【技术实现步骤摘要】
本技术属于发动机，特别涉及到太阳能光热发电用发动机技术。
技术介绍
1、目前太阳能塔式光热发电系统中所应用的发电设备采用传统的蒸汽动力循环的发电方式。
2、光热发电系统的太阳能光热装置目前一般只能提供560℃左右的介质温度，经过热交换之后，发电侧所能得到的蒸汽温度约为290℃左右，因此，发电设备的蒸汽动力循环只能工作在温度、压力较低的过热蒸汽发电循环工况，整个系统的热效率相对偏低。
技术实现思路
1、为改进目前光热发电系统使用传统的蒸汽动力循环的效率偏低的状态，本技术提供一种工质近似等温压缩和等温膨胀的开放空气循环发动机设备，相比现有技术，可使效率显著提升，并且有其它多方面有益效果，具体描述如下：
2、一种发动机设备，包括发动机转子、散热器、加热器、回热器、热源设备和控制装置；
3、所述发动机转子包括压缩机、膨胀机和转子轴，所述压缩机、膨胀机用所述转子轴同轴串接在一起；
4、发动机设备的工质采用空气；
5、热源设备为太阳能光热蓄热系统或与太阳能光热蓄热系统的蓄热温度相近的高温蓄热系统；
6、发动机设备工作过程的动力来源于所述热源设备储存的热能；
7、发动机工质热力循环由依次完成的近似等温压缩过程、等压升温过程、近似等温膨胀过程、等压降温过程组成；
8、散热器、加热器、回热器均采用逆流式换热器设备或叉流式换热器设备。
9、进一步地，压缩机采用离心式空气压缩机或轴流式空气压缩机，
10、进一步地，散热器采用发动机工质与大气的热交换器，散热器安装于每两级压缩机构之间的压缩工质管路上，其热侧进/出口分别连接到上一级压缩机构的出口/下一级压缩机构的工质进口；其冷侧的进/出口均连通到大气。
11、可选地，散热器采用发动机工质与水热交换器，安装于每两级压缩机构之间的压缩工质管路上，其热侧进/出口分别连接到上一级压缩机构的出口/下一级压缩机构的工质进口；其冷侧的进/出口连通到冷水源的出/进口。
12、进一步地，膨胀机采用透平式类型，并且，整套膨胀机采用多级膨胀机构串接组成；每两级膨胀机构之间设置膨胀工质管路；所述膨胀工质管路的两端分别连接前一级膨胀机构的工质出口和后一级膨胀机构的工质进口。
13、进一步地，加热器采用发动机工质与热源热传输介质热交换器，加热器安装于每两级膨胀机构之间的膨胀工质管路上和/或末级压缩机与首级膨胀机构之间的工质管路上；加热器热侧的进/出口分别与所述热源设备的热输出管路的出/进口相连接；加热器的冷侧进/出口分别与前一级膨胀机出口(和/或末级压缩机出口)/后一级膨胀机构(和/或首级膨胀机构)的进口相连接。
14、进一步地，压缩机的每级压缩机构将工质压缩之后，工质的温升为20℃到60℃之间。
15、进一步地，膨胀机的每级膨胀机构将工质膨胀之后，工质的温降控制在20℃到60℃之间。
16、进一步地，整套发动机设备还包括一套回热换热器，简称为回热器，其冷侧进口连接到末级压缩机构的工质出口，冷侧出口连接到首级加热器的工质进口；其热侧进口连接到末级膨胀机构的工质出口，热侧出口直接连通大气。
17、优先地，散热器、加热器、回热器之一、部份或全部为热管换热器。
18、进一步地，整套发电机设备还包括一套发动机控制装置，该控制装置采用dcs控制系统，控制装置采集发电机设备各部件的工作参数，包括但不限于温度、压力、流量、应力、位移、振动、位置、电流、电压、电阻、频率、功率并根据相关参数及控制目标对各部件的运行进行控制和保护。
19、如上所述发动机设备，由于将压缩机分为多级，且每级压缩的温度上升被限制在20-60℃的较小温差值，再加上每次压缩之后，利用散热器将被压缩的工质温度降下来，这就近似实现了“等温压缩”的过程；采用类似的方法，实现了工质在膨胀过程中的近似“等温膨胀”过程。这就使整个热力过程成为比较接近于“卡诺循环”的过程，因此，可以获得比较高的系统热效率。
20、通过采用多级膨胀伴随多级加热的方法，与单级膨胀或少数几级膨胀过程相比，工质在整个膨胀过程中均可以保持在较高温度以及较高的平均温度。根据卡诺循环原理，该温度越高，热力系统的效率越高。同理，通过多级压缩和散热冷却，使压缩过程，保持在较低的温度，实现近似的“等温压缩”，这同样提升了热力系统的效率。
21、通过比较理论循环的最高效率，可以了解本技术的效率提升的潜力。这里以目前太阳能光热发电系统的常规工况为例来进行对比说明。
