燃气轮机系统的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机领域，具体涉及一种燃气轮机系统。


背景技术：

2.燃气轮机系统通过以连续流动的空气为工质带动叶轮高速旋转，将化学能等能源转变为机械能。现有技术的燃气轮机系统工作过程首先是压气机从外界大气环境吸入空气，并经过压气机压缩使之增压，同时空气温度也相应提高。空气被压气机压缩之后再经过加热生成高温高压的空气，然后再进入到透平中膨胀做功，推动透平带动压气机和发电机运转，实现了将化学能等能源转化为机械能的目的，进一步地还能够将机械能转化为电能输出。由于燃气轮机系统具有效率高、起动快、调峰性能好、建设周期短、占地面积小、耗水少以及环境污染小等一系列优点，因此得到了广泛的应用。现有技术的燃气轮机系统主要是将吸热器设置在回热器与储热罐之间，从压气机流出的高压空气经回热器流入吸热器。


技术实现要素：

3.发明要解决的技术问题
4.现有技术主要是将吸热器设置在回热器与储热罐之间，从压气机流出的高压空气经回热器流入吸热器，因此流经吸热器的空气一般是压缩过的高压空气，而在压力容器设计标准下压力容器的金属材料使用温度不宜过高(小于900℃)，所以吸热器的吸热温度会受到限制(800℃左右)。为符合压力容器设计标准，符合标准的吸热器内温度升高受限，导致透平进口温度不够高，并且会对整个系统的性能产生影响。
5.用于解决上述技术问题的方案
6.为解决上述问题，本发明提供一种燃气轮机系统，燃气轮机系统包括压气机、回热器、储热罐、吸热器以及透平，回热器具有回热器冷侧进口、回热器冷侧出口、回热器热侧进口以及回热器热侧出口，储热罐具有储热罐冷侧进口、储热罐冷侧出口、储热罐热侧进口以及储热罐热侧出口，吸热器具有吸热器进口以及吸热器出口，透平具有透平进口以及透平出口，压气机与回热器冷侧进口连通，回热器冷侧出口与储热罐冷侧进口连通，储热罐冷侧出口与透平进口连通，透平出口与吸热器进口连通，吸热器出口与储热罐热侧进口连通，储热罐热侧出口与回热器热侧进口连通。
7.根据上述技术方案，空气由压气机吸入增压后，从回热器冷侧进口流入回热器，在回热器中与热流体交换热量并被加热。空气从回热器冷侧出口流出后，被加热后的空气从储热罐冷侧进口进入储热罐，与储热罐中的储热介质发生反应并吸收热量从而被加热。之后空气从储热罐冷侧出口流出并从透平进口通入透平做功，部分所做功被压气机消耗，其余所做功通过发电机进行发电。做功后的空气从透平出口排出，并通入吸热器进口，吸热器将流入的空气加热。被吸热器加热后的空气从吸热器出口流出后，从储热罐热侧进口流入储热罐中，通过与储热罐中储热介质发生反应来释放热量，由此将热量储存在储热罐中。从储热罐热侧出口排出的空气温度降低，之后通入回热器热侧进口，在回热器中进行换热后
空气温度进一步降低。由于空气在进入吸热器前已在透平膨胀做功，因此空气的压强减小，吸热器可以不用按照高压情况下来设计，有利于提高空气在吸热器被加热的最高温度。
8.优选地，储热罐包括第一储热罐以及第二储热罐，第一储热罐具有第一储热罐冷侧进口、第一储热罐冷侧出口、第一储热罐热侧进口以及第一储热罐热侧出口，第二储热罐具有第二储热罐冷侧进口、第二储热罐冷侧出口、第二储热罐热侧进口以及第二储热罐热侧出口，燃气轮机系统还包括三通阀门组，三通阀门组包括第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门，第一阀门与第一储热罐热侧出口、第二储热罐热侧出口、回热器热侧进口均连通；第二阀门与吸热器出口、第一储热罐热侧进口、第二储热罐热侧进口均连通；第三阀门与回热器冷侧出口、第一储热罐冷侧进口、第二储热罐冷侧进口均连通；第四阀门与第一储热罐冷侧出口、第二储热罐冷侧出口、透平进口均连通。
