CN1703573A - 常压燃气轮机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明开发一种适于从常压·高温气体中回收能量的技术。在燃烧器(12)配置在由轮机(16)和至少一个压缩机(20、24)构成的轮机机械的轮机(16)前级，轮机机械的工作流体以燃烧器(12)、轮机(16)、压缩机(20、24)的顺序通过，从而产生轴输出的动力产生装置中，包括：再生热交换器(14)，通过使从轮机(16)出来的高温工作气体与将外气和废气混合并进行加热、并且用温水加湿而生成的混合气体进行热交换，进行从轮机(16)出来的高温工作气体的冷却；至少一个冷却器(22、26)，在各压缩机(22、24)的入口使工作气体和水进行热交换而使工作气体冷却；加湿器(30)，将取入的外气和从压缩机(24)出来的废气的一部分混合并进行加热，并且使用在冷却器(22、26)中与工作气体进行热交换而获得的上述温水进行加湿；从加湿器(30)输出的混合气体导入再生热交换器(14)，与轮机(16)出口的高温工作气体进行热交换而被预热了的高温·多湿混合气体导入燃烧器(12)。

Description

常压燃气轮机系统
技术领域
本发明涉及一种常压燃气轮机系统，其构成为，使通过常压燃烧获得的常压的高温气体在轮机中膨胀，在由再生热交换器、冷却器进行了热回收后，通过压缩机进行吸引·升压、排气。
背景技术
以往，在具有燃气轮机那样的轮机的发动机中，由于是首先由压缩机将大气压的空气升压，并引导到燃烧器中，与燃料混合使其燃烧，然后由轮机回收动力，所以需要使燃料压力高于压缩机出口的空气压力，不能够利用常压燃烧、常压排热，从而难以利用各种气化燃料·固态燃料·未利用高温气体。而且，象燃气发动机那样使废气循环而减小排放到系统之外的热量在构造上也难以实现，从而不利于循环。
如上所述，在现有的气轮机中，由于燃烧料器内为高压，所以要将燃料升压后供应到燃烧器中，由于高温·高压的燃烧气体导入轮机中，所以难以将在产品制造工艺等中产生的未利用的高温或者常压的废气导入轮机中而回收动力。
而且，要从高温加热炉等中出来的高温废气中进行热回收，在例如1000℃左右的高温废气的情况下必须要采用耐热性高的陶瓷制的热交换器，其成本过大。而且，仅能够进行热回收，而不能够回收电力。
另外，使通过常压燃烧获得的常压的高温气体在轮机中膨胀，在由再生热交换器、冷却器进行了热回收后，通过压缩机进行吸引·升压、排气的常压燃气轮机已是公知的(例如，参照专利文献1特开2002-242700号公报)。
发明内容
如上所述，使废气循环而减小废弃热量的系统虽然在现有的燃气轮机中是不可能的，但如果是能够投入常压·高温气体的内燃机则能够实现。
而且，如果是使用常压·高温气体的高温加热炉等系统，则通过在高温加热炉等的出口设置以常压·高温气体作为驱动源的发电装置，能够从加热炉产生的常压·高温气体中回收电力。
本发明是鉴于上述诸点而提出的，其目的在于，通过采用使高温的气体从常压开始在轮机中膨胀，对气体进行冷却(热回收)后，导入后级的压缩机中而产生轴输出的循环，开发出可从常压·高温气体中回收能量的、与以往完全不同的燃气轮机，提供一种实现了以往所不能的排气循环产生的热利用，并且利用通过气体冷却获得的温水，显著提高了效率的常压燃气轮机系统。
本发明的目的还在于提供一种下述的常压燃气轮机系统，在将常压·高温气体吸引到轮机内，通过与后级的压缩机之间的再生器进行热回收的系统中，在高温加热炉等的出口设置轮机，从加热炉的常压·高温排热中回收电力，并且将由设置在轮机出口的再生器热回收的高温空气供应到加热炉中，从而提高了效率。
