專利名稱：動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利1要求的前序部分的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，尤其是發(fā)電廠設(shè)備。它還涉及用于根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電廠工作的方法。
現(xiàn)有技術(shù)動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其中為了余熱利用在一個(gè)作為初級(jí)機(jī)器工作的燃?xì)廨啓C(jī)組后面設(shè)有一個(gè)次級(jí)機(jī)器，其本身作為組合發(fā)電廠(Kombikraftwerk)被廣泛地公知。在一個(gè)最通常的實(shí)施形式中，在一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)組的廢氣路徑設(shè)有一個(gè)余熱蒸汽發(fā)生器，在其中產(chǎn)生出一定的蒸汽量，它用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)蒸汽輪機(jī)。并且可以取出過程蒸汽及熱蒸汽。由EP 924 410公知了一種發(fā)電廠設(shè)備，其中在初級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組后連接了一個(gè)次級(jí)開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)組。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)方式比較而言具有差的、對(duì)于不同余熱產(chǎn)出量按比例的工作性能。在一個(gè)后置的蒸汽設(shè)備上例如必需不斷地給出新蒸汽足夠的過熱，以避免蒸汽輪機(jī)末端中過大的濕度。因此在初級(jí)機(jī)器的最低廢氣溫度以下次級(jí)蒸汽循環(huán)回路通常不能工作。此外由于通常冷凝器壓力小需要大的廢汽注入及大的冷凝器。一個(gè)作為次級(jí)機(jī)器后置的次級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組雖然可以用降低的廢氣溫度水準(zhǔn)在運(yùn)行技術(shù)方面較好地勝任。但在例如基于初級(jí)機(jī)器的前導(dǎo)序列調(diào)節(jié)余熱產(chǎn)出量變化及余熱溫度水準(zhǔn)近似保持恒定時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，即次級(jí)機(jī)器不再能達(dá)到可能的上過程溫度。因此次級(jí)機(jī)器的渦輪機(jī)入口溫度小于其可能溫度；結(jié)果使次級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)過程的效率下降?；诳偟南鄬?duì)低的溫度水準(zhǔn)這種效應(yīng)會(huì)很快地變得顯著。
但自由化電力市場(chǎng)的最新發(fā)展要求可高度靈活工作的發(fā)電廠設(shè)備，它具有良好的運(yùn)行特性及在很大負(fù)載范圍上令人滿意的效率而不是僅在窄的負(fù)載范圍上具有最佳的效率。這在弱的電網(wǎng)上尤為重要，這種電網(wǎng)必需僅用少量的發(fā)電廠設(shè)備來應(yīng)付所有的電網(wǎng)波動(dòng)，及因此在這里考慮到所述的一些部分負(fù)載特性。這些良好的部分負(fù)載特性此外也考慮用于驅(qū)動(dòng)，尤其是在船舶及機(jī)車驅(qū)動(dòng)上。
本發(fā)明的概要描述因此本發(fā)明的任務(wù)在于，提出開始部分所述類型的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，它可避免現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，及它尤其可提供余熱利用的高度靈活性。
根據(jù)本發(fā)明，該任務(wù)將利用權(quán)利要求1的所有特征來解決。
