CN203783656U - 一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，包括依次串联的一组压缩机（1）、换热器（2）、热功动力转换机械（3）；所述一组压缩机（1）两两之间设有冷却器（4）。该设备将卡诺循环与开放式布雷顿循环结合，利用卡诺循环效率高的优点，对开放式布雷顿循环加以改进，形成一个混合循环动力设备，从而发挥各自的优势，用一个循环就大幅度提高了开放式布雷顿循环的热效率。
Description
技术领域
本发明属于电力设备领域，特别涉及一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备。
背景技术
卡诺循环(Carnot cycle)是由法国工程师尼古拉·莱昂纳尔·萨迪·卡诺于1824年提出的，以分析热机的工作过程。卡诺循环是由两个等温过程和两个绝热过程所构成的气体循环，其特点是气体工质的动力循环在热力循环中不存在相变，包括四个步骤：气体等温膨胀，气体绝热膨胀，气体等温压缩，气体绝热压缩。根据热力学第二定律，在相同的高、低温热源温度T1与T2之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高，称为卡诺定理。尽管卡诺循环的热效率高，但完全按照卡诺循环工作的热机在现实中是难以实现的，因为热机的膨胀做功的高压气体要求在等温加热的条件下才能实现，而实际上热机的膨胀做功是高压气体在很短的时间内迅速完成的，是绝热膨胀过程，很难在很短的时间内通过外部加热来实现等温膨胀过程；而低压气体等温放热压缩，必须使压缩气体的热量随时与外界交换，气体温度与外界相等，这在实际工作中是不可能实现的，气体的压缩过程，也是在较短的时间内完成的，也很难通过外部冷凝来实现气体等温压缩过程。
布雷顿(George Brayton(1830–1892))，美国工程师，1872年提出，发动机工作时，不断从外界吸入空气，加压后的空气，经过加热做功等一系列热力过程，最后高温排出，排出的高温气体在外界逐步散失能量最终达到与外界大气平衡，构成一个开放式的循环过程。他的热力学循环理论(后称为布雷顿循环)的热效率被作为计算燃气轮机性能的方法。燃气轮机自大气吸入空气，在压缩机中压缩，压缩后的气体进入燃气轮机燃烧室，在此加入燃料燃烧加热。加热后的高温燃气进入燃气透平(以下简称透平)膨胀作功。膨胀后的燃气排向大气。透平排气温度还相当高(约400～550℃)，而压气机吸入的空气是大气温度，相当于在大气中进行了冷却。上述四个过程都是连续地进行的。透平膨胀功扣去压气机消耗的压缩功之后的净功，作为燃气轮机的输出功。布雷顿循环的特点是气体工质的等压动力循环，由四个热力过程组成，通过气体在热力设备中不断进行高压气体的等压加热膨胀、高压气体的绝热膨胀、低压气体的等压放热压缩和低压气体的绝热压缩4个过程，使热能不断转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能。 布雷顿循环分为开式循环及闭式循环两种：循环工质来自大气最后又排至大气的是开式循环；循环工质被封闭循环使用的是闭式循环。开放式布雷顿循环，吸入空气的初温和压缩机的压缩比，是影响热效率的两个主要因素。降低压缩气体的初温，并相应提高压缩比，可使布雷顿循环效率显著提高。开放式布雷顿循环有很多优点，体积小，做功发电量大，易实现各种规模发电，且其使用的工质为空气，具有廉价、无毒、无腐蚀等优点，因此广泛应用于各种规模的燃气轮机发电及飞机的引擎；然而，布雷顿循环最大的缺点是发电效率较低，例如，一般的燃气轮机的效率只有25-30％，跟内燃机相比稍高,大部分热能由尾气排出，其出口尾气的温度高达450-500℃。
为了提高布雷顿循环燃气轮机的发电效率，工业上常用的方法是把燃气轮机做完工的高温尾气接到朗肯循环的蒸汽机上再发电，从而可使热效率增加20％左右，使整体效率达到50％左右,变成了“燃气轮机联合循环”。然而，燃气轮机联合循环尽管在一定程度上提高了效率，其代价是高昂的。由于多使用了一套朗肯循环发电系统，一方面大大增加了成本，另一方面使本来体积小的涡轮发动机加上汽轮机后体积过大，难以用于中小规模的发电。因此，难以推广应用，导致大部分燃气轮机均为较低效率的单一循环的布雷顿循环发电装置。
卡诺循环及布雷顿循环都有各自的热力学优势，因此如何发挥其优势，克服缺点，探索新的循环方法及理论，找到提高布雷顿循环热效率的新途径，提高燃气轮机的发电效率，并简化设备，无疑具有十分重要的意义。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种发电效率高的卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，利用卡诺循环热效率高的优点，对开放式布雷顿循环加以改进，从而实现大幅度提高布雷顿热力循环发电热效率的目的。
