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CN107949687A - 新型多回路燃气涡轮机及其操作方法 - Google Patents

新型多回路燃气涡轮机及其操作方法 Download PDF

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CN107949687A
CN107949687A CN201680035433.8A CN201680035433A CN107949687A CN 107949687 A CN107949687 A CN 107949687A CN 201680035433 A CN201680035433 A CN 201680035433A CN 107949687 A CN107949687 A CN 107949687A
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gas
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什里克里什纳·卡希纳特·萨尼
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Nostrum Energy Pte Ltd
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Abstract

本公开涉及一种新型燃气涡轮机，该新型燃气涡轮机具有多种应用，例如以环保方式应用于火力发电。在各种实施例中，本公开提供了一种接近埃里克森/卡诺循环的具有提高的效率的多回路燃气涡轮机以及操作该多回路燃气涡轮机的方法。

Description

新型多回路燃气涡轮机及其操作方法
技术领域
燃气涡轮机技术的发展在过去的五十年中一直受到诸如高性能压缩机、涡轮叶片冷却和材料、贫燃燃烧器、数字控制和组合循环(Combined Cycle)等先进技术的推动。未来五十年的技术发展可能需要一组不同的驱动因素来应对不断变化的全球需求，诸如最小比CO2排放、利用可再生热能(如太阳能)高效工作的能力、分布式发电/消费模式的自适应设计、减少或消除用水以及全球新兴市场的承受能力的可接受性。
现有技术中没有解决所有这些需求的燃气涡轮机循环概念。本文公开的新型燃气涡轮机循环概念的各种实施例可以解决大部分(如果不是全部的话)上述需求。本文描述的新型循环的各种实施例能够以对于所有实际可行的压力比和燃烧器出口温度范围而言最接近卡诺极限的热效率进行操作。本文所述的新型循环的实施例为下一代的燃气涡轮机技术提供了更大的循环优化可能性。
背景技术
图1示出了在各个图中使用的部件图标。有多种参数用于定义循环，环境条件(P0，T0)，空气质量流量w和特性(R，Cp，γ)。这些变量的定义见本文附录A。此外，还需要定义两个以上的参数θ和π。θ为循环温度比(Tmax/Tmin)，以及π是循环压力比(Pmax/Pmin)。循环压力比π为总压缩压力比，并因此等熵压缩温度比τ等于πγ-1/γ，其中γ为比热比Cp/Cv。对于解析推导，'τ'为比'π'更方便的变量，即使对于“等温”过程，当τT＝const.＝1时，由于[R Ln(π)＝CpLn(τ)]。
简单的开式循环燃气涡轮机在布雷顿(BRO)循环上操作，并且包括串联的三个部件。如图2所示，这三个部件为压缩机201、燃烧器203和涡轮机205。在图1中还描绘了燃料207。
如图3所示，闭合埃里克森循环(ERC)包括具有外部冷却的等温压缩301、具有外部加热的等温膨胀303和完全蓄热器305。
再生开式循环燃气涡轮机(RGO)包括串联的四个部件。如图4所示，这四个部件为压缩机401、蓄热器403、燃烧器405和涡轮机407。在图4中还描绘了燃料409。当τ<√θ时，再生开式循环燃气涡轮机的运行理论是有效的。
然而，在简单的开式循环燃气涡轮机中，废气通过废气管排到空气中，废气总体上被浪费了。因此，在布雷顿循环中不能同时实现高比功率和高热效率。也存在实际的限制。循环压力比(π)受气动机械限制，并且最高气体温度或循环温度比(θ)受到可用的昂贵高温材料和冷却技术的限制。简单的开式循环燃气涡轮机在环境压力边界之间操作并且总是产生大量的废气热损失。组合循环通过耦合底部朗肯循环(bottoming Rankine cycle)来解决这个问题，但增加了复杂性并且需要水作为用于所述底部朗肯循环的附加工作介质，其中排出蒸汽中的全部潜热必须通过使用例如大型冷凝器、大型冷却水体(如湖泊和河流)和大型冷却塔与大气阻隔。
在组合循环技术中，燃气涡轮机的废气中的热量被馈送到热回收蒸汽发生器中以生成蒸汽。这种蒸汽继而被用来驱动蒸汽涡轮机。这整体提高了火力发电厂的效率，并且还降低了在环境中的有害排放。如上所述，组合循环增加了复杂性。
附录B为上述三个循环提供了关于相对特定循环功率(无量纲形式或称为wCpTo)和循环热效率η的分析基础。附录B还论述了CO2排放的灵敏度。