本發(fā)明的核心是，作為次級(jí)機(jī)器設(shè)置了一個(gè)具有在流體上完全封閉的流體循環(huán)回路的、用氣態(tài)過程流體工作的機(jī)器。在此情況下，可以理解，該過程流體即過程氣體在次級(jí)機(jī)器整個(gè)循環(huán)過程期間不經(jīng)過任何相態(tài)改變(Phasenwechsel)。在該次級(jí)機(jī)器中首先使氣態(tài)過程流體被壓縮，然后氣態(tài)過程流體在次級(jí)側(cè)通過初級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組的余熱交換器被引導(dǎo)，在這里它吸收熱量、膨脹及完全地返回壓縮部分，其中最好在壓縮前和/或壓縮期間發(fā)生從過程流體在散熱裝置中的熱量輸出。該過程流體物料封閉的引導(dǎo)對(duì)于余熱利用提供了出人意料的優(yōu)點(diǎn)首先可自由選擇過程流體，以便例如特別好地獲得適于低溫利用的過程流體的熱力學(xué)特性。此外，通過次級(jí)過程整個(gè)壓力水準(zhǔn)的適配可改變循環(huán)流體的質(zhì)量流量，由此可在基本恒定的溫度、基本不變的壓力比及由此好的次級(jí)機(jī)器效率的情況下對(duì)例如與余熱質(zhì)量流量的下降相關(guān)的余熱產(chǎn)出量下降作出響應(yīng)。換句話說，可以通過次級(jí)過程的整個(gè)壓力水準(zhǔn)的簡(jiǎn)單改變、通過循環(huán)的過程流體的輸入及輸出這樣地調(diào)整其質(zhì)量流量，以使得次級(jí)機(jī)器的上過程溫度接近于初級(jí)機(jī)器的廢氣溫度。因此在根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的一個(gè)優(yōu)選工作方式中，循環(huán)回路充滿程度(Füllung)及由此過程的整個(gè)壓力水準(zhǔn)被這樣調(diào)節(jié)，以致在靜態(tài)工作時(shí)次級(jí)機(jī)器的上過程溫度在初級(jí)機(jī)器的廢氣溫度以下不到50℃，最好30℃，及該溫度差尤其是必要的，以便能提供驅(qū)使熱傳導(dǎo)的溫度梯度，它在5℃至20℃的范圍中可調(diào)節(jié)；在此情況下可達(dá)到的值也與可提供的熱傳導(dǎo)面的大小相關(guān)。此外，因?yàn)椴话l(fā)生過程流體相態(tài)的變化，在較低的上過程溫度上可以工作，無需-如開始部分所述地-注意兩個(gè)相態(tài)過程最小需要的新蒸汽溫度?？梢岳斫猓柚景l(fā)明可實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)組余熱利用的優(yōu)異靈活性。
次級(jí)機(jī)器尤其可這樣地實(shí)現(xiàn)，其方式是為了壓縮過程流體設(shè)有至少一個(gè)作功機(jī)械及為了過程流體膨脹至少設(shè)有一個(gè)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。在此情況下最好至少一個(gè)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)與至少一個(gè)作功機(jī)械和/或一個(gè)功率消耗裝置設(shè)置在一個(gè)共同的軸上，需要時(shí)也可帶有一個(gè)連接在中間的變速器；它產(chǎn)生出單軸或多軸的次級(jí)機(jī)器的實(shí)施形式。對(duì)于功率消耗裝置例如可考慮發(fā)電機(jī)，但也可考慮船舶螺旋槳、驅(qū)動(dòng)車輪及類似裝置。在此情況下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)通過自動(dòng)作用的離合器作用在初級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組的發(fā)電機(jī)上；它原理上產(chǎn)生出本身公知的單軸組合設(shè)備的構(gòu)造。視待實(shí)現(xiàn)的單元功率而定，最好使用流體機(jī)器、渦輪機(jī)及渦輪壓縮機(jī)作為作功機(jī)械及動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)。在單元功率/流體體積流量小的情況下，使用柱塞機(jī)(Verdrngermaschine)也具有其優(yōu)點(diǎn)，或使用渦輪機(jī)及柱塞機(jī)的級(jí)聯(lián)連接。
如上所述，在次級(jí)機(jī)器中也可設(shè)置一個(gè)散熱裝置?；谝粋€(gè)在封閉式循環(huán)回路中工作的燃?xì)廨啓C(jī)組，通常在從渦輪機(jī)到壓縮機(jī)的流體路徑中設(shè)置散熱裝置。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施形式中，至少設(shè)置一個(gè)散熱裝置，例如作為中間冷卻器，它可與確定用于壓縮過程氣體的裝置直接形成流體連接。由此實(shí)現(xiàn)了等溫或近似等溫的壓縮。通過壓縮終端溫度的下降可實(shí)現(xiàn)余熱利用的改善。在本發(fā)明的一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施形式中，在從次級(jí)過程的低壓壓縮到次級(jí)過程的高壓的壓縮路徑中設(shè)置的一些散熱裝置被這樣地調(diào)節(jié)，以使得次級(jí)機(jī)器的壓縮終端溫度處于初級(jí)機(jī)器廢氣的露點(diǎn)溫度以上一定的、小的安全余度上。例如對(duì)于氣體燃燒的初級(jí)機(jī)器壓縮終端溫度被調(diào)節(jié)到70℃至75℃上及對(duì)于油燃燒的初級(jí)機(jī)器被調(diào)節(jié)到130℃至150℃上。對(duì)于最佳余熱利用壓縮終端溫度處于初級(jí)機(jī)器的廢氣的露點(diǎn)溫度以上不到20℃，最好2℃至10℃上。
