用于产生电能的系统和方法
【专利摘要】本发明的目的是提供一种方法以及一种用于实施该方法的系统，以在电能产生期间减少往复式内燃机和燃气涡轮机的不利之处。本发明基于这样的构思，即，将燃烧室布置在燃气涡轮机外部，并向燃烧室提供压缩空气，以实现高压蒸汽脉冲辅助的燃烧过程。
【专利说明】
用于产生电能的系统和方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种发电的方法，并且涉及发电机系统。【背景技术】[0002 ]现有技术中典型的发电机系统由内燃机、燃料箱和发电机组成。内燃机包括一组汽缸和一组相应的往复式活塞。与上述装置有关的问题之一是活动活塞和其他活动部件必须经常用油润滑，油对内燃机的运行温度具有重大影响。相继地，在考虑有效系数时，运行温度是一个重要因素。上述发动机能承受低于100摄氏度的运行温度，而不出现明显的耐用性退化。该温度对于蒸发水来说过低，因此其不能有效地用于发电，即，其仅仅是废热。
[0003]美国专利2，095，984 (H.Ho 1 zwarth)公开了一种爆燃式涡轮机装置。该爆燃式涡轮机装置基于汉弗莱工艺(Humphrey process)，并且其包括脉冲转子、用于产生爆炸气体的无活塞爆发室和用于使气体膨胀并将气体导向转子的喷嘴，该转子仅由所述气体的间歇性喷发所驱动。
[0004]现有技术中的另一种典型的发电机系统由燃气涡轮机和由燃气涡轮机的轴驱动的发电机组成。燃气涡轮机的问题是燃烧器的压力相对较低，因为燃气涡轮机的燃烧器实际上是开放的空间。燃烧器的低压明显降低了有效系数。在Holzwarth的涡轮机装置中，间歇性的低压明显降低了有效系数。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的目的是提供一种方法和一种用于实施该方法的系统以减少上述不利之处。本发明的目的是通过一种方法和一种系统实现的。在独立权利要求中说明了该方法和该系统的特征。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施方式。
[0006]本发明基于这样的构思，S卩，将燃烧室设置在燃气涡轮机外部并向燃烧室提供压缩空气以在可控的最优条件下实现燃烧过程，并使用来自过程的余热来产生蒸汽，然后以与时间相关的方式将蒸汽注入至过程中。
[0007]本发明的方法和系统的优点是可以为燃烧过程优化燃烧室中的条件，这显著地提高了系统的整体效率。燃烧室可能具有几百摄氏度的运行温度，并且燃烧室内部的压力可能类似于往复式内燃机的柴油循环中的压缩冲程结束时的压力。这种温度提高了燃烧过程的效率，并且由于高温，热量可以容易地转化为电力。与时间相关的蒸汽的注入优化了蒸汽的使用并提高了整体效率。【附图说明】
[0008]下面将参考所附的附图通过优选实施方式更加详细地描述本发明，其中
[0009]图1示出了根据本发明的一种实施方式的第一发电机系统；[〇〇1〇]图2示出了根据本发明的一种实施方式的具有蒸汽循环系统的第二发电机系统；
[0011]图3示出了根据本发明的一种实施方式的具有注射器或喷射器系统的第三发电机系统；
[0012]图4示出了具有两个燃烧室的系统的详图；以及[〇〇13]图5示出了根据一种实施方式的系统中的压力随时间的变化。【具体实施方式】