例如，从附录B可以看出，埃里克森循环提供了等于卡诺极限的高比功率和高效率。三个支配过程中的两个(等温压缩和完全再生)可以并且需要结转。然而，等温膨胀不能被认为是这样，并且必须用具有再加热的分级膨胀来代替。
此外，为了使再生保留为所有压力比(τ≥√θ)的有效选项，它必须与等温或准等温压缩相联结。
此外，分级膨胀应该与分级压缩、再生和废气再压缩联网以用于闭式循环构造。
因此，埃里克森循环为将卡诺原理引入非凝结气体介质的实际领域的一大进步的基准模型；人们只能以接近它的热效率和比功率为目标。
而且，需要注意以下几点：(a)特定的CO2排放量将减少到热效率提高的程度。煤基工厂通常需要运行在67％以上的热效率以与基于天然气的工厂在环境上竞争；(b)重要的是，在特定情况下，回收生成的水同时燃烧天然气；(c)以可再生热能(如集中式太阳能热能)运行的小型工厂将以适中/低的最高温度和经济实惠的压力比运行；(d)在水资源匮乏或根本不可用的情况下，需要废除底部朗肯循环。
下面描述的各种公开的实施例解决了上文提出的问题并提供了解决方案。
发明内容
本文公开了一种新型的多回路燃气涡轮机，其能够在所有实际可行的压力比范围和燃烧器出口温度下以最接近埃里克森/卡诺极限的热效率运行。
在一个实施例中，提供了一种动力产生系统，包括：第一压缩机和第二压缩机；第一蓄热器和第二蓄热器；第一燃烧单元和第二燃烧单元；以及第一涡轮机和第二涡轮机；第一压缩机与第一蓄热器操作性地连通以向第一蓄热器提供来自第一压缩机的压缩气体；第一蓄热器与第一燃烧单元操作性地连通以向第一燃烧单元提供来自第一蓄热器的加热气体；第一燃烧单元与第一涡轮机操作性地连通以向第一涡轮机提供来自第一燃烧单元的废气；第二压缩机与第二蓄热器操作性地连通以向第二蓄热器提供来自第二压缩机的压缩气体；第二蓄热器与第二燃烧单元操作性地连通以向第二燃烧单元提供来自第二蓄热器的加热气体；第二燃烧单元与第二涡轮机操作性地连通以向第二涡轮机提供来自第二燃烧单元的废气；第一涡轮机与第二燃烧单元操作性地连通以向第二燃烧单元提供来自第一涡轮机的膨胀气体；并且第二涡轮机与第一蓄热器和第二蓄热器操作性地连通以向第一蓄热器和第二蓄热器提供来自第二涡轮机的膨胀气体。
在另一个实施例中，提供了一种动力产生系统，包括：第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机；第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器；第一燃烧单元、第二燃烧单元和第三燃烧单元；以及第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机；第一压缩机与第一蓄热器操作性地连通以向第一蓄热器提供来自第一压缩机的压缩气体；第一蓄热器与第一燃烧单元操作性地连通以向第一燃烧单元提供来自第一蓄热器的加热气体；第一燃烧单元与第一涡轮机操作性地连通以向第一涡轮机提供来自第一燃烧单元的废气；第二压缩机与第二蓄热器操作性地连通以向第二蓄热器提供来自第二压缩机的压缩气体；第二蓄热器与第二燃烧单元操作性地连通以向第二燃烧单元提供来自第二蓄热器的加热气体；第二燃烧单元与第二涡轮机操作性地连通以向第二涡轮机提供来自第二燃烧单元的废气；第三压缩机与第三蓄热器操作性地连通以向第三蓄热器提供来自第三压缩机的压缩气体；第三蓄热器与第三燃烧单元操作性地连通以向第三燃烧单元提供来自第三蓄热器的加热气体；第三燃烧单元与第三涡轮机操作性地连通以向第三涡轮机提供来自第三燃烧单元的废气；第一涡轮机与第二燃烧单元操作性地连通以向第二燃烧单元提供来自第一涡轮机的膨胀气体；第二涡轮机与第三燃烧单元操作性地连通以向第三燃烧单元提供来自第二涡轮机的膨胀气体；并且第三涡轮机与第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器操作性地连通以向第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器提供来自第三涡轮机的膨胀气体。
在另一个实施例中，提供了一种动力产生系统，包括：多个功能单元，多个功能单元的数量等于n，并且n为大于1的整数；多个功能单元中的每者包括：压缩机、蓄热器、燃烧单元和涡轮机；所述压缩机与所述蓄热器操作性地连通以向所述蓄热器提供来自所述压缩机的压缩气体；所述蓄热器与所述燃烧单元操作性地连通以向所述燃烧单元提供来自所述蓄热器的加热气体；所述燃烧单元与所述涡轮机操作性地连通以向所述涡轮机提供来自所述燃烧单元的废气；其中，对于除所述第n功能单元之外的每个功能单元，涡轮机与后继功能单元的燃烧单元操作性地连通以向所述后继功能单元的燃烧单元提供来自涡轮机的膨胀气体；并且其中，对于第n个功能单元，涡轮机与每个在前功能单元的蓄热器操作性地连通以向每个在前功能单元的蓄热器提供来自涡轮机的膨胀气体。
