CN113606100A

CN113606100A - 太阳能微型燃气轮机系统

Info

Publication number: CN113606100A
Application number: CN202110242014.4A
Authority: CN
Inventors: 肖刚; 帅威; 陈金利; 倪明江; 骆仲泱; 岑可法
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-03-04
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2041-03-04
Also published as: CN113606100B

Abstract

本发明公开了一种太阳能微型燃气轮机系统，包括压气机、回热器、带有采光孔的太阳能高温空气吸热器、燃烧室、燃气透平、换热器、冷凝器、给水泵、水工质吸热器，空气由压气机吸入增压后，与水工质吸热器加热后的蒸汽一起进入回热器的空气侧进口，回热器预热的空气蒸汽混合气体进入太阳能高温空气吸热器进一步加热后进入燃烧室。传统燃气轮机系统和太阳能发电系统的结合，充分利用了太阳能高温空气吸热器采光孔周围的能量，提高了吸热器的截断效率和太阳能利用率，减少了燃料的消耗，同时也解决了太阳能发电单一系统供电的间歇性问题。

Description

太阳能微型燃气轮机系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种太阳能微型燃气轮机系统。

背景技术

天然气发电是最稳定的分布式供能方式之一，但是，天然气资源是属于易消耗的不可再生的能源，并且天然气资源燃烧往往会产生大量的CO₂和CO，对环境造成不利的影响。这就需要尽量开发和使用一些可再生的清洁能源来作为天然气的替代或补充。

太阳能是一种遍布全球取之不尽用之不竭的最好的可再生能源，开发利用太阳能这种清洁、无污染的可再生能源，对于减轻目前化石能源压力、环境污染压力等具有重要意义。太阳能热发电技术是将太阳能热能转变为电能，主要有塔式、槽式、碟式三种利用方式，但是太阳能直接热发电效率都较低，其中塔式光热发电系统的效率在15％～20％，大量的光热转换能量没有得到利用。另外，单独的太阳能热发电系统在夜间或者阴雨天也无法提供能量。因此，考虑到可以将太阳能集热与其他发电系统，比如燃气轮机发电系统结合起来，互为补充从而提高整体的发电能力和发电稳定性。

其中，燃气轮机发电系统具有效率高、起动快、调峰性能好、建设周期短、占地面积小，耗水少，以及环境污染小等一系列优点，特别是微型燃气轮机发电系统(25～500kW)分布更灵活、可操作性更好。但是由于天然气原料供应问题，燃气轮机发电技术在一定程度上受到了制约。因此，在保证系统效率和功率的条件下，尽量减少燃料耗量有利于燃气轮机发电系统的更广泛的使用。因此，太阳能集热与燃气轮机发电系统结合，利用太阳辐射能代替部分需要的燃料热能，能够减少燃气轮机发电系统需要的燃料量。

但是，现有的太阳能发电系统，例如塔式光热发电系统主要由聚光系统、吸热系统、储热系统、二次回路换热系统和发电系统等部分组成。对于聚光系统，在实验过程中发现，定日镜场反射的太阳光很难完全聚焦到中心区域，在太阳能高温空气吸热器采光孔周围存在部分聚光截断损失。并且，在燃气轮机发电系统中，燃气透平排出的高温废气经过回热器后被直接排出，此时的高温废气还具有较多的热量，导致其能量转化率较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能微型燃气轮机系统，其能够进一步充分利用能流密度较低的太阳能和燃气透平排出的高温废气经过回热器之后的部分热量，从而实现能量的最大化利用。

该太阳能微型燃气轮机系统包括：压气机、回热器、带有采光孔的太阳能高温空气吸热器、燃烧室、燃气透平、换热器、冷凝器、给水泵、水工质吸热器，该压气机、回热器的空气侧进口、燃烧室以及燃气透平的入口顺次相连，太阳能高温空气吸热器与该顺次相连而成的通路选择性地连通，该燃气透平的出口、回热器的烟气侧进口、换热器的烟气侧、冷凝器、给水泵、水工质吸热器以及回热器的空气侧顺次相连，空气由压气机吸入增压后，与由水工质吸热器加热后的蒸汽一起进入回热器的空气侧进口，经回热器预热的空气蒸汽混合气体，进入太阳能高温空气吸热器，通过太阳能高温空气吸热器加热后进入燃烧室。