[0014]参考图1的一种简单的实施例，发电机系统包括涡轮机22,该涡轮机轴向地或经由传动装置20与发电机26和压缩机24连接。发电机还可以轴向地连接至涡轮机22。当通过流过涡轮机的流体将能量提供给涡轮机22时，涡轮机22的转子转动。涡轮机转子的转动驱动传动装置20和均连接至传动装置的发电机26和压缩机24。涡轮机、发电机和压缩机可以通过驱动轴、轮轴或其他合适的动力传动装置连接至传动装置。设备(arrangement)将提供给涡轮机22的能量通过发电机26转换为电能输出99,并通过压缩空气的压缩机24转换为用于燃烧室10空气压力。在一种实施方式中，压缩机24将压缩空气聚集至空气箱32内，然后该空气箱将聚集在空气箱32内的压缩空气提供给燃烧室10。压缩机24优选地为高效的并能向燃烧室10和空气箱32提供尚压的螺杆式压缩机。在一种实施方式中，系统包括与第一螺杆式压缩机24串联的第二螺杆式压缩机，以向空气箱提供甚至更高的压力。在一种实施方式中， 系统包括轴向压缩机24的组合，诸如径向压缩机和螺杆式压缩机与轴向压缩机24串联，以向空气箱提供空气。一个压缩机或多个压缩机优选地设置为向空气箱积聚20巴以上的压力。在一种实施方式中，一个压缩机或多个压缩机布置为向空气箱积聚30巴、35巴或40巴以上的压力。在一种实施方式中，可以通过电动机驱动压缩机24。在一种实施方式中，可以在串联的第一压缩机和第二压缩机之间设置中间冷却器，以冷却压缩机之间的空气。此时，中间冷却器可以用于产生蒸汽，该蒸汽可以以短的高压蒸汽脉冲的形式在燃烧循环的膨胀阶段之间注入燃烧室内。[〇〇15]发电机系统还包括燃烧室10,该燃烧室设置为从压缩机24或从空气箱32接收压缩空气并从燃料箱30接收燃料，以开始燃烧过程。压缩空气通过可控阀从空气箱释放至燃烧室10内。压缩空气在进入燃烧室之前通过热回收单元40预热，该热回收单元将热量从燃烧室运送至压缩空气。当系统启动并且燃烧室处于室温时，也可以通过其他装置，例如通过电阻电气地预热压缩空气。燃料从燃料箱释放或栗送，并注入至燃烧室内。燃料优选地为柴油或液化天然气(LNG)。在一种实施方式中，燃料是汽油、天然气、乙醇、生物柴油或前述燃料中的两种或更多种的混合物。在一种实施方式中，燃料包括氢气和一氧化碳混合物，其是碱回收单元的副产品。在一种实施方式中，水或蒸汽可以与燃料一起注入至燃烧室内。在一种实施方式中，燃料包括煤尘或褐煤尘本身或与天然气、柴油或某些其他合适的燃料混合。
[0016]由于燃烧室内部的高压和高温，注入至燃烧室内的燃料点燃。通过从空气箱向燃烧室释放空气来设置燃烧室内的高压。除了预热，燃烧室的热量使燃烧室内部的所释放的空气变热，并积聚更高的压力。当系统启动并且燃烧室尚未达到其运行温度时，可以通过点火线圈、电热塞、预热装置或加热器装置触发点燃。燃烧过程产生热量，该热量使燃烧室变热并通过加热引入至燃烧室内的燃料和压缩空气而使燃烧过程保持运行。在一种实施方式中，在系统启动之后，点燃也在燃烧循环期间使用。在一种实施方式中，使用热回收单元40 或其他热提取装置将热量从燃烧室或燃烧过程运送至水或蒸汽，并产生高压蒸汽。在燃烧过程的膨胀阶段之间将高压蒸汽注入至燃烧室内。蒸汽以短的高压脉冲形式注入，并且两个膨胀阶段之间的脉冲数量可以例如为1至1〇、2至8、3至6或某些其他数量，诸如4、5、7或8。
[0017]燃烧室10优选地为具有用于燃料和压缩空气的输入装置和用于燃烧产物(S卩，废气)的输出的中空容器。输入和输出是可控的，并且可以在燃烧循环的特定阶段关闭和打开，以在燃料点燃前将压力积聚至燃烧室内并在点燃后排出燃烧产物。燃烧室内的燃烧过程是至少类似于狄塞尔循环的循环过程。将来自空气箱的预热的压缩空气引入燃烧室内， 并且将燃料注入燃烧室内，直到空气燃料混合物点燃。空气燃料混合物的燃烧使其体积膨胀，因此当输出阀打开时，燃烧产物和压缩空气通过输出排出。通过控制输入阀和输出阀来控制燃烧循环的运行速度。可以在由系统的性质限定的某些限制内自由选择运行速度。可能限制运行速度的这种性质可以是例如阀的操作速度、空气箱内的空气压力、燃料类型等。 然而，为了获得每个系统的最优性能，可以调节运行速度，因为其不受活动活塞或活动块的类似物理局限性的限制。
