一种复叠式布列顿联合循环发电方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复叠式布列顿联合循环发电方法及装置，具体属小微型燃气轮机发电装置技术领域。
【背景技术】
[0002]先进燃气轮机技术是21世纪能源与动力系统的核心关键技术，也是目前世界上一个国家工业基础先进程度的重要标志。发展先进燃气轮机技术具有重大战略意义和广阔的产业化前景，对于我国相关领域中的高新技术发展有着极其重大的作用。
[0003]自上世纪80年代以来，大容量、高效率的燃气轮机及其联合循环已成为一个必然的趋势，在世界的发电容量中所占的份额更是明显地快速增长。近年以来，随着全球范围内的能源与动力需求结构，特别是电力系统的放松控制以及环境保护等要求的变化，一种以小微型燃气轮机为核心的分布式能源系统和电源装置挣迅猛崛起，大有与大、中型燃气轮机共占市场的趋势。这种发、供电方式具有以下一些优点和特点:它没有或具有很低的输配电损耗(对于集中供电方式而言，这种损耗至少高达10%左右，在我国甚至达到15%以上)；无需建设配电站，可以减少输配电成本；适合多种热电比的变化，可使系统根据热负荷或电负荷的需求进行灵活的调节，有利于提高设备的利用率；便于近距离地向用户供热和制冷，无需建立昂贵的输送管网，因而既能节省投资费用，又能提高能源的利用效率，土建和安装成本都能降低；各电站互相独立，便于自行控制，不会发生大规模的供电事故，因而供电的可靠性高，非常适宜于为商业区、居民区乃至机场和地铁站等提供电力、供热和制冷；在燃用清洁燃料的前提下，即使在人口稠密的城市地区，也能满足高标准环保质量的要求。显然，分布式供热、供电方式是集中供热、供电方式的一种不可缺少的补充。这是目前世界上电力工业中出现的一个由传统的集中供电和供热模式，向着依靠大型和中、小型发电站广泛结合的分布式电力系统模式过渡的新趋势。以微型燃气轮机为例，国外进口的微型燃气轮机发电机组已成功地在中国应用，其系列化产品正在石油、化工、煤炭、电信等领域推广应用；车载式微型燃气轮机移动电站率先跨进了中国电信的门槛；微型燃气轮机发电机组在高科技和军事领域也备受关注；在环保型混合动力汽车、越野型移动电站、热电联供等领域，也获得了广泛应用。这将为中型、特别是小微型燃气轮机的推广应用，提供一个崭新的机遇和市场。
[0004]中小型或微型燃气轮机的排气温度很高，例如简单循环的燃气轮机机组排气温度一般为470°C?600°C，采用高温排气来加热从压气机出口的空气，提高它进入燃烧室的温度，可使燃烧室中加入的燃料量减少，从而提高了热效率，在燃气轮机中加装回热器后，可实现上述工作过程，这就是回热循环。附图3为其方案示意。附图3中:C-压气机，R-回热器，B-燃烧室，T-涡轮机，L-发电机。以微型燃气轮机为例，采用回热器可以提高微型燃气轮机的热效率达20%?30%，而不使用回热器的微型燃气轮机热效率仅有14%?20% ；为了获得高效率，迫使人们采用像陶瓷一类的材料，以改善回热器材料特性，排气温度达200 0C?340 0C，实际应用中一般在260 °C?340 °C，提高热效率的空间仍然较大，美国政府预计未来成熟的微型燃气轮机发电机组的效率为40%。
[0005]Daniele Cocco等人研宄了外燃式微型燃气轮机循环，并对涡轮机入口温度分别为800K、1000K、1200K的三种外燃式微型燃气轮机循环进行了仿真计算，其计算结果如附图2所示；显然在输出功率为75kW以上时，外燃式燃气轮机循环的热效率并不低。这种外燃式燃气轮机循环是由回热型燃气轮机循环发展而来，其结构与燃气轮机回热循环相似；在外燃式燃气轮机循环中，燃烧室被高温回热器取代，并在外部增加了一个代用燃料燃烧器，实现了燃气轮机的间接加热；在代用燃料燃烧室中，燃料是在稍高于外界大气压下进行燃烧的。该燃气轮机循环采用的工质为空气，其实质为空气涡轮机，其优点是燃料燃烧后生成的燃气不流经涡轮机，避免了燃料中的污垢对设备的损伤。美国航空航天研宄公司与热化学能源组织合作共同研宄了外燃式微型燃气轮机循环，并在航空航天研宄公司实验室成功地安装、运行了外燃式循环系统，涡轮机入口温度一般保持在750°C，温度上限为800°C。这种型式的循环系统为可再生能源在热电联供中的应用提供了一种新的选择，是一种很有前途的、高效的、廉价的功能方式，如何拓展其应用范围至热处理燃料炉值得深入研宄。
