双燃料高温热源与双燃料燃气轮机装置

技术领域：

本发明属于热力学与热动技术领域。

背景技术：

冷需求、热需求和动力需求，为人类生活与生产当中所常见；其中，将不同品质的化石燃料、生物质燃料等通过燃烧形成高温热源，是进行冷、热、动力生产与利用的首要环节；减少高温热源形成过程的温差不可逆损失，是实现能源高效利用的关键和首要环节；将燃料的化学能通过燃烧转换为热能，进而通过不同的热变功装置再将热能转换为机械能，是向人类提供动力或电力的重要手段。

燃料有不同的种类和不同的性质，其中燃料燃烧形成燃气的温度高低与转换效率密切相关；从燃烧形成的燃气温度——如绝热燃烧温度或定压燃烧温度——来看，定压燃烧温度高的高品位燃料，对应着高品位热源，可转化更多的机械能；而定压燃烧温度低的低品位燃料，难以形成高温燃烧产物，对应着低品位热源，转化的机械能相对较少。

由于受限于工作原理，或受限于工作介质的性质，或受限于材料性质，或受限于压缩设备及其它部件的制造水平等原因，采用高品位优质燃料的气体动力装置中，燃烧室内高温热源的形成过程中存在较大的温差损失，这带来较大的燃料利用上的质量损失——不过，这为低品位燃料参与高温热源构建和提供驱动热负荷带来了机遇。

人们需要简单、主动、安全、高效地利用燃料来形成高温热源，本发明给出了将低品位燃料与高品位燃料进行合理搭配使用，实现取长补短和优势互补，能够同时提升两种燃料利用价值，减少温室气体排放，以及有效降低燃料成本的双燃料高温热源与双燃料燃气轮机装置。

发明内容：

本发明主要目的是要提供双燃料高温热源与双燃料燃气轮机装置，具体发明内容分项阐述如下：

1.双燃料高温热源，主要由燃烧室、加热炉和热源回热器所组成；外部有高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，外部有低品位燃料与燃烧室连通，外部有空气通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经加热炉与外部连通，形成双燃料高温热源。

2.双燃料燃气轮机装置，主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机和燃气轮机所组成；外部有高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，外部有低品位燃料与燃烧室连通，外部有空气通道经压缩机与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经加热炉和燃气轮机与外部连通；燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成双燃料燃气轮机装置。

3.双燃料燃气轮机装置，主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高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，外部有低品位燃料与燃烧室连通，外部有空气通道经压缩机和高温回热器与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经加热炉与燃气轮机连通，燃气轮机还有燃气通道经高温回热器外部连通；燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成双燃料燃气轮机装置。

4.双燃料燃气轮机装置，主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高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，外部有低品位燃料与燃烧室连通，外部有空气通道经压缩机与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经高温回热器和加热炉与燃气轮机连通，燃气轮机还有燃气通道经高温回热器外部连通；燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成双燃料燃气轮机装置。

5.双燃料燃气轮机装置，主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高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，外部有低品位燃料与燃烧室连通，外部有空气通道经压缩机和高温回热器与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经加热炉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，燃气轮机还有燃气通道与外部连通；燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成双燃料燃气轮机装置。

6.双燃料燃气轮机装置，主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高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，外部有低品位燃料与燃烧室连通，外部有空气通道经压缩机与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经高温回热器和加热炉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，燃气轮机还有燃气通道与外部连通；燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成双燃料燃气轮机装置。

7.双燃料燃气轮机装置，主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高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，外部有低品位燃料与燃烧室连通，外部有空气通道与压缩机连通之后压缩机再有空气通道经高温回热器与自身连通，压缩机还有空气通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经加热炉与燃气轮机连通，燃气轮机还有燃气通道经高温回热器与外部连通；燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成双燃料燃气轮机装置。

