CN107882638B - 动力机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动力机构，包括氨供给装置、压缩机、燃烧室和动力件，该氨供给装置能连接燃烧室以将氨供给燃烧室，该压缩机连接燃烧室以压缩包含空气的气体并供给燃烧室，该燃烧室连接动力件以通过燃烧室燃烧产生的排气推动动力件活动，其特征在于：还包括辅助燃料供给装置，该辅助燃料供给装置能连接燃烧室以将包含有辅助燃料的气体供给燃烧室，该辅助燃料燃点小于氨燃点，该包含压缩空气和辅助燃料的气体与氨混合燃烧并产生排气。它具有如下优点：能降低氨燃料压缩燃烧对压缩比和进气温度的要求。

Description

动力机构
技术领域
本发明涉及动力机构，尤其涉及一种主要以氨为燃料的动力机构。
背景技术
动力机构，如燃气轮机，它是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。在空气和燃气的主要流程中，有空气压缩机、燃烧室和涡轮这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。因为它的结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、启动快、无需冷却水等一系列优点。
针对上述不足，有人提出了采用氨作为燃料的燃气轮机，如CN102272427B、CN102272428B，如图1所示，它包括液氨供给装置4、压缩机2、燃烧室1和涡轮3，液氨供给装置4连接燃烧室1以将液氨供给燃烧室1，该压缩机2连接燃烧室1以压缩空气并供给燃烧室1，该压缩空气和液氨燃烧并产生排气，该燃烧室1连接涡轮3以通过排气推动压缩机2和涡轮3运转。液氨的自燃温度与最小点火能量高，氨作为燃气轮机或发动机的燃料存在点火性较差的问题，具体参数情况如下表1所示。液氨的火焰传播速度小，这使得其在发动机内燃烧时所需时间较长，不利于发动机性能的实现，具体参数情况如下表2所示。
表1所示为压缩比为18，燃烧室1内的燃烧室进气温度变化，燃烧室1内氨发生压缩燃烧的情况。在燃烧室进气温度为400℃-550℃时，燃烧室1内的温度和压力变化不大，表明氨燃料没有被压缩燃烧；氨的自燃温度较高，因此在燃烧室进气温度为600℃时氨燃料才会发生压缩燃烧。燃烧室进气温度在600℃以上时氨燃料发生压缩燃烧，随着燃烧室进气温度的升高，氨燃料被压缩燃烧所需的时间缩短，燃烧起动才会加快。一方面，但燃烧室所需进气温度较高时(如大于500℃)，压缩机2通常难以将空气和氨的混合气体压缩至该进气温度。另一方面，燃烧室进气温度若大于800℃，则压缩机需要消耗的功率较高，导致输出的机械功大幅降低。本发明所指的燃烧室进气温度为：使含氨混合燃料在燃烧室内压缩燃烧所需的温度。
表1燃烧室内最高温度随燃烧室进气温度变化
燃烧室进气温度/℃ 燃烧室内最高温度/℃
400 431
500 535
550 589
600 2797
650 2836
700 2890
800 2927
表2所示为燃烧室内的燃烧室进气温度为527℃时，压缩比变化，燃烧室内氨发生压缩燃烧的情况。当压缩比达到14时，氨燃料并没有发生压缩燃烧。压缩比达到16以上时，氨燃料被压缩燃烧，但是压缩燃烧发生的延迟比较明显。随着压缩比的提高，氨燃料被压缩燃烧的速度加快，压缩燃烧延迟减小。当然，随着压缩比的增加，由于压缩机运转耗能较多而导致涡轮输出的机械功也大幅降低。
表2燃烧室内最高温度随压缩比变化
Figure GDA0001583169670000021
Figure GDA0001583169670000031
上述的参数表明液氨燃料只有在一定条件的压缩比或者燃烧室进气温度情况下才能被压缩燃烧。
发明内容
本发明提供了一种主要以氨为燃料的动力机构，它克服了背景技术中以氨为燃料的动力机构所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：
