空气循环的热力转换系统的制作方法

专利名称:空气循环的热力转换系统的制作方法
本发明涉及热动力转换设备，更具体地说，涉及使用空气作为工作介质的热力转换设备。
某些热动力转换或化学过程会产生大量的含有足够热能的副产热气，为节约能源，去收集和利用这种热能已引起人们的注意。例如，燃气轮机在一个燃烧室内燃烧带有空气的燃料以产生各种热气。这些热气在气轮机内膨胀时产生力矩。部分力矩被用来驱动一个空气压缩机-将压缩空气送给燃烧室。其余力矩用在输出轴上。
排出燃气轮机的废气的温度约为1000°F。当这种热废气被排入大气时，这样一种燃气轮机的热动力效率是比较低的，(例如，与蒸汽轮机相比)。尽管其效率比较低，但由于燃气轮机可提供快速起动和灵活的操作，已促使其用作一种为产生峰值功率和在船用推进系统中的原动机。
回收热量的蒸气锅炉一般同燃气轮机配合而形成一个蒸气和燃气轮机组合的循环系统。热回收蒸气锅炉吸取存在于废气中的相当大部分热能，从而产生蒸气-通过任何使用过程，便可加以应用。这种组合的循环系统，其总效率高于蒸气轮机的效率。
蒸气和燃气轮机组合的循环系统有许多缺点。蒸气是难以盛装和操纵的介质。例如，为了避免热回收蒸气锅炉侧的水的腐蚀和结垢，必须对补给水进行精心处理，以确保其纯度。为获得这种纯水的设备是昂贵的。此外，热回收蒸气锅炉是需要投入大量资金的庞大装置和实际上的不动产。
热回收蒸气锅炉对所需输出变化的响应要比燃气轮机慢得多。对于热回收蒸气锅炉的冷起动(cold start)来说，需要持续一段时间-例如，2小时，在这段时间内，输出功率仅由燃气轮机产生，同时，燃气轮机的废气加热热回收蒸气锅炉里的水，使其达到工作温度和压力。在不利用热回收蒸气锅炉的输出时，又需要一个相应于起动周期的关闭(shut-down)周期。若蒸气和燃气轮机系统每天运行16小时的话，则其中要有4个小时单靠燃气轮机的运行，使热回收蒸气锅炉加热至工作状态，或使其冷却至静止状态。这样，虽然保持了由燃气轮机提供的起动和操作的灵活性，由热回收蒸气锅炉提供输出功率并改善了效率，但其有效时间明显地少于其总的运行时间。
我已发现从具有(放出热的介质和接收热的介质间)最小热梯度的热气中吸取热量时，可获得最大热动力效率。产生蒸气必须要有一个这样的区域即在此区域，在热交换侧水中的介质保持恒温，而水就蒸发成蒸气。这个过程违背上面关于最小热梯度的规律，因而降低了可从热废气中吸收而传到一个应用过程中的能量的数量。无数的生产和化学过程需要供应大量的热的，未被污染的压缩空气。未被污染的空气中的氧气还未经燃烧，反之在燃烧过程中，大部分氧气要被燃烧产物(通常包括二氧化碳、一氧化碳、未烧尽的燃料和在固体燃料的燃烧情况下，夹带燃料、灰尘和炉渣粒子)所替代。蒸气和燃气轮机组合的循环系统，在不要求单独硬设备去产生无污染空气的情况下，就不可得到这种无污染空气的供应。
离开蒸气和燃气轮机组合循环系统的烟气的温度大约为270°F。虽然这意味着能量的一种显著的浪费，但由于腐蚀剂(主要是硫化物)的存在，只要其温度大大降低便能从烟气中析出，因此再用传统方法从烟气回收热是不实际的。反之，对被加热的废气流来说，要求没这种温度约束。在不产生有害物质析出的情况下加热空气的温度可被尽可能地降低，降低这种热空气的温度至多使其内所含的水份析出。而这种被析出的水可能是某些环境下的一种有经济价值的商品。
因此，本发明的一个目的是为提供一个组合循环系统，该系统包括一个燃气轮机-其热动力效率高于单个燃气轮机的效率，并保持燃气轮机的操作灵活性。
本发明的另一目的是提供一种组合循环系统，该系统应用空气闭锁循环。以一种有利的方式回收加热气体流中的热能。
本发明的又一目的是用至少在两级压缩之间带有中间冷却的多级压缩过程去压缩空气。在压缩空气进入同热气流交换前，中间冷却先将其冷却到尽可能低的温度。使热交换能从热气流和空气流之间的最小温度梯度开始进行，从而获得最大热传输效率。通过将空气质量流量控制到某一个具有基本上等于热气容量的热容量的值，来增强这种最小热梯度作用。
本发明的另一目的是为提供一种空气闭锁循环，该循环包括辅助燃烧，以增加被加热的压缩空气中的热能。