技术方案：本发明提供的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，包括依次串联的一组压缩机、换热器、热功动力转换机械；所述一组压缩机两两之间设有冷却器。
作为改进，所述压缩机的数量为两个以上。
作为另一种改进，所述一组压缩机为涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机。
作为另一种改进，还包括发电机，所述发电机与热功动力转换机械连接。
作为另一种改进，还包括调压阀，所述调压阀设于换热器和热功动力转换机械之间。
作为另一种改进，所述卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备采用空气作为循环工质。
作为另一种改进，所述的热功动力转换机械为汽轮机或膨胀机。
作为另一种改进，所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
有益效果：本发明提供的卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，将卡诺循环与开放式布雷顿循环结合，利用卡诺循环效率高的优点，对开放式布雷顿循环加以改进，形成一个混合循环动力设备，从而发挥各自的优势，用一个循环就大幅度提高了开放式布雷顿循环的热效率。
附图说明
图1为本发明卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备的结构示意图。
图2为本发明卡诺-布雷顿混合循环的P-V图；
图3为本发明卡诺-布雷顿混合循环的T-S图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，见图1，包括发电机5以及依次串联的一组压缩机1、换热器2、调压阀6、热功动力转换机械3；一组压缩机1两两之间设有冷却器4；第一个压缩机的进口与大气直接相通，热功动力转换机械3的出口与大气直接相通；发电机5与热功动力转换机械3连接。
本实施例中，压缩机的数量为三个，也就是说，本实施例中，卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备包括发电机5以及依次串联的第一压缩机11、第一冷却器12、第二压缩机13、第二冷却器14、第三压缩机15、换热器2、调压阀6、热功动力转换机械3；发电机5与热功动力转换机械3连接。可选地，压缩机1的数量也可以根据需要合理设置，只要是在一个以上均可实现本发明的目的，然而，使用两个以上的压缩机串联，能够大大提高发电效率。
本发明中，压缩机1为螺杆式压缩机；可选地，也可以选择任意合适的压缩机；优选地，可选用涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机。
该装置的工作原理为：
卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备直接从空气中吸入新鲜空气，经压缩机1和冷却器4的数级冷却压缩后，形成高压空气，经换热器加热后，形成高温高压空气，进入热功动力转换机械3内膨胀做功，带动发电机5发电，成为低温低压的空气直接排入大气中，无需冷凝器冷凝，即可完成一次循环，节省了冷凝器的成本。
本发明提供的卡诺-开放式布雷顿循环是由一个等压过程、一个等温过程及两个绝热过程所构成的气体循环(见图2和图3)，具体为：压缩机直接从空气中吸入新鲜空气，被吸入的空气在压缩机中先进行低压气体等温放热压缩(5-1，卡诺循环)，然后再绝热压缩(1-2，卡诺循环)、高压空气等压加热膨胀(2-3，布雷顿循环)、高压空气绝热膨胀(3-5，布雷顿循环)共4个过程，使热能不断转化为机械能，再由发电机将机械能转化为电能。该循环的高压空气等压加热膨胀(2-3)是布雷顿循环的膨胀过程，低压空气等温放热压缩(5-1)是卡诺循环的压缩过程，从而形成卡诺-布雷顿循环(1-2-3-5-1)的组合。
膨胀过程，通常按照卡诺循环工作的等温加热膨胀在现实中是难以实现的，因为热机的膨胀做功是高压气体在较短的时间内完成的，很难通过一边膨胀一边用外部加热来实现等温膨胀过程，而布雷顿循环(1-2-3-4-1)的高压气体等压加热膨胀(2-3)是进入热机膨胀前先加热，再继续高压气体绝热膨胀(3-4)过程，通过在热机外部膨胀前加热高压气体，实现了气体加热膨胀的过程。
压缩过程，通常按照布雷顿循环工作的等压放热压缩实际上是绝热压缩过程，而不是等温压缩过程，从而不得不用损失较高温度的尾气热量的方法才能得以实现的开放式循环，而卡诺循环回路中低压空气的等温压缩，是通过分极压缩及分极外部环境冷凝来实现等温压缩的过程(5-1)，无须损失尾气的热量即可实现循环过程。
