[发明专利]生产动力的流程

说明书

本发明是有关用燃气轮机把燃料中的化学能转变为产生机械能或电能的生产流程。

当发动机中采用一种工作流体，把燃料所包含的化学能转化为机械能或电能，工作流体要加压，随着燃料燃烧，从燃料中释放的能量由工作流体吸收，于是吸收了能量的工作流体就膨胀，产生了机械能，该机械能也可用来驱动发电机来产生电能，未转化的能量以热的形式排放，这些排弃的热量可以回收和利用。当进入膨胀阶段的工作流体温度为最高时，发动机的效率也达到最大。

就燃气轮机而言，空气压缩是用于压缩阶段，把燃料喷到压缩空气中直接燃烧是增能阶段，并在燃气轮机中膨胀而产生了机械能，未转化的热量由燃气轮机排气管排出，就在燃烧温度最高时，燃气轮机的效率也最高，这只有燃料在理想配比条件下，并喷入到压缩空气中燃烧才会产生上述情况，也就是说充分燃烧需要足够的空气，但不要过量。

然而，燃料在理想配比条件下燃烧，燃温约达4000°F，此温度已超过了燃气轮机叶片金属疲劳的极限，结果在燃烧阶段，人们必须用过量的空气起热的加稀作用，把燃烧产生的温度降到约2000°F，而在高压下耗用过量空气也必然在系统内产生了大的附加载荷，因为空气压缩需要机械能，这样就减小了系统所产生的净功率，同样也降低了系统的总效率。

现有的燃气轮机循环的另一缺点是加压阶段需要压缩空气，而气体压缩是非常耗能的。因为它需要机械能，而机械能是能量中最高的形式，而且可降级转化为热能。通过利用级间冷却可减小空气压缩所需要的机 械能，也就是说在多级压缩过程中，依靠冷却相应级中间的压缩空气温度来达到。然而从总的循环效率来说，只有级间冷却器所吸收压缩空气的热量能有效地回收和利用情况下，级间冷却才可采用。要是热量只是简单地排到大气中，实际上整个循环的效率是下降的，因为这会形成消耗更多燃料来补偿级间冷却器所损耗的热能。因此，在实际使用中，当压缩气流中包含热量时，宁可容忍压缩机消耗功率大，也不简单地把热量随意丢掉。

即使根据上述的限制，大家还是希望用燃气轮机，因为它可使发动机在最高温度下工作，并使用工作流体把燃料中的化学能转变为机械能，然而，由于燃气轮机固有的高排气温度，热循环效率受到限制，但该燃气轮机的排气却又可用作开动另一发动机的热源，诸如汽轮机以增加燃料利用的总热效率，此种系统称之为联合循环系统，在工业上广泛使用。另一种利用燃气轮机排气所含热量的途径是提高过热蒸汽温度，并把该过热蒸汽喷回到燃气轮机的燃烧室，请阅美国专利No.3978661，另外还有一个办法是用燃气轮机的排气预热离开压缩机的空气，同时在压缩时采用级间冷却（请参阅肯特的机械工程师手册1950年版），这些系统就利用燃料中的化学能来说具有高的总热效率，但上述系统比起本发明流程的效率，还是要低些，这在以后要加以解释。

联合循环不能充分利用空压机级间冷却，因为空压机级间冷却器所排放热量的温度太低而不能回收加以有效利用诸如产生蒸汽，此种热量的小部分可以回收用于预热锅炉的给水，如美国专利No.3335，565艾格尼特发明人所叙述的，但这会形成更多的热量随着燃气而排放并且即使有些好处，它的热回收率和循环效率的净增收效甚微。最近有人提出，用直接把水喷入气流中作为级间冷却的一种办法，可是这也有二个缺点，一个缺点是离开级间冷却段的空气，它的温度受到饱和空气露点温度的限制。也就是在级间冷却器内依靠直接喷水到气流中，起热加稀作用的水蒸汽在连续多级过程中需被压缩，这就排除了利用加入水蒸汽作为一种节约压缩功率的办法。

在美国专利2869324发明人福特所叙述的是在对空气和水都预热后再把水加到压缩空气中进行蒸发，可是，这种蒸发办法为了获得空气中充满有用的湿气就要求较高的温度级，因为留在蒸发器的空气和水要相互保持平衡，这种蒸发水的办法比起本发明的效率要差些，本发明可以利用空气在低温下进入饱和器内。

蒸汽循环有它的固有不可逆性，因水的蒸发发生在常温下，而热量释放发生在变温下，以下坐标图所示即为热量释放曲线和水蒸发线：

从坐标图中可看出，随着蒸汽产生，就不再能维持热源与载热流体之间的微小温差，这会导致系统大的不可逆性，因此也就导致低的效率。

采用联合循环的发电厂费用也是昂贵的，因它需要一套附加的汽轮发电机组、汽鼓、凝结汽轮机排汽的冷凝器以及把冷凝器的热量排到大气中的冷却塔。