为了达到本发明的目的，本发明的常压燃气轮机系统是燃烧器配置在由轮机和至少一个压缩机构成的轮机机械的轮机前级，轮机机械的工作流体以燃烧器、轮机、压缩机的顺序通过，从而产生轴输出的动力产生装置，其特征是，包括：再生热交换器，通过使从轮机出来的高温工作气体与将外气和废气混合并进行加热、并且用温水加湿而生成的混合气体进行热交换，进行从轮机出来的高温工作气体的冷却；至少一个冷却器，在各压缩机的入口使工作气体和水进行热交换而使工作气体冷却；加湿器，将取入的外气和从压缩机出来的废气的一部分混合并进行加热，并且使用在冷却器中与工作气体进行热交换而获得的上述温水进行加湿；从加湿器输出的混合气体导入再生热交换器，与轮机出口的高温工作气体进行热交换而被预热了的高温·多湿混合气体导入燃烧器(参照图1、图2)。
而且，本发明的常压燃气轮机系统是燃烧器配置在由轮机和至少一个压缩机构成的轮机机械的轮机前级，轮机机械的工作流体以燃烧器、轮机、压缩机的顺序通过，从而产生轴输出的动力产生装置，其特征是，包括：再生热交换器，将产生高温多湿空气的装置作为高温多湿空气的供应源加以利用，通过使从轮机出来的高温工作气体与将高温多湿空气和废气混合并进一步进行加热、并且用温水进一步加湿而生成的混合气体进行热交换，进行从轮机出来的高温工作气体的冷却；至少一个冷却器，在各压缩机的入口使工作气体和水进行热交换而使工作气体冷却；加湿器，将从产生高温多湿空气的装置取入的高温多湿空气和从压缩机出来的废气的一部分混合并进行加热，并且使用在冷却器中与工作气体进行热交换而获得的上述温水进行加湿；从加湿器输出的混合气体导入再生热交换器，与轮机出口的高温工作气体进行热交换而被预热了的高温·多湿混合气体导入燃烧器(参照图3)。
而且，本发明的常压燃气轮机系统是燃烧机构配置在由轮机和至少一个压缩机构成的轮机机械的轮机前级，轮机机械的工作流体以燃烧机构、轮机、压缩机的顺序通过，从而产生轴输出的动力产生装置，其特征是，包括：再生热交换器，将产生高温气体的工业用加热炉作为燃烧机构加以利用，通过与将工业用加热炉产生的未利用的高温气体作为工作流体导入轮机，从而取出动力，并且使从轮机出来的高温工作气体和外气进行热交换而使从轮机出来的高温工作气体冷却并对外气进行预热；至少一个冷却器，在各压缩机的入口使工作气体和冷却介质进行热交换而使工作气体冷却；将来自再生热交换器的预热空气作为燃烧用空气导入上述加热炉(参照图4)。
而且，本发明的特征还在于，上述至少一个压缩机是多个压缩机，上述至少一个冷却器是多个冷却器。
附图说明
图1为表示本发明第1实施方式所涉及的常压燃气轮机系统的概略结构说明图。
图2为表示本发明第1实施方式中的运用例的说明图。
图3为表示本发明第2实施方式的常压燃气轮机系统的概略结构说明图。
图4为表示本发明第3实施方式的常压燃气轮机系统的概略结构说明图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式加以说明，但本发明并不仅限于下述的实施方式，可进行适当的变更加以实施。
图1表示本发明第1实施方式的常压燃气轮机系统。如图1所示，在燃烧器12中以常压导入燃料。燃烧器12内的压力在大气压以下，由后述的再生热交换器14预热后的空气和废气的混合加湿气体以比大气压稍低的压力流入燃烧器12。由于能够将大气压状态下的燃料不升压地投入燃烧器12中，所以不需要燃料压缩机。
使燃烧器12所获得的常压·高温的燃气在轮机16中膨胀，通过产生的动力驱动发电机18进行发电。
从轮机16中出来的高温废气首先在再生热交换器14中与来自后述的加湿器30的空气·排气混合加湿气体进行热交换而被冷却。由再生热交换器14预热后的高温·多湿的混合气体作为燃烧用空气导入燃烧器12中。因此，能够减小排放到系统之外的排放热量，提高效率，并且能够增加轮机的通过流量而增大输出。
