CN1285024A - 小型涡型机发电系统的稳定的涡轮进口温度控制 - Google Patents

Abstract

一种小型涡轮机发电系统,包括发电机和涡轮,该涡轮有固定几何形状的进口导向叶片。通过使该涡轮进口保持在最高温度或接近最高温度,该小型涡轮机发电系统获得最大热力效率。当该系统的供电需求恒定时,由该发电机供电。当供电需求增加时,完全由电池或者其它外部储电器供电,直到该发电机能够满足增加了的供电需求。

Description

小型涡轮机发电系统的稳定的涡轮进口温度控制

本发明一般涉及小型涡轮机发电系统，特别涉及模块式、可配电的发电单元。

美国电力研究院(EPRI)是长期研究国内电能利用的单位，它预测，到2006年高达40％的新发电设备都能有配电式发电机。在世界的很多地方，电力基础设施(传输和分配线路)的缺乏将会大大的促进配电式发电技术的商业化，这是因为中心电厂不仅每千瓦发电费用较高，而且还必须配置昂贵的基础设施来将发出的电输送给用户。

小的、多种燃料的、模块式可配电的小型涡轮机发电单元可以缓解世界上很多地方流行的电网在下午“电压降低”和“灯火管制”的状况。一简便、单独的运动部件设计概念将使得保养维修技术含量低，低的总体成本将使其在世界上一些资金缺乏地区有广泛的市场。此外，如果美国着重于解除电力管制和世界在这方面的发展趋势，则电力消费者不仅有权选择电力服务的合适方法，还可以从中有效地选择新的成本花费方式。已经转让给本发明的受让人的美国专利4754607，公开了一种适用于共同发电场合的小型涡轮机发电系统。

为了使这一设备在经济上吸引消费者，必须对它的某些方面加以改进，如提高燃油效率，减小尺寸和重量，降低热力特征、噪音、维修和成本费用。例如，很难获得好的燃油经济性和可接受的排放率，特别是对于具有固定进口几何形状的涡轮机。在高压缩比和高涡轮进口温度下，发电单元将获得最高的效率。这样的压缩比和温度使得涡轮机处于满负荷和全速工作状态。但是，在较低的部分负载和怠速状态下，固定几何形状的燃气涡轮机通常是在降低涡轮进口温度和部分负载的状态下运行，因此其燃油效率降低。

因此需要改进小型涡轮机发电系统的燃油经济性和降低排放率，该小型涡轮机发电系统包括一具有固定几何形状的进口导向装置的涡轮。

本发明通过使涡轮进口温度达到最大值，使得燃气涡轮发动机的热力效率最高。本发明可以被认为是这样一种小型涡轮机发电系统，包括一具有固定几何形状的进口导向装置的涡轮、一能量储存装置以及一使该涡轮进口处于或者接近涡轮进口温度最大值的控制器。该控制器使得该能量储存装置在系统负载需求增加时为负载供电。

图1所示为本发明发电系统；

图2所示为该发电系统的核心发动机。

参考图1，图示为本发明的发电系统10。该发电系统10包括一压气机12、一涡轮机14和一发电机16。发电机16从压气机12上悬臂伸出安装。压气机12、涡轮14和发电机16可以通过一单轴18转动。虽然压气机2、涡轮14和发电机16可装在分开的轴上，但是使压气机12、涡轮14和发电机16通过一单根公共轴18转动可提高发电系统10的结构紧凑性和可靠性。

轴18可由自身加压的空气轴承支承，如气膜轴承(foilbearing)。如图2所示，轴18由轴颈气膜轴承76和78及一推力气膜轴承80支承。气膜轴承不需要一单独的轴承润滑系统，故使维修工作减少。

由压气机12的入口进入的空气被压缩，由压气机12的出口出来的压缩空气通过冷却侧通道20流入一间壁式换热器22的冷却侧。在间壁换热器22中，压缩空气吸收热量，这样能增强燃烧。由间壁换热器22的冷却侧出来的热压缩空气供给燃烧室24。

