CN110770421B - 热电联产系统及操作方法 - Google Patents

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Abstract

热电联产(CHP)系统。CHP系统包括具有空气入口和排气的燃烧室。燃烧室被配置为接收热二次气体用于燃烧。耦接到微粒分离器的热交换器接收混合燃烧气体并将热量传递到二次气体。CHP系统还包括涡轮机，该涡轮机被配置为接收并压缩二次气体并将压缩的二次气体引导到热交换器，该涡轮机还被配置为接收加热的压缩的二次气体并使其膨胀以由此产生功，膨胀的加热的二次气体还用于燃烧并调节进入热交换器的燃烧气体的温度。发电机连接到涡轮机的驱动轴并且被配置为用其中产生的功来发电。

Description

热电联产系统及操作方法
技术领域
本文描述的主题涉及热电联产系统，尤其涉及利用废弃有机资源并且将其转换为热能的热力系统，该热能用于驱动耦接到热力系统的燃气轮机以产生用于低温热应用和高温热应用两者的电力和高水平的可用废热。
背景技术
热电联产(CHP)系统已经以多种形式利用了100多年。最常见的是化石燃料燃烧系统，其使用例如蒸汽涡轮机、燃气轮机以及内燃机来产生电力。来自这些系统的排热可以用于广泛的应用，例如加热、冷却，并且在废热温度足够高的一些情况下可以用于驱动第二循环。传统CHP系统的大部分重点已经是连接到区域供热网的大型化石燃料燃烧系统。在过去的30年中，重点转移到较小的分布式CHP系统，其中，最终用户可以更好地利用所生成的热量或电力。这些系统也是化石燃料燃烧系统，其通常使用小型燃气轮机或往复式发动机来产生电力以及来自循环的可用废热。尽管废热的质量相对较低，这限制了用于热量的应用，但是也使用了使用有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle)的其他系统。
最近，使用可再生有机废物流作为燃料的重点一直占主导地位，并且正在推动该技术的发展。大型生物质和城市固体废物电力系统已经操作了数十年。由于多种原因，在小型CHP系统(例如，小于1MW的电)中利用各种有机源的能力一直具有挑战性。已经有许多小型有机到电力转换技术被不同程度地成功地利用。在传统的电力系统中，将有机物气化为合成气已经是将固体燃料转换为碳氢化合物气体用于燃烧的一种方法。不幸地，这些系统可能成本高昂，尤其是当扩展到较小规模的应用时。另外，有机原料在应用中可能存在特别的挑战。例如，取决于气化方法和转换效率，一些有机物中的可用的潜在能量遭受损失，其对电力和热量的成本具有经济影响。对于许多气化系统，混合有机残留物的气化是特别有问题的。
应用于小型CHP应用的另一种方法是通过适当的燃烧器使用有机物的直接燃烧，并且通过热交换器使用热量来驱动外燃机。传统的外燃系统包括斯特林循环、蒸汽朗肯、有机朗肯以及超临界CO2循环。在所有这些系统中，排热的温度影响循环效率。排热温度越高，电力效率越低。除了蒸汽循环外，其他热力学循环即使产生90℃的热水时通常也会失去效率。然而，用蒸汽循环，缺点是在小型应用中与高压蒸汽回路相关联的复杂性和成本。
最近已经采用的另一种方法是使用开放式布雷顿循环燃气轮机并通过热交换器间接引入热量。已经测试了几个系统，其中，小型涡轮机已经耦接到有机燃烧系统。在这些系统中，环境空气在涡轮机的压缩机中被压缩，并且然后被引导到回热器以预热压缩机空气。然后，压缩的和预热的空气被引导到热交换器，以通过有机燃烧系统加热。然后，高度加热的空气在涡轮机中膨胀以产生功来转动发电机并发电。继续该循环，热涡轮机气体用于如前面提到的回热器中的预热。然后，涡轮机排气热气体可以被排出或被引导到另一热交换器，其中，燃烧空气与排出的燃烧气体一起被加热并被引导到燃烧过程。在现有技术的所有配置中，涡轮机利用回热器来预热压缩的环境空气。此外，大多数现有系统采用燃烧空气预热器以从燃烧气体以及涡轮机排气中残留的热中回收热量。尽管这些方法提高了热电转换效率，但是它需要多个热交换器和复杂的管道用于回路中的气体的路由，这可能降低整个系统效率。
回热器的作用是在热热交换器之前提高压缩机空气的温度。从膨胀涡轮机中提取热量以预热压缩机空气。压缩机空气通过热热交换器进一步加热，其中，从燃烧气体中提取热量。利用该回热器减小了热热交换器的尺寸。然而，它也减少了从燃烧气体中提取的热能的量。为了实现高热电效率，期望从排气燃烧气体中回收尽可能多的热量。由于燃烧排气气体不能直接反馈到燃烧系统，因此需要燃烧空气预热器以从排气气体中回收热量。通过使用涡轮机排气空气作为燃烧空气可以减少这些损失，但是这仍然需要空气预热器。
对于现有系统的另一个挑战涉及控制进入热热交换器的燃烧气体的温度。对于使用布雷顿循环燃气轮机的应用，期望能够在涡轮机的设计入口温度下输送压缩机(或膨胀机)空气。在许多情况下，该温度可以高达950℃。为了达到该入口温度，热交换器需要在最高设计温度限制附近操作。另外，重要的是能够在热交换器处维持恒定的温度。过热和温度变化可能导致热交换器以及膨胀涡轮机上的应力，而加热不足会导致降低入口温度，降低电力和效率。当燃烧热值差异非常大的混合燃料时，温度的变化可能是一个重要问题。
现有系统还通常利用恒定体积的进给系统以将固体燃料输送到燃烧室中。当混合固体燃料被送入燃烧室时，没有确定其热值的系统。当燃料燃烧时，较高热值的燃料将导致排气气体的温度升高，而较低热值的燃料将具有相反的效果。结果，混合固体燃料产生变化的气体温度流，其不能通过进给系统的调整来容易地校正。
发明内容
在一个实施方式中，本文描述了热电联产(CHP)系统。CHP系统包括具有气体入口和排气的燃烧室。燃烧室被配置为接收热二次气体用于燃烧。CHP系统还包括比例阀，该比例阀可操作地与气体入口串联耦接，并且可操作以控制加热的膨胀的二次气体到该气体入口的流动。排气增压室可操作地连接到燃烧室并且被配置为从该燃烧室接收高温燃烧气体，该增压室包括二次气体端口，该二次气体端口可操作以将膨胀的加热的二次气体引导到排气增压室用于与高温燃烧气体混合。耦接到排气增压室的热交换器接收混合燃烧气体并将热量传递到二次气体。CHP系统还包括涡轮机，该涡轮机被配置为接收并压缩二次气体并将压缩的二次气体引导到热交换器，该涡轮机还被配置为接收加热的压缩的二次气体并使其膨胀以由此产生功，膨胀的加热二次气体还用于燃烧并调节进入热交换器的燃烧气体的温度。发电机连接到涡轮机的驱动轴并且被配置为用其中产生的功来发电。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括用于控制固体燃料进入燃烧室的进给速率的控制机构。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括控制机构包括进给机构和控制阀。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括温度传感器，该温度传感器可操作以感测在燃烧气体排气部处的燃烧气体的温度。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括温度传感器是热电偶、红外检测器以及半导体检测器中的至少一个。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括具有入口和排气的高温微粒分离器，该分离器可操作地连接到燃烧室并且被配置为从燃烧室接收高温燃烧气体，其中，排气包括排气增压室。