在另一个实施例中，提供了一种动力产生方法，包括：将来自第一压缩机的压缩气体引导至第一蓄热器；将来自第一蓄热器的加热气体引导至第一燃烧单元；将来自第一燃烧单元的废气引导至第一涡轮机；将来自第二压缩机的压缩气体引导至第二蓄热器；将来自第二蓄热器的加热气体引导至第二燃烧单元；将来自第二燃烧单元的废气引导至第二涡轮机；将来自第一涡轮机的膨胀气体引导至第二燃烧单元；以及将来自第二涡轮机的膨胀气体引导至第一蓄热器和第二蓄热器。
在另一个实施例中，提供了一种动力产生方法，包括：将来自第一压缩机的压缩气体引导至第一蓄热器；将来自第一蓄热器的加热气体引导至第一燃烧单元；将来自第一燃烧单元的废气引导至第一涡轮机；将来自第二压缩机的压缩气体引导至第二蓄热器；将来自第二蓄热器的加热气体引导至第二燃烧单元；将来自第二燃烧单元的废气引导至第二涡轮机；将来自第三压缩机的压缩气体引导至第三蓄热器；将来自第三蓄热器的加热气体引导至第三燃烧单元；将来自第三燃烧单元的废气引导至第三涡轮机；将来自第一涡轮机的膨胀气体引导至第二燃烧单元；将来自第二涡轮机的膨胀气体引导至第三燃烧单元；并将来自第三涡轮机的膨胀气体引导至第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器。
在另一个实施例中，提供了一种动力产生方法，包括：提供多个功能单元，其中，所述多个功能单元中的每个功能单元包括压缩机、蓄热器、燃烧单元和涡轮机，其中，所述多个功能单元的数量等于n，并且其中，n为大于1的整数；对于每个功能单元，将来自压缩机的压缩气体引导至蓄热器；对于每个功能单元，将来自蓄热器的加热气体引导至燃烧单元；对于每个功能单元，将来自燃烧单元的废气引导至涡轮机；对于除了第n个功能单元之外的每个功能单元，将来自涡轮机的膨胀气体引导至后继功能单元的燃烧单元，以将来自涡轮机的膨胀气体引导至后继功能单元的燃烧单元，以将来自涡轮机的膨胀气体提供给后继功能单元的燃烧单元；并且对于第n功能单元，将来自涡轮机的膨胀气体引导至每个在前功能单元的蓄热器，以向每个在前功能单元的蓄热器提供来自所述涡轮机的膨胀气体。
附图说明
关于以下描述、所附权利要求和附图(一些附图可以不按比例绘制，并且一些附图可以以所示比例绘制；此外，在提供比例和/或尺寸的情况下，它们仅作为示例提供)，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中：
图1示出了附图中使用的各种部件图标。
图2示出了布雷顿开式循环(现有技术)。
图3示出了埃里克森闭式循环(现有技术)。
图4示出了再生开式循环(现有技术)。
图5图示了根据本公开的实施例的新型开式循环方案。
图6图示了根据本公开的实施例的新型开式循环方案。
图7图示了根据本公开的实施例的新型开式循环方案。
图8示出了根据本公开的实施例的新型闭式循环方案。
图9示出了根据本公开的实施例的新型闭式循环方案。
图10示出了根据本公开的实施例的新型闭式循环方案。
图11示出了根据本公开的实施例的煤的新型循环性能的曲线图。
图12示出了根据本公开实施例的太阳能热能的新型循环性能的曲线图。
附录列表
附录A标识了本文所用的各种术语。
附录B为本文所述的各种循环提供了分析基础。附录B还论述了CO2排放的灵敏度。
附录C提供了根据本公开的实施例的各种新型循环性能的论述。附录C还论述了根据本公开的各种实施例的有限模拟的结果和部件通用性的原则。
附录D提供了本文使用的方程的详细推导。
附录E标识了本文提到的各种参考文献。
附录F论述了一些额外的历史观点。
具体实施方式
本文描述了本公开的详细实施例；然而，应当理解，所公开的实施例仅仅为可以以各种形式实施的本公开的组成、结构和方法的说明。此外，结合各种实施例给出的每个示例旨在是说明性的而不是限制性的。附图不一定按比例绘制，某些特征可能被夸大以示出特定部件的细节。因此，本文公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制性的，而仅仅是作为用于教导本领域技术人员以各种方式使用本文公开的组成、结构和方法的代表性基础。说明书中对“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等的引用指示所述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例可能不一定包括该特定的特征、结构或特征。而且，此类短语不一定是指相同的实施例。
为了描述和要求保护本发明，术语“蓄热器(regenerator)”是指一种类型的热交换器(例如并流式热交换器、逆流式热交换器或错流式热交换器)。在一个具体示例中，蓄热器可以为空气对气体热交换器(其中，例如，离开压缩机的空气被离开涡轮机的气体加热，使得空气和气体的混合最小)。
为了描述和要求保护本发明，术语“内部燃烧单元”旨在指相对于气体流动路径(例如，燃气涡轮机发动机系统的气体流动路径包括：入口-压缩机-燃烧单元-涡轮机-废气口，全部以开式循环构造串联连接)在内部的燃烧单元(如燃烧器)。