8.双燃料燃气轮机装置，主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高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，外部有低品位燃料与燃烧室连通，外部有空气通道与压缩机连通之后压缩机再有空气通道经高温回热器与自身连通，压缩机还有空气通道与燃烧室连通，燃烧室还有燃气通道经加热炉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，燃气轮机还有燃气通道与外部连通；燃气轮机连接压缩机并传输动力，形成双燃料燃气轮机装置。

附图说明：

图1是依据本发明所提供的双燃料燃气轮机装置原则性热力系统图。

图2是依据本发明所提供的双燃料燃气轮机装置第1种原则性热力系统图。

图3是依据本发明所提供的双燃料燃气轮机装置第2种原则性热力系统图。

图4是依据本发明所提供的双燃料燃气轮机装置第3种原则性热力系统图。

图5是依据本发明所提供的双燃料燃气轮机装置第4种原则性热力系统图。

图6是依据本发明所提供的双燃料燃气轮机装置第5种原则性热力系统图。

图7是依据本发明所提供的双燃料燃气轮机装置第6种原则性热力系统图。

图8是依据本发明所提供的双燃料燃气轮机装置第7种原则性热力系统图。

图中，1-燃烧室，2-加热炉，3-热源回热器，4-压缩机，5-燃气轮机，6-高温回热器。

关于燃烧室1、加热炉2、低品位燃料和高品位燃料，这里给出如下说明：

(1)燃烧室1和加热炉2：

①燃烧室1主要用于生成燃气工作介质，必要时其内部可设置换热管束以对其它介质进行加热。

②热源回热器涉及加热炉2内燃气(即高温热源)的温度品位，单独列出。

③根据需要，加热炉2内部设置热交换器(换热管束)，对流经其内的工作介质进行加热，包括用于介质升温的热交换器，用于受热汽化的蒸发器，以及对蒸汽进行再热的再热器等。

④不具体指明循环介质流经加热炉受热汽化或再热升温时所涉及到的具体换热管束，而统一采用加热炉来表述。

(2)低品位燃料和高品位燃料：

①低品位燃料：指的是燃烧产物所能够形成的最高温度(比如绝热燃烧温度或定压燃烧温度)相对较低的燃料；如相对于优质煤炭，煤矸石、煤泥等则是低品位燃料。从热源的概念来看，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：指的是燃烧产物所能够形成的最高温度(比如绝热燃烧温度或定压燃烧温度)相对较高的燃料；如相对于煤矸石、煤泥等燃料而言，优质煤、天然气、甲烷、氢气等都是高品位燃料。从热源的概念来看，低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，其含有的热能被利用(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，无需单独列出，其作用也不单独表述。

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所示的双燃料高温热源是这样实现的：

(1)结构上，它主要由燃烧室、加热炉和热源回热器所组成；外部有高品位燃料通道与加热炉2连通，外部还有空气通道经热源回热器3与加热炉2连通，加热炉2还有燃气通道经热源回热器3与外部连通，外部有低品位燃料与燃烧室1连通，外部有空气通道与燃烧室1连通，燃烧室1还有燃气通道经加热炉2与外部连通。

(2)流程上，外部第一路空气流经热源回热器3吸热升温之后进入加热炉2参与燃烧，外部高品位燃料进入加热炉2，与来自热源回热器3的空气混合并燃烧成高温燃气，加热炉2产生的燃气放热于产自燃烧室1且流经加热炉2的燃气并降温，之后流经热源回热器3放热降温，再之后对外排放；外部第二路空气进入燃烧室1参与燃烧，外部低品位燃料进入燃烧室1，低品位燃料和空气在燃烧室1内混合并燃烧成温度较高的燃气，该燃气流经加热炉2吸热升温之后对外提供；低品位燃料通过燃烧室1和高品位燃料通过加热炉2分别为高温热源提供热负荷，燃烧室1形成的燃气对外提供高温热负荷，形成双燃料高温热源。

