新型多回路燃气涡轮机及其操作方法技术

本公开涉及一种新型燃气涡轮机，该新型燃气涡轮机具有多种应用，例如以环保方式应用于火力发电。在各种实施例中，本公开提供了一种接近埃里克森/卡诺循环的具有提高的效率的多回路燃气涡轮机以及操作该多回路燃气涡轮机的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】新型多回路燃气涡轮机及其操作方法
燃气涡轮机技术的发展在过去的五十年中一直受到诸如高性能压缩机、涡轮叶片冷却和材料、贫燃燃烧器、数字控制和组合循环(CombinedCycle)等先进技术的推动。未来五十年的技术发展可能需要一组不同的驱动因素来应对不断变化的全球需求，诸如最小比CO2排放、利用可再生热能(如太阳能)高效工作的能力、分布式发电/消费模式的自适应设计、减少或消除用水以及全球新兴市场的承受能力的可接受性。现有技术中没有解决所有这些需求的燃气涡轮机循环概念。本文公开的新型燃气涡轮机循环概念的各种实施例可以解决大部分(如果不是全部的话)上述需求。本文描述的新型循环的各种实施例能够以对于所有实际可行的压力比和燃烧器出口温度范围而言最接近卡诺极限的热效率进行操作。本文所述的新型循环的实施例为下一代的燃气涡轮机技术提供了更大的循环优化可能性。
技术介绍
图1示出了在各个图中使用的部件图标。有多种参数用于定义循环，环境条件(P0，T0)，空气质量流量w和特性(R，Cp，γ)。这些变量的定义见本文附录A。此外，还需要定义两个以上的参数θ和π。θ为循环温度比(Tmax/Tmin)，以及π是循环压力比(Pmax/Pmin)。循环压力比π为总压缩压力比，并因此等熵压缩温度比τ等于πγ-1/γ，其中γ为比热比Cp/Cv。对于解析推导，'τ'为比'π'更方便的变量，即使对于“等温”过程，当τT＝const.＝1时，由于[RLn(π)＝CpLn(τ)]。简单的开式循环燃气涡轮机在布雷顿(BRO)循环上操作，并且包括串联的三个部件。如图2所示，这三个部件为压缩机201、燃烧器203和涡轮机205。在图1中还描绘了燃料207。如图3所示，闭合埃里克森循环(ERC)包括具有外部冷却的等温压缩301、具有外部加热的等温膨胀303和完全蓄热器305。再生开式循环燃气涡轮机(RGO)包括串联的四个部件。如图4所示，这四个部件为压缩机401、蓄热器403、燃烧器405和涡轮机407。在图4中还描绘了燃料409。当τ<√θ时，再生开式循环燃气涡轮机的运行理论是有效的。然而，在简单的开式循环燃气涡轮机中，废气通过废气管排到空气中，废气总体上被浪费了。因此，在布雷顿循环中不能同时实现高比功率和高热效率。也存在实际的限制。循环压力比(π)受气动机械限制，并且最高气体温度或循环温度比(θ)受到可用的昂贵高温材料和冷却技术的限制。简单的开式循环燃气涡轮机在环境压力边界之间操作并且总是产生大量的废气热损失。组合循环通过耦合底部朗肯循环(bottomingRankinecycle)来解决这个问题，但增加了复杂性并且需要水作为用于所述底部朗肯循环的附加工作介质，其中排出蒸汽中的全部潜热必须通过使用例如大型冷凝器、大型冷却水体(如湖泊和河流)和大型冷却塔与大气阻隔。在组合循环技术中，燃气涡轮机的废气中的热量被馈送到热回收蒸汽发生器中以生成蒸汽。这种蒸汽继而被用来驱动蒸汽涡轮机。这整体提高了火力发电厂的效率，并且还降低了在环境中的有害排放。如上所述，组合循环增加了复杂性。附录B为上述三个循环提供了关于相对特定循环功率(无量纲形式或称为wCpTo)和循环热效率η的分析基础。附录B还论述了CO2排放的灵敏度。例如，从附录B可以看出，埃里克森循环提供了等于卡诺极限的高比功率和高效率。三个支配过程中的两个(等温压缩和完全再生)可以并且需要结转。然而，等温膨胀不能被认为是这样，并且必须用具有再加热的分级膨胀来代替。此外，为了使再生保留为所有压力比(τ≥√θ)的有效选项，它必须与等温或准等温压缩相联结。此外，分级膨胀应该与分级压缩、再生和废气再压缩联网以用于闭式循环构造。因此，埃里克森循环为将卡诺原理引入非凝结气体介质的实际领域的一大进步的基准模型；人们只能以接近它的热效率和比功率为目标。而且，需要注意以下几点：(a)特定的CO2排放量将减少到热效率提高的程度。煤基工厂通常需要运行在67％以上的热效率以与基于天然气的工厂在环境上竞争；(b)重要的是，在特定情况下，回收生成的水同时燃烧天然气；(c)以可再生热能(如集中式太阳能热能)运行的小型工厂将以适中/低的最高温度和经济实惠的压力比运行；(d)在水资源匮乏或根本不可用的情况下，需要废除底部朗肯循环。下面描述的各种公开的实施例解决了上文提出的问题并提供了解决方案。
技术实现思路