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括高温微粒分离器包括旋风分离器，该旋风分离器可操作地耦接到料斗用于去除微粒物质。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括旋风分离器去除约99％的所有大于5微米的微粒。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括气体阀是比例阀，该比例阀可操作地连接到控制器，并且被配置为控制加热的膨胀的二次气体的流动以与高温燃烧气体混合。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括气体阀基于膨胀的二次气体、高温燃烧气体以及混合燃烧气体中的至少一种的温度来控制加热的膨胀的二次气体的流动以与高温燃烧气体混合。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括比例阀可操作地连接到控制器，并且被配置为控制加热的膨胀的二次气体进入燃烧室的流动。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括比例阀基于膨胀的二次气体、高温燃烧气体、混合燃烧气体以及加热的压缩的二次气体中的至少一种的温度来控制加热的膨胀的二次气体到燃烧室的流动。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括比例阀基于加热的压缩的二次气体的温度来控制加热的膨胀的二次气体到燃烧室的流动。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括第二温度传感器，该第二温度传感器可操作以感测混合燃烧气体的温度。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括第三温度传感器，该第三温度传感器可操作以感测加热的膨胀的二次气体的温度。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括控制器，该控制器可操作地连接到第一温度传感器、第二温度传感器以及第三温度传感器中的至少一个，该控制器还可操作地连接到控制机构、比例阀以及气体阀中的至少一个，该控制器被配置为执行控制固体燃料进入燃烧室的进给速率、膨胀的加热的二次气体进入燃烧室的流动以及混合燃烧气体的温度中的至少一个的方法。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括鼓风机和加热器，该鼓风机和加热器可操作地连接到燃烧室，该鼓风机和加热器被配置为操作以启动燃烧室中的固体燃料的燃烧。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括引风排气扇，该引风排气扇可操作地连接到燃烧室，该引风排气扇被配置为将燃烧室维持在比膨胀的加热的二次气体更低的压力下。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括高温热交换器被配置为单个逆流热交换器。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括低温热交换器，该低温热交换器可操作地连接到高温热交换器并且被配置为接收已经在高温热交换器中冷却的混合燃烧气体，该低温热交换器可操作以将热量从冷却的混合燃烧气体传递到二次低温工作流体用于二次低温应用。
在一个实施方式中，本文还描述了一种操作热电联产(CHP)系统的方法。该方法包括在燃烧室中启动燃烧过程，并且用膨胀的加热的二次气体燃烧固体燃料并产生高温燃烧气体，以及用膨胀的加热的二次气体调节高温燃烧气体的温度以产生混合燃烧气体。该方法还包括压缩二次气体、将热量从混合燃烧气体传递到压缩的二次气体、膨胀压缩的加热的二次气体并由此产生功以及采用所产生的功。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括控制固体燃料进入燃烧室的进给速率、控制膨胀的加热的二次气体进入燃烧室的流速以及基于膨胀的加热的二次气体的温度、混合燃烧气体的温度、高温燃烧气体的温度和所产生的功中的至少一个控制调节中的至少一个。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括调节高温燃烧气体的温度包括控制加热的膨胀的二次气体的流动以及在分离之后与高温燃烧气体混合。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括测量高温燃烧气体的温度。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括测量混合燃烧气体的温度。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括测量膨胀的加热的二次气体的温度。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括传递发生在逆流热交换器中。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括膨胀的加热的二次气体处于约600℃的温度下，并且被直接应用到燃烧过程中。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括燃烧过程达到1000℃、1050℃、1100℃以及1150℃中的至少一个的温度。
除了上面或下面描述的一个或多个特征之外，或作为替代，进一步的实施方式可以包括用高温微粒分离器从高温燃烧气体中去除微粒物质。
从以下结合附图的描述中，实施方式的其他方面、特征以及技术将变得更显而易见。
附图说明
在说明书的结论中，在权利要求书中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。从以下结合附图的详细描述中，本发明的前述和其他特征以及优点是显而易见的，其中：
图1是根据一个实施方式的热电联产系统的示意图的系统方框图；
图2是描绘根据一个实施方式的控制热电联产系统的方法的流程图。
具体实施方式
在一个或多个实施方式中，本文描述了一种热电联产系统，该系统利用废弃有机资源并且将其转换为热能，该热能用于驱动耦接到热力系统的燃气轮机以产生用于低温热应用和高温热应用两者的电力和高水平的可用废热。
所描述的实施方式的一个特征是为系统配置一个热交换器，该热交换器的功能是将压缩机空气从排放温度加热到涡轮机入口处所需的最高温度。通过从回路中移除回热器，从燃烧气体中提取更多的能量，从而在热交换器之后降低燃烧气体的温度。热交换器可以大于热热交换器以适应更高的热能传递，尽管热交换器等于或小于回热器和热热交换器的组合。这种配置的一个优点是涡轮机排气空气非常热，并且可以达到600℃的温度。这种热空气可以直接用于燃烧系统，而无需燃烧空气预热器，这降低了成本并提高了效率。