[0018]燃烧室优选地具有简单的形式，最优选地为球体或圆筒，以实现迅速的、清洁的和完全的燃烧过程。简单的形式使得具有较高的运行温度，这提高了效率并减少了在燃烧过程期间产生的有害颗粒和气体的量。燃烧室设置为在高温下工作。除了简单的形式，燃烧室的材料还必须能承受高温而不出现性能或耐用性的明显退化。燃烧室的材料可以是陶瓷、 金属、合金或优选地是两种或更多种材料的组合。例如，燃烧室可以包括具有陶瓷内涂层的合金外壳。合金外壳能承受高压和强力，同时陶瓷内涂层能承受高的表面温度。燃烧室的构造优选地设置为能承受400摄氏度的运行温度。在一种实施方式中，燃烧室设置为能承受 500、600、700或800摄氏度的运行温度。燃烧室本身不包括任何活动部件，因此将燃烧室设计为能承受高温是相对简单的工作。经历最高的热应力的活动部件是在燃烧室的输入端口和输出端口的阀。然而，很容易获得设计为在这些温度下操作的阀，因此，设计并实现耐用的阀系统应当是相对容易的工作。[0019 ]燃烧室10的输出将由燃烧产物和压缩空气组成的流从燃烧室引导到涡轮机22中。 由于燃烧室内的高压，当输出打开时，流以高速度排出。通过使输出和空气输入同时打开一定时间，可以促进燃烧产物的排出。涡轮机22包括当流流过涡轮机时转动的转子。转动的转子驱动传输装置20,该传输装置进而驱动如前所述的发电机26和压缩机24。流被引导至涡轮机后的排气管90,并且废气98从系统释放。
[0020]燃烧室10优选地为在涡轮机22外部的独立单元。通过连接燃烧室10和涡轮机22的管道、管子或某些其他通道，从燃烧室10排出的燃烧产物被引导至涡轮机22。在一种实施方式中，系统包括多个燃烧室。在那种情况下，每个燃烧室具有将该燃烧室连接至涡轮机22的管道、管子或某些其他通道。优选地，多个燃烧室设置为顺序地排出它们的燃烧产物，即，不是同时排出所有的燃烧产物，以向涡轮机22提供更稳定的燃烧产物流量。在一种实施方式中，通过短的高压蒸汽脉冲(其在燃烧过程的膨胀阶段之间注入到燃烧室内)实现更稳定的流向涡轮机22的流量。[0021 ]在一种实施方式中，发电机26为电存储系统供电，该电存储系统包括用于存储发电机产生的电能的一个或多个电容器、超级电容器或电池。这种类型的系统可以在车辆用途中使用，用于产生并存储用于车辆的电动机的电能。
[0022]现在参考图2,在一种实施方式中，发电机系统还包括蒸汽循环系统。蒸汽循环系统包括蒸汽箱34、热回收单元40、热交换器42、冷凝器50和水箱36。在一种实施方式中，蒸汽循环系统还包括第二涡轮机。水和蒸汽在蒸汽循环系统中循环，在蒸汽循环系统中，水聚集在水箱36内，并且蒸汽聚集在蒸汽箱34内。在一种实施方式中，蒸汽箱和水箱是同一个箱， 其中，水聚集在箱的底部，并且蒸汽聚集在箱的顶部。蒸汽的流动基于系统内的压力差，但是如果必要的话，蒸汽的流动可以在栗或类似的装置的帮助下进行。通过许多可以以可控的方式操作的阀控制流动。[〇〇23]蒸汽设置为从蒸汽箱34流到热回收单元40。热回收单元40与燃烧室10热连接，以便燃烧室使热回收单元变热，在热回收单元中，热量运送至流过热回收单元的蒸汽。热回收单元可以是与燃烧室热连接的独立单元，或者其可以是燃烧室的固定部件。在一种实施方式中，热回收单元甚至可以是燃烧室内部的管道系统或在燃烧室的表面上的管子。当来自燃烧室的热量运送至流过热回收单元的蒸汽时，蒸汽迅速地变热并膨胀。然后，将蒸汽流引导至涡轮机22,在涡轮机中，蒸汽流使涡轮机22的转子与从燃烧室10排出至涡轮机22内的燃烧产物和压缩空气同时转动。[〇〇24]在一种实施方式中，热回收单元40被热绝缘材料替代，并且燃烧室10内的与时间相关的蒸汽注入保持稳定的燃烧室的运行温度。与时间相关的蒸汽注入优选地为在燃烧过程的膨胀阶段之间注入燃烧室内的短的高压蒸汽脉冲。所述的膨胀阶段可以是或者可以不是两个连续的膨胀阶段，并且蒸汽还可以在膨胀阶段期间注入。在燃烧循环内调整与燃烧循环和蒸汽注入流有关的时间依赖性。由于所注入的高压蒸汽脉冲的短脉冲式长度，它们仅需要少量的蒸汽。注入之后，蒸汽离开燃烧室并进入涡轮机22。在一种实施方式中，脉冲为1-100毫秒长。在另一种实施方式中，脉冲短于100ms、50ms、20ms或10ms。