与空气·排气混合加湿气体进行热交换而被冷却了的废气进而在与压缩机入口的中间与水进行热交换而被有效地冷却。在图1中，在低压压缩机20的入口，通过低压冷却器22使废气中的水分冷凝，减少导入低压压缩机20中的废气量，并且降低废气的温度，减小压缩动力。而且，在低压压缩机20和高压压缩机24的中间，通过高压冷却器26使废气中的水分冷凝，减少导入高压压缩机24中的废气量，并且降低废气的温度，减小压缩动力。由低压冷却器22和高压冷却器26进行热交换而获得的温水导入后述的加湿器30。32为冷却水泵，34为冷凝水泵，36为温水泵。
由压缩机(低压压缩机20、高压压缩机24)升压后的废气的一部分导入后述的加湿器30，其余从烟筒28排出到系统之外。
在加湿器30中，将从大气取入的空气和从高压压缩机24出来的废气的一部分混合，并且用由低压冷却器22、高压冷却器26获得的温水对这种空气·排气混合气体进行喷雾等，增加混合气体中的水分量。而且，加湿后的空气·排气混合气体通过在再生热交换器14中与从轮机16排出的高温废气的热交换而成为高温·多湿的燃烧用空气，并导入燃烧器12。由于燃烧用混合气体的温度高，所以能够减少投入的燃料量。
参照图2所示的本实施方式的运用例对上述的排气·温水热利用循环的特征加以说明。
通过抽取从高压压缩机24出来的废气约80％、送入加湿器30中与空气混合，将废气具有的显热(约90℃的温度)用于系统效率的提高。这样一来，通过制成排气循环系统，实现了向系统外的排热量的减少。而且，由于通过混合常温的空气和约90℃的废气而产生约40℃的混合气体，所以加湿器30中的水的蒸发量与仅加入空气的情况相比增加了。绝对湿度(单位质量中的水分质量)之所以这样增加是由于当气体温度增高时所允许的气体中水分量增加的缘故。
而且，通过将从系统内的冷却水获得的温水用作加湿器30中使用的水，将冷却热不向系统之外排放地进行再生。由于是加热到80℃的温水，与常温水相比含有多的热量，不降低混合气体的温度地蒸发量增多。
通过加湿器30增多燃烧用空气中的水分量，增多燃烧器12中生成的燃气中的水分量，能够增加输出。在轮机16中工作后，由于通过再生热交换器14被冷却的废气被低压冷却器22、高压冷却器26进一步冷却，并且使气体中的水分冷凝而废气量减少，所以能够减少压缩机的动力。从废气中除去的水分作为冷凝水回收。
在图2所示的运用例中，没有排气循环系统的情况下的常压燃气轮机系统中发电效率为28.1％，但通过导入本排气循环系统，发电效率为33.5％以上。
图3表示本发明第2实施方式的常压燃气轮机系统。如图3所示，燃料在常压下导入燃烧器12。燃烧器12内的压力为大气压以下，由后述的再生热交换器14预热后的高温多湿空气和废气的混合加湿气体以稍低于大气压的压力导入燃烧器12。由于可将大气压状态下的燃料不升压地投入燃烧器12，所以不需要燃料压缩器。
使燃烧器12所获得的常压·高温的燃气在轮机16中膨胀，通过产生的动力驱动发电机18进行发电。
从轮机16中出来的高温废气首先在再生热交换器14中与来自后述的加湿器30的高温多湿空气·排气混合气体进行热交换而被冷却。由再生热交换器14预热后的高温·多湿的混合气体作为燃烧用空气导入燃烧器12中。因此，能够减小排放到系统之外的排放热量，提高效率，并且进一步增加轮机的通过流量而增大输出。
与高温多湿空气·排气混合气体进行热交换而被冷却了的废气进而在与压缩机入口的中间与水进行热交换而被有效地冷却。在图3中，在低压压缩机20的入口，通过低压冷却器22使废气中的水分冷凝，减少导入低压压缩机20中的废气量，并且降低废气的温度，减小压缩动力。而且，在低压压缩机20和高压压缩机24的中间，通过高压冷却器26使废气中的水分冷凝，减少导入高压压缩机24中的废气量，并且降低废气的温度，减小压缩动力。由低压冷却器22和高压冷却器26进行热交换而获得的温水导入后述的加湿器30。