所描述的燃烧系统的实施方式的另一特征包括温度传感器，例如热电偶，以测量离开燃烧室的燃烧排气气体的温度。在一个实施方式中，高温旋风微粒分离系统用于从燃烧气体中去除约99％的尺寸大于约5微米的微粒，以减少热交换器的污垢。为了获得完全燃烧，期望达到至少1000℃的燃烧气体温度。期望更高的温度直到NOx形成可以成为排放限制的点。在一些实施方式中，燃烧气体温度通常高于热交换器的最高温度限制。离开旋风分离器的热气体流过具有用于引入二次气体的端口的管。该气体可以是具有比燃烧气体低的温度的任何可用气体流。一个来源是涡轮机排气空气或也可以使用外部空气。比例流动阀附接到端口以控制进入燃烧气流的质量和热能的量。二次气流的目的是降低燃烧气体温度并调整气体温度的波动。测量离开增压室的燃烧气体温度的热电偶将信号发送到比例阀，以使或多或少的气体进入系统。由于气体从燃烧室出口行进到阀大约需要1秒，因此这为阀提供了足够的时间进行反应。第二温度传感器，例如热电偶，位于混合区的下游并且在热交换器之前用于将信号发送到比例阀以维持所需的热交换器温度并微调气体温度。
所描述的实施方式的又一特征是燃烧室，该燃烧室包括机械进给系统，以将固体燃料输送到燃烧室。空气鼓风机和外部热源耦接到燃烧室以开始燃烧。多个气体端口从燃气轮机供应一次燃烧空气。提供温度传感器，例如热电偶，耦接到燃烧气体出口以测量气体温度。
所描述的实施方式的另一特征包括多个耦接到燃烧室的高温旋风微粒分离器，以清洁排气气体。提供了一种除灰系统，并且该除灰系统包括机械螺旋钻或气动系统以从旋风分离器中去除微粒。
所描述的实施方式的进一步方面包括提供了耦接到旋风分离器的排气增压室。二次气体端口耦接到排气增压室以允许二次气体被引入。提供了耦接到气体端口的电子控制比例阀以控制二次气体的质量流动。在增压室中提供混合区以使气体达到温度平衡。热电偶在混合区之后耦接到增压室以测量气体温度。提供耦接到二次端口的热电偶以测量二次气体的气体温度。提供电子控制器以自动控制比例阀。
此外，所描述的实施方式的另一特征包括提供了耦接到排气增压室的热交换器。还提供了耦接到热交换器的燃气轮机。来自燃气轮机的压缩机部的流体连接耦接到热交换器的低温侧。来自热交换器的热侧的流体连接耦接到膨胀涡轮机的入口。提供了来自热交换器的冷侧的流体连接耦接到低温热交换器，以从燃烧气体中去除残留热。耦接到膨胀涡轮机排气的流体连接耦接到燃烧室以提供燃烧空气。在另一个实施方式中，比例阀耦接到燃烧室以提供燃烧空气。耦接到膨胀涡轮机排气的第二流体连接在微粒分离器的排气增压室处耦接到比例阀。提供了耦接到膨胀涡轮机排气的第三流体连接以将残留的高温空气用于热应用。
所描述的实施方式的附加特征包括在设置热交换器之前控制燃烧气体的温度的方法。位于燃烧室出口处的温度传感器，例如热电偶，测量气体的温度。与控制器温度设定点的偏差将信号发送到比例阀，表明排气气体正流向超过设定点温度的热交换器。一种算法用于相对于温度偏差成比例地打开或关闭比例阀。来自涡轮机排气或可选地来自环境空气的气体被引入燃烧气体中以将温度降低到控制器设定点。位于混合区之后的第二热电偶在混合气体达到热平衡后感测温度。第二热电偶将信号发送到控制器，以调整比例阀的质量流速变化。
所描述的实施方式的另一方面是通过使用单个逆流热交换器来提供增加或最大化热电效率的方法。逆流热交换器流体地耦接到混合增压室的出口。开放式循环布雷顿燃气轮机流体地耦接到热交换器。来自涡轮机压缩机出口的流体连接耦接到热交换器的冷端。来自热交换器的热侧的流体连接耦接到膨胀涡轮机入口。来自涡轮机的出口的流体连接耦接到比例阀。来自涡轮机的出口的第二流体连接可选地耦接到比例阀，并且然后耦接到燃烧室。提供了来自涡轮机的出口的第三流体连接用于附加热应用。由于压缩机出口温度低，因此流入热交换器的燃烧气体将大量的可用热量传递到涡轮机的工作气体。高温(600℃)清洁干燥空气离开膨胀涡轮机，并且可用于经由二次气体混合端口热回收。热空气也可以作为燃烧空气直接用于燃烧室中，而不需要预热。热空气也可用于对水分和微粒敏感的高温应用。另外，高温热量可用于二次循环发电。
为了促进对本公开的原理的理解，现在将参考附图中所示的实施方式，并且将使用具体语言来描述这些实施方式。然而，将理解的是，由此并不意图限制本公开的范围。以下描述本质上仅是说明性的，并不旨在限制本公开、其应用或用途。应理解，在整个附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。如本文所使用的，术语控制器指的是处理电路，其可以包括专用集成电路(ASIC)、电子电路、电子处理器(共享的、专用的或成组的)和执行一个或多个软件或固件程序的存储器、组合逻辑电路、和/或提供所描述的功能的其他合适接口和组件。
另外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施方式或设计不必被解释为比其他实施方式或设计更优选或更有利。术语“至少一个”和“一个或多个”被理解为包括大于或等于1的任何整数，即1、2、3、4等。术语“多个”被理解为包括大于或等于2的任何整数，即2、3、4、5等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。
如本文所示和所描述的，将呈现本公开的各种特征。各种实施方式可以具有相同或相似的特征，并且因此相同或相似的特征可以用相同的附图标记来标记，但是在其前面通过不同的第一数字表示该特征所显示的图。因此，例如，图X所示的元件“a”可以被标记为“Xa”，并且图Z中的相似的特征可以被标记为“Za”。尽管可以在一般意义上使用相似的附图标记，但是如本领域技术人员将理解的(无论是本领域技术人员将理解的明确描述的还是其他方式)将描述各种实施方式，并且各种特征可以包括变化、改变、修改等。
图1描绘了根据一个实施方式的热电联产系统(CHP)100。CHP系统100利用燃烧系统21、开放式循环布雷顿燃气轮机22、高温旋风微粒分离器23、将燃烧系统21中产生的热传递到涡轮机22中的高温热交换器24、以及可选的低温热交换器25、和引风扇或鼓风机26。
所有间接火力发电系统利用至少一个热交换器，以便将热量从燃烧过程传递到发动机的工作气体。取决于发动机循环的类型，热传递将在不同的温度下发生。对于诸如有机朗肯的循环，输送到发动机的温度很少高于500℃，并且更通常的是低于250℃。使用ORC的优点是它可以利用较低温度的热量，并且随后降低热交换器的成本。缺点是效率较低、成本较高、并且从循环中排出的废热温度低，通常低于90℃，这在其他地方不容易利用。
因此，通常优选使用较高的温度循环，例如开放式布雷顿循环，以更直接和更有效地利用从燃烧系统21获得的高温。目前的布雷顿涡轮发动机被设计为利用约950℃的热量。较高温度循环的优点是效率较高、成本较低、并且从循环中排出的高温废热通常高达600℃。缺点是需要在燃烧气体路径中利用更专业的组件，如本文将进一步讨论的。
在一个实施方式中，燃烧系统21还包括但不限于用于燃烧有机燃料以产生热量的燃烧室或壳体30。生物质燃料，即以可再生方式生产的有机材料，包括例如木质燃料(例如木屑、克拉莎草等)、动物废物(即粪便)或甚至城市固体废物(MSW)。燃烧室30还包括用于将燃料输送到燃烧室30中的开度、阀或端口31、用于输送用于启动的燃烧空气和热量的鼓风机32和电加热器33。燃烧系统21还包括用于计量引入燃烧室30的固体燃料的质量的阀34、用于输送来自涡轮机22的燃烧空气的端口35、用于计量来自涡轮机22的燃烧空气的可选的比例阀38、用于测量燃烧排气温度的温度传感器(例如热电偶36)以及用于接收诸如温度、阀位置、速度等的各种传感器输入并控制系统100中的各种阀和电动机的控制器90。