为了描述和要求保护本发明，术语“外部燃烧单元”旨在指相对于气体流动路径(例如，燃气涡轮机发动机系统的气体流动路径包括：入口-压缩机-燃烧单元-涡轮机-废气口，全部以开式循环构造串联连接)在外部的燃烧单元(如燃烧器)。
为了描述和要求保护本发明，术语“燃烧器”旨在指代以下中的任一者：(a)如与所有开式循环构造相关联的“内部燃烧室”；或(b)如用作“外部加热器”并与如所有闭式循环构造相关联的“外部燃烧室”。
下面描述的实施例有时被称为新型闭合(NCn)和新型开式(NOn)循环方案，其中，n为压缩/扩展级的数量，n＝1，2，3，...在一个具体的示例中，n等于2。在另一个具体的示例中，n等于3。在另一个具体的示例中，n等于4。
本文描述的实施例通常适用于燃气涡轮机发动机，如飞机、固定式设备、机车、船舶。可以使用本领域已知的任何燃气涡轮机软件建模工具。
现在参考图5-图10，示出了具有等温压缩、再生和再加热的n＝1、2和3的压缩/膨胀级的各种新型开式和新型闭式循环方案。这些方案与传统的再加热方案有所不同，传统的再加热方案将串联工作并将受到开式循环中耗尽空燃比的限制。此外，通过在回路中增加压缩机，可以存在大大增加比功率的可能性。在一个示例中，冷却废气再压缩用于闭式循环，尽管对于开式循环是有效的。
仅为了简单起见，各种新型循环概念在完美的过程和不变的特性的理想条件下进行说明。性能表达式的完整推导在附录C中提供。
如图5所示，基线新型开式循环(n＝1)利用压缩机501、蓄热器503、燃烧器505和涡轮机507。在图5中还描绘了燃料509。基线新型开式循环(n＝1)类似于图4的开式再生循环(RGO)，除了关于压缩之外，其理想地等温而不是绝热。增加的另一个特征为在内部压缩冷却时尽可能地使用水(例如，在高温环境下并高达饱和的情况下)以及从蓄热器废气中回收水。在这个过程中，1千克的甲烷生成2.25千克的水。
现在参考图6，所示的两级新型开式循环(n＝2)利用压缩机601A和601B、蓄热器603A和603B、燃烧器605A和605B以及涡轮机607A和607B。在图6中还描绘了燃料609。另外，对于图6的两级新型开式循环(n＝2)，每个膨胀级的压力比为π1/2。两个压缩级分别具有π和π1/2的压力比。第一涡轮机607A的废气在路径上被规划至第二级的燃烧器605B，在这里所述废气与来自第二压缩机601B的被所述蓄热器603B再生加热之后的新鲜空气混合。来自第二涡轮机607B的废气被分成两个相等的部分，并在路径上被规划至两个蓄热器603A、603B并进一步堆积。压缩机601A、601B通过喷水在内部冷却。水从两个蓄热器废气流中回收。第二燃烧器605B中的空燃比需要在稳定和完全燃烧的限制之内。另外，每个压缩机可以为单级或多级的(在图6所示的示例中，压缩机601A为至少两级，而压缩机601B为至少单级)。
现在参考图7，图示的三级新型开式循环(n＝3)利用压缩机701A、701B和701C，蓄热器703A、703B和703C，燃烧器705A、705B和705C以及涡轮机707A、707B和707C。在图7中还描绘了燃料709。另外，对于图7的三级新型开式循环(n＝3)，每个膨胀级的压力比为π1/3。三个压缩级的压力比分别为π、π2/3和π1/3。第一涡轮机707A的废气在路径上被规划至第二级的燃烧器705B，在这里所述废气与来自第二压缩机701B的被所述蓄热器703B再生加热之后的新鲜空气混合。第二涡轮机707B的废气在路径上被规划至第三级的燃烧器705C，在这里所述废气与来自第三压缩机701C的被所述蓄热器703C再生加热之后的新鲜空气混合。来自第三涡轮机707C的废气被分成三个相等的部分，并在路径上被规划至三个蓄热器703A、703B、703D并进一步堆积。其余的操作与上述类似，并因此不再重复。第二燃烧器705B和第三燃烧器705C中的空燃比需要在稳定和完全燃烧的限制之内。另外，每个压缩机可以为单级或多级的(在图7所示的示例中，压缩机701A为至少三级，压缩机701B为至少两级，而压缩机701B为单级)。
如图8所示，基线新型闭式循环(n＝1)利用压缩机801、蓄热器803、燃烧器805和涡轮机807。除了膨胀之外，基线新型闭式循环(n＝1)类似于图3的埃里克森循环(ERC)，所述膨胀为绝热而不是理想的等温。图3的内燃式燃烧器由外部燃烧加热器或可再生热源，如集中式太阳热能(CST))或沼气燃烧器或地热，而替代。在该实施例中，来自涡轮机的废气包括热空气，并在通过蓄热器之后被再压缩。在燃料含有大量甲烷的情况下，如果可行且希望的话，水可以通过冷却外燃式燃烧器的废气而进行回收。在另一个实施例中，闭式循环可以使用空气或任何其它气体，例如CO2来进行其操作。
现在参考图9，所示的两级新型闭式循环(n＝2)利用压缩机901A和901B、蓄热器903A和903B、燃烧器905A和905B以及涡轮机907A和907B。此外，每个压缩机可以为单级或多级的(在图9所示的示例中，压缩机901A为至少两级，而压缩机901B为至少单级)。此外，图9的两级新型闭式循环(n＝2)类似于图6的开式循环方案，除了类似的分离和再生冷却之后的涡轮机废气到达各自的压缩机以进行再压缩的事实之外。
