CN102224332A - 应用旋转的再生热交换器的具有外部燃烧的燃气涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将例如来自煤、生物质等的热能变换成机械功的燃气涡轮机(10)，包括带有相关联的管道系统的压缩机单元(11)、涡轮机单元(13、燃烧室(15)和热交换器(14)。燃气涡轮机(10)以下述方式构造，即：热量借助于来自燃烧室(15)的热废气被供应至压缩机单元(11)与涡轮机单元(13)之间的空气流，并被带入布置在压缩机单元(11)与涡轮机单元(13)之间的压缩室(12)。

Description

应用旋转的再生热交换器的具有外部燃烧的燃气涡轮机

技术领域

本发明涉及如下的方法和设备，其用于在不必首先通过例如利用废弃物燃烧、煤燃烧或燃烧颗粒等来产生用于产生功的蒸汽的情况下将固体或颗粒燃料用作燃气涡轮机的能源。

背景技术

近几年，已提出许多用于将热能转换成机械功的技术解决方案。由于截至目前油相对便宜，所以研究与开发通常集中于使用油作为能源的热力机。现今的情形是油价比例如生物质能高得多。

已提出用于将来自煤、生物能等的热能转换成机械功的数种解决方案。所提出的解决方案建议使用蒸汽动力涡轮机。除这样的设备相对于能量输出大且复杂的事实之外，所述解决方案是运行良好的解决方案。

如果机动车辆可由生物能提供动力，则这将对应于每升1.50挪威克朗(NOK)的汽油价格。在二十世纪四十年代，通常的做法是借助于木材发电机(wood generators)为汽车提供动力，这样的提供动力基于热解工艺。

WO 02/055855公开了一种包括燃气涡轮机的动力生成系统，其中借助于布置在燃烧器中的热交换器加热在压缩机单元与涡轮机单元之间的空气流。根据该解决方案，从压缩机单元到涡轮机单元的空气流被保持为与在燃烧室中产生的废气分开，来自涡轮机单元的膨胀空气被供应至燃烧室。根据该解决方案的热交换器为固定式热交换器，该热交换器形成为使得热交换器的部件在停工时间期间必须至少部分地取出，以从热交换器的内表面去除积碳和类似的废料。

FR 2916240描述了一种应用压缩机单元和涡轮机单元用于产生能量的系统，在该系统中，离开压缩机单元的空气流在进入涡轮机单元之前经过旋转的再生式热交换器。热能通过来自燃烧器的热废气的逆流被供应至在旋转的再生式热交换器中的空气流，从而燃烧生物质材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种燃气涡轮机，其中燃烧可在工作涡轮机下游的空气流中执行并且仍然向在通过工作涡轮机单元膨胀之前的压缩空气增加能量。

本发明的第二目的是增强能量转换，从而降低对由涡轮机系统的包括热交换器的多种部件的修理、维护和清洁所引起的停工时间的需求。

本发明的第三目的是改善在涡轮机系统中采用的热交换器的性能、效率和工作寿命，还减少了由维护与修理操作所引起的可能的停工时间。

本发明的第四目的是使机械功的产生成为可能，并仍然避免热积碳或灰污染的废气对涡轮机单元的负面影响。

本发明的另一目的是使依靠例如以颗粒或煤的形式的生物质驱动汽车成为可能，并使提供具有超过传统的汽油发动机的重量/效果比的完全燃气涡轮机类型成为可能。

本发明的又一目的是在不必需将能量转换成作为中间相的蒸汽的情况下，使固体或颗粒燃料能够用作燃气涡轮机的能源。

本发明的再一目的是将不同于油的其它能源用于固定的和移动的能量生产，例如用于给机动车辆、电机等提供动力。

根据本发明的燃气涡轮机包括：在共用轴上旋转的压缩机单元和涡轮机单元；燃烧室；和旋转的再生式热交换器，其中，燃烧发生在涡轮机单元下游的空气流中，通过由来自燃烧的热废气加热的固体材料来给在压缩机单元与涡轮机单元之间的空气流增加热能。

