CN103541877B - 太阳能燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本文提出一种太阳能燃气轮机，包括太阳能集热器、涡轮和补燃装置。太阳能集热器用以加热流过所述太阳能集热器的空气以输出被加热的空气。涡轮通过涡轮工质通道与所述太阳能集热器流体相通从而通过所述涡轮工质通道接收欲在所述涡轮上做功的工质，在所述涡轮上做功的所述工质具有预定工质温度。补燃装置设置在所述涡轮工质通道上，当所述太阳能集热器输出的空气的温度低于所述预定工质温度时，所述补燃装置以燃烧的方式对所述太阳能集热器输出的空气进行加热从而提高所述工质的温度。

Description

太阳能燃气轮机

技术领域

本发明涉及一种燃气轮机，特别是涉及一种利用太阳能的燃气轮机。

背景技术

太阳能的利用通常是使用太阳能集热器将太阳能的辐射转换为热能，然后利用此收集的热能加热其它工质。但太阳能具有间歇性的特点，例如夜晚、阴雨天气无法收集到太阳能，导致太阳能使用不易。例如，太阳能发电系统需要针对太阳能的收集状况进行间歇式地运行。这将导致发电系统的利用率降低。

发明内容

有鉴于此，本文提出一种能够提高利用率的太阳能燃气轮机。

本文提出一种太阳能燃气轮机，包括太阳能集热器、涡轮和补燃装置。太阳能集热器用以加热流过所述太阳能集热器的空气以输出被加热的空气。涡轮通过涡轮工质通道与所述太阳能集热器流体相通从而通过所述涡轮工质通道接收欲在所述涡轮上做功的工质，在所述涡轮上做功的所述工质具有预定工质温度。补燃装置设置在所述涡轮工质通道上，当所述太阳能集热器输出的空气的温度低于所述预定工质温度时，所述补燃装置以燃烧的方式对所述太阳能集热器输出的空气进行加热从而提高所述工质的温度。

在一个实施例中，所述太阳能集热器与所述涡轮之间设置用于形成所述涡轮工质通道的输气管，所述补燃装置设置在所述输气管内。例如，所述输气管具有直径扩大部，所述补燃装置设置在所述直径扩大部内。

在一个实施例中，所述补燃装置包括由穿孔壁形成的燃烧腔以及向所述燃烧腔内供给燃料的燃料供给装置。

在一个实施例中，所述穿孔壁与所述输气管的管壁之间形成子通道，使得所述太阳能集热器输出的一部分空气经由所述子通道进入所述涡轮。

在一个实施例中，所述太阳能集热器输出的空气能够达到的最大温度等于或者低于所述预定工质温度。

在一个实施例中，所述太阳能燃气轮机包括与所述太阳能集热器流体相通的压气机，流过所述太阳能集热器的所述空气来自于所述压气机。

在一个实施例中，通过所述涡轮工质通道接收的工质为第一工质，所述太阳能燃气轮机还包括作为第二工质的蒸汽，所述涡轮包括第一工质涡轮部和第二工质涡轮部，所述第一工质在所述第一工质涡轮部上做工，所述蒸汽在所述第二工质涡轮部上，所述太阳能燃气轮机还包括蒸汽回收装置，以将所述蒸汽回收并再次注入到所述第二工质涡轮部上做工，所述第一工质涡轮部和第二工质涡轮部是沿着所述涡轮的旋转方向进行划分的，使得每个涡轮部在所述涡轮上的具体部位随着所述涡轮的旋转而不断变化。

本文还提出一种太阳能燃气轮机，包括压气机、太阳能集热器、涡轮、补燃装置和旁通流道。所述压气机用以压缩空气并具有出气部。太阳能集热器与所述压气机的出气部连接，用以加热流过所述太阳能集热器的压缩空气。涡轮通过涡轮工质通道与所述太阳能集热器连接并通过所述涡轮工质通道接收欲在所述涡轮上做功的工质，在所述涡轮上做功的所述工质具有预定工质温度。补燃装置设置在所述涡轮工质通道上，当所述涡轮工质通道内的工质的温度低于所述预定工质温度时，所述补燃装置以燃烧的方式加热所述涡轮工质通道内的工质。旁通流道连接在所述压气机的出气部与所述补燃装置的进气部之间，所述压气机的出气部设有阀门，用以控制所述压气机的压缩空气输入所述太阳能集热器或经所述旁通流道输向所述补燃装置。