在一个实施方式中，微粒分离器23还包括具有一个或多个旋风分离器41、42的壳体40、用于微粒收集的脱离料斗43、用于去除来自料斗43的微粒的机械螺旋钻44以及用于驱动螺旋钻44的电机45。微粒分离器23被设计为在约1150℃的燃烧气体温度下操作，并且由能够在这样的温度下操作的材料构成，并且还被设计为抵抗燃烧气体的磨蚀和腐蚀效应。在一个实施方式中，微粒分离器由耐火陶瓷构成，该耐火陶瓷提供抗热震性、耐磨性以及隔热性能。旋风微粒分离器23还包括排气增压室46，该排气增压室46包括二次气体端口47、比例气体流动阀48、连接到气体流动阀48以自动控制阀的位置和速度的电机49，以及用于测量排气增压室46中的气体温度的温度传感器(诸如热电偶50)。
CHP系统100还利用高温热交换器24，该高温热交换器24包括用于将热燃烧气体引导到热交换器24中的第一端口51、用于将冷燃烧气体引导出热交换器24的端口52、用于将冷压缩机空气引导到热交换器24中的输入端口53以及用于将来自热交换器24的热空气引导到膨胀涡轮机64中的端口54。高温热交换器24被配置为在高达约1100℃的温度下操作。能够在该应用所需的高温范围内操作的热交换器在所采用的金属的结构限制附近操作，所采用的金属通常由不锈钢或镍合金制成。因此，对燃烧气体的温度的仔细精确控制确保不超过高温热交换器24材料的温度限制。另外，控制进入高温热交换器24的排气气体与离开热交换器24的工作气体之间的最小温差。温差越低，热交换器的最高工作温度越低。较低的温差降低了高温热交换器24中的应力，延长其寿命。例如，在所需的涡轮机入口温度为950℃的情况下，燃烧气体将优选在960℃下输送。应理解，这样的温度处于金属热交换器结构功能的极限端，并且需要准确和精确地控制输送到高温热交换器24的燃烧气体的温度。
在一个实施方式中，采用单个逆流热交换器来提高CHP系统100的热电效率。应理解，其他热交换器配置也是可以的。在一个实施方式中，采用不锈钢或镍合金、单逆流板或管式热交换器，然而，也可以利用其他类型的热交换器，包括但不限于管和壳、微管、微通道、板类型等。在一个实施方式中，高温热交换器可以由陶瓷或镍合金钢构成。有利地，陶瓷热交换器可以在超过1100℃的温度下操作，而传统的金属热交换器通常不能超过950℃。尽管陶瓷热交换器有几个优点，但在一个实施方式中，采用了金属热交换器。进入高温热交换器24的燃烧气体温度的控制以两种方式降低成本。第一个是严格控制燃烧箱到高温热交换器24的温度确保使用金属热交换器而不是明显更贵的陶瓷热交换器的能力。陶瓷热交换器可能比金属热交换器贵75％。在一些情况下，它允许使用不锈钢而不是更昂贵的镍合金。第二个成本节约是热交换器的延长寿命，随着时间的推移降低维护成本。发电设备通常有预期20年的服务周期。在高温下操作高温热交换器可能承受较高的热应力，这可能仅在10至15年内导致故障。用控制良好的燃烧气体温度来降低热应力，将确保延长操作约20年，这意味着维护成本降低25％。
开放式循环布雷顿燃气轮机系统22还包括用于压缩环境空气的涡轮机压缩机61、从涡轮机压缩机出口到热交换器输入端口53的流体连接62，该流体连接62携带高温热交换器24的压缩的环境空气。燃气轮机系统22还包括从高温热交换器24出口端口54到膨胀涡轮机64入口的流体连接63。涡轮膨胀机64操作以膨胀工作气体(在这种情况下为加热的环境空气)并产生可用功，例如转动发电机69以发电。涡轮机系统22还包括从膨胀涡轮机64的出口到微粒分离器23的比例阀48的流体连接65、从膨胀涡轮机64到燃烧系统21的燃烧室30的流体连接66、以及从膨胀涡轮机64用于辅助高温热应用的流体连接67、采用诸如热电偶68的温度传感器来测量膨胀涡轮机64排气的温度。涡轮机系统还包括发电机69，该发电机69连接到涡轮机的轴以产生电力。
在CHP系统100中使用单个热交换器的优点涉及改进的热电效率和成本。用于开放式布雷顿循环涡轮机CHP系统的典型配置将包括燃烧空气预热器、回热器以及热热交换器。回热器用于从涡轮机排气中回收热能以预热压缩机工作空气。热热交换器用于进一步将工作空气加热到所需的涡轮机入口温度。需要燃烧空气预热器以从涡轮机排气空气或离开热热交换器的燃烧气体中回收热能。在这种配置中，涡轮机排气温度低(160℃)，并且仅可用于低温应用。由于大部分回收的热能发生在回热器中，因此离开热交换器的燃烧气体温度高(650℃)。为了获得满意的热电效率，燃烧气体用于预热预热器中的燃烧空气。
在开放式循环布雷顿CHP系统100中利用单个高温热交换器24有几个优点。首先，与传统系统中使用回热器和热交换器相比，利用单个热交换器来加热压缩机工作气体从燃烧气体中提取更多的热能。单个高温热交换器的尺寸将比热交换器稍大，例如，与回热器和热交换器组合大致相同的尺寸，但是将消除在工作气体中引入压降的互连。这种压降可以高达从涡轮机产生的电力的0.5％。
利用单个高温热交换器的第二个优点是消除了通常在传统系统中采用的燃烧空气预热器。这再次降低了系统的复杂性和成本，并且与热交换器和管连接相关联的任何压降导致燃烧鼓风机或引风扇吸收更多电力，并且是寄生能量损失。来自风扇的额外能量可以表示可用电力中附加0.5％的能量损失。
利用单个高温热交换器的第三个优点是系统的总热传递效率，由于能够回收由于预热器的热传递效率而无法通过燃烧空气预热器传递的热量，因此利用单个热交换器提高了该系统的总热传递效率。利用单个高温热交换器的另一个优点是用于系统的总成本降低。消除回热器和用于回热器到热交换器的互连管以及燃烧空气预热器及其互连管表示系统的总成本节省了约6％。因此，降低了系统中发电和供热的成本。
利用单个高温热交换器24允许在热交换器之前将大致多于15％的热能重新引入CHP系统100中作为用于涡轮机的可用热量。当考虑所有损失时，与使用多个热交换器相比，利用本文所述的单个热交换器将在任何给定的电力输出下产生多于4％的电力，该电力根据涡轮机循环效率转换为总热电效率的1.3％的改进。
现在继续到图2，继续参考图1，其中，描绘了控制CHP系统的燃烧的过程200。在操作中，该方法包括通过接通燃烧空气鼓风机32和电加热器33来启动CHP系统100。环境空气被加热并输送到燃烧室30中，如过程步骤205所示。在一个实施方式中，空气被预热到800℃，根据应用、燃烧室30以及所采用的燃料的类型，可以采用其他温度。当燃烧室30被加热到选定的温度时，固体燃料可以通过阀34引入，然后在阀34处开始燃烧。在一个实施方式中，旋转阀34用于控制燃料进入燃烧室30的进给速率。在一个实施方式中，引入燃料的温度被选择为350℃，然而，也可以采用其他温度。在一个实施方式中，比例阀34可以包括多个空腔并旋转以计量进入燃烧室30的固体燃料的量。它还用作气闸以防止热燃烧气体回流进入燃料进给和有机燃料存储中。
随着燃烧过程的继续，燃烧气体温度升高到燃烧系统21的工作温度。比例阀38控制进入燃烧室30中的燃烧空气端口35的热工作气体的质量流动。比例阀38可以是任何自动控制阀，包括蝶阀、闸阀、球阀、挡板或其他机械系统。比例阀38由连接到阀38的伺服电机39驱动。比例阀38可以由DC伺服电机39，液压地、气动地或由其他机电定位系统驱动。伺服电机连接到控制器90并且由来自控制器90的信号驱动。
