ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА Российский патент 2000 года по МПК F02C3/00 F02C3/04 

Изобретение относится к газотурбинным установкам, предназначенным для регенерации тепла, поступающего от источника тепла.

Наиболее близким аналогом для настоящего изобретения является газотурбинная установка, содержащая газовую турбину, теплообменное средство для подогревания сжатого газа теплом источника тепла, средство для подачи подогретого сжатого газа из теплообменного средства непосредственно в турбину для расширения подогретого сжатого газа без сжигания таким образом, что температура газа на выходе газовой турбины была ниже, чем температура подогретого сжатого газа на входе газовой турбины, газовый компрессор для получения сжатого газа, включающий камеру сжатия для помещения газа, предназначенного для сжатия, поршень сжатия, приводное средство для приведения в движение поршня в камеру сжатия газа и клапанное средство для обеспечения всасывания сжатого газа из камеры сжатия (SU 13340 А, 31.03.30).

Недостатком известной установки является то, что избыточное тепло отходящего газа безвозвратно теряется, если его не преобразовать в полезную энергию.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности установки за счет регенерации тепла отходящих газов.

Задача решается за счет того, что газотурбинная установка, содержащая газовую турбину, теплообменное средство для подогревания сжатого газа теплом источника тепла, средство для подачи подогретого сжатого газа из теплообменного средства непосредственно в турбину для расширения подогретого сжатого газа без сжигания таким образом, что температура газа на выходе газовой турбины была ниже, чем температура подогретого сжатого газа на входе газовой турбины, газовый компрессор для получения сжатого газа, включающий камеру сжатия для помещения газа, предназначенного для сжатия, поршень сжатия, приводное средство для приведения в движение поршня в камеру сжатия газа из камеры сжатия, дополнительно содержит средство для образования струи распыленной жидкости в камере сжатия для охлаждения газа при его сжатии в ней, соединительные средства, связанные с поршнем газового компрессора для обеспечения подачи энергии к поршню и средство для удаления жидкости из холодного сжатого газа, выпущенного непосредственно из камеры сжатия, при этом газовый компрессор выполнен изотермического сжатия для получения холодного сжатого газа.

Задача решается также тем, что установка содержит дополнительную газовую турбину и средство для подачи горячего выхлопного газа низкого давления из газовой турбины в теплообменное средство для подогревания холодного сжатого газа из изотермического компрессора.

Кроме того, установка может дополнительно содержать магистральный нагреватель для генерирования горячего газа высокого давления из части подогретого сжатого газа, поступающего из теплообменного средства, и средство для подачи горячего газа высокого давления для приведения в действие турбины.

Также задача решается за счет того, что магистральный нагреватель содержит камеру сгорания, сжигающую топливо в подогретом сжатом газе и производящую дымовой газ в качестве горячего газа высокого давления.

Кроме того, магистральный нагреватель содержит внешний источник нагрева.

Задача решается также за счет того, что установка содержит средство для подачи части холодного сжатого газа на лопасти газовой турбины для их охлаждения.

Установка также содержит третью газовую турбину, второе теплообменное средство для подогревания части холодного сжатого из горячего газа низкого давления, выходящего из упомянутой дополнительной газовой турбины, и средство для подачи подогретого сжатого газа из второго теплообменного средства для приведения в действие третьей газовой турбины.

Кроме того, третья газовая турбина является воздушной турбиной.

Задача решается также за счет того, что установка содержит компрессор для подачи горячего сжатого газа для приведения в действие изотермического компрессора.

Изотермический газовый компрессор дополнительно содержит вторую камеру и второй поршень, косвенно механически связанный с поршнем сжатия.

Поршень сжатия и второй поршень могут быть соединены между собой коленчатым валом.

Приводное средство для приведения в движение поршня в камеру сжатия газа содержит средство для подачи горючей топливной смеси во вторую камеру, посредством чего ее сгорание приводит в движение второй поршень из второй камеры.

Газовая установка дополнительно содержит средство для подачи сжатого газа из камеры сжатия во вторую камеру.