在一个实施例中，当所述太阳能集热器输出的空气的温度低于所述预定工质温度但不低于一预设的最低空气温度时，所述阀门控制所述压气机的压缩空气输入所述太阳能集热器；当所述太阳能集热器输出的空气的温度低于所述预设的最低空气温度时，所述阀门控制所述压气机的压缩空气经所述旁通流道输向所述补燃装置。

综上所述，本文提出的太阳能燃气轮机中，在太阳能集热器输出的空气能够满足预定工质温度时，直接由被所述太阳能集热器加热的空气作为涡轮工质，不需要利用补燃装置对涡轮工质进行加热。而当太阳能集热器输出的空气的温度不足时，补燃装置对此时的空气进行加热，以使涡轮工质维持在预定温度。如此，即使在阳光不强的情况下或者太阳能集热器在运行一段时间后其输出的空气的温度达不到预定工质温度，其仍然可以利用补燃装置进行加热以达到预定的涡轮工质温度从而实现较高的燃气轮机效率，也从而增加了太阳能集热器的热能的利用率。而且，在一些实施例中，当太阳能集热器不工作时，压气机提供的压缩空气可以不经过太阳能集热器而经过旁通流道进入补燃装置，不影响燃气轮机的正常运作，从而提高了燃气轮机系统的利用率。

附图说明

图1是太阳能燃气轮机的一个实施例的示意图。

图2是图1中的补燃装置的一个实施例的示意图。

图3是太阳能燃气轮机的另一个实施例的示意图。

图4是太阳能燃气轮机的另一个实施例的示意图。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

图1是太阳能燃气轮机的示意图。所示的燃气轮机主要包括压气机10、太阳能集热器12、涡轮14和补燃装置16。涡轮14驱动负载18，例如发电机。

压气机10用以压缩空气。本发明并不限制压气机10的形式，其可为轴流式、离心式或者兼具两者的混合式压气机。

太阳能集热器12将太阳的辐射转换为热能。太阳能集热器12与压气机10流体相通以接收并加热压气机10输出的压缩空气以输出被加热的压缩空气。

涡轮14通过涡轮工质通道20与太阳能集热器12流体相通从而通过所述涡轮工质通道20接收欲在涡轮14上做功的工质。该工质在涡轮14入口具有预定工质温度，即预定的涡轮前温度。总的来说，燃气轮机效率和加热比和增压比密切相关。涡轮前温度越高，其意味着加热比越高，其工质做功的能力就越高，进而燃气轮机效率也就越高。在加热比一定的条件下，存在一个最佳增压比使得效率达到最高，且该最佳增压比随加热比的升高而升高。因此，该预定工质温度的选择应使得涡轮具有较高的效率，同时与该压气机的增压比匹配。在本实施例中，涡轮前温度的范围是900-1200度，例如，900度、1000度或1200度。在实际循环中，低于或高于这个温度，基本上都会使得燃气轮机整体效率降低。

补燃装置16设置在所述涡轮工质通道20上，当太阳能集热器12输出的压缩空气的温度低于所述预定工质温度时，补燃装置16会以燃烧的方式加热太阳能集热器12输出的空气。另一方面，当太阳能集热器12输出的空气的温度能够达到该预定工质温度，则补燃装置16不会启动。

图2是补燃装置16的一个实施例的示意图。连接于太阳能集热器12与涡轮14之间的涡轮工质通道20由输气管22形成。补燃装置16设置在输气管22内。在所示的实施例中，输气管22具有直径扩大部24，而补燃装置16设置在这个直径扩大部24内。

补燃装置16包括由穿孔壁26形成的燃烧腔28以及向燃烧腔28内供给燃料F的燃料供给装置30。穿孔壁26的孔可以让太阳能集热器12输出的一部分空气进入燃烧腔28以冷却穿孔壁表面。穿孔壁26与输气管22的管壁之间间隔一段距离，从而于穿孔壁26和输气管22之间形成子通道32。该子通道32可供一部分太阳能集热器12输出的空气通往涡轮14，而不进入燃烧腔28。也就是说，从太阳能集热器12向涡轮14输送的空气一部分进入补燃装置16的燃烧腔28，然后进入涡轮，还有一部分空气通过子通道32进入涡轮14。