简单地说，本发明提供一个空气循环热动力转换系统，在该系统中，利用每对相邻压缩机之间的中间冷却器，用多级压缩法压缩某种可压缩气体。中间冷却器使被压缩气体的温度返回到每个接连的压缩操作之前的环境温度。被压缩气体在一个热交换器内被同其逆行的热废气加热而增加了它的热能。通过确立正在加热的压缩气体和冷却中的废气两股流量具有大致相同的热容量，来维持它们之间的最小温度梯度。被加热的压缩气体在一个涡轮机里膨胀，以产生至少足以推动多级压缩系统的力矩。在该涡轮机里可能产生用于驱动某个使用过程的附加力矩。换句话说，当被加热气体的热量超出为驱动涡轮机所需要的量时，超出的热量可直接被送到某个使用过程中。此外，可利用来自中间冷却器的被加热介质以及来自涡轮机的废气来吸取热量。在最佳实施例中，在压缩机、中间冷却器和涡轮机里的工作气体是空气。
根据本发明的一个实施例，所提供的用于吸收被加热气体流的热量的热力转换系统包括用于压缩周围空气的第一和第二(至少两个)空气压缩机，一个在至少第一和第二压缩机之间的中间冷却器，(该中间冷却器包括用于降低温度的装置，该装置将使从第一空气压缩机来的第一压缩空气在其进入第二空气压缩机之前，降至室温左右)，一个热交换器(包括为产生加热压缩空气的热量转换装置-从加热气体流转换成来自第二空气压缩机的第二压缩空气)，根据该已加热压缩空气，至少一个空气透平驱动第一和第二空气压缩机中的至少一个空气压缩机，所述已加热压缩空气包含有超出由至少一个空气透平驱动第一和第二空气压缩机中至少一个压缩机所需的能量，该热交换器还包括将这部分多余能量传输到一个使用过程的传输装置。
根据本发明的一个装置，所装备的一个空气闭锁循环的组合循环系统包括一个燃气轮机，(该燃气轮机又包括用以产生热气流的装置)，一个热交换器，第一、第二和第三空气压缩机，用于串联第一、第二和第三空压缩机的连接装置(这三个空气压缩机用来压缩空气)，一个第一中间冷却器(配置于连接装置内的第一和第二空气压缩机之间)，一个第二中间冷却器(在连接装置内的第二和第三空气压缩机之间)，与第一和第二中间冷却器相关联的装置(用于将通过那里的空气的温度降低至室温左右)，上述热交换器包括用于传递热量的装置，该装置将已加热气流的热量传给来自第三空气压缩机的压缩空气，从而产生已加热压缩空气，至少一个空气透平(air turbine)响应该加热压缩空气去驱动上述第一，第二和第三空气压缩机，已加热压缩空气包括超出由至少一个空气透平去驱动第一、第二和第三空气压缩机所需能量的余量，上述热交换器还包括用于将多余能量送到使用过程的传输装置。
本发明的上述和其他目的，特征和优点将从以下结合附图的说明中看得更清楚，附图中，相同标号指示相同元部件。
图1是根据先有技术的蒸气和燃气轮机组合循环系统的一个示意图。
图2是理论上的温度一熵图，在说明燃气轮机的理想的闭锁循环过程中，将参考此图。
图3是一个热回收蒸气锅炉所用的闭锁循环的温度-熵图。
图4是具有一个空气闭锁循环的组合循环系统的简化原理图，该系统采用两级空气压缩，在两个压缩级之间有中间冷却。
图5是图4所示组合循环系统的一个温度熵图。
图6是包含有五级空气压缩的空气闭环的一个组合循环系统的温度-熵图。
图7是具有一个空气闭锁循环的组合循环系统，该系统有三台空气压缩机(有中间冷却器)和两台用于驱动独立的输出轴和中间轴(intershafts)的空气透平。
图8是对于本发明的空气闭锁循环的温度和负载控制的简化原理特写(closeup)图。
图9是一个组合循环系统的简化原理图，在该系统中，空气闭锁循环的主要输出是压缩了的热空气。
图10是一个组合循环系统的热交换器的简化原理的特写图，以说明该交换器的气体侧的辅助燃烧。
图11是一个组合循环系统的热交换器的简化原理的特写图，以说明该交换器的空气侧的辅助燃烧。
参见图1，该图显示了根据先有技术的一个蒸气和燃气轮机组合的循环系统10。燃气轮机12包括一个压缩机14-有效地压缩周围空气，以使其在燃烧室16中同燃料发生反应。来自燃烧室16的热气体(包括未经反应的空气和燃烧产物)被送到透平机18，并在其内有效地产生一个在输出轴20上的输出力矩，同时通过中间轴22去驱动压缩机14。
