燃料携同回热式燃气轮机装置

技术领域：

本发明属于热力学与热动技术领域。

背景技术：

燃料有不同的种类和不同的性质，燃料燃烧所形成燃气的温度高低直接决定着热变功效率；受工作原理、工作介质性质、材料性质、设备及其它部件制造水平等某一或多个因素所限制，在采用高品位燃料的热动装置中，燃烧过程存在较大温差不可逆损失；深入之后分析发现，这给低品位燃料的高价值动力利用提供了机会。

采用布雷顿循环为工作原理的燃气动力装置，或采用燃气-蒸汽联合循环动力装置，是利用燃料燃烧形成的高温热负荷转换为动力的主要手段。为提高高温热负荷的动力应用价值，应尽可能提高燃气工质生成过程的平均温度，以及降低燃气动力装置排放热负荷的温度和数量。现有技术下，当燃烧形成的燃气工质温度越高时，燃气轮机排放燃气的温度也随之升高，这也使得采用传统回热技术来降低排放热负荷的难度随之增高。不论对燃气动力循环装置本身，还是下接朗肯循环动力装置来说，排放热负荷的温度提高和数量增加都影响着热变功效率的最大化。

本着简单、主动、安全、高效地利用能源来获得动力的基本原则，本发明给出了将低品位燃料与高品位燃料搭配使用，具有热效率高、安全性强和结构简单等优势，大幅度提高低品位燃料热变功效率，有效降低动力装置建造成本的燃料携同回热式燃气轮机装置。

发明内容：

本发明主要目的是要提供燃料携同回热式燃气轮机装置，具体发明内容分项阐述如下：

1.燃料携同回热式燃气轮机装置，主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室和热源回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室连通，外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有第一空气通道经回热器与空气膨胀机连通之后空气膨胀机再有空气通道与外部连通，压缩机还有第二空气通道经加热炉与燃烧室连通，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回热器与外部连通；空气膨胀机和燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

2.燃料携同回热式燃气轮机装置，主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室和热源回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室连通，外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有第一空气通道经回热器与空气膨胀机连通之后空气膨胀机再有空气通道与外部连通，压缩机还有第二空气通道经加热炉与燃烧室连通，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回热器与自身连通之后燃气轮机再有燃气通道与外部连通；空气膨胀机和燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

3.燃料携同回热式燃气轮机装置，主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室、热源回热器和第二回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室连通，外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有第一空气通道经回热器与空气膨胀机连通之后空气膨胀机再有空气通道与外部连通，压缩机还有第二空气通道经第二回热器和加热炉与燃烧室连通，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第二回热器和回热器与外部连通；空气膨胀机和燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

4.燃料携同回热式燃气轮机装置，主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室、热源回热器和第二回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室连通，外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有第一空气通道经回热器与空气膨胀机连通之后空气膨胀机再有空气通道与外部连通，压缩机还有第二空气通道经第二回热器和加热炉与燃烧室连通，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第二回热器和回热器与自身连通之后燃气轮机再有燃气通道与外部连通；空气膨胀机和燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

5.燃料携同回热式燃气轮机装置，主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室、热源回热器和第二回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室连通，外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有第一空气通道经回热器与空气膨胀机连通之后空气膨胀机再有空气通道与外部连通，压缩机还有第二空气通道经第二回热器与自身连通之后压缩机再有空气通道经加热炉与燃烧室连通，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第二回热器和回热器与外部连通；空气膨胀机和燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

6.燃料携同回热式燃气轮机装置，主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室、热源回热器和第二回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室连通，外部有空气通道与压缩机连通，压缩机还有第一空气通道经回热器与空气膨胀机连通之后空气膨胀机再有空气通道与外部连通，压缩机还有第二空气通道经第二回热器与自身连通之后压缩机再有空气通道经加热炉与燃烧室连通，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第二回热器与自身连通之后燃气轮机再有燃气通道经回热器与外部连通；空气膨胀机和燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

7.燃料携同回热式燃气轮机装置，是在第1、3、5、6项所述的任一一款燃料携同回热式燃气轮机装置中，增加新增膨胀机和新增回热器，将压缩机有第一空气通道经回热器与空气膨胀机连通调整为压缩机有第一空气通道与新增回热器连通之后分成两路——第一路经回热器与空气膨胀机连通，第二路经新增膨胀机与外部连通；将空气膨胀机有空气通道与外部连通调整为空气膨胀机有空气通道经新增回热器与外部连通，将回热器有燃气通道与外部连通调整为回热器有燃气通道经新增回热器与外部连通，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

8.燃料携同回热式燃气轮机装置，是在第2或第4项所述的燃料携同回热式燃气轮机装置中，增加新增膨胀机和新增回热器，将压缩机有第一空气通道经回热器与空气膨胀机连通调整为压缩机有第一空气通道与新增回热器连通之后分成两路——第一路经回热器与空气膨胀机连通，第二路经新增膨胀机与外部连通；将空气膨胀机有空气通道与外部连通调整为空气膨胀机有空气通道经新增回热器与外部连通，将燃气轮机有燃气通道与外部连通调整为燃气轮机有燃气通道经新增回热器与外部连通，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