Задача решается также тем, что установка включает теплообменное средство, размещенное с возможностью подогрева сжатого газа из камеры сжатия газом из второй камеры.

Установка может включать теплообменное средство, размещенное с возможностью подогрева сжатого газа из камеры сжатия теплом от конца и/или стенки второй камеры.

Кроме того, средство для удаления жидкости содержит влагоотделитель.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
фиг. 1 изображает блок-схему варианта газотурбинной установки, включающей изотермический компрессор;
фиг. 2 изображает блок-схему другого варианта газотурбинной установки объединенной с изотермическим компрессором;
фиг. 3 изображает вариант установки, отапливаемой углем или другим топливом и объединяющей изотермический компрессор и воздушную турбину;
фиг. 4 изображает блок-диаграмму другого варианта газотурбинной установки, включающей и газовую, и воздушную турбину;
фиг. 5 изображает устройство для накопления и хранения холодного сжатого газа;
фиг. 6 изображает устройство для извлечения накопленного сжатого газа для генерирования энергии;
фиг. 7 изображает блок-схему, иллюстрирующую два устройства для накопления энергии;
фиг. 8 изображает вариант термокомпрессора и дополнительной установки для генерирования энергии;
фиг. 9 изображает другой вариант термокомпрессора и дополнительной установки для генерирования энергии;
фиг. 10 показывает еще один вариант термокомпрессора вместе с дополнительной установкой для генерирования энергии;
фиг. 11 показывает другой вариант термокомпрессора и дополнительной установки для генерирования энергии;
фиг. 12 показывает другой вариант термокомпрессора и дополнительной установки для генерирования энергии;
фиг. 13 изображает блок-схему системы для отбора пара из выхлопного газа;
фиг. 14 изображает блок-схему варианта газотурбинной установки с замкнутым циклом, включающей термокомпрессор;
фиг. 15 изображает блок-диаграмму варианта установки для генерирования энергии, включающей термокомпрессор и вторую газовую турбину для отбора избыточного тепла;
фиг. 16 изображает варианты термокомпрессоров с замкнутым и открытым циклом, в которые тепло подается посредством инжектирования горячей жидкости;
фиг. 17 изображает вариант термокомпрессора, включенного в цикл генерирования энергии и газификации;
фиг. 18 изображает вариант термокомпрессора, включающий два альтернативных устройства для накопления энергии:
Газотурбинная установка с камерой сгорания и изотермическим компрессором
Согласно фиг. 1 газотурбинная установка, обозначенная позицией 1, содержит газовую турбину 2, изотермический компрессор 3, теплообменное средство в виде теплообменника 4 для подогрева холодного сжатого газа, использующего горячий газ низкого давления, выходящий из газовой турбины 2, и магистральный нагреватель 5 для генерирования горячего газа высокого давления из подогретого сжатого газа для приведения в действие газовой турбины 2. Эта газовая турбина 2 приводит в действие генератор электричества 6. Магистральный нагреватель 5 содержит камеру сгорания для сжигания топлива в подогретом газе, находящемся под давлением, в результате чего продуктом горения или дымовым газом является горячий газ высокого давления.

Если изотермический компрессор 3 включает газовый компрессор, он обычно приводится в действие газовой турбиной. Например, в компрессоре с газовым приводом горячий сжатый газ может обеспечиваться обычным компрессором. Этот тип изотермического компрессора производит большую массу холодного сжатого газа, чем обычный компрессор для данной подводимой мощности. Однако в изотермическом компрессоре с жидкостным приводом будет производиться та же самая масса газа, что в обычном компрессоре, но при этом требуется меньше энергии. Следовательно, либо для приведения в действие компрессора будет употребляться меньше энергии от газовой турбины, либо энергия для приведения в действие изотермического компрессора будет такой же самой, что и для обычного компрессора за исключением того, что будет произведена большая масса газа для использования в запуске газовой турбины.