上述气体膨胀之后在大约1000°F的温度下排出透平机18，经废气导管24被输送到热回收蒸气锅炉26。这些热气体在热回收蒸气锅炉26内放出相当大部分热能，以产生蒸气，所产生的蒸气又靠蒸气管道28传送到某种传统的使用过程。该使用过程，(例如可以是一个蒸气轮机，蒸气轮机的锅炉或化学过程)对本发明没有关系，故不另作详述。温度降至大约275°F的热气体是通过排气管30排放到大气的。补给水或冷凝蒸气是通过水管32进入热回收蒸气锅炉26的。
本领域的技术人员定知道热回收蒸气锅炉26为改善2其热动力效率，可能包括为数众多的部件，这类部件可以是(例如)给水加热器、回收装置、过热装置。所有这些均属常规部件，故没必要对其另作说明或图示。
现参见图2，该图是(用虚线示出的)一个燃气轮机循环34的温度-熵图。该燃气轮机吸入的空气具有室温和由点36所表示的压力。该空气在压缩机14内，沿垂直绝热压缩线38绝热地(既不加热也不除热的情况下)进行压缩，在此期间其温度和压力升高。在燃烧室16里，对此压缩空气沿恒压线40加热直至变为热的污浊空气-含有燃烧产物，在点42处排出燃烧室16。该热气体沿垂直绝热膨胀线44绝热地进行膨胀直至达到废气点46-燃气轮机的废气温度。连接废气点46和点36的恒压线48闭合了燃气轮机的循环回路34。
正如众所周知的，燃气轮机循环回路34的面积即代表了该过程所产生的热能。由压缩和加热期间消耗的能量所产生的总的可用能量是恒压线48和室温线50之间的垂直线所围成的总面积。这个通常由室温线50、恒压线48和垂直绝热膨胀线44的延长线所限定的三角形的耗能区52代表了燃气轮机系统(因其废气温度高)而不能回收的那部分能量。尽可能多地回收能耗区52内的热能，即是闭锁循环的目的。
图3示出了作为一个蒸气闭锁循环的温度-熵图。为便于观察起见，水和后来的蒸气是以对着来自燃气轮机12的热气流方向而流过热交换器(热回收蒸气锅炉26)的。由恒压线48附近各部分的各蒸气线和点的关系可以看示当热气体冷却时其温度的熵之间的关系的及当其相邻的水或蒸气加热时的温度-熵之间的关系。
开始，水在点54在低的接近于环境温度和压力下被加压，然后沿水-加热线56加热直至达到其沸点58。由于沸腾，水沿着恒定温度的沸腾线60，在恒温下增加其热能。此后，蒸气在恒压下，沿着线62迅速地过热直达到点66-接近于燃气轮机的废气温度。热的压力蒸气中的能量在(例如)一个蒸气轮机(未示出)里沿着垂直绝热膨胀线68膨胀，直达到室温线50。冷却到室温线50的最终增量需在一个常规的冷凝器(未示出)里耗热。然而，对当前的讨论来说足以假设在点66处的蒸气里的全部能量均是可回收的。该图是沿室温线50闭合的，室温线可代表就如在一个常规的冷凝器里所产生的在室温下由于蒸气冷凝而引起的热量损耗，以形成蒸气轮机闭锁循环70，该循环代表通过蒸气循环从燃气轮机废气中回收热的循环。
人们会注意到在燃气轮机循环34和蒸气轮机闭锁循环70之间的界面上会发现一处比较不良的配合。那就是，在蒸气轮机闭锁循环70中，水被转换为蒸气的这一部分期间，在该闭锁循环中产生一个通常为不回收能量的三角形间隙72。因此，蒸气轮机闭锁循环70实际上是不能获得燃气轮机废气中的全部能量的。
我已发现固有地存在于蒸气闭锁循环的热回收中的许多问题可通过采用某种气体，(最好采用空气)，作为工作介质来克服。现参见图4，具有空气闭锁循环的组合循环系统(总的以74表示)，靠废气导管24将从燃气轮机12来的热气体引导、通过热交换器76。第一级压缩机78以第一压缩倍数(例如，两倍左右)压缩周围空气。
现在同时参考图5中的相应的温度-熵图，第一级压缩机78沿着垂直压缩线80提高空气的温度。压缩空气由第一级压缩机78被送至中间冷却器82，该冷却器82使压缩空气沿恒压线84回到接近于室温。经中间冷却之后，压缩空气再在第二空气压缩机85中沿第二垂直压缩线86(图5)被压缩，直至其温度接近于恒压线48上的相应温度为止。
来自第二空气压缩机85的压缩空气是对着来自燃气轮机12的热废气而流过热交换器76的，以吸取废热气中的热。这一循环的热交换器部分是以恒压线88来表示的。当此空气排出热交换器76时，其温度非常接近燃气轮机废气的温度。该已加热压缩空气在空气透平90里膨胀而完成闭合的空气透平循环91。已加热空气在空气透平90内膨胀时，在输出轴92上产生一个输出力矩，同时在中间轴94上产生压缩机力矩，以便驱动第一级压缩机78和第二空气压缩机85。由于该压缩空气不需要蒸发阶段，所以当其加热时，其温度仍保持接近于来自燃气轮机12的热气体冷却时的温度。这样，在热交换器76中存在于加热空气和冷却中的气体之间的温度梯度是比较小的。