根据该技术方案，通过在燃气轮机系统的循环中增加太阳能高温空气吸热器，提高进入燃烧室的空气的温度，并且增加水工质空气吸热器，可以充分利用太阳能高温空气吸热器采光孔周围的能量，提高太阳能高温空气吸热器的截断效率和太阳能利用率，从而减少燃料的用量；此外，通过回注蒸汽降低燃烧室过高温度，可减少过量空气进量，减少燃烧室的排放，减小压气机耗功，提高系统比功率和调峰能力，解决了塔式光热发电系统中吸热系统能量利用率低和太阳能单独热发电效率低的问题，提高了燃气轮机系统的发电效率和能量利用率，同时提高系统的调峰能力，实现多能源综合利用

作为优选，该太阳能微型燃气轮机系统还包括三开阀，三开阀分别控制与回热器的空气侧进口、太阳能高温空气吸热器以及燃烧室之间的通路开闭。根据该技术方案，在阴天或者夜晚不具有太阳能发电的条件的情况下，通过三开阀的开闭调整燃气轮机系统的循环回路从而实现持续发电效果。

作为优选，该太阳能微型燃气轮机系统还包括开关阀，控制水工质吸热器与回热器的空气侧进口之间的通路开闭。根据该技术方案，与三开阀配合调整该太阳能微燃气轮机系统的循环回路，在不具备太阳能发电条件时闭合开关阀，以切断水工质吸热器通向回热器的蒸汽循环回路。

作为优选，该太阳能微型燃气轮机系统还包括工质泵、附加燃气透平以及附加冷凝器，工质泵、换热器、附加燃气透平以及附加冷凝器顺次相连。根据该技术方案，在太阳能微型燃气轮机系统的回路中增加有机朗肯循环，进一步对燃气透平排出的高温废气进行利用，进行二次发电，从而提高整体的发电效率。

作为优选，水工质吸热器环绕在太阳能高温空气吸热器的采光孔周围。根据该技术方案，将水工质吸热器环绕采光孔设置，从而可以对在太阳能高温空气吸热器采光孔周围存在部分聚光截断损失的能量进行利用，进一步提高太阳能微型燃气轮机的能量转换率。

作为优选，水工质吸热器为环形的蒸汽吸热管。环形蒸汽吸热管可以吸收太阳能高温空气吸热器采光孔周围的热量，进而对水工质进行加热。通过设置成环形，能够增加蒸汽吸热管和太阳能高温空气吸热器在水工质吸热器中的接触面积，并且，环形管道路径更长，有利于延长加热时间，使得加热效果更好。

作为优选，太阳能高温空气吸热器为管式吸热器或容积式吸热器。根据该技术方案，用户能够根据实际情况进行选择，其中，管式吸热器多管进行吸热储热，升温更快；容积式吸热器则具有更大的储热量。

