CN102297024B

CN102297024B - 一种微型纯氧燃烧的燃气轮发电机

Info

Publication number: CN102297024B
Application number: CN 201110197818
Authority: CN
Inventors: 胡振民; 熊树生; 陈宗蓬
Original assignee: JIANGXI WAYST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: JIANGXI WAYST TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co Ltd
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: CN102297024A

Abstract

本发明涉及一种微型纯氧燃烧的燃气轮发电机。本发明的目的是提供一种无污染、热功回收品位高、热效率远高于传统燃气轮机的微型纯氧燃烧的燃气轮发电机。本发明的技术方案是：微型纯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、纯氧供给系统、燃烧做功系统、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

一种微型纯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，尤其涉及一种微型纯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尽气体HC、CO和有害气体NOx等，污染环境。再者，传统的燃气轮机由于离心压气轮的存在，额外增加了增压的功率消耗。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种无污染、热功回收品位高、热效率远高于传统燃气轮机的微型纯氧燃烧的燃气轮发电机。

本发明所采用的技术方案是：微型纯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、纯氧供给系统、燃烧做功系统、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由燃料箱、燃料输送泵和可控流量阀组成，可控流量阀的输出端接燃烧室的输入端；

纯氧供给系统从外到内顺序由空气过滤器、尾气涡轮增压器、高频发电机导风壳、导风壳、空气预热器和纯氧发生器组成，空气过滤器接通外部大气，纯氧发生器与燃烧室一体设计且内部连通；

燃烧做功系统按混合做功气体的走向顺序由燃烧室、混合室、微型燃气轮和传动轴组成，所述微型燃气轮通过传动轴带动高频发电机旋转；

控制系统由氧燃比控制器、启动控制器、启动控制阀、空气流量传感器、温度传感器组成，氧燃比控制器的一个输入口连接空气流量传感器，另一个输入口同时与启动控制器和安装在混合室出口处的温度传感器相连接，氧燃比控制器的输出口连接可控流量阀，启动控制器与启动控制阀相连；

发电系统由高频发电机和电力变换器组成，高频发电机接传动轴，电力变换器的一端与高频发电机连接，另一端与用电网连接；

能量回收系统按空气的走向由高频发电机导风壳、导风壳、空气预热器和尾气涡轮增压器组成，尾气涡轮增压器的涡轮膨胀部分的入口端与空气预热器接通而出口端与大气接通，尾气涡轮增压器的压气部分的入口端与空气过滤器的出口端相连，空气过滤器的入口端与大气接通，而尾气涡轮增压器的出口端与高频发电机导风壳接通。

纯氧发生器的分离膜是ITM离子传输膜，纯氧发生器与燃烧室和混合室一体设计，所述纯氧发生器在外，燃烧室紧贴其内，混合室按气体流向位于纯氧发生器和燃烧室的后端，燃烧室的燃气排出口和纯氧发生器的富氮空气排出口即是混合室的气体进入口，纯氧发生器的氧气排出孔与燃烧室内部连通，一体设计的纯氧发生器、燃烧室和混合室置于导风壳的内腔里且二者之间的空间即是空气流道。

所述发电机还包括了润滑油系统，润滑油系统由润滑油箱，润滑油泵以及油路构成，润滑油箱的两个入口端分别接涡轮增压器轴承和燃气轮轴承，润滑油箱的出口端连接润滑油泵，润滑油泵的输出接至涡轮增压器轴承和燃气轮轴承之间的油路上。

所述启动控制器还连接一个电动涡旋压气机，该电动涡旋压气机的输入口接通大气，输出口接至燃烧室。

在燃料输送泵的两端旁路一溢流阀。

所述导风壳与高频发电机导风壳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。

本发明的有益效果是：1）、运用先进的ITM纯氧制氧技术，采用纯氧与含CH的燃料进行充分燃烧，可以使废气中不含未燃尽气体HC、CO。另一方面，由于是纯氧，不含N元素，因此就从根本上杜绝了NOx等污染气体的产生，只要燃料中没有其它有害元素，就可实现整个燃烧过程的零污染。2）、由于纯氧燃烧温度超高，使燃气轮的效率提高，同时燃气轮排出气体温度也比常规燃气轮机高，因此，热功回收品位增高，可以进行新鲜空气的吸入、增压和预热，使传统燃气轮机中的离心压气轮可以省去，去除了增压的功率消耗，使得燃气轮对外做的功可以全部用于动力输出和发电，进一步提高了燃气轮能量转换效率。