由压缩机(低压压缩机20、高压压缩机24)升压后的废气的一部分导入后述的加湿器30，其余从烟筒28排出到系统之外。
在加湿器30中，将从高温多湿空气的产生源取入的高温多湿空气和从高压压缩机24出来的废气的一部分混合，并且用由低压冷却器22、高压冷却器26获得的温水对这种高温多湿空气·排气混合气体进行喷雾等，进一步增加混合气体中的水分量。作为高温多湿空气的产生源，其一例可列举出在炼钢厂的轧制工艺中的表面处理装置、钢铁制造中的淬火工艺装置等。而且，进一步加湿后的空气·排气混合气体通过在再生热交换器14中与从轮机16排出的高温废气的热交换而成为高温·多湿的燃烧用空气，并导入燃烧器12。由于燃烧用混合气体的温度高，所以能够减少投入的燃料量。通过利用未利用的高温多湿空气，能够实现轮机输出的进一步增大和效率的提高。
其他的结构和作用等与第1实施方式的情况相同。
图4表示本发明第3实施方式的常压燃气轮机系统。如图4所示，将各种处理中使用的、由高温加热炉38产生的高温废气导入轮机16。由于将常压的高温气体导入轮机16即可，所以能够原封不动地利用工业用的高温加热炉38产生的常压高温气体。另外，作为高温加热炉38，其一例可利用轧制加热炉，坩锅加热装置，分批式锻造炉，圆钢前端加热炉，台车式锻造炉，步进式锻造炉，连续式光亮退火炉，连续式退火炉，连续式铝退火炉，分批式渗碳炉，箱式无氧化退火炉，分批式软氮化炉，分批式正火炉，吸收型气体产生装置，铝反射炉，铝保持炉，铝浸渍式保持炉，铅铁锅式保持炉，铝切粉熔化炉，铝快速熔化保持炉，蓄热式除臭装置等。
使来自高温加热炉38的高温废气在轮机16中膨胀，通过产生的动力驱动发电机18进行发电。从轮机16出来的高温废气首先在再生热交换器14中与外气进行热交换而被冷却。由再生热交换器14预热后的高温空气导入高温加热炉38，可作为燃烧空气加以利用。这样一来，能够再生利用由再生热交换器14回收的轮机排热，减少投入到高温加热炉38中的燃料量。而且，作为一例，轮机16出口的废气的温度在600～700℃左右，作为再生热交换器14可使用SUS制品等廉价的产品。在高温加热炉38的出口设置热交换器进行热回收的情况下，由于高温废气温度有可能高达1000℃以上，所以要使用陶瓷制等高价的热交换器，但通过采用本系统，能够降低热交换器的成本。而且能够从高温加热炉38的高温废气中回收电力。
与空气进行热交换而被冷却的废气进而在与压缩机入口之间与水等流体进行热交换而被有效地冷却。在图4中，在低压压缩机20的入口处，通过低压冷却器22降低废气的温度，并且使气体中的水分冷凝，在低压压缩机20和高压压缩机24的中间，通过高压冷却器26降低废气的温度，并且使气体中的水分冷凝，减少导入压缩机的废气量，减小压缩动力。另外，作为在冷却器中用于热交换的流体，除了水之外，也可以采用海水、海洋深层水、液化天然气(LNG)等，从水获得温水，从LNG获得天然气。而且，也可以将低温的海洋深层水有效地用于冷却。虽然冷却效率不好，但也可以采用空气等作为冷却器的冷却流体。
由压缩机(低压压缩机20、高压压缩机24)升压后的废气从烟筒28排出到系统之外。
另外，实施方式1和实施方式2的排气·温水热利用循环当然也适用于本实施方式的系统中。
由于本发明是上述构成，所以具有以下的效果。
