CN203783657U - 一种闭式三角循环高效发电设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种闭式三角循环发电设备，包括发电机（1）以及依次连接成环的一组压缩机（2）、换热器（3）和热功动力转换机械（4）；所述热功动力转换机械（4）、压缩机（2）之间以及压缩机（2）两两之间分别设有冷凝器（5），所述热功动力转换机械（4）和一组压缩机（2）均通过转轴（6）与发电机（1）连接。该设备将卡诺循环与布雷顿循环结合为一个三角形的闭式循环内，利用卡诺循环效率高的优点，对布雷顿循环加以改进，形成一个新的闭式三角热力循环，实现了大幅度提高燃气轮机等热机发电效率的效果。而且由于采用了外燃式加热方式，可应用于各种不同的燃料包括液态燃料及气态燃料及固态燃料，包括太阳热高温发电等，对于节能减排，无疑具有十分重要的应用价值及意义。

Description

一种闭式三角循环高效发电设备

技术领域

本实用新型属于电力设备领域，特别涉及一种新式热力循环发电设备，具体涉及一种闭式三角循环高效发电设备。 

背景技术

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，经过燃烧室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，在压气机中压缩，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。上述四个过程都是连续地进行的。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。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四个过程，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。布雷顿循环，气体的初温和压缩机的压缩比，是影响热效率的两个主要因素。增加压缩气体的初温，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，开放式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℃，原因是低压气体的等压放热压缩过程，是个开放的虚拟过程，实际上是用做完功的尾气，最后高温排出大气中，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，才构成一个等压放热气体压缩过程的热力循环。 

为了提高布雷顿循环燃气轮机发电效率，工业上常用的方法是把燃气轮机做完功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燃气轮机的发电。因此，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(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。卡诺循环是由四个热力过程所构成，包括两个等温过程和两个绝热过程，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。如何实现或接近实现卡诺循环是一个提高热机效率的方向。 

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，以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。 

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的在于提供一种闭式三角循环高效发电设备，该设备利用卡诺循环热效率高的优点，对布雷顿循环加以改进，形成一个新的闭式三角热力循环，从而大幅度提高燃气轮机发电热效率。 

技术方案：本实用新型提供的一种闭式三角循环发电设备，包括发电机(1)以及依次连接成环的一组压缩机(2)、换热器(3)和热功动力转换机械(4)；所述热功动力转换机械(4)、压缩机(2)之间以及压缩机(2)两两之间分别设有冷凝器(5)，所述 热功动力转换机械(4)和一组压缩机(2)均通过转轴(6)与发电机(1)连接。 

作为优选，所述一组压缩机(2)的数量为两个以上。 

作为另一种优选，所述一组压缩机(2)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。 

作为另一种优选，还包括调压阀(7)，所述调压阀(7)设于换热器(3)和热功动力转换机械(4)之间。 

作为另一种优选，所述闭式三角循环发电设备采用空气、二氧化碳、氮气、氦气、氢气或氧气作为循环工质。 

作为另一种优选，所述的热功动力转换机械(4)为汽轮机或膨胀机。 

作为进一步优选，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：本实用新型提供的闭式三角循环发电设备，将卡诺循环与布雷顿循环结合，利用卡诺循环效率高的优点，对布雷顿循环加以改进，形成一个闭式三角热力循环动力设备，从而发挥各自的优势，用一个循环就大幅度提高了燃气轮机发电的热效率。 

附图说明

图1为本实用新型闭式三角循环发电设备的结构示意图； 

图2为本实用新型闭式三角循环的为热力循环的P-V图； 

图3为本实用新型闭式三角循环的的T-S图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做出进一步说明。 