9.燃料携同回热式燃气轮机装置，是在第1-8项所述的任一一款燃料携同回热式燃气轮机装置中，取消热源回热器，取消外部与加热炉连通的低品位燃料通道，取消外部经热源回热器与加热炉连通的空气通道，取消加热炉经热源回热器与外部连通的燃气通道，加热炉增设热源介质通道与外部连通，形成燃料携同回热式热动循环装置。

附图说明：

图1是依据本发明所提供的燃料携同回热式燃气轮机装置第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回热式燃气轮机装置第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回热式燃气轮机装置第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回热式燃气轮机装置第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回热式燃气轮机装置第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回热式燃气轮机装置第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回热式燃气轮机装置第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回热式燃气轮机装置第8种原则性热力系统图。

图中，1-压缩机，2-空气膨胀机，3-燃气轮机，4-回热器，5-加热炉，6-燃烧室，7-热源回热器，8-第二回热器；A-新增膨胀机，B-新增回热器；其中，跨临界循环时冷却器为冷凝器。

关于低品位燃料和高品位燃料，这里给出如下简要说明：

(1)低品位燃料：指的是燃烧产物难以形成较高温度的高温热源的燃料。

(2)高品位燃料：指的是燃烧产物能够形成较高温度的高温热源的燃料。

(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，采取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燃料品位的高低——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所示的燃料携同回热式燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室和热源回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室6连通，外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有第一空气通道经回热器4与空气膨胀机2连通之后空气膨胀机2再有空气通道与外部连通，压缩机1还有第二空气通道经加热炉5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还有燃气通道经回热器4与外部连通；空气膨胀机2和燃气轮机3连接压缩机1并传输动力。

(2)流程上，外部空气流经热源回热器7吸热升温之后进入加热炉5，外部低品位燃料进入加热炉5，燃料和空气在加热炉5内混合并燃烧生成较高温度的燃气，燃气放热于流经加热炉5的空气之后流经热源回热器7继续放热降温，再之后对外排放；外部空气进入压缩机1升压升温，至一定程度之后分成两路——第一路流经回热器4吸热升温、流经空气膨胀机2降压作功和对外排放，第二路继续升压升温之后提供给加热炉5；空气流经加热炉5吸热升温之后进入燃烧室6参与燃烧，外部高品位燃料进入燃烧室6，燃料和空气在燃烧室6内混合并燃烧生成更高压力和温度的燃气；燃烧室6排放的燃气流经燃气轮机3降压作功，流经回热器4放热降温，之后对外排放；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，空气和燃气通过进出流程带走低温热负荷，空气膨胀机2和燃气轮机3输出的功提供给压缩机1和外部作动力，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

图2所示的燃料携同回热式燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室和热源回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室6连通，外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有第一空气通道经回热器4与空气膨胀机2连通之后空气膨胀机2再有空气通道与外部连通，压缩机1还有第二空气通道经加热炉5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还有燃气通道经回热器4与自身连通之后燃气轮机3再有燃气通道与外部连通；空气膨胀机2和燃气轮机3连接压缩机1并传输动力。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同回热式燃气轮机装置相比较，不同之处在于：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回热器4放热降温，再之后进入燃气轮机3继续降压作功和对外排放，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

图3所示的燃料携同回热式燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室、热源回热器和第二回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室6连通，外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有第一空气通道经回热器4与空气膨胀机2连通之后空气膨胀机2再有空气通道与外部连通，压缩机1还有第二空气通道经第二回热器8和加热炉5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还有燃气通道经第二回热器8和回热器4与外部连通；空气膨胀机2和燃气轮机3连接压缩机1并传输动力。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同回热式燃气轮机装置相比较，不同之处在于：压缩机1排放的第二路空气流经第二回热器8和加热炉5逐步吸热升温，之后进入燃烧室6参与燃烧；燃气轮机3排放的燃气流经第二回热器8和回热器4逐步放热降温，之后对外排放，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

图4所示的燃料携同回热式燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室、热源回热器和第二回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室6连通，外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有第一空气通道经回热器4与空气膨胀机2连通之后空气膨胀机2再有空气通道与外部连通，压缩机1还有第二空气通道经第二回热器8和加热炉5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还有燃气通道经第二回热器8和回热器4与自身连通之后燃气轮机3再有燃气通道与外部连通；空气膨胀机2和燃气轮机3连接压缩机1并传输动力。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同回热式燃气轮机装置相比较，不同之处在于：压缩机1排放的第二路空气流经第二回热器8和加热炉5逐步吸热升温，之后进入燃烧室6参与燃烧；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第二回热器8和回热器4逐步放热降温，进入燃气轮机3继续降压作功，再之后对外排放，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