本文公开了一种新型的多回路燃气涡轮机，其能够在所有实际可行的压力比范围和燃烧器出口温度下以最接近埃里克森/卡诺极限的热效率运行。在一个实施例中，提供了一种动力产生系统，包括：第一压缩机和第二压缩机；第一蓄热器和第二蓄热器；第一燃烧单元和第二燃烧单元；以及第一涡轮机和第二涡轮机；第一压缩机与第一蓄热器操作性地连通以向第一蓄热器提供来自第一压缩机的压缩气体；第一蓄热器与第一燃烧单元操作性地连通以向第一燃烧单元提供来自第一蓄热器的加热气体；第一燃烧单元与第一涡轮机操作性地连通以向第一涡轮机提供来自第一燃烧单元的废气；第二压缩机与第二蓄热器操作性地连通以向第二蓄热器提供来自第二压缩机的压缩气体；第二蓄热器与第二燃烧单元操作性地连通以向第二燃烧单元提供来自第二蓄热器的加热气体；第二燃烧单元与第二涡轮机操作性地连通以向第二涡轮机提供来自第二燃烧单元的废气；第一涡轮机与第二燃烧单元操作性地连通以向第二燃烧单元提供来自第一涡轮机的膨胀气体；并且第二涡轮机与第一蓄热器和第二蓄热器操作性地连通以向第一蓄热器和第二蓄热器提供来自第二涡轮机的膨胀气体。在另一个实施例中，提供了一种动力产生系统，包括：第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机；第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器；第一燃烧单元、第二燃烧单元和第三燃烧单元；以及第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机；第一压缩机与第一蓄热器操作性地连通以向第一蓄热器提供来自第一压缩机的压缩气体；第一蓄热器与第一燃烧单元操作性地连通以向第一燃烧单元提供来自第一蓄热器的加热气体；第一燃烧单元与第一涡轮机操作性地连通以向第一涡轮机提供来自第一燃烧单元的废气；第二压缩机与第二蓄热器操作性地连通以向第二蓄热器提供来自第二压缩机的压缩气体；第二蓄热器与第二燃烧单元操作性地连通以向第二燃烧单元提供来自第二蓄热器的加热气体；第二燃烧单元与第二涡轮机操作性地连通以向第二涡轮机提供来自第二燃烧单元的废气；第三压缩机与第三蓄热器操作性地连通以向第三蓄热器提供来自第三压缩机的压缩气体；第三蓄热器与第三燃烧单元操作性地连通以向第三燃烧单元提供来自第三蓄热器的加热气体；第三燃烧单元与第三涡轮机操作性地连通以向第三涡轮机提供来自第三燃烧单元的废气；第一涡轮机与第二燃烧单元操作性地连通以向第二燃烧单元提供来自第一涡轮机的膨胀气体；第二涡轮机与第三燃烧单元操作性地连通以向第三燃烧单元提供来自第二涡轮机的膨胀气体；并且第三涡轮机与第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器操作性地连通以向第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器提供来自第三涡轮机的膨胀气体。在另一个实施例中，提供了一种动力产生系统，包括：多个功能单元，多个功能单元的数量等于n，并且n为大于1的整数；多个功能单元中的每者包括：压缩机、蓄热器、燃烧单元和涡轮机；所述压缩机与所述蓄热器操作性地连通以向本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种动力产生系统，包括：第一压缩机和第二压缩机；第一蓄热器和第二蓄热器；第一燃烧单元和第二燃烧单元；以及第一涡轮机和第二涡轮机；所述第一压缩机与所述第一蓄热器操作性地连通以向所述第一蓄热器提供来自所述第一压缩机的压缩气体；所述第一蓄热器与所述第一燃烧单元操作性地连通以向所述第一燃烧单元提供来自所述第一蓄热器的加热气体；所述第一燃烧单元与所述第一涡轮机操作性地连通以向所述第一涡轮机提供来自所述第一燃烧单元的废气；所述第二压缩机与所述第二蓄热器操作性地连通以向所述第二蓄热器提供来自所述第二压缩机的压缩气体；所述第二蓄热器与所述第二燃烧单元操作性地连通以向所述第二燃烧单元提供来自所述第二蓄热器的加热气体；所述第二燃烧单元与所述第二涡轮机操作性地连通以向所述第二涡轮机提供来自所述第二燃烧单元的废气；所述第一涡轮机与第二燃烧单元操作性地连通以向所述第二燃烧单元提供来自所述第一涡轮机的膨胀气体；并且所述第二涡轮机与所述第一蓄热器和所述第二蓄热器操作性地连通以向所述第一蓄热器和所述第二蓄热器提供来自所述第二涡轮机的膨胀气体。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.04.17 IN 1595/MUM/2015;2015.10.30 US 62/248,71.一种动力产生系统，包括：第一压缩机和第二压缩机；第一蓄热器和第二蓄热器；第一燃烧单元和第二燃烧单元；以及第一涡轮机和第二涡轮机；所述第一压缩机与所述第一蓄热器操作性地连通以向所述第一蓄热器提供来自所述第一压缩机的压缩气体；所述第一蓄热器与所述第一燃烧单元操作性地连通以向所述第一燃烧单元提供来自所述第一蓄热器的加热气体；所述第一燃烧单元与所述第一涡轮机操作性地连通以向所述第一涡轮机提供来自所述第一燃烧单元的废气；所述第二压缩机与所述第二蓄热器操作性地连通以向所述第二蓄热器提供来自所述第二压缩机的压缩气体；所述第二蓄热器与所述第二燃烧单元操作性地连通以向所述第二燃烧单元提供来自所述第二蓄热器的加热气体；所述第二燃烧单元与所述第二涡轮机操作性地连通以向所述第二涡轮机提供来自所述第二燃烧单元的废气；所述第一涡轮机与第二燃烧单元操作性地连通以向所述第二燃烧单元提供来自所述第一涡轮机的膨胀气体；并且所述第二涡轮机与所述第一蓄热器和所述第二蓄热器操作性地连通以向所述第一蓄热器和所述第二蓄热器提供来自所述第二涡轮机的膨胀气体。