專利名稱:中間再熱雙工質(zhì)混合循環(huán)動力裝置的制作方法
本發(fā)明涉及一種動力裝置，特別是一種以中間再熱雙工質(zhì)混合循環(huán)工作的動力裝置。
雙工質(zhì)混合循環(huán)的特點是有兩種工質(zhì)混合在一起作功的工作過程，今主要是蒸汽燃氣混合循環(huán)，又名蒸汽燃氣輪機，它比燃氣輪機效率高，比蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)投資費用少。
現(xiàn)有技術(shù)的雙工質(zhì)混合循環(huán)主要是把從鍋爐或其他型式的蒸汽發(fā)生器出來的蒸汽，直接與燃氣輪機混合在一起作功，膨脹到接近大氣壓力，這樣的循環(huán)可稱之為簡單雙工質(zhì)混合循環(huán)。這種想法提出已百余年，上世紀末俄國庫斯明斯基已作過試驗。五十年代以來，隨著燃氣輪機的應(yīng)用推廣，蘇、美、日、中及本人都在研究。1976-1981，美國Cheng Dah Yu獲得四個有關(guān)此技術(shù)的專利，專利號是3.978.661，4.128.994，4.128.996，4.265.713，并進行了試驗。1984年7月份的《Journal of Engineering For Gas Turbine and Power》有專文報導(dǎo)。
現(xiàn)有的簡單混合循環(huán)包括Cheng的專利不足之處，是蒸汽的膨脹比受燃氣輪機膨脹比的限制，目前燃氣輪機的技術(shù)水平還不能將空氣壓縮到蒸汽所能達到那樣高的壓力，蒸汽可獲大焓降的潛力未能充份發(fā)揮。
本發(fā)明的目的就是提供一種能使蒸汽獲得較大焓降，以一種不同于現(xiàn)有技術(shù)的循環(huán)-中間再熱雙工質(zhì)混合循環(huán)工作的動力裝置，這種裝置比現(xiàn)有技術(shù)有更高的效率。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)的共同點是都有雙工質(zhì)混合在一起作功的過程，不同于現(xiàn)有技術(shù)的特征是1.以中間再熱循環(huán)工作。
首先，溫度較低而壓力較高的一種工質(zhì)(如蒸汽)，在兩種工質(zhì)混合之前，全部先單獨膨脹作功，然后兩種工質(zhì)混合，蒸汽通過與高溫燃氣混合而中間再熱，這樣可用較高的蒸汽壓力并利用高壓一段的焓降，功率可輸出也可用來壓縮空氣，增加燃氣輪機的壓比。能量轉(zhuǎn)換可通過背壓式汽輪機，旋轉(zhuǎn)或往復(fù)式蒸汽機或壓力交換器(如氣波機)來完成，有不同的方案。
還有，為了提高混合工質(zhì)在余熱鍋爐進口的溫度，滿足一定蒸發(fā)量的需要，可對經(jīng)過混合的工質(zhì)進行中間再熱;蒸汽以二次中間再熱，燃氣以一次中間再熱循環(huán)工作。
2.通過降低氣體渦輪出口背壓來提高焓降，辦法是在混合工質(zhì)排氣出口，用冷凝器對排氣中的蒸汽成分冷凝，這樣水可回收，對余下經(jīng)過冷卻的燃氣用真空泵抽出，雖然真空泵要消耗功率，但一則蒸汽冷凝之后工質(zhì)流量減少了，二則燃氣已冷卻到100℃以下，遠低于渦輪中工質(zhì)的溫度，由于渦輪背壓降低而增加的功率，遠超過真空泵消耗的功率，裝置的效率得到進一步提高。
今結(jié)合附圖，對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與原理進一步詳細說明。
