CN102287266B - 一种微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机。本发明的目的是提供一种减少污染、提高燃气轮尾气热功回收品位、热效率高于传统燃气轮发电装置的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机。本发明的技术方案是：微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于所述发电机由燃料供给系统、增压富氧空气供给系统、燃烧做功系统、燃烧控制系统、发电系统和能量回收系统组成。本发明适用于小型燃气轮发电机。

Description

一种微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机

技术领域

本发明涉及一种改进的燃气轮发电装置，尤其涉及一种微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机。适用于小型燃气轮发电机。

背景技术

电能因其传输和转化的方便性成为一种应用最广泛的能源形式。作为一种二次能源，电能具有多元化的获取方式。其中，从化学能获取电能是目前应用最广泛的电能获取方式。然而化学能发电的过程中排放的废气造成了大气污染和生态破坏。另一方面，从化学能到电能的转换效率一直得不到大幅度提高。尤其在小型发电机中，受发动机效率的制约，电能的转化效率通常只有30％左右，而且不可避免地产生未燃HC、CO、NOx等污染气体。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述情况，本发明提供一种减少污染、提高燃气轮尾气热功回收品位、热效率高于传统燃气轮发电装置的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机。

本发明所采用的技术方案是：微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于所述发电机包括燃料供给系统、增压富氧空气供给系统、燃烧做功系统、燃烧控制系统、发电系统和能量回收系统，其中：

燃料供给系统从外到内顺序包括燃料箱、燃料输送泵和可控流量阀，可控流量阀的输出端接燃烧做功系统之燃烧室的输入端；

增压富氧空气供给系统包括一增压富氧空气发生器，增压富氧空气发生器的进气口和大气连通，该发生器的出气口串接一个空气流量传感器后连接至发电系统之高频发电机导风罩的进气口，另一出气口与大气接通；

燃烧做功系统包括燃烧室和微型燃气轮，所述燃烧室具有一个燃料进入口、一个增压富氧空气进入口和一个燃气排出口，其中燃料进入口连接燃料供给系统之可控流量阀，燃气排出口连接微型燃气轮的进气口；

燃烧控制系统包括一个氧燃比控制器，该氧燃比控制器的一个信号输入端通过信号线与安装在空气流量传感器的出口与高频发电机导风罩入口之间流道上的氧浓度传感器连接，另一个信号输入端通过信号线连接空气流量传感器，第三个信号输入端通过信号线与安装在燃烧做功系统之燃气排出口与微型燃气轮的进气口之间流道上的温度传感器相连，该氧燃比控制器的信号输出端通过信号线连接燃料供给系统之可控流量阀；

发电系统包括高频发电机和电力变换电路，高频发电机的转轴通过传动轴与燃烧做功系统之微型燃气轮的转轴相连，高频发电机与电力变换电路相连，电力变换电路接入电网；

能量回收系统包括富氧空气预热器、高频发电机导风罩和导风壳，所述富氧空气预热器的第一进气口与燃烧做功系统之微型燃气轮的出气口连通，富氧空气预热器的第一出气口和大气连通，富氧空气预热器的第二出气口与燃烧做功系统之增压富氧空气进入口连通，富氧空气预热器的第二进气口与导风壳连通，高频发电机导风罩的进气口与燃烧控制系统之空气流量传感器的出口连通，高频发电机导风罩的出气口与导风壳连通。

燃烧室置于导风壳的内腔里且二者之间的空间即是富氧空气流道。

对燃料进行助燃的气体是普通空气通过增压富氧空气发生器后所获得的增压富氧空气，该增压富氧空气的压力大于空气压力，氧气体积含量大于21％。

可在燃料输送泵的两端旁路一个溢流阀。

能量回收系统中的导风壳与高频发电机导风罩可以串接为一个整体外壳。

所述可控流量阀为分级流量控制阀、无级流量控制阀或脉冲式流量控制阀。

所述富氧空气预热器为逆流间壁式换热器。所述微型燃气轮的涡轮叶片为中空或微型燃气轮背部有散热翅片。

本发明的有益效果是：1)本发明运用先进的制氧技术，用增压富氧空气代替普通空气作为燃料助燃气体，增加燃烧气氛的含氧浓度，降低燃料的燃点，不仅可以使用劣质的燃料，还能促使燃料的完全燃烧，有效地提高了经济性和热效率，同时结合尾气能量回收，使得燃料利用效率大大提高；2)可使发电机在空气稀薄的高原稳定运行，而不必添加进气增压等附加系统；3)可以实现近零污染排放，且控制策略简单。

附图说明

图1是本发明的系统原理图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机共有6个系统，分别是燃料供给系统、增压富氧空气供给系统、燃烧做功系统、燃烧控制系统、发电系统和能量回收系统。其中：