图5所示的燃料携同回热式燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室、热源回热器和第二回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室6连通，外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有第一空气通道经回热器4与空气膨胀机2连通之后空气膨胀机2再有空气通道与外部连通，压缩机1还有第二空气通道经第二回热器8与自身连通之后压缩机1再有空气通道经加热炉5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还有燃气通道经第二回热器8和回热器4与外部连通；空气膨胀机2和燃气轮机3连接压缩机1并传输动力。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同回热式燃气轮机装置相比较，不同之处在于：外部空气进入压缩机1升压升温至一定程度之后分成两路——第一路流经回热器4吸热升温之后进入空气膨胀机2降压作功和对外排放，第二路继续升压升温至一定程度之后进入第二回热器8吸热升温；第二回热器8排放的空气进入压缩机1继续升压升温，流经加热炉5吸热升温，之后进入燃烧室6参与燃烧；燃烧室6排放的燃气进入燃气轮机3降压作功，流经第二回热器8和回热器4逐步放热降温，再之后对外排放，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

图6所示的燃料携同回热式燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由压缩机、空气膨胀机、燃气轮机、回热器、加热炉、燃烧室、热源回热器和第二回热器所组成；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，外部还有高品位燃料通道与燃烧室6连通，外部有空气通道与压缩机1连通，压缩机1还有第一空气通道经回热器4与空气膨胀机2连通之后空气膨胀机2再有空气通道与外部连通，压缩机1还有第二空气通道经第二回热器8与自身连通之后压缩机1再有空气通道经加热炉5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还有燃气通道经第二回热器8与自身连通之后燃气轮机3再有燃气通道经回热器4与外部连通；空气膨胀机2和燃气轮机3连接压缩机1并传输动力。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同回热式燃气轮机装置相比较，不同之处在于：外部空气进入压缩机1升压升温至一定程度之后分成两路——第一路流经回热器4吸热升温之后进入空气膨胀机2降压作功和对外排放，第二路继续升压升温至一定程度之后进入第二回热器8吸热升温；第二回热器8排放的空气进入压缩机1继续升压升温，流经加热炉5吸热升温，之后进入燃烧室6参与燃烧；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第二回热器8放热降温，进入燃气轮机3继续降压作功，再之后流经回热器4放热降温和对外排放，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

图7所示的燃料携同回热式燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，在图1所示的燃料携同回热式燃气轮机装置中，增加新增膨胀机和新增回热器，将压缩机1有第一空气通道经回热器4与空气膨胀机2连通调整为压缩机1有第一空气通道与新增回热器B连通之后分成两路——第一路经回热器4与空气膨胀机2连通，第二路经新增膨胀机A与外部连通；将空气膨胀机2有空气通道与外部连通调整为空气膨胀机2有空气通道经新增回热器B与外部连通，将回热器4有燃气通道与外部连通调整为回热器4有燃气通道经新增回热器B与外部连通。

(2)流程上，与图1所示的燃料携同回热式燃气轮机装置相比较，不同之处在于：压缩机1排放的第一路空气流经新增回热器B吸热升温之后分成两路——第一路流经回热器4吸热升温之后提供给空气膨胀机2，第二路流经新增膨胀机A降压作功之后对外排放；空气膨胀机2排放的空气流经新增回热器B放热降温，之后对外排放；燃气轮机3排放的燃气流经回热器4和新增回热器B逐步放热降温，之后对外排放，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

图8所示的燃料携同回热式燃气轮机装置是这样实现的：

在图1所示的燃料携同回热式热动循环装置中，取消热源回热器，取消外部与加热炉5连通的低品位燃料通道，取消外部经热源回热器7与加热炉5连通的空气通道，取消加热炉5经热源回热器7与外部连通的燃气通道，加热炉5增设热源介质通道与外部连通；热源介质取代低品位燃料，热源介质通过加热炉5提供驱动热负荷，形成燃料携同回热式燃气轮机装置。

本发明技术可以实现的效果——本发明所提出的燃料携同回热式燃气轮机装置，具有如下效果和优势：

(1)高温燃气生成环节温差不可逆损失小，有利于提升热效率。

(2)显著降低或进一步降低温热负荷排放温度和数量，减少放热过程温差不可逆损失。

(3)显著提升热变功体系热力学完善度，为构建高效率燃气-蒸汽联合循环奠定基础。

(4)实现燃料型高温热负荷的高效动力利用，提升燃料型高温热负荷利用水平和价值。

(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，显著降低燃料成本。

(6)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。

(7)流程合理，结构简单，方案丰富，有效适应多种燃料；显著降低燃料携同回热式燃气轮机装置的制造成本，提高系统经济性。

(8)提供多种具体技术方案，适用范围广泛；有利于提升能源合理利用水平，有利于大幅扩展燃料携同回热式燃气轮机装置的应用范围和价值。