CN87106150A - 从热能产生机械动力的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于从热能产生机械动力的一种方法和设备，该方法和设备包括一热能发生装置，热能是至少由矿物可燃性物质或生物气体的氧化产生，燃料和氧在至少一反应区中混合，使其发生放热反应，该反应是局限于一燃烧室中进行的，该燃烧室包括至少一排气管、至少一含氧气体入口和燃料引入装置。此外，透平机运行过程的部分热能在透平循环中以气态物质的形式放出，此气态物质则起实质上比重小于空气的热载体的作用。

Description

人为的空气污染是众所周知的事实，减少不必要的污染已公认为当务之急。大量的空气污染是人造装置燃烧矿物燃料产生的。最近人们在清除该等装置排出的气体和/或烟之气方面作了许多努力。
下面叙述的本发明，其主要目的是明确地详细说明经过改良的提高热能发生装置或更具体地说热力发电厂的总效率，同时减少由其所造成的污染程度的方法和有关设备。
本发明的另一个目的是提供通过控制热能发生装置的释热率（以下简稳为ROHR）从热能发生装置发出的热能产生机械动力的一种方法，该热能是至少大体上通过矿物燃料或生物气体的氧化产生的：燃料和氧气在至少一个反应区中经混合使其发生放热反应，此外在该反应区内反应是限制在一个燃烧室装置中进行的，该燃烧室装置则包括至少一个排气管、至少一个含氧气体入口和燃料引入装置;整个过程包括下列步骤：
（甲）设置至少一个与一比较器连接的用以检测所述热能发生装置的ROHR所用的探测器;
（乙）在比较器中产生至少一个所希望的ROHR的目标值;
（丙）确定所述热能发生过程的ROHR值，并将该数据传送到所述比较器中，
（丁）设置用以控制所述热能发生过程的ROHR所用的控制装置;和
（戊）将所述比较器与所述控制装置连接起来，从而使所述目标值与所述ROHR的检测值至少基本上达到一致。
本发明的另一个目的是公开这样一种方法，该方法是将热能生产方法应用到至少一个辅助透平循环中，而主透平循环包括普通的蒸汽或气体透循环。
作为本发明的又一个目的在于该主透平循环是用至少基本上惰性的气体即由惰性气体的适当混合物完成的。
作为本发明的又另一个目的在于该主透平循环是在比外界压力高的压力下进行的。
作为本发明的另一个目的，所述主透平循环中较高压力的平均值是可按预定的操作要求进行调节的，从而可以较快地进行功率调制。
作为本发明的又另一个目的在于以下事实，即由于比在现有技术蒸汽发生装置所遇到的热惯性较小，通过改变燃料供应流量率可以使热能发生过程在负荷按所希望的情况变化时极其快速地发生反应。
本发明的另一个目的是，待生产的热能有部分是从核反应堆和/或其它能源获得的。
本发明的又一个目的是，反应堆产生的部分热能以在至少一个第一较低的温度范围内提供给一个循环之内，而以在高于该第一较低温度范围内的温度输入到所要求的热能生产循环的热能是由下一个燃烧循环完成的。
本发明的又另一个目的是，在较低温度范围内的一部分热能产生过程是由其它热源完成的，例如太阳能、地热能、工业废热、由另一个当然可包括热交换器热泵式循环发出的热能等。
作为本发明的一个目的，至少一个透平循环的热能产生过程是通过受到所采用的若干热能产生方法中至少一种方法的作用下的热效换器装置完成的。
作为本发明的另一个目的，经过改良的热能生产方法被应用于至少一个辅助透平循环中，且主透平循环还包括一个普通的蒸汽透平循环或一个气体透平循环。
本发明的又另一个目的是提供一种从热能产生机械动力的设备，该热能则至少是包括透平装置在内的释热装置放出来的。
除本发明申请人减少空气污染的技术所具有的有益性能外，本发明申请人还想出使该技术适应于能量生产的方法和设备，从而提高效率，同时给能量生产和降低污染带来好处。
熟悉本专业的人士还应该注意的一点是，发电厂可适配成利用透平运行过程的部分热能，其中该热能是在基本上惰性气体透平循环中释放出来的，且此外在所述循环中所述基本上惰性的气体可防止发电装置因热而损坏。
此外，可以明白到，若热能载体是气态物质，而且是比重小于空气的气态物质时，则任何因疏忽大意而造成的从管道或配件等的气体漏泄，不含在大气中停留很长时间的。
用于干净而高效产生热能的理想的方法例如本专利申请人的专利合作条约/美国专利85/01730中已叙述过。在本申请人有关的一九八六年八月二十八日申请的共同待审批的美国专利序列号910，348中还叙述这类经过改良的方法。
虽然本专利申请要求保护的范围对熟悉本专业的人士来说可通过阅读该本发明的说明书以权利要求书而获得明确的认识，下面还是叙述本发明的方法和装置。
本发明的方法包括下列步骤：
从矿物可燃性产品、生物气体或它们的混合物选取燃料，
设置热能发生装置，该装置包括至少一个具有燃烧室装置的反应区、一个含氧气体的入口、燃料引入装置和一个排气管，
在所述反应区相应的一个部位设置至少一个探测装置，用以检测所述热能发生装置在所述一个部位的实际释热率，
设置至少一个目标值发生装置，用以产生规定为所述热能发生装置在一个探测装置的所述一个部位的期望释热率的相应一个目标值，
设置至少一个比较装置，用以将在所述一个部位检测到的所述实际释热率与所述一个目标值加以比较，
设置至少一个控制装置，与所述比较装置相连接，用以控制在所述一个部位检测到的所述实际释热率，使其大体上与所述目标值相等，
设置一个将所述热能发生装置产生的热能转换成机械动力的装置，
在所述控制装置的控制下通过所述燃料在放热氧化过程下在所述反应区的所述燃烧室装置中产生热能，和
操纵所述至少一个目标值发生装置，以产生这样一个相应的目标值，该目标值使一定量的所述燃料从所述燃烧过程开始起直到所述燃烧过程结束止基本上等温燃烧。
