一种基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置

1.本发明涉及动力机械技术领域，特别涉及一种基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置。


背景技术：

2.燃气轮机装置是能量转换的重要设备，其中一类闭式循环燃气轮机装置主要包括压气机、热源、冷却器和燃气涡轮四个部分。因闭式循环采用外部热源加热并设置冷却器对工质降温，故与通常只能使用气态或液态燃料的开式循环燃气轮机相比，闭式循环的燃料适应性更广(可使用煤炭、生物质等)，甚至直接采用其他非燃料燃烧产生的热源(如高品位工业余/废热、太阳能、核能等)驱动。但与开式循环类似，在最常用的简单循环中，燃气涡轮产生的机械功有1/2～2/3左右用来带动压气机工作，只剩其余1/3左右的机械功对外输出，致使燃气轮机装置效率较低。另外，燃气涡轮排气的温度较高，导致热能未被充分利用也降低了其效率。为提升效率，可采用回热循环或复杂循环，再有就是将燃气轮机与汽轮机等其他热机组合构成联合循环。
3.此外，闭式循环因工作介质循环使用，相较于开式循环减少了进排气过程，使其可以在高压力下运行且能够在一定范围内对回路中的压力进行调节，大大减小了装置尺寸且具有更低的运行成本。但燃气涡轮与压气机同轴联动，两者的强耦合关系使得机组在运行时必须严格满足功率、流量以及转速的约束条件，无法单独对压气机或者燃气涡轮进行调控，导致系统运行过程中任一参数的改变都会对其他参数产生重大影响，难以适应不同负荷工况变化的需求。
4.燃气轮机装置、特别是重型燃气轮机装置被视为支撑能源绿色低碳转型的关键装备之一。考虑到很多应用场合不一定适用燃气轮机装置复杂循环或联合循环，且这些循环方式并未突破既有燃气轮机装置的结构和工作原理。原创性和颠覆性的燃气轮机技术需要采用新方案和新方法，为此，基于热流逸效应提出一种以热压缩替代机械式压气机、且压缩工质的动力来源于燃气涡轮做功后排出的高温气体工质余热的新型闭式燃气轮机装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，从而克服现有闭式燃气轮机装置中机械式压气机需要消耗大量燃气涡轮产生的机械能的缺点。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，包括：气体缓存室；加热器；升压器，其包括多个串联设置的升压单元，每个所述升压单元包括外壳、冷腔、热腔和微通道隔层，所述冷腔、所述热腔和所述微通道隔层均设置于所述外壳内，且所述冷腔和所述热腔之间通过所述微通道隔层分隔；所述微通道隔层包括若干个连通相应的所述冷腔和所述热腔的微通道，每个所述微通道的特征尺寸不大于气体工质分子的平均自由程，所述冷腔内设有冷腔换热器，所述热腔内设有热腔换热器；其中，第一个所述升压单元的冷腔的冷腔进口与所述气体缓存室的出气口连通，后一个所述升压单元的
冷腔的冷腔进口与前一个所述升压单元的热腔的热腔出口连通，最后一个所述升压单元的热腔的热腔出口与所述加热器的进气口连通；空气进气总管，其进口处设有引风机，每个所述冷腔换热器与所述空气进气总管连通；高温进气总管，其出口与所述气体缓存室的进气口连通，每个所述热腔换热器与所述高温进气总管连通；以及燃气涡轮，所述高温进气总管的进口与所述燃气涡轮的排气口连通，所述燃气涡轮的进气口与所述加热器的出气口连通。
7.优选地，上述技术方案中，还包括气体换热器，所述气体换热器的加热通道的进口与最后一个所述升压单元的热腔的热腔出口连通，所述气体换热器的加热通道的出口与所述加热器的进气口连通；所述气体换热器的热流通道的进口与所述燃气涡轮的排气口连通，所述气体换热器的热流通道的出口与所述高温进气总管的进口连通。
8.优选地，上述技术方案中，还包括冷却器，所述冷却器的进气口与所述气体缓存室的出气口连通，所述冷却器的出气口与第一个所述升压单元的冷腔的冷腔进口连通。