利用有机材料的燃烧系统通常通过氧气或λ传感器37控制空气/燃料比，该空气/燃料比告诉控制器90改变供应到燃烧室30的燃料或空气。在CHP系统100中，氧气传感器37主要用于在启动期间主要确保正氧气/燃料比，并且不必控制燃烧空气供应。
在利用排气引风扇的CHP燃烧系统中控制空气供应的一种方法是使用比例阀38，该比例阀38可以在例如从0％至100％的范围内改变燃烧空气流动。在操作中，当燃烧具有一致水分含量的一致材料时，比例阀38只需要供应足够的空气用于完全燃烧并满足所需的热需求。当所有条件恒定时，除了需求发生变化外，几乎不需要控制空气/燃料。
对于其中燃料是有机材料的操作，它可以被混合并且表现出不同的热值以及不同的水分含量。用这种燃料，为了维持更恒定的输出温度，空气/燃料比的控制变得更加重要。确定进入燃烧室30的燃料流的水分和热值通常不是很实际。此外，由于这些不一致，排气空气温度的波动可能是显著的。因此，燃烧后的排气气体温度的控制成为确保燃烧所需的设定点温度的最可行的手段。
当使用涡轮机工作气体用于燃烧空气时，压缩的涡轮机工作气体可以在变化的温度下被引入燃烧室30。例如，使用直接来自膨胀涡轮机64的膨胀的工作气体用于最大热回收将在600℃的温度下输送工作气体。然而，如果膨胀的工作气体还用于第二循环，例如以产生电力，或用于高温热应用，例如污泥干燥，则输送到燃烧室30的工作气体温度将更低，并且可以低至50℃。这些条件还可以由于发电机70的电力输出的变化以及对于某些有机燃料的燃烧和系统100的操作正常的其他瞬态效应而变化。
在一个实施方式中，取决于所采用的燃烧室和燃料的类型，用于燃烧过程的目标工作温度为约1100℃。应理解，其他燃烧工作温度是可以的。应理解，可以基于几个因素来选择用于燃烧过程的所需的工作温度。通常需要较高的温度用于更清洁地燃烧具有较少量的微粒排放物、碳氢化合物排放物，例如一氧化碳(CO)排放物、一氧化氮NOX排放物等的燃料。相反，对于下游组件，例如热交换器等，可能需要较低的温度。
燃烧气体温度在出口处由温度传感器36(例如热电偶、IR传感器半导体传感器等)测量，该温度传感器36用于控制燃料到燃烧室30的进给速率以及被引导到下游过程的热温度气体两者。当气体离开燃烧壳体30时，温度由温度传感器36测量。控制器90具有应为平均燃烧温度的限定的设定点温度。在一个实施方式中，控制器90采用时间平均温度测量来控制固体燃料旋转阀34的速度，以控制燃料的进给速率。旋转阀被配置为提供固体燃料进入燃烧室30的进给，同时还提供气闸以避免燃烧气体逸出。通过使用用于控制旋转阀的时间平均温度测量，允许旋转阀34维持更恒定的速度，而不是响应于燃烧气体的输出温度的波动。离开燃烧室31的气体温度可以高达1150℃，这超过了用于大多数热交换器的最高温度。需要高温以便实现完全燃烧和消除未燃烧的碳氢化合物排放。
如上所述，控制由系统100所产生的电力和热量不仅需要控制燃料到燃烧室30的进给速率，而且需要控制引导到燃烧室30的燃烧空气。为了在变化的燃烧空气温度下维持接近恒定的排气温度，比例阀38需要大范围的流动容量。一种方法是将阀38的容量确定为用于燃烧系统21的输出容量所预期的最大体积。对于化学计量燃烧，需要固定数量的空气质量以与固定数量的燃料质量反应。燃烧空气的流动体积取决于空气的温度。热空气比冷空气密度小，因此对于给定的质量流速，热空气将具有比冷空气大的体积。例如，在600℃下，空气的密度比在50℃下的空气的密度低四倍，这意味着比例阀38将需要允许与冷空气相比多四倍的热空气体积，以便与燃料一起燃烧。比例阀38将在最大容量下完全打开并且用于最高设计空气温度。此外，当在高温下调节空气流动时，阀的位置的小变化导致流动体积的小变化。然而，燃烧空气温度越低，密度越大，这导致比例阀需要进一步关闭以降低流速。即，在较低的温度下，阀的位置的小变化导致相对于热气体的流动不成比例地大变化。另外，在较低温度下，阀位置的灵敏度可能导致温度传感器与阀位置之间的磁滞反馈环路，在该磁滞反馈环路中，阀跟随追逐温度传感器中的波动。
在操作中，CHP系统100可以承受将导致燃烧空气的不同温度的许多瞬态效应。为了使阀38稳定以防止阀相对于温度传感器过度补偿阀位置，优选地利用时间平均温度读数。即，例如，传感器将以每秒至少10个样本的速度对温度进行采样，以便读取气体温度的瞬时值。在例如5秒的时间间隔内取滚动平均将产生更平滑的温度曲线，该温度曲线更易于用阀控制。可以使用更短的间隔直到阀38不能足够快地反应的点。相反，较长的间隔将具有更平滑的温度曲线，但是将导致对来自CHP系统的需求变化的响应时间的滞后。尽管时间平均温度方法用于控制燃烧空气阀38，但是瞬时值用于控制在高温热交换器24之前将膨胀的工作气体与燃烧排气混合的二次气体比例阀48。
通过感测燃烧空气的温度，供应一种确定空气密度的算法，该算法可以针对任何给定的温度与具体比例阀位置相关联。另外，可以在低温范围内提高阀位置的分辨率，提供对燃烧空气更严格的控制。
离开燃烧室30的气体进入微粒分离器或过滤器23以从燃烧气体中分离微粒物质，如过程步骤210所示。在一个实施方式中，采用高温旋风微粒分离器23，尽管也可以利用其他形式的微粒分离器、过滤器等。在一个实施方式中，高温旋风微粒分离器被配置为确保从热燃烧气体中去除99％的尺寸大于5微米的微粒。当气体通过旋风分离器41和42时，微粒朝着外壳加速并沿着旋风分离器的长度行进。在旋风分离器41、42的底部，微粒从悬浮液中落入脱离料斗43中。在一个实施方式中，通过机械螺旋钻44和电机45去除收集在脱离料斗43中的微粒。螺旋钻电机45可以根据固体燃料中无机材料的数量、螺旋钻44和料斗43的尺寸间歇地或连续地运行。然后，气体继续上升到旋风分离器41、42的中心，并从顶部排出进入排气增压室46。
控制进入高温热交换器24的排气空气的温度的一种方法是从涡轮机工作气体(在本示例中为空气)或从包括环境空气的任何其他空气源引入二次气流。使用涡轮机工作气体是优选的，因为废热在高温热交换器24之前被回收到系统中。燃烧系统利用排气引风扇26，该排气引风扇26在燃烧气流内维持负压。在排气增压室46处，引入二次气体，在该实施方式中为来自涡轮机的热气体。在一个实施方式中，采用比例阀48以控制较冷气体与燃烧气体的添加。比例阀48可以使空气流动从0％至100％改变。在操作中，比例阀48通过控制器90控制，该控制器90告诉阀电机49响应于温度传感器36、50以及68打开或关闭阀48。这些气体被混合以将燃烧气体的温度调整到用于高温热交换器24的所需的入口温度，如过程步骤215所示。管线65处的涡轮机压缩的工作气体被配置为处于比排气增压室46中的燃烧气体更高的压力，因此涡轮机压缩的工作气体将在不需要风扇的情况下流动。比例阀48在控制宽范围的流动条件方面具有与比例阀38相似的特性。
CHP燃烧系统和二次空气阀48的控制开始于涡轮机22和发电机70上的电负载。涡轮机速度将响应于电负载而变化，该电负载改变通过膨胀涡轮机64的工作气体流动，并且从而在高温热交换器24中加热工作气体。温度传感器69感测离开高温热交换器24的工作气体温度。该温度是恒定的设定点温度。为了维持设定点温度，需要基于在温度传感器69处检测到的温度变化来调整到高温热交换器24的燃烧气体流动，以输送正确数量的能量。这通过控制器90改变供给燃烧室的进给34中的燃料以匹配所需的能量来实现。