图2所示的双燃料燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机和燃气轮机所组成；外部有高品位燃料通道与加热炉2连通，外部还有空气通道经热源回热器3与加热炉2连通，加热炉2还有燃气通道经热源回热器3与外部连通，外部有低品位燃料与燃烧室1连通，外部有空气通道经压缩机4与燃烧室1连通，燃烧室1还有燃气通道经加热炉2和燃气轮机5与外部连通；燃气轮机5连接压缩机4并传输动力。

(2)流程上，外部第一路空气流经热源回热器3吸热升温之后进入加热炉2参与燃烧，外部高品位燃料进入加热炉2，与来自热源回热器3的空气混合并燃烧成高温燃气，加热炉2产生的燃气放热于来自燃烧室1且流经加热炉2的燃气并降温，之后流经热源回热器3放热降温，再之后对外排放；外部第二路空气流经压缩机4升压升温之后进入燃烧室1参与燃烧，外部低品位燃料进入燃烧室1，低品位燃料和空气在燃烧室1内混合并燃烧成温度较高的燃气；燃烧室1生产的燃气流经加热炉2吸热升温，流经燃气轮机5降压作功，之后对外排放；低品位燃料通过燃烧室1和高品位燃料通过加热炉2共同提供驱动热负荷，空气与燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机5输出的功提供给压缩机4和外部作动力，形成双燃料燃气轮机装置。

图3所示的双燃料燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高品位燃料通道与加热炉2连通，外部还有空气通道经热源回热器3与加热炉2连通，加热炉2还有燃气通道经热源回热器3与外部连通，外部有低品位燃料与燃烧室1连通，外部有空气通道经压缩机4和高温回热器6与燃烧室1连通，燃烧室1还有燃气通道经加热炉2与燃气轮机5连通，燃气轮机5还有燃气通道经高温回热器6外部连通；燃气轮机5连接压缩机4并传输动力。

(2)流程上，外部第一路空气流经热源回热器3吸热升温之后进入加热炉2参与燃烧，外部高品位燃料进入加热炉2，与来自热源回热器3的空气混合并燃烧成高温燃气，加热炉2产生的燃气放热于来自燃烧室1且流经加热炉2的燃气并降温，之后流经热源回热器3放热降温，再之后对外排放；外部第二路空气流经压缩机4升压升温和流经高温回热器6吸热升温之后进入燃烧室1参与燃烧，外部低品位燃料进入燃烧室1，低品位燃料和空气在燃烧室1内混合并燃烧成温度较高的燃气；燃烧室1生产的燃气流经加热炉2吸热升温，流经燃气轮机5降压作功，流经高温回热器6放热降温，之后对外排放；低品位燃料通过燃烧室1和高品位燃料通过加热炉2共同提供驱动热负荷，空气与燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机5输出的功提供给压缩机4和外部作动力，形成双燃料燃气轮机装置。

图4所示的双燃料燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高品位燃料通道与加热炉2连通，外部还有空气通道经热源回热器3与加热炉2连通，加热炉2还有燃气通道经热源回热器3与外部连通，外部有低品位燃料与燃烧室1连通，外部有空气通道经压缩机4与燃烧室1连通，燃烧室1还有燃气通道经高温回热器6和加热炉2与燃气轮机5连通，燃气轮机5还有燃气通道经高温回热器6外部连通；燃气轮机5连接压缩机4并传输动力。

(2)流程上，外部第一路空气流经热源回热器3吸热升温之后进入加热炉2参与燃烧，外部高品位燃料进入加热炉2，与来自热源回热器3的空气混合并燃烧成高温燃气，加热炉2产生的燃气放热于来自高温回热器6且流经加热炉2的燃气并降温，之后流经热源回热器3放热降温，再之后对外排放；外部第二路空气流经压缩机4升压升温之后进入燃烧室1参与燃烧，外部低品位燃料进入燃烧室1，低品位燃料和空气在燃烧室1内混合并燃烧成温度较高的燃气；燃烧室1生产的燃气流经高温回热器6和加热炉2逐步吸热升温，流经燃气轮机5降压作功，流经高温回热器6放热降温，之后对外排放；低品位燃料通过燃烧室1和高品位燃料通过加热炉2共同提供驱动热负荷，空气与燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机5输出的功提供给压缩机4和外部作动力，形成双燃料燃气轮机装置。