根据本发明，该系统优选地以如下方式构造，即：燃烧气体不与涡轮机单元接触，热量以连续的无级过程被引入较冷的气流中，从而加热这样的较冷气流，然后将加热源返回至热源以用于重新加热。

根据本发明，通过使用旋转的再生式热交换器，可以以连续的或周期性的方式将热能带入压缩机单元与涡轮机单元之间的空气流，所述旋转的再生式热交换器借助于来自燃烧室的热量加热，该旋转的再生式热交换器被引入压缩机单元与涡轮机单元之间的所述空气流和从所述空气流被引出。

由于燃烧发生在涡轮机单元下游的空气流中，并且由于将燃烧热与压缩机单元和涡轮机单元之间的压缩空气流进行交换，所以与现有技术相比较获得以下优点，其中燃烧直接在压缩机单元与涡轮机单元之间的燃烧室中执行：

-涡轮机单元下游的空气流中的余热形成燃烧过程的一部分，并且废气中损失较少部分的热量。

-可使用形成灰和积碳的燃料。积碳和灰的颗粒不会与涡轮机转轮接触。因为涡轮机转轮以高达音速的旋转速度旋转，所以上述情形至关重要。以这样的高速撞击涡轮机转轮的积碳颗粒将对所述涡轮机部件造成严重损坏。另外，应意识到的是，积碳和灰颗粒对涡轮机转轮具有冲蚀性的有害影响。

-燃烧发生在大约大气压力下。在压缩机单元与涡轮机单元之间的燃烧室中，在这样低的压力下的燃烧导致比在高的压力下的燃烧产生较小的NO_X体积。

-又一优点是主热交换器是自动清洁的，并且另外可使主热交换器比现有技术的系统更紧凑且尺寸明显更小。这意味着无需像传统解决方案那样经常地清洁所述单元。

再生式热交换器与热交换器的体积相比较具有非常大的表面(达到每立方米6000m²)，并因此提供更紧凑有效的解决方案。

根据本发明，热交换器的表面可以是催化剂类型，这样的表面例如涂覆有铂层。

该目的可通过引入旁通管线满足，该旁通管线布置在压缩机单元的出口与至少一个再生式热交换器的入口之间，同时绕过燃烧室，从而允许来自压缩机的压缩空气的一部分绕过燃烧室。

根据本发明的一个实施例，所述绕过空气被设计成冷却至少一个热交换器的废气侧的外表面。控制阀优选地可布置在燃烧室的上游，从而将压缩空气的至少一部分引导至燃烧室。

此外，热交换器可以以下述方式构造，即：允许来自压缩机的压缩空气的一部分至少冷却至少一个再生式热交换器的废气侧的外表面。

根据本发明的另一实施例，可使用接收来自压缩机的空气和来自燃烧室(15)的热量的两个或两个以上的再生式热交换器，这样的两个或两个以上的热交换器优选地并联布置。

所述至少一个热交换器可设置有与空气的主流动方向平行地布置的许多分离的导管，并且所述至少一个热交换器以下述方式构造，即：导管的一部分在任何时候都定位在压缩机单元与涡轮机单元之间的空气流中以加热空气流，并且导管的剩余部分定位在来自燃烧室的废气流中并从而被加热。导管的纵向轴线相对于至少一个再生式热交换器的旋转轴线偏斜。

根据本发明的另一实施例，开口的用于压缩空气穿过至少一个旋转的热交换器的入口的部分相对于涡轮机单元上游的出口以旋转的方式稍微移位，使得压缩空气流的一部分被引导到来自燃烧室的空气流中，从而由于该冲洗流，清洁至少一个再生式热交换器的导管的颗粒。

根据本发明的又一实施例，由涡轮机产生的功经由发电机作为电能被取出；并且电能由压缩机单元产生，所述压缩机单元的转子用作产生电力的发电机，并且定子单元布置在压缩机单元周围，这样的定子单元包括一个或多个线圈。在这种情况下，压缩机单元的转轮优选地可被永久地磁化。借助于外部磁场磁化压缩机单元(11)的转轮。