闭式三角循环发电设备，见图1，包括发电机(1)以及依次连接成环的一组压缩机(2)、换热器(3)、调压阀(7)和热功动力转换机械(4)；所述热功动力转换机械(4)、压缩机(2)之间以及压缩机(2)两两之间分别设有冷凝器(5)，所述热功动力转换机械(4)和一组压缩机(2)均通过转轴(6)与发电机(1)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，闭式三角循环发电设备包括发电机(1)以及依次连接成环的第一压缩机(21)、第一冷却器(22)、第二压缩机(23)、第二冷却器(24)、第三压缩机(25)、换热器(3)、调压阀(7)、热功动力转换机械(4)；所述热功动力转换机械(4)、第一压缩机(21)第二压缩机(23)、第三压缩机(25)均通过转轴(6)与发电机(1)连接。可选地，压缩机(2)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实用新型的目的，然而，使用两个以上的压缩机串联，能够大大提高发电效率。 

本实用新型中，压缩机2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。 

本实用新型中，热功转换机械4为汽轮机；可选地，也可以选择任意合适的热功转换机械；优选地，可选用汽轮机或膨胀机，其中，膨胀机包括但不限于涡旋式膨胀机、螺杆式膨胀机、离心式膨胀机和活塞式膨胀机。 

该装置的工作原理为： 

闭式三角循环发电设备内的循环工质气体经一组压缩机2和冷凝器5的数级冷却压缩后，形成高压气体，经换热器加热后，形成高温高压气体，进入热功动力转换机械4内膨胀做功，带动发电机1发电，成为低温低压的气体进入冷凝器4冷凝，完成一次循环。 

本实用新型提供的闭式三角循环是由一个等温压缩过程、一个等压膨胀过程及一个绝热膨胀过程共三个过程所构成的气体循环(见图2和图3)，具体为：压缩机连续的吸入低温的气体，被吸入的气体在压缩机中先进行低压气体等温放热压缩(1-2，卡诺循环)过程压缩为高压低温的气体，高压气体再经过等压加热膨胀(2-3，布雷顿循环)过程形成高温高压的气体，再进入热功动力转换机械内进行绝热膨胀做功(3-1，布雷顿循环)过程，从而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，低压空气等温放热压缩(1-2)是卡诺循环的压缩过程，从而形成三角热力循环(1-2-3)的组合。 

膨胀过程，通常按照卡诺循环工作的膨胀过程中的等温加热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(3-1)过程，通过在热机外部膨胀前加热高压气体，实现了高压气体的加热的过程。 

通常开放式布雷顿循环的压缩过程，通常包括两种方式：一个是等压放热压缩过程，是个开放式的虚拟过程，用损失较高温度的尾气热量的方法才能得以实现；而第二个压缩过程是个绝热压缩过程,压缩机耗功较大；而本实用新型的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(1-2)，无须损失尾气的热量即可实现循环过程，且压缩机功耗较小。本实用新型提供的闭式三角循环，用一个等温压缩过程，完成了开放式布雷顿循环的两个压缩过程，且压缩机耗功量大幅度减小。 

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，本实用新型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，使得闭式三角循环绝热膨胀后，其尾气的温度接近于环境中的空气温度，大幅度减少了热的损失。 

因此，本实用新型将高效率的卡诺循环与布雷顿循环有机的结合起来，能够发挥各自的优势，形成一个新的热力循环动力设备，从而大幅度提高了采用布雷顿循环的燃气轮机动力设备的热效率；可大幅度节约成本及能耗，意义重大。 

将上述闭式三角循环发电设备用于不同条件下发电。 

应用实例一，闭式三角循环发电设备采用空气作为工作介质，热功动力转换机械2的进口处高压侧压力为1Mpa，热功动力转换机械2的出口处低压侧压力为0.1Mpa；换热器3的加热温度为312℃，压缩机2的冷凝温度为30℃，冷凝采用水冷方式。 

应用实例二，闭式三角循环发电设备采用二氧化碳作为工作介质，热功动力转换机械2的进口处高压侧压力为2Mpa，热功动力转换机械2的出口处低压侧压力为0.1Mpa；换热器3的加热温度为439℃，压缩机2的冷凝温度为30℃，冷凝采用空冷方式。 