图5所示的双燃料燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高品位燃料通道与加热炉2连通，外部还有空气通道经热源回热器3与加热炉2连通，加热炉2还有燃气通道经热源回热器3与外部连通，外部有低品位燃料与燃烧室1连通，外部有空气通道经压缩机4和高温回热器6与燃烧室1连通，燃烧室1还有燃气通道经加热炉2与燃气轮机5连通之后燃气轮机5再有燃气通道经高温回热器6与自身连通，燃气轮机5还有燃气通道与外部连通；燃气轮机5连接压缩机4并传输动力。

(2)流程上，外部第一路空气流经热源回热器3吸热升温之后进入加热炉2参与燃烧，外部高品位燃料进入加热炉2，与来自热源回热器3的空气混合并燃烧成高温燃气，加热炉2产生的燃气放热于来自燃烧室1且流经加热炉2的燃气并降温，之后流经热源回热器3放热降温，再之后对外排放；外部第二路空气流经压缩机4升压升温和流经高温回热器6吸热升温之后进入燃烧室1参与燃烧，外部低品位燃料进入燃烧室1，低品位燃料和空气在燃烧室1内混合并燃烧成温度较高的燃气；燃烧室1生产的燃气流经加热炉2吸热升温，进入燃气轮机5降压作功至一定程度之后流经高温回热器6放热降温，再之后进入燃气轮机5继续降压作功和对外排放；低品位燃料通过燃烧室1和高品位燃料通过加热炉2共同提供驱动热负荷，空气与燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机5输出的功提供给压缩机4和外部作动力，形成双燃料燃气轮机装置。

图6所示的双燃料燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高品位燃料通道与加热炉2连通，外部还有空气通道经热源回热器3与加热炉2连通，加热炉2还有燃气通道经热源回热器3与外部连通，外部有低品位燃料与燃烧室1连通，外部有空气通道经压缩机4与燃烧室1连通，燃烧室1还有燃气通道经高温回热器6和加热炉2与燃气轮机5连通之后燃气轮机5再有燃气通道经高温回热器6与自身连通，燃气轮机5还有燃气通道与外部连通；燃气轮机5连接压缩机4并传输动力。

(2)流程上，外部第一路空气流经热源回热器3吸热升温之后进入加热炉2参与燃烧，外部高品位燃料进入加热炉2，与来自热源回热器3的空气混合并燃烧成高温燃气，加热炉2产生的燃气放热于来自高温回热器6且流经加热炉2的燃气并降温，之后流经热源回热器3放热降温，再之后对外排放；外部第二路空气流经压缩机4升压升温之后进入燃烧室1参与燃烧，外部低品位燃料进入燃烧室1，低品位燃料和空气在燃烧室1内混合并燃烧成温度较高的燃气；燃烧室1生产的燃气流经高温回热器6和加热炉2逐步吸热升温，进入燃气轮机5降压作功至一定程度之后流经高温回热器6放热降温，再之后进入燃气轮机5继续降压作功和对外排放；低品位燃料通过燃烧室1和高品位燃料通过加热炉2共同提供驱动热负荷，空气与燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机5输出的功提供给压缩机4和外部作动力，形成双燃料燃气轮机装置。

图7所示的双燃料燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高品位燃料通道与加热炉2连通，外部还有空气通道经热源回热器3与加热炉2连通，加热炉2还有燃气通道经热源回热器3与外部连通，外部有低品位燃料与燃烧室1连通，外部有空气通道与压缩机4连通之后压缩机4再有空气通道经高温回热器6与自身连通，压缩机4还有空气通道与燃烧室1连通，燃烧室1还有燃气通道经加热炉2与燃气轮机5连通，燃气轮机5还有燃气通道经高温回热器6与外部连通；燃气轮机5连接压缩机4并传输动力。