根据本发明的另外的优点是在不必须关掉设备的情况下，可以以去除在再生式热交换器的热交换表面上的可能的积碳或积灰的方式大致连续地清洁热交换器。

附图说明

现在应参考附图更详细地描述本发明的实施例，其中：

图1示意性地并且非常简化地示出根据本发明所应用的原理的草图；

图2示意性地并且非常简化地示出使用了旋转的再生式热交换器的实施例；

图3示意性地并且非常简化地示出根据本发明的旋转的再生式热交换器；

图4示意性地并且非常简化地示出具有外部燃烧的实施例；

图5示意性地示出根据本发明的旋转的再生式热交换器可能的实施例；

图6示意性地示出穿过图5所示的热交换器的、沿线6-6看到的竖直截面；

图7示出本发明的替代性实施例，压缩机单元形成为永磁体，并且其中线圈系统布置在压缩机单元周围，因而压缩机单元用作用于产生电力的发电机；

图8和图9示出本发明的替代性实施例，其中来自压缩机单元的压缩空气的一部分可绕过燃烧室；以及

图10和图11示出如图8和图9所示的旁通解决方案，包括根据本发明的两个旋转的再生式热交换器。

具体实施方式

图1示意性地并且非常简化地示出根据本发明所应用的原理的草图。燃气涡轮机10包括压缩机单元11，该压缩机单元11用于将空气从1巴的压力p₁压缩至2巴的压力p₂，同时温度由于压缩的结果而从T₁＝20℃增加至T₂＝200℃的温度。横跨压缩机单元，空气速度从v₁＝1m³/sec增加至v₂＝0.86m³/sec的速度。在涡轮机10的压缩机单元11与涡轮机单元13之间的压缩室12中，在将压力维持在p₃＝2巴的压力的同时借助于再生式热交换器14将压缩气体进一步加热至T₂＝800℃的温度。空气的速度由于加热而增加至v₃＝1.83m³/sec。然后，压缩且加热后的气体被引导至涡轮机单元13，在该涡轮机单元13的位置处，空气膨胀至p₄＝1巴的压力，并且在该涡轮机单元13的位置处，温度降低至T₄＝50℃，同时速度增加至v₄＝2.64m³/sec。

然后，将膨胀的空气引导至燃烧室15，在该燃烧室15的位置处，膨胀的空气有助于例如固体的或颗粒的燃料的燃烧，所述固体的或颗粒的燃料例如是诸如颗粒等的废弃物或生物质。燃烧室15为此形成有用于燃料供应的入口管(未示出)和用于去除灰烬的装置(未示出)。在燃烧室15的出口处，温度T₅＝900℃，同时压力仍然为p₅＝1巴。速度此时增加至v₅＝4m³/sec。加热后的空气被引导通过再生式热交换器的在任何时候都位于燃烧室15内的部分B。这样的部分B将变成重新加热部分并被重新定位至压缩机室12内的位置A。重新加热所述再生式热交换器的部分B的空气由空气和来自燃烧的废气组成。

当该废气离开再生式热交换器的部分B时，压力p₆仍然为p₆＝1巴，同时温度降低至T₆＝300℃。速度此时降低至v₆＝0.86m³/sec。

该实施例的理论效率为η＝1-T₆/T₃＝1-573°K/1073°K≈46％。

压缩机单元11以传统方式通过共用轴17由涡轮机单元13驱动。

对于根据图1的解决方案，来自燃烧气体的积碳的颗粒不会与涡轮机单元13的可移动部件接触。此外，能够利用来自涡轮机单元13的空气中的余热，因为余热与燃烧热一起被引导回涡轮机单元13的上游，以便加热压缩室12中的压缩空气。这通过允许在位置B中、即在燃烧室内部加热固体材料来实现，并且因为固体材料中的热能接着被传递至在位置A中、即在压缩室12中的压缩空气。根据该解决方案，在对涡轮机单元13不造成损害的情况下，能够使用固体形式或颗粒形式的燃料，诸如木屑、煤、生物颗粒。