9.根据上述技术方案，当第二储热罐中储热量达到充足状态时，从回热器冷侧出口流出的空气通过第三阀门经第二储热罐冷侧进口进入第二储热罐中，吸收第二储热罐中的热量。之后从第二储热罐冷侧出口流出的空气通过第四阀门进入透平，空气从透平流出后进入吸热器。经吸热器加热后的空气通过第二阀门进入第一储热罐，将热量传递给第一储热罐中的化学储热物质。之后空气从第一储热罐热侧出口流出的空气通过第一阀门从回热器热侧进口流入回热器；当第二储热罐中储热量未达到充足状态时，从回热器冷侧出口流出的空气通过第三阀门经第一储热罐冷侧进口进入第一储热罐中，吸收第一储热罐中的热量。之后从第一储热罐冷侧出口流出的空气通过第四阀门进入透平，空气从透平流出后进入吸热器。经吸热器加热后的空气通过第二阀门进入第二储热罐，将热量传递给第二储热罐中的化学储热物质。之后空气从第二储热罐热侧出口流出的空气通过第一阀门从回热器热侧进口流入回热器。
10.优选地，储热罐包括第一储热罐以及第二储热罐，燃气轮机系统还包括回转装置，回转装置能够交换第一储热罐以及第二储热罐的位置以及与介质管路的连接关系。
11.根据上述技术方案，回转装置能够交换第一储热罐以及第二储热罐的位置以及与介质管路的连接关系，回转装置能够将第一储热罐、第二储热罐位置互换。当第二储热罐中储热量达到充足状态时，回热器冷侧出口与第二储热罐进口连通，回热器热侧进口与第一储热罐出口连通，透平进口与第二储热罐出口连通，吸热器出口与第一储热罐进口连通；当第二储热罐中储热量未达到充足状态时，第一储热罐和第二储热罐进行回转操作，回热器冷侧出口与第一储热罐进口连通，回热器热侧进口与第二储热罐出口连通，透平进口与第一储热罐出口连通，吸热器出口与第二储热罐进口连通。
12.优选地，吸热器为太阳能吸热器。
13.根据上述技术方案，太阳能吸热器接收从镜场反射过来的太阳光并将流入太阳能吸热器的空气加热，能够减少对化石燃料等能源的使用，有利于提高燃气轮机系统的环保程度。
14.优选地，储热罐内部容纳有多种化学储热物质，多种化学储热物质在储热罐中分层排布。
15.根据上述技术方案，间隔分布可以使得不同层之间不易产生干扰和热交换，进而能够更好地维持温度梯度。进而提高空气的温度变化速率，有利于提高储热罐的储热效果。
16.优选地，从化学储热罐的高温侧到低温侧，多种化学储热物质的反应平衡温度逐
渐降低。
17.根据上述技术方案，化学储热物质从高温侧向着低温侧的方向形成多个化学储热层，且层与层之间间隔分布并且反应平衡温度逐渐降低，在空气经由储热罐内的管道依次通过这些化学储热物质时，可以与这些化学储热物质顺次发生温度交换，有利于提高储热罐的储热效果。
18.优选地，燃气轮机系统还包括余热利用装置，余热利用装置与回热器热侧出口相连通。
19.根据上述技术方案，从回热器热侧出口排出的空气进入余热利用装置，余热利用装置能够进一步地将空气中的热量回收，使得空气的热量得到了梯级利用，因此有利于提高能量的利用效率。
20.优选地，储热罐设置有传感器，燃气轮机系统还包括与传感器通信连接的控制器，控制器能够根据传感器的检测信息能够计算出储热罐的储热量，并在储热量高于第一阈值或者储热量低于第二阈值时，交换第一储热罐、第二储热罐与介质管路的连接关系。
21.根据上述技术方案，当空气从回热器进入储热罐时，由于储热罐设置有传感器并且燃气轮机系统还包括与传感器通信连接的控制器，因此能够判断第一储热罐和第二储热罐此时的储热量状态。此外控制器能够根据储热罐的储热状态控制改变燃气轮机系统的管路连接关系，由此能够选择合适的储热罐来进行储热以及放热操作，提高储热罐的储热以及放热效果。
附图说明
22.图1是本发明第一实施方式中的燃气轮机系统的模块示意图。
23.图2是本发明第二实施方式中的燃气轮机系统的模块示意图。
24.图3是图2中的回转装置回转后的燃气轮机系统的模块示意图。
25.附图标记说明
