CN114761671A - 动力单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种综合动力设备,具体地涉及具有蒸汽涡轮和燃气涡轮的联合循环系统的设备。由于该动力设备由压缩机、燃烧室、涡轮、连接到燃烧室的蒸汽发生器组成,因此在降低输出气体中有害排放量的同时提高了发电厂的效率。燃料气体排放通道配有冷凝器,并连接到蒸馏水收集罐。水收集罐连接到蒸汽发生器。压缩机是螺杆压缩机,并连接到蒸馏水收集罐。压缩机入口连接到空气分离设备。
Description
技术领域
本发明涉及动力领域,涉及综合性动力设备,尤其涉及具有蒸汽和燃气涡轮联合循环系统的蒸汽燃气涡轮动力设备。它可以用来生成电能、机械能和热能。
背景技术
根据俄罗斯联邦实用新型专利No.158646,F02C 6/16,2016,公开一种采用燃气涡轮的动力设备。该动力设备包括压缩机、燃气涡轮单元、用于空气分离的短周期非加热吸附装置,为压缩机提供富氧空气,用于将水或蒸汽注入燃气涡轮的装置。在蒸发器中,使用涡轮废气的热量获得用于喷射到涡轮中的蒸汽。在短循环非加热吸附设备中,再生过程中沿管线周期性排放到大气中的部分氮气在压力下被大气中的吸附剂吸收,富氧空气混合物由增压压缩机泵入储罐。这为燃气涡轮块的长期性能或其在更高功率下的运行提供大量的氧化剂。氧化剂富氧导致燃气涡轮机体燃烧室出口处燃烧产物的温度升高,这对涡轮叶桨是危险的。引入(注入)水或更好是蒸汽,降低了叶桨的温度,同时增加了涡轮中工作流体的消耗。其缺点是动力系统的效率低。
根据发明US 20080320,F02C 1/10,2008的申请,公开一种使用二氧化碳和水的混合物作为工作流体的燃气涡轮设备。该燃气涡轮设备包括压缩机和涡轮。具有多行叶桨的涡轮转子设在壳体中,固定引导件设在壳体和转子之间的空间中的多行可移动叶桨之间。在燃气涡轮设备中提供对涡轮流动通道的修改。具体地,根据其中一个变型,引导叶桨级联中的一些流动通道具有围绕圆周分布的被阻挡扇区。根据第二变型,引入环向流动阻隔件以减小涡轮流动通道的横截面。蒸汽发生装置被设在燃气涡轮设备的散热器中。部分蒸汽产生的流量被给进到承受热负荷涡轮部件的散热件。蒸汽流的第二部分用于蒸汽涡轮的工作。燃气轮机设备具有用于通过去热冷凝工作流体的装置。其缺点是燃气涡轮设备效率低,有害物质排放到大气中。
欧亚专利号001062,F01K 25/08,1999,公开一种用于将压缩气体的能量转换成有用能量的方法和一种用于实现该方法的燃气涡轮(蒸汽涡轮)设备。在该能量转换方法中,将燃料和压缩的气态氧化剂给进到燃烧室中,燃料在燃烧室中燃烧,同时将辅助气体给进到其中以将燃烧产物冷却,燃烧产物被引导到燃气涡轮的叶桨。将氧气和二氧化碳的混合物作为气态氧化剂给进到燃烧室,其中混合物中氧气的浓度基本上等于21%。在燃料燃烧过程中,燃烧区中氧化剂的过量系数必须是1.05-1.15。通过将空气分离成氧气和氮气来获得氧气。
涡轮的废气被冷却至露点以下的温度,而在冷凝物中释放的淡水被转移到储罐。将冷却的废气作为辅助气体给进到燃烧室中。燃气涡轮(蒸汽涡轮)设备包括燃烧室,该燃烧室具有燃料供给入口、氧化剂供给入口和燃烧产物的出口。该压缩机连接在氧化剂供给入口的高压侧。燃气涡轮沿着燃烧产物的流动位于燃烧室之后,并且位于与压缩机的同一轴上。有一种用于将涡轮的废气冷却的装置。燃气涡轮(蒸汽涡轮)设备配备有空气分离装置,其具有氧气和氮气出口。废气冷却装置采用蒸汽发生器或回收锅炉的形式,沿气流顺序布置,接触式省煤器冷却至露点以下温度,配备50-60℃温度的淡水取样管线,以及冷却的燃烧产物的出口。其缺点是设备的效率低,设计的复杂性,大量有害排放到大气中。