图2示意性地示出一种解决方案，其中主要区别在于将旋转的再生式热交换器16用作再生式热交换器A、B。以下将参考图3更详细地描述所述旋转的再生式热交换器15的结构与功能。

图3示意性地并且非常简化地示出旋转的再生式热交换器16的实施例。所述热交换器16可包括具有开口的两个端盖17和围绕热交换元件(未示出)的周围气密套18。所述热交换元件包括大量平行导管，所述平行导管例如可具有圆形、三角形、六角形或多边形横截面的管状形状。如果使用具有圆形截面形状的管道，则将在管道壁的两侧上加热管道壁中的材料，由此将增加收集在燃烧室中的热量以及因此在压缩室中输送的热量。

如图3中所指示地，被污染的、加热后的热气体从燃烧室15流过旋转的再生式热交换器16的一半，以加热该部分，于是冷却后的废气被排至大气。由于再生式热交换器16在该示出的实施例中逆时针地旋转，所以再生式热交换器的加热后的一半的新的部分将连续地进入压缩室12并因此进入来自涡轮机10的压缩机单元11的压缩空气流。因此，在空气流被馈送至燃烧室15之前加热空气流，同时旋转的再生式热交换器的该部分将被相应地连续冷却。因此，该过程为连续的两步循环。

如图3中所指示地，端盖17中用于从压缩机11供应新鲜空气的开口18以及相应地用于废气的出口18将在旋转的再生式热交换器16的相反端上相对于端盖17中的对应开口旋转地移位。如图3中所指示地，该特征使得清洁的压缩空气能够通过标记25的管道在旋转循环期间的任何时刻首先进入压缩室12的该部分中进行逆向清洗，使得任何可能存在的积碳将在可能进入压缩室12之前被去除。因此，降低对涡轮机部分造成损害的风险。图3中的箭头示出流动和旋转的方向。

图4示意性地示出具有外部燃烧的燃气涡轮机，其设置有布置在压缩室12与燃烧室15的下游之间的再生式热交换器。根据该解决方案，借助于再生式热交换器14加热布置在压缩机单元11与涡轮机单元12之间的压缩室中的压缩空气。热交换器14从燃烧室15中的废气和火焰收集热量，并以与上述相同的方式起作用。通过借助于位置B中的外部燃烧气体加热固体材料并然后将所述固体材料传送到压缩室12中，将热量传递至位置A中的压缩的新鲜空气。热的固体材料14在位置A中向来自压缩机单元11的压缩空气发射热量，于是固体材料14被传送回位置B，在该位置B的位置处，固体材料被来自燃烧的新的热量重新加热。该过程是连续的，因为数个实体被并入位置B与位置A之间的热传递。通过该解决方案获得的优点在于燃烧完全独立于涡轮机的空气流地发生。来自燃烧气体的颗粒和积碳不会与涡轮机的可移动部件接触。具体地但并非唯一地，该解决方案适合用于例如来自垃圾焚烧厂的燃烧热的利用。应注意的是，再生、即材料交替的加热和冷却是比借助于传导式热交换器的热传递有效得多的热传递原理。通过采用这样的再生式热交换器，在不降低系统的效果输出和热传递能力的情况下，与其它的现有技术的热交换器相比较，能够降低重量、体积和维护频率。

图5局部截面地示意性示出通过根据本发明的旋转的再生式热交换器16的水平视图。如图6所指示地，旋转的再生式热交换器16具有圆形的横截面区域。此外，热交换器设置有构造成由轴承(未示出)支撑的轴18，使得热交换器的一部分在任何时候都定位在燃烧室15内部，在该燃烧室15的位置处，旋转的热交换器16被加热，并且另一部分定位在压缩室12中，在该压缩室12的位置处，旋转的热交换器16在该部分进入涡轮机单元13之前向压缩空气输送热量。由于热交换器16旋转，所以将来自燃烧室15的新的热量连续地供应至压缩室12。

