機械的力消耗器。在此，力消耗器例如可以是壓縮機、電發生器、熱栗、傳動裝置或其他對于本領域技術人員來說公知的以可旋轉的方式機械驅動的裝置。在優選的實施方案中，在此，燃氣輪機燃燒器的廢氣的質量流量可以幾乎完全，理想地是完全地經由渦輪機引導，并且用于驅動渦輪機。
[0024]另外，根據本實用新型，燃氣輪機燃燒器的至少一部分廢氣，優選是所有廢氣，尤其是至少一部分已經在渦輪機中釋壓的廢氣可以作為由第一流體構成的第一流體流輸送或引導至熱傳遞系統的輸入端側和/或另外的用于轉化能量的設備。
[0025]當第一流體至少部分地可以在加熱燃燒器之前與加熱燃燒器的燃料流和/或氧化劑流混合，并且/或者在加熱燃燒器中與第三流體混合時，在給定的輸出端側的熱能流的情況下，尤其是在另外的用于轉化能量的設備的給定的或必需的輸出端側的第三流體流的情況下可以有利地減少加熱燃燒器的燃料需求，并且/或者可以有利地提高第三流體流的熱能量。
[0026]當第一流體至少部分地可以輸送給預加熱-熱交換器，該預加熱-熱交換器被設置用于將熱傳遞至燃料流和/或氧化劑流、尤其是新鮮空氣流時，得到了本實用新型的另一有利的、有利地影響燃料需求和/或燃料利用率的實施方案。在此，燃料利用率尤其被理解為以能夠被根據本實用新型的能量轉換系統利用的方式提供的總能量，尤其是可用的機械能、電能和熱能構成的總和，關于經由燃料來基本上化學地輸送的能量的比。換言之:在輸送能量一致的情況下提供了更多可利用的能量。在此，“有利地影響”在燃料需求方面被理解為減少了必需的燃料的量，尤其是燃料質量和/或燃料體積。在此，“有利地影響”在燃料利用率方面被理解為在燃料量保持恒定的情況下提高了熱能和/或機械能的輸出。優選地，預加熱-熱交換器在此被設置用于對用于轉化能量的設備的燃氣輪機燃燒器和/或另外的用于轉化能量的設備中的加熱燃燒器的燃料流和/或氧化劑流進行預熱。
[0027]根據本實用新型的能量轉換系統的特別有利地影響燃料需求和/或燃料利用率的改進方案可以通過如下方式實現，即，在第一和/或第三流體在鍋爐中通過將熱傳遞到第二流體上而熱學冷卻之后，至少一部分第一和/或第三流體可以經由回引線路輸送給用于另外轉化的加熱燃燒器。替選或補充地也可以設置的是，在第一和/或第三流體在鍋爐中通過將熱傳遞到第二流體上而熱學冷卻之后，至少一部分第一和/或第三流體可以作為熱源經由回引線路輸送給第二預加熱-熱交換器，該第二預加熱-熱交換器被設置用于將熱傳遞至燃料流和/或氧化劑流，尤其是新鮮空氣流上。
[0028]本實用新型的特別有效的、高效的并且同時基于設備側的額外花費減少的原因而造成廉價的實施方案設置的是，在第三流體在鍋爐中通過將熱傳遞到第二流體上而在其熱能含量方面有所減少、尤其是被冷卻之后，第三流體可以與第一流體混合。如果第一和第三流體混合，就可以提高經由回引線路回引的和/或輸送給一個/若干個預加熱-熱交換器的質量流量。由此可以實現仍對在第一和第三流體流中所保留的剩余能量的繼續利用，用以有利地影響燃料需求和/或燃料利用率。當用于轉化能量的兩個設備具有彼此兼容的輸出端側的流體，尤其是廢氣時，這尤其是有利的。“彼此兼容的”在此尤其被理解為:廢氣根據環境法允許混合，并且/或者，給環境和/或設備造成負擔或破壞的產物沒有或者至少在關鍵性的量方面沒有從化學上或另外地轉化兩個流體的反應中產生。
[0029]如果另外設置有混合器，用以形成由其中至少一個流體流、尤其是由第一和/或第三流體和燃料流和/或氧化劑流、尤其是新鮮空氣流構成的可調整的混合物，那么就可以可調整或可調節地控制離開根據本實用新型的能量轉換系統的產物，尤其是第二流體和/或泄漏的排放物的至少一個特性參量。在此，特性參量尤其可以被理解為污染物含量(例如CO、C02、ΝΟχ?Ρ /或碳氫化合物(KW)含量)、排放物溫度、飽和度或類似地被理解為表征產物、尤其是第二流體和/或排放物的特性參量。
[0030]在另一觀點中，本實用新型還