在根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的另一實(shí)施形式中，次級(jí)機(jī)器在從最后動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)到第一作功機(jī)械的流體路徑中在低壓部分中具有一個(gè)散熱裝置，它被構(gòu)成余熱蒸汽發(fā)生器。在這里產(chǎn)生的蒸汽將在高于次級(jí)機(jī)器低壓的壓力上借助適當(dāng)?shù)难b置加入到氣態(tài)過程流體中，在功率輸出的情況下與它一起膨脹及在一個(gè)低壓上的散熱裝置中基本上被再冷凝。然后冷卻液從過程流體中被分離、處理及通過適合的裝置如一個(gè)供給泵再輸回余熱蒸汽發(fā)生器。并且該附加介質(zhì)的循環(huán)回路也是封閉的。過程氣體帶著很小的剩余濕度再流入壓縮裝置中。相對(duì)真正的兩相態(tài)過程來說利用了實(shí)質(zhì)上低得多的上過程溫度。通過所述的循環(huán)回路充滿程度的變化可這樣地調(diào)節(jié)壓力比，以使得總是給予新蒸汽足夠的過熱。在次級(jí)機(jī)器中具有熱回收的該實(shí)施形式特別好地適合次級(jí)機(jī)器的低壓力比。如果該實(shí)施形式與次級(jí)機(jī)器壓縮機(jī)中的中間冷卻器相結(jié)合，則最好在那里設(shè)置冷凝液分離器。
附圖的概要描述以下將借助附圖中所示的實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明。附圖中分別表示

圖1根據(jù)本發(fā)明的第一動(dòng)力發(fā)生設(shè)備；圖2以T，s曲線圖表示的圖1上動(dòng)力發(fā)生設(shè)備中的狀態(tài)變化；
圖3及4根據(jù)本發(fā)明的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的其它實(shí)施形式。
這里所表示的實(shí)施例僅是具有權(quán)利要求書中的特征的本發(fā)明的示范性的一小部分。
實(shí)施本發(fā)明的途徑圖1表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)動(dòng)力發(fā)生設(shè)備。一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)組100作為初級(jí)機(jī)器驅(qū)動(dòng)一個(gè)發(fā)電機(jī)113。對(duì)此并無限制，但這里它涉及具有順序燃燒部分的燃?xì)廨啓C(jī)組，正如由EP 620 362及眾多基于它的公開文件所公知的。因此無需詳細(xì)地說明，僅簡(jiǎn)短地描述其基本的功能。壓縮機(jī)101及兩個(gè)渦輪機(jī)103及105被設(shè)置在一個(gè)共同的軸上。壓縮機(jī)101從周圍吸取一定的空氣量106。在第一燃燒室102中燃料混合在被壓縮的空氣中及在那里燃燒。煙氣在第一渦輪機(jī)103中被部分地膨脹，例如以壓力比2膨脹。通常總是具有高的剩余氧成分并典型超過15％的煙氣流入到第二燃燒室104，在這里其它的燃料被燃燒。該被再加熱的煙氣在第二渦輪機(jī)105中膨脹大致到環(huán)境壓力-不計(jì)廢氣側(cè)中的壓力損耗，及作為總是熱的廢氣107從燃?xì)廨啓C(jī)組中流出，該廢氣的溫度在高負(fù)載的情況下約在550-600℃上。在熱廢氣的流動(dòng)路徑中設(shè)有用于利用余熱的多個(gè)裝置、即熱交換器6，在廢氣作為被冷卻的廢氣108排放到大氣中前，它在熱交換器中被繼續(xù)冷卻。作為利用余熱的裝置而設(shè)置的熱交換器6將開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)組100的廢氣107中的余熱傳導(dǎo)到一個(gè)構(gòu)成次級(jí)機(jī)器的閉式燃?xì)廨啓C(jī)組的循環(huán)回路上。設(shè)置了一個(gè)在一共同軸上具有分壓縮機(jī)1a，1b，1c及一個(gè)發(fā)電機(jī)3的渦輪機(jī)2。由多個(gè)分壓縮機(jī)1a，1b，1c組成的壓縮機(jī)將氣體21-在本例中為空氣-從第一分壓縮機(jī)1a上游的低壓壓縮成最后分壓縮機(jī)1c下游的高壓。