Поскольку отходящее от газовой турбины тепло используется для подогрева впускаемого газа, нет необходимости в утилизирующем тепло парогенераторе и связанной с ним паровой турбине, которые необходимы в комбинированном цикле газовой турбины и парогенератора. Поскольку парогенератор не требуется, ограничения, налагаемые на газотурбинную установку парогенератором, исключаются. Следовательно, температура отходящего от газовой турбины тепла может быть увеличена выше значения, соответствующего паровому циклу, и оптимизирована для получения наилучшей производительности газовой турбины. Это может включать использование газовой турбины с более, чем одной стадией сжигания (т.е. подогрев газовой турбины). Кроме того, часть охлажденного сжатого газа из изотермического компрессора может быть использована для усиления охлаждения лопастей газовой турбины с тем, чтобы получить более высокую температуру на входе турбины.

В цикле может быть использована любая форма систем охлаждения, например мокрые, сухие или смешанного типа башенные холодильники или прямое охлаждение атмосферным воздухом, или массой воды, например, из моря, реки и т.п. В случае, когда холодным сжатым газом является воздух и горячим газом высокого давления являются дымовые газы или продукты сгорания, можно получить больше тепла из дымового газа, чем это необходимо для подогрева холодного сжатого воздуха (благодаря различию в теплоемкости двух газовых потоков). Это избыточное тепло может быть использовано для других целей, например для нагрева дополнительного потока холодного сжатого воздуха, который затем расширяется (без сжигания топлива) через одну или более воздушные турбины для генерирования большей мощности, возможно используя один или более вспомогательных теплообменников для достижения этого.

Дополнительные газовые турбины и вспомогательные теплообменники должны быть намного меньше, чем основные составляющие системы, поскольку поток через эту часть контура должен быть только частью основного потока. Альтернативно дополнительное тепло от дымовых газов может быть использовано для некоторых других внешних целей. На фиг. 2 представлена блок-схема газотурбинной установки, обозначенной позицией 7, которая воплощает первую из этих альтернатив.

Газотурбинная установка и вспомогательные газовые турбины
Газотурбинная установка 7 содержит газовую турбину 8, которая запускает первый генератор 9, изотермический компрессор 10, теплообменник 11, для нагревания холодного сжатого воздуха из компрессора отходящими газами от газовой турбины 8. Большая часть подогретого сжатого воздуха подается в камеру сгорания для сжигания с топливом и получения дымового газа для газовой турбины 8, и часть подогретого сжатого воздуха подается на вход первой дополнительной газовой турбины 12, которая запускает второй генератор 13. Отходящий от первой газовой турбины 12 воздух пропускается через теплообменное средство воздух-воздух (воздушный) в виде теплообменника 14 для подогрева части холодного сжатого воздуха из изотермического компрессора для приведения в действие второй газовой турбины 15. В этом варианте газотурбинной установки изотермический компрессор 10 является компрессором с газовым приводом, который приводится в движение ротационным компрессором 16, приводимым в движение газовой турбиной 8.

Установка с газовой турбиной и изотермический компрессор
Вместо магистрального нагревателя 17, содержащего камеру сгорания, установка может содержать внешний источник нагрева, которым может быть угле- или нефтесжигающая печь, тепло, получаемое от химических или промышленных процессов, ядерный реактор или солнечная печь. На фиг. 3 изображена блок-схема газотурбинной установки, содержащей газовую турбину 18, при этом магистральным нагревателем 19 в установке является углесжигающая печь. Устройство подобно тому, что изображено на фиг. 1, за исключением того, что холодный сжатый воздух из изотермического компрессора 20 подогревается отходящим воздухом от газовой турбины и подогретый воздух из теплообменника нагревается магистральным нагревателем 19 и затем расширяется в газовой турбине. Такое устройство должно использоваться в тех случаях, когда нежелательно пропускать через турбину продукты сгорания из камеры сгорания. Очень похожий контур должен использоваться для источников тепла (например, промышленных, химических, солнечных ядерных, геотермальных), где нет продуктов сгорания. Существенное отличие должно заключаться в том, что углесжигающая печь должна быть заменена другим типом теплообменника.