9.优选地，上述技术方案中，还包括第一气体流量调节阀，所述第一气体流量调节阀的进口与最后一个所述升压单元的热腔的热腔出口连通，所述第一气体流量调节阀的出口与所述加热器的进气口连通；所述第一气体流量调节阀为双通流量调节阀。
10.优选地，上述技术方案中，还包括第二气体流量调节阀，所述第二气体流量调节阀的进口与所述气体缓存室的的出气口连通，所述第二气体流量调节阀的出口与所述第一个升压单元的冷腔的冷腔进口连通；所述第二气体流量调节阀为双通流量调节阀。
11.优选地，上述技术方案中，每个所述冷腔换热器与所述空气进气总管之间采用同程式连接；其中，每个所述冷腔换热器的进口通过空气进气管与所述空气进气总管连通，且所述空气进气管上设有第三气体流量调节阀；所述第三气体流量调节阀为三通温控流量调节阀。
12.优选地，上述技术方案中，每个所述热腔换热器与所述高温进气总管之间采用同程式连接；其中，每个所述热腔换热器的进口通过高温进气管与所述高温进气总管连通，且所述高温进气管上设有第四气体流量调节阀；所述第四气体流量调节阀为三通温控流量调节阀。
13.优选地，上述技术方案中，所述微通道隔层为耐高温多孔膜。
14.优选地，上述技术方案中，所述升压单元的外壳的侧壁上设有保温层。
15.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
16.1.本发明基于热流逸效应提出的热驱动升压器采用燃气涡轮排出的高温气体工质余热驱动，可通过温差调节增压性能，不与燃气涡轮直联，即不耦合，能够实现压缩气体工质环节的独立调节而不影响燃气轮机装置的性能；
17.2.本发明的闭式燃气轮机装置直接利用燃气涡轮排出的高温气体工质余热作为气体工质升压的动力源，相比于采用机械式压气机增压的传统方式，其不需要消耗燃气涡轮产生的高品位机械能；此时，燃气涡轮产生的机械能只用于驱动引风机，而引风机的能耗比机械式压气机低很多，故提高了燃气涡轮的热效率和对外输出的有用功；
18.3.本发明的燃气轮机装置以无运动部件的热驱动式升压器替代常规的机械式压气机，有助于提升闭式燃气轮机装置工作的稳定性和可靠性，降低噪音，延长其使用寿命。
附图说明
19.图1是根据本发明的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置的结构示意图。
20.图2是根据本发明的升压单元的结构示意图。
21.主要附图标记说明：
22.1-燃气涡轮，2-第一气体流量调节阀，3-燃气涡轮进气管，4-气体换热器，5-高温进气管，6-第四气体流量调节阀，7-热腔换热器，8-高温进气总管，9-外壳，10-气体缓存室，11-第二气体流量调节阀，12-冷却器，13-空气进气管，14-第三气体流量调节阀，15-空气进气总管，16-冷腔换热器，17-冷腔，18-引风机，19-微通道隔层，20-热腔，21-加热器，22-冷腔进口，23-热腔出口。
具体实施方式
23.下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
24.除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
25.图1显示了根据本发明优选实施方式的一种基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置的结构示意图，该燃气轮机装置包括气体缓存室10、加热器21、升压器、空气进气总管15、高温进气总管8以及燃气涡轮1。