燃料供给系统从外到内顺序包括燃料箱6、燃料输送泵7和可控流量阀8，可控流量阀8的输出端通过管路接燃烧做功系统之燃烧室9的输入端。为了使可控流量阀8将实际喷油量控制在小于燃料输送泵7的额定输出流量，多余的燃料可以回流返回到燃料输送泵的进口端，防止燃料输送泵超压损坏，本例在燃料输送泵7的两端并联一个溢流阀18。

增压富氧空气供给系统包括一个增压富氧空气发生器1，增压富氧空气发生器1的进气口和大气连通，该发生器的出气口串接一个空气流量传感器17后连接至发电系统之高频发电机导风罩2的进气口，另一出气口与大气接通。

燃烧做功系统包括燃烧室9和微型燃气轮14，燃烧室具有一个燃料进入口a、一个增压富氧空气进入口b和一个燃气排出口c，其中燃料进入口a连接燃料供给系统之可控流量阀8，燃气排出口c连接微型燃气轮14的进气口；燃烧室9置于导风壳10之内并且二者之间留有供增压富氧空气流动的空间。

燃烧控制系统包括一个氧燃比控制器15，该氧燃比控制器15的一个信号输入端通过信号线与安装在空气流量传感器17的出口与高频发电机导风罩2入口之间流道上的氧浓度传感器16连接，另一个信号输入端通过信号线连接空气流量传感器17，第三个信号输入端通过信号线与安装在燃烧做功系统之燃气排出口c与微型燃气轮14的进气口之间流道上的温度传感器12相连，该氧燃比控制器15的信号输出端通过信号线连接燃料供给系统之可控流量阀8；

发电系统包括高频发电机3和电力变换电路4，高频发电机的转轴通过传动轴13与燃烧做功系统之微型燃气轮14的转轴相连，高频发电机3通过电力线与电力变换电路4相连，电力变换电路通过电力线接入电网5；

能量回收系统包括富氧空气预热器11、高频发电机导风罩2和导风壳10，所述富氧空气预热器11的第一进气口d与燃烧做功系统之微型燃气轮14的出气口连通，富氧空气预热器11的第一出气口e和大气连通，富氧空气预热器11的第二出气口g与燃烧做功系统之增压富氧空气进入口b连通，富氧空气预热器11的第二进气口f与导风壳10连通，高频发电机导风罩2的进气口与燃烧控制系统之空气流量传感器17的出口连通，高频发电机导风罩2的出气口与导风壳10连通。

所述能量回收系统中的导风壳10与高频发电机导风罩2可以一体化设计，即串接为一个整体外壳，普通空气通过增压富氧空气发生器1后所获得的增压富氧空气先进入高频发电机导风罩2，在冷却高频发电机的同时对增压富氧空气进行第一次预热，然后再进入导风壳10冷却燃烧室9并对增压富氧空气进行第二次预热。

所述燃料供给系统中的可控流量阀8可以根据控制系统的要求，选用分级流量控制阀、无级流量控制阀或脉冲式流量控制阀。

所述富氧空气预热器11为逆流间壁式高效换热器，微型燃气轮14排出的做功尾气(高温)走内侧，对经过两次预热的带压富氧空气在外侧进行第三次预热。

所述微型燃气轮14的涡轮叶片为中空可通气散热，或微型燃气轮背部有散热翅片可通气散热，以提高燃气轮的耐热能力。

本发明的工件原理是：燃料供给系统中的燃料从燃料箱6开始经过燃料输送泵7抽送至可控流量阀8，然后进入燃烧室9。与此同时，增压富氧空气供给系统开始工作。增压富氧空气发生器1产生含氧体积浓度为23％～40％的大于大气压的增压富氧空气，该股增压富氧空气流首先流经高频发电机导风罩2，对高频发电机3进行冷却，接着流经导风壳10，对燃烧室9进行冷却，以此防止燃烧室壁温度过高，然后进入富氧空气预热器11(第二进气口f进，第二出气口g出)，与从微型燃气轮14排出的尾气(第一进气口d进，第二出气口e出)进行热交换，使一部分尾气热量转移到增压富氧空气流中，这样一方面提高了进气温度，有利于燃烧过程的进行；另一方面回收了尾气所含之能量，从整体上提高了燃烧效率，最后，增压富氧空气进入燃烧室9中，和燃料进行混合燃烧。燃烧产生的大量高温高压气体(经燃气排出口c)进入微型燃气轮14，驱动微型燃气轮14的主轴旋转。进一步地，微型燃气轮14通过传动轴13驱动高频发电机3旋转并发电。高频发电机3发出的电能通过电力变换电路4的调整后输送到电网5中。

