一種復(fù)疊式布列頓聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)疊式布列頓聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法及裝置，具體屬小微型燃氣輪機發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]先進燃氣輪機技術(shù)是21世紀能源與動力系統(tǒng)的核心關(guān)鍵技術(shù)，也是目前世界上一個國家工業(yè)基礎(chǔ)先進程度的重要標志。發(fā)展先進燃氣輪機技術(shù)具有重大戰(zhàn)略意義和廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景，對于我國相關(guān)領(lǐng)域中的高新技術(shù)發(fā)展有著極其重大的作用。
[0003]自上世紀80年代以來，大容量、高效率的燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)已成為一個必然的趨勢，在世界的發(fā)電容量中所占的份額更是明顯地快速增長。近年以來，隨著全球范圍內(nèi)的能源與動力需求結(jié)構(gòu)，特別是電力系統(tǒng)的放松控制以及環(huán)境保護等要求的變化，一種以小微型燃氣輪機為核心的分布式能源系統(tǒng)和電源裝置掙迅猛崛起，大有與大、中型燃氣輪機共占市場的趨勢。這種發(fā)、供電方式具有以下一些優(yōu)點和特點:它沒有或具有很低的輸配電損耗(對于集中供電方式而言，這種損耗至少高達10%左右，在我國甚至達到15%以上)；無需建設(shè)配電站，可以減少輸配電成本；適合多種熱電比的變化，可使系統(tǒng)根據(jù)熱負荷或電負荷的需求進行靈活的調(diào)節(jié)，有利于提高設(shè)備的利用率；便于近距離地向用戶供熱和制冷，無需建立昂貴的輸送管網(wǎng)，因而既能節(jié)省投資費用，又能提高能源的利用效率，土建和安裝成本都能降低；各電站互相獨立，便于自行控制，不會發(fā)生大規(guī)模的供電事故，因而供電的可靠性高，非常適宜于為商業(yè)區(qū)、居民區(qū)乃至機場和地鐵站等提供電力、供熱和制冷；在燃用清潔燃料的前提下，即使在人口稠密的城市地區(qū)，也能滿足高標準環(huán)保質(zhì)量的要求。顯然，分布式供熱、供電方式是集中供熱、供電方式的一種不可缺少的補充。這是目前世界上電力工業(yè)中出現(xiàn)的一個由傳統(tǒng)的集中供電和供熱模式，向著依靠大型和中、小型發(fā)電站廣泛結(jié)合的分布式電力系統(tǒng)模式過渡的新趨勢。以微型燃氣輪機為例，國外進口的微型燃氣輪機發(fā)電機組已成功地在中國應(yīng)用，其系列化產(chǎn)品正在石油、化工、煤炭、電信等領(lǐng)域推廣應(yīng)用；車載式微型燃氣輪機移動電站率先跨進了中國電信的門檻；微型燃氣輪機發(fā)電機組在高科技和軍事領(lǐng)域也備受關(guān)注；在環(huán)保型混合動力汽車、越野型移動電站、熱電聯(lián)供等領(lǐng)域，也獲得了廣泛應(yīng)用。這將為中型、特別是小微型燃氣輪機的推廣應(yīng)用，提供一個嶄新的機遇和市場。
[0004]中小型或微型燃氣輪機的排氣溫度很高，例如簡單循環(huán)的燃氣輪機機組排氣溫度一般為470°C?600°C，采用高溫排氣來加熱從壓氣機出口的空氣，提高它進入燃燒室的溫度，可使燃燒室中加入的燃料量減少，從而提高了熱效率，在燃氣輪機中加裝回熱器后，可實現(xiàn)上述工作過程，這就是回熱循環(huán)。附圖3為其方案示意。附圖3中:C-壓氣機，R-回熱器，B-燃燒室，T-渦輪機，L-發(fā)電機。以微型燃氣輪機為例，采用回熱器可以提高微型燃氣輪機的熱效率達20%?30%，而不使用回熱器的微型燃氣輪機熱效率僅有14%?20% ；為了獲得高效率，迫使人們采用像陶瓷一類的材料，以改善回熱器材料特性，排氣溫度達200 0C?340 0C，實際應(yīng)用中一般在260 °C?340 °C，提高熱效率的空間仍然較大，美國政府預(yù)計未來成熟的微型燃氣輪機發(fā)電機組的效率為40%。
[0005]Daniele Cocco等人研宄了外燃式微型燃氣輪機循環(huán)，并對渦輪機入口溫度分別為800K、1000K、1200K的三種外燃式微型燃氣輪機循環(huán)進行了仿真計算，其計算結(jié)果如附圖2所示；顯然在輸出功率為75kW以上時，外燃式燃氣輪機循環(huán)的熱效率并不低。這種外燃式燃氣輪機循環(huán)是由回熱型燃氣輪機循環(huán)發(fā)展而來，其結(jié)構(gòu)與燃氣輪機回熱循環(huán)相似；在外燃式燃氣輪機循環(huán)中，燃燒室被高溫回熱器取代，并在外部增加了一個代用燃料燃燒器，實現(xiàn)了燃氣輪機的間接加熱；在代用燃料燃燒室中，燃料是在稍高于外界大氣壓下進行燃燒的。該燃氣輪機循環(huán)采用的工質(zhì)為空氣，其實質(zhì)為空氣渦輪機，其優(yōu)點是燃料燃燒后生成的燃氣不流經(jīng)渦輪機，避免了燃料中的污垢對設(shè)備的損傷。美國航空航天研宄公司與熱化學能源組織合作共同研宄了外燃式微型燃氣輪機循環(huán)，并在航空航天研宄公司實驗室成功地安裝、運行了外燃式循環(huán)系統(tǒng)，渦輪機入口溫度一般保持在750°C，溫度上限為800°C。這種型式的循環(huán)系統(tǒng)為可再生能源在熱電聯(lián)供中的應(yīng)用提供了一種新的選擇，是一種很有前途的、高效的、廉價的功能方式，如何拓展其應(yīng)用范圍至熱處理燃料爐值得深入研宄。
