具備朗肯循環(huán)發(fā)動機的燃氣渦輪發(fā)動機裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種通過極其有效地利用燃氣渦輪發(fā)動機的排熱而可以獲得高效率的復(fù)合型燃氣渦輪發(fā)動機裝置。該燃氣渦輪發(fā)動機裝置(E)具有壓縮機(1)、加熱器(3)、渦輪(5)、中間冷卻器(9)及余熱鍋爐(7)，所述壓縮機(1)壓縮第一工作介質(zhì)(M1)；所述加熱器(3)用外部的熱源加熱上述被壓縮的第一工作介質(zhì)(M1)；所述渦輪(5)從所述第一工作介質(zhì)獲取動力；所述中間冷卻器(9)設(shè)置在所述壓縮機上，將由所述壓縮機的低壓壓縮部(1a)所壓縮的第一工作介質(zhì)冷卻并供給所述壓縮機的高壓壓縮部(1b)；所述余熱鍋爐(7)將來自所述渦輪(5)的排氣(EG)作為加熱介質(zhì)；在所述燃氣渦輪發(fā)動機裝置(E)中，設(shè)置有機朗肯循環(huán)發(fā)動機(RU)，其將所述中間冷卻器(9)及所述余熱鍋爐(7)作為熱源，將所述中間冷卻器(9)的冷卻介質(zhì)作為第二工作介質(zhì)(M2)。
【專利說明】具備朗肯循環(huán)發(fā)動機的燃氣渦輪發(fā)動機裝置
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求申請日為2012年4月5日申請的日本專利申請2012-086211的優(yōu)先權(quán)，將其全部內(nèi)容以參照的方式引入作為本申請的一部分。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及一種具有利用燃氣渦輪發(fā)動機的排熱驅(qū)動的朗肯循環(huán)發(fā)動機的復(fù)合型燃氣渦輪發(fā)動機裝置。
【背景技術(shù)】
[0004]近年來，作為環(huán)境問題和能源問題的一種解決對策，提出了一種在電力需要者附近設(shè)置小規(guī)模的發(fā)電設(shè)備進行供電的分散型能源供給系統(tǒng)。作為承擔分散性能源供給系統(tǒng)的一部分任務(wù)的電源之一，考慮利用中/小型燃氣渦輪發(fā)動機(例如專利文獻I)。在分散型電源中，尤其是使效率提高成為重要的技術(shù)問題。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻
[0006]專利文獻
[0007]專利文獻1:日本專利公開2007-159225號公報
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008](一 )要解決的技術(shù)問題
[0009]但是，作為使中/小型燃氣渦輪發(fā)動機的效率提高的方法，從尺寸上限制的觀點考慮，高溫化、高壓比化比較困難。另外，以往以來，通過將燃氣渦輪的排熱作為用于工作燃氣預(yù)熱的再生循環(huán)化或者作為用作蒸汽渦輪的熱源的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)化，由此綜合性地提高系統(tǒng)整體的效率，但是通過進行適于再生循環(huán)的低壓比發(fā)動機的開發(fā)或者對用于熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的低輸出/高效率的蒸汽渦輪的開發(fā)來進一步實現(xiàn)高效率極為困難。
[0010]因此，為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種通過極其有效地利用燃氣渦輪發(fā)動機的排熱而可以獲得高效率的復(fù)合型燃氣渦輪發(fā)動機裝置。
[0011](二)技術(shù)方案
