CN104847428B - 一种带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置，该装置采用顶部布列顿循环和底部布列顿循环复合运行方式，利用外燃式的顶部布列顿循环中涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源；底循环采用空气作为工质，回收顶循环涡轮机排出的气体余热后，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器升温，用于底部布列顿循环发电。该装置使得燃料的选择范围增大，燃烧产生的热能利用更加合理，涡轮机的安全性得到保障，同时有效利用太阳能的热量，达到节能降耗的目的，特别适宜于缺水地区使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置，具体属燃气轮机发电技术领域。
背景技术
先进燃气轮机是21世纪能源与动力系统的核心关键设备，也是目前世界上一个国家工业基础先进程度的重要标志。发展先进燃气轮机技术具有重大战略意义和广阔的产业化前景，对于我国相关领域中的高新技术发展有着极其重大的作用。
大容量、高效率的燃气轮机及其联合循环已成为一个必然的趋势，在世界的发电容量中所占的份额更是明显地快速增长。近年以来，一种以小微型燃气轮机为核心的分布式能源系统和电源装置挣迅猛崛起，大有与大、中型燃气轮机共占市场的趋势。这种发、供电方式具有以下一些优点：它没有或具有很低的输配电损耗(对于集中供电方式而言，这种损耗至少高达10％左右，在我国甚至达到15％以上)；无需建设配电站，可以减少输配电成本；适合多种热电比的变化，可使系统根据热负荷或电负荷的需求进行灵活的调节，有利于提高设备的利用率；便于近距离地向用户供热和制冷，无需建立昂贵的输送管网，因而既能节省投资费用，又能提高能源的利用效率，土建和安装成本都能降低；各电站互相独立，便于自行控制，不会发生大规模的供电事故，因而供电的可靠性高，非常适宜于为商业区、居民区乃至机场和地铁站等提供电力、供热和制冷；在燃用清洁燃料的前提下，即使在人口稠密的城市地区，也能满足高标准环保质量的要求。这将为中型、特别是小微型燃气轮机的推广应用，提供一个崭新的机遇和市场。
太阳能塔式或碟式热发电系统的基本形式是利用跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到固定在顶部的接收器上，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组或气轮发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。由许多定日镜组成的庞大的定日镜场，其面积非常大，聚光比很高，运行温度可达到1000～1500℃。
欧洲和以色列对采用空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统的换热技术及蓄热技术的研究较为关注，并开展了一些著名的研究项目，如德国于2009年投运的Jülich电站，是一个试验验证电站，也是世界上第一个采用空气作为传热介质的塔式太阳能发电系统。
中国与以色列合作研发建成国内首座70kw塔式太阳能热发电示范工程，于2005年10月在南京江宁开发区成功并网发电，这是采用布雷顿循环原理建立的中国第一个塔式太阳能热发电站。该电站通过太阳能空腔式接收器以空气作传热工质，辅之以天然气和小型燃气轮机率先实现了利用太阳能和布雷顿循环技术结合的热发电装置，其塔式系统的塔高为33米，采用32台有效反射面积为19.6m2的定日镜，接收器的出口工作温度为900℃，进口压力为0.4MPa，测试峰值转换效率为85％，燃气轮机热电效率为28.5％。但由于腔式太阳能接收器入口太小，进气温度难于和燃气配套致使实验效果不太理想。但解决匹配性问题后，显然将成为极有应用前景的塔式太阳能热发电系统。
值得关注的是以空气作为吸热介质的塔式太阳能发电系统，该系统采用空气作为热载体。在这种方案中，聚焦的光线被投射到一种透气材料(例如一种金属丝编织物)，空气从这种被加热的材料中通过，由于空气和这种集热材料的接触面很大，故传热很快，效率很高，而且可以把空气加热到1000℃以上的高温。
中国专利201320854012.1提供了一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，采用燃料燃料产生的热量，加热经压气机压缩后的空气，拖动燃气轮机膨胀做功，其实质是通过优化的压力设计及恰当的加热温度，循环过程中不设置回热器，使得开放式布列顿循环排放尾气的温度接近于环境的空气温度，从而有效增加了功的输出，因此如何拓展其应用范围值得研究。
外燃式燃气轮机循环是在回热式燃气轮机循环的基础上发展起来的，其结构与回热循环结构相似。在外燃式燃气轮机循环中，燃烧室被高温的回热器取代，并在外部增加了一个代用燃料燃烧室，实现了燃气涡轮机的间接加热。在代用燃料燃烧室中，燃料是在稍高于外界大气压下进行燃烧的。此循环的显著特点是：实现了燃气涡轮机的间接加热，使燃气不经过涡轮机，避免了燃料中的污垢经过燃烧后混合在烟气中，进而对涡轮机造成的损伤。外燃式燃气轮机循环为生物质燃料或其他固体燃料在燃气轮机系统中的使用提供了一种新的选择，因而是一种很有前途的、高效的、廉价的可再生能源利用设备，同时它能够降低温室气体的排放。
因此如何解决现有回热式燃气轮机循环技术存在的问题，同时结合太阳能聚热技术的优点，建立效率更高、安全的外燃式布列顿联合循环发电模式，拓展燃气轮机循环中燃料的选用范围，使燃料燃烧产生的热能利用更加合理，有效降低温室气体的排放，成为该领域研究的难点。
发明内容
