CN1284151A - 用于在循环中发电的多级蒸汽做功/工作过程及实施装置 - Google Patents

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Abstract

本发明目的是以提高效率并显著降低工作流体对总压力和总温度要求的方式进一步改善产生电能的闭路循环。也提供一种改善的技术方案,尽管有时存在脉动的负荷要求,但其可以满足以额定输出功率进行连续运行的要求。这一点通过一个多级蒸汽做功运行方法来实现,该方法在一个循环中利用额外的气体的能量载体来增加该循环中的工作流体的压力、温度和体积以便发电,并使该工作流体在该循环中按使过热蒸汽连续地用作工作流体的方式再循环。本发明可用在一个循环中进行发电。

Description

用于在循环中发电的多级蒸汽做功/工作过程及实施装置
本发明涉及一种在循环过程中用于发电的多级蒸汽做功/工作过程，该过程利用外加气态的能量载体，增加作功过程中工作流体的压力、温度和质量，并使该工作流体在工作过程中再循环。
这样的技术方案在能量经济性领域特别需要。
在热能转换为机械能期间，效率被限制在最大值，该最大值由燃烧温度确定，即由燃烧期间排放的废气温度和所用的冷却剂的温度确定。根据现有技术在能量转换过程中所用的材料极限影响着理论上可获得的效率和实际上可实现的效率之间的差值。由于透平机械研究已经达到了非常高的水平，因此有可能产生的明显改进主要来源于对各种循环过程的热力学研究。
从最高燃烧温度出发，按照迄今公知的水平，为了增加能量值，能量转换过程中的总温度必须增加。此外，当在燃气透平过程中使用矿物燃料时，高的燃烧温度会影响氧化氮的排放。
为了发电，在大规模生产中，下列循环证明是成功的，即：蒸汽透平朗肯循环、燃气透平循环及当燃气透平循环和蒸汽透平朗肯循环这两个基本过程相结合时产生的燃气-蒸汽复合循环过程(CCPP过程)。
利用现代的蒸汽做功循环过程，希望在效率方面进行的改进是借助于将工作流体的压力增加到超过300巴，温度增加到超过700℃来取得的。同时，需要能妥善处理这些过程参数的材料技术方案。
利用现代的燃气透平循环过程，其目的是为了将透平的应用温度增加到1500℃，并可使由合适的机械冷却技术方案使用的材料保持稳定。
在公知的燃气-蒸汽复合循环过程中(CCPP)，其好处可从该两个基本循环过程的领域的技术发展中获得。
在试图改善能量转换效率的各种努力中，人们把努力的重点放在利用各种循环寻求用于能量转换过程的最有利形态的各种技术方案上。
美国专利US384100描述了一种闭路燃气透平过程，其中可使用各种气体，例如空气、氢气、氦气及其他气体，在该闭路过程中，工作过程发生在一涡轮压气机中，而做功过程发生在一燃气透平中。此时，对效率的改善是通过使用一个极大的冷却剂储存器来取得，环境空气在夜间的冷却能力的改善可利用该储存器获得。同时，需要保证该发电装置以额定负荷连续运行。这说明了：为了获得相当小的效率改善需要作出极大的技术努力。
因此，本发明的目的是为了以一种能够克服现有技术的各种缺陷同时可改善效率的方式开发这种发电的闭路循环。与公知技术相比，本发明对所用工作流体的总温度和总压力的要求将显著降低。
同时，尽管存在脉动负荷要求，但目标是为了提供可在保证额定负荷的连续运行的前提条件下进行发展的技术方案。