如果补燃装置16未被启动（例如，当太阳能集热器12输出的空气的温度达到预定工质温度时），太阳能集热器12输出的空气通过子通道32以及通过燃烧腔28输向涡轮14以在涡轮上做功。因此，此时在涡轮14上做功的工质全部是空气。

如果补燃装置16被启动（例如，当太阳能集热器12输出的空气的温度低于所述预定工质温度时），则进入燃烧腔28的空气与燃料供给装置30供给的燃料F进行燃烧，其高温燃烧产物（即燃气）向涡轮14被输往涡轮进行做功。此时，在涡轮14上做功的工质将会是高温燃气。通过控制燃料F的流量，可以控制燃气的温度，从而控制工质的温度达到所述预定工质温度。

在一些实施例中，至少在太阳能燃气轮机的部分运行时间内，太阳能集热器12输出的压缩空气的温度与所述预定工质温度相等。在这部分运行时间内，所述补燃装置14内不进行燃烧反应。

在一些实施例中，太阳能集热器12输出的压缩空气能够达到的最大温度与所述预定工质温度相等。例如，太阳能集热器12输出的压缩空气能够达到的最大温度是1000摄氏度，而所述预定工质温度也是1000摄氏度。当太阳能集热器12输出的空气的温度达到最大温度时，补燃装置14不需要启动。但若阳光强度不够，致使太阳能集热器12输出的空气不能够达到最大温度时，为了保证燃气轮机效率效率，需要启动补燃装置14并相应地控制燃料F的流量以保证工质达到所述预定工质温度。

在一些实施例中，在太阳能燃气轮机的整个运行时间内，太阳能集热器12输出的压缩空气的温度都低于所述预定工质温度。例如，太阳能集热器12输出的压缩空气在300至600摄氏度之间，而所述预定工质温度为1000摄氏度。在这种情况下，补燃装置14一直启动运行，并相应地控制燃料F的流量以保证工质达到所述预定工质温度1000摄氏度。

可以对涡轮14的排气进一步处理或回收，以进一步增加效率。例如，上述太阳能燃气轮机可以与余热锅炉和溴化锂机组一起构成冷热电联供系统。

图3描绘了太阳能燃气轮机的另一个实施方式。图3的实施例与图1的实施例不同之处在于，压气机10的出气部与补燃装置14的进气部之间设置一个旁通流道40。压气机10的出气部设置阀门42，用以控制所述压气机10的压缩空气输入所述太阳能集热器12或经所述旁通流道40输向所述补燃装置14。

当太阳能集热器12输出的空气的温度能满足预定工质温度（例如1000摄氏度）时，压气机10的压缩空气输入太阳能集热器12，加热后进入涡轮做功，补燃装置14不开启。当太阳能集热器12输出的空气的温度低于预定工质温度（例如，1000摄氏度）但不低于一个预设的最低空气温度（例如，300摄氏度）时，阀门42控制压气机10的压缩空气输入太阳能集热器12进行加热，同时补燃装置14开启以进一步对空气进行加温。

在例如晚上或阴雨天，太阳能集热器12无法收集到足够太阳能，其输出的空气的温度低于所预设的最低空气温度（例如，300摄氏度），整体燃气轮机系统的效率将会明显偏低，因此不宜继续使用太阳能集热器12。在这种情况下，阀门42控制压气机10的压缩空气通过旁通流道40输向补燃装置14以利用燃烧的方式对压缩空气加温。在这种情况下，太阳能集热器12完全不参与工作，此时燃气轮机以传统燃气轮机的方式进行工作。因此，本太阳能燃气轮机不会因为太阳能集热器12的原因而停止运转。图3的实施例中的其它构造可与图1的实施例中一致，在此不再赘述。

图4描绘了太阳能燃气轮机的另一种实施方式。图4的实施例与图1的实施例不同之处在于，太阳能燃气轮机采用双工质，涡轮14包括第一工质涡轮部50和第二工质涡轮部52。第一工质涡轮部50用于接收输气管22输入的作为第一工质的空气或燃气（如前所述，根据燃气轮机的不同运行状态，其可能是空气，也可能是燃气），因此也可以称为空气/燃气涡轮部50。第二工质涡轮部52用以接收作为第二工质的高温蒸汽，因此也可以称为蒸汽涡轮部52。空气或燃气在空气/燃气涡轮部50上做功后从涡轮14排出。蒸汽在蒸汽涡轮部52上做功后离开涡轮14。离开涡轮14的蒸汽可以利用蒸汽回收装置54回收后再次注入蒸汽涡轮部52做功。蒸汽回收装置54可以将排出涡轮14的第一工质空气或燃气的热量交换给离开蒸汽涡轮部52的第二工质蒸汽。第一工质涡轮部50和第二工质涡轮部52是沿着所述涡轮的旋转方向进行划分的，使得每个涡轮部在涡轮14上的具体部位随着所述涡轮的旋转而不断变化。本实施例中的第一工质涡轮部50和第二工质涡轮部52的概念和具体构造以及相关配套结构请参考本申请人在2011年10月19日提交的PCT申请第PCT/CN2011/080985号。