本发明是为解决现有技术存在的问题，提供一种带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置，顶循环采用外燃式燃气轮机循环机组，底循环选择空气作为布列顿循环的工质，回收顶循环涡轮机排出气体的余热，再经太阳能聚热装置升温后，用于底部布列顿循环发电，从而形成带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电系统，达到节能降耗的目的。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置，该装置利用外燃式的顶部布列顿循环中涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，回收顶循环涡轮机排出气体的余热，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器升温后，用于底循环发电，从而形成带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电系统，其特征在于：
所述的顶部布列顿循环是指助燃空气10经顶循环压气机11增压后，形成顶循环压缩空气12，送入换热器14，形成的顶循环高温空气15送入顶循环涡轮机16，拖动顶循环发电机17发电，顶循环涡轮机16的排气18经高温回热器24降温后，形成低温空气19，低温空气19经风机31增压后送往燃烧室32，与燃料13混合燃烧，产生的高温烟气经换热器14降温后排出，从而形成外燃式的顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气20经底循环压气机21增压后，产生压缩空气22，通过高温回热器24回收顶循环涡轮机16的排气18的热量，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器25加热后，产生的高温空气27，送入底循环涡轮机28拖动底循环发电机29发电，底循环涡轮机28的排气30排入大气，从而形成底部布列顿循环回路；
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过高温回热器24组成带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置。
设有低温回热器23：所述的顶部布列顿循环是指助燃空气10经顶循环压气机11增压后，形成顶循环压缩空气12，送入换热器14，形成的顶循环高温空气15送入顶循环涡轮机16，拖动顶循环发电机17发电，顶循环涡轮机16的排气18经高温回热器24、低温回热器23降温后，形成低温空气19，低温空气19经风机31增压后送往燃烧室32，与燃料13混合燃烧，产生的高温烟气经换热器14降温后排出，从而形成外燃式的顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气20经底循环压气机21增压后，产生压缩空气22，通过低温回热器23、高温回热器24回收顶循环涡轮机16的排气18的热量，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器25加热后，产生的高温空气27，送入底循环涡轮机28拖动底循环发电机29发电，底循环涡轮机28的排气30排入大气，从而形成底部布列顿循环回路。
所述的太阳能聚热装置的腔体式接收器25，利用独立跟踪太阳的太阳能定日镜场26，将阳光聚集到固定在塔顶部的腔体式接收器25上，用于加热底部布列顿循环的工质。
所述的太阳能聚热装置采用塔式或碟式太阳能聚热结构。
所述的太阳能聚热装置设有必要的蓄热子系统。
设有空气滤清器：所述的空气经空气滤清器过滤后送入压气机。
所述的燃料13采用气体燃料、液体燃料或固体燃料。
所述的顶循环压气机11、底循环压气机21采用一级压缩，或多级压缩、中间冷却方式。
所述的顶循环压气机11、底循环压气机21采用螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机。
所述的顶循环压气机11、底循环压气机21可合并为同一台压气机，增压后的压缩空气分成两路，即顶循环压缩空气12、底循环压缩空气22，分别送往顶循环、底循环作为循环工质。
所述的顶循环涡轮机16、底循环涡轮机28可采用共轴或异轴运行方式。
所述的顶循环涡轮机16、底循环涡轮机28采用共轴方式时，顶循环发电机17、底循环发电机29可合并为同一台发电机。
所述的高温回热器24或低温回热器23包括表面式和再生式两类。
所述的换热器14包括表面式和再生式两类。
所述的表面式回热器包括但不限于管壳式、板式、板翅式及原表面式。
所述的顶循环涡轮机16、底循环涡轮机28为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
所述的顶部布列顿循环、底部布列顿循环的涡轮机采用相同或不同的进气压力、采用相同或不同的进气温度。
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环可选择不同的压力、温度组成带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电系统，比如顶部布列顿循环采用低压、较高温度的运行方式，底部布列顿循环采用高压、较低温度的运行方式。
本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能的旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