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，本实施例所述的燃气轮发电机具有燃料供给系统、纯氧供给系统、燃烧做功系统、控制系统、发电系统、能量回收系统和润滑油系统7个系统。具体连接关系如下：

燃料供给系统从外（部）到内（部）顺序由燃料箱12、燃料输送泵13和可控流量阀14组成，可控流量阀14的输出端直接连接燃烧室17的输入端。为使可控流量阀14在将实际喷油量控制在小于燃料输送泵13的额定输出流量时，多余燃料可以回流旁路，返回到燃料输送泵13的进口端，从而防止燃料输送泵超压损坏，本例在燃料输送泵13的两端并联一个溢流阀11。这里的可控流量阀14可以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。燃料供给系统所起的作用是根据合理的氧燃比，通过控制系统控制可控流量阀14的流道截面积，向燃烧室连续适量喷入燃料。

纯氧供给系统按气体走向顺序由空气过滤器1、尾气涡轮增压器2、高频发电机导风壳6、导风壳19、空气预热器26和纯氧发生器16组成。空气过滤器1的一端接通外部大气。纯氧发生器的分离膜是ITM离子传输膜（Ionic TransportMembrane），纯氧发生器16和燃烧室17和混合室18一体设计，所述纯氧发生器在外，燃烧室紧贴其内，混合室按气体流向位于纯氧发生器和燃烧室的后端，燃烧室的燃气排出口和纯氧发生器的富氮空气排出口即是混合室的气体进入口，纯氧发生器的氧气排出孔与燃烧室内部连通，一体设计的纯氧发生器、燃烧室和混合室置于导风壳的内腔里且二者之间的空间即是空气流道。纯氧供给系统用于实现空气吸热、增压、预热和分离生成纯氧的全过程，所需要的能量，全部借助能量回收系统获得。

燃烧做功系统按混合做功气体的走向顺序由燃烧室17、混合室18、微型燃气轮24和传动轴10组成。传动轴10直接带动高频发电机9旋转。燃烧做功系统实现纯氧燃烧获得最高燃烧效率，并且无污染，再通过控制系统控制，利用纯氧供给系统排放的废弃氮气和纯氧燃烧产生的燃气混合成做功气体，进入微型燃气轮24膨胀做功，微型燃气轮通过传动轴10实现对外输出功。

控制系统由氧燃比控制器15、启动控制器21、启动控制阀23、空气流量传感器5、温度传感器20组成。氧燃比控制器15的一个输入口连接空气流量传感器5，另一个输入口连接温度传感器20和启动控制器21，本例的温度传感器20安装在混合室18的出口处。氧燃比控制器15的输出口连接可控流量阀14。启动控制器21与启动控制阀23相连；启动控制器21同时还连接一个电动涡旋压气机22，该电动涡旋压气机的输入口接通大气，输出口接至燃烧室17。控制系统根据微型纯氧燃烧的燃气轮发电机的工作原理，分别在启动阶段和正常工作阶段，通过流量和温度传感器，掌握整机的工况。机组启动后，当温度达到ITM纯氧发生器的工作温度时，控制系统将控制模式从启动模式切换到常态模式；在常态控制模式下，氧燃比控制器根据温度传感器和空气流量传感器的数据，通过可控流量阀控制合理的氧燃比，从而控制机组正常运行。

发电系统由高频发电机9和电力变换器7组成。高频发电机9的主轴连接传动轴10。高频发电机输出的电能经电力变换器7与用电网8连接。发电系统的作用是将微型燃气轮24对外输出轴的机械能转化成高频电能，再变换成用电网所需的标准输出电力。

