CN104791098A - 一种高效率的简单循环燃气轮机及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气轮机领域，特别涉及一种高效率的简单循环燃气轮机及其工作方法。本发明提供的燃气轮机结构，采用高压级耐高温容积式膨胀机和高压级容积式压缩机，从而大幅提高燃气初温和压缩比，从而大幅提升燃气轮机简单循环的效率。同时本发明不需要为涡轮设计复杂昂贵的空气系统进行冷却，相对具有加工工艺简单，成品率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机领域，特别涉及一种高效率的简单循环燃气轮机及其工作方法。
背景技术
现有燃气轮机的燃气初温和压气机的压缩比，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。提高燃气初温，并相应提高压缩比，可使燃气轮机效率显著提高。70年代末，压缩比最高达到31；工业和船用燃气轮机的燃气初温最高达1200℃左右，航空燃气轮机的超过1350℃；目前工业用燃气轮机的燃气初温可以高达1550℃，压缩比大于15，但是高压涡轮材料昂贵，加工工艺复杂，成品率不高。
提高燃气初温以及相应的压比可以有效的提高燃气轮机简单循环的效率。
发明内容
针对背景技术的发展方向，本发明提供的燃气轮机结构，采用高压级耐高温容积式膨胀机和高压级容积式压缩机，从而大幅提高燃气初温和压缩比，从而大幅提升燃气轮机简单循环的效率。同时本发明不需要为涡轮设计复杂昂贵的空气系统进行冷却，相对具有加工工艺简单，成品率高的优点。
本发明的技术方案是：一种高效率的简单循环燃气气轮机工作方法，包括：由压气机将气态工质吸入的步骤；压缩机将气态工质压缩为高压气态工质的步骤；高压气态工质通过燃料或与高温热源交换产生高温高压气态工质的步骤；膨胀做功并输出工作介质的步骤；其特征在于：所述的压缩机将气态工质压缩为压力大于15bar的高压气态工质；所述的燃料或与高温热源交换产生温度高达1600℃以上的高温高压气态工质。
本发明还公开了一种高效率的简单循环燃气轮机，由压气装置(1)，压缩机(3)，火焰筒(4)，膨胀机(6)和涡轮(7)顺序连接组成，其中气态工质由压气装置(1)吸入，压气装置(1)压缩气态工质后进入压缩机(3)，其特征在于：所述的压缩机(3)将气态工质压缩为高压气态工质，然后高压气态工质进入火焰筒(4)中，高压气态工质通过燃料或与高温热源交换产生高温高压气态工质，然后经由膨胀机(6)膨胀，最后通过涡轮(7)做功。
如上所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的膨胀机(6)为高压级耐高温容积式膨胀机、压缩机(3)为高压级容积式压缩机、涡轮(7)为低压级叶片式涡轮。
如上所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：它还包括放气阀(2)，所述的放气阀(2)设置在压气装置(1)与压缩机(3)之间。
如上所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的压缩机(3)将气态工质压缩为压力大于15bar的高压气态工质。
如上所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的高压气态工质通过燃料或与高温热源交换产生温度高达1600℃以上的高温高压 气态工质。
如上所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的所述膨胀机(6)膨胀后高温高压的气态工质温度降低至900℃以下。
如上所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的压缩机(3)可以为单个或多个，且多个压缩机(3)采用并联的结构并排压缩气态工质。
如上所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的膨胀机(6)可以为单个或多个，且多个膨胀机(6)采用并联的结构并排做功。
如上所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的膨胀机(6)与火焰筒(4)采用耐高于1600℃温度、耐高于15bar压力的材料制造
本发明的有益效果是：高压级容积式膨胀机可以采用与火焰筒相同的材料制造，体积小，结构简单，单级膨胀比高，其出口温度能降低到900℃以下，使得低压级叶轮式涡轮能够使用传统的高温合金材料制造，不需要为涡轮设计复杂昂贵的空气系统进行冷却，相对具有加工工艺简单，成品率高的优点。同时本装置还具有简化火焰筒结构，设计及制造此种火焰筒的难度降低；大幅减小燃气轮机压缩工作部件的体积，避免了多级叶轮式压气机的多级匹配问题；防止低压级叶轮式压气机在燃气轮机启动及停车过程中发生喘振现象等优点。
附图说明
图1为此种高效率简单循环燃气轮机的基本结构原理示意图。
图2为应用此原理结构的空气微型燃气轮机结构示意图。
图3为应用此原理结构的核电站用氦气中型燃气轮机结构示意图。
具体实施方式：
附图标记说明：
图1：1—压气装置；2—放气阀；3—压缩机；4—火焰筒；5—热介质；6—膨胀机；7—涡轮。
图2：1b—冷却器、2—放气阀；3—压缩机；4—火焰筒；5—热介质；6—膨胀机、7a—涡轮增压器、8—负载、齿轮箱9。
图3：1a—轴流式压气机、2—放气阀；3—压缩机、4a—反应堆及附件装置、6—膨胀机；7—涡轮、8—负载、9—齿轮箱、11—换热器、12—齿轮。
以下结合附图对本发明做出说明。
本发明采用的燃气轮机结构依然遵循勃雷登循环，其循环压缩比可以提高到15以上，膨胀机前燃气初温可以达到1600℃以上，使得此种结构的燃气轮机简单循环效率可以超过传统的重型燃气轮机机组。
