燃料携同多热源联合循环热动装置

技术领域：

本发明属于热力学与热动技术领域。

背景技术：

动力与电力，是人类生活与生产当中的两种基本和重要需求；其中，将热能转换为机械能是提供动力与电力的重要技术措施。在实现热能转换为机械能的过程中，人们追求安全、主动、经济、高效、清洁和低碳——其中，采用简单的技术举措来实现热变功的高效化是最核心的要求——为此，技术人员不懈努力。

现实中，燃料、工业余热、地热等都可以作为热变功装置的驱动热源。针对不同情况，人们采取不同的技术措施：对于一种驱动能源为燃料而同时还有低温热源的情况来说，常规的做法是这样的——针对燃料，采取燃气(气体)-蒸汽联合循环动力装置；对于低温热负荷，采取朗肯循环蒸汽动力装置或低温驱动型布雷顿气体热动循环装置；另外，燃料有不同种类和不同性质，其中燃料燃烧所形成燃气的温度高低直接决定着热变功效率，有的燃料采取蒸汽动力装置实现热变功，有的燃料采取燃气动力装置实现热变功。

采用两套或多套热动装置实现不同燃料/不同品位热源的热变功，是常规做法并具有合理性；不过，这在装置上需要付出大代价。因此，如果找到新的技术手段(比如一套简单的装置)来实现上述目的并提升热变功效率，则具有重要意义。

本着简单、主动、安全、高效地利用能源获得动力的基本原则，本发明给出了将低品位热源、低品位燃料与高品位燃料搭配使用，流程合理、结构简单、具有较高的热力学完善度、体系简单化、系统成本低并能够实现高效热变功的燃料携同多热源联合循环热动装置。

发明内容：

本发明主要目的是要提供燃料携同多热源联合循环热动装置，具体发明内容分项阐述如下：

1.燃料携同多热源联合循环热动装置，主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、加热炉、燃烧室、热源回热器、汽轮机、升压泵、蒸发器和冷凝器所组成；外部有低品位燃料通道与加热炉连通，外部还有空气通道经热源回热器与加热炉连通，加热炉还有燃气通道经热源回热器与外部连通；外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有空气通道经热源热交换器与第二压缩机连通，第二压缩机还有空气通道经加热炉与燃烧室连通，外部还有高品位燃料通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道与燃气轮机连通，燃气轮机还有燃气通道经蒸发器与外部连通；冷凝器有冷凝液管路经升压泵与蒸发器连通之后蒸发器再有蒸汽通道与汽轮机连通，汽轮机还有低压蒸汽通道与冷凝器连通；热源热交换器还有热源介质通道与外部连通，冷凝器还有冷却介质通道与外部连通，燃气轮机连接压缩机和第二压缩机并传输动力，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

2.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1项所述的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加高温回热器，将第二压缩机有空气通道经加热炉与燃烧室连通调整为第二压缩机有空气通道经高温回热器和加热炉与燃烧室连通，将燃气轮机有燃气通道经蒸发器与外部连通调整为燃气轮机有燃气通道经高温回热器和蒸发器与外部连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

3.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1项所述的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加高温回热器，将第二压缩机有空气通道经加热炉与燃烧室连通调整为第二压缩机有空气通道经高温回热器和加热炉与燃烧室连通，将燃烧室有燃气通道与燃气轮机连通调整为燃烧室有燃气通道与燃气轮机连通之后燃气轮机再有燃气通道经高温回热器与自身连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

4.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1项所述的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加高温回热器，将第二压缩机有空气通道经加热炉与燃烧室连通调整为第二压缩机有空气通道经高温回热器与自身连通之后第二压缩机再有空气通道经加热炉与燃烧室连通，将燃气轮机有燃气通道经蒸发器与外部连通调整为燃气轮机有燃气通道经高温回热器和蒸发器与外部连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

5.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1项所述的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加高温回热器，将压缩机有空气通道经热源热交换器与第二压缩机连通调整为压缩机有空气通道经热源热交换器与第二压缩机连通之后第二压缩机再有空气通道经高温回热器与自身连通，将燃烧室有燃气通道与燃气轮机连通调整为燃烧室有燃气通道与燃气轮机连通之后燃气轮机再有燃气通道经高温回热器与自身连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

6.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1、3、5项所述的任一一款燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加第二蒸发器和扩压管，将升压泵有冷凝液管路与蒸发器连通调整为升压泵有冷凝液管路与第二蒸发器连通之后第二蒸发器再有气液两相管路经扩压管与蒸发器连通，将燃气轮机有燃气通道经蒸发器与外部连通调整为燃气轮机有燃气通道经蒸发器和第二蒸发器与外部连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