22、太阳能光热系统的热介质温度为565℃左右，在此温度下，发电设备的汽轮机可以获得的蒸汽温度为290℃左右，再假设环境温度为30℃，对应的蒸汽发电循环的冷凝水温度约为55℃， 则传统光热发电系统的极限热效率为：
23、1-(55+273)/(290+273)≈41.7%
24、采用本技术技术方案时，在太阳能热介质温度为565℃时，发动机的膨胀机的进/出气温度不难达到380/410℃以上，按平均温度395℃计算，同样，环境温度按30℃，压缩机的进气/出气温度不难达到50/80℃，平均按65℃计算，则该发电系统的极限热效率为：
25、1-(65+273)/(395+273)≈49.4%。
26、如果太阳能蓄热系统采用相变蓄热介质时，发电机的膨胀机的平均膨胀温度具备达到450℃的潜力，如果按450℃计算，则在环境温度为30℃时，该发电系统的极限热效率为：
27、1-(65+273)/(450+273)≈53.3%。
28、因此，本技术所述发动机与传统太阳能光热发电设备相比，具有较大的提升太阳能热能利用效率的潜力。
29、本技术发动机设备直接利用空气作为工质，整个循环为开式循环，因此，发动机在工作过程中，即使存在一定的泄漏，对系统的效率或其它方面的影响也不大，这就降低了对相关零部件的制造与装配的精度要求，有利于降低造价以及后期维护的费用。
30、采用本技术技术方案，系统的最高工作压力约2.2mpa，与传统太阳能光热发电设备的最大工作压力（约20mpa）相比，有较大幅度的下降，这将有利于降低设备的造价。
31、本发电机的工作过程与燃气轮机的工作过程相似，因此，同样具有快速启动和快速停止的能力；该功能也有利于提升太阳能光热系统的热能利用效率。
32、通过对空气压缩过程中的工质(空气)的多次冷却，使工质的温度保持在接近于常温的状态，从而使压缩机构始终保持在较低的工作温度，这就可以获得多个方面的有益效果，包括但不限于：材料选择范围宽广、成本低、可靠性高。
33、还有，当热源设备的蓄热温度降低时，该发动机本文档来自技高网...
【技术保护点】
1. 一种等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，包括发动机设备，其特征在于，所述发动机设备包括发动机转子、散热器、加热器、回热器、热源设备、发动机工质和控制装置； 所述发动机转子包括压缩机、膨胀机和转子轴，所述压缩机、膨胀机用所述转子轴同轴串接在一起；所述发动机设备的工质为空气； 所述热源设备为太阳能光热蓄热系统或与太阳能光热蓄热系统的蓄热温度相近的高温蓄热系统； 所述发动机设备工作过程的动力来源于所述热源设备储存的热能； 所述发动机工质热力循环由依次完成的近似等温压缩过程、等压升温过程、近似等温膨胀过程、等压降温过程组成； 所述散热器、加热器、回热器均为逆流式换热器设备或叉流式换热器设备。
2.如权利要求1所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述压缩机为离心式或轴流式类型且由多级压缩机构串接组成；每两级压缩机构之间设置压缩工质管路；所述压缩工质管路的两端分别连接前一级压缩机构的工质出口和后一级压缩机构的工质进口。
3.如权利要求2所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述散热器为发动机工质与大气的热交换器，安装于每两级压缩机构之
4.如权利要求2所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述散热器为发动机工质与水的热交换器，安装于每两级压缩机构之间的压缩工质管路上，其热侧进/出口分别连接到上一级压缩机构的出口/下一级压缩机构的工质进口；其冷侧的进/出口连通到冷水源的出/进口。
5.如权利要求1所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述膨胀机为透平式类型且由多级膨胀机构串接组成；每两级膨胀机构之间设置膨胀工质管路；所述膨胀工质管路的两端分别连接前一级膨胀机构的工质出口和后一级膨胀机构的工质进口。
6.如权利要求5所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述加热器为发动机工质与热源的热传输介质热交换器，安装于每两级膨胀机构之间的膨胀工质管路上或末级压缩机构与首级膨胀机构之间的工质管路上；加热器热侧的进/出口分别与所述热源设备的热输出管路的出/进口相连接；加热器的冷侧进/出口分别与前一级膨胀机构出口或末级压缩机构出口/后一级膨胀机构或首级膨胀机构的进口相连接。
