CN103233819B - 耦合式燃气轮机‑变频发电机热电联供系统及联供方法 - Google Patents

Abstract

耦合式燃气轮机‑变频发电机热电联供系统及联供方法。现有的热电供能系统，其动力装置主要有电瓶、燃气内燃机等形式。电瓶功率重量比低，不仅需要高品位的电能，而且输出功率也有限制，且需要定期更换电瓶。本发明的组成包括：燃机发电系统，所述的燃气发电机系统的压气机（1）与燃烧室（2）连接，所述的燃烧室通过蒸汽发生系统的射流降温增压器（3）与燃气轮机涡轮（4）连接，所述的燃气轮机涡轮与耦合变频发电机（5）连接，所述的耦合变频发电机与所述的压气机连接，所述的压气机与回热器（6）连接，所述的回热器与空气预热器（7）连接，所述的空气预热器的水套（8），通过水泵A（9）与水箱（10）连接。本发明用于供电、供热。

Description

耦合式燃气轮机-变频发电机热电联供系统及联供方法

技术领域：

本发明涉及一种耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统及联供方法。

背景技术：

移动式热电联供系统具有适应性强、体积小、重量轻、可控性好的优点，它将燃气轮机、高速发电机等关键设备进行微型化、功能化和智能化集成，能够满足不同用户的使用要求，能够广泛应用于航空航天与车辆舰船辅助动力装置、野战部队营房及野外作业环境控制等需要制热及供电的负荷场所，具有良好的经济性和社会效益。

现有的热电供能系统，其动力装置主要有电瓶、燃气内燃机、燃料电池和燃气轮机几种形式。其中，电瓶功率重量比低，不仅需要高品位的电能，而且输出功率也有限制，且需要定期更换电瓶；燃气内燃机系统在国内属于技术空白，且存在体积重量大，噪音大、性能差的缺点；燃料电池尚处于研发阶段，技术不够成熟；相比之下，燃气轮机具有体积小、重量轻、功率重量比高的优点，并且可以使用燃油燃气等多种形式的一次能源，经济性好，十分适合作为车载式微小型功能系统的动力主机。

对于适应于热电供能系统的高速发电机，国外的发展趋势是目前综合集成了无油支承技术、永磁电动机/ 发电机一体化技术、电力电子技术以及高速转子动力学等核心技术所构成的高速永磁变频发电机。

发明内容：

本发明的目的是提供一种耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统及联供方法，具有体积小、重量轻、集成性好、可控性强等特点。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，其组成包括：燃机发电系统，所述的燃气发电机系统的压气机与燃烧室连接，所述的燃烧室通过蒸汽发生系统的射流降温增压器与燃气轮机涡轮连接，所述的燃气轮机涡轮与耦合变频发电机连接，所述的耦合变频发电机与所述的压气机连接，所述的压气机与回热器连接，所述的回热器与空气预热器连接，所述的空气预热器的水套通过水泵A 与水箱连接。

所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，所述的循环水和蒸汽发生系统包括所述的水箱，所述的水箱与水泵B 连接，所述的水泵B 与所述的燃气轮机涡轮的水套连接，所述的燃气轮机涡轮的水套与所述的燃烧室的水套连接，所述的燃烧室的水套与汽包连接，所述的汽包分别与所述的回热器的水套、所述的射流降温增压器连接，所述的射流降温增压器的水套与所述的燃气轮机涡轮的水套连接，所述的回热器的水套与换热器的水套连接，所述的换热器的水套与所述的空气预热器的水套连接，所述的空气预热器的水套与所述的水箱连接。

所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，所述的燃气轮机涡轮的涡轮轴、所述的压气机的轴分别通过永磁磁力耦合联轴器与所述的耦合变频发电机的转轴连接，所述的永磁磁力耦合联轴器包括发电机导体转子、永磁体转子，所述的发电机导体转子与电机轴连接，所述的永磁体转子与负载轴连接，所述的永磁磁力耦合联轴器通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载的智能调节。

所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，所述的发电机导体转子、所述的永磁体转子的结构采用气体润滑轴承作为润滑支撑形式，在所述的压气机或所述的燃气轮机涡轮的叶轮两端设置轴承支撑位置，在所述的耦合变频发电机转子的两端设置轴承支撑位置；所述的气体润滑轴承采用静压、动压或动静压混合结构。