动力机构，包括氨供给装置、压缩机、燃烧室和动力件，该氨供给装置能连接燃烧室以将氨供给燃烧室，该压缩机连接燃烧室以压缩包含空气的气体并供给燃烧室，该燃烧室连接动力件以通过燃烧室燃烧产生的排气推动动力件活动，还包括辅助燃料供给装置，该辅助燃料供给装置能连接燃烧室以将包含有辅助燃料的气体供给燃烧室，该辅助燃料燃点小于氨燃点，该包含压缩空气和辅助燃料的气体与氨混合燃烧并产生排气。
一实施例之中：该辅助燃料为氢气、天燃气、石油气、煤油、汽油、柴油、甲醇、乙醇、二甲醚或乙醚中的至少一种。
一实施例之中：该氨供给装置还连接压缩机以将液氨供给到压缩机中使液氨与空气混合压缩。
一实施例之中：该辅助燃料与氨在燃烧室内的摩尔百分百为5％-95％。
一实施例之中：该燃烧室内的燃烧室进气温度为150℃-800℃。
一实施例之中：该压缩机的气体压缩比为5-35。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：
一种燃气轮机，它应用上述动力机构，该动力件为涡轮，该燃烧室连接涡轮以通过燃烧室燃烧产生的排气推动压缩机和涡轮运转。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
辅助燃料燃点小于氨燃点，能降低氨燃料压缩燃烧对压缩比和进气温度的要求，压缩机易于将包含有空气的气体压缩至进气温度，降低动力机构复杂性。能够以氨为燃料，不产生CO2排放；我国是目前世界上氨产量和用量最多的国家，占世界总产量的1/3左右，因而我国有优异的条件逐步实现从现有的化石能源转向可再生的氨能源。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是背景技术的燃气轮机的系统图；
图2是实施例一的燃气轮机的系统图；
图3是实施例二的燃气轮机的系统图之一；
图4是实施例二的燃气轮机的系统图之二；
图5是实施例二的燃气轮机的系统图之三。
具体实施方式
实施例一
请查阅图2，燃气轮机，包括氨供给装置4、辅助燃料供给装置5、压缩机2、燃烧室1和涡轮3。该氨供给装置4能连接燃烧室1以将液氨供给燃烧室1，该压缩机2连接燃烧室1以压缩空气并供给燃烧室1，该辅助燃料供给装置5能连接燃烧室1以将辅助燃料供给燃烧室1，该辅助燃料燃点小于氨燃点，该辅助燃料为氢气、天燃气、石油气、煤油、汽油、柴油、甲醇、乙醇、二甲醚或乙醚中的至少一种，本实施例之中如以二甲醚为例，该辅助燃料能降低氨燃料压缩燃烧对压缩比和进气温度的要求。该压缩空气、氨和辅助燃料压缩燃烧并产生排气，该燃烧室1连接涡轮3以通过燃烧室1燃烧产生的排气推动压缩机2和涡轮3运转。
本实施例之中，所述辅助燃料与氨在燃烧室内的摩尔百分百为5％-95％。如为5％-30％。
本实施例之中，该氨供给装置4还连接压缩机2以将液氨供给到压缩机2中使液氨与空气混合，该压缩机2将空气和氨压缩进入燃烧室1内。该空气和液氨混合的摩尔数之比:(5-15)：1，如10:1。该压缩机2从外界大气环境吸入空气，并经过逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高。液氨与空气混合过程中，一方面，液氨发生气化形成氨气，另一方面，因液氨的气化潜热较高(如在-33.41℃和101.325kPa下，气化潜热达1371.18kJ/kg)，故能降低空气温度，能获得较高的空气压缩比，能增加空气进气量，同时，液氨气化能吸收压缩机2叶片产生的热量，能起到降低叶片温度的效果。压缩混合气被压送到燃烧室1内，与氨及辅助燃料混合构成混合燃料，该混合燃料压缩燃烧生成高温高压的气体，然后再进入到涡轮3中膨胀做功，推动涡轮3并带动压缩机2运转。本实施例之中：该压缩机的气体压缩比为5-35，如为16-30。