[0012]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的燃氣渦輪發(fā)動機裝置，具備壓縮機、加熱器、渦輪、中間冷卻器、余熱鍋爐及朗肯循環(huán)發(fā)動機，所述壓縮機壓縮第一工作介質(zhì)；所述加熱器用外部熱源加熱上述被壓縮的第一工作介質(zhì)；所述渦輪從所述第一工作介質(zhì)獲取動力；所述中間冷卻器設(shè)置在所述壓縮機上，將由所述壓縮機的低壓壓縮部所壓縮的第一工作介質(zhì)冷卻并供給所述壓縮機的高壓壓縮部；所述余熱鍋爐將來自所述渦輪的排氣作為加熱介質(zhì)；所述朗肯循環(huán)發(fā)動機將所述中間冷卻器及所述余熱鍋爐作為熱源，將所述中間冷卻器的冷卻介質(zhì)作為第二工作介質(zhì)。
[0013]根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于不僅利用來自燃氣渦輪發(fā)動機的渦輪的排熱，還利用通過壓縮機的工作介質(zhì)的熱來驅(qū)動朗肯循環(huán)發(fā)動機，因此作為發(fā)動機裝置整體能夠得到極高的效率。
[0014]在本發(fā)明的一種實施方式中，優(yōu)選所述第二工作介質(zhì)為有機物，另外，從所述中間冷卻器流入所述余熱鍋爐的第二工作介質(zhì)優(yōu)選為過熱氣體。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，通過使用沸點低于水的有機介質(zhì)，能夠易于將通過中間冷卻器的第二工作介質(zhì)做成為過熱氣體，其結(jié)果是余熱鍋爐作為過熱器而發(fā)揮作用。因此，與使用水作為第二工作介質(zhì)的情況相比，能夠得到更大的輸出，作為發(fā)動機裝置整體能得更高的效率。
[0015]在本發(fā)明的一種實施方式中，作為所述加熱器，也可以具有將太陽光作為熱源并加熱所述第一工作介質(zhì)的太陽能式加熱器。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠利用作為自然能源的太陽光，抑制對環(huán)境的負荷的同時提高發(fā)動機裝置的效率。
[0016]權(quán)利要求書和/或說明書和/或說明書附圖所公開的至少兩種結(jié)構(gòu)的任意組合，均包含在本發(fā)明中。特別是權(quán)利要求書的各權(quán)利要求的兩項以上的任意組合，也包含在本發(fā)明中。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]通過參照附圖對以下適宜的實施方式進行說明，可更加清楚地理解本發(fā)明。但是，實施方式及附圖僅用于圖示及說明，不應(yīng)用于確定本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求書確定。在附圖中，多個附圖上相同附圖標記表示相同或與其相當?shù)牟糠帧?br>
[0018]圖1是表示本發(fā)明的一種實施方式的燃氣渦輪發(fā)動機裝置概略結(jié)構(gòu)的框圖。
[0019]圖2是用于說明圖1的燃氣渦輪發(fā)動機裝置的構(gòu)成概念的圖表。
[0020]圖3是用于說明由圖1的燃氣渦輪發(fā)動機裝置的效果的圖表。
[0021]圖4是表示圖1的燃氣渦輪發(fā)動機裝置的變形例的框圖。
【具體實施方式】
[0022]下面基于附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行說明。圖1是表示本發(fā)明的一種實施方式的燃氣渦輪發(fā)動機裝置(以下，簡稱為“發(fā)動機裝置”)E的概略結(jié)構(gòu)圖。該發(fā)動機裝置E具備燃氣渦輪發(fā)動機單元GU及朗肯循環(huán)發(fā)動機單元RU，各發(fā)動機單元GU、RU分別驅(qū)動如發(fā)電機單元GE1、GE2這樣的負載。
[0023]燃氣渦輪發(fā)動機單元⑶具有壓縮機1、燃燒器3及第一渦輪5，所述壓縮機I壓縮第一工作介質(zhì)Ml ;所述燃燒器3是對通過壓縮機I壓縮的第一工作介質(zhì)Ml進行加熱的加熱器；所述第一渦輪5從該燃燒的第一工作介質(zhì)Ml獲取動力。在本實施方式中，使用空氣作為第一工作介質(zhì)Ml。
