CN102297025B - 微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机。本发明所要解决的技术问题是提供一种能够减少污染、提高燃气尾气热功回收品位，并且热效率高于传统燃气轮机的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机。解决该问题的技术方案是：微型混合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、富氧空气供给系统、燃烧做功系统、控制系统、发电系统和能量回收系统。本发明主要适用于小型燃气轮发电机。

Description

微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机

技术领域

本发明涉及一种燃气轮发电机，特别是一种微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，主要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。另外，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，导致燃气轮的能量转换效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种能够减少污染、提高燃气尾气热功回收品位，并且热效率高于传统燃气轮机的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机。

本发明所采用的技术方案是：微型混合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、富氧空气供给系统、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，包括沿燃料输送方向依次连通的燃料箱、燃料输送泵和可控流量阀，所述可控流量阀的输出端接燃烧做功系统中燃烧室的进料口；

富氧空气供给系统，包括沿空气输送方向依次连通的空气过滤器、尾气涡轮增压器、高频发电机导风壳、导风壳、空气预热器、可控比例阀和纯氧发生器，所述空气过滤器与外部大气连通，纯氧发生器的纯氧输出口和可控比例阀的另一个输出端分别与燃烧室进气口连通；

燃烧做功系统，包括沿燃烧后气体走向依次连通的燃烧室和微型燃气轮，以及与该微型燃气轮动力输出端连接的传动轴，其中微型燃气轮通过传动轴带动发电系统中的高频发电机旋转并发电；

控制系统，包括氧燃比控制器、启动控制器、启动电机、电磁离合器、可控比例阀、空气流量计、温度传感器和氧浓度传感器，所述氧燃比控制器的一个输入口分别连接温度传感器和启动控制器，其余两个输入口中的一个连接空气流量计，另一个连接氧浓度传感器，氧燃比控制器的两个输出口分别连接可控流量阀和可控比例阀，启动控制器的输出端分别连接启动电机和电磁离合器，启动电机通过电磁离合器与尾气涡轮增压器的转轴耦合，所述氧浓度传感器安装在纯氧发生器的富氮气输出口处，温度传感器安装在燃烧室的排气流道上，空气流量计装在高频发电机导风壳的进气管路上；

发电系统，包括高频发电机和电力变换器，高频发电机转轴接传动轴，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，包括沿空气走向依次连通的高频发电机导风壳、导风壳、空气预热器和尾气涡轮增压器；所述尾气涡轮增压器的涡轮膨胀部分的入口端分别与纯氧发生器的富氮气输出口和空气预热器输出口接通，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，而出口端与高频发电机导风壳接通。

所述可控流量阀输出端与燃烧室进料口之间设置射流阀，纯氧发生器的纯氧输出口通过该射流阀与燃烧室连通。

所述纯氧发生器的氧分离膜是ITM离子传输膜，纯氧发生器和燃烧室相互紧贴一体成型，并置于导风壳内部，一体设计的纯氧发生器和燃烧室与导风壳之间形成空气预热流道。

所述燃烧室的进口处制有同时与燃烧室进气口和纯氧发生器的纯氧输出口连通的预混室，可控比例阀的一个输出端通过该预混室与燃烧室连通。

所述纯氧发生器的氧分离膜是ITM离子传输膜，纯氧发生器、燃烧室和预混室相互紧贴一体成型，并置于导风壳内部，一体设计的纯氧发生器、燃烧室和预混室与导风壳之间形成空气预热流道。

所述燃烧室内、对燃料进行助燃的气体是由纯氧发生器产生纯氧与普通空气混合后所获得的富氧空气，该富氧空气的氧气体积含量大于21%。

所述发电机还包括润滑油系统，润滑油系统由润滑油箱，润滑油泵以及油路构成，所述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的回油口，润滑油箱的出口端连接润滑油泵，润滑油泵的输出端接至涡轮增压器轴承和燃气轮轴承的进油口。

所述燃料输送泵并联设置回流旁路，并在该回流旁路上串接溢流阀。

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（Ionic Transport Membrane，离子传输膜）制取纯氧技术产生纯氧并混合一定空气后形成富氧空气，用该富氧空气进行助燃，较之现有技术中采用空气作为助燃剂，由于燃烧气氛的含氧浓度较高，不仅可以降低燃料的燃点，为使用劣质的燃料提供条件，还能促使燃料充分燃烧，从而有效提高了燃烧热效率，降低了燃烧所带来的空气污染程度。2、由于采用了多级能量回收措施，因此，热功回收品位增高，进一步提高了燃气轮能量转换效率。3、由于助燃的富氧空气是采用纯氧与空气混合而成，故其含氧浓度可进行灵活调节，从而在不同地区（不同地区的空气中含氧浓度不同）运行均能获得良好的使用效果。