2.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一燃烧单元和所述第二燃烧单元中的每者利用来自燃料源的燃料来执行燃烧。3.根据权利要求2所述的动力产生系统，还包括容纳所述燃料源的燃料储存装置，所述燃料储存装置与所述第一燃烧单元和所述第二燃烧单元中的每者操作性地连通。4.根据权利要求3所述的动力产生系统，其中，所述燃料源选自包括以下各项的组：(a)天然气；(b)甲烷；(c)煤油；(d)柴油燃料；(e)汽油；(f)煤；(g)可燃油；(h)可燃木材；(i)任何可燃材料；(j)液态烃；(k)气态烃；(l)氢气；(m)喷气燃料；以及(n)其任何组合。5.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一压缩机和所述第二压缩机中的每者利用冷却剂。6.根据权利要求5所述的动力产生系统，其中：所述第一蓄热器被构造成从所述第一压缩机接收在所述第一压缩机中使用的至少一些冷却剂；并且所述第二蓄热器被构造成从所述第二压缩机接收在所述第二压缩机中使用的至少一些冷却剂。7.根据权利要求6所述的动力产生系统，还包括冷却剂收集容器，所述冷却剂收集容器与所述第一蓄热器和所述第二蓄热器中的每者操作性地连通，以从所述第一蓄热器和所述第二蓄热器中的每者接收回收的冷却剂。8.根据权利要求6所述的动力产生系统，其中：所述第一压缩机被构造成从所述第一蓄热器接收回收的冷却剂；并且所述第二压缩机被构造成从所述第二蓄热器接收回收的冷却剂。9.根据权利要求7所述的动力产生系统，其中，所述冷却剂选自包括以下各项的组：(a)水；(b)甲醇；(c)乙醇；和(d)其任何组合。10.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：所述第一蓄热器为热交换器；并且所述第二蓄热器为热交换器。11.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中，每个热交换器为逆流式热交换器。12.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：所述第一燃烧单元包括第一内燃式燃烧器；并且所述第二燃烧单元包括第二内燃式燃烧器。13.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：所述第一燃烧单元包括第一外燃式燃烧器；并且所述第二燃烧单元包括第二外燃式燃烧器。14.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：所述第一燃烧单元利用核能；并且所述第二燃烧单元利用核能。15.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一燃烧单元和所述第二燃烧单元中的每者利用可再生能源。16.根据权利要求15所述的动力产生系统，其中，所述可再生能源从包括以下各项的组中选择：(a)集中式太阳能热能；(b)地热；(c)生物物质燃料；(d)海洋温差；以及(e)其任何组合。17.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：所述第一压缩机为多级压缩机；所述第二压缩机为多级压缩机；并且所述第一压缩机比所述第二压缩机具有更多的级。18.根据权利要求1所述的动力产生系统，还包括：第一发电机，所述第一发电机与所述第一涡轮机操作性地连通，这样使得所述第一涡轮机的旋转引起所述第一发电机的旋转；并且第二发电机，所述第二发电机与所述第二涡轮机操作性地连通，这样使得所述第二涡轮机的旋转引起所述第二发电机的旋转。19.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：来自所述第一压缩机的压缩气体为空气；并且来自所述第二压缩机的压缩气体为空气。20.一种动力产生系统，包括：第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机；第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热...

【专利技术属性】
技术研发人员：什里克里什纳·卡希纳特·萨尼，
申请(专利权)人：秘方能源私人有限公司，
类型：发明
国别省市：新加坡,SG