CN116447012A - 一种基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，包括：升压富氧器进气管；升压富氧器，其包括多个串联设置的升压富氧单元，每个升压富氧单元包括外壳、冷腔、热腔和微通道隔层，第一个升压富氧单元的冷腔与升压富氧器进气管连通，后一个升压富氧单元的冷腔与前一个升压富氧单元的热腔连通，最后一个升压富氧单元的热腔与燃烧进气管的进口连通；燃烧室，其进气口与燃烧进气管的出口连通；燃气涡轮，其进气口与燃烧室的排气口连通；高温进气总管；以及空气进气总管。采用本发明的燃气轮机装置能够利用燃气涡轮排气余热作为动力，压缩空气并富集其中的氧气，提高燃气涡轮的热效率和输出功率，减少有害气体的排放。

Description

一种基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置
技术领域
本发明涉及动力机械技术领域，特别涉及一种基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置。
背景技术
燃气轮机装置是能量转换的重要设备，其中一类开式循环燃气轮机装置主要包括压气机、燃烧室和燃气涡轮三大部件。在最常用的简单循环中，燃气涡轮产生的机械功有1/2～2/3左右用来带动压气机工作，只剩其余1/3左右的机械功对外输出，致使燃气轮机装置效率较低；另外，燃气涡轮排气的温度较高，导致热能未被充分利用也降低了其效率；再者，燃气涡轮与压气机同轴直联，不能实现压力的独立调节，难以适应不同负荷工况的需求。为提升效率，可采用回热循环或复杂循环，再有就是将燃气轮机与汽轮机等其他热机组合构成联合循环。
在当前“碳达峰、碳中和”战略背景下，燃气轮机装置、特别是重型燃气轮机装置被视为支撑能源绿色低碳转型的关键装备之一。考虑到很多应用场合不一定适用燃气轮机装置复杂循环或联合循环，且这些循环方式并未突破既有燃气轮机装置的结构和工作原理。原创性和颠覆性的燃气轮机技术要采用新方案和新方法，为此，基于热流逸效应提出一种以热压缩替代机械式压气机、且压缩工质的动力来源于燃气涡轮排气废热的新型开式燃气轮机装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，从而克服现有开式燃气轮机装置中机械式压气机需要大量消耗燃气涡轮产生的机械能的缺点，且在一定程度上可实现富氧燃烧以降低污染物排放量。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，包括：升压富氧器进气管；升压富氧器，其包括多个串联设置的升压富氧单元，每个所述升压富氧单元包括外壳、冷腔、热腔和微通道隔层，所述冷腔、所述热腔和所述微通道隔层均设置于所述外壳内，且所述冷腔和所述热腔之间通过所述微通道隔层分隔；所述微通道隔层包括若干个连接相应的所述冷腔和所述热腔的微通道，每个所述微通道的特征尺寸不大于氧气分子平均自由程，所述冷腔内设有冷腔换热器，所述热腔内设有热腔换热器；第一个所述升压富氧单元的冷腔的冷腔进口与所述升压富氧器进气管连通，后一个所述升压富氧单元的冷腔的冷腔进口与前一个所述升压富氧单元的热腔的热腔出口连通，最后一个所述升压富氧单元的热腔的热腔出口与燃烧进气管的进口连通；其中，每个所述冷腔上设有冷腔排气口，且每个所述冷腔排气口与冷腔排气管连通；燃烧室，其进气口与所述燃烧进气管的出口连通，所述燃烧室的燃料进口与燃料输送管连通；燃气涡轮，其进气口与所述燃烧室的排气口连通；高温进气总管，其进口与所述燃气涡轮的排气口连通，每个所述热腔换热器与所述高温进气总管连通；以及空气进气总管，其进口处设有第一引风机，每个所述冷腔换热器与所述空气进气总管连通。
优选地，上述技术方案中，每个所述热腔换热器与所述高温进气总管之间采用同程式连接；其中，每个所述热腔换热器的进口通过高温进气管与所述高温进气总管连通，且所述高温进气管上设有第一气体流量调节阀，所述第一气体流量调节阀为三通温控流量调节阀。
优选地，上述技术方案中，每个所述冷腔换热器与所述空气进气总管之间采用同程式连接；其中，每个所述冷腔换热器的进口通过空气进气管与所述空气进气总管连通，且所述空气进气管上设有第二气体流量调节阀，所述第二气体流量调节阀为三通温控流量调节阀。
优选地，上述技术方案中，还包括第二引风机，所述升压富氧器进气管的进口处设有所述第二引风机。
