CN115898577A - 一种空气布雷顿发电系统及发电厂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气布雷顿发电系统及发电厂，涉及热循环发电系统领域及发电领域。空气布雷顿发电系统，包括动力系统、减速器、压气机、加热换热器、透平，动力系统四象限变频器和电动发电机，系统在启动过程中，电流是从电网输入到四象限变频器，空气从压气机的进气口进入，经压气机对空气升压后进入加热换热器，加热换热器利用高品位热源对空气进行加热，之后高温空气进入透平对外做功，此时电动发电机处于发电状态，电流是从四象限变频器输出到电网。本发明提供的空气布雷顿发电系统利用高品位热源发电，在运行维护过程中摆脱对燃烧室燃的依赖，能够满足发电厂长时间运行的需求，满足社会对能源系统的清洁性、高效性和安全性的要求。

Description

一种空气布雷顿发电系统及发电厂

技术领域

本发明涉及热循环发电系统领域及发电领域，尤其涉及一种空气布雷顿发电系统及发电厂。

背景技术

燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。燃气轮机的一种应用是发电，并可以用于多种发电形式。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

现有的燃气轮机发电厂是用液体和气体燃料通过燃气轮机转变为机械能，然后带动发电机发电，燃气轮机装置在工作过程中，需要在燃烧室内与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体，从而将燃料的能量转变为有用功，对燃料依赖性比较强，使其在运行维护过程中需要不断补充燃料，不能满足长时间运行的需求。此外，随着社会对能源系统的清洁性、高效性和安全性要求越来越高，亟待提供一种在运行维护过程中不需要不断补充燃料，并能够满足长时间运行的需求的热循环发电系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用高品位热源的布雷顿循环发电系统。

为达此目的，一方面，提供了一种空气布雷顿发电系统,包括动力系统，上述动力系统包括四象限变频器和电动发电机，上述四象限变频器一端与上述电动发电机电连接，另一端接到电网；减速器，上述减速器包括输入轴和输出轴，上述输入轴与上述电动发电机连接，输出轴包括第一端和第二端，上述第一端和上述第二端分别从减速器的两侧伸出；压气机，上述压气机包括进气口、出气口和压气机轴，上述压气机轴与上述输出轴的上述第一端连接；上述压气机还包括进气导叶调节装置，位于上述压气机的进气口处；加热换热器，上述加热换热器包括流体进口、流体出口、介质进口和介质出口；上述压气机的上述出气口与上述加热换热器的流体进口连通；上述加热换热器的介质利用高品位热源；透平，上述透平具有进气口和透平轴，上述透平的上述进气口与上述流体出口连通，上述透平轴与上述输出轴的上述第二端连接。

优选地，上述减速器为齿轮减速器。

优选地，上述减速器的上述输入轴和/或上述输出轴处设置有联轴器。

优选地，上述加热换热器的上述介质进口与上述介质出口连接在热源的两端，上述热源利用核能。

优选地，上述压气机为离心式，上述透平为向心式。

优选地，还包括旁路调节阀，上述旁路调节阀位于上述加热换热器的上述流体出口和上述透平的上述进气口的通路上。

优选地，还包括紧急切断阀，上述紧急切断阀位于上述旁路调节阀和上述透平的上述进气口的通路上。

优选地，在上述压气机的出气口与上述加热换热器的上述流体进口的通路上还设置有止回阀，上述止回阀的进口与上述压气机连通，上述止回阀的出口与上述加热换热器的进口连通。

优选地，上述压气机的出气口处还设置有压气机退喘阀，上述压气机退喘阀位于上述压气机的出气口和上述止回阀的进口之间。

另一方面，提供了一种发电厂，包括上述任一项的空气布雷顿发电系统。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

空气布雷顿发电系统包括四象限变频器和电动发电机，四象限变频器一端与电动发电机电连接，另一端接到电网。空气布雷顿发电系统在启动过程中，电流是从电网输入到四象限变频器，即电动发电机处于电动状态；空气布雷顿发电系统在正常运行过程中，电流是从四象限变频器输出到电网，即电动发电机处于发电状态。