7.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第2或第4项所述的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加第二蒸发器和扩压管，将升压泵有冷凝液管路与蒸发器连通调整为升压泵有冷凝液管路与第二蒸发器连通之后第二蒸发器再有气液两相管路经扩压管与蒸发器连通，将燃气轮机有燃气通道经高温回热器和蒸发器与外部连通调整为燃气轮机有燃气通道经高温回热器、蒸发器和第二蒸发器与外部连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

8.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1-7项所述的任一一款燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加第二升压泵和低温回热器，将冷凝器有冷凝液管路与升压泵连通调整为冷凝器有冷凝液管路经第二升压泵与低温回热器连通，汽轮机设置抽汽通道与低温回热器连通，低温回热器再有冷凝液管路与升压泵连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

9.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1-8项所述的任一一款燃料携同多热源联合循环热动装置中，将蒸发器有蒸汽通道与汽轮机连通调整为蒸发器有蒸汽通道经加热炉与汽轮机连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

10.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1-8项所述的任一一款燃料携同多热源联合循环热动装置中，将蒸发器有蒸汽通道与汽轮机连通调整为蒸发器有蒸汽通道与汽轮机连通之后汽轮机再有蒸汽通道经加热炉与自身连通，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

11.燃料携同多热源联合循环热动装置，是在第1-10项所述的任一一款燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加蒸汽膨胀增速机并取代汽轮机，增加新增扩压管并取代升压泵，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

附图说明：

图1是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第1种原则性热力系统图。

图2是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第2种原则性热力系统图。

图3是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第3种原则性热力系统图。

图4是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第4种原则性热力系统图。

图5是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第5种原则性热力系统图。

图6是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第6种原则性热力系统图。

图7是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第7种原则性热力系统图。

图8是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第8种原则性热力系统图。

图9是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第9种原则性热力系统图。

图10是依据本发明所提供的燃料携同多热源联合循环热动装置第10种原则性热力系统图。

图中，1-压缩机，2-第二压缩机，3-燃气轮机，4-热源热交换器，5-加热炉，6-燃烧室，7-热源回热器，8-汽轮机，9-升压泵，10-蒸发器，11-冷凝器，12-高温回热器，13-第二蒸发器，14-扩压管，15-第二升压泵，16-低温回热器；A-膨胀增速机，B-新增扩压管。

关于高品位燃料和低品位燃料的简要说明：

(1)高品位燃料：指的是燃烧产物形成的热源温度相对较高的燃料。

(2)低品位燃料：指的是燃烧产物形成的热源温度相对较低的燃料。

※相比之下，本发明中的热源介质，其品位(温度)比低品位燃料的品位还要低。

(3)对固体燃料来说，燃烧产物的气态物质是构成热源的核心，是热力系统的重要组成部分；而燃烧产物中的固态物质，如废渣，在其含有热能得到利用(利用流程及设备包含在加热炉内或在加热炉本体之外预热空气)之后被排出，不单独列出，其作用不单独表述。

(4)受限于现行技术条件或材料性能等原因，尤其对于需要通过间接手段向循环工质(工作介质)提供驱动高温热负荷的燃料来说，它们的品位高低应以现行技术条件下能够使循环工质所能达到的温度高低来划分一一使循环工质(工作介质)能够达到的温度更高者为高品位燃料，使循环工质(工作介质)能够达到的温度较低者为低品位燃料。

具体实施方式：

首先要说明的是，在结构和流程的表述上，非必要情况下不重复进行，对显而易见的流程不作表述；下面结合附图和实例来详细描述本发明。

图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、第二压缩机、燃气轮机、热源热交换器、加热炉、燃烧室、热源回热器、汽轮机、升压泵、蒸发器和冷凝器所组成；外部有低品位燃料通道与加热炉5连通，外部还有空气通道经热源回热器7与加热炉5连通，加热炉5还有燃气通道经热源回热器7与外部连通；外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有空气通道经热源热交换器4与第二压缩机2连通，第二压缩机2还有空气通道经加热炉5与燃烧室6连通，外部还有高品位燃料通道与燃烧室6连通，燃烧室6还有燃气通道与燃气轮机3连通，燃气轮机3还有燃气通道经蒸发器10与外部连通；冷凝器11有冷凝液管路经升压泵9与蒸发器10连通之后蒸发器10再有蒸汽通道与汽轮机8连通，汽轮机8还有低压蒸汽通道与冷凝器11连通；热源热交换器4还有热源介质通道与外部连通，冷凝器9还有冷却介质通道与外部连通，燃气轮机3连接压缩机1和第二压缩机2并传输动力。