根据热力学理论，热机膨胀过程中等温膨胀做功最大，而在压缩过程中等温压缩能量损耗最小。但要实现等温压缩，必须使气体的热量随时与外界交换，气体温度与外界相等，这在实际工作中一级压缩是不可能实现的。为降低压缩后的气体温度和减小压缩机功耗，尽可能向定温压缩过程靠近，本发明采用了分级压缩加中间冷却，有效的解决了该问题。分级压缩后必须经过中间冷却，使进入到第二级的压缩空气进气温度，等于或接近于第一级的进气温度，这样才能降低排气温度和压缩机功耗。分级压缩加中间冷却实现了气体定温压缩的过程；优化的压力设计及恰当的加热温度，使得开放式布雷顿循环排放尾气的温度接近于环境中的空气温度，再直接从空气中吸入空气，即可恢复到 循环状态，大幅度增加了功的输出(图2和图3的1-4-5)。
因此，本发明将高效率的卡诺循环与开放式布雷顿循环有机的结合起来，能够发挥各自的优势，形成一个混合循环动力设备，从而大幅度提高了开放式布雷顿循环动力设备的热效率；可大幅度节约成本及能耗，意义重大。
将上述卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备用于不同条件下发电。
应用实例一，卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备采用大气中的空气作为工作介质，高压侧压力为0.6Mpa，换热器6的加热温度为1200℃；低压侧压力为0.1Mpa，压缩机组冷却器4的冷凝温度为30℃，冷凝采用水冷方式。
应用实例二，卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备采用大气中的空气作为工作介质，高压侧压力为1Mpa，换热器6的加热温度为1200℃；低压侧压力为0.1Mpa，压缩机组冷却器4的冷凝温度为30℃，冷凝采用空冷方式。
应用实例三，卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备采用采用大气中的空气作为工作介质，高压侧压力为3Mpa，换热器6的加热温度为1200℃；低压侧压力为0.1Mpa，压缩机组冷却器4的冷凝温度为30℃，冷凝采用空冷方式。
应用实例四，卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备采用大气中的空气作为工作介质，高压侧压力为1Mpa，换热器6的加热温度为927℃；低压侧压力为0.1Mpa，压缩机组冷却器4的冷凝温度为30℃，冷凝采用空冷方式。
以上四个实例的热效率比较见表1。
表1卡诺-布雷顿混合循环混合设备的热效率比较
布雷顿－卡诺循环的热效率取决于循环增压比且随π的增大而提高。
以上公开的仅为本发明的具体实施例，但是本发明并非局限于此，除此之外，本发 明还可以其他方式实现，在不脱离本发明构思及发明精神的前提下，任何显而易见的修改及替换均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，其特征在于：包括依次串联的一组压缩机（1）、换热器（2）、热功动力转换机械（3）；所述一组压缩机（1）两两之间设有冷却器（4）。
2.根据权利要求1所述的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，其特征在于：所述压缩机（1）的数量为两个以上。
3.根据权利要求1所述的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，其特征在于：所述一组压缩机（1）为涡旋式压缩机、螺杆式压缩机、离心式压缩机、活塞式压缩机、滑片压缩机或轴流式压缩机。
4.根据权利要求1所述的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，其特征在于：还包括发电机（5），所述发电机（5）与热功动力转换机械（3）连接。
5.根据权利要求1所述的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，其特征在于：还包括调压阀（6），所述调压阀（6）设于换热器（2）和热功动力转换机械（3）之间。
6.根据权利要求1所述的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，其特征在于：所述卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备采用空气作为循环工质。
7.根据权利要求1所述的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，其特征在于：所述的热功动力转换机械（3）为汽轮机或膨胀机。
8.根据权利要求7所述的一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，其特征在于：所述膨胀机为涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机或活塞式膨胀机。
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