本实施例之中，该压缩机2为轴流式压气机，从外界大气环境吸入空气后，经过逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高。压缩空气被压送到燃烧室1与液氨供给装置4及辅助燃料供给装置5供入的氨燃料和辅助燃料混合，混合燃料被压缩燃烧燃烧生成高温高压的气体，然后再进入到涡轮3中膨胀做功，推动涡轮3并带动压缩机2和外负荷转子一起高速旋转，实现化学能转化为机械能。
实施例二
请查阅图3至图5，它与实施例一不同之处在于：辅助燃料以柴油为例；氨供给装置4没有连接压缩机2，压缩机2只压缩空气并将空气供应给燃烧室。
本实施例之中，辅助燃料以柴油为例，柴油平均分子量以190计算。通过辅助燃料供给装置5向燃烧室1中供给柴油，在氨中加入柴油作为辅助燃料进行掺混燃烧。表3所示为设定不同柴油摩尔百分比含量以及燃烧室内的燃烧室进气温度，得到的燃烧室内氨发生压缩燃烧的情况(压缩比设定为18)。在加入5％、10％、30％、50％、70％和95％的柴油混合氨，燃烧室进气温度分别为500℃、450℃、400℃、300℃、200℃和150℃时，混合燃料发生了压缩燃烧现象。与背景技术进行比较，表明当加入的柴油摩尔百分百从0％增至95％时，燃料发送压缩燃烧所需的燃烧室进气温度可以从600℃降至150℃，显著地降低了氨燃料的压缩燃烧对燃烧室进气温度的要求。
表3
柴油摩尔百分比 燃烧室进气温度/℃ 燃烧室内最高温度/℃
5％ 500 2827
5％ 340 2723
10％ 450 2809
10％ 340 2720
30％ 400 2730
50％ 300 2727
70％ 200 2733
95％ 150 2772
表4所示为设定不同柴油摩尔百分比含量以及压缩比，得到的燃烧室内氨发生压缩燃烧的情况(燃烧室进气温度设定为177℃)。当加入的柴油的摩尔百分比为5％、10％、20％和30％时，压缩燃烧所需的最小压缩比分别降至26、17、12和10左右。由此可见，在一定燃烧室进气温度下，氨燃料中加入柴油作为辅助燃料能够较为显著地降低压缩燃烧对压缩比的要求。
表4
柴油摩尔百分比 压缩比 燃烧室内最高温度/℃
5％ 35 2527
5％ 5 623
10％ 27 2630
10％ 6 625
20％ 22 2678
20％ 15 2627
30％ 10 2633
30％ 5 2632
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.动力机构，包括氨供给装置、压缩机、燃烧室和动力件，该氨供给装置能连接燃烧室以将氨供给燃烧室，该压缩机连接燃烧室以压缩包含空气的气体并供给燃烧室，该燃烧室连接动力件以通过燃烧室燃烧产生的排气推动动力件活动，其特征在于：还包括辅助燃料供给装置，该辅助燃料供给装置能连接燃烧室以将包含有辅助燃料的气体供给燃烧室，该辅助燃料燃点小于氨燃点，该包含压缩空气和辅助燃料的气体与氨混合燃烧并产生排气；该氨供给装置还连接压缩机以将液氨供给到压缩机中使液氨与空气混合压缩，液氨与空气混合过程中，能够获得较高的空气压缩比，能增加空气进气量；该辅助燃料供给装置为氨裂解装置，该氨裂解装置由氨供给装置供给液氨；该动力件为涡轮，该涡轮连接有排气通路，该排气通路和氨裂解装置之间连接有余热回收装置。
2.根据权利要求1所述的动力机构，其特征在于：该辅助燃料为氢气、天然气、石油气、煤油、汽油、柴油、甲醇、乙醇、二甲醚或乙醚中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的动力机构，其特征在于：该辅助燃料与氨在燃烧室内的摩尔百分百为5％-95％。
4.根据权利要求1所述的动力机构，其特征在于：该燃烧室内的燃烧室进气温度为150℃-800℃。
5.根据权利要求1所述的动力机构，其特征在于：该压缩机的气体压缩比为5-35。
6.一种应用如权利要求1至5任一项所述的动力机构的燃气轮机，其特征在于：该动力件为涡轮，该燃烧室连接涡轮以通过燃烧室燃烧产生的排气推动压缩机和涡轮运转。
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