燃料也供给燃烧室24。气体燃料和液体燃料均可使用。用气体燃料时，任何合适的气体燃料均可。可选用的燃料包括柴油，原始气体燃料(flair gas)，废气，汽油，粗汽油，丙烷，JP-8，甲烷，天然气和其他人造气体。

燃料的流量由流量控制阀26控制，燃料由喷嘴28喷入燃烧室24。

在燃烧室24中，燃料和压缩空气混合，并由点火器27点燃进行一放热反应。在优选实施例中，燃烧室24包含有合适的、能使高温高压燃料空气混合物在工作条件下燃烧的催化剂。一些公知的用于燃烧室24中的催化剂包括铂，钯以及带有活性镍和钴元素的金属氧化物催化剂。

燃烧后，燃烧产生的高温膨胀燃气引入涡轮14的进口导向叶片30。进口导向叶片30具有固定的几何形状。燃烧产生的高温膨胀燃气在涡轮14中膨胀，从而产生涡轮功。涡轮功依次驱动压气机12和发电机16。

涡轮排出气体通过热侧通道32流入间壁换热器22的热侧。在间壁换热器22中，热量由热侧的涡轮排气传递给冷侧的压缩空气。这样可回收部分燃烧热量，并用以升高流向燃烧室24的压缩空气的温度。放出部分热量后，燃气排出该间壁换热器22。发电系统10中还可增加额外的热回收级。

发电机16可以是环状绕组的、两极无齿(TPTL)无电刷永磁铁电机，它包括永磁铁转子34和定子绕组36。旋转涡轮14产生的涡轮功用于使转子34旋转。转子34装在轴18上，当涡轮功使转子34旋转时，定子绕组36感应生成交变电流。轴18的转速可根据系统10上的外部能量需求而改变。变化的轴转速将使发电机16生成的交流电频率变化(即无控制的频率)。不管发电机16产生的交流电AC频率如何，交流电AC可由整流器38整流成直流电DC。然后再由固态电子转换器40转化生成具有固定频率的交流电AC。因此，当所需能量减少时，轴的转速和涡轮14的转速可以降低而不影响交流电AC输出频率。

当整流器38从发电机16中抽取电能时，负载作用到该发电机16上。当抽取的电量增加时，负载增加。当抽取的电量减小时，负载减小。

此外，轴转速降低时，由于压气机转速降低，空气流量减小。因此涡轮进口温度基本保持不变，于是在部分载荷上保持一高效率。

利用整流器38和转换器40可使得在确定本发明发电系统所提供的用电服务时有一宽大的灵活性。由于任何转换器40均可选择，因此交流电的频率可由消费者选择。如果直接用频率无控制的交流电，则整流器38和转换器40也可省去。当高频电用于荧光灯时，不仅荧光灯能更高效的工作，而且可以用电容镇流器代替电感镇流器。在照明系统中这样直接采用高频电压能够提高效率25％。如果只需要直流电，转换器40也可以省略。生成的直流电能够用于电镀、电梯操作和白炽灯照明。

发电系统10也可包括一蓄电池46，以提供额外的电能储存和备用电能。当电池与转换器40联合使用时，能在发电机出故障后提供数小时不间断的电能。此外，控制器可使电池46在所需负载增加时供给负载。蓄电池46的大小应能应付对系统10要求的峰值负载。

在发电系统10工作时，由于处于发电机设计的低效率点，发电机16产生热量。为了延长发电机16的寿命，也为了收集有用的热能，压气机进口空气流过发电机16并从发电机16中吸收剩余的热量。整流器38和转换器40也可置于气流中。空气从前述热源中吸热后，在压气机12中压缩，再于间壁换热器22中预热。

控制器42通过控制流入燃烧室24中的燃料量来控制轴转速。控制器42利用传感器组44产生的传感信号来确定外界对发电系统10的需求，同时还产生使该系统10在最大效率工况下运行的控制指令。传感器组44包括传感器，例如：位置传感器，轴转速传感器及测量系统10中各种工作温度和压力的温度和压力传感器。通过前述传感器，控制器42控制起动及稳态工作时的最佳性能。控制器42还能在由转换器40供电时确定电池46中的直流电储备状况以及能够调整工作状态以维持电网供电、电网耗电和电池的稳定充电。

