CN209308835U - 一种冷热联供燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及燃气轮机领域，特涉及一种冷热联供燃气轮机。本实用新型包括核心机和制冷组件，核心机只有开关两种状态，通过冷却器调节工质的温度实现制冷，使本实用新型的燃气轮机制冷能力要高于冷热电方案的制冷能力，且整机变工况情况下输出平均效率高。

Description

一种冷热联供燃气轮机

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机领域，特涉及一种冷热联供燃气轮机。

背景技术

燃气轮机(Gas Turbine)是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式热力发动机。

燃气轮机结构最简单，而且最能体现出燃气轮机所特有的体积小、重量轻、启动快、少用或不用冷却水等一系列优点。燃气轮机在工质和燃气的主要流程中，只有压气机(Compressor)、燃烧室(Combustor)和燃气透平(Turbine)这三大部件组成的燃气轮机循环，通称为简单循环。大多数燃气轮机均采用简单循环方案。

压气机从外界大气环境吸入工质，并经过轴流式压气机逐级压缩使之增压，同时工质温度也相应提高；压缩工质被压送到燃烧室与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体；然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和外负荷转子一起高速旋转，实现了气体或液体燃料的化学能部分转化为机械功，并输出电功。从透平中排出的废气排至大气自然放热。这样，燃气轮机就把燃料的化学能转化为热能，又把部分热能转变成机械能。通常在燃气轮机中，压气机是由燃气透平膨胀做功来带动的，它是透平的负载。在简单循环中，透平发出的机械功有1/2到2/3左右用来带动压气机，其余的1/3左右的机械功用来驱动发电机。

采用简单循环的燃气轮机以及回热循环的燃气轮机在低负荷情况下运行效率低，采用可变工况设计以及间冷再热循环的燃气轮机虽然在低负荷情况下运行效率有所提高，但是采用可变工况设计的燃气轮机设计难度大，加工成本高，控制规律复杂；采用间冷再热循环的燃气轮机控制响应慢，结构复杂。

另外燃气轮机本身只能提供电/功和热，如果需要提供冷的话需要额外添加其他设备如溴冷机或空调压缩机组实现。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种冷热联供燃气轮机。本实用新型包括核心机和制冷组件，核心机只有开关两种状态，通过冷却器调节工质的温度实现制冷，使本实用新型的燃气轮机制冷能力要高于冷热电方案的制冷能力，且整机变工况情况下输出平均效率高。

本实用新型的技术方案是：一种冷热联供燃气轮机的运转方法，其特征在于：主压气机输出两路高压工质，第一路高压工质驱动主涡轮运动，主涡轮带动主压气机旋转，第二路高压工质驱动制冷涡轮转动，制冷涡轮转动带动制冷压气机旋转，制冷压气机输出工质输入冷却器。

根据如上所述的一种冷热联供燃气轮机的运转方法，其特征在于：主涡轮输出功率大于主压气机消耗功率，且主涡轮输出功率小于主压气机消耗功率的1.05倍。

根据如上所述的一种冷热联供燃气轮机的运转方法，其特征在于：第二路高压工质的流量为主压气机进口流量的20％至60％。

本实用新型还公开了一种冷热联供燃气轮机，包括核心机和制冷组件，核心机包括主压气机、燃气室、主涡轮，制冷组件包括冷却器、制冷涡轮、制冷压气机，其特征在于：主压气机输出两路高压工质，其中一路高压工质经燃气室与主涡轮连接，第二路高压工质送入冷却器；冷却器输出口与制冷涡轮连接，制冷涡轮转动带动制冷压气机旋转，制冷压气机输出口与冷却器的输入口连接。

根据如上所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：主涡轮输出功率大于主压气机消耗功率，且主涡轮输出功率小于主压气机消耗功率的1.05倍。

根据如上所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：还包括单向阀，制冷压气机输出口经过单向阀后与冷却器的输入口连接。

根据如上所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：第二路高压工质的流量为主压气机进口流量的20％至60％。

根据如上所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：还包括自由涡轮组件，自由涡轮组件与制冷组件并列布设，自由涡轮组件包括换热器、自由涡轮、负载、传动机构，换热器输入口与主压气机输出口连接，换热器输出口与自由涡轮连接，自由涡轮通过传动机构与负载连接。

根据如上所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：还包括自由涡轮组件，自由涡轮组件与制冷组件并列布设，自由涡轮组件包括注能装置、自由涡轮、负载、传动机构，注能装置输入口与主压气机输出口连接，注能装置输出口与自由涡轮连接，自由涡轮通过传动机构与负载连接。

根据如上所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：所述的注能装置为燃烧室注能或采用喷淋注入冷却介质进行注能。