附圖1 裝置系統(tǒng)圖附圖2 循環(huán)IS圖參照圖1，從燃氣輪機〔1〕出來的混合工質(zhì)，進入余熱鍋爐〔3〕或蒸汽發(fā)生器中回收熱量，發(fā)生蒸汽。給水經(jīng)過水處理設(shè)備〔5〕，用給水泵〔4〕打入鍋爐，經(jīng)過給水預(yù)熱器，蒸發(fā)受熱面及過熱器產(chǎn)生的過熱蒸汽，全部送到能量轉(zhuǎn)換器中作功(大功率裝置的能量轉(zhuǎn)換器用背壓式汽輪機，小功率裝置用旋轉(zhuǎn)或活塞式蒸汽機，通過進一步開發(fā)大小功率都可用氣波增壓器)。蒸汽膨脹到略高于燃燒室的壓力(壓差足夠克服阻力為度)，噴入燃燒室或渦輪前。對于用壓力交換器(如氣波機)的方案，則可將蒸汽通到氣波機中，使壓氣機出口的空氣增壓，然后燃燒與蒸汽混合。
噴入燃燒室的蒸汽中的一部分，經(jīng)燃料噴嘴外環(huán)噴出，可改善燃料霧化品質(zhì)，減少污染物HOX的形式，混合工質(zhì)在燃氣輪機中作功。
渦輪出口的混合工質(zhì)進入余熱鍋爐，鍋爐出口的混合工質(zhì)若排到大氣中可稱之為第一種中間再熱循環(huán)，結(jié)構(gòu)較簡單。若排到冷凝器中，今稱為第二種中間再熱循環(huán);效率進一步提高，并可進行再次中間再熱，以滿足合理的蒸汽蒸發(fā)量的需要。
由于混合工質(zhì)中蒸汽含量比例不大，一般不到總工質(zhì)的15%，單位重量工質(zhì)冷凝時放出潛熱的熱量比純蒸汽少得多，而凝結(jié)水再進鍋爐還得處理，因此有條件采用工質(zhì)與冷卻水直接接觸的接觸式冷凝器，不必用昂貴的列管熱面式冷凝器。接觸式冷凝器可用淋灑式，引射式，或其他特殊設(shè)計的型式。蒸汽冷凝后余下的燃氣，用真空泵抽到大氣中。真空泵根據(jù)機組容量及真空度來選擇，大功率用羅茨式或葉片式，小功率可用滑板式。
由于渦輪出口溫度隨膨脹比的增加而降低，為了提高渦輪輸出口溫度，增加蒸汽蒸發(fā)量而進行的第二次中間再熱，宜在膨脹過程當(dāng)中進行，可用布置在動力渦輪前的加力燃燒室來完成;也可在壓力適當(dāng)?shù)狞c抽出壓氣機的空氣，在一附加的燃燒室燃燒后與膨脹過程中某處的混合工質(zhì)混合來實現(xiàn)。
該裝置的原理及特點通過熱工循環(huán)圖2來說明，左邊為燃氣IS圖，右邊為蒸汽IS圖。
左圖中abcd為普通燃氣輪機循環(huán)，排熱中的一部份dd′f′f＝QS1是通過余熱鍋爐傳給蒸汽和水的熱量，圖中ee′b′b＝QS2是通過混合過程對蒸汽中間再熱的熱量。
QS1+QS2＝燃氣傳給水和蒸汽的總熱量。用這些熱量組成如右圖的中間再熱蒸汽循環(huán)，以面積〔1-2-3-4-5-6-7-8-1〕表示，但蒸汽循環(huán)排熱QS3＝〔1-9-8-8′-1′〕的一部分QS4＝〔8-8′-14′-14〕也在鍋爐中回收。蒸汽循環(huán)的加熱Qin＝QS1+QS2-QS4，蒸汽循環(huán)的排熱Qout＝QS3-QS4。
本發(fā)明和現(xiàn)有簡單混合循環(huán)比較，在混合前參數(shù)相同時，簡單混合循環(huán)的蒸汽部份以〔2-3-4-5-6-2〕表示，當(dāng)排熱相同時，本發(fā)明多了一塊面積〔2-3-4-5-6-2〕，蒸汽部份的效率明顯提高了。
當(dāng)有冷凝抽氣時，排熱過程8-9-1向下移，排熱減小而有效功增加，蒸汽部分的效率進一步提高，而且燃氣循環(huán)的排熱線也向下移，效率也增加。