根据本发明，该目的通过权利要求1和6的特征部分的特征实现。因此，本发明按将连续过热的蒸汽用作工作流体这样的方式构筑了一种多级蒸汽-做功和蒸汽-工作过程，该过程利用一种外加的气态的能量载体在一个循环中发电，以便增加该循环中工作流体的压力、温度和质量，并使该循环中的工作流体再循环。
利用工作流体的这种选择，可利用蒸汽的比热、比压损失和传热系数的有利性能。
工作过程是在一个闭合的多级燃气透平装置中进行的，所用的蒸汽处于过热状态，具有象燃气那样的特性，并日益增强。
在启动之前和关机之后，该工作流体作为冷凝剂储存在一个布置在原动机和从动机之间的工作流体储存器中。为此，该工作流体储存器配备有使该冷凝剂蒸发的技术措施，或当必要时配备有使该蒸汽冷却的技术措施。
此外，提出的技术方案的特征在于：工作流体储存的能量或所用的外加气态的能量载体储存的能量转换成机械能是利用一个闭合的燃气透平装置实现的。利用氢和氧作为外加的气态的能量载体使该循环得到保持，并且最终的蒸汽是由氢氧气体发生在该燃气透平中的燃烧反应生成的。
额外蒸发的工作流体来自于采用氢氧气体的内燃机，该工作流体用作过热蒸汽，其目的是为了增加直接导向该多级燃气透平的叶片的整个工作流体的压力、温度和质量。由于氢氧气体的反应转移到该多级燃气透平的各单级中发生，因此在该过程中产生具有最小传热损失的高压和高温，它们可用于做功过程，而不需要在整个循环中保持总的压力和温度。
所用的过热蒸汽在燃气透平中膨胀后，将其作为工作流体，与作为被控制的氢氧气体的燃烧反应产生的转换物的过热蒸汽一起提供给该循环的压缩级。
本发明的实质是：利用热交换器使经燃气透平膨胀后的废气的热能对作为工作流体用且被压缩后的过热蒸汽进行预过热。在这种情况下，在该工作流体用在所希望的涡轮压气机中之前，它已经得到了理想的冷却。
因此该循环中冷却任务的实质性部分是由高温的膨胀工作流体和低温的压缩工作流体之间的热交换实现的。
在本发明的一个实施例中，原动机的从动机械之间的工作流体在工作流体储存器中在该装置启动前由外加能量进行蒸发。此时，该工作流体储存器中的工作流体是蒸汽冷凝剂形式的。
在另一个实施例中，提供这样的技术方案，即将过多的工作流体，其量相当于氢氧燃烧反应产生的蒸汽量，从该原动机和从动机械之间的循环中抽出。
原则上讲，整个循环都适合于将过多的工作流体排出，此时根据实际需要，即为了有效地利用抽出的工作流体，例如用于加热，用于透平冷却的压缩蒸汽也可从该循环中去掉。
也可以用该循环中产生的多余部分电能来产生氢和氧。如果该循环维持在额定负荷下工作，尽管存在降低负荷的要求，但为了利用尽可能最高的效率，这样做是特别合适的。
也可提供这样的技术方案，即，将从该循环的压缩级中分流出的部分蒸汽形式的工作流体用来冷却该燃气透平的轴和叶片。
概括地说，根据该方法提出的技术方案的优点是：虽然避免了循环过程中的空气污染，但利用作为工作流体的过热蒸汽进行连续的运行并没有抛弃燃气和蒸汽复合循环过程的公知技术的各种优点。另外，本发明的优点是：与可比的装置相比，该闭路循环中的总压力和温度大小都显著地降低。这样就可允许利用更多在成本上更有效的机械技术方案，另外这样做还可提高疲劳强度。此外，为了使该装置的零部件，例如从动机械和原动机、连接管路或热交换器区域具有相对小的比尺寸，过热蒸汽优良的物理性能是关键的前提条件。
根据所述方法提出的用于实现多级蒸汽做功和蒸汽工作过程的这种结构由一个作为原动机的多级燃气透平和一个布置在该透平轴上并作为从动机械的多级涡轮压气机及使工作流体进行循环的各个连接管路组成。