所述将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括至少一个透平装置。此外，该所述用以将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括主和辅助透平装置，所述主透平装置是普通的蒸汽透平装置，其中所述主透平装置按普通方式运行，所述辅助透平装置则是在所控制的释热率的情况下运行。该述用以将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置也可包括基主和辅助透平装置，所述主透平装置是普通的气体透平装置，其中所述主透平装置按普通方式运行，所述辅助透平装置则是在受控制的释热率的情况下运行。
所述普通气体透平装置由选自下列诸气体的一种气体驱动：惰性气体，惰性气体混合气体，基本上以一种惰性气体为主要成分的混合气体，基本上以惰性气体混合气为主要成分的混合气体。而驱动所述普通气体透平装置的所述气体处于高于外界压力的压力。
所述较高压力相对于其平均值可加以改变的，以便根据机械动力需求的变化改善机械功率调制的时间特性。燃料供料率相对于其平均值可加以改变，以便根据机械动力需求的变化改善机械功率调制的时间特性。
热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从一个核反应堆获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。除核反应堆之外，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分也可从太阳能、地热能、工业废热或热泵循环获得。
实现本发明的方法的设备，即从热能产生机械动力的设备包括：
热能发生装置，包括至少一个具有燃烧室装置的反应区、一个含氧气体入口、一个燃料引入装置和一个排气管，
至少一个探测装置，位于所述反应区相应的一个部位，用以在所述一个部位检测所述热能发生装置的实际释热率，
至少一个目标值发生装置，用以产生规定为所述热能发生装置在一探测装置所述一部位的期望释热率的相应一目标值，
至少一比较装置，用以将在所述一个部位检测到的实际释热率与所述目标值加以比较，
用以将所述探测装置与所述目标值发生装置连接到所述比较装置的装置，
至少一控制装置，连接到所述比较装置上，用以控制在所述一个部位检测到的所述的实际释热率，使其大致上与所述目标值相等，
用以将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置，
由此所述热能发生装置适宜在所述控制装置的控制下借助所述燃料的放热氧化过程在所述反应区的所述燃烧室装置内产生热能，
由此所述至少一个目标值发生装置适用于为产生这样一个相应目标值而进行工作，该目标值促使一定量的所述燃料从所述燃过程开始起直至所述燃烧过程结束止基本上等热燃。
所述将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括至少一个透平装置。此外所述将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括主和辅助透平装置，所述主透平装置是普通的蒸汽透平装置，按普通方式运行，所述辅助透平装置则是透适宜于在受控制的释热率的情况下运行;所述将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置也可包括主和辅助透平装置，所述主透平装置是普通的气体透平装置，按普通方式运行，所述辅助透平装置则是适宜于在受控制的释热率情况下运行。
其中，所述普通的气体透平装置由选自下列诸气体的一种气体驱动：惰性气体，惰性气体混合气体，基本上以一种惰性气体为主要成分的混合气体，基本上以惰性气体混合气体为主要成分的混合气体
所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从一个核反应堆获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热热发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。除此之外，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分可从太阳能、地热能、工业废热获得。
所述设备还包括一个用以从一热泵循环获得取所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分的装置、一个用以在至少一较低温度范围内将所述热能的所述部分供应给所述透平装置的装置和一个用以从所述燃料的所述燃烧过程获得所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分并用以将所述热能的所述其余部分在至少一较高温度下供应给所述透平装置的装置。
下文还将结合图1所示的较理想的各工序的流程示意图的说明作一简短叙述。
假若需要预定量的功率，我们假定该功率为X千瓦，以Q1表示，这时由于周知的效率损失，因而需要产生更大的功率，以Q2表示。此Q2可以是各种发热源Q2′、Q2″、Q2′′′、等的总和。
在部分热能是由可燃性物质燃烧产生的热能发生装置中，燃烧过程最好以这样一种方式控制，使其能遵循至少基本上是等温的变化过程。
当然，可以预期把若干这类热能发生装置作串联或并联配置，例如，在需要于较早期阶段输入热能的较低温度热能发生装置中可以采用较低能级的热能，而且最好例如采用一个热变交换器。