Как и для газотурбинной установки, изображенной на фиг. 1, внешний греющий цикл может включать стадии подогрева в процессе расширения воздуха в турбине. Особенностью любого открытого или замкнутого внешнего греющего цикла, который не имеет продуктов сгорания в качестве рабочей жидкости, является то, что теплоемкость отходящего газа от турбины является, по существу, такой же, что и теплоемкость впускаемого газа. Следовательно, нет избытка тепла, которое иначе должно было быть вследствие различия в теплоемкости двух газовых потоков, и, следовательно, в этой части контура нет дополнительных турбин. На фиг. 4 изображен другой вариант газотурбинной установки, обозначенной позицией 21, которая включает и газовую турбину 22, приводящую в движение первый генератор 23, и газовую турбину 24, приводящую в движение второй генератор 25. Тепло отходящего газа от газовой турбины 22 извлекается путем нагрева источника холодного сжатого воздуха, который затем расширяется в объеме газовой турбины 24. Поскольку газовая турбина используется на конечной низкотемпературной стадии цикла генерирования энергии, этот цикл упоминается как воздушный балластный цикл.

Газотурбинная установка с воздушным балластным циклом
Согласно фиг. 4 горячий сжатый воздух от первого ротационного компрессора 26 подается в камеру сгорания 27 для сжигания с топливом. Дымовой газ затем подается на вход газовой турбины 22, которая приводит в действие первый генератор 23. Горячий сжатый воздух от второго обычного ротационного компрессора 28 подается в изотермический компрессор 29, который может быть компрессором с газовым приводом. Холодный сжатый воздух из изотермического компрессора 29 направляется в теплообменник 30, в котором сжатый воздух нагревается горячим отходящим газом от газовой турбины 22. Горячий сжатый воздух из теплообменника 30 подается на вход газовой турбины 24, которая приводит в действие второй генератор 25.

Хотя воздушный балластный цикл с изотермическим компрессором 29 может быть не настолько эффективны, как цикл, представленный на фиг. 1 и 2, существенным преимуществом этого цикла является то, что газовая турбина, используемая в цикле, может быть одной из тех, которые в настоящее время используются в существующих газотурбинных установках, Следовательно, этот вариант исключает дорогостоящее усовершенствование газовой турбины и также исключает капитальные вложения в парогенераторы, используемые с СССТ.

Способ накопления и извлечения энергии
Изотермический компрессор может быть использован для накопления энергии в форме сжатого газа, например воздуха. Уже существуют схемы накопления энергии в форме сжатого газа, но использование обычных компрессоров означает, что существенная доля энергии рассеивается в виде тепла и не может быть извлечена и утилизирована. Если воздух сжимается изотермически, расходуется меньше энергии в процессе сжатия, и большая доля исходной энергии может быть извлечена и утилизирована. Холодный сжатый воздух может храниться в соответствующих больших замкнутых камерах или полостях, которые могут вынести наложенное давление без чрезмерных утечек. Например, для этих целей могут быть использованы вышедшие из использования шахты или нефтяные скважины. Отработавшие прибрежные или находящиеся в открытом море нефтяные скважины должны иметь преимущество в том, что море будет обеспечивать естественную внешнюю герметизацию, которая будет замедлять утечку.

Обычно для эксплуатации изотермического компрессора в качестве изотермического расширителя охлажденный сжатый газ из накопителя вводится в камеру сжатия и обеспечивается возможность его расширения, при котором поршень выдвигается из камеры. Когда газ расширяется, в камере для поддержания температуры газа постоянной или для увеличения температуры газа распыляется жидкость. Энергия сжатия (и тепловая) газа преобразуется в кинетическую энергию, которая сообщается либо второму поршню для сжатия тела газа во второй камере, либо тому же самому поршню для сжатия газа на его обратном ходе в камеру сжатия. Газ сжимается адиабатически, так что его температура возрастает до рабочей температуры турбины, например, около 300^oC для воздушной турбины.