现在参考图10，所示的三级新型闭式循环(N＝3)利用压缩机1001A、1001B和1001C，蓄热器1003A、1003B和1003C，燃烧器1005A、1005B和1005C，以及涡轮机1007A、1007B和1007C。此外，每个压缩机可以为单级或多级的(在图10所示的示例中，压缩机1001A为至少三级，压缩机1001B为至少两级，而压缩机1001C为单级)。此外，图10的三级新型闭式循环(n＝3)类似于图7的开式循环方案，除了类似的分离和再生冷却之后的涡轮机废气到达各自的压缩机以进行再压缩的事实之外。
很明显，新型循环的“闭合”和“开式”方案的热力学是完全相同的。如前所述，循环以相同的压缩压力比π和相同的循环温度比θ运行。
为了公平比较，新型循环的性能必须与具有相似复杂度、循环压力比π和循环温度比θ的n个埃里克森循环的总和进行比较。随着n的增加，新型循环有望接近埃里克森循环，但是在比功率和热效率方面具有快速递减改善。因此，在一个示例中，n＝2或3被认为对于实际的具体实施是合理和充分的。附录C提供了根据本公开的实施例的各种新型循环性能的论述。
在各种实施例中，提供机制来应对不断变化的全球需求，如最小比CO2排放、利用可再生热能(如太阳能)高效工作的能力、分布式发电/消费模式的自适应设计、减少或消除用水以及全球新兴市场的承受能力的可接受性。
在各种实施例中，压缩机可由冷却剂(如水或空气)在外部冷却。在一个这样的实施例中，冷却可以通过穿过压缩机外壁(所谓的级间冷却器或中间冷却器)的热交换而执行。在其它实施例中，压缩机可以通过液体蒸发(如水或水-甲醇混合物)在内部冷却。在其它实施例中，冷却可以为外部冷却和/或内部蒸发冷却。在另一个实施例中，冷却剂可以为蒸发或潜热消耗大量能量的冷却剂。
在其它实施例中，可再生能源可以包括：(a)太阳热能(例如，集中式太阳能热能)；(b)地热；(c)来自动植物的各种形式的生物物质；以及(d)海洋温差。
在另一个实施例中，集中式太阳能热能可以与内部/外部加热整合，前者避免了热交换器的需要。
如本文所述，本质上是通过利用以下方式来桥接布雷顿循环与埃里克森循环之间的间隙的机制：(a)准等温内部冷却压缩；(b)具有平行再加热回路的分级膨胀；(c)在燃烧器/加热器处的后继膨胀质量流量复合；以及(d)废气分流、再循环、再生(再压缩-闭式循环)。在一个实施例中，提供了在串并联回路中的3个再生的准等温压缩开式循环的联网。在另一个实施例中，提供了在串并联回路中的3个再生的准等温压缩闭式循环的联网。
现在将参考根据本公开的各种实施例的新型循环的一些示例应用。
这些应用中的第一个应用为使用煤作为燃气涡轮机燃料。在这方面，新型闭合式/开式循环方案可以应用于各种未来的需要，例如通过运行便宜和当地可获得的燃料如煤，将现有的燃气发电厂以环境可接受的和商业竞争的方式转换。
参考(附录B)的图B-3，可以看到，对于此类转换，我们必须将热效率提高1.667倍，主要是通过使用现有工厂的相同的涡轮机械硬件。现有的燃气发电厂的压缩机叶片可用于构建两级或三级压缩机布局。可以使用原始涡轮机的多个单元。当相对热效率为原始基线燃气涡轮机的1.667倍时，对于循环温度比θ的不同值，比功率和压力比的相对值如图11所示。这是因为，与作为天然气的主要成分的甲烷相比，对于燃烧的每单位热量，煤燃烧产生1.667倍的更多二氧化碳。
应当注意，对于n＝2和3，相对的比功率为双倍或三倍，这将增加复杂性。
另一个应用为在用于太阳能的燃气涡轮机的情况下。就这一点而言，新型开式和闭式循环方案可以用于例如集中式太阳能热电应用中。目前，许多太阳能或太阳能燃料混合设计正在围绕现有燃气涡轮机硬件或其它方面进行探索[2，4，5]。对于开式循环方案[4]，典型的循环温度比为约3至4.5，而压力比适中为约9至15。对于基于超临界CO2的闭式循环[5]，典型的循环温度比为约3，而压力比较低到约3至6。在一个示例中，新型开式和闭式循环方案可以应用于此类应用。图12呈现了适中循环温度比θ＝3以及循环压力比为π＝3至15的这些新型循环的模拟性能。在此，对于相同的π和θ，参考基线布雷顿循环的新型循环的比功率和热效率分别由“RW”和“REta”表示。呈现出对于n＝2和3的数据。
从图12可以看出，新型开式和闭式循环方案为所有压力比提供了高的比功率，即使增加了复杂性。对于n＝2和3，这些循环的热效率在低压力比(3至6)时非常优异(150-240％)，而在高压力比15时，这些循环的热效率高出约11-15％。因此，新型循环非常适合基于超临界CO2的闭式循环。在该示例中，压缩机只能在外部冷却。
如上所述，仅为了简单起见，各种新型循环概念在完美的过程和不变的特性的理想条件下进行说明。就这一点而言，据认为，由于具有恒定特性和质量流量的理想循环分析正确地捕获了比功率和热效率的性能趋势，所以这些趋势在实际循环条件下应是一致的。基于本文陈述的分析和有限的模拟结果，可以得出以下四个主要结论：