专利US5247791,F01K 21/04,1993中公开的产生动力而不排放二氧化碳的动力设备和方法,被认为是与要求保护的本发明技术方案最接近的现有技术。在封闭式动力设备中,燃料给进到燃烧室并在存在氧气而非空气的情况下燃烧。主要包括水和二氧化碳的燃烧气体从燃烧室给进到涡轮。从涡轮排出的废气被给进到回收锅炉以进行热交换操作。进一步,主要包括来自回收锅炉的主要含有水份和二氧化碳的废气,进入冷凝器。主要包括二氧化碳的气体成分在水气分离器中与冷凝水分离,并以压缩状态被给进到燃烧室中。分离出的冷凝水被给进到回收锅炉进行热交换操作,形成过热蒸汽,被给进到燃烧室。蒸汽涡轮可以连接到回收锅炉和发电机。冷凝器应连接到蒸汽涡轮和回收锅炉,使蒸汽涡轮、冷凝器和回收锅炉形成闭合循环。其缺点是设备有效性低,效率低。
发明内容
要求保护的本发明的技术效果是提高动力设备的效率,同时减少输出气体中有害排放。
该技术效果通过如下方式得以实现:该动力设备由连接到燃烧室出口的压缩机、其出口连接到涡轮的的燃烧室、连接到燃烧室的蒸汽发生器、装有冷凝器且连接到蒸馏水收集罐的燃气排放通道组成,该蒸馏水收集罐连接到蒸汽发生器;根据本发明,该压缩机为螺杆压缩机,该压缩机连接到蒸馏水收集罐,该压缩机入口连接到空气分离设备。
该技术效果通过如下方式得以实现:在动力设备中采用容积式压缩机,即同时采用气态和液态介质工作的螺杆多相压缩机。与采用动态式压缩机相比,动态式压缩机中采用绝热方式压缩气体且其效率为80-85%,螺杆式压缩机的效率通常为95%。由于螺杆式压缩机连接到蒸馏水收集箱,水进入压缩机。水在压缩介质的过程中蒸发,使可压缩气体冷却。水具有很高的导热性和热容量,压缩机出口处的压缩气体温度略有升高。由于水在压缩机中蒸发,发生近于等温压缩的气体压缩。由于在加热压缩气体的过程中没有损失,压缩机的效率达到97%,从而提高了动力设备的效率。与不同类型的压缩机相比,由于压缩机的螺杆块中没有摩擦,因此电力消耗显著地减少。这也提高了动力设备的效率。压缩机入口连接到真空短周期吸附设备(VSCA)类型的空气分离装置,其中从大气中去除氮气,氧饱和度高达85%。向压缩机供应已经富集的空气能够降低用于压缩的能量成本并且以压缩状态向燃烧室供应富氧空气。因此,压缩机消耗更少的能量来压缩氧气而不是大气空气,并且在燃烧室中,燃烧过程中产生的能量与气体被未压缩的氧气氧化时产生的能量相同。这提高了燃烧室的效率并消除了燃烧过程中不参与的气体,提供了等于1的氧化剂与燃料量的化学计量比。不参与燃烧的主要气体是体积(和摩尔)浓度约为80%的氮气。从压缩机供应压缩净化的空气到燃烧室显著地降低了NOx、SOx和CO2的含量。
使用VSCA是从空气中获得氧气的最具成本效益的方法之一。在最小成本下从空气获得最大氧气的另一种低成本方法是低温方法。但是,低温方法非常麻烦和且具有惰性。还有其他方法,如膜,使用SCA等。对于要求保护的本发明动力设备,其容量不超过10MW,使用VSCA是最佳的。
附图说明
附图1示出动力设备的操作方案。
具体实施方式