26.1压气机；2回热器；21回热器冷侧进口；22回热器冷侧出口；23回热器热侧进口；24回热器热侧出口；3储热罐；31储热罐冷侧进口；311第一储热罐冷侧进口；312第二储热罐冷侧进口；32储热罐冷侧出口；321第一储热罐冷侧出口；322第二储热罐冷侧出口；33储热罐热侧进口；331第一储热罐热侧进口；332第二储热罐热侧进口；34储热罐热侧出口；341第一储热罐热侧出口；342第二储热罐热侧出口；35第一储热罐；351第一储热罐进口；352第一储热罐出口；36第二储热罐；361第二储热罐进口；362第二储热罐出口；4吸热器；41吸热器进口；42吸热器出口；5透平；51透平进口；52透平出口；6发电机；7三通阀门组；71第一阀门；72第二阀门；73第三阀门；74第四阀门；8回转装置；9余热利用装置。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.第一实施方式
29.本发明提供了一种燃气轮机系统，图1是本发明第一实施方式中的燃气轮机系统的模块示意图，如图1所示，燃气轮机系统包括压气机1、回热器2、储热罐3、吸热器4以及透平5，回热器2具有回热器冷侧进口21、回热器冷侧出口22、回热器热侧进口23以及回热器热侧出口24，储热罐3具有储热罐冷侧进口31、储热罐冷侧出口32、储热罐热侧进口33以及储热罐热侧出口34，吸热器4具有吸热器进口41以及吸热器出口42，透平5具有透平进口51以及透平出口52，压气机1与回热器冷侧进口21连通，回热器冷侧出口22与储热罐冷侧进口31连通，储热罐冷侧出口32与透平进口51连通，透平出口52与吸热器进口41连通，吸热器出口42与储热罐热侧进口33连通，储热罐热侧出口34与回热器热侧进口23连通。
30.在本实施方式中，压气机1是燃气轮机系统中提高空气压力的设备，空气由压气机1吸入增压至454kpa、220℃后，从回热器冷侧进口21流入回热器2，在回热器2中与热流体交换热量并被加热至592℃。被加热后的空气从储热罐冷侧进口31通入储热罐3，与储热罐3中的储热介质发生反应并吸收热量加热至882℃。之后882℃的空气从储热罐冷侧出口32流出，并从透平进口51通入透平5做功。透平5是将空气中蕴有的热能转换成机械功的设备，透平5所做的部分机械功被压气机1消耗用于带动压气机1运转，其余机械功用于驱动发电机6，并能够通过发电机6进行发电。做功后的空气以598℃、110kpa从透平出口52排出，并从吸热器进口41通入吸热器4中。吸热器4将流入的空气加热至935℃(此时空气吸热器4内最高温度为1100℃)。被加热后的空气从吸热器出口42流出，并从储热罐热侧进口33流入储热罐3中，通过与储热罐3中储热介质发生反应来释放热量，将热量储存在储热罐3中。从储热罐热侧出口34排出的空气温度降低至645℃，之后通入回热器热侧进口23，在回热器2中经过换热后温度降至274℃。
31.由于空气在进入吸热器4前已在透平5膨胀做功，因此空气的压强减小至110kpa，吸热器4可以不用按照高压情况下来设计，有利于提高空气在吸热器4被加热的最高温度。本实施方式中空气在吸热器4能够被加热至935℃，大于现有技术的800℃。
32.优选地，储热罐3包括第一储热罐35以及第二储热罐36，第一储热罐35具有第一储热罐冷侧进口311、第一储热罐冷侧出口321、第一储热罐热侧进口331以及第一储热罐热侧出口341，第二储热罐36具有第二储热罐冷侧进口312、第二储热罐冷侧出口322、第二储热罐热侧进口332以及第二储热罐热侧出口342，燃气轮机系统还包括三通阀门组7，三通阀门组7包括第一阀门71、第二阀门72、第三阀门73以及第四阀门74，第一阀门71与第一储热罐热侧出口341、第二储热罐热侧出口342、回热器热侧进口23均连通；第二阀门72与吸热器出口42、第一储热罐热侧进口331、第二储热罐热侧进口332均连通；第三阀门73与回热器冷侧出口22、第一储热罐冷侧进口311、第二储热罐冷侧进口312均连通；第四阀门74与第一储热罐冷侧出口321、第二储热罐冷侧出口322、透平进口51均连通。