温度传感器36用于控制离开燃烧室的燃烧气体的温度。它测量气体的瞬时温度并将其发送到控制器90。时间平均值用于与燃烧室设定点值进行比较，并控制维持设定点温度所需的燃料和空气的量。将瞬时值与设定点值进行比较，以便确定偏离设定点值的幅度。温度传感器68用于感测将被引入阀48的二次工作气体的温度。气体的温度告诉控制器90二次空气的密度，以便更好地控制用于不同的条件的阀位置。当传感器36感测到偏离设定点时，温度控制器90开始调整阀48，以预期排气气体到达增压室46。温度传感器50感测进入热交换器的燃烧气体的温度，并以两种方式用于控制阀48。第一种控制算法将基于二次气体的温度和热交换器设定点温度将阀打开或关闭到预定位置。第二种控制算法与温度传感器36一起工作，以响应于将阀48调整到与燃烧室设定点温度的温度偏差的命令来调整阀的灵敏度。
在启动时，比例阀48被完全关闭，直到由测量离开燃烧室30的燃烧气体的温度的温度传感器36所测量的温度超过用于热交换器24所需的入口设定点温度为止。当比例阀48打开时，来自管线65上的膨胀涡轮机64的加热的空气与增压室46中的燃烧气体混合，以在所需的公差内在基本恒定的温度下维持并调节引导到高温热交换器24的高温燃烧气体。比例阀48控制在微粒分离器23之后进入二次端口47的热工作气体的质量流动。比例阀48可以是任何自动控制阀，包括蝶阀、闸阀、球阀、挡板或其他机械系统。比例阀48由连接到阀48的伺服电机49驱动。阀48可以由DC伺服电机，液压地、气动地或由其他机电定位系统驱动。伺服电机连接到控制器90并且由控制器90的信号驱动。另一个温度传感器50用于在进入高温热交换器24之前测量燃烧气体的温度。离开燃烧室30的燃烧气体的设定点温度的偏差由温度传感器36测量，并且基于温度传感器68的温度通过调整比例阀48进行补偿，并且是一种算法，该算法基于计算出的阀开度位置应在哪里的估计来打开阀。气体的温度告诉控制器90二次空气的密度，以便更好地控制用于不同的条件的阀位置。温度传感器36位于二次气体端口47所处的上游，并且燃烧气体行进到二次气体端口47大致需要一秒。这允许用于信号和阀的时间在气体已经通过二次端口47之前开始调整。温度传感器36用于控制离开燃烧室30的燃烧气体的温度。它测量气体的瞬时温度并将其发送到控制器90。时间平均值用于与燃烧室设定点值进行比较，并控制维持设定点温度所需的引导到燃烧室30的燃料的量。将瞬时值与设定点值进行比较，以确定偏离设定点值的幅度。当传感器36感测到偏离设定点时，温度控制器90开始调整阀48，以预期排气气体到达增压室46。控制器90基于用户输入和用于给定的高温热交换器24的设计约束来限定用于热交换器24的设定点温度，并且响应于温度传感器50的测量温度。温度传感器50感测进入高温热交换器24的燃烧气体的温度，并以两种方式用于控制阀48。第一种控制算法将基于二次气体的温度和热交换器设定点温度将阀打开或关闭到预定位置。第二种控制算法与温度传感器36一起工作，以响应于将阀48调整到与设定点温度的温度偏差的命令来调整阀的灵敏度。在一个实施方式中，控制器90用比例阀48上的速率变化信号的比例阻尼来响应与热交换器24设定点温度的偏差。在一个实施方式中，离开增压室46的燃烧气体的温度被调节到高温热交换器24的最高温度容量。在一个实施方式中，燃烧气体的温度被调节到1100℃。在另一个实施方式中，燃烧气体的温度被调节到950℃。在一个实施方式中，温度以±100℃的公差调节。在另一个实施方式中，公差为±50℃。在又一个实施方式中，温度维持在±10℃的范围内。
如过程步骤225所示，当热燃烧气体通过高温热交换器24时，热量从燃烧气体传递到涡轮机22的工作气体(压缩的环境空气)。在一个实施方式中，在将热量传递到工作气体之后，燃烧气体然后可以用于第二个目的以提高CHP系统100的效率和有效性。在一个实施方式中，离开高温热交换器24的燃烧排气气体温度可以高达约300℃。然而，应理解，离开高温热交换器24的排气气体的温度取决于热交换器效率。高热交换器效率将降低排气温度。另外，进入高温热交换器24的排气气体的温度将有影响。在进入高温热交换器24的排气气体被调节到较低温度(例如900℃)的应用中，离开热交换器24的温度将较低。使用燃烧气体的第二个目的是提供高温热量。在一个实施方式中，燃烧气体可以通过第二低温热交换器25以从燃烧气体中回收更多的热量用于较低温度热应用，如可选的过程步骤245所示。较低温度第二循环过程的示例包括例如在第二循环ORC系统中发电以产生进一步的功或电、热水、吸收制冷、低温干燥应用、污泥干燥、热水净化以及用于空间加热和冷却等。进一步冷却的燃烧气体离开低温热交换器25，并且通过引风扇26被拉取并且然后被排出。利用引风扇26以通过旋风微粒分离器23和热交换器24、25从燃烧室30中拉取燃烧气体。采用引风扇26还维持燃烧室30中的负压，以避免气体逸出，以及确保膨胀的工作气体经由阀38或增压室46经由阀48被拉取到燃烧室30中以与燃烧气体混合。
涡轮机22的启动可以通过使涡轮机随着工作气体的温度升高而自然加速来实现，或它可以用启动电机来启动。在一个实施方式中，当高温热交换器24中的工作气体被加热时，它朝着膨胀涡轮机64和压缩机涡轮机61膨胀。由于膨胀涡轮机64产生比压缩机更多的功，因此轴将在正确的方向上转动。当轴转动并且气流通过压缩机涡轮机61时，空气开始流动，压缩的空气将进一步加速膨胀，随着时间的推移，流动和系统将加速。在另一个实施方式中，采用启动机电机以使涡轮机22和系统更快地达到速度。在一个实施方式中，发电机69还被配置为作为启动机操作以启动涡轮机22。当涡轮机22开始转动时，在管线65上可用的加热的膨胀涡轮机排气以为微粒分离器23中的阀48和端口47提供二次空气，并经由管线66为燃烧系统端口35提供一次燃烧空气。当涡轮机速度增加时，进给到燃烧室30的一次燃烧空气也增加。热电偶36将感测燃烧排气气体温度的变化，并将信号发送到控制器90，以通过改变旋转阀34的速度来改变固体燃料的进给速率，以调节燃烧系统并继续循环。在另一个实施方式中，控制比例阀38以维持由燃烧室25和旋风分离器23所允许的空气流动。当燃料进给速率增加/减小以满足负载需求时，通过比例阀38执行对一次燃烧空气的控制。
当系统100达到热平衡时，比例阀38被设定为允许足够的空气流以维持所需的燃烧温度。燃料系统响应于放置在涡轮机22上的负载。在一个实施方式中，当需要功率时，涡轮机22将从高温热交换器24拉取热量。温度传感器50感测进给热交换器的热气体的温度变化，并且根据电力需求要求燃烧或多或少的燃料。控制器90相应地命令旋转阀34，提高或降低其速度以允许/维持足够的燃料能量以提供维持在传感器50处感测的设定点温度所需的热量。通过控制器90使用几个信号输入和比例积分微分(PID)定位控制算法以及信号来控制比例阀38。温度传感器36测量燃烧室30的出口温度，该出口温度维持在约1150℃的所需的燃烧温度下以实现完全燃烧。膨胀涡轮机64出口上的温度传感器68测量膨胀的加热的工作气体的温度，并且通过控制器90用于计算用于燃烧的每单位质量膨胀的加热的工作气体的能量。在一个实施方式中，期望确保系统100以高量的过量工作气体(例如，膨胀的加热的工作气体，空气)操作，因此总是存在比化学计量燃烧所需的燃烧气体更多的燃烧气体。如前所述，过量的工作气体还用于将燃烧气体冷却到所需的设定点温度，以便应用于高温热交换器24。根据燃烧空气温度控制器90命令比例阀48打开/关闭以允许必要的空气在高温热交换器24处达到所需的温度。