动力设备包括VSCA设备1,其出口连接到螺杆压缩机2的入口,螺杆压缩机2的出口连接到燃烧室3的入口。涡轮4安装在燃烧室3的出口处,蒸汽发生器6安装在离开涡轮4的气体输出通道的部分5中。蒸汽发生器6可以安装在从燃烧室3排出的气体流中。连接到外部冷却器的冷凝器8安装在输出通道的部分7中。输出通道7连接到蒸馏水收集罐9。动力设备的这些部件通过具有截止阀的管线系统彼此连接。蒸馏水收集罐9连接到蒸汽发生器6。蒸汽发生器6通过蒸汽供应管线连接到燃烧室3,燃烧室3连接到燃料供应管线。蒸馏水收集罐9通过供水管线连接到螺杆压缩机2。
动力设备的工作方式如下。
体积氧含量约为10%且氮含量高达80%的大气空气通过过滤器和压缩机(图中未示出)给进到VSCA设备1,在VSCA设备中从空气中除去氮气,使得空气饱含氧气。在VSCA设备的出口处,空气中氮气的体积(和摩尔)浓度为15%,氧气浓度高达85%。富氧空气给进到螺杆压缩机2中并压缩到60巴的压力。同时,来自蒸馏水收集罐9的蒸馏水同时被供应到压缩机2。注入水的情况下使用高压压缩机。当空气在压缩机2的螺杆单元中被压缩时,蒸馏水蒸发,空气不会被加热。由于对压缩机2供水,不需要使用用于冷却压缩空气的油。螺杆压缩机中没有摩擦损失。压缩机2的效率达到97%。从压缩机2的出口,将压缩富氧空气给进到燃烧室3中,燃料气体甲烷和来自蒸汽发生器5的水蒸气也被给进到燃烧室3。通过向燃烧室3供应蒸汽来节省热能,因为不存在从水到蒸汽的相变提高了动力设备的效率。甲烷的燃烧发生在燃烧室3中。甲烷的燃烧过程以等于1的化学计量比发生。进一步,含有氮气和二氧化碳的燃烧产物与蒸汽一起被给进到涡轮4。在燃烧室3的出口处,由于氧化剂完全促成燃料的燃烧,因此没有氧。这可以保护涡轮叶桨免受氧化和破坏。供应到涡轮机4入口的蒸汽保护涡轮叶桨免于承受燃烧产物的高温。此外,燃烧室3的输出通道的面积被扇区形式的保护板部分地阻挡,以保护涡轮4的叶桨免受高温。涡轮4轴杆的旋转能量被转移到能量消耗器。燃烧产物的热废气帮助蒸汽发生器6中形成蒸汽,蒸汽发生器可以安装在燃烧室3之后的燃烧产物流中或安装在涡轮4之后的通道5中。将所得蒸汽给进到燃烧室3中,使涡轮4降温并使涡轮4旋转。冷凝器8连接到外部冷却器,例如,河流,湖泊等,使来自蒸汽发生器6的气体冷却。在气体流7中收集的蒸馏水来自气体被冷却。将所得蒸馏水排出到蒸馏水收集罐9中,并被给回到动力设备的系统中。来自收集罐9的蒸馏水被给进到压缩机2和蒸汽发生器6。由此,由燃烧废物制造蒸馏水,并且替代该系统的润滑,从而提高了设备的效率。含有最小量的NOx的排泄燃烧产物被排放到大气中。本发明提出的动力设备的主要优点是:
-高效率,
-排放到大气中的最低NOx,
-高可靠性和耐用性,
-拒绝使用油来润滑零件。
因此,要求保护的本发明能够提高动力设备的效率,同时减少输出气体中有害排放量。
Claims (1)
1.一种动力单元,其特征在于,所述动力单元由出口连接到涡轮的燃烧室、连接到所述燃烧室出口的压缩机、连接到所述燃烧室的蒸汽发生器、装有冷凝器且连接到蒸馏水收集罐的燃气排放通道组成,所述蒸馏水收集罐连接到所述蒸汽发生器,其中所述压缩机为螺杆压缩机,所述压缩机连接到所述蒸馏水收集罐,所述压缩机入口连接到空气分离设备。
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