一種閉式三角循環(huán)高效發(fā)電設(shè)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(huán)發(fā)電設(shè)備，包括發(fā)電機（1）以及依次連接成環(huán)的一組壓縮機（2）、換熱器（3）和熱功動力轉(zhuǎn)換機械（4）；所述熱功動力轉(zhuǎn)換機械（4）、壓縮機（2）之間以及壓縮機（2）兩兩之間分別設(shè)有冷凝器（5），所述熱功動力轉(zhuǎn)換機械（4）和一組壓縮機（2）均通過轉(zhuǎn)軸（6）與發(fā)電機（1）連接。該設(shè)備將卡諾循環(huán)與布雷頓循環(huán)結(jié)合為一個三角形的閉式循環(huán)內(nèi)，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點，對布雷頓循環(huán)加以改進，形成一個新的閉式三角熱力循環(huán)，實現(xiàn)了大幅度提高燃氣輪機等熱機發(fā)電效率的效果。而且由于采用了外燃式加熱方式，可應(yīng)用于各種不同的燃料包括液態(tài)燃料及氣態(tài)燃料及固態(tài)燃料，包括太陽熱高溫發(fā)電等，對于節(jié)能減排，無疑具有十分重要的應(yīng)用價值及意義。
【專利說明】一種閉式三角循環(huán)高效發(fā)電設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于電力設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種新式熱力循環(huán)發(fā)電設(shè)備，具體涉及一種閉式三角循環(huán)高效發(fā)電設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]布雷頓(George fcayton(1830 - 1892))，美國工程師，1872年提出，發(fā)動機工作時，不斷從外界吸入空氣，加壓后的空氣，經(jīng)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(gòu)成一個開放式的循環(huán)過程。他的熱力學(xué)循環(huán)理論(后稱為布雷頓循環(huán))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(xù)地進行的。透平排氣溫度還相當(dāng)高(約400~550°C )，而壓氣機吸入的空氣是大氣溫度，相當(dāng)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(huán)的特點是氣體工質(zhì)的等壓動力循環(huán)，由四個熱力過程組成，通過氣體在熱力設(shè)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(zhuǎn)化為機械能，再由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。布雷頓循環(huán)分為開式循環(huán)及閉式循環(huán)兩種:循環(huán)工質(zhì)來自大氣最后又排至大氣的是開式循環(huán)；循環(huán)工質(zhì)被封閉循環(huán)使用的是閉式循環(huán)。布雷頓循環(huán)，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(yīng)提高壓縮比，可使布雷頓循環(huán)效率顯著提高。開放式布雷頓循環(huán)有很多優(yōu)點，體積小，做功發(fā)電量大，易實現(xiàn)各種規(guī)模發(fā)電，且其使用的工質(zhì)為空氣，具有廉價、無毒、無腐蝕等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于各種規(guī)模的燃氣輪機發(fā)電及飛機的引擎；然而，開放式布雷頓循環(huán)最大的缺點是發(fā)電效率較低，例如，一般的燃氣輪機的效率只有25-30%，跟內(nèi)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(gòu)成一個等壓放熱氣體壓縮過程的熱力循環(huán)。
[0003]為了提高布雷頓循環(huán)燃氣輪機發(fā)電效率，工業(yè)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(huán)的蒸汽機上再發(fā)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(lián)合循環(huán)”。然而，燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)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(huán)發(fā)電系統(tǒng)，一方面大大增加了成本，另一方面使本來體積小的渦輪發(fā)動機加上汽輪機后體積過大，難以用于中小規(guī)模的燃氣輪機的發(fā)電。因此，導(dǎo)致大部分燃氣輪機均為較低效率的單一循環(huán)的布雷頓循環(huán)發(fā)電裝置。
[0004] 卡諾循環(huán)(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?？ㄖZ循環(huán)是由四個熱力過程所構(gòu)成，包括兩個等溫過程和兩個絕熱過程，其特點是氣體工質(zhì)的動力循環(huán)在熱力循環(huán)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(jù)熱力學(xué)第二定律，在相同的高、低溫?zé)嵩礈囟萒l與T2之間工作的一切循環(huán)中，以卡諾循環(huán)的熱效率為最高，稱為卡諾定理。盡管卡諾循環(huán)的熱效率高，但完全按照卡諾循環(huán)工作的熱機在現(xiàn)實中是難以實現(xiàn)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(xiàn)，而實際上熱機的膨脹做功是高壓氣體在很短的時間內(nèi)迅速完成的，是絕熱膨脹過程，很難在很短的時間內(nèi)通過外部加熱來實現(xiàn)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(xiàn)的，氣體的壓縮過程，也是在較短的時間內(nèi)完成的，也很難通過外部冷凝來實現(xiàn)氣體等溫壓縮過程。如何實現(xiàn)或接近實現(xiàn)卡諾循環(huán)是一個提高熱機效率的方向。
[0005]卡諾循環(huán)及布雷頓循環(huán)都有各自的熱力學(xué)優(yōu)勢，因此如何發(fā)揮其優(yōu)勢，克服缺點，探索新的循環(huán)方法及理論，找到提高布雷頓循環(huán)熱效率的新途徑，以提高燃氣輪機的發(fā)電效率，并簡化設(shè)備，無疑具有十分重要的意義。
實用新型內(nèi)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(huán)高效發(fā)電設(shè)備，該設(shè)備利用卡諾循環(huán)熱效率高的優(yōu)點，對布雷頓循環(huán)加以改進，形成一個新的閉式三角熱力循環(huán)，從而大幅度提高燃氣輪機發(fā)電熱效率。