通常，雙工質(zhì)循環(huán)都是用兩個循環(huán)的IS圖表示的。由于兩種工質(zhì)流量不同，這樣不能反映整體的技術(shù)經(jīng)濟指標。本發(fā)明提出一種方法，可把兩個循環(huán)統(tǒng)一在燃氣的IS圖上，以一個當(dāng)量循環(huán)表示蒸汽循環(huán)的排熱是燃氣傳給蒸汽總熱量的一部分，可在燃氣IS圖上表示出來，即rll′r′，這塊面積可根據(jù)蒸汽循環(huán)的效率及燃氣圖上的面積按比例算出，設(shè)ηS＝蒸汽部份的效率由于ηS＝1－ (蒸汽循環(huán)的排熱)/(蒸汽循環(huán)的加熱) ＝1－ (QS3-QS4)/(QS1+QS2-QS4)QS3-QS4＝rll′r 在燃氣IS圖上QS1，QS2，的面積已如上述，QS4面積可按比例算出，面積rll′r′便可算出并求出r，l二點的位置。雖然這兩點是虛擬的，但可說明循環(huán)的有效功;aclrfa便是當(dāng)量的雙工質(zhì)混合循環(huán)，顯然ηS越高，rl線越向下移;即蒸汽部份效率越高，循環(huán)的總效率也越高。
對于混合后再次中間再熱的循環(huán)，蒸汽IS圖上10-11為第二次中間再熱過程，蒸汽循環(huán)的面積為〔1-3-4-5-6-7-10-11-12-13-1〕，有效功;排熱及從蒸汽部分回收的熱量都提高了，燃氣的IS圖上也然。設(shè)QS3＝循環(huán)第二次加熱量，則循環(huán)總加熱量＝QS1+QS2+QS3-QS4，為便于直觀起見，把增加的有效功gmnd及排熱nn′d′d按比例移到圖右邊。令
ijkp＝gmnd，kk′p′p＝nn′d′d，這樣，排熱線rs的位置可由ηS＝1－ (rss′r)/(QS1+QS2+QS5-QS4) 求出，ηS越高，rs線越向下移，整機效率越高，有效功也越大。acijsrfea即二次中間再熱的當(dāng)量循環(huán)。
本循環(huán)與現(xiàn)有簡單的雙工質(zhì)混合循環(huán)比較，有下優(yōu)點。
1.蒸汽焓降得到較充分利用?？捎幂^高壓力的蒸汽，在燃氣輪機渦輪前溫度壓力相同時，熱效率比現(xiàn)有雙工質(zhì)循環(huán)顯著提高，比簡單燃氣輪機提高更多。今對三種不同型號的燃氣輪機，用于不同循環(huán)的動力裝置，算出經(jīng)過優(yōu)化的工況點最佳效率見表1。(蒸汽燃氣混合工質(zhì)的熱力計算用經(jīng)過研究發(fā)展的較精確方法)。
從表1看到，對效率較低的老式燃氣輪機，用本發(fā)明的裝置效率提高更多。這樣，過時的老式機組仍能有效利用，可獲很大的經(jīng)濟效益。
2.用本發(fā)明裝置發(fā)出的功率也相應(yīng)增加。
3.用有冷凝抽氣的中間再熱混合循環(huán)，水能回收，可節(jié)約用水。
本循環(huán)與蒸汽燃氣聯(lián)合循環(huán)比較有下優(yōu)點1.蒸汽通過與燃氣混合可獲得過熱器難以達到的高溫，且無須中間再熱器而獲得中間再熱的效果。燃氣與蒸汽混合后，工質(zhì)的比熱與焓降都增加;同時燃氣輪機的部件效率也較蒸汽輪機高，有冷凝抽氣的中間再熱混合循環(huán)動力裝置，效率已超過聯(lián)合循環(huán)動力裝置。
2.所用的背壓式汽輪機比聯(lián)合循環(huán)所用的凝汽式汽輪機級數(shù)少，造價也低得多。
3.雖然也用冷凝器，但用的是接觸式冷凝器，造價比列管熱面式低得多，且能節(jié)約大量有色金屬。