26.参考图1和图2，升压器包括多个串联设置的升压单元，每个升压单元包括外壳9、冷腔17、热腔20和微通道隔层19。冷腔17、热腔20和微通道隔层19均设置于外壳9内，且冷腔17和热腔20之间通过微通道隔层19分隔。微通道隔层19包括若干个连通相应的冷腔17和热腔20的微通道，每个微通道的特征尺寸不大于气体工质分子的平均自由程。冷腔17内设有冷腔换热器16，以冷却冷腔17；热腔20内设有热腔换热器7，以加热热腔20。使得热腔20与冷腔17之间形成温差，从而在微通道隔层19中产生热流逸效应，即当微通道的特征尺寸与气体工质分子的平均自由程相当或更小，并且沿微通道壁面切线方向存在温度梯度时，微通道壁面附近的气体工质分子会自发地由冷端向热端蠕动；因此，冷腔17内的气体工质会通过微通道进入到热腔20，从而使热腔20的压力增加，冷腔17的压力减小。其中，第一个升压单元的冷腔17的冷腔进口22与气体缓存室10的出气口连通，后一个升压单元的冷腔17的冷腔进口22与前一个升压单元的热腔20的热腔出口23连通，最后一个升压单元的热腔20的热腔出口23与加热器21的进气口连通，升压单元采用多级串联的连接方式，能够提高升压器的升压性能。空气进气总管15的进口处设有引风机18，每个冷腔换热器16与空气进气总管15连通，以采用外界空气冷却冷腔17，而该外界空气用于冷却冷腔17后通过空气进气总管15的出口排出系统。高温进气总管8的出口与气体缓存室10的进气口连通，每个热腔换热器7与高温进气总管8连通。高温进气总管8的进口与燃气涡轮1的排气口连通，燃气涡轮1的进气口与加热器21的出气口连通。通过升压器进行升压后的高压气体工质进入加热器21加热升温，再进入到燃气涡轮1做功，燃气涡轮1做功后排出的高温气体工质通过高温进气总管8流入每级升压单元的热腔换热器7中，加热热腔20，另一方面，外界空气冷却冷腔17，使热腔20与冷腔17之间形成并维持一定的温差；流经热腔换热器7的气体工质经过热腔20换热后
温度降低，汇集并进入气体缓存室10，以消除运行工况改变时引起的局部气体工质流量和压力急剧变化对燃气轮机装置的冲击，同时降低因阀门众多可能导致的气体工质分配不均匀现象；从气体缓存室10出来的气体工质依次流经每级升压单元，压力逐级累加升高，最后流入加热器21内加热，如此循环。采用本发明的燃气轮机装置能够直接利用燃气涡轮1排出的高温气体工质余热作为气体工质升压的动力源，不需要消耗燃气涡轮1产生的高品位机械能，以使燃气涡轮1产生的机械能只用于驱动引风机18，而引风机18的能耗比机械式压气机低很多，故提高了燃气涡轮1的热效率和对外输出的有用功。
27.参考图1，优选地，该燃气轮机装置还包括气体换热器4，气体换热器4的加热通道的进口与最后一个升压单元的热腔20的热腔出口23连通，气体换热器4的加热通道的出口通过燃气涡轮进气管3与加热器21的进气口连通。气体换热器4的热流通道的进口与燃气涡轮1的排气口连通，气体换热器4的热流通道的出口与高温进气总管8的进口连通；以使从升压器出来的高压气体工质在气体换热器4内先和从燃气涡轮1排出的高温气体工质换热，预先加热该高压气体工质，提升其温度后再进入到加热器21内继续加热，能够进一步充分利用燃气涡轮1排出的高温气体工质余热，并减少加热器21的能耗。
28.参考图1，优选地，该燃气轮机装置还包括冷却器12，冷却器12的进气口与气体缓存室10的出气口连通，冷却器12的出气口与第一个升压单元的冷腔17的冷腔进口22连通。根据热力学第二定律，燃气轮机装置完成热力循环同时需要冷、热源，即吸热过程必须伴随放热过程；考虑到从气体缓存室10流出的气体工质的温度仍可能较高，虽然升压器内升压单元的冷腔17具有一定散热能力，但为了更稳定完成且便于调控燃气轮机装置热力循环，气体工质先经过冷却器12冷却，使其温度降低至循环要求的低温后，再进入到升压器内进行升压。
29.参考图1，优选地，该燃气轮机装置还包括第一气体流量调节阀2，第一气体流量调节阀2的进口与最后一个升压单元的热腔20的热腔出口23连通，第一气体流量调节阀2的出口与加热器21的进气口连通，以根据需要调节燃气涡轮1的进气流量。其中，第一气体流量调节阀2为双通流量调节阀。当该燃气轮机装置设有气体换热器4时，第一气体流量调节阀2设置于气体换热器4与加热器21之间的燃气涡轮进气管3上。
30.参考图1，优选地，该燃气轮机装置还包括第二气体流量调节阀11，第二气体流量调节阀11的进口与气体缓存室10的出气口连通，第二气体流量调节阀11的出口与第一个升压单元的冷腔17的冷腔进口22连通，用于调节升压器的进气流量。其中，第二气体流量调节阀11为双通流量调节阀。当该燃气轮机装置设有冷却器12时，第二气体流量调节阀11设置于气体缓存室10与冷却器12之间的管道上。