На фиг. 5 представлена схема накопления энергии более подробно, в которой накопленная энергия извлекается за счет эксплуатации изотермического компрессора, работающего в режиме реверса как расширитель или экспандер. Согласно фиг. 5 установка для накопления энергии содержит изотермический компрессор 31, приводимый в действие ротационным компрессором 32, который в свою очередь приводится в действие мотором 33. Компрессор 31 содержит верхнюю камеру 34, расположенную вертикально над нижней камерой 35, и твердый поршень 36, который свободно колеблется вертикально вверх и вниз, в и из каждой камеры. Нижняя камера 35 вмещает герметизированный объем газа и служит в качестве камеры адиабатического отскакивания для приведения в движение поршня обратно в камеру 34 сжатия. В верхней камере 34 выполнено впускное отверстие 37 для горячего сжатия воздуха, регулируемое клапаном 38, для впуска горячего сжатого воздуха в камеру из ротационного компрессора 32. Воздушное впускное отверстие 39, регулируемое клапаном 40, предусмотрено для впуска дополнительной массы воздуха низкого давления в верхнюю камеру 34 во время движения поршня 38 наружу. Выпускное отверстие 41 для сжатого воздуха, регулируемое клапаном 42, предусмотрено для обеспечения выпуска сжатого газа из камеры. Выпускное отверстие 41 для сжатого воздуха соединено через влагоотделитель 43 с большой полостью, например неиспользуемой шахтой, для накопления и хранения охлажденного сжатого газа (воздуха). Верхняя камера 34 соединена со средством образования струи распыленной жидкости, выполненным в виде отверстия 44 для инжектирования жидкости распылением, через которое жидкость из инжекционного насоса 45 распыляется в камеру 34. Жидкость подается инжекционным распылительным насосом 45 из соответствующего источника, например резервуара, реки, и т.п. или накопительной емкости 46, и потом возвращается из средства для удаления жидкости в виде влагоотделителя 43 в емкость для хранения воды или резервуар 46. Распылительная жидкость, вытесняемая из камеры сжатия после сжатия, обычно находится при температуре, выше температуры окружающей среды, и тепло этой жидкости может накапливаться и храниться для последующего использования во время утилизации энергии. В этом случае предпочтительнее теплоизолировать хранилище воды для предотвращения утечки тепла из хранилища воды в окружающую среду.

На фиг. 6 представлена еще одна возможная схема для извлечения энергии из накопленного сжатого воздуха, включающая изотермический экспандер, обозначенный позицией 47.

Изотермический экспандер имеет верхнюю камеру 48, расположенную вертикально над нижней камерой 49, и твердый поршень 50, свободно колеблющийся в вертикальной плоскости в и из каждой камеры. В верхней камере 48 выполнено впускное отверстие 51 для охлажденного сжатого газа, расположенное наверху камеры, регулируемое клапаном 52, которое соединено с хранилищем сжатого газа 53. В верхней камере 48 также выполнено отверстие 54 для инжектирования жидкости распылением, соединенное с хранилищем воды 55 через распылительный инжекционный насос 56. В стенке верхней камеры 43 на некотором расстоянии от верха выполнено газовое выпускное отверстие 57, соединенное с влагоотделителем 58. В нижней камере 49 выполнено газовое впускное отверстие 59, регулируемое клапаном 60, для обеспечения всасывания воздуха в камеру и выпускное отверстие 61 для сжатого газа, регулируемое клапаном 62, соединенное со входом воздушной турбины 63. Газовые впускное и выпускное отверстия расположены в стенках камеры на некотором расстоянии от основания нижней камеры. Газовая турбина 63 приводит в действие генератор 64.