根据如上所述的一种燃气轮机，其特征在于：核心机的压气机或涡轮设置为N级，N级压气机和N级涡轮采用同轴布置或采用分轴布置，N大于等于2。

根据如上所述的一种燃气轮机，其特征在于：核心机的压气机之间设置间冷器。

根据如上所述的一种燃气轮机，其特征在于：第二路高压工质的引出位置为压气机的级间位置或从压气机多个不同位置同时引出。

根据如上所述的一种燃气轮机，其特征在于：核心机的涡轮之间设置燃烧室。

本实用新型的有益效果是：1、核心机只有开关两种状态，整机变工况情况下输出平均效率高。2、核心机设计难度降低。核心机只有开关两种状态，调节燃机负荷是通过调节自由涡轮进口工质温度实现，因此核心机的压气机、涡轮以及燃烧室一直运行在设计工作点，所以只需要考虑设计点的性能达到最优；对比现有燃机方案，在负荷变化时压气机，涡轮，燃烧室的流量，压力，温度等条件全部发生变化，因此设计时还要考虑在偏离设计点时候的匹配特性，稳定性，效率等等，所以通过对比，本专利的核心机设计只需要考虑设计点工况的性能最优以及变季节的设计点工况，传统燃机方案需要考虑设计点工况下的性能以及同设计点进口温度情况下的变负荷工况，变季节工况以及变季节条件下的变负荷工况。3、制冷组件设计难度降低，制冷效果可通过调节冷却器的冷却效果和制冷压气机的旋转速度有关，便于调节控制。4、整机变工况情况下输出平均效率高。

附图说明

图1为本实用新型装置的结构示意图。

图2为本实用新型装置另一实施例的结构示意图。

图3为本实用新型装置另一实施例的结构示意图。

图4为本实用新型装置另一实施例的结构示意图。

图5为本实用新型装置另一实施例的结构示意图。

附图说明：核心机1、主压气机11、二级压气机11A、燃气室12、二级燃烧室12A、主涡轮13、二级主涡轮13A、间冷器15、制冷组件2、冷却器21、制冷涡轮22、制冷压气机23、单向阀24、自由涡轮组件3、换热器31、热交换装置31A、自由涡轮32、负载33、传动机构34。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

如图1所示，本实用新型的冷热联供燃气轮机包括核心机1和制冷组件2，核心机1包括主压气机11、燃气室12、主涡轮13，制冷组件2包括冷却器21、制冷涡轮22、制冷压气机23、单向阀24。

如图1所示，本实用新型的主压气机11与主涡轮13同轴连接，主涡轮13转动带动主压气机11旋转，主压气机11输出口与燃气室12和冷却器21的输入口连接。这样主压气机11输出两路高压工质，其中一路高压工质经燃气室12与主涡轮13连接，第二路高压工质送入制冷组件2。

如图1所示，本实用新型的制冷组件2包括冷却器21、制冷涡轮22、制冷压气机23、单向阀24，冷却器21输入口与主压气机11输出口连接，冷却器21输出口与制冷涡轮22连接，制冷涡轮22转动带动制冷压气机23旋转，制冷压气机23输出口经过单向阀24后与冷却器21的输入口连接。单向阀24的作用是防止启动时，核心机1输出的高压工质倒灌入制冷压气机23中。

本实用新型中，主压气机11进口流量的20％至60％流入冷却器21，如进入冷却器21的气体流量可以为30％、35％、40％、45％、50％、55％，优选范围在40％至50％，这样可以提高输出平均效率高，使效率变化<1％。

本实用新型还公开了一种冷热联供燃气轮机的运转方法，燃气轮机的主压气机11输出两路高压工质，第一路高压工质驱动主涡轮13运动，主涡轮13带动主压气机11旋转，第二路高压工质通过冷却器21后驱动制冷涡轮22转动，即第二路高压工质驱动制冷涡轮22转动。制冷涡轮22转动带动制冷压气机23旋转，制冷压气机23输出口经过单向阀24后与冷却器21的输入口连接，即制冷压气机23输出工质输入冷却器21。

本实用新型优选第二路高压工质的流量为主压气机11进口流量的20％至60％，优选范围在40％至50％，这样可以提高输出平均效率高，使效率变化<1％。

本实用新型中，主涡轮13输出功率大于主压气机11消耗功率，最好主涡轮13输出功率小于主压气机11消耗功率的1.05倍。这样本实用新型中，核心机1所消耗的能力较低，有利于提升本实用新型燃料利用效率。