该控制器42还可以用传感器组44发出的速度和温度信号计算对该系统10的负载需求。根据所算出的负载需求，该控制器42确定是由发电机16供给该负载还是由电池46供给该负载。

当电力需求稳定时，控制器42使得该发电机16供给系统的全部负载需求。当负载需求增加时，控制器42使得该电池46满足全部的负载需求，但这一时间很短。当该电池46供给全部负载时，该发电机16无负载，这使得转子的转速增加到一个更高的新值。当转子达到该较高转速时，控制器42使得该发电机16供给全部负载。

将负载转移给电池46可以使涡轮进口30温度保持在其最大值或者是接近该最大值，这使得该系统10在最大效率工况下运转，并减小排放率。

该控制器42控制燃料流量控制阀26，以便使涡轮进口温度保持或者接近其最大值。此外，通过调节发电机16上的负载，可使该控制器42对涡轮负载的控制与对系统10的电力负载需求无关。当涡轮转速下降到低于一设定值(转速设定值取决于系统负载需求值)时，该控制器42则控制整流器38和转换器40，以减小该发电机16的负载。当涡轮转速增加到高于该速度设定值时，控制器42控制该整流器38和转换器40，以增加该发电机16的负载。当负载需求增加时，电池46供给该负载，因此，发电机无负载，从而使得转子转速增加。

开关／起动器控制48可以设置为滑开(off-skid)式以起动发电系统10。可以将发电机16用作马达使轴18开始旋转。在起动过程中，开关／起动器控制48向发电机16的定子绕组36提供激励电流。起动功率由电池46提供。在另一选择方案中，可以用一压缩空气装置作为马达以起动该发电系统10。

参考图2，图示为发电系统10的“核心发动机”50。压气机12包括一有中心孔的叶轮52、一压气机涡壳54和一扩压器通道56。进入空气进口58的空气由空气过滤器59过滤，并引入压气机涡壳54。流出压气机涡壳54的空气被引入间壁换热器22。

涡轮14包括一涡轮涡壳60、多个固定的进口导向叶片62以及一无中心孔的涡轮转子64。由燃烧室24出来的热膨胀燃气进入涡轮涡壳60，再经过进口导向叶片62，该进口导向叶片62再将热膨胀燃气引入涡轮转子64。涡轮14排出的燃气通过排气扩压器66离开涡轮14，这样可降低涡轮排气温度和噪音。

发电机16的转子34包括由稀土材料如钐、钴制成的磁体68。该磁体68由非磁性材料如铬镍铁合金718制成的容置套筒70包围。定子绕组36装在发电机壳体73内。转子34有一孔和一选定的与该孔表面相接触的容置套筒(未表示)。电源导线72由定子绕组36引出并终止于一电源接线柱74，该接线柱被固定在发电机壳体73上。

如图2所示，单轴18作为联接轴75，从转子34和压气机叶轮52的孔中伸出。联接轴75很细，其直径近似为_或者更小。孔的孔径能让联接轴75从转子34和叶轮52中伸过。不过，联接轴75不伸过涡轮转子64。而是，将联接轴75固定在涡轮转子64上。联接轴75可通过惰性气体保护焊接联接在涡轮盘的中心。这样，涡轮转子64是无中心孔的，即没有让联接轴75伸过的孔。没有孔可以减小涡轮转子64中的应力。

当由联接轴75被夹紧在一起时，压气机叶轮52、涡轮转子64和转子34作为一个部件旋转。然而在高的工作温度和旋转速度下，叶轮52、涡轮转子64和转子34有膨胀和相互分开的趋势。联接轴75在工作时的挠曲也使相对面趋向于分离。为保持叶轮52、涡轮转子64和转子34的端面间在高转速(80000转／分及以上)时相互接触，对联接轴75预加载荷。例如，由钛合金制成的联接轴75可加上大约90％屈服强度的预应力。在装配过程中，将联接轴75置于预加载荷状态，叶轮52和转子34滑装在联接轴75上，一螺母77被固定在联接轴75的一螺纹端上。拧紧螺母77使得联接轴75的应力得以维持。该应力在叶轮52和转子34的中心最大。当叶轮52和转子34旋转时，这些组件外面部分的高应力则由该联接轴75施加的应力抵消。