在這些分壓縮機(jī)之間設(shè)有多個(gè)散熱裝置，即中間冷卻器41及42，它們由一種冷卻劑如冷卻水作為反向流流過。中間冷卻降低了壓縮機(jī)的耗用功率。此外降低了壓縮終端溫度，這在本例中將帶來其它后面還要描述的優(yōu)點(diǎn)。中間冷卻器設(shè)置得愈多，則壓縮過程愈好地接近等溫壓縮；但在實(shí)施中這具有明顯實(shí)際的界限。此外還公知了使用噴射冷卻器或在壓縮機(jī)中導(dǎo)入液滴，液滴通過蒸發(fā)用于連續(xù)的內(nèi)部冷卻。這里與此相反地，中間冷卻器41及42設(shè)有內(nèi)部冷凝液分離器5a，5b，它們的功能將在下面與壓縮機(jī)45結(jié)合地描述。被壓縮的過程氣體、即高壓過程氣體22與廢氣107相反地流過熱交換器6初級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組的冷卻后的廢氣108流出到大氣中。被加熱的高壓過程氣體23流入渦輪機(jī)2中及驅(qū)動(dòng)它。在負(fù)載損耗的情況下過程氣體可通過并聯(lián)裝置30直接旁路渦輪機(jī)2地投入到低壓側(cè)上。膨脹的過程氣體24流過一個(gè)降熱裝置、即回冷卻器13及最后作為低壓過程氣體21再流入壓縮機(jī)。低壓過程氣體21或膨脹的過程氣體24的壓力可被變化，用于閉式燃?xì)廨啓C(jī)組的功率調(diào)節(jié)。為了提高入口壓力，壓縮機(jī)45通過一個(gè)止回裝置46將空氣壓到閉式燃?xì)廨啓C(jī)組的低壓側(cè)。為了減小壓力氣體通過一個(gè)節(jié)流及阻塞裝置47再被排入到大氣中。當(dāng)通過壓縮機(jī)45將環(huán)境空氣充入循環(huán)回路時(shí)，空氣中的濕氣也被帶到循環(huán)回路中。它可能在中間冷卻器41及42中冷凝，因此在那里設(shè)置了組合的冷凝液分離器5a，5b。為了最佳的利用余熱，在熱交換器6中使高壓過程氣體22的溫度盡可能低，但不能低于熱交換器初級(jí)側(cè)上廢氣107，108的露點(diǎn)。因此在最后分壓縮機(jī)1c的下游設(shè)有一個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)44。根據(jù)那里測(cè)量的溫度來干預(yù)一個(gè)調(diào)節(jié)裝置43，該調(diào)節(jié)裝置這樣地調(diào)節(jié)流到最后的中間冷卻器42的冷卻劑質(zhì)量流量，以使得壓縮機(jī)出口處的溫度處于初級(jí)機(jī)器的廢氣露點(diǎn)溫度以上一定的安全余度上。由此可保證一方面使壓縮機(jī)工作所需的功率減小，及另一方面使廢氣107的余熱在盡可能避免廢氣中形成露水的情況下被有效的利用。另一對(duì)次級(jí)循環(huán)過程有利地實(shí)施的調(diào)節(jié)干預(yù)是使用兩個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn)49及48，前者用于確定流入熱交換器6前的廢氣107的溫度，而后者用于確定排出熱交換器時(shí)閉式燃?xì)廨啓C(jī)組的被加熱的高壓過程氣體23的溫度。這兩個(gè)測(cè)量值被導(dǎo)入一個(gè)差值形成器50，在這里形成溫度差ΔT。當(dāng)該溫度差超過一定值時(shí)，將打開節(jié)流及阻塞裝置47及使過程壓力下降。因?yàn)槠浜蠊谴渭?jí)機(jī)器的過程氣體的質(zhì)量流量下降，被壓縮的過程氣體將達(dá)到較高的溫度，及溫度差值將變小。如果相反地當(dāng)溫度差低于一個(gè)下限值時(shí)，通過壓縮機(jī)45使壓力水準(zhǔn)、尤其使作為次級(jí)機(jī)器連接的閉式燃?xì)廨啓C(jī)組的低壓側(cè)的壓力提高。在次級(jí)機(jī)器的循環(huán)回路中的質(zhì)量流量增大，及由此使溫度差也變大。此外也可對(duì)被加熱的高壓過程氣體23的溫度單獨(dú)地調(diào)節(jié)，以便使它恒定地保持在一個(gè)給定值上。對(duì)低過程壓力的另一干預(yù)是，它使渦輪機(jī)2的壓力比調(diào)節(jié)到一個(gè)恒定值上，該壓力比首先由流入體積流量一起確定及由此與質(zhì)量流量及入口溫度及絕對(duì)壓力相關(guān)。也可考慮，次級(jí)機(jī)器的渦輪機(jī)出口溫度通過循環(huán)的質(zhì)量流量來調(diào)節(jié)。所述的調(diào)節(jié)機(jī)制的結(jié)合可產(chǎn)生余熱能(Abwrmepotenzial)的最佳利用。已表明，在使用閉式氣體循環(huán)回路的次級(jí)機(jī)器時(shí)，通過低壓變化及在次級(jí)機(jī)器中循環(huán)的質(zhì)量流量的變化可使次級(jí)機(jī)器可能出其意料簡(jiǎn)單地及有效地適配于極其不同的余熱產(chǎn)出量。