与图3的实施例类似，在图4的实施例中，压气机10的出气部与补燃装置14的进气部之间也可以设置一个旁通流道40，使得当太阳能集热器12无法工作或无法提供具有足够温度的空气时，压气机10的压缩空气能够通过旁通流道40输入至补燃装置14进行燃烧，让整个燃气轮机系统还是能够正常工作。

综上所述，本文提出的太阳能燃气轮机中，在太阳能集热器输出的空气能够满足预定工质温度时，直接由被所述太阳能集热器加热的空气作为涡轮工质，不需要利用补燃装置对涡轮工质进行加热。而当太阳能集热器输出的空气的温度不足时，补燃装置对此时的空气进行加热，以使涡轮工质维持在预定温度。如此，即使太阳能集热器在运行一段时间后其输出的空气的温度达不到预定工质温度，其仍然可以利用补燃装置进行加热以达到预定的涡轮工质温度从而实现较高的燃气轮机效率，也从而增加了太阳能集热器的热能的利用率。而且，在一些实施例中，当太阳能集热器不工作时，压气机提供的压缩空气可以直接进入补燃装置，不影响燃气轮机的正常运作。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。

Claims (5)

1.一种太阳能燃气轮机，其特征在于，它包括：

太阳能集热器，所述太阳能集热器用以加热流过所述太阳能集热器的空气以输出被加热的空气；

涡轮，所述涡轮通过涡轮工质通道与所述太阳能集热器流体相通从而通过所述涡轮工质通道接收欲在所述涡轮上做功的工质，在所述涡轮上做功的所述工质具有预定工质温度；以及

补燃装置，所述补燃装置设置在所述涡轮工质通道上，当所述太阳能集热器输出的空气的温度低于所述预定工质温度时，所述补燃装置以燃烧的方式对所述太阳能集热器输出的空气进行加热从而提高所述工质的温度；

其中，所述太阳能集热器与所述涡轮之间设置用于形成所述涡轮工质通道的输气管，所述补燃装置设置在所述输气管内；

所述补燃装置包括由穿孔壁形成的燃烧腔以及向所述燃烧腔内供给燃料的燃料供给装置；

所述穿孔壁与所述输气管的管壁之间形成子通道，从所述太阳能集热器输出的空气一部分进入所述补燃装置的燃烧腔，然后进入所述涡轮，还有一部分空气通过所述子通道进入所述涡轮。

2.如权利要求1所述的太阳能燃气轮机，其特征在于，所述输气管具有直径扩大部，所述补燃装置设置在所述直径扩大部内。

3.如权利要求1所述的太阳能燃气轮机，其特征在于，所述太阳能集热器输出的空气能够达到的最大温度等于或者低于所述预定工质温度。

4.如权利要求1所述的太阳能燃气轮机，其特征在于，所述太阳能燃气轮机包括与所述太阳能集热器流体相通的压气机，流过所述太阳能集热器的所述空气来自于所述压气机。

5.如权利要求1所述的太阳能燃气轮机，其特征在于，通过所述涡轮工质通道接收的工质为第一工质，所述太阳能燃气轮机还包括作为第二工质的蒸汽，所述涡轮包括第一工质涡轮部和第二工质涡轮部，所述第一工质在所述第一工质涡轮部上做工，所述蒸汽在所述第二工质涡轮部上，所述太阳能燃气轮机还包括蒸汽回收装置，以将所述蒸汽回收并再次注入到所述第二工质涡轮部上做工，所述第一工质涡轮部和第二工质涡轮部是沿着所述涡轮的旋转方向进行划分的，使得每个涡轮部在所述涡轮上的具体部位随着所述涡轮的旋转而不断变化。