33.具体地，储热罐3设置有传感器(未示出)，燃气轮机系统还包括与传感器通信连接的控制器(未示出)，控制器能够根据传感器的检测信息能够计算出储热罐3的储热量，并在储热量高于第一阈值或者储热量低于第二阈值时，交换第一储热罐35、第二储热罐36与介质管路的连接关系。
34.在本实施方式中，储热罐3包括第一储热罐35和第二储热罐36，当空气从回热器2进入储热罐3时，由于储热罐3设置有传感器，因此能够了解第一储热罐35和第二储热罐36此时的储热量，控制器根据储热罐3的储热量状态控制管路的切换，有利于提高对空气的加
热效果以及储热罐3的储热效果。
35.三通阀门组7包括第一阀门71、第二阀门72、第三阀门73、第四阀门74四个阀门，可以通过四个阀门的导通和闭合来改变空气在燃气轮机系统中的流向，当第二储热罐36中储热量达到充足状态时，即第二储热罐36中的储热量高于第一阈值，从回热器冷侧出口22流出的空气通过第三阀门73经第二储热罐冷侧进口312进入第二储热罐36中，吸收第二储热罐36中的热量。之后从第二储热罐冷侧出口322流出的空气通过第四阀门74进入透平5，空气从透平5流出后进入吸热器4。经吸热器4加热后的空气通过第二阀门72进入第一储热罐35，将热量传递给第一储热罐35中的化学储热物质。之后空气从第一储热罐热侧出口341流出的空气通过第一阀门71从回热器热侧进口23流入回热器2。
36.当第二储热罐36中储热量未达到充足状态时，即第二储热罐36中的储热量低于第一阈值，从回热器冷侧出口22流出的空气通过第三阀门73经第一储热罐冷侧进口311进入第一储热罐35中，吸收第一储热罐35中的热量。之后从第一储热罐冷侧出口321流出的空气通过第四阀门74进入透平5，空气从透平5流出后进入吸热器4。经吸热器4加热后的空气通过第二阀门72进入第二储热罐36，将热量传递给第二储热罐36中的化学储热物质。之后空气从第二储热罐热侧出口342流出的空气通过第一阀门71从回热器热侧进口23流入回热器2。
37.本实施方式中的第一阈值是指用于判断储热罐3中储热量是否充足的最低值，该最低值可以是储热罐3最大储热量的80％，当储热量高于该最低值时，可视为储热量充足。第二阈值则是指用于判断储热罐3中储热量是否不足的最高值，该最高值可以是储热罐3最大储热量的20％，当储热量低于该最高值时，可视为储热量不足。本发明的第一阈值以及第二阈值的具体数值不局限于80％和20％，亦可以是其他数值。
38.本发明控制器判断是否切换管路连接关系除了通过将储热罐3的储热量与第一阈值进行比较外，还可以是通过将储热罐3的储热量与第二阈值进行比较，也可以是同时与第一阈值和第二阈值进行比较，在此不作限定。
39.优选地，储热罐3内部容纳有多种化学储热物质，多种化学储热物质在储热罐3中分层排布。从化学储热罐3的高温侧到低温侧，多种化学储热物质的反应平衡温度逐渐降低。
40.在本实施方式中，储热罐3内设置有至少两种化学储热物质，化学储热物质的反应平衡温度从储热罐3的高温侧到低温侧依次降低。化学储热物质从高温侧向着低温侧的方向形成多个化学储热层，且层与层之间间隔分布。化学储热物质的反应平衡温度从化学储热罐3的高温侧到低温侧依次降低。设置有多种化学储热物质时，可以使得储热罐3内依次形成温度梯度。在空气经由储热罐3内的管道依次通过这些化学储热物质时，可以与这些储热物质顺次发生温度交换，进而提高空气的温度变化速率，提高化学储热罐3的储能效果。间隔分布可以使得不同层之间不易产生干扰和热交换，进而能够更好地维持温度梯度。
41.优选地，吸热器4为太阳能吸热器4。
42.在本实施方式中，太阳能吸热器4能够将太阳能吸收之后转变为热能，太阳能吸热器4主要有碟式、塔式、槽式、菲涅尔式四种利用方式，其中碟式太阳能吸热器4聚光性能好、系统结构简单、分布灵活、场地适应性好，有着更广阔的前景。太阳能直接热发电效率较低，一般在20％左右，大量的光热转换能量没有得到利用。另外，单独的太阳能发电系统在夜间