能量回收系统按空气的走向由高频发电机导风壳6、导风壳19、空气预热器26和尾气涡轮增压器2组成。尾气涡轮增压器2的涡轮膨胀部分吸收尾气能量，尾气涡轮增压器2的压气部分压缩新鲜空气使其增温增压而吸取能量。新鲜空气经空气过滤器1、尾气涡轮增压器2的压气部分并增压，温度在压缩过程中第一次升温；进入高频发电机导风壳6冷却高频发电机的同时进行第二次升温；进入导风壳19冷却保护一体化设计的燃烧室17和纯氧发生器16和混合室18的同时，进行第三次升温；最后逆程进入（经管路Ⅰ）空气预热器26回收微型燃气轮24排放废气的热量，进行第四次升温，达到纯氧发生器的工作温度要求，同时使排放废气温度下降到尾气涡轮增压器2中涡轮叶片所能耐受的温度；最后进入纯氧发生器16进行氮氧分离。因此，能量回收系统回收能量供新鲜空气增压、预热的同时对各个工作部件进行合理的冷却保护。

润滑油系统由润滑油箱3，润滑油泵4以及油路构成。润滑油箱3的两个入口端分别接尾气涡轮增压器轴承27和燃气轮轴承25，润滑油箱3的出口端连接润滑油泵4，润滑油泵4的输出接至涡轮增压器轴承27和燃气轮轴承25之间的油路上。在使用油膜轴承时，该系统可确保油路输送和油的冷却。在使用空气轴承的机型，该润滑油系统可以省略。

本发明的工作原理是：如图1所示，燃料供给系统中的燃料从燃料箱12开始经过燃料输送泵13抽送至可控流量阀14，然后进入燃烧室17。在初始运行时，纯氧发生器16未达到工作温度不能分离氧气，此时，控制系统采用启用模式，控制系统中的启动控制器21控制电动涡旋压气机22将空气送入燃烧室17，由于燃烧室17和纯氧发生器16是一体化设计的，当纯氧发生器16预热达到工作温度时，即可分离纯氧，因此，控制系统在获得温度传感器20达到标准温度时，控制系统将控制模式由启动模式切换到常态模式，控制启动控制阀23切换到图1所示状态（管路Ⅰ与管路Ⅱ接通），这时电动涡旋压气机22停止工作。

在常态控制模式下，新鲜空气通过尾气涡轮增压器2吸入、压缩、空气第一次预热升温；输送到高频发电机导风壳6，在冷却高频发电机9的同时，空气第二次预热升温；进入导风壳19冷却保护一体化设计的燃烧室17和纯氧发生器16和混合室18的同时，空气第三次预热升温；逆程进入（经管路Ⅰ）空气预热器26回收微型燃气轮24的排出尾气热量，同时对空气进行第四次预热升温，达到纯氧发生器16要求的温度，经管路Ⅱ进入纯氧发生器16分离产生纯氧直接进入燃烧室17。纯氧发生器16排出的富氮气进入混合室18与纯氧燃烧产生的高温燃气混合，确保混合做功气体达到微型燃气轮24的工作耐受温度。

在常态控制模式下，氧燃比控制器15根据温度传感器20和空气流量传感器5的数据，通过可控流量阀14，按燃料完全燃烧，氧气略微多一点的理想氧燃比，控制进入燃烧室17的燃料喷入量。

燃料和纯氧在燃烧室17完全无污染的彻底燃烧生成的高温高压二氧化碳和水汽混合气体经过混合室18与氮气混合形成混合做功气体，进入微型燃气轮24膨胀做功，排出尾气经过空气预热器26进行首级热能回收，再进入尾气涡轮增压器2进行二级热能回收，最后排放大气。

微型燃气轮24吸收混合做功气体膨胀做功，通过传动轴10对外输出轴功率带动高频发电机9发电，经电力变换器7变换成用电标准向用电网8输出。

可见，在常态控制模式工作下，由于采用纯氧燃烧技术，可使用较为劣质的燃料且可被彻底燃尽，从而提高燃料的使用效率；由于采用了多个能量回收步骤，从而充分利用燃烧所产生的热量；由于没有氮气参与燃烧过程，所以燃烧产物中没有NO_X有害气体从而保护环境。