[0024]壓縮機I由低壓壓縮部Ia和高壓壓縮部Ib組成，在該低壓壓縮部Ia與高壓壓縮部Ib之間，順次串聯(lián)設(shè)置余熱鍋爐7及中間冷卻器9，所述余熱鍋爐7將被低壓壓縮部Ia壓縮的第一工作介質(zhì)Ml冷卻。關(guān)于余熱鍋爐7，后面進行詳細說明。通過該余熱鍋爐7及中間冷卻器9，冷卻被低壓壓縮部Ia壓縮的第一工作介質(zhì)M1，由此減小高壓壓縮部Ib的壓縮功，并提高效率。此外，從低壓壓縮部Ia流向高壓壓縮部Ib的第一工作介質(zhì)M1，也可以不通過余熱鍋爐7而僅由中間冷卻器9冷卻。
[0025]從壓縮機I排出的高壓的第一工作介質(zhì)Ml，其在流入燃燒器3前通過再生器11預(yù)熱之后，輸送至燃燒器3。再生器11設(shè)置在排氣管道13內(nèi)的上游部，所述排氣管道13形成將來自第一渦輪5的排氣EG向外部排出的通道，利用高溫的排氣EG的熱來預(yù)熱從壓縮機I流向燃燒器3的第一工作介質(zhì)Ml。在排氣管道13中的再生器11的下游，設(shè)置余熱鍋爐7ο作為加熱介質(zhì)的排氣EG通過再生器11，進一步作為加熱介質(zhì)通過余熱鍋爐7之后向外部排出。
[0026]朗肯循環(huán)發(fā)動機單元RU將通過中間冷卻器9的第一工作介質(zhì)Ml的熱及在排熱鍋爐7產(chǎn)生的熱作為熱源來加熱第二工作介質(zhì)M2，形成氣體，用該第二工作介質(zhì)M2驅(qū)動第二渦輪15。從第二渦輪15排出的第二工作介質(zhì)M2通過冷凝器17凝縮后，再次通過中間冷卻器9以及余熱鍋爐7，供給第二渦輪15。
[0027]余熱鍋爐7由蒸汽發(fā)生器21及鍋爐汽包23所構(gòu)成。通過了冷凝器17的第二工作介質(zhì)M2，分路流入中間冷卻器9和節(jié)熱器25。節(jié)熱器25配置在排氣管道13內(nèi)的下游部，用排氣EG的熱預(yù)熱第二工作介質(zhì)M2。另一方面，在中間冷卻器9中，如前所述，被燃氣渦輪單元GU的低壓壓縮部Ia壓縮的第一工作介質(zhì)Ml作為被冷卻介質(zhì)，即起加熱介質(zhì)作用，通過該第一工作介質(zhì)Ml的熱來預(yù)熱朗肯循環(huán)發(fā)動機單元RU的第二工作介質(zhì)M2。
[0028]本實施方式的朗肯循環(huán)發(fā)動機單元RU是使用有機物作為第二工作介質(zhì)M2的有機/朗肯循環(huán)發(fā)動機。具體地，在該例中，使用石油類的有機介質(zhì)，例如丁烷或戊烷。這樣，由于第二工作介質(zhì)M2是低沸點的有機介質(zhì)，因此在中間冷卻器9容易蒸發(fā)，從而作為過熱氣體排出。
[0029]在中間冷卻器9或者節(jié)熱器25處分別預(yù)熱的第二工作介質(zhì)M2流入余熱鍋爐7的蒸汽發(fā)生器21。蒸汽發(fā)生器21配置在派熱管13中用于預(yù)熱的節(jié)熱器25的上游側(cè)，通過排氣EG的熱對第二工作介質(zhì)M2加熱從而使其蒸發(fā)。形成為蒸汽的第二工作介質(zhì)M2從鍋爐汽包23流入過熱器27。過熱器27配置在排氣管道13中的蒸汽發(fā)生器21的上游側(cè)，且再生器11的下游側(cè)的位置上，所述過熱器27進一步對形成為蒸汽的第二工作介質(zhì)M2進行加熱并供給第二渦輪15。此外，也可以省略節(jié)能器25及過熱器27。
[0030]在上述過程中，如前所述，由于流入余熱鍋爐7的第二工作介質(zhì)M2的一部分在鍋爐汽包23內(nèi)，由來自壓縮機I的低壓壓縮部Ia的第一工作介質(zhì)Ml而被加熱，因此能夠使蒸汽量增大。由此，在朗肯循環(huán)發(fā)動機單元RU中能夠得到極大的輸出，作為發(fā)動機裝置E整體也能夠得到高效率。
[0031]這樣，在組合利用燃氣渦輪發(fā)動機單元GU的兩個排熱源的時候，例如如圖2所示，通過使作為燃氣鍋爐發(fā)動機單元GU單體的效率最佳點(在低壓壓縮部Ia與高壓壓縮部Ib之間設(shè)置中間冷卻器9的位置)偏移，來調(diào)整燃氣渦輪發(fā)動機單元GU的設(shè)計，使得能夠有效回避成為在朗肯循環(huán)發(fā)動機單元RU的蒸發(fā)過程中限制蒸汽產(chǎn)生量的主要原因的夾點，能夠使低壓壓縮部Ia整體的效率最大化。在圖2的例子中，設(shè)定低壓壓縮部Ia的壓力比，使其大于使燃氣渦輪發(fā)動機單元GU單體的效率為最大的值。