[0025]在一种实施方式中，系统包括用于增加系统中的蒸汽的量和/或温度的附加燃烧器。燃烧器优选地使用与系统的其他部分相同类型的燃料。燃料在燃烧器中燃烧以产生热量，然后该热量加热蒸汽和/或燃烧的燃料加热水以产生蒸汽。附加燃烧器可以在不产生足够的“废热”的系统中使用，以产生充足量的蒸汽。附加燃烧器的使用确保了能够在所需的温度和压力下获得所需量的蒸汽。
[0026]在一种实施方式中，蒸汽不像燃烧产物那样被引导至相同的涡轮机22中。在该实施方式中，系统包括专门用于蒸汽流的第二涡轮机，而(第一)涡轮机22专门用于燃烧产物和压缩空气的流。燃烧产物和压缩空气的流甚至可以设置成流过涡轮机22之后的附加热交换器，以在蒸汽流进入第二涡轮机之前使蒸汽流变热。第二涡轮机的设置可以类似于已知的组合循环电力设备。[〇〇27]蒸汽、压缩空气和燃烧产物的流从涡轮机流过热交换器42,流至冷凝器50,在冷凝器中，蒸汽凝结成水，并且压缩空气和燃烧产物通过排出管90引导离开系统。在具有第二涡轮机的实施方式中，燃烧产物和压缩空气的流设置为流过热交换器42直接到达排出管，并且蒸汽流设置为流过热交换器42和冷凝器50到达水箱36。[〇〇28]从蒸汽冷凝的水流入水箱36或栗送进水箱。可以在冷凝器50和水箱36之间设置离子交换器52,用于在水再次进入循环之前净化水。水箱36聚集水，然后水被引导或栗送至热交换器42。热交换器将热量从蒸汽、压缩空气和燃烧产物的流运送至流过热交换器的水。热交换器的热量将水蒸发成蒸汽，然后，蒸汽被引导流回至蒸汽箱34内。高压蒸汽可以从蒸汽箱34以短突发形式(short burst)释放，以向燃烧室产生短的高压脉冲。
[0029]图3示出了发电机系统，其与图2的系统类似，除了该系统还包括具有缩放喷嘴的栗，例如，用于组合来自燃烧室10的燃烧产物和来自热回收单元40或来自热交换器42的蒸汽的流的注射器或喷射器12,其中喷射器12将蒸汽和燃烧产物引导至涡轮机22内，用于转动涡轮机的转子。在本说明书中，具有缩放喷嘴的栗被称为喷射器，但是在一种实施方式中，栗也可以是例如注射器、蒸汽注射器或蒸汽喷射器。喷射器12在涡轮机和燃烧室以及其热回收单元之间。燃烧产物和压缩空气被排出至喷射器内，在该喷射器中，来自燃烧室的热物质使来自热回收单元的蒸汽过分加热。蒸汽的过分加热导致蒸汽的迅速膨胀。喷射器12 引导过热的蒸汽、燃烧产物和压缩空气的流进入涡轮机22,在该涡轮机中，流使涡轮机的转子转动。在一种实施方式中，将短的高压蒸汽脉冲注入喷射器12内，蒸汽从该喷射器流至涡轮机，并使涡轮机的转子转动。
[0030]在一种实施方式中，系统还包括可调喷嘴和与喷射器12和燃烧室10的输出连接的用于调节来自燃烧室10的燃烧产物的排出的阀。喷嘴的某种设计和形状可以进行更改。喷嘴在喷射器内蒸汽从热回收单元40流至涡轮机22的旁路流中。当输出中的阀打开时，喷嘴的形式对来自燃烧室的燃烧产物的排出有显著的影响。通过更改喷嘴的形式，可以在蒸汽的旁路流的帮助下增加燃烧产物的排出。
[0031]在一种实施方式中，当燃烧产物的一部分(S卩，废气)从燃烧室排出时，废气被引导至涡轮机22的低温/低压区或被引导至低压涡轮机。在该实施方式中，由于吸入侧的压力高于低温/低压区的压力，所以可以省略喷射器或多个喷射器(14a，14b)。