(1)根据分析，新型开式和闭式循环方案满足了在没有底部朗肯循环的情况下，同时实现高比功率和高热效率的基本目标。
(2)新型循环概念为选择循环压力比π和循环温度比θ的设计值提供了必要的灵活性，同时针对特定要求，如优选的能源(例如，煤、天然气或者集中式太阳能热能)、节水(如干旱地区)和/或水生成，对循环进行优化。
(3)新型循环适用于例如具有低压/低温比的中小型工厂，以作为分布式发电/消费模式下的首选。
(4)已经建立了降低总体购置成本和提高承受能力的部件通用性的原则，并且可以考虑将来的工厂配置。
在一个实施例中，多回路燃气涡轮机具有的每个回路包括至少一个压缩机以吸入用于燃烧目的的空气或其它气体、用于冷却压缩空气或其它气体的冷却剂，用于容纳压缩空气或其它气体以及来自具有导热壁的单独通道中的最终回路的涡轮机的热膨胀空气或其它气体的蓄热器，用于燃烧压缩空气或其它气体和燃料的燃烧单元，以及至少一个涡轮机，其中，在前回路的涡轮机的废气流在路径上被规划至下一回路的燃烧单元，从而允许第一回路的废气流与下一回路的热压缩空气或其它气体混合，其中，来自最终回路的涡轮机的热膨胀废气被反馈回到每个回路的蓄热器以用于回收废热，从而提高效率，并且其中，冷却剂从每个回路的蓄热器中被回收。
在各种实施例中，多回路燃气涡轮机为开式循环或闭式循环涡轮机。在开式循环多回路燃气涡轮机的一个实施例中，燃烧单元是但不限于内燃式燃烧器。在闭式循环多回路燃气涡轮机的一个实施例中，燃烧单元为但不限于外部燃烧加热器或可再生热源，如太阳能或地热。压缩机可以被冷却剂内部冷却，如通过喷洒水。水可以从蓄热器废气流中回收。
在一个示例中，多回路燃气涡轮机为三回路燃气涡轮机，并且包括在第一回路的三级压缩机、在第二回路的两级压缩机以及第三回路的单个压缩机。
在另一个示例中，多回路燃气涡轮机为双回路燃气涡轮机，并且包括在第一回路的两级压缩机和在第二回路的单个压缩机。
本文还公开了一种通过以下操作来操作多回路燃气涡轮机的方法：(i)从在前回路的涡轮机产生废气，(ii)将在前回路的废气在路径上被规划到下一个回路的加热单元，从而允许第一回路的废气流与下一回路的热压缩空气或其它气体混合，(iii)将来自最终回路的涡轮机的热膨胀废气回送到每个回路的蓄热器中以回收热能，从而提高效率，并且(iv)根据需要从每个回路中回收水以再循环水以用于在净化后冷却。在天然气作为燃料的开式循环运行中，通常产生足够的水，其可以被捕获和使用，特别是在干旱地区。
在一个实施例中，所有的压缩机在相同的质量流量和入口条件下运行。在该实施例中，第一回路(三回路构造)中的压缩机可以为三级压缩机，每个压缩机级具有π1/3的压力比。本实施例的第二回路中的压缩机可以为两级压缩机，每个压缩机级具有π1/3的压力比。在该实施例的第三回路中，只存在一个压缩机级。该实施例的涡轮机以相同的压力比和相同的入口温度运行。本实施例的所有蓄热器具有相同的热侧流动条件。在冷侧，质量流量和温度是相同的；但是，压力分别为πPo、π2/3Po和π1/3Po而不同。该实施例的所有加热单元在相同的温度限制之间操作，但质量流通能力和压力水平不同。本实施例的第一回路中的加热单元以质量流量w在压力πPo下运行。本实施例的加热单元数量与涡轮机的数量相同。
在一个实施例中，本文描述的任何一个或多个压缩/膨胀级的涡轮机叶片(例如，转子叶片、定子叶片)可以是基本相同的(例如，在尺寸如大小、形状和重量方面以及材料方面)。
在一个实施例中，涡轮机叶片可以是相同的或不同的。
在一个实施例中，本文描述的任何一个或多个压缩/膨胀级的压缩机叶片(例如，转子叶片、定子叶片)可以是基本相同的(例如，在尺寸如大小、形状和重量方面以及材料方面)。
在一个实施例中，压缩机叶片可以是相同的或不同的。
在一个实施例中，本文所述的任何一个或多个压缩/膨胀级的蓄热器可以为基本相同的(例如，在尺寸如大小、形状和重量方面以及在材料方面)。
在一个实施例中，蓄热器可以为相同的或不同的。
在一个实施例中，本文所述的任何一个或多个压缩/膨胀级的燃烧单元(例如，燃烧器)可以为基本相同的(例如，在尺寸如大小、形状和重量方面以及在材料方面)。
在一个实施例中，燃烧单元可以为相同的或不同的。
新型闭式/开式循环大大提高了效率和比功率的性能。
本发明具有成本效益，特别是如果动力产生系统利用部件通用性的话。燃气涡轮机硬件的主要成本组成为轴流式压缩机和涡轮机的不同类型的转子叶片和定子叶片的数量，特别是对于内部冷却的涡轮机。使用相同或基本相似的部件，如类似的压缩机叶片、类似的涡轮机叶片、类似的蓄热器、类似的燃烧单元等，这将降低总成本，因为作为母机、模具、夹具和固定装置、机床和平衡钻机的一次性“NRE”成本是共享的。本文说明了主要部件的特征。
本发明的所述实施例旨在是说明性的而不是限制性的，并且不旨在表示本发明的每个实施例。可以进行各种修改和变化，而不脱离如所附权利要求书中阐述的本发明的精神和范围，这两者在字面上以及等同性方面在法律上是认可的。

Claims (26)

1.一种动力产生系统，包括：