减速器包括输入轴和输出轴，输入轴与电动发电机连接，输出轴包括第一端和第二端，第一端和第二端分别从减速器的两侧伸出，输出轴的第一端与压气机连接，输出轴的第二端与透平连接，即输出轴的两端分别连接压气机和透平，减速器输出轴、压气机和透平组成布雷顿循环。

压气机包括进气口、出气口和压气机轴，压气机轴与减速器的输出轴的第一端连接。压气机进气口处设置有进气导叶调节装置，以调节压气机进口风量。加热换热器包括流体进口、流体出口、介质进口和介质出口，压气机的出气口与加热换热器的流体进口连通，空气从压气机的进气口进入，经压气机对空气升压后进入加热换热器，加热换热器利用高品位热源对空气进行加热，之后高温空气进入透平对外做功，动力经减速器传递给电动发电机，此时电动发电机处于发电状态，电流是从四象限变频器输出到电网。

本方案的空气布雷顿发电系统，利用高品位热源实现对压气机排气温度的提高，使其满足透平的做功要求。因此，在运行维护过程中摆脱对燃烧室燃料的依赖，无需不断补充燃料，能够满足长时间运行的需求，结构简单，操作方便。发电厂利用高品位热源发电，在运行维护过程中摆脱对燃烧室燃的依赖，无需不断补充燃料，能够满足发电厂长时间运行的需求，满足社会对能源系统的清洁性、高效性和安全性的要求，而且结构简单、操作方便、便于维护。

附图说明

图1是本发明的空气布雷顿发电系统的流路图。

图中：1-压气机；2-减速器；3-透平；4-压气机退喘阀；5-止回阀；6-加热换热器；7-旁路调节阀；8-紧急切断阀；9-电动发电机；10-四象限变频器；11-电网。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，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。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一：

如图1所示，本实施例提供了一种空气布雷顿发电系统，包括动力系统、减速器2、压气机1、加热换热器6、透平3。

动力系统包括四象限变频器10和电动发电机9，四象限变频器10一端与电动发电机9电连接，另一端接到电网11。减速器2包括输入轴和输出轴，输入轴与电动发电机9连接，输出轴包括第一端和第二端，第一端和所述第二端分别从减速器2的两侧伸出，压气机1通过压气机轴连接在减速器2的输出轴的第一端，透平3通过透平轴连接在减速器2的输出轴的第二端，压气机1、透平3与减速器2的输出轴组成空气布雷顿循环。加热换热器6包括流体进口、流体出口、介质进口和介质出口，压气机1的出气口与加热换热器6的流体进口连通，加热换热器6的介质利用高品位热源。空气布雷顿发电系统中压气机对空气加压后进入加热换热器6，加热换热器6利用高品位热源对空气进行加热，之后高温空气进入透平对外做功，经电动发电机和四象限变频器对外发电，电能并入电网。压气机还包括进气导叶调节装置，位于所述压气机的进气口处。进气导叶调节装置通过改变压气机进口前导叶的角度，使气流产生预旋，具有结构简单、能量损失小、调节范围较宽、可以在压气机运行时进行实时调节。

空气布雷顿发电系统在启动过程中，电流是从电网输入到四象限变频器，即电动发电机处于电动状态；空气布雷顿发电系统在正常运行过程中，电流是从四象限变频器输出到电网，即电动发电机处于发电状态。系统在启动过程中，空气从压气机的进气口进入，经压气机对空气升压后进入加热换热器，加热换热器利用高品位热源对空气进行加热，之后高温空气进入透平对外做功，此时电动发电机处于发电状态，电流是从四象限变频器输出到电网，空气布雷顿发电系统进入正常运行工况。

本实施例提供的空气布雷顿发电系统，利用高品位热源实现对压气机排气温度的提高，使其满足透平的做功要求。因此，在运行维护过程中摆脱对燃烧室的依赖，能够满足长时间运行的需求，结构简单，操作方便。