(1)通过使从压缩机出来的废气循环而用作燃烧用空气，能够减少向系统之外排放的热量，提高效率。另外，通过使在压缩机入口和中间对废气进行冷却时所获得的温水直接与燃烧用空气接触，形成高温·多湿的燃烧用空气并导入燃烧器，能够使轮机的通过流量增加而增加输出。因此，可减少投入的燃料量。
(2)通过增加燃烧用空气中的水分量，燃烧器生成的燃气中的水分量增加，可增加轮机的输出，但在轮机中工作之后，由冷却器使通过了再生热交换器的废气中的水分冷凝后导入压缩机，减少废气量，从而能够减少压缩机动力。
(3)通过将制品制造工艺等中产生的未利用的高温多湿空气用作燃烧用空气，能够进一步提高上述(1)、(2)的效果。
(4)由于是可利用常压燃烧、常压排热的系统，所以能够在高温加热炉等的出口设置轮机，从加热炉的常压·常温排热中回收电力。另外，通过将由设置在轮机出口的再生热交换器进行了热回收的高温空气供应到加热炉，能够减少投入加热炉中的燃料量。
(5)不仅可以将制品制造工艺等中产生的未利用的高温废气导入轮机而回收电力，而且由于能够使用耐热度从高温废气中直接进行热回收的热交换器低的热交换器，所以能够实现成本节约。

Claims (4)

1.一种常压燃气轮机系统，是燃烧器配置在由轮机和至少一个压缩机构成的轮机机械的轮机前级，轮机机械的工作流体以燃烧器、轮机、压缩机的顺序通过，从而产生轴输出的动力产生装置，其特征是，包括：
再生热交换器，通过使从轮机出来的高温工作气体与将外气和废气混合并进行加热、并且用温水加湿而生成的混合气体进行热交换，进行从轮机出来的高温工作气体的冷却；
至少一个冷却器，在各压缩机的入口使工作气体和水进行热交换而使工作气体冷却；
加湿器，将取入的外气和从压缩机出来的废气的一部分混合并进行加热，并且使用在冷却器中与工作气体进行热交换而获得的上述温水进行加湿；
从加湿器输出的混合气体导入再生热交换器，与轮机出口的高温工作气体进行热交换而被预热了的高温·多湿混合气体导入燃烧器。
2.一种常压燃气轮机系统，是燃烧器配置在由轮机和至少一个压缩机构成的轮机机械的轮机前级，轮机机械的工作流体以燃烧器、轮机、压缩机的顺序通过，从而产生轴输出的动力产生装置，其特征是，包括：
再生热交换器，将产生高温多湿空气的装置作为高温多湿空气的供应源加以利用，通过使从轮机出来的高温工作气体与将高温多湿空气和废气混合并进一步进行加热、并且用温水进一步加湿而生成的混合气体进行热交换，进行从轮机出来的高温工作气体的冷却；
至少一个冷却器，在各压缩机的入口使工作气体和水进行热交换而使工作气体冷却；
加湿器，将从产生高温多湿空气的装置取入的高温多湿空气和从压缩机出来的废气的一部分混合并进行加热，并且使用在冷却器中与工作气体进行热交换而获得的上述温水进行加湿；
从加湿器输出的混合气体导入再生热交换器，与轮机出口的高温工作气体进行热交换而被预热了的高温·多湿混合气体导入燃烧器。
3.一种常压燃气轮机系统，是燃烧机构配置在由轮机和至少一个压缩机构成的轮机机械的轮机前级，轮机机械的工作流体以燃烧机构、轮机、压缩机的顺序通过，从而产生轴输出的动力产生装置，其特征是，包括：
再生热交换器，将产生高温气体的工业用加热炉作为燃烧机构加以利用，通过与将工业用加热炉产生的未利用的高温气体作为工作流体导入轮机，从而取出动力，并且使从轮机出来的高温工作气体和外气进行热交换而使从轮机出来的高温工作气体冷却并对外气进行预热；
至少一个冷却器，在各压缩机的入口使工作气体和冷却介质进行热交换而使工作气体冷却；
将来自再生热交换器的预热空气作为燃烧用空气导入上述加热炉。
4.如权利要求1至3中任一项上述的常压燃气轮机系统，其特征是，上述至少一个压缩机是多个压缩机，上述至少一个冷却器是多个冷却器。
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