此外，旋转的再生式热交换器16由圆柱体19限定，该圆柱体19在每个端部处通过大致开口的端板10终止。在内部，热交换器16设置有大量纵向布置的开口导管，所述开口导管允许流体流过导管、但防止气体在横向方向上的流动。导管优选地可具有圆形横截面，使得气体可流动通过导管21以及在相邻的管道21之间设立的星形单元中的外部。然而，应注意的是，管道可具有任何合适的横截面形状，诸如三角形、方形或多边形的横截面形状。

图6示出如图5所示的、沿图5中的线6-6看到的穿过热交换器16的竖直截面。如图6所示，热交换器16设置有壁22，所述壁22形成内部扇形。根据图5和图6所示的实施例，使用非常多的直的平行圆柱形管道元件用于将热废气从燃烧室穿过旋转的再生式热交换器的传送。然而，应注意的是，所述管道元件可以具有三角形、方形或多边形形状的导管的形式，因此不偏离发明思想。导管还可具有与在波纹纸板中使用的形状对应的波纹形状。根据图5和图6所示的实施例，废气既在内部流经圆柱形导管或管道，又流经由相邻布置的导管的壁形成的导管。翼片22的目的是稳定管道或导管的束。然而，关于这一点应注意的是，这样的翼片的使用不是强制的，尽管这样的壁有助于围绕管道元件21的周向壁19的刚度。此外，应注意的是，本发明不局限于使用四个翼片。

图7示出本发明的替代性实施例。原则上，该实施例对应于关于在图1中所公开的实施例描述的实施例。唯一的主要差异大致在于压缩机单元11形成为具有南北极的永磁体，并且具有用于通过压缩机单元11的旋转而发电的磁芯24的一个或多个线圈23布置在旋转的压缩机单元11周围。所述线圈23的作用是定子。应意识到的是，所述解决方案以示意性的方式示出，并且未示出细节。

图8示出下述实施例，即：与以上所示的实施例相比较的主要区别在于系统设置有旁路23。另外，图8所示的实施例对应于在图1中所公开的实施例。图9示出与旋转的再生式热交换器16的使用相关的实施例。除旁通管线23的引入之外，图9所示的实施例对应于图2所示的实施例。

试验已经表明，旋转的再生式热交换器16的废气侧的温度由于由燃烧室15产生的高温气体而变得非常高，从而导致热交换器16的至少一部分熔掉。为了降低热交换器16这样非常高的温度，允许压缩空气的一部分经过燃烧室15外部，然后与来自燃烧室15的热气体一起被引导到再生式热交换器14/旋转的再生式热交换器16中。允许绕过燃烧室15的气体沿再生式热交换器的外部流动，从而将所述热交换器冷却至例如600℃。为了能够控制热交换器14、16的温度，可设置合适类型的阀/活门24，从而调节绕过燃烧室15的具有较低温度的压缩空气的量，由此确保热交换器14、16的燃烧侧的温度保持在可允许的安全范围内。这样的安全工作区域在900-1000℃的等级内。绕过燃烧室的来自压缩机单元13的空气的量在由压缩机输送的总量的30-50％的范围内，优选地大约总量的45％。

应意识到的是，为了提高允许热交换器16工作的可允许的温度，根据本发明的再生式热交换器的热交换表面可涂覆有催化剂涂层，诸如铂涂层。热交换器的材料优选地可为耐高温的镍钢合金。

图10和图11示出图9所示实施例的替代性实施例，唯一差异在于示出两个旋转的再生式实施例来代替一个旋转的再生式实施例。根据这些附图的系统还包括用于如上所指出的相同目的的阀和旁通管线。

尽管图10和图11示出基于两个并联的再生式热交换器的实施例，但应意识到的是，所述数量可更高，即可以是三个或三个以上。

应注意的是，在热交换器的前面和后端处的端盖由于在热交换器中出现的变化的高温而引起结构的温度膨胀和蠕变。为了补偿这样的由膨胀引起的尺寸的改变，所述板可设置有允许由于变化的温度引起的尺寸变化的膨胀装置。