(2)流程上，外部低品位燃料进入加热炉5，外部空气流经热源回热器7吸热升温之后进入加热炉5，燃料和空气在加热炉5内混合并燃烧生成温度较高的燃气，加热炉5内的燃气放热于流经其内的压缩空气并降温，之后流经热源回热器7放热降温和对外排放；外部空气流经压缩机1升压升温，流经热源热交换器4吸热升温，流经第二压缩机2升压升温，流经加热炉5吸热升温，之后提供给燃烧室6；外部高品位燃料进入燃烧室6，燃料和压缩空气在燃烧室6内混合并燃烧形成高压高温燃气，燃烧室6排放的燃气流经燃气轮机3降压作功，流经蒸发器10放热降温，之后对外排放；冷凝器11的冷凝液流经升压泵9升压，流经蒸发器10吸热升温、汽化和过热，蒸发器10排放的蒸汽流经汽轮机8降压作功，汽轮机8排放的低压蒸汽进入冷凝器11放热并冷凝；热源介质通过热源热交换器4提供驱动热负荷，低品位燃料通过加热炉5提供驱动热负荷，高品位燃料通过燃烧室6提供驱动热负荷，冷却介质通过冷凝器11带走低温热负荷，空气和燃气通过进出流程带走少许低温热负荷，燃气轮机3和汽轮机8输出的功提供给压缩机1、第二压缩机2和外部作动力，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图2所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

(1)结构上，在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加高温回热器，将第二压缩机2有空气通道经加热炉5与燃烧室6连通调整为第二压缩机2有空气通道经高温回热器12和加热炉5与燃烧室6连通，将燃气轮机3有燃气通道经蒸发器10与外部连通调整为燃气轮机3有燃气通道经高温回热器12和蒸发器10与外部连通。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置相比较，不同之处在于：第二压缩机2排放的空气流经高温回热器12吸热升温，流经加热炉5吸热升温，之后提供给燃烧室6；燃气轮机3排放的燃气流经高温回热器12和蒸发器10逐步放热降温，之后对外排放，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图3所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

(1)结构上，在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加高温回热器，将第二压缩机2有空气通道经加热炉5与燃烧室6连通调整为第二压缩机2有空气通道经高温回热器12和加热炉5与燃烧室6连通，将燃烧室6有燃气通道与燃气轮机3连通调整为燃烧室6有燃气通道与燃气轮机3连通之后燃气轮机3再有燃气通道经高温回热器12与自身连通。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置相比较，不同之处在于：第二压缩机2排放的空气流经高温回热器12吸热升温，流经加热炉5吸热升温，之后提供给燃烧室6；燃烧室6排放的燃气进入燃气轮机3降压作功，至一定程度之后流经高温回热器12放热降温，进入燃气轮机3继续降压作功，再之后流经蒸发器10放热降温和对外排放，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图4所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

(1)结构上，在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加高温回热器，将第二压缩机2有空气通道经加热炉5与燃烧室6连通调整为第二压缩机2有空气通道经高温回热器12与自身连通之后第二压缩机2再有空气通道经加热炉5与燃烧室6连通，将燃气轮机3有燃气通道经蒸发器10与外部连通调整为燃气轮机3有燃气通道经高温回热器12和蒸发器10与外部连通。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置相比较，不同之处在于：压缩机1排放的空气流经热源热交换器4吸热升温，进入第二压缩机2升压升温至一定程度之后流经高温回热器12吸热升温，再之后进入第二压缩机2继续升压升温；燃气轮机3排放的燃气流经高温回热器12和蒸发器10逐步放热降温，之后对外排放，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图5所示的回热式燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加高温回热器，将压缩机1有空气通道经热源热交换器4与第二压缩机2连通调整为压缩机1有空气通道经热源热交换器4与第二压缩机2连通之后第二压缩机2再有空气通道经高温回热器12与自身连通，将燃烧室6有燃气通道与燃气轮机3连通调整为燃烧室6有燃气通道与燃气轮机3连通之后燃气轮机3再有燃气通道经高温回热器12与自身连通。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置相比较，不同之处在于：压缩机1排放的空气流经热源热交换器4吸热升温，进入第二压缩机2升压升温至一定程度之后流经高温回热器12吸热升温，再之后进入第二压缩机2继续升压升温；燃烧室6排放的燃气进入燃气轮机3降压作功，至一定程度之后流经高温回热器12放热降温，进入燃气轮机3继续降压作功，再之后流经蒸发器10放热降温和对外排放，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图6所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