在下一步需要往该热能生产过程施加较高或峰值温度以提高其热力效率的工序中，上述所提及待审批专利案中所叙述的那些较好的燃烧方法中的至少一种方法将于此文中揭示出来。
应该明白到，根据本设计和原理的所谓透平能量发生装置于是可以包括与之有关的热交换装置、泵送、加燃料、涧滑以及最后点火入口和排气装置等、此外，通常也包括分阶段供应的输入热源以及中间过热装置等，如在现有技术中都涉及到的一样，也都包括在“透平能量生产装置”一词的范围内。
更简单地说，热力透平能量发生过程通常至少包括下列步骤：
-往一隔舱中通入可流体化的物料，最好是气态物料;
-输入能量，将该物料加热，使其膨胀并增加其位能，
-应用至少基本上是绝热的膨胀过程，该过程通常由所述透平装置完成;该透平装置又放出能量，所输出的能量通常小于该输入的能量。
图1是透平能量发生装置能量流程图一个实例的示意图。
更详细地说，图1展示了包括至少一个用虚线表示的透平机5的透平能量生产装置。该透平机发出用箭头2表示等于输出Q1的能量输出，为产生这个输出需要输入大于Q1以4或Q2表示的能量输入。
必要时，可以将装置所产生和遇到的至少一部分能量损失通过适当连接装置9在装置3中再循环。装置3例如可以包括热交换装置，这是能量发生装置技术中所周知的。
待馈入装置1的能量Q2可以来自各种合乎要求的能源，如箭头Q2′、Q3、Q3′等所示。
在一个值得推荐的配置方式中，其中3包括一个透平循环的情况下，其一部分损失的能量也可以通过周知的热量回收技术加以回收，并由图中的能量导管装置10所示。
与上述情况相同，装置6可以是低能级热能发生装置，必要时，最后还可以接收另外的能源，如Q5、Q6、Q4、等示出。
在任何情况下，还需要有基本上是放热反应源的基本能量输入，包括引入能量的辅助步骤，即燃烧过程所产生的能量。
此外，能量损失的最后总和，依然剩余。
在目的在于满足所述能量输出要求的待产生的热能供应是藉核反应堆装置获取的情况下，那么最好至少在热能传输回路中采用比重小于空气例如氢或氦等或它们的混合气体的气态物体。
此外，若机械动力输出Q1′从辅助能量发生装置3，6等中的有关循环获得的，则显然所有机械动力输出Q1′、Q1″、Q1′″、都应被考虑在属于代表目标总能量输出的Q1之中。
上面述及到的是本发明一些值得推荐的说明性实施例，应明白到其它变化方案和实施例也包含在本说明书所附诸权利要求中规定的本发明精神实质和范围内。

Claims (23)

1、一种从热能产生机械动力的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
从矿物可燃性产品、生物气体或它们的混合物选取燃料，
设置热能发生装置，该装置包括至少一个具有燃烧室装置的反应区、一个含氧气体的入口、燃料引入装置和一个排气管，
在所述反应区相应的一个部位设置至少一个探测装置，用以检测所述热能发生装置在所述的一个部位的实际释热率，
设置至少一个目标值发生装置，用以产生规定为所述热能发生装置在一个探测装置的所述一个部位的期望释热率的相应一个目标值，
设置至少一个比较装置，用以将在所述一个部位检测到的所述实际释热率与所述一个目标值加以比较，
设置至少一个控制装置，与所述比较装置相连接，用以控制在所述一个部位检测到的所述实际释热率，使其大体上与所述目标值相等，
设置一个将所述热能发生装置产生的热能转换成机械动力的装置，
在所述控制装置的控制下通过所述燃料在放热氧化过程下在所述反应区的所述燃烧室装置中产生热能，和
操纵所述至少一个目标值发生装置，以产生这样一个相应的目标值，该目标值使一定量的所述燃料从所述燃烧过程开始起直到所述燃烧过程结束上基本上等温燃烧。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括至少一个透平装置。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于，所述用以装所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括主和辅助透平装置，所述主透平装置是普通的蒸汽透平装置，其中所述主透平装置按普通方式运行，所述辅助透平装置则是在受控制的释热率的情况下运行。
4、根据权利要求2的方法，其特征在于，所述用以将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括主和辅助透平装置，所述主透平装置是普通的气体透平装置，其中所述主透平装置按普通方式运行，所述辅助透平装置则是在受控制的释热率的情况下运行。
5、根据权利要求4的方法，其特征在于，所述普通气体透平装置由选自下列诸气体的一种气体驱动：惰性气体，惰性气体混合气体，基本上以一种惰性气体为主要成分的混合气体，基本上以惰性气体混合气体为主要成分的混合气体。
6、根据权利要求5的方法，其特征在于，驱动所述普通气体透平装置的所述气体处于高于外界压力的压力。
7、根据权利要求6的方法，其特征在于，所述较高压力相对于其平均值可加以改变的，以便根据机械动力需求的变化改善机械功率调制的时间特性。
8、根据权利要求4的方法，其特征在于，所述燃料供料率相对于其平均值可加以改变，以便根据机械动力需求的变化改善机械功率调制的时间特性。
9、根据权利要求2的方法，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从一个核反应堆获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