[0032]總之，如圖3所示，在中間冷卻器9預(yù)熱第二工作介質(zhì)M2的情況下(實線)，由于把沿中間冷卻器9流動的第一工作介質(zhì)Ml的流量加入到排氣EG中，作為加熱介質(zhì)，因此相對于加熱介質(zhì)側(cè)的交換熱量的溫度變化(降低)量變小。由此，與不通過中間冷卻器9對第二工作介質(zhì)M2預(yù)熱的情況(虛線)相比，到達夾點之前可以交換的熱量大幅增加，蒸汽產(chǎn)生量也增大。
[0033]另外，作為本實施方式的變形例，如圖4所示，作為對被壓縮機壓縮的第一工作介質(zhì)Ml加熱的加熱器，可以設(shè)置在添加于燃燒器3的上游側(cè)且以太陽光SL用作熱源的太陽能式加熱器31。按照這樣構(gòu)成，通過利用作為自然能源的太陽光SL對第一工作介質(zhì)Ml再次加熱，由此進一步提高發(fā)動機裝置E的效率。此外，朗肯循環(huán)發(fā)動機單元RU也可以為使用水作為第二工作介質(zhì)M2的通常的蒸汽渦輪。
[0034]如前所述，在本實施方式的發(fā)動機裝置E中，由于不僅利用來自燃氣渦輪發(fā)動機單元⑶的第一渦輪5的排熱，還利用通過壓縮機I的第一工作介質(zhì)M的熱來驅(qū)動朗肯循環(huán)發(fā)動機單元RU，因此作為發(fā)動機裝置E整體能夠得到極高的效率。
[0035]如上所述，參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行了說明，但在不脫離本發(fā)明的主旨的范圍內(nèi)，能夠進行各種補充、改變或刪除。因此，這樣的補充、改變及刪除也包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0036]附圖標記說明
[0037]I 一壓縮機
[0038]3 —燃燒器(加熱器)
[0039]5 —第一渦輪
[0040]7 —余熱鍋爐
[0041]9—中間冷卻器
[0042]11 一再生器
[0043]13 —排氣管道
[0044]31—太陽能式加熱器
[0045]E —燃氣渦輪發(fā)動機裝置
[0046]EG—排氣
[0047]⑶一燃氣渦輪發(fā)動機單元
[0048]RU-朗肯循環(huán)發(fā)動機單元
[0049]Ml —第一工作介質(zhì)
[0050]M2 —第二工作介質(zhì)
【權(quán)利要求】
1.一種燃氣渦輪發(fā)動機裝置，具備壓縮機、加熱器、渦輪、中間冷卻器、余熱鍋爐及朗肯循環(huán)發(fā)動機； 所述壓縮機壓縮第一工作介質(zhì)； 所述加熱器用外部熱源加熱上述被壓縮的第一工作介質(zhì)； 所述渦輪從所述第一工作介質(zhì)獲取動力； 所述中間冷卻器設(shè)置在所述壓縮機上，將由所述壓縮機的低壓壓縮部所壓縮的第一工作介質(zhì)冷卻并供給所述壓縮機的高壓壓縮部； 所述余熱鍋爐將來自所述渦輪的排氣作為加熱介質(zhì)； 有機朗肯循環(huán)發(fā)動機將所述中間冷卻器及所述余熱鍋爐作為熱源，將所述中間冷卻器的冷卻介質(zhì)作為第二工作介質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪發(fā)動機裝置，其特征在于，所述第二工作介質(zhì)是有機物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪發(fā)動機裝置，其特征在于，從所述中間冷卻器流入所述余熱鍋爐的第二工作介質(zhì)是過熱氣體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪發(fā)動機裝置，其特征在于，作為所述加熱器，具有將太陽光作為熱源加熱所述第一工作介質(zhì)的太陽能式加熱器。
【文檔編號】F02C6/18GK104204427SQ201380018481
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月5日
【發(fā)明者】谷村和彥, 田中良造, 杉本隆雄, 森下浩志, 卡斯頓·庫斯特爾, 迪特·博恩, 雷內(nèi)·博朗 申請人:川崎重工業(yè)株式會社