31.参考图1，每个冷腔换热器16与空气进气总管15之间可采用同程式连接或异程式连接。优选地，每个冷腔换热器16与空气进气总管15之间采用同程式连接，能够保证进入各级升压单元冷腔换热器16的气体都处于同温状态，以防温度失调，使得热腔20与冷腔17之间形成并维持较稳定的温差。其中，每个冷腔换热器16的进口通过空气进气管13与空气进气总管15连通，且空气进气管13上设有第三气体流量调节阀14，以根据需求控制冷腔17的温度。其中，第三气体流量调节阀14为设置于空气进气管13与空气进气总管15之间的三通温控流量调节阀。而每个冷腔换热器16的出口通过空气汇集管汇集到空气进气总管15的出口处。通过控制冷、热腔的温差调节升压器的升压性能，进而控制燃气涡轮1的输出功率和
燃气轮机装置的效率。
32.参考图1，每个热腔换热器7与高温进气总管8之间可采用同程式连接或异程式连接。优选地，每个热腔换热器7与高温进气总管8之间采用同程式连接，能够保证进入各级升压单元热腔换热器7的气体都处于同温状态，以防温度失调，使得热腔20与冷腔17之间形成并维持较稳定的温差。其中，每个热腔换热器7的进口通过高温进气管5与高温进气总管8连通，且高温进气管5上设有第四气体流量调节阀6，能够根据需求控制热腔20的温度。其中，第四气体流量调节阀6为设置于高温进气管5与高温进气总管8之间的三通温控流量调节阀。而每个热腔换热器7的出口通过高温气体汇集管汇集到高温进气总管8的出口处。通过控制冷、热腔的温差调节升压器的升压性能，进而控制燃气涡轮1的输出功率和燃气轮机装置的效率。
33.参考图1和图2，优选地，微通道隔层3为耐高温多孔膜。
34.参考图1和图2，优选地，升压单元的外壳9的侧壁上设有保温层，用于保温，避免冷腔17内的冷量或热腔20内的热量流失过快，保持冷、热腔的温差能在较长时间内处于规定的范围。
35.使用时，燃气涡轮1做功后排出的高温气体工质先进入气体换热器4内，加热从升压器出来的高压气体工质后，再进入到升压器各个升压单元的热腔换热器7，加热热腔20；同时，引风机18将外界空气引入升压器各个升压单元的冷腔换热器16，冷却冷腔17，使得热腔20与冷腔17之间形成温差。流经升压器中热腔换热器7的气体工质经过换热后温度降低，汇集并进入气体缓存室10。接着，气体工质从气体缓存室10流出，经过冷却器12降低至燃气轮机装置热力循环要求的低温后，进入升压器，其中，能够通过第二气体流量调节阀11调节进入升压器的进气量。由于升压单元冷、热腔两端存在温差，从而在微通道隔层19中产生热流逸效应。因此，气体工质分子会从冷腔17由微通道隔层19进入到热腔20，热腔20因为气体工质分子数量的增加而压力升高，冷腔17则正好相反，从而实现气体工质压力的提升，气体工质流经多级升压单元后，其压力逐级升高。经过升压后的气体工质从升压器流出，进入气体换热器4预热后，再通过燃气涡轮进气管3流入加热器21，进一步加热，最后进入到燃气涡轮1膨胀做功，其中，能够通过第一气体流量调节阀2调节燃气涡轮1的进气流量，如此循环。
36.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

技术特征：
1.一种基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，包括：气体缓存室；加热器；升压器，其包括多个串联设置的升压单元，每个所述升压单元包括外壳、冷腔、热腔和微通道隔层，所述冷腔、所述热腔和所述微通道隔层均设置于所述外壳内，且所述冷腔和所述热腔之间通过所述微通道隔层分隔；所述微通道隔层包括若干个连通相应的所述冷腔和所述热腔的微通道，每个所述微通道的特征尺寸不大于气体工质分子的平均自由程，所述冷腔内设有冷腔换热器，所述热腔内设有热腔换热器；其中，第一个所述升压单元的冷腔的冷腔进口与所述气体缓存室的出气口连通，后一个所述升压单元的冷腔的冷腔进口与前一个所述升压单元的热腔的热腔出口连通，最后一个所述升压单元的热腔的热腔出口与所述加热器的进气口连通；空气进气总管，其进口处设有引风机，每个所述冷腔换热器与所述空气进气总管连通；高温进气总管，其出口与所述气体缓存室的进气口连通，每个所述热腔换热器与所述高温进气总管连通；以及燃气涡轮，所述高温进气总管的进口与所述燃气涡轮的排气口连通，所述燃气涡轮的进气口与所述加热器的出气口连通。