附图说明

图1是实施例1的系统原理图。

图2是实施例2的系统原理图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机由七个系统组成，其中包括燃料供给系统、富氧空气供给系统、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。

燃料供给系统，包括沿燃料输送方向依次连通的燃料箱12、燃料输送泵13和可控流量阀14，其中可控流量阀14的输出端接射流阀30的一个输入端，该射流阀30的另一个输入端连接富氧空气供给系统中纯氧发生器19的纯氧输出口，该射流阀30的输出端接燃烧做功系统中燃烧室17的燃料输入端。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，多余燃料可以返回到燃料输送泵13的进口端，从而防止燃料输送泵13超压损坏，本例在燃料输送泵13的两端并联一回流旁路，并在该回流旁路上串接溢流阀11。本例中可控流量阀14可以根据实际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。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，向燃烧室17连续适量喷入燃料。

富氧空气供给系统，包括沿空气输送方向依次连通的空气过滤器1、尾气涡轮增压器2、高频发电机导风壳6、导风壳21、空气预热器26、可控比例阀20和纯氧发生器19；其中空气过滤器1的进气口与外部大气连通，可控比例阀20共有两个输出口，分别与纯氧发生器19和燃烧室17连通，其中纯氧发生器19的纯氧输出口与射流阀30的一个输入端连通；本例中纯氧发生器19与燃烧室17一体设计，并置于导风壳21内部，一体设计的纯氧发生器19和燃烧室17与导风壳21之间形成的空隙即为空气预热流道。本例中，导风壳21与高频发电机导风壳6串接为一个整体外壳。富氧空气供给系统用于实现空气吸热、增压、预热、分离生成纯氧并与空气混合形成富氧的全过程，所需要的能量，全部借助能量回收系统获得。所述尾气涡轮增压器2与汽车发动机常用的涡轮增压器类似，主要由涡轮膨胀部件和离心压气部件组成，其中涡轮膨胀轮回收能量驱动离心压气轮将吸入的新鲜空气进行预压缩。所述纯氧发生器19为ITM（IonicTransport Membrane，离子传输膜）纯氧发生器。

燃烧做功系统，包括沿燃烧后气体走向依次连通的燃烧室17和微型燃气轮24，以及与该微型燃气轮动力输出端连接的传动轴10，其中微型燃气轮24通过传动轴10带动发电系统中的高频发电机9旋转并发电。燃烧做功系统实现富氧燃烧获得最高燃烧效率，并且减少污染。燃料和富氧空气在燃烧室17彻底燃烧生成的高温高压气体进入微型燃气轮24膨胀做功，带动传动轴10高速运转，微型燃气轮24通过传动轴10实现对外输出功，带动高频发电机9旋转实现发电。本例中，传动轴10通过油膜轴承支撑，可以承受数万转的高速运动；也可采用空气轴承支撑。

控制系统，包括氧燃比控制器15、启动控制器23、启动电机27、电磁离合器28、可控比例阀20、空气流量计5、温度传感器22和氧浓度传感器18。其中氧燃比控制器15的一个输入口分别连接温度传感器22和启动控制器23，其余两个输入口中的一个连接空气流量计5，另一个连接氧浓度传感器18，氧燃比控制器15的两个输出口分别连接可控流量阀14和可控比例阀20，启动控制器23的输出端分别连接启动电机27和电磁离合器28，启动电机27通过电磁离合器28与尾气涡轮增压器2的转轴耦合，所述氧浓度传感器18安装在纯氧发生器19的富氮气输出口处，温度传感器22安装在燃烧室17的排气流道上，空气流量计5装在高频发电机导风壳6的进气管路上，位于涡轮增加器2和高频发电机导风壳6之间。控制系统根据微型混合富氧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，通过空气流量计5、氧浓度传感器18和温度传感器22，掌握整机的工况，机组启动后，当温度达到ITM纯氧发生器19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15根据温度传感器22、氧浓度传感器18和空气流量计5的数据，通过可控流量阀14和可控比例阀20控制合理的氧燃比，从而控制机组正常运行。本例中尾气涡轮增压器2的转轴通过油膜轴承支撑，也可采用空气轴承支撑。