[0007]技術(shù)方案:本實用新型提供的一種閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備，包括發(fā)電機(I)以及依次連接成環(huán)的一組壓縮機(2)、換熱器(3)和熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4);所述熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)、壓縮機(2)之間以及壓縮機(2)兩兩之間分別設(shè)有冷凝器(5)，所述熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)和一組壓縮機(2)均通過轉(zhuǎn)軸(6)與發(fā)電機(I)連接。
[0008]作為優(yōu)選，所述一組壓縮機(2)的數(shù)量為兩個以上。
[0009]作為另一種優(yōu)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(yōu)選，還包括調(diào)壓閥(7)，所述調(diào)壓閥(7)設(shè)于換熱器(3)和熱功動力轉(zhuǎn)換機械⑷之間。
[0011]作為另一種優(yōu)選，所述閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備采用空氣、二氧化碳、氮氣、氦氣、氫氣或氧氣作為循環(huán)工質(zhì)。
[0012]作為另一種優(yōu)選，所述的熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)為汽輪機或膨脹機。
[0013]作為進一步優(yōu)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(huán)發(fā)電設(shè)備，將卡諾循環(huán)與布雷頓循環(huán)結(jié)合，利用卡諾循環(huán)效率高的優(yōu)點，對布雷頓循環(huán)加以改進，形成一個閉式三角熱力循環(huán)動力設(shè)備，從而發(fā)揮各自的優(yōu)勢，用一個循環(huán)就大幅度提高了燃氣輪機發(fā)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(huán)發(fā)電設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖2為本實用新型閉式三角循環(huán)的為熱力循環(huán)的P-V圖；[0017]圖3為本實用新型閉式三角循環(huán)的的T-S圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本實用新型做出進一步說明。
[0019]閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備，見圖1，包括發(fā)電機(I)以及依次連接成環(huán)的一組壓縮機
(2)、換熱器(3)、調(diào)壓閥(7)和熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4);所述熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)、壓縮機
(2)之間以及壓縮機(2)兩兩之間分別設(shè)有冷凝器(5)，所述熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)和一組壓縮機⑵均通過轉(zhuǎn)軸(6)與發(fā)電機⑴連接。
[0020]本實施例中，壓縮機的數(shù)量為三個，也就是說，本實施例中，閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備包括發(fā)電機(I)以及依次連接成環(huán)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(diào)壓閥(7)、熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)；所述熱功動力轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸(6)與發(fā)電機(I)連接?？蛇x地，壓縮機(2)的數(shù)量也可以根據(jù)需要合理設(shè)置，只要是在一個以上均可實現(xiàn)本實用新型的目的，然而，使用兩個以上的壓縮機串聯(lián)，能夠大大提高發(fā)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(yōu)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(zhuǎn)換機械4為汽輪機；可選地，也可以選擇任意合適的熱功轉(zhuǎn)換機械；優(yōu)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(huán)發(fā)電設(shè)備內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)氣體經(jīng)一組壓縮機2和冷凝器5的數(shù)級冷卻壓縮后，形成高壓氣體，經(jīng)換熱器加熱后，形成高溫高壓氣體，進入熱功動力轉(zhuǎn)換機械4內(nèi)膨脹做功，帶動發(fā)電機I發(fā)電，成為低溫低壓的氣體進入冷凝器4冷凝，完成一次循環(huán)。
[0025]本實用新型提供的閉式三角循環(huán)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(gòu)成的氣體循環(huán)(見圖2和圖3)，具體為:壓縮機連續(xù)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(huán))過程壓縮為高壓低溫的氣體，高壓氣體再經(jīng)過等壓加熱膨脹(2-3，布雷頓循環(huán))過程形成高溫高壓的氣體，再進入熱功動力轉(zhuǎn)換機械內(nèi)進行絕熱膨脹做功(3-1，布雷頓循環(huán))過程，從而使熱能不斷轉(zhuǎn)化為機械能，再由發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為電能。該循環(huán)的高壓空氣等壓加熱膨脹(2-3)是布雷頓循環(huán)，低壓空氣等溫放熱壓縮(1-2)是卡諾循環(huán)的壓縮過程，從而形成三角熱力循環(huán)(1-2-3)的組合。
[0026]膨脹過程，通常按照卡諾循環(huán)工作的膨脹過程中的等溫加熱在現(xiàn)實中是難以實現(xiàn)的，因為熱機的膨脹做功是高壓氣體在較短的時間內(nèi)完成的，很難通過一邊膨脹一邊用外部加熱來實現(xiàn)等溫膨脹過程，而布雷頓循環(huán)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(xù)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(xiàn)了高壓氣體的加熱的過程。