在所述發(fā)電廠設(shè)備中，次級(jí)機(jī)器無需在渦輪機(jī)的下游回收余熱及在壓縮機(jī)中間帶有中間冷卻并理想地以高的、最好為10或更高的設(shè)計(jì)壓力比工作。因此在渦輪機(jī)2的預(yù)定入口溫度上，渦輪機(jī)2的出口溫度及由此排出到回冷卻器13中的熱量保持小些。這些所屬的狀態(tài)改變非常概要地表示在圖2的、溫度T相對(duì)單位質(zhì)量的熵s的曲線圖中。用I表示的右邊的循環(huán)是初級(jí)機(jī)器的循環(huán)曲線。空氣106在溫度TAMB上被吸入，及由壓縮機(jī)101壓縮。在燃燒室102近似等壓地輸入熱量直到最大溫度值TMAX。在渦輪機(jī)103中使在燃燒室102中形成的煙氣部分地膨脹，及在渦輪機(jī)105中膨脹到環(huán)境壓力上以前，在燃燒室104中再次中間加熱到最大溫度。熱廢氣107具有溫度TEX。在循環(huán)過程I的左邊-因?yàn)橥ǔ＿\(yùn)行在超大氣壓力水準(zhǔn)下-為次級(jí)循環(huán)過程II。它的起點(diǎn)是壓縮機(jī)前面的過程氣體21，它基本上在環(huán)境溫度上及處于過程低壓上。該過程氣體被第一分壓縮機(jī)1a壓縮，這時(shí)其溫度上升，接著在中間冷卻器41中盡可能地冷卻到環(huán)境溫度，在另一分壓縮機(jī)1b中繼續(xù)被壓縮，在第二中間冷卻器42中被冷卻，及在最后分壓縮機(jī)1c中被壓縮到狀態(tài)22或22’，它處于過程高壓上?？梢钥闯?，分壓縮機(jī)及中間冷卻器設(shè)置得愈多，壓縮就愈好地接近等溫壓縮。在最后中間冷卻器42中的冷卻功率被這樣地調(diào)節(jié)，以使得狀態(tài)22或22’的壓縮終點(diǎn)溫度約在對(duì)于氣體燃燒的露點(diǎn)溫度TDPG或?qū)τ谟腿紵穆饵c(diǎn)溫度TDPO以上。壓縮終點(diǎn)溫度愈低，廢氣的熱量利用愈好?；谥虚g冷卻級(jí)也可實(shí)現(xiàn)高的壓力比與盡可能低的壓縮終點(diǎn)溫度。在熱交換器6中被壓縮的過程氣體22從廢氣107接收熱量，及被加熱到略低于廢氣的溫度。在此情況下廢氣107在流過熱交換器6時(shí)被冷卻到狀態(tài)108或108’，該狀態(tài)基于次級(jí)過程的壓縮終點(diǎn)溫度的調(diào)節(jié)處于相應(yīng)的露點(diǎn)溫度以上一個(gè)小的安全余度上。被加熱的過程氣體23在渦輪機(jī)2中膨脹到狀態(tài)24。基于高壓力比，該溫度將相對(duì)地低，由此僅需要使很小熱量輸送到回冷卻器13中。在該方案中總的熱量的排出在盡可能低的溫度上發(fā)生，這就有助于高的效率。所考慮的次級(jí)機(jī)器通過過程低壓變化適配于余熱產(chǎn)出量的可能性已在上面討論了；部分負(fù)載運(yùn)行中的循環(huán)過程的這些變化對(duì)于技術(shù)人員可毫無困難地推斷出來。
本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施形式表示在圖3中。作為初級(jí)機(jī)器也設(shè)有上述類型的燃?xì)廨啓C(jī)組100。作為次級(jí)機(jī)器設(shè)有具有余熱回收的閉式燃?xì)廨啓C(jī)組，將在下面描述它。因?yàn)閺U氣余熱被利用，這里所示的次級(jí)機(jī)器用比結(jié)合圖1所示的閉式燃?xì)廨啓C(jī)組更小的壓力比工作；作為典型的壓力比考慮在4至10的范圍中，尤其在6至8的范圍中。此外如所述的，次級(jí)機(jī)器適于使用空氣以外的其它氣體來工作。次級(jí)機(jī)器的低壓過程氣體21在第一分壓縮機(jī)1a及第二分壓縮機(jī)1b中被壓縮到高壓上，在這兩個(gè)壓縮機(jī)之間設(shè)有一個(gè)作為中間冷卻器的噴射冷卻器54。噴射冷卻器54也可無困難地這樣設(shè)計(jì)，以使得噴射冷卻器過濕潤(überfeuchten)過程氣體；然后它使水滴進(jìn)入到后面的壓縮機(jī)級(jí)中，及在那里用于內(nèi)部冷卻。就此而言，也可在第一分壓縮機(jī)的上游設(shè)置一個(gè)相應(yīng)的噴射裝置?；谳^小的壓力比可取消其它的昂貴的冷卻器級(jí)。并仍然有利地保證了高壓過程氣體的溫度處于初級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組的廢氣107，108的露點(diǎn)溫度以上。當(dāng)被加熱高壓過程氣體流過在技術(shù)作功的情況下的渦輪機(jī)2以前，高壓過程氣體以相對(duì)廢氣反向流的方式流過熱交換器6，后者被分為兩個(gè)部分熱交換器6a，6b。渦輪機(jī)2與分壓縮機(jī)1a及1b設(shè)置在同一軸上及渦輪機(jī)2驅(qū)動(dòng)它們；此外渦輪機(jī)的功率通過一個(gè)自動(dòng)作用的離合器109從初級(jí)及次級(jí)機(jī)器可傳遞到一個(gè)公共的發(fā)電機(jī)113上。