优选地，上述技术方案中，还包括空气过滤器，所述升压富氧器进气管的进口处设有所述空气过滤器。
优选地，上述技术方案中，所述微通道隔层为耐高温多孔膜。
优选地，上述技术方案中，所述燃烧进气管上设有进气流量调节阀，所述进气流量调节阀为双通流量调节阀；且所述燃料输送管上设有燃料流量调节阀，所述燃料流量调节阀为双通流量调节阀。
优选地，上述技术方案中，所述升压富氧单元的外壳的侧壁上设有保温层。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明基于热流逸效应提出的热驱动升压富氧器采用燃气涡轮排气余热驱动，可通过温差调节增压性能，不与燃气涡轮直联，即不耦合，能够实现气体压缩环节的独立调节而不影响燃气轮机装置的性能；
2.本发明的燃气轮机装置直接利用燃气涡轮排气余热作为空气(或富氧空气)升压的动力源，相比于采用机械式压气机增压的常规方式，其不需要消耗燃气涡轮产生的高品位机械能来压缩空气(或富氧空气)，此时燃气涡轮产生的机械能只用于驱动引风机，而引风机的能耗比压气机低很多，故提高了燃气涡轮的热效率和对外输出的有用功；
3.本发明的燃气轮机装置以无运动部件的热驱动式升压富氧器替代常规的机械式压气机，有助于提升燃气轮机装置工作的稳定性和可靠性，降低噪音，延长其使用寿命；
4.本发明的燃气轮机装置利用升压富氧器可对进入燃烧室的空气进行氧气富集处理，改善空燃比，使得燃烧室内燃料燃烧更加充分，提高燃气涡轮的输出功率，并减少燃烧不充分产生的CO、NOx等有害气体的排放。
附图说明
图1是根据本发明的基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置的结构示意图。
图2是根据本发明的升压富氧单元的结构示意图。
主要附图标记说明：
1-热腔，2-冷腔，3-微通道隔层，4-冷腔进口，5-热腔换热器，6-热腔出口，7-冷腔换热器，8-连接通道，9-第二引风机，10-冷腔排气口，11-外壳，12-燃气涡轮，13-高温进气管，14-第一引风机，15-空气进气管，16-冷腔排气管，17-燃烧室，18-空气过滤器，19-升压富氧器进气管，20-燃料输送管，21-燃料流量调节阀，22-燃烧进气管，23-进气流量调节阀，24-高温进气总管，25-第一气体流量调节阀，26-空气进气总管，27-第二气体流量调节阀。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
图1显示了根据本发明优选实施方式的一种基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置的结构示意图，该燃气轮机装置包括升压富氧器进气管19、升压富氧器、燃烧室17、燃气涡轮12、高温进气总管24以及空气进气总管26。
参考图1和图2，升压富氧器包括多个串联设置的升压富氧单元，每个升压富氧单元包括外壳11、冷腔2、热腔1和微通道隔层3。冷腔2、热腔1和微通道隔层3均设置于外壳11内，且冷腔2和热腔1之间通过微通道隔层3分隔。微通道隔层3包括若干个连接相应的冷腔2和热腔1的微通道，每个微通道的特征尺寸不大于氧气分子平均自由程。冷腔2内设有冷腔换热器7，以冷却冷腔2；热腔1内设有热腔换热器5，以加热热腔1。使得热腔1与冷腔2之间形成温差，从而在微通道隔层3中产生热流逸效应，即当微通道的特征尺寸与气体分子平均自由程相当或更小，并且沿微通道壁面切线方向存在温度梯度时，微通道壁面附近的气体分子会自发地由冷端向热端蠕动；因此，冷腔2内的空气会通过微通道进入到热腔1，从而使热腔1的压力增加，冷腔2的压力减小。另外，空气中各气体组分因自身分子特性不同导致发生热流逸效应的程度不同，在微通道内的流动速度有差异，分子平均自由程较大的氧气分子相比于分子平均自由程较小的氮气分子会更快地由微通道的冷端流到热端，从而使热腔1的氧气浓度增大。第一个升压富氧单元的冷腔2的冷腔进口4与升压富氧器进气管19连通，后一个升压富氧单元的冷腔2的冷腔进口4通过连接通道8与前一个升压富氧单元的热腔1的热腔出口6连通，最后一个升压富氧单元的热腔1的热腔出口6与燃烧进气管22的进口连通，升压富氧单元采用多级串联的连接方式，能够提升升压富氧器的升压性能和气体分离效果。其中，每个冷腔2上设有冷腔排气口10，且每个冷腔排气口10与冷腔排气管16连通，确保冷腔2内有少量空气(或富氧空气)可以通过冷腔排气管16排出系统，以提高装置内气体的流动性。燃烧室17的进气口与燃烧进气管22的出口连通，经过多级升压富氧单元后最终在最后一个热腔1中形成压力较高的富氧空气，通过燃烧进气管22将该富氧空气送入燃烧室17内助燃，改善空燃比，使得燃烧室17内燃料燃烧更加充分，提高燃气涡轮12的输出功率，并减少燃烧不充分产生的CO、NOx等有害气体的排放。燃烧室17的燃料进口与燃料输送管20连通，而燃料输送管20与外界提供燃料的装置连通，用于给燃烧室17提供燃料。燃气涡轮12的进气口与燃烧室17的排气口连通，在燃烧室17内燃烧后形成的高温高压燃气送入燃气涡轮12后，推动燃气涡轮12做功。高温进气总管24的进口与燃气涡轮12的排气口连通，每个热腔换热器5与高温进气总管24连通，推动燃气涡轮12做功后的高温排气通过高温进气总管24输送到每个热腔1的热腔换热器5内，用于加热热腔1，充分利用燃气涡轮12排气的余热，而该高温排气用于加热热腔1后通过高温进气总管24的出口排出系统。空气进气总管26的进口处设有第一引风机14，每个冷腔换热器7与空气进气总管26连通，采用外界空气冷却冷腔2，使热腔1与冷腔2之间形成并维持一定的温差，而外界空气用于冷却冷腔2后通过空气进气总管26的出口排出系统。采用本发明的燃气轮机装置能够直接利用燃气涡轮排气余热作为空气(或富氧空气)升压的动力源，不需要消耗燃气涡轮12产生的高品位机械能来压缩空气(或富氧空气)，以使燃气涡轮12产生的机械能只用于驱动第一引风机14和第二引风机9，而引风机的能耗比压气机低很多，故提高了燃气轮机装置的热效率和对外输出的有用功。
参考图1，每个热腔换热器5与高温进气总管24之间可采用同程式连接或异程式连接。优选地，每个热腔换热器5与高温进气总管24之间采用同程式连接，能够保证进入各级升压富氧单元热腔换热器5的气体都处于同温状态，以防温度失调，使得热腔1与冷腔2之间形成并维持较稳定的温差。其中，每个热腔换热器5的进口通过高温进气管13与高温进气总管24连通，且高温进气管13上设有第一气体流量调节阀25，而第一气体流量调节阀25为设置于高温进气管13与高温进气总管24之间的三通温控流量调节阀，能够根据需求控制热腔1的温度。而每个热腔换热器5的出口通过高温出气管汇集到高温进气总管24的出口处。通过控制冷、热腔的温差调节升压富氧器的升压性能，进而控制燃气涡轮12的输出功率和燃气轮机装置的效率。
参考图1，每个冷腔换热器7与空气进气总管26之间可采用同程式连接或异程式连接。优选地，每个冷腔换热器7与空气进气总管26之间采用同程式连接，能够保证进入各级升压富氧单元冷腔换热器7的气体都处于同温状态，以防温度失调，使得热腔1与冷腔2之间形成并维持较稳定的温差。其中，每个冷腔换热器7的进口通过空气进气管15与空气进气总管26连通，且空气进气管15上设有第二气体流量调节阀27，而第二气体流量调节阀27为设置于空气进气管15与空气进气总管26之间的三通温控流量调节阀，以根据需求控制冷腔2的温度。而每个冷腔换热器7的出口通过空气汇集管汇集到空气进气总管26的出口处。通过控制冷、热腔的温差调节升压富氧器的升压性能，进而控制燃气涡轮12的输出功率和燃气轮机装置的效率。
参考图1，优选地，该燃气轮机装置还包括第二引风机9，升压富氧器进气管19的进口处设有第二引风机9，以更好的将外界空气送入升压富氧器内。
参考图1，优选地，该燃气轮机装置还包括空气过滤器18，升压富氧器进气管19的进口处设有空气过滤器18，且该空气过滤器18最好位于第二引风机9的后方，用于过滤空气中的杂质颗粒，避免微颗粒对燃气涡轮叶片的磨损以及对微通道隔层3造成堵塞，保障整个系统能够正常运行。
参考图1和图2，优选地，微通道隔层3为耐高温多孔膜。
参考图1，优选地，燃烧进气管22上设有进气流量调节阀23，且进气流量调节阀23为双通流量调节阀，用以调节进入燃烧室17的富氧空气流量。燃料输送管20上设有燃料流量调节阀21，且燃料流量调节阀21为双通流量调节阀，用以调节进入燃烧室17的燃料量。
参考图1和图2，优选地，升压富氧单元的外壳11的侧壁上设有保温层，用于保温，避免冷腔2内的冷量或热腔1内的热量流失过快，保持冷、热腔的温差能在较长时间内处于规定的范围。
使用时，燃气涡轮12所产生的高温排气进入到每级升压富氧单元的热腔换热器5加热热腔1；另一侧，第一引风机14将外界空气引入到每级升压富氧单元的冷腔换热器7冷却冷腔2，使得热腔1与冷腔2之间形成并维持较稳定的温差。第二引风机9引入的空气通过空气过滤器18后进入到冷腔2，在微通道隔层3中发生热流逸效应，由于空气中氮气体积分数为78.84％，氧气体积分数为20.96％，而其他气体体积占比不足1％，所以主要考虑氮气和氧气的分离；在热流逸效应作用下，氧气分子和氮气分子都由微通道的冷端流向热端，但在相同条件下，分子平均自由程更大的氧气分子相比于分子平均自由程较小的氮气分子会更快地通过微通道3由冷腔2进入到热腔1，最终形成的效果是使热腔1的压力升高且氧气浓度增大；冷腔2内会有少量空气(或富氧空气)通过冷腔排气管16排出系统，以提高装置内气体的流动性；空气(或富氧空气)流经多级升压富氧单元后最终在最后一个热腔1中形成压力较高的富氧空气，最后进入到燃烧室17中助燃，形成高温高压燃气后推动燃气涡轮12做功，如此循环。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，其特征在于，包括：
升压富氧器进气管；
升压富氧器，其包括多个串联设置的升压富氧单元，每个所述升压富氧单元包括外壳、冷腔、热腔和微通道隔层，所述冷腔、所述热腔和所述微通道隔层均设置于所述外壳内，且所述冷腔和所述热腔之间通过所述微通道隔层分隔；所述微通道隔层包括若干个连接相应的所述冷腔和所述热腔的微通道，每个所述微通道的特征尺寸不大于氧气分子平均自由程，所述冷腔内设有冷腔换热器，所述热腔内设有热腔换热器；第一个所述升压富氧单元的冷腔的冷腔进口与所述升压富氧器进气管连通，后一个所述升压富氧单元的冷腔的冷腔进口与前一个所述升压富氧单元的热腔的热腔出口连通，最后一个所述升压富氧单元的热腔的热腔出口与燃烧进气管的进口连通；其中，每个所述冷腔上设有冷腔排气口，且每个所述冷腔排气口与冷腔排气管连通；
燃烧室，其进气口与所述燃烧进气管的出口连通，所述燃烧室的燃料进口与燃料输送管连通；
燃气涡轮，其进气口与所述燃烧室的排气口连通；
高温进气总管，其进口与所述燃气涡轮的排气口连通，每个所述热腔换热器与所述高温进气总管连通；以及
空气进气总管，其进口处设有第一引风机，每个所述冷腔换热器与所述空气进气总管连通。
2.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，其特征在于，每个所述热腔换热器与所述高温进气总管之间采用同程式连接；其中，每个所述热腔换热器的进口通过高温进气管与所述高温进气总管连通，且所述高温进气管上设有第一气体流量调节阀，所述第一气体流量调节阀为三通温控流量调节阀。
3.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，其特征在于，每个所述冷腔换热器与所述空气进气总管之间采用同程式连接；其中，每个所述冷腔换热器的进口通过空气进气管与所述空气进气总管连通，且所述空气进气管上设有第二气体流量调节阀，所述第二气体流量调节阀为三通温控流量调节阀。
4.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，其特征在于，还包括第二引风机，所述升压富氧器进气管的进口处设有所述第二引风机。
5.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，其特征在于，还包括空气过滤器，所述升压富氧器进气管的进口处设有所述空气过滤器。
6.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，其特征在于，所述微通道隔层为耐高温多孔膜。
7.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，其特征在于，所述燃烧进气管上设有进气流量调节阀，所述进气流量调节阀为双通流量调节阀；且所述燃料输送管上设有燃料流量调节阀，所述燃料流量调节阀为双通流量调节阀。
8.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型开式燃气轮机装置，其特征在于，所述升压富氧单元的外壳的侧壁上设有保温层。
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