还应意识到的是，可冷却所述旋转的再生式热交换器的轴，以便维持轴中可接受的温度，从而避免复杂的轴承和构造。

根据所示的实施例，形成旋转的热交换器16的整体部分的导管21与热交换器的旋转轴线并联布置。然而，应意识到的是，热交换器的导管21的轴线可与热交换器的旋转轴线形成角度。此外，再生式热交换器的出口温度优选地可在大约200℃的等级上。

此外，试验表明，涡轮机可以以接近音速的旋转速度、例如以120,000rpm旋转。还应意识到的是，根据本发明，再生式热交换器紧邻涡轮机地布置，由此涡轮机的高旋转速度引起热交换器中高频率的或超高频率的振动，从而防止或至少部分地阻碍积碳紧固至导管壁，从而延长系统的使用寿命。

Claims (13)

1.用于将例如来自煤、生物质等的热能变换成机械功的燃气涡轮机(10)，所述燃气涡轮机(10)包括压缩机单元(11)、涡轮机单元(13)、燃烧室(15)和用于热交换的装置(14、16)，其带有相关联的管道系统，所述燃气涡轮机(10)以如下的方式构造，即：借助于来自所述燃烧室(15)的热废气，使热量供应至所述压缩机单元(11)与所述涡轮机单元(13)之间的空气流，

其特征在于，旁通管线(23)布置在所述压缩机单元(13)的出口与至少一个再生式热交换器(16)的入口之间，绕过所述燃烧室，从而允许来自所述压缩机的压缩空气的一部分绕过所述燃烧室(15)。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机(10)，其中所述绕过空气用于冷却所述至少一个热交换器(16)的废气侧的外表面。

3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮机(10)，其中控制阀布置在所述燃烧室的上游，从而将所述压缩空气的至少一部分引导至所述燃烧室。

4.根据权利要求1-3中的一项所述的燃气涡轮机(10)，其中所述至少一个热交换器(16)以如下的方式构造，即：允许来自所述压缩机(13)的所述压缩空气的一部分至少冷却所述至少一个再生式热交换器(16)的废气侧的外表面。

5.根据权利要求1-4中的一项所述的燃气涡轮机(10)，其中接收来自所述压缩机(13)的空气和来自所述燃烧室(15)的热量的两个或更多个再生式热交换器并联地布置。

6.根据权利要求2所述的燃气涡轮机(10)，其中所述至少一个再生式热交换器(16)布置成用于转动。

7.根据权利要求3所述的燃气涡轮机(10)，其中所述至少一个热交换器(16)设置有与空气的主流动方向平行地布置的许多分离的导管(21)，并且其以如下的方式构造，即：部分的导管(21)在任何时候都位于所述压缩机单元(11)与所述涡轮机单元(13)之间的空气流中以用于加热所述空气流，并且，所述导管(21)的剩余部分位于来自所述燃烧室(15)的废气流中并由此被加热。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮机(10)，其中所述导管(21)的纵向轴线相对于所述至少一个再生式热交换器的旋转轴线偏斜。

9.根据权利要求8所述的燃气涡轮机(10)，其中用于压缩空气穿过所述至少一个旋转的热交换器(16)的入口的所述开口的部分相对于所述涡轮机单元(13)的上游的出口、稍微地以旋转的方式移位，使得所述压缩空气流的一部分被引导到来自所述燃烧室(15)的空气流中，由此由于该冲洗流，而针对颗粒来清洁所述至少一个再生式热交换器的导管(21)。

10.根据权利要求1-9中的一项所述的燃气涡轮机(10)，其中由所述涡轮机(10)产生的功经由发电机、作为电能被取出。

11.根据权利要求1-10中的一项所述的燃气涡轮机(10)，其中电能由所述压缩机单元产生，所述压缩机单元的转子用作产生电力的发电机，并且，定子单元(24)布置在所述压缩机单元(11)周围，这样的定子单元(24)包括一个或多个线圈。

12.根据权利要求10或11所述的燃气涡轮机(10)，其中所述压缩机单元(11)的转轮被永久地磁化。

13.根据权利要求10或11所述的燃气涡轮机(10)，其中借助于外部磁场，来磁化所述压缩机单元(11)的转轮。

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