膨脹的過程氣體24在一個(gè)構(gòu)成余熱蒸汽發(fā)生器11的散熱裝置中及在一個(gè)回冷卻器13中又回到低壓過程氣體21的起始狀態(tài)。余熱蒸汽發(fā)生器在次級(jí)側(cè)被處于低壓的供給水12流過-因?yàn)樗薪橘|(zhì)在封閉的循環(huán)回路中導(dǎo)行，它也可涉及水以外的其它液體，尤其是有毒的液體。處于低壓的液體將在余熱蒸發(fā)器中被加熱蒸發(fā)及形成的蒸汽至少輕微地過熱。新蒸汽26將在余熱交換器6的其上蒸汽溫度低于廢氣溫度的溫度適配點(diǎn)上注入到過程氣體中及與該過程氣體一起流到第二部分熱交換器6b。蒸汽與過程氣體一起流過渦輪機(jī)并輸出功率。此外該蒸汽-包括由輸入噴射冷卻器54的液體引起的蒸汽量在內(nèi)-在初級(jí)側(cè)流過余熱蒸汽發(fā)生器11，在這里被冷卻及冷凝。在此情況下根據(jù)過程氣體中的蒸汽露點(diǎn)，冷凝溫度與分壓力相關(guān)。其它的蒸汽在回冷卻器13中被冷凝。在冷凝液分離器5a及5b中冷卻液與過程氣體分離及被收集在一個(gè)容器17中。從這里冷凝液一方面通過泵55輸送到噴射冷卻器54及尤其由一個(gè)供給泵18作為供給水12輸送到蒸汽發(fā)生器11的次級(jí)側(cè)。次級(jí)機(jī)器具有用于改變循環(huán)回路充滿程度及由此改變過程-壓力水準(zhǔn)的系統(tǒng)。壓縮機(jī)45可從循環(huán)回路分支出高壓過程流體22的一部分，及通過一個(gè)冷卻器52、一個(gè)分離器53以及止回裝置46輸送到一個(gè)高壓氣體存儲(chǔ)器51中。通過過程流體從循環(huán)回路到氣體存儲(chǔ)器51的移動(dòng)使循環(huán)回路通過循環(huán)過程流體的充滿程度及由此整個(gè)過程壓力水準(zhǔn)減小。在氣體存儲(chǔ)器51中存儲(chǔ)的流體量在需要時(shí)可通過阻塞及節(jié)流裝置47流回到循環(huán)回路中，由此使循環(huán)回路的充滿程度及壓力水準(zhǔn)增高。該循環(huán)回路充滿程度的改變?nèi)缢龅乜商貏e好地適合于次級(jí)機(jī)器功率的持續(xù)調(diào)節(jié)。
此外在高壓氣體存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的能量可特別快地作為有用功率來提供，因?yàn)閴毫怏w在高壓氣體存儲(chǔ)器減載時(shí)近似直接地作用在渦輪機(jī)上。該自發(fā)的功率上升可特別有利地用于電網(wǎng)的頻率支持。由現(xiàn)有技術(shù)公知了不同的存儲(chǔ)器系統(tǒng)，例如也公知了具有級(jí)聯(lián)壓力的存儲(chǔ)器。循環(huán)回路的充滿程度及次級(jí)機(jī)器的壓力水準(zhǔn)可根據(jù)結(jié)合圖1所討論的原則被調(diào)整，此外也可以在渦輪機(jī)入口達(dá)到蒸汽的一定的過熱。
當(dāng)然，具有權(quán)利要求書中特征的本發(fā)明也可在這樣的情況下實(shí)現(xiàn)，即多個(gè)初級(jí)機(jī)器通過一個(gè)共同的熱交換器作用在一個(gè)共同的次級(jí)機(jī)器上；如多次提到的，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)電廠設(shè)備的次級(jí)機(jī)器特別適于響應(yīng)通過不同多個(gè)的初級(jí)機(jī)器的工作造成的余熱產(chǎn)生量的波動(dòng)。
為了說明本發(fā)明不被限制在執(zhí)行次級(jí)過程的渦輪機(jī)的應(yīng)用上，圖4中表示出根據(jù)本發(fā)明發(fā)電廠設(shè)備的一個(gè)實(shí)施形式，它可特別好地對(duì)于小的功率單元結(jié)合工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)或所謂的空氣動(dòng)力機(jī)(Aeroderivate)作為初級(jí)機(jī)器來實(shí)施。所述燃?xì)廨啓C(jī)組100是一個(gè)兩軸的機(jī)器，它與一個(gè)高壓壓縮機(jī)202及一個(gè)高壓渦輪機(jī)203連接在一個(gè)共同的軸上及與一個(gè)低壓壓縮機(jī)及一個(gè)低壓渦輪機(jī)連接在一個(gè)第二共同的軸上，后者也作為有用功率的輸出軸，及具有一個(gè)燃燒室。這個(gè)小功率的燃?xì)廨啓C(jī)組通常運(yùn)行在比電網(wǎng)頻率高得多的轉(zhuǎn)速上。因此輸出軸通過變速器114作用在發(fā)電機(jī)113上。初級(jí)機(jī)器100的工作方式根據(jù)以上的說明可直接地得知。根據(jù)本發(fā)明，熱膨脹煙氣107的余熱在一個(gè)熱交換器中被傳送到一個(gè)用閉式循環(huán)回路中的氣態(tài)過程流體工作的次級(jí)機(jī)器上及在那里被利用。