在这种情况下，用于提供气态氢和氧的供给装置布置在单个透平级处，直接靠近叶片。
一个用来将热量从该膨胀透平的废蒸汽传递给压缩的工作流体的热交换器设置于该从动机械和原动机之间。
另外一工作流体储存器设置于该从动机械和原动机之间。
这样的用于冷却该压缩的工作流体的热交换器区域同样设置于该涡轮压气机装置的各个单级中。
在布置用来实现多级蒸汽做功和蒸汽工作过程的具体实施例中，在该工作流体储存器中设置一个用于启动该装置并计划用于工作流体的蒸发装置。
布置用来实现多级蒸汽做功和蒸汽工作过程的另一个实施例设置有一个工作流体抽吸装置，该装置用于调节设置于该原动机和从动机械之间的压缩单元用的恒定的质量流。
一个带有所述性能的能量转换装置的特征是其具有许多优点。由于专门使用过热蒸汽作为工作流体，因此这种工作流体的公知物理优点对实现该循环的所述装置的零部件来说，可使其结构简单并且可有效地降低成本。
直接在该燃气透平的各单级的叶片处设置气态氢和氧供给装置可使不希望发生的负荷峰值在很大程度上被消除，且该装置所用的零部件所要求的高压和高温阻力可被限制与相应的透平级的对应。
此外，均匀地利用过热蒸汽作为该循环的工作流体可利用该工作流体的优越特性，即用于设置相对小的尺寸的热交换区域。
冷却该单元的零部件、储存工作流体的零部件和排出工作流体的零部件都是设计得只适用于过热蒸汽或蒸汽冷凝剂，这也可以认为是一个优点。
因此，总体上，所提出的技术方案提供了用于提供高效的且具有相当低的比机械成本的紧凑的能量转换装置的前提条件。
在下面的示范性实施例中对本发明进行详细解析。其中：
图1表示一个循环的各部件的示意性方框图，该循环具有一个四级涡轮压气机，一个四级燃气透平，一个工作流体用的热交换器和一个工作流体储存器；
图2表示通过一个在该循环中用于发电的能量转换装置的纵剖视图，该装置具有一个布置在一个四级燃气透平的轴上的四级涡轮压气机。
示范性实施例：
在由一台多级燃气透平1和一台涡轮压气机3构成的一个能量转换装置中，在一闭路循环中进行发电。
为了实现这一点，首先，将包含在一工作流体储存器8中的蒸汽冷凝剂通过供给外部能量利用一蒸发装置10进行蒸发。
利用相应的供给装置6将外部储存的气态氢和气态氧直接供给在本例中设计为四级的燃气透平1的单级透平的叶片5。将因氢的氧化反应而产生的转换产物，即过热蒸汽，与工作流体储存器8中储存的物体因蒸发而产生的过热蒸汽一起供给布置在该透平轴2上的四级涡轮压气机3。该单级压气机由冷却剂冷却。作为工作流体的压缩蒸汽离开该涡轮压气机3后，利用离开燃气透平1的膨胀蒸汽在一个热交换器7中进行预过热，然后提供给燃气透平1，在该透平1中，直接在各单级透平的叶片处，通过所用的氢和氧的燃烧反应可使该预过热蒸汽在局部进一步过热并且使分压力上升。此时，透平轴2和透平叶片5的冷却是由从压气机级中分出的部分蒸汽保证。包含从工作流体储存器8中蒸发的冷凝剂蒸汽和从氢氧气体燃烧反应期间产生的蒸汽这两部分过热蒸汽形式的紧密混合气被引入到燃气透平1和涡轮压气机3之间的连接管路中，并且在流过热交换器9时由被涡轮压气机3压缩并已经冷却的工作流体进行冷却。
为了调节供给该涡轮压气机3的工作流体的质量流量，设置一个工作流体抽吸装置11，利用该装置可将例如用于外部加热用的工作流体从该循环过程中抽出，一直抽到需要另外引入蒸汽的程度。
这一任务至少部分是通过将在燃气透平1中用于冷却目的的蒸汽也可能排放出来而实现的。