本实用新型的核心机1处于稳定工作状态，运行参数保持不变，保证整机效率稳定。本实用新型通过冷却器21调节工质的温度，通过循环工作，可以快速制冷。

本实用新型的燃气轮机工作原理如下：核心机1经过盘车、点火，完成启动过程达到额定转速后，核心机1达到设计工作状态，输出达到设计参数的一路压力、流量的工质，该工质通过冷却器21后进入制冷涡轮22，制冷涡轮22转动带动制冷压气机23转动，从而带动需要制冷的气体进入冷却器21；通过冷却器21对气体进行制冷，核心机1的排气可以作为热源，制冷涡轮22的排气可以作为冷源，这时候燃机处于热、冷二联供状态，且制冷组件2的制冷能力要高于冷热电方案的制冷能力。这样本实用新型的装置可谓为冷藏车供冷，为远洋渔船冷库供冷等无电需求只有冷需求场景。

如图2所示，本实用新型还包括自由涡轮组件3，自由涡轮组件3与制冷组件2并列布设。自由涡轮组件3与制冷组件2可分别单独工作，或自由涡轮组件3与制冷组件2同时工作。自由涡轮组件3与制冷组件2同时工作时，核心机1输出的高压工质可均分给自由涡轮组件3和制冷组件2，也可根据输出功率或制冷要求的不同选择不同的分配方案。自由涡轮组件3包括换热器31、自由涡轮32、负载33、传动机构34，换热器31输入口与主压气机11输出口连接，换热器31输出口与自由涡轮32连接，自由涡轮32通过传动机构34与负载33连接。本该技术方案的优点是同时产生冷、热、电；核心机只有开关两种状态，通过调节自由涡轮组件3进口温度调节输出负载，或通过调节冷却器21冷却介质温度，使整机变工况情况下输出平均效率高，负荷范围在50％～110％之间变化时，效率变化<2％。

如图4和图5所示，本实用新型的核心机1可以设置多级压气机；优选的可以在压气机添加间冷器减少压气机的耗功；如图5在压气机11、二级压气机11A之间增设间冷器15。本实用新型的第二路高压工质的引出位置可以不是压气机的出口，也可以在压气机的级间位置，也可以是从压气机多个不同位置同时引出。本实用新型的主涡轮可以为多级涡轮，如图4和图5中包括主涡轮13和二级主涡轮13A，且多级涡轮之间可以添加再热装置，提高效率；如图5中增加二级燃烧室12A。本实用新型的多级压气机和多级涡轮可以采用同轴布置方案也可以采用分轴布置方案；多级压气机和多级涡轮可以为三级或四级，可以根据实际情况设计。

作为本实用新型的另一种方案，如图3所示，自由涡轮组件3包括热交换装置31A、自由涡轮32、负载33、传动机构34，热交换装置31A输入口与主压气机11输出口连接，热交换装置31A输出口与自由涡轮32连接，自由涡轮32通过传动机构34与负载33连接。热交换装置31A可以为燃烧室注能，或热交换装置31A采用喷淋注入冷却介质进行。

Claims (11)

1.一种冷热联供燃气轮机，包括核心机和制冷组件，核心机包括主压气机、燃气室、主涡轮，制冷组件包括冷却器、冷却涡轮、冷却压气机，其特征在于：主压气机输出两路高压工质，其中一路高压工质经燃气室与主涡轮连接，第二路高压工质送入冷却器；冷却器输出口与冷却涡轮连接，冷却涡轮转动带动冷却压气机旋转，冷却压气机输出口与冷却器的输入口连接。

2.根据权利要求1所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：主涡轮输出功率大于主压气机消耗功率，且主涡轮输出功率小于主压气机消耗功率的1.05倍。

3.根据权利要求1或2所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：还包括单向阀，冷却压气机输出口经过单向阀后与冷却器的输入口连接。

4.根据权利要求1或2所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：第二路高压工质的流量为主压气机进口流量的20％至60％。

5.根据权利要求1所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：还包括自由涡轮组件，自由涡轮组件与制冷组件并列布设，自由涡轮组件包括换热器、自由涡轮、负载、传动机构，换热器输入口与主压气机输出口连接，换热器输出口与自由涡轮连接，自由涡轮通过传动机构与负载连接。

6.根据权利要求1所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：还包括自由涡轮组件，自由涡轮组件与制冷组件并列布设，自由涡轮组件包括注能装置、自由涡轮、负载、传动机构，注能装置输入口与主压气机输出口连接，注能装置输出口与自由涡轮连接，自由涡轮通过传动机构与负载连接。

7.根据权利要求6所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：所述的注能装置为燃烧室注能或采用喷淋注入冷却介质进行注能。

8.根据权利要求1或2所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：核心机的主压气机或主涡轮设置为N级，N级主压气机和N级主涡轮采用同轴布置或采用分轴布置，N大于等于2。

9.根据权利要求8所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：核心机的主压气机之间设置间冷器。

10.根据权利要求8所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：第二路高压工质的引出位置为主压气机的级间位置或从主压气机多个不同位置同时引出。

11.根据权利要求8所述的一种冷热联供燃气轮机，其特征在于：核心机的主涡轮之间设置燃烧室。