[0006]中國專利201320854012.1提供了一種改進的、采用空氣作為循環(huán)工質(zhì)的簡單循環(huán)燃氣輪機技術(shù)，即一種卡諾-開放式布雷頓混合循環(huán)發(fā)電設(shè)備，采用燃燒室燃料產(chǎn)生熱量，加熱經(jīng)壓氣機多級壓縮、中間冷卻的空氣，拖動燃氣輪機膨脹做功，其實質(zhì)是通過優(yōu)化的壓力設(shè)計及恰當?shù)募訜釡囟龋h(huán)過程中不設(shè)置回熱器，使得開放式布列頓循環(huán)排放尾氣的溫度接近于環(huán)境的空氣溫度，從而有效增加了功的輸出。但該專利也存在亟需解決的技術(shù)難題，即利用燃料產(chǎn)生的熱量將壓力較高的空氣加熱到1200°C，如此高溫的換熱器設(shè)計確實是個技術(shù)難點，可能需要高溫陶瓷換熱器技術(shù)過關(guān)才能符合要求，因而也限制了該專利的推廣應(yīng)用。
[0007]對于小微型燃氣輪機發(fā)電機組，為了提高布列頓循環(huán)燃氣輪機的發(fā)電效率，可以把燃氣輪機做完功的高溫尾氣接到朗肯循環(huán)的蒸汽機或有機工質(zhì)汽輪機上再發(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-蒸汽聯(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)模的發(fā)電。因此，難以推廣應(yīng)用，而采用單一循環(huán)的布列頓循環(huán)發(fā)電裝置，或采用回熱的布列頓循環(huán)發(fā)電裝置，排氣溫度仍然較高。
[0008]因此如何解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，拓展外燃式燃氣輪機循環(huán)的應(yīng)用領(lǐng)域，建立效率更高、新式的布列頓循環(huán)發(fā)電模式，使燃料燃燒產(chǎn)生的熱能利用更加合理，成為該領(lǐng)域研宄的難點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明是為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種復(fù)疊式布列頓聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法及裝置，頂循環(huán)采用簡單循環(huán)的燃氣輪機機組，底循環(huán)借鑒外燃式燃氣輪機循環(huán)，選擇空氣作為循環(huán)工質(zhì)，回收頂循環(huán)排出煙氣的余熱用于底循環(huán)發(fā)電，從而形成復(fù)疊式布列頓聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，使燃料燃燒產(chǎn)生的熱能利用更加合理，達到節(jié)能降耗的目的。
[0010]本發(fā)明的目的是通過以下措施實現(xiàn)的:
一種復(fù)疊式布列頓聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法及裝置，其特征在于: 一種復(fù)疊式布列頓聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方法，該方法采用頂部布列頓循環(huán)和底部布列頓循環(huán)復(fù)疊運行方式，利用頂部布列頓循環(huán)中燃氣輪機排出的溫度較高的煙氣作為底部布列頓循環(huán)的熱源，底部布列頓循環(huán)采用空氣作為循環(huán)工質(zhì)，從而形成復(fù)疊式布列頓聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)；
所述的頂部布列頓循環(huán)是指助燃空氣10經(jīng)頂循環(huán)壓氣機11增壓后，形成頂循環(huán)壓縮空氣12，送入燃燒室14，與燃料13混合燃燒，形成的高溫煙氣15送入燃氣輪機16，拖動頂循環(huán)發(fā)電機17發(fā)電，從燃氣輪機16排出的煙氣18經(jīng)高溫回熱器24降溫后，形成低溫煙氣19排入大氣，從而形成頂部布列頓循環(huán)過程；
所述的底部布列頓循環(huán)是指空氣20經(jīng)底循環(huán)壓氣機21增壓后，產(chǎn)生壓縮空氣22，通過高溫回熱器24回收燃氣輪機16排出的煙氣18的熱量，產(chǎn)生的高溫空氣25，送入空氣渦輪機26拖動底循環(huán)發(fā)電機27發(fā)電，空氣禍輪機26的排氣28排入大氣，從而形成底部布列頓循環(huán)過程；
所述的頂部布列頓循環(huán)和底部布列頓循環(huán)通過高溫回熱器24組成復(fù)疊式布列頓聯(lián)合循環(huán)發(fā)電方式。
[0011]設(shè)有低溫回熱器23:所述的頂部布列頓循環(huán)是指助燃空氣10經(jīng)頂循環(huán)壓氣機11增壓后，形成頂循環(huán)壓縮空氣12，送入燃燒室14，與燃料13混合燃燒，形成的高溫煙氣15送入燃氣輪機16，拖動頂循環(huán)發(fā)電機17發(fā)電，從燃氣輪機16排出的煙氣18經(jīng)高溫回熱器24、低溫回