[0032]图4示出了具有两个燃烧室10a和10b以及喷射器12的燃烧系统的实施方式的详图。燃烧室和喷射器的数量不限于本实施例。为本实施方式选择两个燃烧室和一个喷射器以提供一个实例并表示系统的能力。在一种实施方式中，电动燃烧系统具有一个、两个、三个、四个或更多个燃烧室以及零个、一个、两个、三个、四个或更多个喷射器。在一种实施方式中，喷射器不是必要的，并且系统可以在不具有喷射器的情况下操作。[〇〇33]每个燃烧室10a、10b包括一个或多个输入101、10 2 (由输入阀控制或不由输入阀控制)和一个或多个输出111、112 (由输出阀打开或控制)。通过控制输入和输出的压力，输入和输出可以不由阀控制，因为气体往往从较高压区域流至较低压区域。在一种实施方式中， 至少一些输入和输出通过气体振动或振荡而不是阀控制。在一种实施方式中，每个燃烧室包括由主排气阀111控制的输出。在一种实施方式中，每个燃烧室包括两个输出，一个输出由主排气阀111控制，并且一个输出由辅助排气阀112控制。在一种实施方式中，每个燃烧室包括不由阀控制的开放输出。在一种实施方式中，每个燃烧室包括用于燃料的输入101。在一种实施方式中，每个燃烧室包括用于燃料和增压空气的输入101、102。在一种实施方式中，每个燃烧室包括用于燃料、增压空气和蒸汽的输入。在一种实施方式中，每个燃烧室包括用于下述中的一者或多者的输入:燃料、增压空气、蒸汽和水。可以通过至少部分地使用系统的燃烧过程的废热来产生蒸汽。在一种实施方式中，蒸汽以短的高压蒸汽脉冲的形式注入，该脉冲在燃烧过程的膨胀阶段之间注入燃烧室内。在该实施方式中，可以省略排气阀，因为燃烧室的压力和温度环境由蒸汽脉冲注入控制。在一种实施方式中，可以在热交换器之后使用0RC涡轮机或斯特林发动机，用于在大约200摄氏度的温度范围内冷却废气和蒸汽。
[0034]图4的系统中的燃烧循环可以具有下述步骤。首先，将增压空气经由空气输入102 提供给燃烧室l〇a、10b，并且将燃料经由燃料输入101提供给燃烧室10a、10b。由于余热，燃烧室内的压力积聚，直到燃烧室内的燃料点燃(例如，在20至30巴的压力下)并产生燃烧产物和更多压力为止。通过打开燃烧室l〇a和喷射器12之间的主排气阀111，燃烧产物和压力被释放至喷射器12。在一种实施方式中，省略了主排气阀，并且燃烧产物自由地向喷射器12 移动。在一种实施方式中，压力波增压装置替代主排气阀。优选地，每个燃烧室内的燃烧循环以与其他燃烧室不同的相位运行，以便来自燃烧室的废气流(exhaust stream)更加地稳定并且更加不像脉冲。燃烧产物从燃烧室流至喷射器12，并通过输出113从喷射器流至涡轮机22。同时，液态水和/或水蒸气(S卩，蒸汽)可以经由输入被注入至燃烧室10a，并因此改善来自燃烧室的燃烧产物的流通。优选地，蒸汽以具有高蒸汽压力(例如，几十巴至几百巴)的短脉冲注入燃烧室内。蒸汽的注入还有助于在较长的时间段内将压力保持在高水平，如在图5中可见。水和/或蒸汽的注入还降低了燃烧室的温度，并便于温度控制。注入还降低了主排气阀111的温度，这可以延长主排气阀111的寿命。当燃烧室和喷射器内的压力已经下降时，例如，下降至40至50巴，关闭主排气阀111。一个或多个阀可以例如通过控制单元电子地控制。在一种实施方式中，当蒸汽脉冲被注入燃烧室内时，可以省略主排气阀111，因此，主排气输出是持续打开的。