我已发现将空气流量率确定在这样一个值，即该值具有大致等于在热交换器76中流过的热气体的热容量的总的热容量时，可将冷却中的气体和加热中的空气之间的温度梯度减至最小。当确立空气和热气体的质量流量率相等时，则对于第一近似值的热容量是相等的。离开热交换器76的热空气温度可为进入热交换器76的热气体温度的95%范围内。就是说，如果热气体温度为1050°F左右时，热空气的温度可达到1000°F左右。
不是最佳热传输效率可能要求除此理想情况以外的空气质量流量率的种种原因，将在本说明书的后部加以说明。
在空气透平90内膨胀后的冷却空气输出空气透平90，在排烟管96上的温度，(例如)，大约为450°F。由于在排烟管96内的空气是未污染的并含有可观的余热量，故在还设从它那里进一步吸取热量的情况下，不必将其排放到大气。该废气可用于诸如纸张烘干之类的化学或生产过程或用作流化床燃烧过程的空气源。该废气甚至可加到(例如)使用蒸气发生器的另一个闭锁循环。
通常中间冷却器82需要用于从第一级压缩机78和第二空气压缩机85之间的空气流中除去热量的加压装置。该加压装置用鼓风机98来代表，并由任何方便的鼓风机动力源100来驱动。鼓风机动力源100可以是(例如)，加到鼓风机98内电动机的电源。该电源可能是购置的，但如果使用输出轴92去驱动一台发电机，则应用由此产生的电力而提供了一个特殊的优点。那就是，当具有空气闭锁循环74的组合循环系统起动时，鼓风机98与此一起起动并产生一股正在冷却的空气流，该股气流可自动地随空气透平90的力矩输出而被迫变化。另一方面，鼓风机动力源100可通过常规齿轮装置(未示出)直接地与输出轴92成齿轮传动关系，从而使鼓风机98以比例于输出轴92速度的某个速度由直接机械连接所驱动。
另一个可供选择的方案，通过在第一级压缩机78的中间段抽出(tapping off)一些压缩空气并利用这种抽出的空气作为强迫冷却装置，用来促进二次冷却器82中的冷却过程，而取消了鼓风机98和鼓风机动力源100。这类似于由一台涡扇飞机发动机的进气叶片(the inlet fan of a fan-jet aircraft engine)所产生的气流量。这一安排由图中的虚线102提示。
人们定会认识到采用从第一级压缩机78抽出的空气而不采用鼓风机98连同电气或机械驱动是会显著提高效率的。对电气驱动情况来说，这种抽出空气法避免了电力和力矩之间转换所造成的低效率，以及取消了包含在鼓风机98中的许多设备。对直接齿轮传动的机械驱动来说，该抽出空气法避免了这笔投资费和这种齿轮传动的机械式驱动的低效率。在输出轴92上用于进行冷却所消耗的功率是相当大的，在一台大机器里可达500瓩或更大。因此，取消鼓风机98及其供电或机械驱动装置，对基本建设费用和使用费有巨大影响。
同样不应忽略存在于离开中间冷却器而在排烟管104上的热空气，将其作为可回收的能量源问题。这个热空气虽然温度只有160°F或170°F，但却是干净的，没有淀析或腐蚀问题，因而不经处理即可用于化学或生产过程。例如，由一个具有空气闭锁循环74的工业规模的组合循环系统所排放的中间冷却器的空气量经低价设备即可将每分钟3000加仑的水由室温加热到大约160°F。这样，毫不费力就可将一种廉价而又方便的大量的热水源供家庭或工业使用。由于该空气是干净的，故可将其直接用于热气空间供热(hat-air space heating)。
本发明不限于采用空气作为除热介质的中间冷却器，而是可采用任何合适的中间冷却器技术装备。例如，可采用空气→液体中间冷却器，用来将热量从空气传至某种液体(例如水)。应该认为用于降低工作介质温度的蒸气或其他有效的中间冷却类型均包含在本发明的范围内。
现具体地参照图5，我们会注意到虽然空气透平环路91的上部沿恒压线88紧跟恒压线48，但其下部的相邻室温线50呈锯齿形或凹坑，因而留下了一个用点划线画出的能量未回收部分。通过增加在空气压缩功能方面所使用的压缩机的数目和在每对相邻的空气压缩机之间采用中间冷却器可显着地降低这种凹坑效应。