由于次級(jí)機(jī)器小的質(zhì)量流量及體積流量，為了將過程氣體從低壓過程氣體21壓縮成高壓過程氣體22設(shè)置了一個(gè)柱塞機(jī)、即螺旋壓縮機(jī)(Schraubenkompressor)1來取代渦輪壓縮機(jī)。高壓過程氣體22流過一個(gè)熱交換器6a及從廢氣107接收熱量。被加熱的高壓過程氣體23流過第一被作成一個(gè)柱塞機(jī)、即螺旋膨脹機(jī)(Schraubenexpander)2a的動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)及在這里膨脹到一個(gè)中間壓力。螺旋膨脹機(jī)2a驅(qū)動(dòng)螺旋壓縮機(jī)1。中間壓力過程氣體25與由余熱蒸汽發(fā)生器11導(dǎo)入的新蒸汽量26一起流到一個(gè)第二部分熱交換器6b中及被中間地加熱?，F(xiàn)在更大的容積需要更大的通流橫截面，因此對(duì)于中間壓力過程氣體及蒸汽向低壓的膨脹選擇一個(gè)渦輪機(jī)，尤其是徑流式渦輪機(jī)。它通過第二變速器115及一個(gè)自動(dòng)作用的離合器109也驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)113。在余熱蒸汽發(fā)生器11及回冷卻器13中膨脹的過程氣體24又回到起始狀態(tài)21，及蒸汽被冷凝及冷凝液在冷凝液分離器5中與過程氣體分離并由一個(gè)供給泵18作為供給水12輸送給余熱蒸汽發(fā)生器11。次級(jí)機(jī)器還具有用于快速斷開的裝置，尤其是設(shè)有具有并聯(lián)裝置30的并聯(lián)導(dǎo)管。并且設(shè)有高壓過程氣體存儲(chǔ)器51以及已詳細(xì)描述的加載及減載的裝置。當(dāng)然，該完全封閉的次級(jí)機(jī)器的循環(huán)回路允許原則上自由地選擇適合的、既用作過程氣體也用于蒸汽發(fā)生的過程流體。
在所有描述的實(shí)施形式中，也可取代發(fā)電機(jī)使用其它的功率消耗裝置、尤其是機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置。此外這里可考慮用于船舶推進(jìn)器。
標(biāo)號(hào)說明ΔT 溫度差TAMB環(huán)境溫度TEX渦輪機(jī)出口溫度TDPG燃燒氣體燃料的露點(diǎn)溫度TDPO燃燒油的露點(diǎn)溫度TMAX最高溫度
權(quán)利要求
1.動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，尤其是用于發(fā)電的發(fā)電廠設(shè)備，具有一個(gè)初級(jí)機(jī)器(100)及一個(gè)設(shè)置在其后的用于余熱利用的次級(jí)機(jī)器，其中所述初級(jí)機(jī)器是一個(gè)開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)組，它包括至少一個(gè)壓縮機(jī)(101，201，202)、至少一個(gè)燃燒室(102，104)及至少一個(gè)渦輪機(jī)(103，105，203，204)及在其中在最后渦輪機(jī)的下游設(shè)有一個(gè)用于將所述初級(jí)機(jī)器(107)的廢氣的熱量傳送給所述次級(jí)機(jī)器的過程流體的熱交換器(6)，其特征在于所述次級(jí)機(jī)器通過至少一個(gè)作功機(jī)械(1，1a，1b，1c)將一個(gè)氣態(tài)的過程流體從一個(gè)第一低壓壓縮到一個(gè)第二高壓，并設(shè)有用于將所述被壓縮的過程流體輸送到所述熱交換器(6，6a，6b)的裝置；至少一個(gè)用于在技術(shù)上作功的情況下將所述過程流體從所述高壓膨脹到所述低壓的一個(gè)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(2，2a)，該動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)被設(shè)置在所述熱交換器的下游；至少一個(gè)用于從所述過程流體導(dǎo)出熱的散熱裝置(11，13，41，42)；其中所述次級(jí)機(jī)器的流體循環(huán)回路本身在流體上完全被封閉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(2，2a)與至少一個(gè)作功機(jī)械(1，1a，1b，1c)和/或一個(gè)功率消耗裝置(3，113)設(shè)置在一個(gè)共同的軸上。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)是一個(gè)渦輪機(jī)(2)。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其特征在于至少一個(gè)作功機(jī)械是一渦輪壓縮機(jī)。