本发明的另一实施方案是：所述导风壳19与高频发电机导风壳6串接为一个整体外壳。这时，新鲜空气经尾气涡轮增压器2压缩增压后先进入高频发电机9的高频发电机导风壳6部分，冷却高频发电机9的同时对压缩增压空气进行第一次预热；然后再进入导风壳19冷却保护一体化设计的燃烧室17和纯氧发生器16和混合室18的同时对压缩增压空气进行第二次预热。

Claims

1.一种微型纯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、纯氧供给系统、燃烧做功系统、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由燃料箱（12）、燃料输送泵（13）和可控流量阀（14）组成，可控流量阀（14）的输出端接燃烧室（17）的输入端；

纯氧供给系统从外到内顺序由空气过滤器（1）、尾气涡轮增压器（2）、高频发电机导风壳（6）、导风壳（19）、空气预热器（26）和纯氧发生器（16）组成，空气过滤器（1）接通外部大气，纯氧发生器（16）与燃烧室（17）一体设计且内部连通；

燃烧做功系统按混合做功气体的走向顺序由燃烧室（17）、混合室（18）、微型燃气轮（24）和传动轴（10）组成，所述微型燃气轮（24）通过传动轴（10）带动高频发电机（9）旋转；

控制系统由氧燃比控制器（15）、启动控制器（21）、启动控制阀（23）、空气流量传感器（5）、温度传感器（20）组成，氧燃比控制器（15）的一个输入口连接空气流量传感器（5），另一个输入口同时与启动控制器（21）和安装在混合室（18）出口处的温度传感器（20）相连接，氧燃比控制器（15）的输出口连接可控流量阀（14），启动控制器（21）与启动控制阀（23）相连；

发电系统由高频发电机（9）和电力变换器（7）组成，高频发电机（9）接传动轴（10），电力变换器（7）的一端与高频发电机（9）连接，另一端与用电网（8）连接；

能量回收系统按空气的走向由高频发电机导风壳（6）、导风壳（19）、空气预热器（26）和尾气涡轮增压器（2）组成，尾气涡轮增压器（2）的涡轮膨胀部分的入口端与空气预热器接通而出口端与大气接通，尾气涡轮增压器（2）的压气部分的入口端与空气过滤器（1）的出口端相连，空气过滤器的入口端与大气接通，而尾气涡轮增压器（2）的出口端与高频发电机导风壳接通。

2.根据权利要求1所述的微型纯氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：纯氧发生器（16）的分离膜是ITM离子传输膜，纯氧发生器（16）与燃烧室（17）和混合室（18）一体设计，所述纯氧发生器（16）在外，燃烧室（17）紧贴其内，混合室（18）按气体流向位于纯氧发生器（16）和燃烧室（17）的后端，燃烧室（17）的燃气排出口和纯氧发生器（16）的富氮空气排出口即是混合室（18）的气体进入口，纯氧发生器（16）的氧气排出孔与燃烧室内部连通，一体设计的纯氧发生器（16）、燃烧室（17）和混合室（18）置于导风壳（19）的内腔里且二者之间的空间即是空气流道。

3.根据权利要求1或2所述的微型纯氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述发电机还包括了润滑油系统，润滑油系统由润滑油箱（3），润滑油泵（4）以及油路构成，润滑油箱（3）的两个入口端分别接涡轮增压器轴承（27）和燃气轮轴承（25），润滑油箱（3）的出口端连接润滑油泵（4），润滑油泵（4）的输出接至涡轮增压器轴承（27）和燃气轮轴承（25）之间的油路上。

4.根据权利要求1或2所述的微型纯氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述启动控制器（21）还连接一个电动涡旋压气机（22），该电动涡旋压气机的输入口接通大气，输出口接至燃烧室（17）。

5.根据权利要求1或2所述的微型纯氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：在燃料输送泵（13）的两端旁路一溢流阀（11）。

6.根据权利要求1或2所述的微型纯氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述导风壳（19）与高频发电机导风壳（6）串接为一个整体外壳。

7.根据权利要求1或2所述的微型纯氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述可控流量阀（14）为分级流量控制阀、无级流量控制阀或脉冲式流量控制阀。