按照本领域技术人员的通常理解，减速器是在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩作用的机械设备，减速器与原动机连接的轴端称为输入轴，减速器与工作机或执行机构连接的轴端称为输出轴，基于此，本实施例将减速器与电动发电机连接的一端称为输入轴，将减速器与压气机、透平连接的一端称为输出轴。因此，本实施例提供中的减速器的输入轴和输出轴对电动发电机和压气机、透平之间的动力传递路线及方向没有限定作用。本实施例的空气布雷顿发电系统在启动时，电流是从电网输入到四象限变频器，即电动发电机处于电动状态，减速器将动力从输入轴传递到输出轴。空气布雷顿发电系统在正常运行过程中，透平轴与减速器的输出轴连接，减速器将动力从输出轴传递到输入轴，此时减速器用于增速，电动发电机处于发电状态，电流是从四象限变频器输出到电网。

优选地，空气布雷顿发电系统的减速器2为齿轮减速器，还可以选用蜗杆传动减速器、齿轮-蜗杆传动减速器。

优选地，空气布雷顿发电系统的减速器2的输入轴和/或输出轴处设置有联轴器，将减速器的轴与电动发电机9、压气机1、透平3牢固地联接起来一同旋转。

优选地，空气布雷顿发电系统的加热换热器6的介质进口与介质出口连接在热源的两端，热源利用核能。核能是一种高品位热源，是一种经济、安全、可靠、清洁的能源，同各种化石能源相比起来，核能对环境和人类健康的危害更小，清洁、高效的核能有着广阔的发展前景。

优选地，空气布雷顿发电系统的压气机1为离心式，透平3为向心式，使得安装在减速器的输出轴两端的压气机和透平为同轴背靠背布置，能够减少机组轴向力，提高运行可靠性。

优选地，还包括辅助系统，辅助系统包含冷却系统、滑油系统、测控系统，其中冷却系统选用空气或油作为冷却介质。

实施例二：

如图1所示，本实施例的空气布雷顿发电系统还包括旁路调节阀7，旁路调节阀7位于加热换热器6的流体出口和透平3的进气口的通路上。旁路调节阀7通过打开或关闭，从而减少或增加透平进气量，实现输出功率调节。

优选地，旁路调节阀7设置在第二支路上，所述第二支路上由加热换热器6的流体出口和透平3的进气口的通路引出，与加热换热器6的流体出口和透平的进气口的通路连通。

优选地，空气布雷顿发电系统还包括功率调节装置，功率调节装置包括透平3前的旁路调节阀7和压气机1进气口的进气导叶调节装置。旁路调节阀7和压气机的进气导叶调节装置能够进一步扩大到空气布雷顿发电系统的功率调节范围，在不改变加热换热器功率的前提下，实现对系统输出功的率实时调节。

本实施例的空气布雷顿发电系统，压气机1进气口处的进气导叶调节装置通过改变压气机1进口前导叶的角度，使气流产生预旋，具有结构简单、能量损失小、调节范围宽、可以在压气机运行时进行实时调节等优点，而旁路调节阀7通过打开或关闭，能够减少或增加透平进气量，实现输出功率调节。功率调节装置在不改变加热换热器功率的前提下，实现对系统输出功的率实时调节。

实施例三：

如图1所示，本实施例的空气布雷顿发电系统，在压气机的出气口与加热换热器6的流体进口的通路上还设置有止回阀5，止回阀5的进口与压气机连通，止回阀5的出口与加热换热器6的进口连通，使得流体仅从压气机流向加热换热器，使加热换热器的流体不能流向压气机，保证了系统运行的安全。

优选地，压气机1的出气口处还设置有压气机退喘阀4，压气机退喘阀4位于压气机的出气口和止回阀5的进口之间。当压气机1进入喘振状态时，开启压气机退喘阀4。空气布雷顿发电系统在运行过程中需要关闭压气机退喘阀4。

优选地，压气机退喘阀4设置在第一支路上，所述第一支路由压气机1的出气口和止回阀5的进口之间的流路引出，与压气机1的出气口和止回阀5的进口的流路连通。

优选地，空气布雷顿发电系统还包括紧急切断阀8，紧急切断阀8位于旁路调节阀7和透平的上述进气口的通路上。空气布雷顿发电系统在运行过程中需要开启透平前紧急切断阀8，关闭压气机退喘阀4。