作为优选，该通路形成为具有保温层的管路。根据该技术方案，具有保温层的管路可以更大程度地减少工质传输过程中能量的逸散，从而提高能量的利用率。

附图说明

图1为本发明实施方式中太阳能微型燃气轮机系统；

图2为本发明实施方式中太阳能高温空气吸热器和水工质吸热器的工作原理图；

图3为本发明实施方式中水工质吸热器的剖面图。

附图标记：

1-压气机 2-回热器 3-三开阀 4-太阳能高温空气吸热器

5-燃烧室 6-燃气透平 7-冷凝器 8-给水泵 9-水工质吸热器

10-开关阀 11-工质泵 12-换热器 13-附加燃气透平

14-附加冷凝器 15-蒸汽吸热管 16-采光孔 17-进口集箱

18-空气吸热管 19-保温层 20-出口集箱

a-水工质入口 b-空气入口 c-蒸汽出口 d-空气出口

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

1.整体结构

图1为本发明实施方式中提供的太阳能微型燃气轮机系统的整体结构示意图。如图1所示，该燃气轮机系统包括：压气机1、回热器2、三开阀3、太阳能高温空气吸热器4、燃烧室5、燃气透平6、冷凝器7、给水泵8、水工质吸热器9、开关阀10、工质泵11、换热器12、附加燃气透平13、附加冷凝器14。

其中，该燃气轮机系统的连接结构为：压气机1、回热器2空气侧、太阳能高温空气吸热器4、燃烧室5、燃气透平6顺次相连，三开阀3连通回热器2空气侧、太阳能高温空气吸热器4、燃烧室5，燃气透平6出口、回热器2烟气侧、换热器12烟气侧、冷凝器7顺次相连，给水泵8、水工质吸热器9顺次相连，通过开关阀10与回热器2空气侧连接，工质泵11、换热器12工质侧、附加燃气透平13、附加冷凝器14顺次相连，其中，水工质吸热器9环绕在太阳能高温空气吸热器4的采光孔16的周围设置。

1.1太阳能高温空气吸热器4和水工质吸热器9

图2为本实施方式中的太阳能高温空气吸热器4和水工质吸热器9的工作原理图，包括环形蒸汽吸热管15、进口集箱17、采光孔16、空气吸热管18、保温层19、出口集箱20。经过压气机1增压后的空气和由水工质吸热器9加热后的蒸汽一起进入回热器2的空气侧入口，经回热器2预热后的空气蒸汽混合气体，进入太阳能高温空气吸热器4，其中，水工质由水工质入口a进入，经过环形蒸汽吸热管15进行加热，得到更高温度的蒸汽，从蒸汽出口c释放出来，而与此同时，预热后的空气从空气入口b进入，经过空气吸热管18进一步加热，得到更高温度的空气，从空气出口d释放出来，混合气体进入燃烧室5做功，进而减少燃料的消耗。

图3为水工质吸热器9的剖面图，主要为环形蒸汽吸热管15的剖面图，环形蒸汽吸热管15可以吸收太阳能高温空气吸热器4采光孔16周围的热量，进而对水工质进行加热，设置成环形能够增加蒸汽吸热管15和太阳能高温空气吸热器4在水工质吸热器9中的接触面积，并且，环形管道路径越长，越有利于延长加热时间，使得加热效果更好。

其中，优选地，太阳能高温空气吸热器4为管式吸热器或容积式吸热器。根据该技术方案，用户能够根据实际情况进行选择，其中，管式吸热器多管进行吸热储热，升温更快；容积式吸热器则具有更大的储热量。

1.2通路

在本实施方式中，各个装置之间的通路形成为具有保温层19的管路。具有保温层19的管路可以更大程度的减少工质传输过程中能量的逸散，从而提高能量的利用率。

2.运行实例

下面，结合具体的运行实例对该太阳能微型燃气轮机系统的发电循环进行说明。

具体地，作为一个例子，空气通过压气机1进入该太阳能微型燃气轮机系统，压气机1对进入的空气进行加压，加压后的空气通向回热器2中的混合气通路，此外，由燃烧室5排出的高温烟气经过回热器2后进入冷凝器7冷凝后排出废气，冷凝后的水与外界供水混合进入给水泵8，由给水泵8加压后通入水工质吸热器9，水工质吸热器9设置在太阳能高温空气吸热器4采光孔16周围，液态水进入该水工质吸热器9后，吸收该太阳能高温空气吸热器4采光孔16周围的热量汽化后以水蒸汽的形态与空气混合回注入回热器2的混合气通路中，同时，由燃烧室5排出的高温烟气通过回热器2的烟气侧进入回热器2内的烟气通路，从而利用燃气透平6排出的高温烟气对混合气进行预热，使混合气温度达到580℃左右，该混合气经回热器2预热后通过太阳能高温空气吸热器4进入燃烧室5，太阳能高温空气吸热器4将太阳能转换为热能并加热经过预热的空气，此时，太阳能高温吸热器4出口工质的温度达到800℃左右。燃料(天然气)由燃烧室5的喷口喷入，与过量空气和水蒸汽混合反应，产生950℃左右高温燃气，进入燃气透平6做功后排出烟气至回热器2，从而循环发电。

