一种空气布雷顿发电系统、移动电源及孤网电源系统的制作方法

1.本发明涉及移动式布雷顿装置领域，尤其涉及一种空气布雷顿发电系统、移动电源及孤网电源系统。


背景技术：

2.移动式布雷顿装置是一种供电装置，常用于大型移动电源和应急电源，其容量可达兆瓦级别。现有的移动式布雷顿装置通常选用小型燃气轮机实现。
3.在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：小型燃气轮机在工作过程中需要在燃烧室内与喷入的燃料混合燃烧，以生成高温高压的气体，从而将燃料的能量转变为有用功，对燃料依赖性比较强。在运行维护过程中需要不断补充燃料，不能满足长时间运行的需求。
4.基于此，亟待提供一种热力循环发电系统，运行维护过程中不需要不断补充燃料，能够满足长时间运行的需求，同时满足移动式布雷顿装置所要求的可移动性和小型化的要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种可移动性、小型化、无需不断补充燃料的移动式布雷顿装置。
6.为达此目的，一方面，提供了一种空气布雷顿发电系统，包括：
7.动力系统，上述动力系统包括四象限变频器、电动发电机和不间断电源，上述四象限变频器与电动发电机和不间断电源均连接；减速器，上述减速器包括输入轴和输出轴，上述输入轴与上述电动发电机连接，输出轴包括第一端和第二端，上述第一端和上述第二端分别从减速器的两侧伸出；压气机，上述压气机包括进气口、出气口和压气机轴，上述压气机轴与上述输出轴的上述第一端连接；上述压气机还包括进气导叶调节装置，位于上述压气机的进气口处；回热器，上述回热器包括流体流道和介质流道，上述压气机的上述出气口与上述流体流道的一端连通；在上述压气机的上述出气口与上述流体流道之间设置有压气排气止回阀，上述压气排气止回阀的进气口与上述压气机的上述出气口连通；加热换热器，上述加热换热器包括流体进口、流体出口；上述流体进口与上述回热器上述流体流道的另一端连通；上述加热换热器的介质利用核能；透平，上述透平具有进气口、出气口和透平轴；上述透平的上述进气口与上述流体出口连通，上述透平的上述出气口与上述回热器的上述介质流道连通；上述透平轴与上述输出轴的上述第二端连接。
8.优选地，还包括整流装置，上述整流装置设置在上述压气机的进气流道上。
9.优选地，还包括进气滤清装置，上述进气滤清装置设置在上述整流装置的进气流道上。
10.优选地，还包括停机冷却系统，上述停机冷却系统包括冷却止回阀、旁路调节阀和至少一组备用压气机组；至少一组上述备用压气机组并联布置；
11.上述备用压气机组的出气口与上述冷却止回阀的进气口连通，上述冷却止回阀的出气口设置在上述压气排气止回阀的出气口与上述回热器的上述流体流道的进口之间的流道上；
12.上述旁路调节阀设置在上述加热换热器的流体出口与上述透平的上述进气口的通路上。
13.优选地，上述备用压气机组的出气口与上述冷却止回阀的进气口之间还设置有开关阀。
14.优选地，还包括紧急切断阀，上述紧急切断阀位于上述旁路调节阀和上述透平的上述进气口的通路上。
15.优选地，还包括压气机退喘阀，上述压气机退喘阀位于上述压气机的出气口和上述压气排气止回阀的进气口之间。
16.优选地，上述压气机为离心式，上述透平为向心式。
17.为达此目的，另一方面，提供了一种移动电源，包括上述的任一种所述的空气布雷顿发电系统，还包括壳体、核能热反应堆系统、运输装备；该空气布雷顿发电系统和该核能热反应堆系统设置在该壳体内，该壳体设置在该运输装备上，该核能热反应堆系统用于提供核能。
18.为达此目的，又一方面，提供了一种孤网电源系统，包括上述的任一种所述空气布雷顿发电系统。
19.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
20.空气布雷顿发电系统包括动力系统、减速器、压气机、回热器、加热换热器、透平。动力系统包括四象限变频器、电动发电机和不间断电源，四象限变频器与电动发电机和不间断电源均连接。空气布雷顿发电系统启动时，电流从不间断电源输入到四象限变频器，此时电动发电机处于电动状态；空气布雷顿发电系统正常运行时，电流从四象限变频器输出到不间断电源，此时电动发电机处于发电状态。
21.减速器包括输入轴和输出轴，输入轴与电动发电机连接，输出轴包括第一端和第二端，第一端和第二端分别从减速器的两侧伸出，输出轴的第一端与压气机连接，输出轴的第二端与透平连接，即输出轴的两端分别连接压气机和透平，减速器输出轴、压气机和透平组成布雷顿循环。
22.压气机包括进气口、出气口和压气机轴，压气机轴与减速器的输出轴的第一端连接。空气从压气机的进气口流入，压气机进气口处设置有进气导叶调节装置，以调节压气机进口风量。
23.回热器包括流体流道和介质流道，压气机的出气口与流体流道的一端连通，回热器用于第一次提高从压气机出气口流出的流体温度。空气从压气机的进气口流入，经压气机加压后从回热器的流体流道的一端进入回热器，通过回热器提高空气的温度。回热器的介质流道中的介质为透平做功后的剩余热空气。
24.在压气机的出气口与回热器的流体流道之间设置有压气排气止回阀，压气排气止回阀的进气口与压气机的上述出气口连通。通过压气排气止回阀限制空气只能从压气机流入回热器，不能反方向流动。
25.加热换热器包括流体进口、流体出口，加热换热器的流体进口与回热器的流体流
道的另一端连通，加热换热器的介质利用核能。空气经压气机加压后进入回热器，经回热器第一次提高温度后进入加热换热器，空气通过加热换热器第二次提高温度，之后高温的空气进入透平。
26.透平具有进气口、出气口和透平轴，透平的进气口与加热换热器的流体出口连通，透平的出气口与回热器的介质流道连通，透平轴与减速器的输出轴的第二端连接。经过换热器第二次提高温度后的空气进入透平中对外做功，动力经减速器传递给电动发电机，此时电动发电机处于发电状态，电流从四象限变频器输出到不间断电源。
27.本方案的空气布雷顿发电系统利用核能实现对压气机排气温度的提高，使其满足透平的做功要求。因此，在运行维护过程中摆脱对燃料的依赖，在运行维护过程中无需不断补充燃料，能够满足长时间运行的需求。
附图说明
28.图1是本发明的空气布雷顿系统的流路图。
29.图中：1-进气滤清装置；2-整流装置；3-压气机；4-减速器；5-压气机退喘阀；6-流量计；7-压气排气止回阀；8-回热器；9-加热换热器；10-紧急切断阀；11-透平；12-电动发电机；13-第一备用压气机组；14-第一开关阀；15-第二备用压气机组；16-第二开关阀；17-冷却止回阀；18-旁路调节阀；19-四象限变频器；20-孤网；21-不间断电源。
具体实施方式
30.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.实施例一：
34.如图1所示，空气布雷顿发电系统包括动力系统、减速器4、压气机1、回热器8、加热换热器9、透平11。动力系统包括四象限变频器19、电动发电机11和不间断电源21，四象限变频器19与电动发电机11和不间断电源21均连接。空气布雷顿发电系统启动时，电流从不间断电源输入到四象限变频器，此时电动发电机处于电动状态；空气布雷顿发电系统正常运
行时，电流从四象限变频器输出到不间断电源，此时电动发电机处于发电状态。
35.减速器4包括输入轴和输出轴，输入轴与电动发电机11连接，输出轴包括第一端和第二端，第一端和第二端分别从减速器4的两侧伸出，输出轴的第一端与压气机1连接，输出轴的第二端与透平11连接，即输出轴的两端分别连接压气机1和透平11，减速器4输出轴、压气机1和透平11组成布雷顿循环。
36.压气机1包括进气口、出气口和压气机轴，压气机轴与减速器4的输出轴的第一端连接。空气从压气机1的进气口流入，压气机进气口处设置有进气导叶调节装置，以调节压气机进口风量。
37.回热器8包括流体流道和介质流道，压气机1的出气口与流体流道的一端连通，回热器8用于第一次提高从压气机1出气口流出的流体温度。空气从压气机1的进气口流入，经压气机1加压后从回热器8的流体流道的一端进入回热器8，通过回热器8提高空气的温度。回热器8的介质流道中的介质为透平做功后的剩余热空气。
38.在压气机1的出气口与回热器8的流体流道之间设置有压气排气止回阀7，压气排气止回阀7的进气口与压气机1的出气口连通。通过压气排气止回阀7限制空气只能从压气机1流入回热器8，不能反方向流动。
39.加热换热器9包括流体进口、流体出口，加热换热器9的流体进口与回热器的流体流道的另一端连通，加热换热器9的介质利用核能。空气经压气机加压后进入回热器，经回热器第一次提高温度后进入加热换热器9，空气通过加热换热器9第二次提高温度，之后高温的空气进入透平11。
40.透平11具有进气口、出气口和透平轴，透平的进气口与加热换热器的流体出口连通，透平的出气口与回热器的介质流道连通，透平轴与减速器4的输出轴的第二端连接。经过换热器第二次提高温度后的空气进入透平中对外做功，动力经减速器传递给电动发电机，此时电动发电机处于发电状态，电流从四象限变频器输出到不间断电源。
41.按照本领域技术人员的通常理解，减速器是在原动机和工作机或执行机构之间起匹配转速和传递转矩作用的机械设备，减速器与原动机连接的轴端称为输入轴，减速器与工作机或执行机构连接的轴端称为输出轴，基于此，本实施例将减速器与电动发电机连接的一端称为输入轴，将减速器与压气机、透平连接的一端称为输出轴。因此，本实施例提供中的减速器的输入轴和输出轴对电动发电机和压气机、透平之间的动力传递路线及方向没有限定作用。空气布雷顿发电系统启动时，电流从不间断电源输入到四象限变频器，此时电动发电机处于电动状态，减速器将动力从输入轴传递到输出轴；空气布雷顿发电系统正常运行时，透平轴与减速器的输出轴连接，减速器将动力从输出轴传递到输入轴，此时减速器用于增速，电动发电机处于发电状态，电流从四象限变频器输出到不间断电源。
42.优选地，还包括整流装置2，该整流装置2设置在该压气机1的进气流道上，整流装置能够限制空气的流向，减少气流的涡动。优选地，整流装置选用整流栅。
43.优选地，还包括进气滤清装置1，该进气滤清装置1设置在该整流装置的进气流道上。空气先经过进气滤清装置过滤颗粒和杂质，再经过整流装置减少气流的涡动，提高压气机进口流场品质。
44.本方案的空气布雷顿发电系统利用核能实现对压气机排气温度的提高，使其满足透平的做功要求。因此，在运行维护过程中摆脱对燃料的依赖，在运行维护过程中无需不断
补充燃料，能够满足长时间运行的需求。
45.优选地，该压气机为离心式压气机，该透平为向心涡轮，压气机和透平安装于双轴伸电动发电机的两侧，为同轴背靠背布置，能够减少机组轴向力，提高运行可靠性。
46.优选地，空气布雷顿发电系统的减速器4的输入轴和/或输出轴处设置有联轴器，将减速器的轴与电动发电机、压气机、透平牢固地联接起来一同旋转。
47.优选地，不间断电源21使用ups柜。
48.优选地，还包括辅助系统，辅助系统包含冷却系统、滑油系统、测控系统，其中冷却系统选用空气或油作为冷却介质。
49.实施例二：
50.如图1所述，本实施例的空气布雷顿发电系统，还包括停机冷却系统，停机冷却系统包括冷却止回阀17、旁路调节阀18和至少一组备用压气机组；至少一组该备用压气机组并联布置；该备用压气机组的出气口与该冷却止回阀17的进气口连通，该冷却止回阀17的出气口设置在该压气排气止回阀7的出气口与该回热器8的该流体流道的进口之间的流道上；该旁路调节阀18设置在该加热换热器9的流体出口与该透平11的该进气口的通路上。
51.图1中的箭头方向示出了空气布雷顿发电系统进入冷却工况的气体流向。空气布雷顿发电系统停机后,开启旁路调节阀，开启备用压气机组中的备用压气机，空气通过备用压气机，流入回热器和加热换热器中，对设备进行降温，加热换热器的流体出口处设置有旁路调节阀，最后空气通过旁路调节阀排入大气中。通过冷却止回阀控制空气的流向只能从备用压气机到流入回热器，再到加热换热器中。