4.燃燒室滲混蒸汽，可減少污染物的形成。
本發(fā)明目前可用于燒氣體或液體燃料的場合;在我國可用于油田，天然氣田，用石油的船舶，機車等交通運輸，與及有氣體燃料的化工，冶金工業(yè)，今后隨著煤漿水燃燒，煤氣化，沸騰爐，陶瓷燃氣輪機及陶瓷耐磨涂層的研究發(fā)展，本發(fā)明便可以煤作燃料，將有更廣泛的發(fā)展前途。
權(quán)利要求
1.以中間再熱雙工質(zhì)混合循環(huán)工作的動力裝置，與現(xiàn)有雙工質(zhì)循環(huán)動力裝置的共同點是都有兩種工質(zhì)混合在一起作功的過程，都有燃氣輪機[1]，鍋爐[3]，給水泵[4]，水處理設(shè)備[5]等組成件，但本發(fā)明的熱工循環(huán)與現(xiàn)有技術(shù)不同，設(shè)備亦增加，其特征在于a、溫度較低而壓力較高的一種工質(zhì)--如蒸汽是以中間再熱循環(huán)工作的，在二種工質(zhì)混合前蒸汽全部先單獨膨脹作功，膨脹到略高于另一工質(zhì)--燃氣的壓力，然后混合在一起作功，因此增加一個單一工質(zhì)作功的能量轉(zhuǎn)換器，組成第一種中間再熱混合循環(huán)動力裝置。b、通過對排氣中的蒸汽成份冷凝及對余下經(jīng)過冷卻的燃氣抽真空，降低氣體渦輸出口背壓增加焓降，為了提高鍋爐進口工質(zhì)溫度增加蒸發(fā)量，可對混合后的工質(zhì)再次中間再熱，因此除有a)項的組成件外，還增加冷凝器[6]，真空泵[7]，或再增加一個加力燃燒室[8]，組成第二種中間再熱混合循環(huán)動力裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1，對于混合前單一工質(zhì)膨脹作功的能量轉(zhuǎn)換器，其特征在于它的功率可輸出也可以用來帶燃氣輪機的壓氣機或空氣增壓，其型式可以是背壓式蒸汽輪機，往復(fù)式或旋轉(zhuǎn)式蒸汽機，壓力交換器(如氣波機)或其他能量轉(zhuǎn)換器，視機組容量及要求而異。
3.根據(jù)要求1，為了冷凝蒸汽成份用的冷凝器，其特征在于可用較廉價的以冷卻水與混合工質(zhì)直接接觸的冷凝器，包括淋灑式，引射式和特殊設(shè)計的型式。
4.根據(jù)要求1，特征是抽出蒸汽冷凝后余下燃氣用真空泵，其型式可用羅茨式，葉片式，滑板式或其他型式，據(jù)流量，壓比大小選擇。
5.按要求1，為增加鍋爐前混合工質(zhì)的溫度，可對混合工質(zhì)中間再熱，其特征是通過補燃或抽氣燃燒再混合的辦法，補燃在加力燃燒室中進行，加力燃燒室布置在動力渦輪前或膨脹過程中間較合適。
專利摘要
本發(fā)明提出一種新的雙工質(zhì)混合循環(huán)及其動力裝置，其特征是在混合前壓力較高而溫度較低的工質(zhì)——蒸汽，先在背壓式汽輪機或其他換能器中單獨膨脹作功，然后再與另一工質(zhì)燃氣混合共同作功，通過混合達到中間再熱，必要時混合后進行第二次中間再熱，又通過對渦輪后的余熱鍋爐排出的工質(zhì)中蒸汽成分冷凝及余下冷卻過的燃氣抽真空來降低渦輪背壓，增加焓降，解決現(xiàn)有雙工質(zhì)循環(huán)蒸汽焓降小的問題，獲得更高的效率。
文檔編號F02C7/00GK85106257SQ85106257
公開日1987年2月25日 申請日期1985年8月10日
發(fā)明者何泰年 申請人:何泰年導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan