一种空气布雷顿发电系统及分布式能源系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种热循环发电系统及分布式能源系统，具体是一种空气布雷顿发电系统及分布式能源系统。


背景技术：

2.分布式能源系统是直接面向用户，按用户的需求就地生产并供应能量，具有多种功能，可满足多重目标的中小型能源转换利用系统。随着社会对电力供给的依赖日益加剧，对电网安全性的要求越来越高，分布式能源作为电网的补充，可以提高用户用电的可靠性。
3.分布式能源系统通常选用热力发电系统作为动力设备。微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热循环发电系统热力发电机，是一种布雷顿发动机，是以燃料(燃气或燃油)和空气为介质的旋转式热力发动机，发电功率为25~300kw。由于其具有环保、高效、便于能源的综合利用等优点，在分布式能源中占有重要的地位，因此得到越来越广泛的应用。
4.在实现本实用新型过程中，实用新型人发现现有技术中至少存在如下问题：微型燃气轮机在工作过程中需要在燃烧室内与喷入的燃料(燃气或燃油)，燃料与空气混合燃烧生成高温高压的气体，从而将燃料的能量转变为有用功。可见，现有的微型燃气轮机对燃料依赖性比较强，使其在运行维护过程中需要不断补充燃料，不能满足长时间连续运行的需求。亟待提供一种在运行维护过程中不需要不断补充燃料，并能够满足长时间运行需求的热循环发电系统。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种利用高品位热源的布雷顿循环发电系统。
6.为达此目的，一方面，提供了一种空气布雷顿发电系统，包括：动力系统，上述动力系统包括四象限变频器和电动发电机，上述四象限变频器一端与上述电动发电机电连接，另一端接到电网；上述电动发电机为双轴伸电动发电机；压气机，上述压气机包括进气口、出气口和压气机轴，上述压气机轴与电动发电机轴的一端连接；上述压气机还包括进气导叶调节装置，位于上述压气机的进气口处；上述进气口用于使空气进入压气机；加热换热器，上述加热换热器包括流体进口、流体出口；上述压气机的上述出气口与上述流体进口连通；上述加热换热器的介质利用高品位热源；透平，上述透平具有进气口和透平轴，上述透平的上述进气口与上述流体出口连通，上述透平轴与上述电动发电机轴的另一端连接。
7.优选地，还包括旁路调节阀，上述旁路调节阀位于上述加热换热器的上述流体出口和上述透平的上述进气口的通路上。
8.优选地，还包括紧急切断阀，上述紧急切断阀位于上述旁路调节阀和上述透平的上述进气口的通路上。
9.优选地，上述加热换热器还包括介质进口和介质出口，上述介质进口与上述介质出口连接在上述高品位热源的两端，上述高品位热源利用核能。
10.优选地，上述电动发电机选用高速电动发电机，上述高速电动发电机的转速大于
3600r/min。
11.优选地，上述压气机为离心式，上述透平为向心式。
12.优选地，在上述压气机的出气口与上述加热换热器的上述流体进口的通路上还设置有止回阀，上述止回阀的进口与上述压气机连通，上述止回阀的出口与上述加热换热器的流体进口连通。
13.优选地，上述压气机的出气口和上述止回阀的进口之间设置有压气机退喘阀。
14.优选地，上述电动发电机的至少一个轴端处设置有轴承，上述轴承选用电磁轴承或者气浮轴承。
15.另一方面，还提供了一种分布式能源系统，包括上述任一项的空气布雷顿发电系统。
16.上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
17.本实用新型提供的空气布雷顿发电系统在启动时，电流是从电网输入到四象限变频器，即电动发电机处于电动状态，其带动压气机运行。空气从压气机的进气口流入压气机，经压气机增压后进入加热换热器，经加热换热器提高温度后流入透平中对外做功，最后排入大气中。此时电动发电机处于发电状态，透平的透平轴与电动发电机连接，经四象限变频器输入电网。基于此，本实用新型提供的空气布雷顿发电系统利用高品位热源发电，在运行维护过程中大幅减少燃料的使用量。
18.本方案的空气布雷顿发电系统，利用高品位热源实现对压气机排气温度的提高，使其满足透平的做功要求。因此，在运行维护过程中不需要不断补充燃料，能够满足长时间运行的需求，减少碳化物及有害气体的排放，能够担负所在小区域的部分供电的责任，启停方便，还可用于调峰。
附图说明
19.图1是本实用新型的空气布雷顿发电系统的流路图。
20.图中： 1-压气机；2-电动发电机；3-透平；4-压气机退喘阀；5-止回阀；6-加热换热器；7-旁路调节阀；8-紧急切断阀；9-四象限变频器；10-电网。
具体实施方式
21.为使本实用新型解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施例的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域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，都属于本实用新型保护的范围。
22.在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
23.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
24.实施例一：
25.如图1所示，一种空气布雷顿发电系统，包括动力系统、压气机1、加热换热器6和透平3。该动力系统包括四象限变频器9和电动发电机2，该四象限变频器9一端与该电动发电机2电连接，另一端接到电网10。电动发电机2是同时具有发电机与电动机两种功能的电机，又称一体式电动发电机。该电动发电机为双轴伸电动发电机，该电动发电机轴的一端与压气机1轴连接，另一端与透平4轴连接，即双轴伸电动发电机有两个输出轴，两个输出轴从电机的两端伸出，压气机1、双轴伸电动发电机和透平4构成空气布雷顿循环。空气布雷顿发电系统在启机过程中，电流是从电网10输入到四象限变频器9，即电动发电机2处于电动状态；空气布雷顿发电系统在正常运行过程中，电流是从四象限变频器9输出到电网10，即电动发电机处于发电状态。
26.压气机1，该压气机1包括进气口、出气口和压气机轴，该进气口用于使空气进入压气机1，空气流入压气机1后，压气机1对空气加压以提高空气的压力，加压后的空气经压气机1的出气口流出，进入加热换热器6。该压气机1还包括进气导叶调节装置，位于该压气机1的进气口处，用于调节进入压气机1的进气量和/或风速和/或风向，通过改变压气机1进口前导叶的角度，使气流产生预旋（即流体进入叶轮前的旋转运动）。
27.加热换热器6，该加热换热器6介质利用高品位热源，用于提高压气机加压后的空气的温度，提高温度后流入透平3中对外做功，最后经透平的出气口排入大气中。该加热换热器6包括流体进口、流体出口，高温介质由高品位热源提供。经压气机1加压后的空气从流体进口流入，后从流体出口流出进入透平。
28.透平，该透平具有进气口和透平轴，该透平的该进气口与加热换热器6的流体出口连通，空气经压气机1和加热换热器6后变成高温高压的空气，该高温高压的空气通过透平的进气口进入透平，并驱动透平做功，转化为透平轴处的机械能，电动发电机9此时处于发电状态，再将透平轴的机械能转化为电能，该电能经过四象限变频器9输出到电网10。
29.基于此，本实施例提供的空气布雷顿发电系统，利用高品位热源实现对压气机排气温度的提高，使其满足透平的做功要求。空气布雷顿发电系统在启动时，电流是从电网10输入到四象限变频器9，即电动发电机2处于电动状态，其带动压气机1运行。空气从压气机1的进气口流入压气机1，经压气机1增压后进入加热换热器6，经加热换热器6提高温度后流入透平3中对外做功，最后排入大气中。此时电动发电机2处于发电状态，透平3的透平轴与电动发电机连接，经四象限变频器9输入电网10。
30.优选地，加热换热器6还包括介质进口和介质出口，该介质进口与该介质出口连接在高品位热源的两端，高品位热源与介质进口和介质出口形成通路，加热换热器6的高品位热源利用核能。可选的，加热换热器6的热源还可以利用现有的其他高品位热源。核能是一种高品位热源，是一种经济、安全、可靠、清洁的能源，同各种化石能源相比起来，核能对环境和人类健康的危害更小，清洁、高效的核能有着广阔的发展前景。
31.优选地，电动发电机选用高速电动发电机，高速电动发电机的转速大于3600r/min。