或者阴雨天无法提供能量。因此将太阳能集热与燃气轮机系统结合起来，互为补充从而提高整体的发电能力和发电稳定性。太阳能吸热器4通过接收从镜场反射过来的太阳光来吸收太阳能，并将流入太阳能吸热器4的空气加热，相比较于燃烧燃料的传统方式，太阳能具有环保以及可再生的优点。
43.优选地，燃气轮机系统还包括余热利用装置9，余热利用装置9与回热器热侧出口24相连通。
44.在本实施方式中，用余热利用装置9对空气中的热量进行利用，从回热器热侧出口24排出的空气进入余热利用装置9，余热利用装置9能够进一步地将空气中的热量回收，使得空气的热量得到了梯级利用。梯级利用是指根据能源和资源的能量品位逐渐加以利用，实行能量的多次利用，使能量品位逐级降低到目标品位或者不能利用为止，因此更好地提高了能量的利用效率。此外，余热利用装置9可以利用有机朗肯循环，有机朗肯循环适合于热源温度较低的情况。因此，若是利用有机朗肯循环，可将空气温度降低至54℃，进一步提高了能源的利用效率。
45.第二实施方式
46.本发明还提供了另一种燃气轮机系统，图2是本发明第二实施方式中的燃气轮机系统的模块示意图，如图2所示，本实施方式的燃气轮机系统与第一实施方式的燃气轮机系统不同的地方在于，用回转装置8代替了第一实施方式中的三通阀门组7。
47.储热罐3包括第一储热罐35以及第二储热罐36，燃气轮机系统还包括回转装置8，回转装置8能够交换第一储热罐35以及第二储热罐36的位置以及与介质管路的连接关系。
48.在本实施方式中，如图2所示，回热器冷侧出口22与第二储热罐进口361连通，回热器热侧进口23与第一储热罐出口352连通，透平进口51与第二储热罐出口362连通，吸热器出口42与第一储热罐进口351连通。
49.压气机1将空气吸入增压至空气从回热器冷侧出口22流出后，454kpa、220℃后，从回热器冷侧进口21进入回热器2，在回热器2中经过换热后被加热至592℃，之后从回热器冷侧出口22流出。若第二储热罐36中储热量达到充足状态时，即第二储热罐36中的储热量高于第一阈值，被加热后的空气从第二储热罐进口361进入第二储热罐36，空气经过第二储热罐36进一步加热后，从第二储热罐出口362流出，并从透平进口51通入透平5做功，部分功率被压气机1消耗，其余功率通过发电机6进行发电。做功后的空气以598℃、110kpa从透平出口52排出，并从吸热器进口41通入吸热器4中。吸热器4将流入的空气加热至935℃(此时空气吸热器4内最高温度为1100℃)。被加热后的空气从吸热器出口42流出，并从第一储热罐进口351流入第一储热罐35中，通过与第一储热罐35中储热介质发生反应来释放热量，将热量储存在第一储热罐35中。从第一储热罐35出口361排出的空气温度降低至645℃，之后通入回热器热侧进口23，在回热器2中经过换热后温度降至274℃。
50.当第二储热罐36中储热量未达到充足状态时，即第二储热罐36中的储热量低于第二阈值，回转装置8对第一储热罐35和第二储热罐36进行回转操作，将第一储热罐35、第二储热罐36位置互换。第一储热罐35、第二储热罐36位置互换后，图3是图2中的回转装置8回转后的燃气轮机系统的模块示意图，如图3所示，回热器冷侧出口22与第一储热罐进口351连通，回热器热侧进口23与第二储热罐出口362连通，透平进口51与第一储热罐出口352连通，吸热器出口42与第二储热罐进口361连通。
51.本领域技术人员能够理解的是，可以对各个实施方式中的具体技术特征进行适应性地拆分或合并。对具体技术特征的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
52.至此，已经结合附图所示的多个实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。