最后，供给涡轮压气机3的冷却剂也可用于外部加热，所以与常规的能量转换装置相比可获得综合效率的改善。考虑到相对较低的压力和相对较低的温度的过热蒸汽同时使用，因此该机械对该循环的各部件的各种要求都要处于可控制的范围内。
                  各零部件清单
1，多级燃气透平；
2，透平轴；
3，涡轮压气机；
4，连接管路；
5，叶片；
6，气态氢和氧的供给装置；
7，透平废气蒸汽和压缩的工作流体之间的热交换器；
8，工作流体储存器；
9，涡轮压气机中的热交换器区域；
10，蒸发装置；
11，工作流体抽吸装置。

Claims (8)

1．用于在一循环中产生电能的多级蒸汽-做功/工作过程，该过程利用一外加的气态的能量载体来增加该做功过程中工作流体的压力、温度和质量，并使该工作流体在工作过程中产生再循环，其特征在于：该循环是利用蒸汽作为工作流体连续进行的，该循环在一闭路多级燃气透平装置中进行，该工作流体储存在一工作流体储存器中，在启动前及停机后用作原动机和从动机械之间的冷凝剂，利用一闭路燃气透平装置将该工作流体储存的能量和外加的气态的能量载体储存的能量转换为机械能，将由氢气和氧气的燃烧反应产生的转换产物用作额外蒸发的工作流体，产生于内部燃烧的该额外蒸发的工作流体用于增加直接导流到该多级燃气透平的叶片处的工作流体的压力、温度和质量，所用的蒸汽与氢氧气体的燃烧反应产生的转换产物一起作为工作介质提供给该循环的压缩级，并且利用热交换器使该膨胀燃气透平的废气的部分热能用来对作为工作流体的压缩过热蒸汽进行预过热。
2．如权利要求1所述多级蒸汽-做功/工作过程，其特征在于：在从动机械和原动机之间的该工作流体在启动前通过施加能量在一工作流体储存器中进行蒸发。
3．如权利要求1和2之一所述多级蒸汽-做功/工作过程，其特征在于：过剩的工作流体从在该原动机和从动机械之间的该循环中抽出，其量与由氢氧气体燃烧反应产生的蒸汽量一致。
4．如权利要求1-3之一所述多级蒸汽-做功/工作过程，其特征在于：产生的多余电能被用来产生氢气和氧气。
5．如权利要求1-4之一所述多级蒸汽-做功/工作过程，其特征在于：从该循环的压缩级分流出的蒸汽用来冷却该燃气透平的轴和叶片。
6．用来实现权利要求1-5所述多级蒸汽-做功/工作过程的装置，该装置由一个作为原动机的多级-燃气透平(1)和一个布置在该透平轴(2)上作为从动机械的多级涡轮压气机(3)及使工作流体进行循环的各个连接管路(4)组成，其特征在于：用于提供气态氢和氧的供给装置(6)设置在各单级透平级中，直接靠近叶片(5)，一个用于将热量从膨胀透平的废蒸汽传递给压缩的工作流体的热交换器(7)设置于该从动机械(3)和该原动机(1)之间，一工作流体储存器(8)设置于该从动机械(3)和该原动机(1)之间，并且用于冷却该压缩的工作流体的热交换器区域(9)设置在该涡轮压气机装置(3)的各单级中。
7．用来实现权利要求6所述多级蒸汽-做功/工作过程的装置，其特征在于：在该工作流体储存器(8)中设置有一个用来使所述装置启动并计划用于工作流体的装置(10)。
8．用来实现权利要求6或7所述多级蒸汽-做功/工作过程的装置，其特征在于：一个用来调节该压缩单元(3)的恒定质量流的工作流体抽吸装置(11)设置于该从动机械(3)和该原动机(1)之间。
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