32.优选地，该压气机1为离心式压气机，该透平3为向心涡轮，压气机1和透平3安装于双轴伸的电动发电机2的两侧，为同轴背靠背布置，能够减少机组轴向力，提高运行可靠性。
33.优选地，双轴伸的电动发电机2的至少一个轴端处设置有轴承，轴承选用电磁轴承或者气浮轴承。
34.优选地，还包括辅助系统，辅助系统包含冷却系统、滑油系统、测控系统，其中冷却系统选用空气或油作为冷却介质。
35.实施例二：
36.如图1所示，本实施例提供的空气布雷顿发电系统还包括旁路调节阀7，该旁路调节阀7位于加热换热器6的流体出口和透平3的进气口的通路上，旁路调节阀7通过打开或关闭，从而减少或增加透平进气量，实现输出功率调节。
37.优选地，旁路调节阀7设置在第二支路上，所述第二支路上由加热换热器的流体出口和透平的进气口的通路引出，与加热换热器的流体出口和透平的进气口的通路连通。
38.优选地，空气布雷顿发电系统还包括功率调节装置，功率调节装置包括透平3前的旁路调节阀7和压气机1进气口的进气导叶调节装置，旁路调节阀7和压气机1的进气导叶调节装置能够进一步扩大到空气布雷顿发电系统的功率调节范围，在不改变加热换热器功率的前提下，实现对系统输出功的率实时调节。
39.本实施例的空气布雷顿发电系统，压气机1进气口处的进气导叶调节装置通过改变压气机1进口前导叶的角度，使气流产生预旋，具有结构简单、能量损失小、调节范围宽、可以在压气机运行时进行实时调节等优点，而旁路调节阀7通过打开或关闭，能够减少或增加透平进气量，实现输出功率调节。功率调节装置在不改变加热换热器功率的前提下，实现对系统输出功的率实时调节。
40.实施例三：
41.如图1所示，本实施例的空气布雷顿发电系统，在压气机1的出口与加热换热器6的流体进口的通路上还设置有止回阀5，上述止回阀5的进口与上述压气机1连通，上述止回阀5的出口与上述加热换热器6的进口连通，使得流体仅从压气机流向加热换热器，使加热换热器的流体不能流向压气机，保证了系统运行的安全。
42.优选地，压气机1的出口处还设置有压气机退喘阀4，上述压气机退喘阀4位于上述压气机的出气口和止回阀5的进口之间，当压气机1进入喘振状态时，开启压气机退喘阀4。空气布雷顿发电系统在运行过程中需要关闭压气机退喘阀4。
43.优选地，压气机退喘阀4设置在第一支路上，上述第一支路由压气机的出气口和止回阀的进口之间的流路引出，与压气机的出气口和止回阀的进口的流路连通。
44.优选地，空气布雷顿发电系统还包括紧急切断阀8，紧急切断阀8位于旁路调节阀7和透平3的上述进气口的通路上。空气布雷顿发电系统在运行过程中需要开启透平前紧急切断阀8，关闭压气机退喘阀4。
45.优选地，压气机退喘阀4和止回阀5的进口之间还设置有流量计。
46.本实施例的空气布雷顿发电系统，在运行过程中需要开启透平前的紧急切断阀8，关闭压气机退喘阀4。压气机1出口管路设有压气机退喘阀4、止回阀5和加热换热器6，透平3
进口管路设有旁路调节阀7和紧急切断阀8。空气流入压气机1中进行加压，之后通过加热换热器6进一步提高温度后流入透平3中对外做功，最后排入大气中。当压气机1进入喘振状态时，开启压气机退喘阀4。在紧急工况下切断紧急切断阀8，进一步保证了系统的安全运行。
47.实施例四：
48.本实施例提供了一种分布式能源系统，包括上述实施例的任一种的空气布雷顿发电系统，空气布雷顿发电系统在启动时，电流是从电网10输入到四象限变频器9，即电动发电机2处于电动状态，其带动压气机1运行。空气从压气机1的进气口流入压气机，经压气机1增压后进入加热换热器6，经加热换热器6提高温度后流入透平3中对外做功，最后排入大气中。此时电动发电机2处于发电状态，透平3的透平轴与电动发电机2连接，经四象限变频器9输入电网10。
49.优选地，空气布雷顿发电系统还包括控制系统，该控制系统包括空气布雷顿发电系统启停控制、上述的各个工况的正常运行控制和应急控制。
50.本实施例的分布式能源系统，加热换热系统利用核能或其他高品位热能实现对压气机排气温度的提高，在运行维护过程中不需要不断补充燃料，大幅减少燃料的使用，能够满足长时间运行的需求，并能减少碳化物及有害气体的排放，能够担负所在小区域的部分供电的责任，启停方便，还可用于调峰，满足社会对能源系统的清洁性、高效性和安全性的要求。
51.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。