设有与本发明系统配套的安全、调控装置，采用现有成熟的调控技术进行配套，使带太阳能加热的布列顿联合循环发电装置能经济、安全、高效率运行，达到节能降耗的目的。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、通过增加底部布列顿循环中的空气量，可有效降低顶部布列顿循环的排气温度，同时通过调整底部布列顿循环的压力和温度，可使底循环中燃气轮机排出的气体温度较低，联合循环机组的热效率较高，可达42％以上；同时充分发挥出外燃式布列顿循环机组安全的优点。
2、带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环机组运行调节灵活方便，无需配备传统燃气-蒸汽联合循环发电机组中的冷凝器，机组的公用工程用水量有较大幅度的降低，设备大为简化，无需设置除氧除盐装置，特别适宜于缺水地区。
3、系统的自保能力强，在顶部布列顿和底部布列顿中的涡轮机之一解列时，仍能通过调节运行方式，确保机组安全运行，增强了整个系统的安全操作弹性及灵活性，便于安全应急措施的迅速实施。
4、底循环压缩空气可采用大气量、高压力、较低温度的运行方式，在确保有效降低顶循环排气温度、底循环机组热效率的前提下，有效降低设备造价。
5、联合循环机组中的顶循环和底循环涡轮机可采用共轴方式，底循环和顶循环的发电机可以合并为一台发电机，从而使设备更加简化、紧凑。
附图说明
图1是本发明的一种带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置流程示意图；
图1中：10-助燃空气，11-顶循环压气机，12-顶循环压缩空气，13-燃料，14-换热器，15-顶循环高温空气，16-顶循环涡轮机，17-顶循环发电机，18-排气，19-低温空气，20-空气，21-底循环压气机，22-压缩空气，23-低温回热器，24-高温回热器，25-腔体式接收器，26-定日镜场，27-高温空气，28-底循环涡轮机，29-底循环发电机，30-排气，31-风机，32-燃烧室，33-烟气。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示，本发明的一种带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置流程示意图。
一种带太阳能加热的布列顿联合循环发电装置，该装置利用外燃式的顶部布列顿循环中涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，回收顶循环排出烟气的余热，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器升温后，用于底循环发电，从而形成带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电系统。
所述的顶部布列顿循环是指助燃空气10经顶循环压气机11增压后，形成顶循环压缩空气12，送入换热器14，形成的顶循环高温空气15送入顶循环涡轮机16，拖动顶循环发电机17发电，顶循环涡轮机16的排气18经高温回热器24降温后，形成低温空气19，低温空气19经风机31增压后送往燃烧室32，与燃料13混合燃烧，产生的高温烟气经换热器14降温后排出，从而形成外燃式的顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气20经底循环压气机21增压后，产生压缩空气22，通过高温回热器24回收顶循环涡轮机16的排气18的热量，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器25加热后，产生的高温空气27，送入底循环涡轮机28拖动底循环发电机29发电，底循环涡轮机28的排气30排入大气，从而形成底部布列顿循环回路；
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过高温回热器24组成带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置。
设有低温回热器23：所述的顶部布列顿循环是指助燃空气10经顶循环压气机11增压后，形成顶循环压缩空气12，送入换热器14，形成的顶循环高温空气15送入顶循环涡轮机16，拖动顶循环发电机17发电，顶循环涡轮机16的排气18经高温回热器24、低温回热器23降温后，形成低温空气19，低温空气19经风机31增压后送往燃烧室32，与燃料13混合燃烧，产生的高温烟气经换热器14降温后排出，从而形成外燃式的顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气20经底循环压气机21增压后，产生压缩空气22，通过低温回热器23、高温回热器24回收顶循环涡轮机16的排气18的热量，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器25加热后，产生的高温空气27，送入底循环涡轮机28拖动底循环发电机29发电，底循环涡轮机28的排气30排入大气，从而形成底部布列顿循环回路。
所述的太阳能聚热装置的腔体式接收器25，利用独立跟踪太阳的太阳能定日镜场26，将阳光聚集到固定在塔顶部的腔体式接收器25上，用于加热底部布列顿循环的工质。
所述的太阳能聚热装置采用塔式太阳能聚热结构。
设有空气滤清器：所述的空气经空气滤清器过滤后送入压气机。
所述的燃料13采用天然气。
所述的顶循环压气机11、底循环压气机21采用多级压缩、中间冷却方式；
所述的顶循环压气机11、底循环压气机21采用螺杆式压缩机。
所述的顶循环涡轮机16、底循环涡轮机28可采用共轴或异轴运行方式。
所述的顶循环涡轮机16、底循环涡轮机28采用共轴方式时，顶循环发电机17、底循环发电机29可合并为同一台发电机。
所述的高温回热器24或低温回热器23包括表面式回热器。