2.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，还包括气体换热器，所述气体换热器的加热通道的进口与最后一个所述升压单元的热腔的热腔出口连通，所述气体换热器的加热通道的出口与所述加热器的进气口连通；所述气体换热器的热流通道的进口与所述燃气涡轮的排气口连通，所述气体换热器的热流通道的出口与所述高温进气总管的进口连通。3.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，还包括冷却器，所述冷却器的进气口与所述气体缓存室的出气口连通，所述冷却器的出气口与第一个所述升压单元的冷腔的冷腔进口连通。4.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，还包括第一气体流量调节阀，所述第一气体流量调节阀的进口与最后一个所述升压单元的热腔的热腔出口连通，所述第一气体流量调节阀的出口与所述加热器的进气口连通；所述第一气体流量调节阀为双通流量调节阀。5.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，还包括第二气体流量调节阀，所述第二气体流量调节阀的进口与所述气体缓存室的的出气口连通，所述第二气体流量调节阀的出口与所述第一个升压单元的冷腔的冷腔进口连通；所述第二气体流量调节阀为双通流量调节阀。6.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，每个所述冷腔换热器与所述空气进气总管之间采用同程式连接；其中，每个所述冷腔换热器的进口通过空气进气管与所述空气进气总管连通，且所述空气进气管上设有第三气体流量调节阀；所述第三气体流量调节阀为三通温控流量调节阀。7.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，每个所述热腔换热器与所述高温进气总管之间采用同程式连接；其中，每个所述热腔换热器的进口通过高温进气管与所述高温进气总管连通，且所述高温进气管上设有第四气体流量调
节阀；所述第四气体流量调节阀为三通温控流量调节阀。8.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，所述微通道隔层为耐高温多孔膜。9.根据权利要求1所述的基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，其特征在于，所述升压单元的外壳的侧壁上设有保温层。

技术总结
本发明公开了一种基于热流逸效应的新型闭式燃气轮机装置，包括：气体缓存室；加热器；升压器，其包括多个升压单元，升压单元包括外壳、冷腔、热腔和微通道隔层；第一个升压单元的冷腔与气体缓存室的出气口连通，后一个升压单元的冷腔与前一个升压单元的热腔连通，最后一个升压单元的热腔与加热器的进气口连通；空气进气总管，其与每个冷腔换热器连通；高温进气总管，其出口与气体缓存室的进气口连通，每个热腔换热器与高温进气总管连通；以及燃气涡轮，其排气口与高温进气总管的进口连通，进气口与加热器的出气口连通。采用本发明的燃气轮机装置能够利用燃气涡轮排出的高温气体工质余热作为动力，压缩气体工质，提高燃气涡轮的热效率和输出功率。热效率和输出功率。热效率和输出功率。


技术研发人员：卢苇 苏宣合 龙其琳 甘浩贤 覃京翎 王莉莉 郭伟 陈颖
受保护的技术使用者：柳州城市职业学院
技术研发日：2023.03.10
技术公布日：2023/5/30