CN104204427A - 具备朗肯循环发动机的燃气涡轮发动机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种通过极其有效地利用燃气涡轮发动机的排热而可以获得高效率的复合型燃气涡轮发动机装置。该燃气涡轮发动机装置(E)具有压缩机(1)、加热器(3)、涡轮(5)、中间冷却器(9)及余热锅炉(7)，所述压缩机(1)压缩第一工作介质(M1)；所述加热器(3)用外部的热源加热上述被压缩的第一工作介质(M1)；所述涡轮(5)从所述第一工作介质获取动力；所述中间冷却器(9)设置在所述压缩机上，将由所述压缩机的低压压缩部(1a)所压缩的第一工作介质冷却并供给所述压缩机的高压压缩部(1b)；所述余热锅炉(7)将来自所述涡轮(5)的排气(EG)作为加热介质；在所述燃气涡轮发动机装置(E)中，设置有机朗肯循环发动机(RU)，其将所述中间冷却器(9)及所述余热锅炉(7)作为热源，将所述中间冷却器(9)的冷却介质作为第二工作介质(M2)。

Description

具备朗肯循环发动机的燃气涡轮发动机装置
相关申请
本申请要求申请日为2012年4月5日申请的日本专利申请2012-086211的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种具有利用燃气涡轮发动机的排热驱动的朗肯循环发动机的复合型燃气涡轮发动机装置。
背景技术
近年来，作为环境问题和能源问题的一种解决对策，提出了一种在电力需要者附近设置小规模的发电设备进行供电的分散型能源供给系统。作为承担分散性能源供给系统的一部分任务的电源之一，考虑利用中/小型燃气涡轮发动机(例如专利文献1)。在分散型电源中，尤其是使效率提高成为重要的技术问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2007-159225号公报
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，作为使中/小型燃气涡轮发动机的效率提高的方法，从尺寸上限制的观点考虑，高温化、高压比化比较困难。另外，以往以来，通过将燃气涡轮的排热作为用于工作燃气预热的再生循环化或者作为用作蒸汽涡轮的热源的热电联产系统化，由此综合性地提高系统整体的效率，但是通过进行适于再生循环的低压比发动机的开发或者对用于热电联产系统的低输出/高效率的蒸汽涡轮的开发来进一步实现高效率极为困难。
因此，为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种通过极其有效地利用燃气涡轮发动机的排热而可以获得高效率的复合型燃气涡轮发动机装置。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的燃气涡轮发动机装置，具备压缩机、加热器、涡轮、中间冷却器、余热锅炉及朗肯循环发动机，所述压缩机压缩第一工作介质；所述加热器用外部热源加热上述被压缩的第一工作介质；所述涡轮从所述第一工作介质获取动力；所述中间冷却器设置在所述压缩机上，将由所述压缩机的低压压缩部所压缩的第一工作介质冷却并供给所述压缩机的高压压缩部；所述余热锅炉将来自所述涡轮的排气作为加热介质；所述朗肯循环发动机将所述中间冷却器及所述余热锅炉作为热源，将所述中间冷却器的冷却介质作为第二工作介质。
根据该结构，由于不仅利用来自燃气涡轮发动机的涡轮的排热，还利用通过压缩机的工作介质的热来驱动朗肯循环发动机，因此作为发动机装置整体能够得到极高的效率。
在本发明的一种实施方式中，优选所述第二工作介质为有机物，另外，从所述中间冷却器流入所述余热锅炉的第二工作介质优选为过热气体。根据该结构，通过使用沸点低于水的有机介质，能够易于将通过中间冷却器的第二工作介质做成为过热气体，其结果是余热锅炉作为过热器而发挥作用。因此，与使用水作为第二工作介质的情况相比，能够得到更大的输出，作为发动机装置整体能得更高的效率。