10、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从太阳能获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
11、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从地热能获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
12、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从工业废热获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
13、根据权利要求1的方法，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从热泵循环获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
14、一种从热能产生机械动力的设备，其特征在于，该设备包括：
热能发生装置，包括至少一个具有燃烧室装置的反应区、一个含氧气体入口、一个燃料引入装置和一个排气管，
至少一个探测装置位于所述反应区相应的一个部位，用以在所述一个部位检测所述热能发生装置的实际释热率，
至少一个目标值发生装置，用以产生规定为所述热能发生装置在一探测装置所述一部位的期望释热率的相应一目标值，
至少一比较装置，用以将在所述一个部位检测到的实际释热率与所述目标值加以比较，
用以将所述探测装置与所述目标值发生装置连接到所述比较装置的装置，
至少一控制装置，连接到所述比较装置上，用以控制在所述一个部位检测到的所述实际释热率，使其大致上与所述目标值相等，
用以将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置，由此所述热能发生装置适宜在所述控制装置的控制下借助所述燃料的放热氧化过程在所述反应区的所述燃烧室装置内产生热能，
由此所述至少一个目标值发生装置适用于为产生这样一个相应目标值而进行工作，该目标值促使一定量的所述燃料从所述燃烧过程开始起直至所述燃烧过程结束止基本上等温燃烧。
15、根据权利要求14的方法，其特征在于，所述将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括至少一个透平装置。
16、根据权利要求14的方法，其特征在于，所述将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括主和辅助透平装置，所述主透平装置是普通的蒸汽透平装置，其中所述主透平装置按普通方式运行，所述辅助透平装置则是适宜于在受控制的释热率的情况下运行。
17、根据权利要求14的方法，其特征在于，所述将所述热能发生装置所产生的热能转换成机械动力的装置包括主和辅助透平装置，所述主透平装置是普通的气体透平装置，其中主透平装置按普通方式运行，所述辅助负荷透平装置则是适宜于在受控制的释热率情况下运行。
18、根据权利要求17的设备，其特征在于，所述普通的气体透平装置由选自下列诸气体的一种气体驱动：惰性气体，惰性气体混合气体，基本上以一种惰性气体为主要成分的混合气体，基本上以惰性气体混合气体为主要成分的混合气体。
19、根据权利要求15的方法，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从一个核反应堆获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
20、根据权利要求14的设备，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从太阳能获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
21、根据权利要求14的方法，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从地热能获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
22、根据权利要求14的方法，其特征在于，所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分是从工业废热获得，在至少一较低温度范围内供应给所述透平装置的，所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分则是从所述燃料的所述燃烧过程获得，在至少一较高温度范围内供应给所述透平装置的。
23、根据权利要求14的方法，其特征在于，所述设备还包括一个用以从一热泵循环获取所述热能发生装置所产生的所述热能的一部分的装置、一个用以在至少一较低温度范围内将所述热能的所述热能的所述部分供应给所述透平装置的装置和一个用以从所述燃料的所述燃烧过程获取所述热能发生装置所产生的所述热能的其余部分并用以将所述热能的所述其余部分在至少一较高温度下供应给所述透平装置的装置。
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CN101988431A (zh) * 2009-07-30 2011-03-23 通用电气公司 用于向燃气轮机供应燃料的系统及方法

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