[0006]中国专利201320854012.1提供了一种改进的、采用空气作为循环工质的简单循环燃气轮机技术，即一种卡诺-开放式布雷顿混合循环发电设备，采用燃烧室燃料产生热量，加热经压气机多级压缩、中间冷却的空气，拖动燃气轮机膨胀做功，其实质是通过优化的压力设计及恰当的加热温度，循环过程中不设置回热器，使得开放式布列顿循环排放尾气的温度接近于环境的空气温度，从而有效增加了功的输出。但该专利也存在亟需解决的技术难题，即利用燃料产生的热量将压力较高的空气加热到1200°C，如此高温的换热器设计确实是个技术难点，可能需要高温陶瓷换热器技术过关才能符合要求，因而也限制了该专利的推广应用。
[0007]对于小微型燃气轮机发电机组，为了提高布列顿循环燃气轮机的发电效率，可以把燃气轮机做完功的高温尾气接到朗肯循环的蒸汽机或有机工质汽轮机上再发电，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-蒸汽联合循环”。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发电。因此，难以推广应用，而采用单一循环的布列顿循环发电装置，或采用回热的布列顿循环发电装置，排气温度仍然较高。
[0008]因此如何解决上述现有技术存在的问题，拓展外燃式燃气轮机循环的应用领域，建立效率更高、新式的布列顿循环发电模式，使燃料燃烧产生的热能利用更加合理，成为该领域研宄的难点。
【发明内容】
[0009]本发明是为解决现有技术存在的问题，提供一种复叠式布列顿联合循环发电方法及装置，顶循环采用简单循环的燃气轮机机组，底循环借鉴外燃式燃气轮机循环，选择空气作为循环工质，回收顶循环排出烟气的余热用于底循环发电，从而形成复叠式布列顿联合循环发电系统，使燃料燃烧产生的热能利用更加合理，达到节能降耗的目的。
[0010]本发明的目的是通过以下措施实现的:
一种复叠式布列顿联合循环发电方法及装置，其特征在于: 一种复叠式布列顿联合循环发电方法，该方法采用顶部布列顿循环和底部布列顿循环复叠运行方式，利用顶部布列顿循环中燃气轮机排出的温度较高的烟气作为底部布列顿循环的热源，底部布列顿循环采用空气作为循环工质，从而形成复叠式布列顿联合循环发电系统；
所述的顶部布列顿循环是指助燃空气10经顶循环压气机11增压后，形成顶循环压缩空气12，送入燃烧室14，与燃料13混合燃烧，形成的高温烟气15送入燃气轮机16，拖动顶循环发电机17发电，从燃气轮机16排出的烟气18经高温回热器24降温后，形成低温烟气19排入大气，从而形成顶部布列顿循环过程；
所述的底部布列顿循环是指空气20经底循环压气机21增压后，产生压缩空气22，通过高温回热器24回收燃气轮机16排出的烟气18的热量，产生的高温空气25，送入空气涡轮机26拖动底循环发电机27发电，空气祸轮机26的排气28排入大气，从而形成底部布列顿循环过程；
所述的顶部布列顿循环和底部布列顿循环通过高温回热器24组成复叠式布列顿联合循环发电方式。
[0011]设有低温回热器23:所述的顶部布列顿循环是指助燃空气10经顶循环压气机11增压后，形成顶循环压缩空气12，送入燃烧室14，与燃料13混合燃烧，形成的高温烟气15送入燃气轮机16，拖动顶循环发电机17发电，从燃气轮机16排出的烟气18经高温回热器24、低温回