参照图6，该图显示了作为例子的一个改进型空气透平循环91′，在此循环中，压缩任务是通过一系列(5个)压缩机和(4个)中间冷却器来完成的，除了最后一次压缩外，每次压缩之后，中间冷却器都要将空气温度降至室温左右。若干个压缩机分担着压缩功能，因而每台压缩机对总压力的提高提供一个较小的比例。应该注意空气透平循环91′的底部非常接近与室温线50的良好配合，从而使未被燃气轮机循环34所利用的几乎全部有效能量变得可用。
从热动力观点出发，也许会用增加压缩机和中间冷却器数目来增加空气循环的效率，然而，从经济观点出发，必然会认识到添加压缩机、中间冷却器、鼓风机和管道的投资费，在由改进效率所得收益仅敷支出的每况愈下的情况下，很快就会变得不可补偿。在最佳实施例中，采用了三台压缩机同两台中间冷却器相串联，(每对相邻的压缩机之间有一台中间冷却器)似乎在空气循环效率和投资费用之间提供了一种满意的折衷方案。
对一个多级压缩机系统来说，并不要求其所有的压缩机的压缩比相等。相反，倒有使人信服的理由促使人们在多个压缩机中使用不同的压缩比。例如，在三级串联压缩系统中的第一和最后一台压缩机的效率可能表现为不如中间级压缩机效率。因此，最好从中间级压缩机获得比从第一和最后级压缩机更大比例的所需的总压缩量。例如，当要求总压缩比为20时，则改进的综合压缩效率可利用压缩比约为2的第一和最末级压缩机和压缩比约为5的中间级压缩机来达到。
现参照图7，该图显示了具有空气闭锁循环的一个组合循环系统的实施例，总的以106表示，在该系统中，三级空气压缩机第一级空气压缩机108，第二级空气压缩机110和第三级空气压缩机112被配置成两个独立的组。由低压空气透平114通过中间轴116被连接，以驱动第一级空气压缩机108，来自108的输出力矩被传递到第一输出轴118上的一个负载(未示出)。高压透平120通过中间轴122被连接，以驱动第二级空气压缩机110和一根延长的中间轴124以驱动第三级空气压缩机112。输出力矩还可传递到第二输出轴126上的一个负载(图中未示)。
来自第一级空气压缩机108的压缩空气经第一中间冷却器128冷却后，才被馈入第二级空气压缩机110。同样，来自第二级空气压缩机110的压缩空气经第二中间冷却器130冷却之后才进入第三级空气压缩机112经受其最终压缩。和上述实施例一样，压缩空气在热交换器76内吸取来自流过其内的废热气的热量。加热压缩空气在高压透平120中，进行第一次膨胀，以产生对第三级空气压缩机112和第二级空气压缩机110的压缩机传动以及第一输出力矩。然后该空气在低压空气透平114中进行第二次膨胀，以产生对第一级空气压缩机108的压缩机传动以及第二输出力矩。从低压空气透平114出来的清洁废气靠一根排气管132传送到烟囱或能利用该余热的下游物流过程(downstream process)。
图7的双轴系统比所有的压缩机和空气透平连接在一根公共轴上的单轴系统具有更多的操作灵活性。例如，第三级空气压缩机112和低压空气透平114的相对大小可定为以产生不同轴速和输出力矩所需的尺寸。实际上可省去一根或两根输出轴(118和126)。
我已发现可操作本发明的装置去增加或减小气体在烟道30的温度，而热空气在排气管132以相反的方向改变温度。也就是说，通过选择流过热交换器76的空气加压过程中所用的压力比，可从反向流过的热气体中吸收或多或少的热量。假如更多的热量被空气所吸收，则排出的气体必然更冷。
现参见图8，该图显示了一项更灵敏的控制技术。这项控制技术同样适用于本发明的所有实施例。一对温度控制阀134包括控制阀136，阀136控制通过热交换器76的部分压缩空气。旁通阀138控制沿旁通管140直接流向管142供给空气透平的部分压缩空气。通过将空气流分成两路一部分流过热交换器76和一部分旁通热交换器76，当这两路空气汇合于管道142时，该汇合流的温度受到控制。
控制阀136和旁通阀138应被一齐操作，但其方向不同。就是说，当控制阀136被打开某一给定量时，旁通阀138应被关闭一个相应的量。为更便于操作起见，正如虚线144所示，控制阀136和旁通阀138被机械地连接成具有单一调节的温度控制阀对134。