一种耦合智能式燃气轮机- 变频发电机热电联供方法，燃机发电系统的压气机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料也喷入所述的燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行定压燃烧，再经过射流降温增压器进入燃气轮机涡轮，生成的高温高压燃气进入所述的燃气轮机涡轮膨胀做功，推动所述的燃气轮机涡轮高速旋转，通过永磁磁力耦合联轴器从而驱动耦合变频发电机旋转，所述的耦合变频发电机通过永磁磁力耦合联轴器带动压气机旋转产生高压空气，所述的压气机的排气会通过回热器加热后进入燃烧室，所述的燃机涡轮出口的燃气经过回热器和空气预热器之后排出；循环水被水泵B 从水箱中抽出，经过所述的燃气轮机涡轮的水套和燃烧室的水套后，进入汽包，所述的汽包内的一部分水经过回热器的水套、换热器的水套和空气预热器的水套后，经过水泵A 回到水箱，完成循环；所述的汽包内另一部分经过汽包加热成为蒸汽，蒸汽经过射流降温增压器后，其压力会升高，提高工质的做功能力，与燃气混合之后进入燃气轮机涡轮，在燃气轮机内实现湿空气透平循环即HAT 循环，从而形成具有蒸汽射流降温增压功能的热能利用系统。

有益效果：

1. 本发明燃机涡轮驱动耦合变频发电机发电，在燃机涡轮中做功后的燃气经过回热器、换热器，可作为热源。同时，发电机主轴旋转驱动燃机系统压气机旋转工作。循环水和蒸汽发生系统提供了系统冷却循环水，并将一部分循环水经过汽包加热成为蒸汽，蒸汽经过射流降温增压器后，其压力会升高，提高工质的做功能力。蒸汽进入燃气轮机热涡轮，与燃气混合后形成高温高湿燃气，从而在燃气轮机内实现湿空气透平循环（HAT 循环），有效集成了燃气轮机、永磁变频发电机等多项关键技术，形成了耦合型智能式热电供能系统。

本发明燃气轮机涡轮轴和燃气轮机压气机轴分别通过永磁磁力耦合联轴器与耦合变频发电机转轴连接。实现了在驱动和被驱动侧的无机械链接。这种磁力动力传动方式可通过调节永磁体和导体之间的间隙，控制传递的转矩，从而实现传动负载的智能调节。具有传动效率高、振动小、节能环保的优点，不仅可以减少维护费用，还可改善系统的可靠性和稳定性，降低使用成本。

本发明循环水和蒸汽发生装置一方面是完成循环水冷却和热能回收利用，另一方面在汽包中产生蒸汽，蒸汽通过射流降温增压器进入燃气轮机热涡轮，与燃气混合后形成高温高湿燃气，最终在燃气轮机内实现湿空气透平循环（HAT 循环），从而形成具有蒸汽射流降温增压功能的热能利用系统。此技术方法可提高燃机热能利用效率，实现热量的梯级利用，有效降低NOx 等污染物的排放。

本发明提供的耦合式燃气轮机- 发电机热电联供系统实现了热电供能的集成，突破了国内热电功能系统耦合集成化的技术瓶颈，具有适应性强、体积小、重量轻、可控性好等优点，可广泛应用于交通车辆、小型船舶、野外作业及其他具有环境控制和供能需求的制热及供电，具有良好的经济性和社会效益。

附图说明：

附图1 是本发明的结构示意图。

附图2 是本发明永磁磁力耦合联轴器的原理图。

附图3 是本发明燃机发电系统的结构示意图。

具体实施方式：

实施例1：

一种耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，其组成包括：燃机发电系统，所述的燃气发电机系统的压气机1 与燃烧室2 连接，所述的燃烧室通过蒸汽发生系统的射流降温增压器3 与燃气轮机涡轮4 连接，所述的燃气轮机涡轮与耦合变频发电机5 连接，所述的耦合变频发电机与所述的压气机连接，所述的压气机与回热器6 连接，所述的回热器与空气预热器7 连接，所述的空气预热器的水套8 通过水泵A9 与水箱10 连接。