(1)结构上，在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加第二蒸发器和扩压管，将升压泵9有冷凝液管路与蒸发器10连通调整为升压泵9有冷凝液管路与第二蒸发器13连通之后第二蒸发器13再有气液两相管路经扩压管14与蒸发器10连通，将燃气轮机3有燃气通道经蒸发器10与外部连通调整为燃气轮机3有燃气通道经蒸发器10和第二蒸发器13与外部连通。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置相比较，不同之处在于：冷凝器11的冷凝液流经升压泵9升压，流经第二蒸发器13吸热升温并部分汽化，流经扩压管14降速升压，流经蒸发器10吸热汽化和过热，之后提供给汽轮机8；燃气轮机3排放的燃气流经蒸发器10和第二蒸发器13逐步放热降温，之后对外排放，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图7所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

(1)结构上，在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加第二升压泵和低温回热器，将冷凝器11有冷凝液管路与升压泵9连通调整为冷凝器11有冷凝液管路经第二升压泵15与低温回热器16连通，汽轮机8设置抽汽通道与低温回热器16连通，低温回热器16再有冷凝液管路与升压泵9连通。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置相比较，不同之处在于：冷凝器11排放的冷凝液流经第二升压泵15升压之后进入低温回热器16，与来自汽轮机8的抽汽混合、吸热和升温，抽汽放热成冷凝液；低温回热器16的冷凝液流经升压泵9升压，流经蒸发器10吸热升温、汽化和过热，之后进入汽轮机8降压作功；蒸汽在汽轮机8内降压作功至一定程度之后分成两路一一第一路提供给低温回热器16，第二路继续降压作功之后进入冷凝器11放热并冷凝，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图8所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，将蒸发器10有蒸汽通道与汽轮机8连通调整为蒸发器10有蒸汽通道经加热炉5与汽轮机8连通；冷凝器11的冷凝液流经升压泵9升压，流经蒸发器10和加热炉5逐步吸热(或首先在蒸发器10内部分汽化而后在加热炉5内全部汽化，或首先在蒸发器10内全部汽化而后在加热炉内吸热升温)，之后提供给汽轮机8，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图9所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，将蒸发器10有蒸汽通道与汽轮机8连通调整为蒸发器10有蒸汽通道与汽轮机8连通之后汽轮机8再有蒸汽通道经加热炉5与自身连通；蒸发器10排放的蒸汽进入汽轮机8降压作功，至一定程度之后流经加热炉5吸热升温，然后进入汽轮机8继续降压作功，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

图10所示的燃料携同多热源联合循环热动装置是这样实现的：

(1)结构上，在图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置中，增加蒸汽膨胀增速机A并取代汽轮机8，增加新增扩压管B并取代升压泵9。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同多热源联合循环热动装置相比较，不同之处在于：冷凝器11的冷凝液流经新增扩压管B降速升压，流经蒸发器10吸热升温、汽化和过热，蒸发器10排放的蒸汽流经膨胀增速机A降压作功并增速，膨胀增速机A排放的低压蒸汽进入冷凝器11放热并冷凝；燃气轮机3和膨胀增速机A输出的功提供给压缩机1、第二压缩机2和外部作动力，形成燃料携同多热源联合循环热动装置。

本发明技术可以实现的效果——本发明所提出的燃料携同多热源联合循环热动装置，具有如下效果和优势：

(1)一套装置实现多种不同类型驱动能源的高效热变功，大幅度降低系统制造成本。

(2)低温热负荷用于降低项部循环子系统的压缩比，或用于降低燃料燃烧环节温差损失，提升高品位燃料热变功效率和应用价值。

(3)低温驱动热负荷能够减少高温热负荷在正向循环中的低温热负荷排放量，提升热变功体系的热力学完善度。

(4)低温热负荷应用于高温热负荷热变功体系，流程合理，结构简单，大幅度简化热变功体系(减少热变功装置套数)，提高系统经济性。

(5)高品位燃料携同低品位燃料共同实现高效率热变功，大幅度提升低品位燃料转换为机械能的经济价值，有效降低燃料成本。

(6)高温驱动热负荷实现分级利用，显著降低温差不可逆损失，有效提升热变功效率。

(7)提升燃料利用价值，减少温室气体和污染物排放，能够实现突出的节能减排效益。

(8)提供多种回热技术手段，有效提升装置在功率、热效率、升压比等多方面的协调性。

(9)提供多种具体技术方案，提升低温热负荷和低品位燃料利用价值，实现能源合理利用，有利于扩展燃气-蒸汽联合循环热动装置的应用范围。