空气透平(图4或7)的负载是由一对负载控制阀146控制的，阀对146由同来自热交换器76的热空气相联的负载控制阀148，和泄放阀150组成阀150有效地泄放来自系统的热空气，从而使较大或较小量的空气被加到空气透平。未被空气透平利用的空气被泄放或直接通至一个使用过程。负载控制阀148和泄放阀150如虚线152所示被机械地连成位相相差180°，以便通过“负载控制阀对”146的单一调节即可使它们以相反的方向联动。
存在于温度控制阀对134和负载控制阀对146之间的基本的相互关系，对一个本领域的技术人员想必是清楚的。就是说，在通过温度控制阀对134调节而确立某种空气温度之后，则通过调整负载控制阀对146的位置可改变加到管道142的热空气对冷空气的比率。借助于与本发明无关的常规的温度压力和流量仪的测量，对一个利用了本发明所揭示内容的技术熟练的操作员是完全具备使两套控制装置达到良好配置的能力的。
温度控制阀对134和负载控制阀对146可手动地或通过半自动或全自动装置来进行控制，而这种控制装置(例如可以是发电厂控制系统的一部分。用于实现这种控制的设备是常规设备，并不是本发明的组成部分，因此不再详述。
本发明的另一实施例示于图9，该实施例是一个具有空气闭锁循环153的组合循环系统;省去了力矩输出以便最大限度地将热的压缩空气供给一个使用过程。由空气压缩机154，156和158组成的三级压缩系统，同空气压缩机154和156之间的一个中间冷却器160以及空气压缩机156和158之间的中间冷却器162使压缩空气通过热交换器76加至控制阀组件164。控制阀组件164包括一个透平负载阀166和输出阀168，此两阀最好如虚线170所示，通过一种机械的内连法使其沿相反方向作机械地联动。透平负载阀166用于有效地将加热压缩空气加到空气透平172，透平172仅仅产生足以驱动空气压缩机154，156和158的力矩，而没有可驱动输出轴的其他力矩。具有空气闭锁循环153的组合循环系统的基本输出是通过输出阀168传送给一个使用过程的热的干净的压缩空气。
通常就象所有前述实施例一样，除了基本输出(图9实施例中的热的压缩空气，其他实施例中的力矩)之外，还有来自中间冷却器160和162和来自空气透平172的干净的热空气流中的能量可被再回收。
为进一步增大前述任一实施例的输出，可使用辅助燃烧。虽然辅助燃烧消耗了附加燃料，但这一设施是给该系统增添运行灵活性的又一项措施。此外，辅助燃烧为使组合循环系统的空气循环部分达到工作速度，提供了简化方法，在工作速度下空气循环部分能产生有用的功率输出，而与组合循环系统的燃气轮机部分的运行状态无关。辅助燃烧可在系统的气体侧或空气侧进行。
现参见图10，该图表示了辅助燃烧在系统的气体侧进行的情况。一个常规的辅助燃烧炉174插入在热交换器76的气体入口侧的排气导管24中。燃料管道176将任一种适宜的燃料输送到辅助燃烧炉174，以便在其内燃烧。可使给热交换器76的空气侧的压缩空气的热量是从燃气轮机靠排气导管24传来的热量加上在辅助燃烧炉174内所增添的热量的总和，再扣除热交换器76中通常无效的热传输热量(inefficiencies)。辅助燃烧炉174可以是能燃烧任一或多种可用燃料(包括气体，液体或固体)的燃烧炉。用于同燃料起反应的燃烧用空气可利用来自燃气轮机废气中的过剩空气。另一方面，辅助燃烧炉174可包括一台用于供应燃烧用空气的鼓风机(未示出)。辅助燃烧炉174可在整个系统都在运行期间或仅在需要额外加热的所选周期内对进入热交换器76的废气加热，人们相信，大小合适的辅助燃烧炉174可能使组合系统的空气循环部分产生加倍的输出功率。
图11所示的本发明的一个实施例是使辅助燃烧能在没有热交换器76的不良热传输损耗下进行。常规辅助燃烧炉178被置于正在排出热交换器76的已加热压缩空气流中。由于来自辅助燃烧的附加热量不需通过热交换器76，故使该系统的这部分效率可比图10的实施例的系统这部分效率改善大约0.5至1%。在效率上的这一改善是以增加了空气流中的煅烧产物作为代价而获得的。因此为避免损坏相应的空气透平，必须对辅助燃烧炉178的输出进行处理而要加上通常用于处理热燃烧气体的步骤。如果利用组合循环系统输出的过程需要干净的热的未污染的空气，则本发明的这一实施例系统是不合适的。