52.空气布雷顿发电系统包括至少一组备用压气机组，能够满足空气布雷顿发电系统的冷却用气量的需求。
53.优选地，该备用压气机组的出气口与该冷却止回阀的进气口之间还设置有开关阀。空气布雷顿发电系统停机后,进行冷却时，开启旁路调节阀和该开关阀。
54.优选地，本实施例的空气布雷顿发电系统有两组备用压气机组，分别为第一备用压气机组13和第二备用压气机组15，第一备用压气机组和第二备用压气机组并联设置；第一备用压气机组13与冷却止回阀17的进气口之间设置有第一开关阀14，第二备用压气机组15与冷却止回阀17的进气口之间设置有第二开关阀16。
55.本实施例提供的空气布雷顿发电系统，在运行过程中的冷却环节不需要水源作为冷却介质，通用性较强，能够适用于水资源匮乏地区。
56.实施例三：
57.如图1所示，本实施例的空气布雷顿发电系统还包括紧急切断阀10，紧急切断阀10位于该旁路调节阀18和该透平11的该进气口的通路上。在空气布雷顿发电系统停机冷却时，需要同时开启旁路调节阀、开启备用压气机组的开关阀、关闭紧急切断阀。在空气布雷顿发电系统正常运行时，需要开启紧急切断阀、关闭所有的备用压气机组的开关阀。以保证空气布雷顿发电系统在各个工作状态下的安全运行。
58.本实施例的空气布雷顿发电系统还包括压气机退喘阀5，该压气机退喘阀5位于该压气机的出气口和该压气排气止回阀7的进气口之间。当压气机进入喘振状态时，开启压气机退喘阀。空气布雷顿发电系统在运行过程中需要关闭压气机退喘阀。
59.优选地，压气机退喘阀5设置在第一支路上，上述第一支路由压气机的出气口和压
气排气止回阀7的进口之间的流路引出，与压气机的出气口和止回阀的进口的流路连通。空气布雷顿发电系统在运行过程中需要开启透平11前紧急切断阀10，关闭压气机退喘阀。
60.优选地，在压气机退喘阀5出气口和压气排气止回阀7的进气口之间还设置有流量计6。
61.实施例四：
62.如图1所示，本实施例中的空气布雷顿发电系统，旁路调节阀18通过打开或关闭，还能够减少或增加透平11进气量，实现输出功率调节的作用。
63.优选地，旁路调节阀18设置在第二支路上，第二支路上由加热换热器9的流体出口和透平11的进气口的通路引出，与加热换热器9的流体出口和透平11的进气口的通路连通。
64.优选地，该第二支路位于该紧急切断阀10的进口处。
65.本实施例的空气布雷顿发电系统还包括功率调节装置，功率调节装置包括透平11前的旁路调节阀18和压气机进气口的进气导叶调节装置。旁路调节阀和压气机的进气导叶调节装置能够进一步扩大到空气布雷顿发电系统的功率调节范围，在不改变加热换热器功率的前提下，实现对系统输出功的率实时调节。
66.本实施例的空气布雷顿发电系统，压气机进气口处的进气导叶调节装置通过改变压气机进口前导叶的角度，使气流产生预旋，具有结构简单、能量损失小、调节范围宽、可以在压气机运行时进行实时调节等优点，而旁路调节阀通过打开或关闭，能够减少或增加透平进气量，实现输出功率调节。功率调节装置在不改变加热换热器功率的前提下，实现对系统输出功的率实时调节。
67.实施例五：
68.本实施例提供了一种移动电源，包括上述实施例的任一种空气布雷顿发电系统，还包括壳体、核能热反应堆系统、运输装备；空气布雷顿发电系统和核能热反应堆系统设置在壳体内，壳体设置在运输装备上，核能热反应堆系统用于提供核能。本实施例提供的移动电源，壳体可以使用集装箱。核能热反应堆系统是一种核能供热系统，优选地，使用液态金属核能反应堆。运输装备可以是车辆、船只等。
69.本实施例还提供了一种孤网电源系统，包括上述实施例的任一种空气布雷顿发电系统。孤网电源系统为孤网20的电源系统，孤网20也称孤立电网，孤立电网泛指脱离大电网的小容量电网。孤网电源系统可以采用空气布雷顿发电系统产生电能，空气布雷顿发电系统的四象限变频器为孤网20输出电能。
70.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。