(2)流程上，外部第一路空气流经热源回热器3吸热升温之后进入加热炉2参与燃烧，外部高品位燃料进入加热炉2，与来自热源回热器3的空气混合并燃烧成高温燃气，加热炉2产生的燃气放热于来自燃烧室1且流经加热炉2的燃气并降温，之后流经热源回热器3放热降温，再之后对外排放；外部第二路空气进入压缩机4升压升温至一定程度之后流经高温回热器6吸热升温，再之后进入压缩机4继续升压升温；压缩机4排放的空气进入燃烧室1参与燃烧，外部低品位燃料进入燃烧室1，低品位燃料和空气在燃烧室1内混合并燃烧成温度较高的燃气；燃烧室1生产的燃气流经加热炉2吸热升温，流经燃气轮机5降压作功，流经高温回热器6放热降温，之后对外排放；低品位燃料通过燃烧室1和高品位燃料通过加热炉2共同提供驱动热负荷，空气与燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机5输出的功提供给压缩机4和外部作动力，形成双燃料燃气轮机装置。

图8所示的双燃料燃气轮机装置是这样实现的：

(1)结构上，它主要由燃烧室、加热炉、热源回热器、压缩机、燃气轮机和高温回热器所组成；外部有高品位燃料通道与加热炉2连通，外部还有空气通道经热源回热器3与加热炉2连通，加热炉2还有燃气通道经热源回热器3与外部连通，外部有低品位燃料与燃烧室1连通，外部有空气通道与压缩机4连通之后压缩机4再有空气通道经高温回热器6与自身连通，压缩机4还有空气通道与燃烧室1连通，燃烧室1还有燃气通道经加热炉2与燃气轮机5连通之后燃气轮机5再有燃气通道经高温回热器6与自身连通，燃气轮机5还有燃气通道与外部连通；燃气轮机5连接压缩机4并传输动力。

(2)流程上，外部第一路空气流经热源回热器3吸热升温之后进入加热炉2参与燃烧，外部高品位燃料进入加热炉2，与来自热源回热器3的空气混合并燃烧成高温燃气，加热炉2产生的燃气放热于来自燃烧室1且流经加热炉2的燃气并降温，之后流经热源回热器3放热降温，再之后对外排放；外部第二路空气进入压缩机4升压升温至一定程度之后流经高温回热器6吸热升温，再之后进入压缩机4继续升压升温；压缩机4排放的空气进入燃烧室1参与燃烧，外部低品位燃料进入燃烧室1，低品位燃料和空气在燃烧室1内混合并燃烧成温度较高的燃气；燃烧室1生产的燃气流经加热炉2吸热升温，进入燃气轮机5降压作功至一定程度之后流经高温回热器6放热降温，再之后进入燃气轮机5继续降压作功和对外排放；低品位燃料通过燃烧室1和高品位燃料通过加热炉2共同提供驱动热负荷，空气与燃气通过进出流程带走低温热负荷，燃气轮机5输出的功提供给压缩机4和外部作动力，形成双燃料燃气轮机装置。

本发明技术可以实现的效果——本发明所提出的双燃料高温热源与双燃料燃气轮机装置，具有如下效果和优势：

(1)合理搭配，分段构建，有效降低高温热源形成过程中的温差不可逆损失。

(2)低品位燃料与高品位燃料共同构建高温热源，显著提升低品位燃料的能源利用价值。

(3)低品位燃料参与构建高温热源，减少高品位燃料投入，提升低品位燃料利用价值。

(4)降低高品位燃料在形成高温热源过程中的温差不可逆损失，提升高品位燃料形成高温热源的利用价值。

(5)降低系统压缩比，有利于提升循环工质流量，有利于构建大负荷燃气轮机装置。

(6)提升燃料利用价值，减少温室气体排放，减少污染物排放，节能减排效益突出。

(7)结构简单，流程合理；能够提升燃料选择范围和使用价值，降低燃气轮机装置能耗成本。