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其特征在于設(shè)置了至少一個(gè)用于在從所述低壓(21)壓縮到所述高壓(22)期間冷卻所述過程流體的散熱裝置(41，42)。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其特征在于在所述次級(jí)機(jī)器的低壓部分中所述最后的動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(2)的下游設(shè)有一個(gè)構(gòu)成余熱蒸汽發(fā)生器(11)的散熱裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其特征在于設(shè)有一些使所述余熱蒸汽發(fā)生器(11)中產(chǎn)生的、在高于所述低壓的壓力上的蒸汽(26)加入到所述氣態(tài)的過程流體中的裝置，它們是這樣的，即使得所述蒸汽流過這些動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(2，2a)的至少一部分或一個(gè)動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)(2)的一部分及在所述次級(jí)機(jī)器的所述低壓部分中在至少一個(gè)散熱裝置(11，13)內(nèi)基本上冷凝；設(shè)有一些用于從所述過程流體中分離冷凝液的裝置(5，5a，5b)；及設(shè)有一些使所述冷凝液的壓力升高及使它回送到所述余熱蒸汽發(fā)生器(11)中的裝置(18)。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中一項(xiàng)的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備，其特征在于所述次級(jí)機(jī)器的所述低壓部分與一個(gè)裝置(51)形成功能連接，以便改變所述低壓。
9.用于運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求5至8中一項(xiàng)的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的方法，其特征在于這樣地調(diào)節(jié)這些散熱裝置，以使得所述次級(jí)機(jī)器的壓縮終端溫度高于所述初級(jí)機(jī)器的廢氣的露點(diǎn)溫度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其特征在于所述壓縮終端溫度被調(diào)節(jié)到所述初級(jí)機(jī)器的廢氣的露點(diǎn)溫度以上不到20℃，最好2℃至10℃上。
11.運(yùn)行根據(jù)權(quán)利要求8的動(dòng)力發(fā)生設(shè)備的方法，其特征在于所述次級(jí)機(jī)器通過氣態(tài)過程流體的循環(huán)質(zhì)量流量的變化來適配于所提供的不同余熱功率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其特征在于所述質(zhì)量流量被這樣地調(diào)節(jié)，以使得所述次級(jí)機(jī)器的渦輪機(jī)入口溫度在由所述初級(jí)機(jī)器排出的廢氣的溫度以下不到50℃。
全文摘要
在動(dòng)力發(fā)生設(shè)備、例如用于發(fā)電的發(fā)電廠設(shè)備中，為了廢氣(107)的余熱利用在一個(gè)開式循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)組(100)后設(shè)有一個(gè)次級(jí)機(jī)器(1a，1b，1c，2)。該次級(jí)機(jī)器是一個(gè)在封閉循環(huán)回路中用氣態(tài)流體工作的機(jī)器，例如是一個(gè)閉式渦輪機(jī)，它具有壓縮機(jī)(1a，1b，1c)；用于加熱被壓縮氣體的裝置(6)，它利用初級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)組(100)的廢氣(107)的余熱；一個(gè)渦輪機(jī)(2)及至少一個(gè)散熱裝置(13)。在一個(gè)實(shí)施形式中設(shè)有在壓縮過程期間的一些中間冷卻器(41，42)。次級(jí)機(jī)器的可變循環(huán)回路充滿程度允許待提供的、差別很大的余熱產(chǎn)出量的利用具有優(yōu)異的靈活性。
文檔編號(hào)F02C1/10GK1653253SQ03811026
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月14日
發(fā)明者羅爾夫·迪特曼, 漢斯·烏爾里克·弗呂斯基 申請(qǐng)人:阿爾斯通技術(shù)有限公司