为了控制燃烧产生的NO_x的排放水平，必须降低燃烧室9内的燃烧温度。为了达到这一目的，本发明采用的技术方案是稀薄燃烧。如图1所示，本发明设置了一个燃烧控制系统来控制进入燃烧室9的燃料和增压富氧空气的比例。燃烧控制系统包含一个氧燃比控制器15，该氧燃比控制器15通过实时采集安装在增压富氧空气发生器1出口处的空气流量传感器17和安装在空气流量传感器17的出口与高频发电机导风罩2进气口之间流道上的氧浓度传感器16的数据来计算进入燃烧室9的氧气量，通过该氧气量计算出该时刻需要供给的燃料流量。氧燃比控制器15随即输出控制信号给可控流量阀8，使可控流量阀8调节其开度来控制燃料流量的大小。与此同时，安装在燃烧做功系统之燃气排出口c与微型燃气轮14的进气口之间流道上的温度传感器12把燃烧室9出口气体的温度信号传送给氧燃比控制器15，氧燃比控制器15根据该温度反馈信号不断修正输出给可控流量阀8的控制信号量的大小。从而实现一个完整的闭环控制系统。

Claims (8)

1.一种微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于所述发电机包括燃料供给系统、增压富氧空气供给系统、燃烧做功系统、燃烧控制系统、发电系统和能量回收系统，其中：

燃料供给系统从外到内顺序包括燃料箱（6）、燃料输送泵（7）和可控流量阀（8），可控流量阀（8）的输出端接燃烧做功系统之燃烧室（9）的输入端；

增压富氧空气供给系统包括一增压富氧空气发生器（1），增压富氧空气发生器（1）的进气口和大气连通，该发生器的出气口串接一个空气流量传感器（17）后连接至发电系统之高频发电机导风罩（2）的进气口，该发生器的另一出气口与大气接通；

燃烧做功系统包括燃烧室（9）和微型燃气轮（14），所述燃烧室（9）具有一个燃料进入口（a）、一个增压富氧空气进入口（b）和一个燃气排出口（c），其中燃料进入口（a）连接燃料供给系统之可控流量阀（8），燃气排出口（c）连接微型燃气轮（14）的进气口； 

燃烧控制系统包括一个氧燃比控制器（15），该氧燃比控制器（15）的一个信号输入端通过信号线与安装在空气流量传感器（17）的出口与高频发电机导风罩（2）入口之间流道上的氧浓度传感器（16）连接，另一个信号输入端通过信号线连接空气流量传感器（17），第三个信号输入端通过信号线与安装在燃烧做功系统之燃气排出口（c）与微型燃气轮（14）的进气口之间流道上的温度传感器（12）相连，该氧燃比控制器（15）的信号输出端通过信号线连接燃料供给系统之可控流量阀（8）；

发电系统包括高频发电机（3）和电力变换电路（4），高频发电机的转轴通过传动轴（13）与燃烧做功系统之微型燃气轮（14）的转轴相连，高频发电机（3）与电力变换电路（4）相连，电力变换电路接入电网（5）；

能量回收系统包括富氧空气预热器（11）、高频发电机导风罩（2）和导风壳（10），所述富氧空气预热器（11）的第一进气口（d）与燃烧做功系统之微型燃气轮（14）的出气口连通，富氧空气预热器（11）的第一出气口（e）和大气连通，富氧空气预热器（11）的第二出气口（g）与燃烧做功系统之增压富氧空气进入口（b）连通，富氧空气预热器（11）的第二进气口（f）与导风壳（10）连通，高频发电机导风罩（2）的进气口与燃烧控制系统之空气流量传感器（17）的出口连通，高频发电机导风罩（2）的出气口与导风壳（10）连通。

2.根据权利要求1所述的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：燃烧室（9）置于导风壳（10）的内腔里且二者之间的空间即是富氧空气流道。

3.根据权利要求1所述的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：对燃料进行助燃的气体是普通空气通过增压富氧空气发生器（1）后所获得的增压富氧空气，该增压富氧空气的压力大于空气压力，氧气体积含量大于21%。

4.根据权利要求1或2或3所述的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：在燃料输送泵（7）的两端旁路一个溢流阀（18）。

5.根据权利要求1或2或3所述的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：能量回收系统中的导风壳（10）与高频发电机导风罩（2）串接为一个整体外壳。

6.根据权利要求1或2或3所述的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述可控流量阀（8）为分级流量控制阀、无级流量控制阀或脉冲式流量控制阀。

7.根据权利要求1或2或3所述的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述富氧空气预热器（11）为逆流间壁式换热器。

8.根据权利要求1或2或3所述的微型全风富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述微型燃气轮（14）的涡轮叶片为中空或微型燃气轮背部有散热翅片。

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