所述的换热器14采用表面式换热器。
所述的表面式回热器包括但不限于管壳式、板式、板翅式及原表面式。
所述的顶循环涡轮机16、底循环涡轮机28为涡旋式膨胀机。
所述的顶部布列顿循环、底部布列顿循环的燃气轮机及空气涡轮机采用不同的进气压力、不同的进气温度。
本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能的旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
设有与本发明系统配套的安全、调控装置，采用现有成熟的调控技术进行配套，使复叠式布列顿联合循环发电系统能经济、安全、高效率运行，达到节能降耗的目的。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉本领域专业的技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，可作各种简单修改、等同变化，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置，该装置利用外燃式的顶部布列顿循环中涡轮机排出的温度较高的空气作为底部布列顿循环的热源，回收顶部布列顿循环排出空气的余热，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器升温后，用于底部布列顿循环发电，从而形成带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电系统，其特征在于：
所述的顶部布列顿循环是指助燃空气（10）经顶循环压气机（11）增压后，形成顶循环压缩空气（12），送入换热器（14），形成的顶循环高温空气（15）送入顶循环涡轮机（16）拖动顶循环发电机（17）发电，顶循环涡轮机（16）的排气（18）经高温回热器（24）降温后，形成低温空气（19），低温空气（19）经风机（31）增压后送往燃烧室（32），与燃料（13）混合燃烧，产生的高温烟气经换热器（14）降温后排出，从而形成外燃式的顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气（20）经底循环压气机（21）增压后，产生压缩空气（22），通过高温回热器（24）回收顶循环涡轮机（16）的排气（18）的热量，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器（25）加热后，产生的高温空气（27），送入底循环涡轮机（28）拖动底循环发电机（29）发电，底循环涡轮机（28）的排气（30）排入大气，从而形成底部布列顿循环回路；
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过高温回热器（24）组成带太阳能加热的外燃式布列顿联合循环发电装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
该装置设有低温回热器（23）：
所述的顶部布列顿循环是指助燃空气（10）经顶循环压气机（11）增压后，形成顶循环压缩空气（12），送入换热器（14），形成的顶循环高温空气（15）送入顶循环涡轮机（16）拖动顶循环发电机（17）发电，顶循环涡轮机（16）的排气（18）经高温回热器（24）、低温回热器（23）降温后，形成低温空气（19），低温空气（19）经风机（31）增压后送往燃烧室（32），与燃料（13）混合燃烧，产生的高温烟气经换热器（14）降温后排出，从而形成外燃式的顶部布列顿循环回路；
所述的底部布列顿循环是指空气（20）经底循环压气机（21）增压后，产生压缩空气（22），通过低温回热器（23）、高温回热器（24）回收顶循环涡轮机（16）的排气（18）的热量，再经太阳能聚热装置的腔体式接收器（25）加热后，产生的高温空气（27），送入底循环涡轮机（28）拖动底循环发电机（29）发电，底循环涡轮机（28）的排气（30）排入大气，从而形成底部布列顿循环回路。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的顶循环涡轮机（16）、底循环涡轮机（28）采用共轴或异轴运行方式。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的顶循环发电机（17）、底循环发电机（29）为同一台发电机。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的顶部布列顿循环的顶循环涡轮机、底部布列顿循环的底循环涡轮机采用相同或不同的进气压力、相同或不同的进气温度。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的顶循环压气机（11）、底循环压气机（21）采用一级压缩，或多级压缩中间冷却方式。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的顶循环压气机（11）、底循环压气机（21）采用螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的太阳能聚热装置采用塔式太阳能聚热结构或碟式太阳能聚热结构。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的燃料（13）采用气体燃料、液体燃料或固体燃料。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述的高温回热器（24）、低温回热器（23）采用表面式回热器或再生式回热器。
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