虽然本发明已在用于燃气轮机的闭锁循环的情况下作了描述，但应该认识到本发明书里所描述的空气循环热动力转换系统的性能和优点可应用的范围超出从燃气轮机废气中获取热能的功能。这种空气循环系统对被包含在某种可冷却介质中的热能在任何排离过程进行热能回收方面可能是有价值的。例如，无数化学过程放出大量含有显著热量的热气体，而所含热量就可应用本发明的空气循环系统加以回收。
再参见图9，如虚线180所示，可让空气透平172的输出通过一个中间冷却器182后再使其回到空气压缩机的输入，从而构成一个闭合系统。在可能由于吸入周围空气而招致设备损坏的某些环境条件下，闭合系统或许特别有用。例如，含有研磨剂粒子或腐蚀性化学成分的空气环境可能侵蚀处于该空气下的旋转的和/或固定的元部件。同样，湿度大的空气环境可能由冷凝水含量大小而引起故障。
闭合循环通过让空气在系统中作连续不断的循环而避免了肮脏、污染或潮湿空气状态等问题。此外，可通过该闭合系统的增压作用而获得输出功率的增大。就是说，用限制空气透平172的入口压力至环境压力来替代传统技术(未示出)可能采用的在此入口增压以及贯穿该闭合系统的相应的压力增高。由此引起的整个闭合系统的空气密度的增大，可增大作为某种给定装置容量的其内介质可完成的工作量。
对本发明的最佳实施例已参照附图作了描述，当然，本发明并不限于那些具体的实施例，一个本领域的专业人员可能在不脱离如所附权利要求
中所限定的本发明的范围或精神的情况下对其作出各种变动和改型。
权利要求
1.用于吸取加热气体流的热量的热力转换系统，特征在于包括-用于压缩周围空气的第一和第二至少两个空气压缩机；-在所述第一和第二至少两个空气压缩机之间的一个中间冷却器；-所述中间冷却器包括降温装置，以便在所述第一压缩空气进入所述第二空气压缩机之前，将来自所述第一空气压缩机的第一压缩空气的温度降至室温左右；-热交换器，它包括传热装置--用于把来自所述加热气体流的热量传递给来自所述第二空气压缩机的第二压缩空气，以产生加热的压缩空气；-至少一个响应所述加热压缩空气的空气透平，以至少驱动所述第一和第二空气压缩机之一台，所述加热压缩空气包括超出由所述至少一台空气透平去驱动所述第一和第二空气压缩机之一台所需的过剩能量；和-传递装置，用于将所述过剩能量传到一个使用过程。
2.根据权利要求
1的热力转换系统，特征在于其中所述热力转换系统包括用于将通过所述热交换器的温度梯度降至最少的装置，由此获得最大传输效率。
3.根据权利要求
2的热力转换系统，特征在于其中所述用于将温度梯度降至最小的装置包括控制装置-把通过所述热交换器的所述第二压缩空气和所述加热气体流控制到大致具有相等热容量的值。
4.根据权利要求
1的热力转换系统，特征在于其中所述降温装置包括一台鼓风机和一个鼓风机动源。
5.根据权利要求
4的热力转换系统，特征在于其中所述鼓风机动力源包括一台电动力机。
6.根据权利要求
4的热力转换系统，特征在于其中所述鼓风机动力源包括来自所述至少一台空气透平的机械联动装置。
7.根据权利要求
4的热力转换系统，特征在于所述降温装置包括一股来自所述第一级压缩机的空气流。
8.根据权利要求
1的热力转换系统，特征在于其中所述用于传递过剩能量的装置，包括所述至少一个空气透平的一根输出轴。
9.根据权利要求
8的热力转换系统，特征在于其中所述用于传递所述过剩能量的装置还包括用于将所述加热压缩空气的剩余部分传递到所述使用过程的装置。
10.根据权利要求
1的热力转换系统，特征在于其中所述用于传递所述过剩能量的装置包括用于将至少一部分所述加热压缩空气传递到所述使用过程的装置。
11.根据权利要求
1的热力转换系统，特征在于还包括-一对温度控制阀对;-所述温度控制阀对包括一个控制阀和一个旁通阀;-所述控制阀包括控制装置，该装置为产生一部分加热压缩空气而控制通过所述热交换器的所述第二压缩空气量;-所述旁通阀包括这样的控制装置，即控制旁通所述热交换器并直接通到所述至少一个空气透平的所述第二压缩空气量;和-用于自动地配置所述控制阀和所述旁通阀的装置，以使所述温度-控制阀对的单一控制能有效地对所述控制阀和所述旁通阀同时进行反向控制。
12.根据权利要求
11的热力转换系统，特征在于其中所述用于自动配置的装置包括一个在所述控制阀和所述旁通阀之间的机械的互连机构。