发电系统，包括高频发电机9和电力变换器7，高频发电机9的主轴与传动轴10连接，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，高频发电机9输出的电能经电力变换器7变换后输送至用电网8。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，包括沿空气走向依次连通的高频发电机导风壳6、导风壳21、空气预热器26和尾气涡轮增压器2；所述尾气涡轮增压器2的涡轮膨胀部分的入口端分别与纯氧发生器19的富氮气输出口和空气预热器26输出口接通，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，而出口端与高频发电机导风壳6接通。新鲜空气经空气过滤器1、尾气涡轮增压器2的压气部分吸入增压，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9的同时进行第二次升温；进入导风壳21冷却保护燃烧室17和纯氧发生器19的同时，进行第三次升温；最后逆程进入空气预热器26回收微型燃气轮24排放尾气的热量，达到纯氧发生器19的工作温度要求。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。同时，纯氧发生器19排出的高温富氮气体进入尾气涡轮增压器2进行能量回收。

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29和燃气轮轴承25的回油口，润滑油箱3的出口端连接润滑油泵4，润滑油泵4的输出端接至涡轮增压器轴承29和燃气轮轴承25的进油口。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。

本发明的工作原理如下：燃料供给系中的燃料从燃料箱12开始经过燃料输送泵13抽送至可控流量阀14，然后经过射流阀30利用射流作用吸附一定量的空气或纯氧（启动阶段时，射流阀吸附空气，常态工作状态下，射流阀吸附纯氧发生器产生的纯氧），最后进入燃烧室17。在初始运行时，纯氧发生器19未达到工作温度不能分离氧气，此时，控制系统中的启动控制器23控制电磁离合器28与尾气涡轮增压器2的转轴耦合，同时控制启动电机27工作，带动尾气涡轮增压器2工作，将空气依次经空气过滤器1、尾气涡轮增压器2、高频发电机导风壳6、导风壳21、空气预热器26和可控比例阀20后送入燃烧室17与燃料混合燃烧；由于燃烧室17和纯氧发生器19是一体化设计，纯氧发生器19预热达到工作温度（通过燃烧室内燃料的燃烧实现纯氧发生器的升温）时，即可分离纯氧；当控制系统在获得温度传感器22达到标准温度（纯氧发生器的工作温度）时，将控制模式由启动控制模式切换到常态控制模式，控制启动控制器23切断电磁离合器28与尾气涡轮增压器2转轴的耦合，同时启动电机27停止工作。

在常态控制控制状态下，新鲜空气通过尾气涡轮增压器2吸入、压缩、升温；输送到高频发电机导风壳6，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21冷却燃烧室17和纯氧发生器19的同时，空气第三次预热升温；逆程进入空气预热器26回收微型燃气轮24的排出尾气热量，同时对空气进行最后一次预热升温，达到纯氧发生器19要求的工作温度，最后通过可控比例阀20调节流量，一股进入纯氧发生器19分离产生纯氧进入射流阀30，另一股直接进入燃烧室17混合燃烧。纯氧发生器19排出的高温富氮气进入尾气涡轮增压器2进行能量回收。

在常态控制状态下，氧燃比控制器15根据温度传感器22、氧浓度传感器18和空气流量计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。

燃料和富氧空气在燃烧室17彻底燃烧生成的高温高压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进行首级热量回收（对应于能量回收系统中空气的最后一次预热升温），再进入尾气涡轮增压器2进行二级热量回收（对应于能量回收系统中空气的第一次预热升温）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，在常态控制状态工作时，运用了先进的ITM（Ionic TransportMembrane，离子传输膜）制取纯氧技术，并将产生的纯氧混合一定空气后形成的富氧空气进行助燃，较之现有技术中采用空气作为助燃剂，由于燃烧气氛的含氧浓度较高，不仅可以降低燃料的燃点，为使用劣质的燃料提供条件，还能促使燃料充分燃烧，从而有效提高燃烧热效率和降低燃烧所带来的空气污染程度；又由于采用了多级能量回收措施，因此，热功回收品位增高，进一步提高了燃气轮能量转换效率。

实施例2：如图2所示，本实施例与实施例1（采用燃料射流吸取纯氧再和空气在燃烧室内混合稀释的方式）的结构基本相同，其区别仅仅在于，省去射流阀30，并在燃烧室17的进口处制有同时与燃烧室17进气口和纯氧发生器19的纯氧输出口连通的预混室16，同时相应管路调整如下：可控流量阀14的输出端直接连接至燃烧室17的进料口，可控比例阀20的一个输出端与预混室16的空气进气口连通，另一个输出端仍然与纯氧发生器19连通，纯氧发生器19产生的纯氧与可控比例阀20输出的空气在预混室16内混合稀释后形成富氧空气，送入燃烧室17内与燃料一起燃烧。本例中，所述纯氧发生器19、燃烧室17和预混室16相互紧贴一体成型，并置于导风壳21内部，一体设计的纯氧发生器19、燃烧室17和预混室16与导风壳21之间形成的空隙即为空气预热流道。

Claims (10)

1.一种微型混合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、富氧空气供给系统、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，包括沿燃料输送方向依次连通的燃料箱（12）、燃料输送泵（13）和可控流量阀（14），所述可控流量阀（14）的输出端接燃烧做功系统中燃烧室（17）的进料口；

富氧空气供给系统，包括沿空气输送方向依次连通的空气过滤器（1）、尾气涡轮增压器（2）、高频发电机导风壳（6）、导风壳（21）、空气预热器（26）、可控比例阀（20）和纯氧发生器（19），所述空气过滤器（1）与外部大气连通，纯氧发生器（19）的纯氧输出口和可控比例阀（20）的另一个输出端分别与燃烧室（17）进气口连通；

燃烧做功系统，包括沿燃烧后气体走向依次连通的燃烧室（17）和微型燃气轮（24），以及与该微型燃气轮动力输出端连接的传动轴（10），其中微型燃气轮（24）通过传动轴（10）带动发电系统中的高频发电机（9）旋转并发电；

控制系统，包括氧燃比控制器（15）、启动控制器（23）、启动电机（27）、电磁离合器（28）、可控比例阀（20）、空气流量计（5）、温度传感器（22）和氧浓度传感器（18），所述氧燃比控制器（15）的一个输入口分别连接温度传感器（22）和启动控制器（23），其余两个输入口中的一个连接空气流量计（5），另一个连接氧浓度传感器（18），氧燃比控制器（15）的两个输出口分别连接可控流量阀（14）和可控比例阀（20），启动控制器（23）的输出端分别连接启动电机（27）和电磁离合器（28），启动电机（27）通过电磁离合器（28）与尾气涡轮增压器（2）的转轴耦合，所述氧浓度传感器（18）安装在纯氧发生器（19）的富氮气输出口处，温度传感器（22）安装在燃烧室（17）的排气流道上，空气流量计（5）装在高频发电机导风壳（6）的进气管路上；

发电系统，包括高频发电机（9）和电力变换器（7），高频发电机（9）转轴接传动轴（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，包括沿空气走向依次连通的高频发电机导风壳（6）、导风壳（21）、空气预热器（26）和尾气涡轮增压器（2）；所述尾气涡轮增压器（2）的涡轮膨胀部分的入口端分别与纯氧发生器（19）的富氮气输出口和空气预热器（26）输出口接通，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，而出口端与高频发电机导风壳（6）接通。

2.根据权利要求1所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述可控流量阀（14）输出端与燃烧室（17）进料口之间设置射流阀（30），纯氧发生器（19）的纯氧输出口通过该射流阀与燃烧室（17）连通。

3.根据权利要求1或2所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述纯氧发生器（19）的氧分离膜是ITM离子传输膜，纯氧发生器（19）和燃烧室（17）相互紧贴一体成型，并置于导风壳（21）内部，一体设计的纯氧发生器（19）和燃烧室（17）与导风壳（21）之间形成空气预热流道。

4.根据权利要求1所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述燃烧室（17）的进口处制有同时与燃烧室（17）进气口和纯氧发生器（19）的纯氧输出口连通的预混室（16），可控比例阀（20）的一个输出端通过该预混室与燃烧室（17）连通。

5.根据权利要求4所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述纯氧发生器（19）的氧分离膜是ITM离子传输膜，纯氧发生器（19）、燃烧室（17）和预混室（16）相互紧贴一体成型，并置于导风壳（21）内部，一体设计的纯氧发生器（19）、燃烧室（17）和预混室（16）与导风壳（21）之间形成空气预热流道。

6.根据权利要求1或2或4所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述燃烧室（17）内、对燃料进行助燃的气体是由纯氧发生器（19）产生纯氧与普通空气混合后所获得的富氧空气，该富氧空气的氧气体积含量大于21%。

7.根据权利要求1或2或4所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述发电机还包括润滑油系统，润滑油系统由润滑油箱（3），润滑油泵（4）以及油路构成，所述润滑油箱（3）的两个入口端分别接涡轮增压器轴承（29）和燃气轮轴承（25）的回油口，润滑油箱（3）的出口端连接润滑油泵（4），润滑油泵（4）的输出端接至涡轮增压器轴承（29）和燃气轮轴承（25）的进油口。

8.根据权利要求1或2或4所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述燃料输送泵（13）并联设置回流旁路，并在该回流旁路上串接溢流阀（11）。

9.根据权利要求1或2或4所述的微型混合富氧燃烧的燃气轮发电机，其特征在于：所述导风壳（21）与高频发电机导风壳（6）串接为一个整体外壳。

10.根据权利要求1或2或4所述的微型混合富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。

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