有利地，在一个实施方式中，涡轮机22通过独立的气体回路连接到高温热交换器24，该气体回路允许在使用不能直接引入燃气轮机燃烧器的燃料的同时将热量传递到涡轮机工作气体中的方法。分离气体回路消除了燃烧产物对膨胀涡轮机部64的不利影响，这进而降低了维护成本并增加了组件寿命。此外，间接热传递意味着工作气体(空气)是干燥和清洁的，并且在涡轮机中膨胀后可用于燃烧空气以及许多其他热应用。如可选的过程步骤220所示，涡轮机22将清洁的工作气体(例如，来自环境的环境空气)拉取到压缩机61的入口中，在该入口处工作气体被压缩。压缩气体通过流体连接62被进给到高温热交换器24的冷侧入口53。如先前对于过程步骤225所述，通过从流过热交换器24中的单独通道的燃烧气体中提取热量，压缩的工作气体被加热到用于膨胀涡轮机64的设定点温度。加热的工作气体从热交换器端口54通过流体连接63行进到膨胀涡轮机64的入口。然后将热工作气体膨胀以产生在过程步骤230处所示的轴电力形式的可用功。在一个实施方式中，涡轮机轴连接到发电机69以将该功转换为电力。在另一个实施方式中，可用功用于执行制造过程。例如，可用功可以用于运行泵或其他机械过程，诸如机械制冷机、压缩机、蒸汽压缩蒸馏、输送设备等。
在一个实施方式中，在膨胀之后，然后将热涡轮机工作气体用于几个主要目的，以提高CHP系统100的效率和有效性。第一个是采用热工作气体来向燃烧系统21提供高温燃烧空气，如过程步骤235所示。离开膨胀涡轮机64的气体通过流体连接66，可选地通过比例阀38经由燃烧空气端口35行进到燃烧壳体30中。有利地，在一个实施方式中，涡轮机排气空气可以热达600℃，其比通常通过在现有CHP系统中使用燃烧空气预热器获得的温度高。先前的现有技术系统已经使用回热器来回收涡轮机循环内的热量。当燃烧发生在循环内部时，这是必不可少的，因为没有回收热能的其他方式。对于外部燃烧循环，这是有害的，因为涡轮机排气空气的温度由于压缩机空气的预热已经显著降低。这意味着使用外部空气或涡轮机空气将需要附加热交换器来回收燃烧气体中的剩余的热量。所描述的实施方式通过消除使用回热器来回收循环内的热量，允许涡轮机排气空气在比使用传统系统的燃烧空气预热器更高的温度下可用。
使用涡轮机排气空气的第二个目的是调节和控制进入高温热交换器24的燃烧气体的温度，如以上参考过程步骤215所述。
使用涡轮机排气空气的第三个目的是为高热应用和低热应用两者提供高温(600℃)、清洁、干燥的空气，如可选的过程步骤240所示。热工作气体通过流体连接67离开涡轮机22。流体连接67还可以耦接到外部热力系统以利用热空气。涡轮机排气工作气体可以用于例如第二循环ORC系统中的第二循环发电以进一步产生功或电、高温干燥应用(其中，优选清洁干燥空气)、污泥干燥、热水净化以及用于空间加热和冷却。在一个实施方式中，约50％的存在于工作气体中的燃烧输入热能可用于二次循环使用。例如，尽管来自膨胀涡轮机61的加热的膨胀的工作气体的主要功能是经由端口47和用于燃烧室30的燃烧空气提供与燃烧气体的混合，但是剩余的热工作气体可以用于附加热传递或功产生。在一个实施方式中，管线67处的工作气体温度为约600℃。有利地，对于尺寸为产生100kW电力，并且附加40kW至100kW的电力的系统100可以从第二循环过程产生。例如，利用可用废热的低温ORC可以产生附加40kW，而高温ORC可以产生附加75kW。更高效率的循环(例如闭式再生布雷顿、斯特林或超临界CO2发动机)可以产生超过100千瓦的附加电力。离开第二循环过程的进一步冷却的工作气体可以被排出。此外，在一些实施方式中，在第二循环过程之后，冷却的工作气体可用于任何进一步的较低温度过程以回收任何残留热，并且甚至可以再循环以再次开始该过程。
在一个实施方式中，在端口52处离开高温热交换器24的燃烧气体可以通过低温热交换器25以从冷却的燃烧气体中回收更多的热量用于低温热应用，如可选的过程步骤245所示。例如，在一个实施方式中，冷却的燃烧气体可以在约300℃的温度下，并且可以用于低温应用，包括但不限于热水、低压蒸汽、底部循环发电、吸收制冷等。进一步冷却的燃烧气体离开低温热交换器25，并且如果需要可以被排出或再循环。
术语“约”旨在包括与基于提交申请时可用的设备的特定数量的测量相关联的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或5％或2％的范围。
本文所使用的专业术语仅用于描述特定实施方式的目的，而不旨在限制。尽管仅结合有限数目的实施方式详细描述了本发明，但是应容易理解，本发明不限于这些公开的实施方式。在此之前未描述但与权利要求的精神和范围相称的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外，尽管已经描述了各种实施方式，但是应理解，本发明的方面可以仅包括所描述的实施方式中的一些。因此，实施方式不应被视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (28)

1.一种热电联产CHP系统，所述CHP系统包括：
燃烧系统，所述燃烧系统具有燃烧室和进给机构，所述进给机构被配置为将固体燃料进给到所述燃烧室中，所述燃烧室具有燃烧空气入口和燃烧气体排气口，其中，所述燃烧室被配置为将膨胀的加热的二次气体接收到所述燃烧空气入口用于所述固体燃料的燃烧；
比例阀，所述比例阀能够操作地与所述燃烧空气入口串联耦接，并且能够操作以控制膨胀的加热的二次气体到所述燃烧空气入口的流动；
微粒分离器，能够操作地连接到所述燃烧室并且被配置为从所述燃烧室接收燃烧气体，所述微粒分离器具有入口和排气口；
排气增压室，所述排气增压室能够操作地连接到所述微粒分离器的所述排气口并且被配置为从所述排气口接收燃烧气体，所述排气增压室包括二次气体端口，所述二次气体端口能够操作以将所述膨胀的加热的二次气体引导到所述排气增压室用于与所述燃烧气体混合以形成混合燃烧气体；
高温热交换器，所述高温热交换器能够操作地耦接到所述排气增压室并且被配置为从所述排气增压室接收所述混合燃烧气体，所述高温热交换器能够操作以将热量从所述混合燃烧气体传递到压缩的二次气体；
燃气轮机，所述燃气轮机具有能够操作地连接在驱动轴上的压缩部和膨胀部，所述燃气轮机被配置为在入口处接收二次气体至所述压缩部并压缩所述二次气体以形成所述压缩的二次气体，并且将所述压缩的二次气体引导到所述高温热交换器的入口以形成加热的压缩的二次气体，所述燃气轮机被配置为在所述膨胀部的入口处接收所述加热的压缩的二次气体以膨胀所述加热的压缩的二次气体以形成所述膨胀的加热的二次气体并产生功，其中，所述燃气轮机的所述膨胀部的输出能够经由第一管道操作地耦接到所述排气增压室的所述二次气体端口以及经由第二管道耦接到所述燃烧室的所述燃烧空气入口；以及
发电机，所述发电机能够操作地连接到所述燃气轮机的所述驱动轴并且被配置为利用所述膨胀部中产生的功来发电。
2.根据权利要求1所述的CHP系统，还包括用于控制所述固体燃料进入所述燃烧室的进给速率的控制机构。
3.根据权利要求2所述的CHP系统，其中，所述控制机构包括所述进给机构和控制阀。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的CHP系统，还包括温度传感器，所述温度传感器能够操作以感测在所述燃烧气体排气口处的所述燃烧气体的温度。