13.根据权利要求
11的热力转换系统，特征在于还包括-一对负载控制阀对;-所述负载-控制阀对包括一个负载控制阀和一个泄放阀;-所述负载控制阀包括用于控制通到所述空气透平的所述加热压缩空气部分的量的装置;-所述泄放阀包括用于控制泄放所述加热压缩空气部分余量的装置;和-第二自动配置装置，用于自动配置所述负载控制阀和所述泄放阀，以使负载控制阀对的单一控制就能有效地对负载控制阀和泄放阀沿相反的方向同时地进行控制。
14.根据权利要求
1的热力转换系统，特征在于还包括-一个对负载控制阀对;-所述负载控制阀对包括一个负载控制阀和一个泄放阀;-所述负载控制阀包括用于控制通到所述至少一个空气透平的所述加热压缩空气量的装置;-所述泄放阀包括用于控制泄放所述加热压缩空气余量的装置;和-自动配置装置，用于自动配置所述负载控制阀和所述泄放阀，从而使所述负载控制阀对的单一控制就能有效地对所述负载控制阀和所述泄放阀沿相反方向同时地进行控制。
15.根据权利要求
1的热力转换系统，特征在于还包括一个辅助燃烧炉-有效地将附加热量添加到所述加热压缩空气。
16.根据权利要求
15的热力转换系统，特征在于其中所述辅助燃烧炉被配置成将热量加到所述热交换器上游的所述加热气体中。
17.根据权利要求
15的热力转换系统，特征在于其中所述辅助燃烧炉被配置成将热量加到所述热交换器下游的所述加热压缩空气中。
18.根据权利要求
1的热力转换系统，特征在于还包括用于将所述至少一个空气透平所排出的空气连到所述至少第一和第二空气压缩机的入口的连接装置从而构成一个闭合系统。
19.根据权利要求
18的热力转换系统，特征在于其中所述连接装置包括一个中间冷却器-用于在将所述空气加到所述入口之前，冷却所述至少一个空气透平所排出的空气。
20.一个带有空气闭锁循环的组合循环系统，特征在于包括-一个燃气轮机;-所述燃气轮机包括用于产生一股热气流的装置;-一个热交换器;-第一、第二和第三空气压缩机;-用于串联所述第一、第二和第三空气压缩机以便压缩空气的连接装置;-一个第一中间冷却器，该冷却器在置于所述第一和第二空气压缩机之间的所述连接装置内;-一个第二中间冷却器，该冷却器在置于所述第二和第三空气压缩机之间的所述连接装置内;-与所述第一和第二中间冷却器相关的降温装置，用于将通过那里的所述空气温度降至室温左右;-所述热交换器包括传热装置，用于将所述加热气体的热量传递给来自所述第三空气压缩机的压缩空气，以产生加热压缩空气;-至少一台空气透平响应所述加热压缩空气，以驱动所述第一、第二和第三空气压缩机;-所述加热压缩空气包括超出由所述至少一个空气透平去驱动所述第一、第二和第三空气压缩机所需的过剩能量;和-用于将所述过剩能量传递至一个使用过程的装置。
21.根据权利要求
20的带有空气闭锁循环的组合循环系统，特征在于其中所述至少一个空气透平包括第一和第二空气透平，所述第一空气透平包括第一输出轴和所述第二空气透平具有第二输出轴，所述第一和第二输出轴是彼此独立可转的。
22.根据权利要求
20的组合循环系统，特征在于还包括-用于把排出所述至少一个空气透平的空气连接到所述第一空气压缩机入口的连接装置，从而构成一个闭合系统。
23.根据权利要求
22的组合循环系统，特征在于其中所述连接装置包括一个中间冷却器-用于在将所述空气加至所述入口之前，冷却所述至少一个空气透平排出的所述空气。
专利摘要
空气循环热力转换系统，利用每对相邻压缩机间的中间冷却器，在多级压缩过程中压缩某种气体。在各接续的压缩操作前，中间冷却器使压缩气体温度回到室温。热交换器中，压缩气体被与其对流过的加热废气加热以增加其热能。通过确立具有大致相等热容量的两股气流而保持加热中压缩气体和冷却中废气之间的最小温度梯度。加热压缩气体在透平中膨胀，以产生至少足以驱动多级压缩系统的力矩。在最佳实施例中，压缩机、中间冷却器和透平中的工作气体是空气。
文档编号F02C1/04GK86104890SQ86104890
公开日1988年2月10日 申请日期1986年7月31日
发明者威廉·米勒·法雷尔 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan