CN101545403B

CN101545403B - 切换催化燃烧燃气轮机发电装置

Info

Publication number: CN101545403B
Application number: CN2009100504534A
Authority: CN
Inventors: 翁史烈; 翁一武; 王玉璋; 巩斌
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: CN101545403A

Abstract

本发明公开一种动力发电技术领域的切换催化燃烧燃气轮机发电装置，其中：空气过滤器出口进口连接低热值燃气，空气过滤器出口与离心压气机入口相连，离心压气机出口与四通阀入口相连，四通阀出口与催化燃烧室的一端相连，催化燃烧室另一端的蓄热体后进入向心透平，向心透平出口直接通大气，启动点火器插入催化燃烧室腔体内，离心压气机和向心透平同轴，离心压气机端的输出轴通过联轴器和减速齿轮箱高速轴相连，减速齿轮箱低速轴通过联轴器和发电机轴相连。本发明采用的低热值燃气中的燃料净含量5％以下，热值低于2MJ/NM3，采用催化燃烧方式，这类燃气常常直接排入大气，既利用了这类能量，又减少了温室气体排放。

Description

切换催化燃烧燃气轮机发电装置

技术领域

本发明涉及的是一种动力发电技术领域的发电装置，具体地说，涉及的是一种切换催化燃烧燃气轮机发电装置。

背景技术

低热值燃气热值小于5MJ/Nm3，种类繁多，总量巨大，包括矿井通风瓦斯气、部分煤层气和生物质气、和钢铁、化工行业等在内的甲烷(CH4)浓度很低的副产气，其中很大部分是超低热值燃气小于2MJ/Nm3，甲烷(CH4)浓度只有0.5％至5％。由于甲烷浓度低不能采用常规方法点火燃烧，在实际利用上有相当难度，绝大多数超低热值燃料被丢弃，能源浪费惊人。每年全世界因煤矿开采和钢铁冶炼排入大气中的甲烷总量为1500万吨，相当于煤矿原始总能源的60％。随着煤炭和钢铁产品产量的增加，预计到2010年甲烷排放量将增至2800万吨，其中70％来自超低热值燃气。另一方面由于甲烷的全球变暖潜能值(Global WarmingPotential，GWP)是CO2的6.5倍，全球因甲烷气体而产生的温室效应占所有温室气体总量的17％，仅次于CO₂排在第二位，因此排放的甲烷严重加剧了温室气体效应。

美国西北燃料公司(Northwest Fuel Development)在1995年前后研究开发小型(150KW)天然气燃气轮机，用超低浓度燃气作助燃空气进行发电。2000年前后澳大利亚的联邦科学研究院CSIRO和能源开发公司(Energy DevelopmentLimited)研究开发利用煤矿通风瓦斯作为超低浓度燃气的燃气轮机技术，采用外部燃烧器技术。近年来美国Flex-Energy公司和Capstone燃气轮机公司联合研究开发微型燃气轮机，利用1％甲烷浓度的煤矿通风瓦斯气，机组容量大于100KW。

中国航空动力机械研究所发明的回热式小型燃气轮机【专利公开号CN10128076】，通过波形板换热器进行热能交换，单位体积传热面积大，流动损失小，回热效率可达到0.7-0.95；小型燃气轮机的热效率可达到35-50％，这种燃气轮机采用波形板换热器，燃料是燃油，而不是利用低热值燃气，没有解决低热值燃气稳定燃烧发电利用的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种切换催化燃烧燃气轮机发电装置，空气和燃气混合成的超低热值燃气直接进入燃气轮机，通过四通阀切换在燃烧室里不需要点火燃烧，实现催化燃烧。采用离心压气机、向心透平发电，充分回收并利用低热值燃料，在降低环境污染的同时，尽可能缓解一部分能源危机，而且整个过程简单易行，洁净环保，安全可靠。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：离心压气机、向心透平、催化燃烧室、发电机、减速齿轮箱、电力控制柜、空气过滤器、联轴器、启动燃料阀、轴承和四通阀。其中：离心压气机、向心透平同轴，并通过轴承支撑，空气过滤器入口与低热值燃气源通过管道连接，空气过滤器出口与离心压气机入口通过管道连接，离心压气机出口与四通阀一个端口通过管道相连，催化燃烧室与四通阀通过管道相连，四通阀和向心透平入口通过管道连接，向心透平出口通过管道连接到大气，启动燃料阀连接到催化燃烧室，电力控制柜通过电缆和发电机相连，电力控制柜的电缆和用户端相连，发电机与减速齿轮箱通过联轴器连接，减速齿轮箱与离心压气机通过联轴器连接。

所述催化燃烧室包括：蜂窝蓄热体、催化燃烧体、启动点火器。蜂窝蓄热体在催化燃烧室腔内的外侧，催化燃烧体紧靠蜂窝蓄热体放置，启动点火器在催化燃烧室的中部，启动点火器插入催化燃烧室腔体内。

所述四通阀有四个端口，其第一端口连接混合燃气进入管，第二、三端口通过混合燃气/烟气管与催化燃烧室连接，第四端口连接烟气流出管并通过烟气流出管流出烟气。

所述启动燃料阀入口与启动燃料源通过天然气进入管连接，启动燃料阀出口通过天然气进入管连接到催化燃烧室。

所述发电机在启动时作为启动电动机，采用变频调速。

本发明工作中，燃气和空气的混合气经过空气过滤器除去杂质进入离心压气机，在离心压气机内提高压力，经四通阀进入催化燃烧室中利用高温蓄热体加热，并进行催化燃烧，高温高压气体加热催化燃烧室中的蓄热体后，进而推动向心透平高速旋转，向心透平的轴通过联轴器和减速齿轮箱相连，经过减速齿轮箱减速后，带动发电机组向外输出电功。四通阀有切换功能，混合气经四通阀从第一端进入催化燃烧室，先在蓄热体中加热，然后催化燃烧，产生的高温烟气加热第二端的蓄热体后流出，再经四通阀进入透平，膨胀做功；下段时间四通阀换向切换后，混合气经从第二端进入催化燃烧室，燃烧烟气从第一端出来，再进入透平，四通阀不断切换，实现燃气和烟气换向。催化燃烧室既有对低浓度燃气加热的功能，又有低热值燃料的催化燃烧功能。进入催化燃烧室的低浓度燃气先在蜂窝状蓄热体前段，加热到催化燃烧起燃温度，然后进入后段蜂窝状蓄热体进行催化燃烧，经过四通阀切换，重复进行下一轮工作。在整个循环过程中，低浓度燃气不断进入空气过滤器，同时，系统不断向用户输出电能，从而实现利用低浓度燃气发电。

采用本发明的燃气轮机可以利用低热值燃气含量在0.5％-5％之间，燃料热值约在0.3-2MJ/NM3之间的低浓度甲烷燃料，整个机组可以实现的有效功率可以从几十千瓦到几千千瓦。以1.5％甲烷浓度的燃气100KW级的切换催化燃烧燃气轮机为例，燃气轮机转速在6000-60000转/分之间，压气机的压缩比在2-5之间，向心透平的膨胀比在2-5之间，减速齿轮箱的转速比为2-10，旋转催化回热型质量流量0.3-30Kg/S、最大进气压力4.0bar。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明切换催化燃烧室示意图；

图中：离心压气机1、向心透平2、催化燃烧室3、发电机4、减速齿轮箱5、电力控制柜7、空气过滤器8、第一联轴器9、第二联轴器10、启动燃料阀11、第一轴承12、第二轴承13、四通阀14、烟气流出管15、蜂窝蓄热体16a和16b、催化燃烧体17a和17b、启动点火器18、阀挡板20、天然气进入管19和21、混合燃气进入管22、混合燃气/烟气管23和6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例涉及的切换催化燃烧燃气轮机发电装置，包括离心压气机1、向心透平2、催化燃烧室3、发电机4、减速齿轮箱5、电力控制柜7、空气过滤器8、第一联轴器9、第二联轴器10、启动燃料阀11、第一轴承12、第二轴承13、四通阀14。其中：离心压气机1、向心透平2同轴，并通过第一轴承12和第二轴承13支撑。空气过滤器8入口与低热值燃气源通过管道连接，空气过滤器8出口与离心压气机1入口通过管道连接；离心压气机1与四通阀14和催化燃烧室3之间没有位置限定，离心压气机1出口与四通阀14一个端口通过管道相连，四通阀14与催化燃烧室3通过管道连接；催化燃烧室3与向心透平2之间也没有位置限定，催化燃烧室3与四通阀14通过管道相连，四通阀14和向心透平2入口通过管道连接；而向心透平2出口通过管道连接到大气。启动燃料阀11连接到催化燃烧室3。电力控制柜7通过电缆和发电机4相连，电力控制柜的电缆和用户端相连。发电机4轴与减速齿轮箱5的低速轴通过第二联轴器10连接；减速齿轮箱5的高速轴与离心压气机1轴通过第一联轴器9连接。

如图2所示的切换催化燃烧室是图1切换催化燃烧燃气轮机发电装置的具体化，关键部件是四通阀14和催化燃烧室3，阀挡板20在四通阀14内。

所述催化燃烧室3包括：蜂窝蓄热体16a和16b、催化燃烧体17a和17b、启动点火器18。蜂窝蓄热体16a和16b在催化燃烧室3腔内的外侧，催化燃烧体17a和17b分别紧靠蜂窝蓄热体16a和16b放置，启动点火器18在催化燃烧室3的中部，启动点火器18插入催化燃烧室3腔体内。