Типичный рабочий цикл установки для извлечения энергии, показанной на фиг. 6, осуществляется следующим образом, начинаясь, когда поршень 50 находится в максимально поднятом положении в верхней камере 48. В этот момент нижняя камера 49 вмещает свежий объем воздуха, подлежащего сжатию, и оба клапана, впускной 60 и выпускной 62, заперты. Когда поршень 50 кратковременно останавливается в верхней точке его хода, впускной клапан 52 для сжатого газа открывается для впуска свежей порции охлажденного сжатого воздуха из воздушного хранилища 53 в верхнюю камеру 48 через газовое впускное отверстие 51. Затем сжатый воздух расширяется, заставляя поршень 50 двигаться в нисходящем направлении. В то же самое время теплая вода из хранилища воды 55 инжектируется в верхнюю камеру 48 в виде водяной пыли. Водяная пыль передает тепло сжатому воздуху при его расширении для предотвращения охлаждения воздуха, так что это расширение может быть близким к изотермическому. Когда поршень 50 входит в нижнюю камеру 49, воздух в нижней камере адиабатически сжимается, и когда давление воздуха достигает желаемого значения, открывается газовый выпускной клапан 62 и горячий сжатый воздух вытекает из нижней камеры 49 и расширяется в воздушной турбине 63. Когда поршень 50 проходит газовые впускное и выпускное отверстия 59 и 61, остаточный воздух, захваченный в камере ниже газовых впускного и выпускного отверстий, адиабатически сжимается и служит для временного хранения оставшейся энергии поршня с тем, чтобы вернуть поршень в верхнюю точку его хода в верхней камере. Поршень кратковременно останавливается над основанием нижней камеры и затем двигается вверх, когда захваченный горячий сжатый воздух расширяется. Когда поршень реверсирует направление, газовый выпускной клапан 65 в верхней камере 48 открывается и расширившийся воздух вместе с водяной пылью вытесняется из камеры через влагоотделитель 58. Водяная пыль отделяется от воздуха и возвращается в хранилище воды 55, а воздух из влагоотделителя вытесняется в атмосферу. Когда поршень 50 перемещается в восходящем направлении и проходит воздушное впускное отверстие 59 в нижней камере, воздушный впускной клапан 60 открывается, и свежая порция воздуха всасывается в камеру 49 для сжатия в течение следующего цикла. Восходящее движение поршня 50 останавливается воздушной подушкой остаточного воздуха, захваченного в верхней камере 48, когда поршень проходит газовое выпускное отверстие 57. Наконец, поршень 50 достигает верхней точки его хода в верхней камере для осуществления цикла.

Хотя на каждой из фиг. 5 и 6 показано одно хранилище воды, для оптимального способа накопления необходимо иметь одну и более теплоизолированных накопительных емкостей, вмещающих холодную воду для изотермического экспандера, и одну и более теплоизолированных емкостей для теплой воды, которая предназначена для изотермического компрессора. В следующем цикле накопления и извлечения холодная вода будет использоваться для изотермического сжатия и теплая вода будет использоваться для изотермического расширения.

Описанная выше и представленная на фиг. 5 и 6 схема накопления и извлечения энергии не требует никакого топлива или внешних источников тепла в процессе извлечения энергии. Изотермический компрессор и изотермический экспандер могут одним и тем же блоком, модифицируемым, когда это необходимо для одной из его функций (либо как компрессор, либо как экспандер), или могут быть выполнены в виде двух раздельных блоков или установок, одна - специально для сжатия газа изотермически для накопления энергии, а другая - для расширения газа изотермически для извлечения энергии. Хотя изотермическое расширение для извлечения энергии требует подвода тепла для предотвращения охлаждения воздуха при его расширении, это тепло может быть обеспечено за счет источника воды при окружающей температуре. Если доступен или имеется в наличии источник тепла с температурой выше окружающей среды (например, от промышленных или производственных процессов или от систем охлаждения существующих силовых станций или электростанций), то предоставляется возможность вернуть больше электроэнергии, чем первоначально накоплено.

Альтернативной попыткой накопления энергии является применение цикла, подобного описанным ранее и изображенным на фиг. 1-3, но с оборудованием для накопления и хранения холодного сжатого воздуха. При низкой потребности в энергии, избыток энергии используется для герметизации полости. При высокой потребности в энергии холодный воздух высасывается из полости, и потребителю распределяется максимальная мощность.