5.根据权利要求4所述的CHP系统，其中，所述温度传感器是热电偶、红外检测器以及半导体检测器中的一个。
6.根据权利要求5所述的CHP系统，其中，所述微粒分离器是旋风分离器，所述旋风分离器能够操作地耦接到料斗用于去除微粒物质。
7.根据权利要求6所述的CHP系统，其中，所述旋风分离器被配置为去除99%的所有大于5微米的微粒物质。
8.根据权利要求1所述的CHP系统，其中，
所述比例阀能够操作地连接到控制器，并且被配置为控制所述膨胀的加热的二次气体到所述燃烧室的流动；
所述控制器被配置为操作所述比例阀以基于所述膨胀的加热的二次气体、所述燃烧气体以及所述混合燃烧气体中的至少一种的温度来控制所述膨胀的加热的二次气体的流动以与所述燃烧气体混合。
9.根据权利要求1所述的CHP系统，其中，所述比例阀能够操作地连接到控制器，并且被配置为控制所述膨胀的加热的二次气体进入所述燃烧室的流动。
10.根据权利要求9所述的CHP系统，其中，所述控制器被配置为操作所述比例阀以基于所述膨胀的加热的二次气体、所述燃烧气体、所述混合燃烧气体以及所述加热的压缩的二次气体中的至少一种的温度来控制所述膨胀的加热的二次气体到所述燃烧室的流动。
11.根据权利要求10所述的CHP系统，其中，所述控制器被配置为操作所述比例阀以基于所述加热的压缩的二次气体的所述温度来控制所述膨胀的加热的二次气体到所述燃烧室的流动。
12.根据权利要求1所述的CHP系统，还包括第二温度传感器，所述第二温度传感器能够操作以感测所述混合燃烧气体的温度。
13.根据权利要求12所述的CHP系统，还包括第三温度传感器，所述第三温度传感器能够操作以感测所述膨胀的加热的二次气体的温度。
14.根据权利要求2所述的CHP系统，还包括控制器，所述控制器能够操作地连接到第一温度传感器、第二温度传感器以及第三温度传感器中的至少一个，所述控制器还能够操作地连接到所述控制机构和所述比例阀中的至少一个，所述控制器被配置为控制所述固体燃料进入所述燃烧室的进给速率、所述膨胀的加热的二次气体进入所述燃烧室的流动以及所述混合燃烧气体的温度中的至少一个。
15.根据权利要求1所述的CHP系统，还包括鼓风机和加热器，所述鼓风机和所述加热器能够操作地连接到所述燃烧室，所述鼓风机和所述加热器被配置为操作以启动所述燃烧室中的所述固体燃料的燃烧。
16.根据权利要求1所述的CHP系统，还包括引风排气扇，所述引风排气扇能够操作地连接到所述燃烧室，所述引风排气扇被配置为将所述燃烧室维持在比所述膨胀的加热的二次气体的压力更低的压力下。
17.根据权利要求1所述的CHP系统，其中，所述高温热交换器被配置为单个逆流热交换器。
18.根据权利要求1所述的CHP系统，还包括低温热交换器，所述低温热交换器能够操作地连接到所述高温热交换器，并且被配置为接收已经在所述高温热交换器中冷却的所述混合燃烧气体，所述低温热交换器能够操作以将热量从所接收的冷却的混合燃烧气体传递到二次工作流体用于二次应用。
19.一种操作热电联产CHP系统的方法，所述CHP系统包括燃烧系统，所述燃烧系统具有燃烧室和进给机构，所述进给机构被配置为将固体燃料进给到所述燃烧室中，所述燃烧室具有燃烧空气入口和燃烧气体排气口，其中，所述燃烧室被配置为接收膨胀的加热的二次气体到所述燃烧空气入口的流动以用于所述固体燃料的燃烧，所述CHP系统还包括：比例阀，所述比例阀能够操作地与所述燃烧空气入口串联耦接，并且能够操作以控制所述膨胀的加热的二次气体到所述燃烧空气入口的流动；微粒分离器，能够操作地连接到所述燃烧室并且被配置为从所述燃烧室接收燃烧气体，所述微粒分离器具有入口和排气口，所述CHP系统还包括排气增压室，所述排气增压室能够操作地连接到所述微粒分离器的所述排气口并且被配置为从所述排气口接收燃烧气体，所述排气增压室包括二次气体端口，所述二次气体端口能够操作以将所述膨胀的加热的二次气体引导到所述排气增压室用于与所述燃烧气体混合以形成混合燃烧气体，所述CHP系统还包括高温热交换器，所述高温热交换器能够操作地耦接到所述排气增压室并且被配置为接收所述混合燃烧气体至压缩的二次气体，所述CHP系统还包括燃气轮机，所述燃气轮机具有能够操作地连接在驱动轴上的压缩部和膨胀部，所述燃气轮机被配置为在入口处接收二次气体至所述压缩部并压缩所述二次气体以形成所述压缩的二次气体，并且将所述压缩的二次气体引导到所述高温热交换器的入口以形成加热的压缩的二次气体，所述燃气轮机被配置为接收所述加热的压缩的二次气体以形成所述膨胀的加热的二次气体并产生功，其中，所述燃气轮机的所述膨胀部的输出能够经由第一管道操作地耦接到所述排气增压室的所述二次气体端口以及经由第二管道耦接到所述燃烧室的所述燃烧空气入口，所述CHP系统还包括发电机，所述发电机能够操作地连接到所述燃气轮机的所述驱动轴并且被配置为利用所述膨胀部中产生的功来发电，所述方法包括：
在所述燃烧室中启动燃烧过程，并且用所述膨胀的加热的二次气体燃烧所述固体燃料并产生所述燃烧气体；
通过将所述燃烧气体与所述膨胀的加热的二次气体混合来调节所述燃烧气体的温度以产生所述混合燃烧气体；
使用所述压缩部压缩所述二次气体以形成所述压缩的二次气体；
在所述高温热交换器中将热量从所述混合燃烧气体传递到所述压缩的二次气体以形成所述加热的压缩的二次气体；
膨胀所述加热的压缩的二次气体并由此产生功；以及
采用使用所述发电机所产生的功。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括控制所述固体燃料进入所述燃烧室的进给速率和控制所述膨胀的加热的二次气体进入所述燃烧室的流速中的至少一个，其中，控制所述固体燃料的进给速率和控制所述膨胀的加热的二次气体的流速中的至少一个基于所述膨胀的加热的二次气体的温度、所述混合燃烧气体的温度、所述燃烧气体的温度和所述产生的功中的至少一个。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，控制所述燃烧气体的温度的调节包括控制所述膨胀的加热的二次气体的流动以及在所述微粒分离器中分离微粒之后将所述膨胀的加热的二次气体与所述燃烧气体混合。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，还包括测量所述燃烧气体的温度。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括测量所述混合燃烧气体的温度。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括测量所述膨胀的加热的二次气体的温度。
25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述高温热交换器是逆流热交换器。
26.根据权利要求20所述的方法，其中，所述膨胀的加热的二次气体处于600°C的温度下，并且被直接注入到所述燃烧过程中。
27.根据权利要求19所述的方法，其中，所述燃烧过程达到1000°C、1050°C、1100°C以及1150°C中的至少一个的温度。
28.根据权利要求19所述的方法，还包括用所述微粒分离器从所述燃烧气体中去除微粒物质。
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