其中，该太阳能微型燃气轮机系统中，水工质经过水工质吸热器9后与空气混合在一起进入回热器2，经过燃烧室5加热后送入燃气透平6做功，从燃气透平6中排出的水蒸汽和空气混合气经过回热器2和换热器12后，水蒸汽可以通过多种方法回收。

具体地，上述水蒸汽可以通过化学法利用MgSO₄、MgCl₂、MgO、CaSO₄、CaCl₂、CaO中的一种或多种通过结晶来回收混合气中的水；也可以通过吸附法，采用变压吸附来回收混合气中的水；也能通过冷凝法，增加换热面，利用冷凝器7中的水来冷却混合气，回收混合气中的水；还能通过溶液吸收法，利用混合气体在某一吸收剂中的溶解度不同，回收混合气中的水，采用此种方法还可以利用余热，产生制冷效果，用于冷却燃气轮机入口的空气温度，进一步提高能量利用效率，回收水蒸汽后的乏气排入大气。

在本实施例中，通过在燃气轮机系统的循环中增加太阳能高温空气吸热器4，提高进入燃烧室5的空气温度，并且增加水工质吸热器9，可以充分利用太阳能高温空气吸热器4采光孔16周围的能量，提高太阳能高温空气吸热器4的截断效率和太阳能利用率，从而减少燃料的用量；此外，通过回注蒸汽降低燃烧室5的过高温度，可减小过量空气进量，减少燃烧室5的排放，减少压气机1耗功，提高系统比功率和调峰能力，解决了塔式光热发电系统中吸热系统能量利用率低和太阳能单独热发电效率低的问题，提高了燃气轮机发电效率和系统的能量利用率，同时提高了系统的调峰能力，实现了多能源的综合利用。

作为又一个例子，在阴天或者晚上等无法进行太阳能发电的情况下，空气通过压气机1进入该太阳能微型燃气轮机系统，压气机1对进入的空气进行加压，加压后的空气通过回热器2中的空气通路，同时，由燃烧室5排出的高温烟气对燃气透平6做功，燃气透平6排出的低温烟气进一步通过回热器2的烟气侧进入回热器2内的烟气通路，从而利用燃气透平6排出的高温烟气对压缩空气进行预热，使空气温度达到580℃左右，三开阀3连接回热器2与燃烧室5，并切断太阳能高温空气吸热器4与回热器2之间的通路，从而预热后的空气直接进入燃烧室5内与天然气进行混合，同时，设置在回热器2与水工质吸热器9之间的开关阀10关闭，配合三开阀3切断水蒸气进入太阳能微型燃气轮机系统的循环回路。

在本实施例中，通过三开阀3和开关阀10的开闭，使得该太阳能微型燃气轮机系统在阴天或者夜晚不具有太阳能发电条件的情况下，实现24小时不间断发电。

作为再一个例子，本运行实例是对于上述运行实例的进一步改进，未做说明的附图标记与循环过程均与上述实施例相同，在此不做赘述。在本运行实例的太阳能微型燃气轮机系统中，增设一个有机朗肯循环在回热器2与冷凝器7的之间的通路上，具体地，当高温烟气在回热器2中对空气预热后排出时，将通入该有机朗肯循环的换热器12，在换热器12中设置有有机工质R141b通路，该有机工质R141b通过工质泵11增压，进入换热器12中的有机工质通路，与换热器12中的高温烟气通路进行换热，从而加热有机工质R141b至一定压力和温度，有机工质R141b被加热到110℃左右进入附加燃气透平13做功，附加燃气透平13废气通过附加冷凝器14回收有机工质，冷凝后的有机工质再次通过该工质泵11加压通入换热器12进行热交换，从而实现利用高温烟气的余热进行二次发电的循环。