На фиг. 7 представлена одна из возможных схем накопления и извлечения энергии, оборудованная изотермическим компрессором и газовой турбиной, описанных со ссылкой на фиг. 1. Компоненты газотурбинной установки, изображенной на фиг. 7 являются точно такими же, как компоненты на фиг. 1. На фиг. 7 изображены две альтернативные схемы накопления энергии, одна из которых включает накопление тепловой энергии, например, в форме льда, и другая, включающая накопление энергии в форме холодного cжатого воздуха, как описано выше. В последней схеме выход изотермического компрессора соединен с большой полостью, в которой накапливается и хранится сжатый воздух. В периоды низкой потребности энергии производится больше изотермического воздуха, чем это необходимо для приведения в действие газотурбинной установки, и этот воздух накапливается. В периоды высокой потребности в энергии количество изотермического воздуха, производимого установкой, уменьшается, и воздух забирается из накопительной полости. Привлекательность системы накопления энергии с изотермическим компрессором в сравнении с обычными системами накопления сжатого воздуха заключается в том, что поскольку воздух сжимается при той же самой температуре, что и хранится, не расходуется энергия для производства избыточного тепла, которое иначе было бы утеряно.

Изображенная на фиг. 7 вторая схема накопления энергии включает рефрижераторную (или холодильную) систему 66, соединенную с накопительной емкостью для хранения льда/воды. Вода из накопительной емкости 67 может подаваться в изотермический компрессор 68 для использования в распылении в процессе сжатия. Выбор термической системы накопления льда/воды привлекателен тогда, когда имеется большая разница между дневными и ночными температурами. Обычно ночью, когда окружающая температура ниже, но потребность в энергии также низкая, установка может эксплуатироваться на полную мощность, при этом избыток энергии используется для приведения в действие рефрижераторной (холодильной) системы 66 для замораживания воды и хранения ее в виде льда. В течение этого времени должна полностью утилизироваться внешняя система охлаждения распыляемой воды 67.

В дневное время, когда потребность в энергии высокая, система охлаждения распыляемой воды 67 должна быть заменена или пополнена за счет охлаждения при таянии льда.

Известно множество различных производственных процессов, которые включают сжатие газов, включая воздух, в больших масштабах. Примерами этих процессов являются замораживание и сжижение. Они часто используются как способ разделения и очистки газов. Процессы сжатия являются энергонапряженными. Изотермический компрессор снижает потребление энергии и может быть использован для замораживания и/или сжижения большого числа газов.

Термокомпрессоры
Компрессор, приводимый в действие сгоранием
На фиг. 8 изображен вариант питаемого тепловой энергией газового компрессора, выполненного как компонент силовой энергетической установки. Согласно фиг. 8 компрессор, обозначенный позицией 68, содержит газовый компрессор 69, приводимый в действие горячим сжатым газом, и топочный компрессор 70, приводимый в действие посредством сжигания топлива. Изотермический компрессор 69 выполнен с газовым приводом.

Топочный компрессор 70 содержит верхнюю камеру или отделение 71, расположенное над нижним отделением 72, при этом каждое отделение является цилиндрически симметричным. Диаметр верхнего отделения 71 меньше, чем диаметр нижнего отделения, и отделения расположены на одной прямой коаксиально друг другу. Камера сгорания 73 образована в верхнем отделении 71 и имеет впускное отверстие 74 для горячего сжатого газа, регулируемое клапаном 75, впускное отверстие для топлива 76 и выпускное отверстие для дымового газа 77, регулируемое клапаном 78. Впускное отверстие 74 для горячего сжатого газа соединено с выпускным отверстием 79 для сжатого газа изотермического компрессора 69 с газовым приводом через теплообменник 80 газ-воздух, который подогревает охлажденный сжатый газ или воздух из изотермического компрессора 69 дымовыми газами из камеры сгорания 73. Топочный компрессор 70 дополнительно содержит камеру адиабатического сжатия 81, образованную в верхней части нижнего отделения 72, в камере сжатия выполнены газовое впускное отверстие 82, регулируемое клапаном 83, и выпускное отверстие 84 для сжатого газа, регулируемое клапаном 85 и соединенное с газовой турбиной 86, которая приводит в движение генератор 87. Камера 88 адиабатического сжатия/расширения или отскакивания образована в нижней части нижнего отделения 72. Топочный компрессор 70 имеет массивный твердый поршень 89, включающий верхнюю часть 90, размер которой соответствует диаметру верхнего отделения 71, и нижнюю часть 91, размер которой соответствует диаметру нижнего отделения 72. Камера 88 адиабатического отскакивания вмещает герметизированный объем воздуха или другого газа для обеспечения средства преобразования направленной вниз кинетической энергии поршня в направленную вверх кинетическую энергию, посредством чего обеспечивается обратный ход поршня.