[0027]通常開放式布雷頓循環(huán)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(xiàn)；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(huán)境冷凝來實現(xiàn)等溫壓縮的過程(1-2)，無須損失尾氣的熱量即可實現(xiàn)循環(huán)過程，且壓縮機功耗較小。本實用新型提供的閉式三角循環(huán)，用一個等溫壓縮過程，完成了開放式布雷頓循環(huán)的兩個壓縮過程，且壓縮機耗功量大幅度減小。
[0028]根據(jù)熱力學(xué)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(xiàn)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)了氣體定溫壓縮的過程；優(yōu)化的壓力設(shè)計及恰當(dāng)?shù)募訜釡囟?，使得閉式三角循環(huán)絕熱膨脹后，其尾氣的溫度接近于環(huán)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(huán)與布雷頓循環(huán)有機的結(jié)合起來，能夠發(fā)揮各自的優(yōu)勢，形成一個新的熱力循環(huán)動力設(shè)備，從而大幅度提高了采用布雷頓循環(huán)的燃氣輪機動力設(shè)備的熱效率；可大幅度節(jié)約成本及能耗，意義重大。
[0030]將上述閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備用于不同條件下發(fā)電。
[0031]應(yīng)用實例一，閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備米用空氣作為工作介質(zhì)，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的進口處高壓側(cè)壓力為IMpa，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的出口處低壓側(cè)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(yīng)用實例二，閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備采用二氧化碳作為工作介質(zhì)，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的進口處高壓側(cè)壓力為2Mpa，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的出口處低壓側(cè)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(yīng)用實例三，閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備采用氮氣作為工作介質(zhì)，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的進口處高壓側(cè)壓力為3Mpa，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的出口處低壓側(cè)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(yīng)用實例四，閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備采用氦氣作為工作介質(zhì)，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的進口處高壓側(cè)壓力為lOMpa，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的出口處低壓側(cè)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(yīng)用實例五，閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備米用氫氣作為工作介質(zhì)，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的進口處高壓側(cè)壓力為IMpa，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的出口處低壓側(cè)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(yīng)用實例六，閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備米用氧氣作為工作介質(zhì)，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的進口處高壓側(cè)壓力為IMpa，熱功動力轉(zhuǎn)換機械2的出口處低壓側(cè)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(huán)發(fā)電設(shè)備的熱效率比較
[0039]
【權(quán)利要求】
1.一種閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:包括發(fā)電機(I)以及依次連接成環(huán)的一組壓縮機(2)、換熱器(3)和熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4);所述熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)、壓縮機(2)之間以及壓縮機(2)兩兩之間分別設(shè)有冷凝器(5)，所述熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)和一組壓縮機(2)均通過轉(zhuǎn)軸(6)與發(fā)電機(I)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:所述一組壓縮機(2)的數(shù)量為兩個以上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:還包括調(diào)壓閥(7)，所述調(diào)壓閥(7)設(shè)于換熱器(3)和熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:所述閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備米用空氣、二氧化碳、氮氣、氦氣、氫氣或氧氣作為循環(huán)工質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)備，其特征在于:所述的熱功動力轉(zhuǎn)換機械(4)為汽輪機或膨脹機。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種閉式三角循環(huán)發(fā)電設(shè)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(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】孟寧 申請人:孟寧