实施例2：

根据实施例1 所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，所述的循环水和蒸汽发生系统包括所述的水箱，所述的水箱与水泵B11 连接，所述的水泵B 与所述的燃气轮机涡轮的水套连接，所述的燃气轮机涡轮的水套与所述的燃烧室的水套连接，所述的燃烧室的水套与汽包12 连接，所述的汽包分别与所述的回热器的水套、所述的射流降温增压器连接，所述的射流降温增压器的水套与所述的燃气轮机涡轮的水套连接，所述的回热器的水套与换热器13 的水套连接，所述的换热器的水套与所述的空气预热器的水套连接，所述的空气预热器的水套与所述的水箱连接。

实施例3：

根据实施例1 或2 所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，所述的燃气轮机涡轮的涡轮轴、所述的压气机的轴分别通过永磁磁力耦合联轴器14 与所述的耦合变频发电机的转轴连接，所述的永磁磁力耦合联轴器包括发电机导体转子15、永磁体转子16，所述的发电机导体转子与电机轴17 连接，所述的永磁体转子与负载轴18 连接，所述的永磁磁力耦合联轴器通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载的智能调节。燃气轮机涡轮轴和燃气轮机压气机轴分别通过永磁磁力耦合联轴器与耦合变频发电机转轴连接。

实施例4：

根据实施例1 或2 或3 所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，所述的发电机导体转子、所述的永磁体转子的结构采用气体润滑轴承作为润滑支撑形式，在所述的压气机或所述的燃气轮机涡轮的叶轮两端设置轴承支撑位置，在所述的耦合变频发电机转子的两端设置轴承支撑位置；所述的气体润滑轴承采用静压、动压和动静压混合结构。其中燃气轮机和耦合变频发电机的转子结构采用气体润滑轴承作为润滑支撑形式，在压气机或涡轮的叶轮两端设置轴承支撑位置，在耦合变频发电机转子的两端设置轴承支撑位置；气体轴承可以采用静压、动压或动静压混合结构的三种形式。

实施例5：

根据实施例1 或2 所述的耦合式燃气轮机- 发电机热电联供系统，所述的汽包的底部设置有排污口，用于将加热后水中产生的水垢等污物排出。

实施例6：

上述的耦合式燃气轮机- 发电机热电联供方法，空气预热器出口连接压气机入口，经过加热的空气进入压气机。

燃机发电系统的主要组成部分包括压气机、燃烧室、涡轮、永磁磁力耦合联轴器和耦合变频发电机、循环水和蒸汽发生装置等。其工作原理为：压气机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料也喷入燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行定压燃烧。再经过射流降温增压器进入燃气轮机涡轮。生成的高温高压燃气进入涡轮膨胀做功，推动涡轮高速旋转，通过永磁磁力耦合联轴器，从而驱动耦合变频发电机旋转，发电机的通过永磁磁力耦合联轴器带动压气机旋转产生高压空气。压气机的排气会通过回热器加热后进入燃烧室。燃机涡轮出口的燃气经过回热器和空气预热器之后排出。

循环水和蒸汽发生系统主要包括水箱、水泵、汽包、射流降温增压器和各部件外的水套等组成。循环水被水泵从水箱中抽出，经过燃机涡轮外的水套和燃烧室的水套后，进入汽包。在其中，一部分水经过回热器的水套、换热器的水套和空气预热器的水套后，经过水泵回到水箱，完成循环。另一部分经过汽包加热成为蒸汽，蒸汽经过射流降温增压器后，其压力会升高，提高工质的做功能力，与燃气混合之后进入燃气轮机涡轮。汽包的底部设置有排污口，用于将加热后水中产生的水垢等污物排出。

对燃气轮机的燃料消耗量进行控制，从而实现燃气轮机的转速和空气流量的调整，来改变燃气轮机的输出功率，以满足发电机发电和供热负载的变化。

在燃机系统中，调节燃气轮机的空气流量，调整输出功率，从而可以根据供热- 发电的负载变化情况，智能化的控制供能的配比和分配情况。

空气预热器和回热器均带有水套，可以通过调节水泵工作状态，改变循环水流量来调节热量交换情况，从而实现供热的智能化调节。

燃气轮机涡轮轴和燃气轮机压气机轴分别通过永磁磁力耦合联轴器与耦合变频发电机转轴连接。在燃气轮机- 耦合变频发电机系统中，燃机涡轮驱动耦合变频发电机发电，同时，发电机主轴旋转驱动燃机系统压气机旋转工作。