[0035]在一种包括主排气阀的实施方式中，在关闭主排气阀111后，可以经由阀103向喷射器喷洒液态水和/或水蒸气(即，蒸汽)，这提高了喷射器12内的压力，例如，提高至65巴。 在喷射器12的某一压力下，例如，65巴，第二燃烧室10b的主排气阀111打开并向喷射器12释放燃烧产物，并且燃烧产物从喷射器到达涡轮机22。同时，第一燃烧室10a的第二排气阀112 保持打开，以为来自第一燃烧室l〇a的剩余燃烧产物通风。通过将加压空气或蒸汽经由输入 101、102引入至燃烧室可以改善通风。第二排气阀112可以将剩余燃烧产物经由一个或多个第二喷射器14a、14b引导至祸轮机22。在一种实施方式中，单个第二喷射器可以包括多个输入，因此其可以与两个燃烧室一起使用。一旦第一燃烧室l〇a通风并且压力已经下降至足够低的水平，例如，下降至20巴、10巴、5巴或2巴，关闭第二排气阀112,并且可以开始燃烧循环的下一循环。[〇〇36]在一种实施方式中，第二喷射器14a、14b设置为经由输入114接收动力蒸汽或动力气体。动力气体优选地为在60巴、80巴或100巴压力下的加压水蒸气。动力气体被引导通过第二喷射器14a、14b并经由阀104被排放至喷射器12。当动力气体通过第二喷射器时，其在将燃烧室连接至第二喷射器的输出阀112打开时产生吸引来自燃烧室10a、10b的剩余燃烧产物的吸力效应。阀104优选地为控制阀。可以调整阀104的吞吐量和/或打开方向。在一种实施方式中，系统内产生的所有过量蒸汽可以经由阀104和/或第二喷射器14a、14b被提供给涡轮机。[〇〇37]在一种实施方式中，来自使用中间蒸汽分接件(tapping)的涡轮机22的回流可以被引入第三喷射器。来自涡轮机的回流或中间蒸汽可以包括被引入第三喷射器的蒸汽或燃烧产物或蒸汽和燃烧产物的混合物。通过使用阀并将气体如水蒸气引入第三喷射器，第三喷射器的中间蒸汽的压力被升高至足够的水平。蒸汽和燃烧产物增大了气体的体积并降低了气体的温度。气体的混合物例如经由第二喷射器14a、14b和阀104或系统的某些其他输入阀被从第三喷射器引入至喷射器12。在一种实施方式中，使用中间蒸汽分接件的输出也可以刚好在热交换器后引入。[0〇38]在一种实施方式中，祸轮机设置为在航空应用中转动侧吸式风扇(by-pass fan)，例如，替换商用飞机的涡轮机风扇发动机。在一种实施方式中，系统包括连接至燃烧室并由阀控制的氧气筒。燃烧室可以用作使用来自燃料箱的火箭燃料和来自低层大气中的大气的氧气的火箭发动机的燃烧室，以便来自氧气筒的氧气可以在上层大气中使用，在上层大气中，氧气的量不足以用于燃烧。
[0039]图5示出了根据一种实施方式的系统中的压力的时间依赖性。由于燃烧循环使得压力在系统内在相当大的范围内变化，涡轮机22不接收最优输入，除非以与时间相关的方式控制系统。优选地，所有的输入101、102、103、104以与时间相关的方式进行控制，以将为涡轮机提供的输出113保持在最优压力下。在除了燃料和空气没有任何其他与时间相关的输入的情况下，至涡轮机的输出可能看起来像图5中的曲线200。在燃烧循环开始时，压力迅速积聚，就在主排气阀111打开之前达到峰值，这在燃烧产物流过涡轮机时迅速降低压力。 现在，如果在主排气阀111打开后立即将液态水和/或水蒸气注入燃烧室内，压力可能不会同样迅速地下降，因为由于燃烧室的余热，液态水可能蒸发并且蒸气可能变热，并且因此注入可能减轻打开主排气阀111的影响。以类似的方式，一旦主排气阀111已经关闭，可以经由阀103向喷射器喷洒液态水和/或水蒸气(S卩，蒸汽)，这提高了喷射器12内的压力，因此提高了输出至涡轮机的压力。以与时间相关的方式控制液态水、蒸汽和空气的量，以便防止至涡轮机的输出下降太多。使至涡轮机的输出保持在相对固定的高水平对系统的效率具有显著的影响。大部分时间都可以在最优的操作范围内以相对固定的输出驱动涡轮机，然而涡轮机不能充分利用稀疏的短突发形式。
[0040]通过水、蒸汽和空气的注入，至涡轮机的输出可以保持在高水平。该高水平在图5 中以虚线201示出。然而，如果省略主排气阀或主排气阀持续保持为打开的，需要许多蒸汽和空气来保持这种高压。如果蒸汽以非常短的高压脉冲形式注入，可以省略主排气阀，因此简化了系统并提高了其可靠性。当注入为短的蒸汽脉冲形式时，曲线202代表燃烧循环期间的压力水平。短的蒸汽脉冲可以将平均压力保持在足够高的水平，因此，主排气阀不是必要的。短的蒸汽脉冲的峰值压力可能高于燃烧引起的压力脉冲。在例如具有两个燃烧室的实施方式中，在燃料点燃并且燃烧产物从第一燃烧室排出后，可以将短的蒸汽脉冲提供给系统(例如，提供给第一燃烧室)。可以继续提供蒸汽脉冲，同时第二燃烧室的排气阀是关闭的。在此期间，所有的剩余蒸汽和燃烧产物被冲洗出第二燃烧室。通过输入压缩空气来冲洗第二燃烧室，该压缩空气流过例如第二排气阀112，然后，该第二排气阀将空气和剩余物运送至例如较低压的涡轮机。冲洗之后，在第二燃烧室中填充压缩空气，向第二燃烧室注入燃料，并且混合物点燃或者被点燃。在燃料被点燃并且燃烧产物被从第二燃烧室排出之后，可以将短的蒸汽脉冲提供给系统(例如，提供给第二燃烧室)，同时第一燃烧室的排气阀是关闭的，第一燃烧室早期像第二燃烧室那样冲洗、填充和点燃等等。这使得能够在整个过程中为涡轮机的有效使用提供足够高的压力。[〇〇411 在一种实施方式中，喷射器12内的压力总是保持在例如20巴、30巴、40巴或50巴以上。在一种实施方式中，所注入的水、蒸汽和空气的量和它们注入的时间点基于系统的测定量决定。这种测定量可以是例如温度、压力、湿度、气体组分、阀的状态或某些其他工艺数量。所述的数量可以通过例如传感器测定。在一种实施方式中，所注入的水、蒸汽和空气的量和它们注入的时间点基于燃烧循环的阶段决定。与时间相关的水和/或蒸汽的注入还通过控制引入涡轮机22的气体的温度来提高涡轮机22的可靠性。水和蒸汽的注入降低了引入涡轮机的气体的平均温度，因此其允许在燃烧室内使用更高的压力(并因此使用更高的温度)。在一种实施方式中，与时间相关的输入的控制包括向燃烧室内产生蒸汽或水脉冲。
[0042]对于本领域技术人员来说显而易见的是，随着技术的进步，可以以各种方式实施本发明构思。本发明和其实施方式不限于上面描述的实施例，而是可以在权利要求的范围内进行变化。
【主权项】
1.一种发电机系统，具有涡轮机(22)，与发电机(26)和压缩机(24)连接，以便将提供给所述涡轮机(22)的能量 通过所述发电机(26)转换为电能，并使用提供给所述涡轮机的所述能量通过所述压缩机 (24)压缩空气，燃烧室(1 〇 )，在所述涡轮机(22)外部，其中，所述燃烧室(10)设置为从所述压缩机(24) 接收压缩空气并从燃料箱(30)接收燃料，以开始燃烧过程，并将燃烧产物输出至所述涡轮 机(22)内用于转动所述涡轮机的转子，以及输入阀，功能性地连接至所述燃烧室(10 )，用于控制所述燃烧过程，热交换器(42)，与从所述涡轮机(22)排出的所述燃烧产物热交互，用于将来自所排出 的燃烧产物的热量转移至蒸汽中，一个或多个输入阀(102，103，104，114)，用于向所述涡轮机(22)提供所述蒸汽，其特征在于，所述发电机系统还包括用于控制所述一个或多个输入阀(102，103，104) 的控制单元，用于向所述涡轮机(22)内产生与时间相关的蒸汽注入，其中，所述蒸汽注入的 流在燃烧循环内调节。2.根据权利要求1所述的发电机系统，其特征在于，所述系统还包括:用于聚集蒸汽的蒸汽箱(34)，用于将所述蒸汽凝结成水的冷凝器(50)，用于聚集所述水的水箱(36)，以及用于将所述水从所述水箱(36)栗送至所述热交换器(42)的装置，用于将所述水蒸发成 蒸汽，所述蒸汽设置为流入所述蒸汽箱(34)。3.根据权利要求1至2中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述燃烧室(10)内的 所述燃烧过程是循环过程。4.