本实施例的空气布雷顿发电系统，在运行过程中需要开启透平前的紧急切断阀8，关闭压气机退喘阀4。压气机1出口管路设有压气机退喘阀4、止回阀5和加热换热器6，透平3进口管路设有旁路调节阀7和紧急切断阀8。空气流入压气机1中进行加压，之后通过加热换热器6进一步提高温度后流入透平3中对外做功，最后排入大气中。当压气机1进入喘振状态时，开启压气机退喘阀4。在紧急工况下切断紧急切断阀8，进一步保证了系统的安全运行。

实施例四：

本实施例提供了一种发电厂，包括上述实施例的任一种的空气布雷顿发电系统。空气布雷顿发电系统在启动过程中，电流是从电网输入到四象限变频器，即电动发电机处于电动状态；空气布雷顿发电系统在正常运行过程中，电流是从四象限变频器输出到电网，即电动发电机处于发电状态。

优选地，空气布雷顿发电系统还包括控制系统，该控制系统包括空气布雷顿发电系统启停控制、上述的各个工况的正常运行控制和应急控制。

本实施的发电厂，在运行维护过程中利用高品位热源，摆脱对燃烧室燃的依赖，无需不断补充燃料，能够满足发电厂长时间运行的需求，满足社会对能源系统的清洁性、高效性和安全性的要求，而且结构简单、操作方便、便于维护。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空气布雷顿发电系统，其特征在于，包括：

动力系统，所述动力系统包括四象限变频器和电动发电机，所述四象限变频器一端与所述电动发电机电连接，另一端接到电网；

减速器，所述减速器包括输入轴和输出轴，所述输入轴与所述电动发电机连接，输出轴包括第一端和第二端，所述第一端和所述第二端分别从减速器的两侧伸出；

压气机，所述压气机包括进气口、出气口和压气机轴，所述压气机轴与所述输出轴的所述第一端连接；所述压气机还包括进气导叶调节装置，位于所述压气机的进气口处；

加热换热器，所述加热换热器包括流体进口、流体出口、介质进口和介质出口；所述压气机的所述出气口与所述加热换热器的流体进口连通；所述加热换热器的介质利用高品位热源；

透平，所述透平具有进气口和透平轴，所述透平的所述进气口与所述流体出口连通，所述透平轴与所述输出轴的所述第二端连接。

2.根据权利要求1所述的空气布雷顿发电系统，其特征在于，所述减速器为齿轮减速器。

3.根据权利要求1所述的空气布雷顿发电系统，其特征在于，所述减速器的所述输入轴和/或所述输出轴处设置有联轴器。

4.根据权利要求1所述的空气布雷顿发电系统，其特征在于，所述加热换热器的所述介质进口与所述介质出口连接在热源的两端，所述热源利用核能。

5.根据权利要求1所述的空气布雷顿发电系统，其特征在于，所述压气机为离心式，所述透平为向心式。

6.根据权利要求1所述的空气布雷顿发电系统，其特征在于，还包括旁路调节阀，所述旁路调节阀位于所述加热换热器的所述流体出口和所述透平的所述进气口的通路上。

7.根据权利要求6所述的空气布雷顿发电系统，其特征在于，还包括紧急切断阀，所述紧急切断阀位于所述旁路调节阀和所述透平的所述进气口的通路上。

8.根据权利要求1所述的空气布雷顿发电系统，其特征在于，在所述压气机的出气口与所述加热换热器的所述流体进口的通路上还设置有止回阀，所述止回阀的进口与所述压气机连通，所述止回阀的出口与所述加热换热器的进口连通。

9.根据权利要求8所述的空气布雷顿发电系统，其特征在于，所述压气机的出气口处还设置有压气机退喘阀，所述压气机退喘阀位于所述压气机的出气口和所述止回阀的进口之间。

10.一种发电厂，其特征在于，包括权利要求1-权利要求9任一项所述的空气布雷顿发电系统。

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