如附图1所示，高效率的简单循环燃气轮机包括压气装置1，放气阀2，高压级容积式压缩机3，耐高温耐高压火焰筒4，高压级耐高温容积式膨胀机6，低压级叶片式涡轮7；气态工质由压气装置1吸入，压缩至设计压力后进入高压级容积式压缩机3进一步压缩为压力大于15bar的高压气态工质，然后进入耐高温耐高压的火焰筒4中，热介质5可以为燃料或高温热源，当热介质5为燃料时，热介质5与高压气态工质混合燃烧；当 热介质5为高温热源时，高温热源与高压气态工质换热。进入火焰筒4中的高压工质中起掺冷作用的分配比例低于20％甚至设计为无掺冷，使得燃烧后的燃气初温高达1600℃以上。通过混合燃烧或换热产生温度高达1600℃以上的高温高压气态工质，然后经由高压级耐高温容积式膨胀机6膨胀后将高温高压的气态工质温度降低至900℃以下，最后通过低压涡轮7做功后排出。
本发明中高压级容积式膨胀机6可以采用与火焰筒4相同的材料制造，从而使本装置体积小，结构简单，单级膨胀比高，
以下结合附图2对应用此原理结构的微型燃气轮机详细实施案例做进一步说明。
本发明的压气装置包括涡轮增压器7a、冷却器1b，涡轮增压器7a包括压气机，空气由涡轮增压器7a中的吸入压气机，将空气压缩至4bar，然后通过冷却器1b将4倍大气压的空气温度冷却至比环境温度高10℃至20℃的范围内，然后进入高压级容积式压缩机3进一步压缩至15bar，然后进入耐高温耐高压火焰筒4与热介质5进行燃烧，得到压力15bar，温度1600℃的高温高压燃气；燃气进入高压级容积式膨胀机6膨胀做功后，排出不超过900℃的低压燃气，进入涡轮增压器7a中，涡轮增压器7a中的涡轮与压气机的功率匹配，无额外功率输出，高压级容积式压缩机3和高压级容积式膨胀机6通过转轴安装在齿轮箱9上，高压级容积式膨胀机6输出轴功，带动高压级容积式压缩机3后，多余的轴功经过齿轮箱9变速后输出至负载8；在微型燃气轮机偏离额定工作状态以及启动和停车过程中，涡轮增压器7a中的压气机可能出现喘振现象，通过控制放气阀2 的开启可以保证微型燃气轮机的安全运转。
以下结合附图3对应用此原理结构的核电站用氦气中型燃气轮机详细实施案例做进一步说明。
氦气由轴流式压气机1a吸入，将氦气压力压缩至8-15bar，然后进入多个容积式压缩机3进一步将氦气压力压缩至25bar；25bar的氦气进入反应堆及附件装置4a进行热交换，得到温度1600℃以上，压力25bar以上的高温高压氦气；随后高温高压氦气进入多个高压容积式膨胀机6进行膨胀做功，得到温度900℃以下的氦气，最后进入低压涡轮7膨胀做功，排出的氦气进入换热器11进行冷却后重新进入轴流式压气机1a，重复循环过程。其中轴流式压气机1a、高压容积式压缩机3、高压级容积式膨胀机6以及低压涡轮7通过齿轮12啮合相互传递轴功。高压级容积式膨胀机6以及低压涡轮7输出的轴功进入齿轮箱9，其中部分的轴功通过齿轮箱9带动轴流式压气机1a和高压容积式压缩机3旋转做功，剩余的轴功带动负载8。为了避免偏离额定工作状态以及启动和停车过程中，轴流式压气机1a可能出现喘振现象，通过控制放气阀2的开启，将多余的氦气排出可以保证氦气燃气轮机的安全运转。
Claims (10)
1.一种高效率的简单循环燃气气轮机工作方法，包括：
由压气机将气态工质吸入的步骤，
压缩机将气态工质压缩为高压气态工质的步骤；
高压气态工质通过燃料或与高温热源交换产生高温高压气态工质的步骤；
膨胀做功并输出工作介质的步骤；
其特征在于：所述的压缩机将气态工质压缩为压力大于15bar的高压气态工质；所述的燃料或与高温热源交换产生温度高达1600℃以上的高温高压气态工质。
2.一种高效率的简单循环燃气轮机，由压气装置(1)，压缩机(3)，火焰筒(4)，膨胀机(6)和涡轮(7)顺序连接组成，其中气态工质由压气装置(1)吸入，压气装置(1)压缩气态工质后进入压缩机(3)，其特征在于：所述的压缩机(3)将气态工质压缩为高压气态工质，然后高压气态工质进入火焰筒(4)中，高压气态工质通过燃料或与高温热源交换产生高温高压气态工质，然后经由膨胀机(6)膨胀，最后通过涡轮(7)做功。
3.如权利要求2所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的膨胀机(6)为高压级耐高温容积式膨胀机，压缩机(3)为高压级容积式压缩机，涡轮(7)为低压级叶片式涡轮。
4.如权利要求2所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：它还包括放气阀(2)，所述的放气阀(2)设置在压气装置(1)与压缩机(3)之间。
5.如权利要求2、3或4所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的压缩机(3)将气态工质压缩为压力大于15bar的高压气态工质。
6.如权利要求2、3或4所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的高压气态工质通过燃料或与高温热源交换产生温度高达1600℃以上的高温高压气态工质。
7.如权利要求2、3或4所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的所述膨胀机(6)膨胀后高温高压的气态工质温度降低至900℃以下。
8.如权利要求2、3或4所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的压缩机(3)为单个或多个，且多个压缩机(3)采用并联的结构并排压缩气态工质。
9.如权利要求2、3或4所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的膨胀机(6)为单个或多个，且多个膨胀机(6)采用并联的结构并排做功。
10.如权利要求2、3或4所述的高效率的简单循环燃气轮机，其特征在于：所述的膨胀机(6)与火焰筒(4)采用耐高于1600℃温度、耐高于15bar压力的材料制造。
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