根据权利要求1至3中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述燃烧过程包括压 缩阶段和膨胀阶段。5.根据权利要求1至4中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述燃烧室(10)设置 为周期性地工作。6.根据权利要求1至5中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述压缩机(24)为第 一螺杆式压缩机，并且所述系统还包括与所述第一螺杆式压缩机串联的第二螺杆式压缩 机。7.根据权利要求1至6中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述系统还包括空气 箱(32)，用于聚集来自所述压缩机(24)的压缩空气，并用于向所述燃烧室(10)提供所述压缩空气。8.根据权利要求1至7中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述系统中使用的所 述燃料为下述组中的一种:柴油、汽油、乙醇、天然气、液化天然气、以及氢气和一氧化碳混 合物。9.根据权利要求1至8中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述控制单元设置为 控制所述一个或多个输入阀(102，103，104，114)，用于在所述燃烧过程的膨胀阶段之间向 所述系统中产生多个蒸汽注入脉冲。10.根据权利要求1至9中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述系统包括加热装 置(40)，用于在所述压缩空气被引入所述燃烧室(10)内之前预热所述压缩空气。11.根据权利要求1至10中任一项所述的发电机系统，其特征在于，所述控制单元设置 为控制所述一个或多个输入阀(102，103，104，114)，用于在单个燃烧循环内向所述系统中 产生多个蒸汽注入脉冲。12.—种用于产生电能的方法，包括:向燃烧室(10)提供压缩空气的输入，向所述燃烧室(1 〇)提供燃料的输入，向用于产生电力的涡轮机(22)提供来自所述燃烧室(10)的燃烧产物和压缩空气的流 的输出，使用所述涡轮机(22)产生的所述电力操作发电机(26)，以便产生电能，以及使用所述涡轮机(22)产生的所述电力操作压缩机(24)，以便为所述燃烧室(10)压缩空 气，控制与所述燃烧室(10)有关的输入，以便在所述燃烧室内进行燃烧过程循环，其中，燃 料和压缩空气输入的所述控制是与时间相关的，其特征在于，提供并控制对系统的蒸汽输入，其中，所述蒸汽输入的控制包括向所述涡轮机(22)中 的与时间相关的蒸汽注入，其中，所述蒸汽注入的流在燃烧循环内调节。13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括:从所述燃烧过程中提取热量，用于产生和加热蒸汽。14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述蒸汽输入的控制包括在所述燃 烧过程的膨胀阶段之间向所述系统中注入多个蒸汽注入脉冲。15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤: 控制喷射器(12)输入阀，用于为所述燃烧室(10)和所述涡轮机(22)之间的所述喷射器(12) 产生蒸汽或水脉冲。
【文档编号】F01D15/10GK105980690SQ201580004112
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年1月7日
【发明人】蒂莫·艾瑞玛, 海基·J·萨米能
【申请人】芬诺能源有限公司