永磁磁力耦合联轴器是通过导体和永磁体之间的磁力耦合作用实现由电动机（发电机）到负载的转矩传输，从而实现了在驱动和被驱动侧的无机械链接。其工作原理是电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载速度调节。这种联轴器解决了负载系统的对中、软启动、减震、调速、及过载保护等问题，并且使永磁磁力驱动的传动效率大大提高，可达到98.5%。不仅可以减少维护费用，增加设备过程的实用性，还可改善系统的稳定性，降低使用成本。

燃气轮机和发电机采用气体润滑轴承，不需要润滑油系统；燃气轮机- 发电机系统设计成一体化结构形式，整台机组的尺寸显著减小，重量减轻。

Claims (4)

1.一种耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，其组成包括：燃气发电机系统，其特征是：所述的燃气发电机系统的压气机与燃烧室连接，所述的燃烧室通过循环水和蒸汽发生系统的射流降温增压器与燃气轮机涡轮连接，所述的燃气轮机涡轮与耦合变频发电机连接，所述的耦合变频发电机与所述的压气机连接，所述的压气机与回热器连接，所述的回热器与空气预热器连接，所述的空气预热器的水套通过水泵A 与水箱连接；

循环水和蒸汽发生系统包括所述的水箱，所述的水箱与水泵B 连接，所述的水泵B 与所述的燃气轮机涡轮的水套连接，所述的燃气轮机涡轮的水套与所述的燃烧室的水套连接，所述的燃烧室的水套与汽包连接，所述的汽包分别与所述的回热器的水套、所述的射流降温增压器连接，所述的射流降温增压器的水套与所述的燃气轮机涡轮的水套连接，所述的回热器的水套与换热器的水套连接，所述的换热器的水套与所述的空气预热器的水套连接，所述的空气预热器的水套与所述的水箱连接。

2.根据权利要求1 所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，其特征是：所述的燃气轮机涡轮的涡轮轴、所述的压气机的轴分别通过永磁磁力耦合联轴器与所述的耦合变频发电机的转轴连接，所述的永磁磁力耦合联轴器包括发电机导体转子、永磁体转子，所述的发电机导体转子与电机轴连接，所述的永磁体转子与负载轴连接，所述的永磁磁力耦合联轴器通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就能控制传递的转矩，从而实现负载的智能调节。

3.根据权利要求2 所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统，其特征是：所述的发电机导体转子、所述的永磁体转子的结构采用气体润滑轴承作为润滑支撑形式，在所述的压气机或所述的燃气轮机涡轮的叶轮两端设置轴承支撑位置，在所述的耦合变频发电机转子的两端设置轴承支撑位置；所述的气体润滑轴承采用静压、动压或动静压混合结构。

4.一种利用权利要求1 或2 或3所述的耦合式燃气轮机- 变频发电机热电联供系统供电的方法，其特征是：燃气发电系统的压气机从外部吸收空气，压缩后送入燃烧室，同时燃料也喷入所述的燃烧室与高温压缩空气混合，在受控方式下进行定压燃烧，再经过射流降温增压器进入燃气轮机涡轮，生成的高温高压燃气进入所述的燃气轮机涡轮膨胀做功，推动所述的燃气轮机涡轮高速旋转，通过永磁磁力耦合联轴器从而驱动耦合变频发电机旋转，所述的耦合变频发电机通过永磁磁力耦合联轴器带动压气机旋转产生高压空气，所述的压气机的排气会通过回热器加热后进入燃烧室，所述的燃气轮机涡轮出口的燃气经过回热器和空气预热器之后排出；

循环水被水泵B 从水箱中抽出，经过所述的燃气轮机涡轮的水套和燃烧室的水套后，进入汽包，所述的汽包内的一部分水经过回热器的水套、换热器的水套和空气预热器的水套后，经过水泵A 回到水箱，完成循环；所述的汽包内另一部分经过汽包加热成为蒸汽，蒸汽经过射流降温增压器后，其压力会升高，提高工质的做功能力，与燃气混合之后进入燃气轮机涡轮，在燃气轮机内实现湿空气透平循环即HAT 循环，从而形成具有蒸汽射流降温增压功能的热能利用系统。