在本实施方式中，经过申请人的不懈尝试，得出在满足系统净输出功率和燃烧室5出口烟气温度基本相同的条件下，相比于无太阳集热、无蒸汽注入、无有机朗肯循环的燃气轮机发电系统，图1结合蒸汽注入和有机朗肯循环的太阳能微型燃气轮机系统，可以减少燃料消耗量约86％；由于饱和蒸汽可以降低燃烧室5过高温度，减少了燃烧所需的过量空气耗量，从而减少压气机1耗功，而有机朗肯循环充分利用了燃气透平6废气中的能量，提高了能量的利用率，两者结合系统总功率提高了37.7％，其中蒸汽注入可提高系统发电功率为8.29kW，有机朗肯循环可提高系统发电功率为30.37kW；通过回热器2和换热器12的回收利用，排烟温度由645℃分别降低到270℃、66℃；系统发电效率可以提高5.4个百分点。

其中，在发明的本实施方式中，举例说明了各个加热装置对其中的介质加热或冷凝后所达到的温度，例如在运行实例中举例说明了太阳能高温吸热器4出口工质的温度达到800℃左右，本领域技术人员能够理解的是，这些具体的温度数据并非对本发明的限制，而是作为参考供本领域技术人员进行选择，应用本发明的循环原理在不同的应用场景下，加热和冷凝温度不同的情况，均落入本发明的保护范围之内。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims

1.一种太阳能微型燃气轮机系统，其特征在于，包括压气机、回热器、带有采光孔的太阳能高温空气吸热器、燃烧室、燃气透平、换热器、冷凝器、给水泵、水工质吸热器，

所述压气机、所述回热器的空气侧进口、所述燃烧室以及所述燃气透平的入口顺次相连，所述太阳能高温空气吸热器与该顺次相连而成的通路选择性地连通，

所述燃气透平的出口、所述回热器的烟气侧进口、所述换热器的烟气侧、所述冷凝器、所述给水泵、所述水工质吸热器以及所述回热器的空气侧顺次相连，

空气由所述压气机吸入增压后，与由所述水工质吸热器加热后的蒸汽一起进入所述回热器的空气侧进口，经所述回热器预热的空气蒸汽混合气体，进入所述太阳能高温空气吸热器，通过所述太阳能高温空气吸热器加热后进入所述燃烧室。

2.如权利要求1所述的太阳能微型燃气轮机系统，其特征在于，还包括三开阀，所述三开阀分别控制与所述回热器的空气侧进口、所述太阳能高温空气吸热器以及所述燃烧室之间的通路开闭。

3.如权利要求1或2所述的太阳能微型燃气轮机系统，其特征在于，还包括开关阀，控制所述水工质吸热器与所述回热器的空气侧进口之间的通路开闭。

4.如权利要求1或2所述的太阳能微型燃气轮机系统，其特征在于，还包括工质泵、附加燃气透平以及附加冷凝器，所述工质泵、所述换热器、所述附加燃气透平以及所述附加冷凝器顺次相连。

5.如权利要求1或2所述的太阳能微型燃气轮机系统，其特征在于，所述水工质吸热器环绕在所述太阳能高温空气吸热器的所述采光孔周围。

6.如权利要求5所述的太阳能微型燃气轮机系统，其特征在于，所述水工质吸热器为环形的蒸汽吸热管。

7.如权利要求1所述的太阳能微型燃气轮机系统，其特征在于，所述太阳能高温空气吸热器为管式吸热器或容积式吸热器。

8.如权利要求1所述的太阳能微型燃气轮机系统，其特征在于，所述通路形成为具有保温层的管路。