第一压缩机和第二压缩机；
第一蓄热器和第二蓄热器；
第一燃烧单元和第二燃烧单元；以及
第一涡轮机和第二涡轮机；
所述第一压缩机与所述第一蓄热器操作性地连通以向所述第一蓄热器提供来自所述第一压缩机的压缩气体；
所述第一蓄热器与所述第一燃烧单元操作性地连通以向所述第一燃烧单元提供来自所述第一蓄热器的加热气体；
所述第一燃烧单元与所述第一涡轮机操作性地连通以向所述第一涡轮机提供来自所述第一燃烧单元的废气；
所述第二压缩机与所述第二蓄热器操作性地连通以向所述第二蓄热器提供来自所述第二压缩机的压缩气体；
所述第二蓄热器与所述第二燃烧单元操作性地连通以向所述第二燃烧单元提供来自所述第二蓄热器的加热气体；
所述第二燃烧单元与所述第二涡轮机操作性地连通以向所述第二涡轮机提供来自所述第二燃烧单元的废气；
所述第一涡轮机与第二燃烧单元操作性地连通以向所述第二燃烧单元提供来自所述第一涡轮机的膨胀气体；并且
所述第二涡轮机与所述第一蓄热器和所述第二蓄热器操作性地连通以向所述第一蓄热器和所述第二蓄热器提供来自所述第二涡轮机的膨胀气体。
2.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一燃烧单元和所述第二燃烧单元中的每者利用来自燃料源的燃料来执行燃烧。
3.根据权利要求2所述的动力产生系统，还包括容纳所述燃料源的燃料储存装置，所述燃料储存装置与所述第一燃烧单元和所述第二燃烧单元中的每者操作性地连通。
4.根据权利要求3所述的动力产生系统，其中，所述燃料源选自包括以下各项的组：(a)天然气；(b)甲烷；(c)煤油；(d)柴油燃料；(e)汽油；(f)煤；(g)可燃油；(h)可燃木材；(i)任何可燃材料；(j)液态烃；(k)气态烃；(l)氢气；(m)喷气燃料；以及(n)其任何组合。
5.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一压缩机和所述第二压缩机中的每者利用冷却剂。
6.根据权利要求5所述的动力产生系统，其中：
所述第一蓄热器被构造成从所述第一压缩机接收在所述第一压缩机中使用的至少一些冷却剂；并且
所述第二蓄热器被构造成从所述第二压缩机接收在所述第二压缩机中使用的至少一些冷却剂。
7.根据权利要求6所述的动力产生系统，还包括冷却剂收集容器，所述冷却剂收集容器与所述第一蓄热器和所述第二蓄热器中的每者操作性地连通，以从所述第一蓄热器和所述第二蓄热器中的每者接收回收的冷却剂。
8.根据权利要求6所述的动力产生系统，其中：
所述第一压缩机被构造成从所述第一蓄热器接收回收的冷却剂；并且
所述第二压缩机被构造成从所述第二蓄热器接收回收的冷却剂。
9.根据权利要求7所述的动力产生系统，其中，所述冷却剂选自包括以下各项的组：(a)水；(b)甲醇；(c)乙醇；和(d)其任何组合。
10.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：
所述第一蓄热器为热交换器；并且
所述第二蓄热器为热交换器。
11.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中，每个热交换器为逆流式热交换器。
12.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：
所述第一燃烧单元包括第一内燃式燃烧器；并且
所述第二燃烧单元包括第二内燃式燃烧器。
13.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：
所述第一燃烧单元包括第一外燃式燃烧器；并且
所述第二燃烧单元包括第二外燃式燃烧器。
14.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：
所述第一燃烧单元利用核能；并且
所述第二燃烧单元利用核能。
15.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中，所述第一燃烧单元和所述第二燃烧单元中的每者利用可再生能源。
16.根据权利要求15所述的动力产生系统，其中，所述可再生能源从包括以下各项的组中选择：(a)集中式太阳能热能；(b)地热；(c)生物物质燃料；(d)海洋温差；以及(e)其任何组合。
17.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：
所述第一压缩机为多级压缩机；
所述第二压缩机为多级压缩机；并且
所述第一压缩机比所述第二压缩机具有更多的级。
18.根据权利要求1所述的动力产生系统，还包括：
第一发电机，所述第一发电机与所述第一涡轮机操作性地连通，这样使得所述第一涡轮机的旋转引起所述第一发电机的旋转；并且
第二发电机，所述第二发电机与所述第二涡轮机操作性地连通，这样使得所述第二涡轮机的旋转引起所述第二发电机的旋转。
19.根据权利要求1所述的动力产生系统，其中：
来自所述第一压缩机的压缩气体为空气；并且