应用实例三，闭式三角循环发电设备采用氮气作为工作介质，热功动力转换机械2的进口处高压侧压力为3Mpa，热功动力转换机械2的出口处低压侧压力为0.1Mpa；换热器3的加热温度为526℃，压缩机2的冷凝温度为30℃，冷凝采用空冷方式。 

应用实例四，闭式三角循环发电设备采用氦气作为工作介质，热功动力转换机械2的进口处高压侧压力为10Mpa，热功动力转换机械2的出口处低压侧压力为0.1Mpa；换热器3的加热温度为855℃，压缩机2的冷凝温度为30℃，冷凝采用空冷方式。 

应用实例五，闭式三角循环发电设备采用氢气作为工作介质，热功动力转换机械2的进口处高压侧压力为1Mpa，热功动力转换机械2的出口处低压侧压力为0.01Mpa；换热 器3的加热温度为855℃，压缩机2的冷凝温度为30℃，冷凝采用空冷方式。 

应用实例六，闭式三角循环发电设备采用氧气作为工作介质，热功动力转换机械2的进口处高压侧压力为1Mpa，热功动力转换机械2的出口处低压侧压力为0.005Mpa；换热器3的加热温度为1100℃，压缩机2的冷凝温度为30℃，冷凝采用空冷方式。 

以上六个实例的热效率比较见表1。 

表1闭式三角循环发电设备的热效率比较 

从表1可以看出，闭式三角循环的热效率只取决于循环增压比且随π的增大而提高。由于传统的燃气轮机采用的是开放式布雷顿循环，其低压侧压力为大气压力0.1Mpa，无法改变，而在1200℃的高温下加热，其高压侧的压力也无法升的过高，循环增压比就无法提高，导致其热效率较低。相比之下，闭式三角循环，由于是封闭式循环，可以通过减低低压侧压力的方法增大循环增压比，从而实现了较高的热效率。这是开放式布雷顿循环无法做到的。 

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，由于多使用了一套朗肯循环发电系统，大大增加了成本，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。而本实用新型的闭式三角循环通过提高循环增压比的新途径，就可实现燃气轮机联合循环的50％以上的发电效率，只用了一 套设备，简化了设备并降低了成本，不仅可以应用于大型燃气轮机的发电，也可以广泛的应用于中小规模的燃气轮机发电，大幅度提高燃气轮机的发电效率；而且由于采用了外燃式加热方式，可应用于各种不同的燃料包括液态燃料及气态燃料及固态燃料，包括太阳热高温发电等，对于节能减排，无疑具有十分重要的应用价值及意义。 

以上公开的仅为本实用新型的具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，除此之外，本实用新型还可以其他方式实现，在不脱离本实用新型构思及实用新型精神的前提下，任何显而易见的修改及替换均在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种闭式三角循环发电设备，其特征在于：包括发电机（1）以及依次连接成环的一组压缩机（2）、换热器（3）和热功动力转换机械（4）；所述热功动力转换机械（4）、压缩机（2）之间以及压缩机（2）两两之间分别设有冷凝器（5），所述热功动力转换机械（4）和一组压缩机（2）均通过转轴（6）与发电机（1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种闭式三角循环发电设备，其特征在于：所述一组压缩机（2）的数量为两个以上。

3.根据权利要求1所述的一种闭式三角循环发电设备，其特征在于：所述一组压缩机（2）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所述的一种闭式三角循环发电设备，其特征在于：还包括调压阀（7），所述调压阀（7）设于换热器（3）和热功动力转换机械（4）之间。

5.根据权利要求1所述的一种闭式三角循环发电设备，其特征在于：所述闭式三角循环发电设备采用空气、二氧化碳、氮气、氦气、氢气或氧气作为循环工质。

6.根据权利要求1所述的一种闭式三角循环发电设备，其特征在于：所述的热功动力转换机械（4）为汽轮机或膨胀机。

7.根据权利要求6所述的一种闭式三角循环发电设备，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。