7.如权利要求2所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述压缩机的每级压缩机构将工质压缩之后，工质的温升为20℃到60℃之间。
8.如权利要求5所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述膨胀机的每级膨胀机构将工质膨胀之后，工质的温降被控制在20℃到60℃之间。
9.如权利要求1所述等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述回热器，其冷侧进口连接到末级压缩机构的工质出口，冷侧出口连接到首级加热器的工质进口；其热侧进口连接到末级膨胀机构的工质出口，热侧出口连通大气。
10.如权利要求1所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述散热器、加热器、回热器之一、部份或全部为热管换热器。
11.如权利要求1所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述控制装置为DCS控制系统，所述控制装置采集发动机设备各部件的工作参数，包括但不限于温度、压力、流量、应力、位移、振动、位置、电流、电压、电阻、频率、功率，并根据相关参数及控制目标对各部件的运行进行控制和保护。
12.一种等温压缩和膨胀开放空气循环发电系统，其特征在于，包括如权利要求1至11中的任意一项所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，还包括发电机设备以及发电控制系统，所述发电机设备与发动机设备的发动机转子同轴连接；所述发电控制系统控制发电及发电的上网。
...【技术特征摘要】
1. 一种等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，包括发动机设备，其特征在于，所述发动机设备包括发动机转子、散热器、加热器、回热器、热源设备、发动机工质和控制装置； 所述发动机转子包括压缩机、膨胀机和转子轴，所述压缩机、膨胀机用所述转子轴同轴串接在一起；所述发动机设备的工质为空气； 所述热源设备为太阳能光热蓄热系统或与太阳能光热蓄热系统的蓄热温度相近的高温蓄热系统； 所述发动机设备工作过程的动力来源于所述热源设备储存的热能； 所述发动机工质热力循环由依次完成的近似等温压缩过程、等压升温过程、近似等温膨胀过程、等压降温过程组成； 所述散热器、加热器、回热器均为逆流式换热器设备或叉流式换热器设备。
2.如权利要求1所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述压缩机为离心式或轴流式类型且由多级压缩机构串接组成；每两级压缩机构之间设置压缩工质管路；所述压缩工质管路的两端分别连接前一级压缩机构的工质出口和后一级压缩机构的工质进口。
3.如权利要求2所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述散热器为发动机工质与大气的热交换器，安装于每两级压缩机构之间的压缩工质管路上，其热侧进/出口分别连接到上一级压缩机构的出口/下一级压缩机构的工质进口；其冷侧的进/出口均连通到大气。
4.如权利要求2所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述散热器为发动机工质与水的热交换器，安装于每两级压缩机构之间的压缩工质管路上，其热侧进/出口分别连接到上一级压缩机构的出口/下一级压缩机构的工质进口；其冷侧的进/出口连通到冷水源的出/进口。
5.如权利要求1所述的等温压缩和膨胀开放空气循环发动机，其特征在于，所述膨胀机为透平式类型且由多级膨胀机构串接组成；每两级膨胀机构之间设置膨胀工质管路；所述膨胀工质管路的两端分别连接前一级膨胀机构的工质出口和后一级膨胀机构的工质进口...
【专利技术属性】
技术研发人员：祝长宇，
申请(专利权)人：北京中热能源科技有限公司，
类型：新型
国别省市：
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