旋转单元52，64，34和18在径向上由内侧和外侧的轴颈气膜轴承76和78支承，旋转单元52，64，34和18在轴向上由止推气膜轴承80支承。基座79支承燃料入口、空气入口58、压气机12、涡轮14、发电机16、间壁换热器22、燃烧室24、整流器38和转换器40，从而使系统10能成为一整装单元。

核心发动机50设有多个冷却剂接孔，其中孔82和84用以向定子绕组36中环流一冷却剂。孔86和88用以向轴承76，78和80中流入冷却剂。

发电系统10可以被制作为几个主要模块，例如旋转模块，换热模块，燃烧室模块和电子模块。每一个模块都比较轻和比较紧凑。这些模块能被替换而不用破坏液体管路。使用气膜轴承76，78和80就不再需要一油基润滑系统了，因此发电系统10的维修工作减少。定期维修主要是更换点火器27，过滤器59和燃烧室24中的催化剂触媒。

发电系统10以传统的布雷顿回热循环(Brayton cycle)形式工作。布雷顿循环可在较低的压力比(例如3．8)下工作而使总体效率最大。因为在回热循环中，压力比越低，则涡轮排气温度越接近进口温度。根据卡诺定律，这可使热量在高温时加入到工作循环中并减少向工作循环供热时的熵损失。这样的高温加热增值的结果是增加了整个工作循环的效率。空气由一级离心压气机压缩到3．8巴。压缩空气被导入间壁换热器22，在该间壁换热器22中用涡轮排气的废热提高压缩空气的温度。为了利于延长间壁换热器22的寿命，涡轮排气温度被限制为大约1300°F。由于排气温度大于1300°F，可由超级合金代替不锈钢制造间壁换热器22。根据消费者的经济需要可将间壁换热器22的效率设计为85％或90％。在效率最高的结构方案中，采用90％的回热效率，整个电网工作循环的效率为30％，用柴油时产生大约为11900BTU／kWh的高加热值加热率。

在间壁换热器22中加热后，压缩空气被导入燃烧室24，在此燃烧室中再加热，使压缩空气的温度增加到1650°F。燃烧室24按传统设计可产生的Nox值低于25ppm，而使用催化剂的燃烧室24可产生的Nox值实际上是不可测的(市场上的Nox传感器的探测范围限制为2至3ppm)。高热焓的燃气再通过涡轮14膨胀。压气机12、涡轮14、发电机16和单轴18--核心发动机50中的唯一运动部件--在大约80000rpm或更高的高转速下旋转。产生的高频率大约为1200hz，再由转换器40将频率减为与电网相适应的50或60hz。这样，由于轻重量(大约为类似的柴油发电机大小的三分之一)和小占地面积(例如，大约为3英尺×5英尺×6英尺高)，成为了典型的高功率密度发电机。

通过利用最少的材料传递大功率的高速元件，使得大功率密度和轻重量在技术上成为可能。该设备单元自身完全被整装在防风雨的外壳中。发电系统10是“插头+活动间隙(plug+play)”的技术，只需要提供一些清洁燃料，液体或固体。

这里公开了一种高效发电系统10。即使涡轮14本身是非稳态涡轮14，它也能在一稳定的系统10中工作。该涡轮14能够在其最大进口温度下或者接近该最大进口温度工作，而且负载需求增加时也不会失速。因为涡轮在最大进口温度下工作，所以系统的热力效率最高，排放物也减小。当增加的负载需求由能量储存装置供给时，通过减小涡轮转速，可使得该发电机的电力输出减小。因此，该涡轮负载的控制与系统的负载需求无关。