所述蜂窝蓄热体16a和16b表层有催化剂。

所述四通阀14有四个端口，混合燃气进入管22与连接四通阀14的第一端口相连，四通阀14的第二、三端口通过混合燃气/烟气管23和6与催化燃烧室3连接；四通阀14的第四端口连接烟气流出管15并通过烟气流出管15流出烟气。

所述启动燃料阀11入口与启动燃料源通过天然气进入管19连接，启动燃料阀11出口通过天然气进入管21连接到催化燃烧室3，启动点火器18插入催化燃烧室3腔体内。

如图1、2所示的切换催化燃烧燃气轮机系统，由发电机4(启动时发电机4用作电动机)通过减速齿轮箱5带动离心压气机1达到较高转速，通过过滤器8过滤的低热值燃气在离心压气机1内压缩后，通过四通阀14进入催化燃烧室3。当离心压气机1到一定转速后启动燃料阀11打开，启动点火器18点火，高温气体进入催化燃烧室3，加热蜂窝状蓄热体16a(或16b)到一定温度后关闭启动燃料阀11，发电机4由电动机模式切换回发电机模式，系统进入正常工作。在正常工作状态低热值燃气在催化燃烧室3内与高温蜂窝状蓄热体16a(或16b)进行热交换，吸收大量的热，温度升高到催化工作温度，进入催化燃烧区段17a和17b，在催化燃烧段进行催化燃烧，再加热蜂窝状蓄热体16b或16a，之后高温高压的气体经四通阀14排出，一段时间后四通阀挡板20换向切换，从四通阀14排出的烟气进入向心透平2内膨胀做功，向心透平2输出的旋转功通过减速齿轮箱5带动发电机4发电。电力控制柜7在启动时控制发电机4(启动时用作电动机)地转速，发电时控制发电电力参数和并网。

超低浓度燃气进入催化燃烧室3，先在蜂窝蓄热体16a的换热段，加热到催化燃烧起燃温度，再进入催化燃烧段变成高温烟气，加热蜂窝蓄热体16b的换热段。

本实施例中，各个部件的参数可以调节的范围为：离心压气机1与向心透平2是同轴的，转速相同，转速在6000-60000转/分之间，离心压气机1的压缩比在2-5之间，向心透平2的膨胀比在2-5之间，减速齿轮箱5的转速比为2-10，旋转催化回热器3质量流量0.3-30Kg/S、最大进气压力4.0bar，可以利用低热值燃气含量在0.5％-5％之间，燃料热值约在0.3-2MJ/NM3之间的低浓度甲烷燃料，整个系统可以实现的有效功率可以从几十千瓦到几千千瓦。

根据本实施例系统，包括井口伴生气、煤层气、水煤气、沼气或钢铁、化工、矿物燃料等生产过程中产生的低热值燃料，都可以被回收并通过催化燃烧方式加以充分的利用。

Claims

1.一种切换催化燃烧燃气轮机发电装置，包括：离心压气机、向心透平、催化燃烧室、发电机、减速齿轮箱、电力控制柜、空气过滤器、联轴器、启动燃料阀、轴承和四通阀，其特征在于：所述离心压气机、向心透平同轴，并通过轴承支撑，空气过滤器入口与低热值燃气源通过管道连接，空气过滤器出口与离心压气机入口通过管道连接，离心压气机出口与四通阀一个端口通过管道相连，催化燃烧室与四通阀通过管道相连，四通阀和向心透平入口通过管道连接，向心透平出口通过管道连接到大气，启动燃料阀连接到催化燃烧室，电力控制柜通过电缆和发电机相连，发电机与减速齿轮箱通过联轴器连接，减速齿轮箱与离心压气机通过联轴器连接。

2.根据权利要求1所述的切换催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征是，所述催化燃烧室包括：蜂窝蓄热体、催化燃烧体、启动点火器，其中蜂窝蓄热体在催化燃烧室腔内的外侧，催化燃烧体紧靠蜂窝蓄热体放置，启动点火器在催化燃烧室的中部，启动点火器插入催化燃烧室腔体内。

3.根据权利要求2所述的切换催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征是，所述蜂窝蓄热体表层有催化剂。

4.根据权利要求1所述的切换催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征是，所述四通阀有四个端口，其第一端口连接混合燃气进入管，第二、三端口通过混合燃气/烟气管与催化燃烧室连接，第四端口连接烟气流出管并通过烟气流出管流出烟气。

5.根据权利要求1所述的切换催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征是，所述启动燃料阀入口与启动燃料源通过天然气进入管连接，启动燃料阀出口通过天然气进入管连接到催化燃烧室。

6.根据权利要求1所述的切换催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征是，所述离心压气机和向心透平，其转速为6000-60000转/分。

7.根据权利要求1所述的切换催化燃烧燃气轮机发电装置，其特征是，所述发电机转速为3000转/分或1500转/分。