来自所述第二压缩机的压缩气体为空气。
20.一种动力产生系统，包括：
第一压缩机、第二压缩机和第三压缩机；
第一蓄热器、第二蓄热器和第三蓄热器；
第一燃烧单元、第二燃烧单元和第三燃烧单元；以及
第一涡轮机、第二涡轮机和第三涡轮机；
所述第一压缩机与所述第一蓄热器操作性地连通以向所述第一蓄热器提供来自所述第一压缩机的压缩气体；
所述第一蓄热器与所述第一燃烧单元操作性地连通以向所述第一燃烧单元提供来自所述第一蓄热器的加热气体；
所述第一燃烧单元与所述第一涡轮机操作性地连通以向所述第一涡轮机提供来自所述第一燃烧单元的废气；
所述第二压缩机与所述第二蓄热器操作性地连通以向所述第二蓄热器提供来自所述第二压缩机的压缩气体；
所述第二蓄热器与所述第二燃烧单元操作性地连通以向所述第二燃烧单元提供来自所述第二蓄热器的加热气体；
所述第二燃烧单元与所述第二涡轮机操作性地连通以向所述第二涡轮机提供来自所述第二燃烧单元的废气；
所述第三压缩机与所述第三蓄热器操作性地连通以向所述第三蓄热器提供来自所述第三压缩机的压缩气体；
所述第三蓄热器与所述第三燃烧单元操作性地连通以向所述第三燃烧单元提供来自所述第三蓄热器的加热气体；
所述第三燃烧单元与所述第三涡轮机操作性地连通以向所述第三涡轮机提供来自所述第三燃烧单元的废气；
所述第一涡轮机与所述第二燃烧单元操作性地连通以向所述第二燃烧单元提供来自所述第一涡轮机的膨胀气体；
所述第二涡轮机与所述第三燃烧单元操作性地连通以向所述第三燃烧单元提供来自所述第二涡轮机的膨胀气体；并且
所述第三涡轮机与所述第一蓄热器、所述第二蓄热器和所述第三蓄热器操作性地连通以向所述第一蓄热器、所述第二蓄热器和所述第三蓄热器提供来自所述第三涡轮机的膨胀气体。
21.一种动力产生系统，包括：
多个功能单元，所述多个功能单元的数量等于n，并且n为大于1的整数；
所述多个功能单元中的每者包括：
压缩机、蓄热器、燃烧单元和涡轮机；
所述压缩机与所述蓄热器操作性地连通以向所述蓄热器提供来自所述压缩机的压缩气体；
所述蓄热器与所述燃烧单元操作性地连通以向所述燃烧单元提供来自所述蓄热器的加热气体；
所述燃烧单元与所述涡轮机操作性地连通以向所述涡轮机提供来自所述燃烧单元的废气；
其中，对于除第n个功能单元之外的每个所述功能单元，所述涡轮机与后继功能单元的所述燃烧单元操作性地连通，以向所述后继功能单元的所述燃烧单元提供来自所述涡轮机的膨胀气体；并且
其中，对于所述第n个功能单元，所述涡轮机与每个在前功能单元的所述蓄热器操作性地连通，以向每个在前功能单元的所述蓄热器提供来自所述涡轮机的膨胀气体。
22.根据权利要求21所述的动力产生系统，其中，n为2、3或4。
23.一种动力产生方法，包括：
将来自第一压缩机的压缩气体引导至第一蓄热器；
将来自所述第一蓄热器的加热气体引导至第一燃烧单元；
将来自所述第一燃烧单元的废气引导至第一涡轮机；
将来自第二压缩机的压缩气体引导至第二蓄热器；
将来自所述第二蓄热器的加热气体引导至第二燃烧单元；
将来自所述第二燃烧单元的废气引导至第二涡轮机；
将来自所述第一涡轮机的膨胀气体引导至所述第二燃烧单元；并且
将来自所述第二涡轮机的膨胀气体引导至所述第一蓄热器和所述第二蓄热器。
24.一种动力产生方法，包括：
将来自第一压缩机的压缩气体引导至第一蓄热器；
将来自所述第一蓄热器的加热气体引导至第一燃烧单元；
将来自所述第一燃烧单元的废气引导至第一涡轮机；
将来自第二压缩机的压缩气体引导至第二蓄热器；
将来自所述第二蓄热器的加热气体引导至第二燃烧单元；
将来自所述第二燃烧单元的废气引导至第二涡轮机；
将来自第三压缩机的压缩气体引导至第三蓄热器；
将来自所述第三蓄热器的加热气体引导至第三燃烧单元；
将来自所述第三燃烧单元的废气引导至第三涡轮机；
将来自所述第一涡轮机的膨胀气体引导至所述第二燃烧单元；
将来自所述第二涡轮机的膨胀气体引导至所述第三燃烧单元；并且
将来自所述第三涡轮机的膨胀气体引导至所述第一蓄热器、所述第二蓄热器和所述第三蓄热器。
25.一种动力产生方法，包括：
提供多个功能单元，其中，所述多个功能单元中的每者包括压缩机、蓄热器、燃烧单元和涡轮机，其中，所述多个功能单元的数量等于n，并且其中，n为大于1的整数；
对于每个所述功能单元，将来自所述压缩机的压缩气体引导至所述蓄热器；
对于每个所述功能单元，将来自所述蓄热器的加热气体引导至所述燃烧单元；
对于每个所述功能单元，将来自所述燃烧单元的废气引导至所述涡轮机；
对于除第n个功能单元之外的每个所述功能单元，将来自所述涡轮机的膨胀气体引导至后继功能单元的所述燃烧单元，以向所述后继功能单元的所述燃烧单元提供来自所述涡轮机的膨胀气体；并且
对于所述第n个功能单元，将来自所述涡轮机的膨胀气体引导至每个在前功能单元的所述蓄热器，以向每个在前功能单元的所述蓄热器提供来自所述涡轮机的膨胀气体。
26.根据权利要求25所述的动力产生方法，其中，n为2、3或4。
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