小型涡轮发电系统10可用多种燃料，包括天然气，柴油和JP-8。发电系统10具有低的热力特征，产生的噪音小。使用气体轴承不需要油基轴承润滑系统。由于该发电系统10的单个运动部件设计方案，因此可靠性高和维护要求最少。使用固态电子转换器使得系统10能够提供多种交流电输出。由于模块设计和整装设计，装配更方便，同时由于系统10只有一个运动部件，主要部件易于接近，因此维修方便。核心发动机50的长，宽和高可以调节，以适应宽范围的各种尺寸要求。

发电系统10比相应的内燃机更小，更轻，燃油效率更高并具有更低的热力特征，更低的噪音，更低的维护和成本负担。因此，由于它的低首期成本、低安装成、高效率、高可靠性和维修简单、成本低，与类似大小的发电技术相比，本发电系统10运行费用和固定成本更低。

发电系统10有各种潜在的用途。这些用途包括脱开电网(off-grid)以单独供电，并入电网(on-grid)以削平峰值，跟踪负载或基本负载服务，意外情况备用和不间断供电，用作原动机(例如泵，空调)和机动复合运载工具。

本发明并不局限于上述的特定实施例。例如，可以用飞轮代替电池46作为储能装置。在峰值电力需求情况下，飞轮的动量能产生要被供给的附加功率和作用在发电机16上的附加载荷，这样，涡轮16不会失速。因此，本发明可按照下面的权利要求进行限定。

Claims (12)

1．一种小型涡轮机发电系统，包括：

一个有固定进口导向叶片的涡轮；

一个能量储存装置；以及

一个控制器，该控制器用于使涡轮进口温度保持在最大涡轮进口温度或接近最大涡轮进口温度，当系统的负载需求增加时，该控制器使得该能量储存装置供给负载。

2．根据权利要求1所述的系统，其特征在于：该系统还包括一由涡轮动力驱动的发电机，该能量储存装置包括一电池，该控制器使得该发电机提供电力，直到该电力需求增加时，该控制器使得该电池提供电力。

3．根据权利要求2所述的系统，其特征在于：当电力需求增加时，该控制器使得该电池提供全部电力需求，而在该电池提供负载时，涡轮转速增加。

4．根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：一与发动机控制单元相连的电力单元，从而调节该发电机的负载，以控制发动机转速，当负载需求增加时，该能量储存装置供给负载。

5．用于控制小型涡轮机发电系统的装置，该系统包括一涡轮，该系统在工作时响应于一负载需求，该装置包括：

一个控制发动机温度和发动机转速的控制器；

一个发电机；

一个能量储存装置；

响应于控制器的装置，以调节燃料流量，从而使该发动机的温度即使在系统负载需求变化时也保持恒定；以及

该控制器还在负载需求变化时确定是否将任何负载需求从发电机转换到能量储存装置。

6．根据权利要求5所述的装置，其特征在于：发动机转速通过调节发电机负载来控制，以便使转速保持在设定值。

7．根据权利要求6所述的装置，其特征在于：该发动机的转速设定值是由负载需求确定的，并且通过使发电机负载与系统负载需求无关地来实现。

8．根据权利要求5所述的装置，其特征在于：当涡轮转速增加到高于该转速设定值时，该控制器使得发电机负载增加。

9．根据权利要求5所述的装置，其特征在于：该控制器使得该调节装置保持发动机温度恒定，并且这与涡轮转速无关。

10．根据权利要求5所述的装置，其特征在于：该能量储存装置的大小能满足对系统需求的峰值负载。

11．一种控制小型涡轮机发电系统的方法，该系统包括一个发电机、一个有固定几何形状之进口导向叶片的涡轮和一个外部的储能装置，该方法包括：

使该进口导向叶片保持在一恒定温度值；

使该发电机满足系统的电力需求，直到该电力需求增加；以及

当电力需求增加时用外部的储能装置满足电力需求；

在该电力需求由外部储能装置满足时，该涡轮导向叶片进口温度处在该恒定温度值。

12．根据权利要求11所述的方法，其特征在于：当系统的电力需求增加时，使用该外部储能装置满足全部电力需求。

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