在本发明的一种实施方式中，作为所述加热器，也可以具有将太阳光作为热源并加热所述第一工作介质的太阳能式加热器。根据该结构，能够利用作为自然能源的太阳光，抑制对环境的负荷的同时提高发动机装置的效率。
权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合，均包含在本发明中。特别是权利要求书的各权利要求的两项以上的任意组合，也包含在本发明中。
附图说明
通过参照附图对以下适宜的实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图上相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
图1是表示本发明的一种实施方式的燃气涡轮发动机装置概略结构的框图。
图2是用于说明图1的燃气涡轮发动机装置的构成概念的图表。
图3是用于说明由图1的燃气涡轮发动机装置的效果的图表。
图4是表示图1的燃气涡轮发动机装置的变形例的框图。
具体实施方式
下面基于附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1是表示本发明的一种实施方式的燃气涡轮发动机装置(以下，简称为“发动机装置”)E的概略结构图。该发动机装置E具备燃气涡轮发动机单元GU及朗肯循环发动机单元RU，各发动机单元GU、RU分别驱动如发电机单元GE1、GE2这样的负载。
燃气涡轮发动机单元GU具有压缩机1、燃烧器3及第一涡轮5，所述压缩机1压缩第一工作介质M1；所述燃烧器3是对通过压缩机1压缩的第一工作介质M1进行加热的加热器；所述第一涡轮5从该燃烧的第一工作介质M1获取动力。在本实施方式中，使用空气作为第一工作介质M1。
压缩机1由低压压缩部1a和高压压缩部1b组成，在该低压压缩部1a与高压压缩部1b之间，顺次串联设置余热锅炉7及中间冷却器9，所述余热锅炉7将被低压压缩部1a压缩的第一工作介质M1冷却。关于余热锅炉7，后面进行详细说明。通过该余热锅炉7及中间冷却器9，冷却被低压压缩部1a压缩的第一工作介质M1，由此减小高压压缩部1b的压缩功，并提高效率。此外，从低压压缩部1a流向高压压缩部1b的第一工作介质M1，也可以不通过余热锅炉7而仅由中间冷却器9冷却。
从压缩机1排出的高压的第一工作介质M1，其在流入燃烧器3前通过再生器11预热之后，输送至燃烧器3。再生器11设置在排气管道13内的上游部，所述排气管道13形成将来自第一涡轮5的排气EG向外部排出的通道，利用高温的排气EG的热来预热从压缩机1流向燃烧器3的第一工作介质M1。在排气管道13中的再生器11的下游，设置余热锅炉7。作为加热介质的排气EG通过再生器11，进一步作为加热介质通过余热锅炉7之后向外部排出。
朗肯循环发动机单元RU将通过中间冷却器9的第一工作介质M1的热及在排热锅炉7产生的热作为热源来加热第二工作介质M2，形成气体，用该第二工作介质M2驱动第二涡轮15。从第二涡轮15排出的第二工作介质M2通过冷凝器17凝缩后，再次通过中间冷却器9以及余热锅炉7，供给第二涡轮15。
余热锅炉7由蒸汽发生器21及锅炉汽包23所构成。通过了冷凝器17的第二工作介质M2，分路流入中间冷却器9和节热器25。节热器25配置在排气管道13内的下游部，用排气EG的热预热第二工作介质M2。另一方面，在中间冷却器9中，如前所述，被燃气涡轮单元GU的低压压缩部1a压缩的第一工作介质M1作为被冷却介质，即起加热介质作用，通过该第一工作介质M1的热来预热朗肯循环发动机单元RU的第二工作介质M2。
本实施方式的朗肯循环发动机单元RU是使用有机物作为第二工作介质M2的有机/朗肯循环发动机。具体地，在该例中，使用石油类的有机介质，例如丁烷或戊烷。这样，由于第二工作介质M2是低沸点的有机介质，因此在中间冷却器9容易蒸发，从而作为过热气体排出。
在中间冷却器9或者节热器25处分别预热的第二工作介质M2流入余热锅炉7的蒸汽发生器21。蒸汽发生器21配置在派热管13中用于预热的节热器25的上游侧，通过排气EG的热对第二工作介质M2加热从而使其蒸发。形成为蒸汽的第二工作介质M2从锅炉汽包23流入过热器27。过热器27配置在排气管道13中的蒸汽发生器21的上游侧，且再生器11的下游侧的位置上，所述过热器27进一步对形成为蒸汽的第二工作介质M2进行加热并供给第二涡轮15。此外，也可以省略节能器25及过热器27。
在上述过程中，如前所述，由于流入余热锅炉7的第二工作介质M2的一部分在锅炉汽包23内，由来自压缩机1的低压压缩部1a的第一工作介质M1而被加热，因此能够使蒸汽量增大。由此，在朗肯循环发动机单元RU中能够得到极大的输出，作为发动机装置E整体也能够得到高效率。
这样，在组合利用燃气涡轮发动机单元GU的两个排热源的时候，例如如图2所示，通过使作为燃气锅炉发动机单元GU单体的效率最佳点(在低压压缩部1a与高压压缩部1b之间设置中间冷却器9的位置)偏移，来调整燃气涡轮发动机单元GU的设计，使得能够有效回避成为在朗肯循环发动机单元RU的蒸发过程中限制蒸汽产生量的主要原因的夹点，能够使低压压缩部1a整体的效率最大化。在图2的例子中，设定低压压缩部1a的压力比，使其大于使燃气涡轮发动机单元GU单体的效率为最大的值。
总之，如图3所示，在中间冷却器9预热第二工作介质M2的情况下(实线)，由于把沿中间冷却器9流动的第一工作介质M1的流量加入到排气EG中，作为加热介质，因此相对于加热介质侧的交换热量的温度变化(降低)量变小。由此，与不通过中间冷却器9对第二工作介质M2预热的情况(虚线)相比，到达夹点之前可以交换的热量大幅增加，蒸汽产生量也增大。
另外，作为本实施方式的变形例，如图4所示，作为对被压缩机压缩的第一工作介质M1加热的加热器，可以设置在添加于燃烧器3的上游侧且以太阳光SL用作热源的太阳能式加热器31。按照这样构成，通过利用作为自然能源的太阳光SL对第一工作介质M1再次加热，由此进一步提高发动机装置E的效率。此外，朗肯循环发动机单元RU也可以为使用水作为第二工作介质M2的通常的蒸汽涡轮。
如前所述，在本实施方式的发动机装置E中，由于不仅利用来自燃气涡轮发动机单元GU的第一涡轮5的排热，还利用通过压缩机1的第一工作介质M的热来驱动朗肯循环发动机单元RU，因此作为发动机装置E整体能够得到极高的效率。
如上所述，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种补充、改变或删除。因此，这样的补充、改变及删除也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1―压缩机
3―燃烧器(加热器)
5―第一涡轮
7―余热锅炉
9―中间冷却器
11―再生器
13―排气管道
31―太阳能式加热器
E―燃气涡轮发动机装置
EG―排气
GU―燃气涡轮发动机单元
RU―朗肯循环发动机单元
M1―第一工作介质
M2―第二工作介质

Claims (4)

1.一种燃气涡轮发动机装置，具备压缩机、加热器、涡轮、中间冷却器、余热锅炉及朗肯循环发动机；
所述压缩机压缩第一工作介质；
所述加热器用外部热源加热上述被压缩的第一工作介质；
所述涡轮从所述第一工作介质获取动力；
所述中间冷却器设置在所述压缩机上，将由所述压缩机的低压压缩部所压缩的第一工作介质冷却并供给所述压缩机的高压压缩部；
所述余热锅炉将来自所述涡轮的排气作为加热介质；
有机朗肯循环发动机将所述中间冷却器及所述余热锅炉作为热源，将所述中间冷却器的冷却介质作为第二工作介质。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机装置，其特征在于，所述第二工作介质是有机物。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机装置，其特征在于，从所述中间冷却器流入所述余热锅炉的第二工作介质是过热气体。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机装置，其特征在于，作为所述加热器，具有将太阳光作为热源加热所述第一工作介质的太阳能式加热器。
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