Вокруг стенок камеры сгорания 73 выполнен охлаждающий кожух 93. Охлаждающий кожух 93 также выполнен вокруг головной части камеры сгорания, в которой расположены газовый впускной и выпускной клапаны, для обеспечения циркулирования охлаждающей среды для охлаждения стенок камеры сгорания. Обычно часть охлажденного сжатого воздуха из изотермического компрессора 69 используется в качестве охлаждающей среды, направляемой в охлаждающий кожух 93 после удаления влаги из сжатого газа во влагоотделителе 94. Охлаждающий кожух имеет выходное отверстие 95, которое соединено с питающим трубопроводом, соединяющим выпускное отверстие 84 для сжатого газа в камере адиабатического сжатия 81 с газовой турбиной 86. Таким образом, охлажденный сжатый газ, направляемый в охлаждающий кожух, отбирает тепло от стенок камеры сгорания, а эта энергия полезно преобразуется в механическую энергию за счет расширения горячего сжатого газа, выходящего из охлаждающего кожуха в воздушную турбину 86.

Изотермический газовый компрессор 69 приводится в действие частью горячего сжатого газа, производимого топочным компрессором 70 в камере адиабатического сжатия 81. Функцией газового компрессора 69 является получение большого количества охлажденного сжатого воздуха или другого окислителя с температурой, например, порядка 40^oС. Компрессор 69 производит значительно большую массу сжатого воздуха, чем требуется для приведения его в действие. Охлажденный сжатый воздух из изотермического компрессора 69 нагревается и используется для приведения в действие топочного компрессора 70. Функцией топочного компрессора 70 является производство больших количеств горячего сжатого газа, который затем может быть использован для приведения в действие турбины с целью генерирования электричества. Как упомянуто выше, часть горячего сжатого воздуха, производимого топочным компрессором, используется для приведения в действие изотермического компрессора 69. Выпускное отверстие 79 для холодного сжатого воздуха изотермического компрессора соединено с впускным отверстием 74 для горячего сжатого воздуха топочного компрессора 70 через влагоотделитель 94 и теплообменник газ-воздух 80. Выпускное отверстие 77 для дымовых газов топочного компрессора соединено с теплообменником газ-воздух 80 таким образом, что тепло от горячего дымового газа, выходящего из камеры сгорания 79, передается охлажденному сжатому воздуху из изотермического компрессора 69. Выпускное отверстие для горячего сжатого воздуха 84 топочного компрессора соединено с входным отверстием 96 для горячего сжатого воздуха изотермического компрессора 69.

Типичный рабочий цикл компрессора, изображенного на фиг. 8, как будет описано далее, начинается в момент времени, когда поршень 97 находится в верхней точке его хода в камере 98 изотермического сжатия изотермического компрессора 69. Все газовые впускные и выпускные клапаны камеры изотермического сжатия заперты.

Когда поршень 97 на мгновение останавливается, впускной клапан 99 горячего сжатого воздуха открывается для впуска горячего сжатого воздуха из топочного компрессора 70 в камеру 98 через впускное отверстие 96 горячего сжатого газа. Он двигает поршень 97 вниз из его самой верхней позиции из камеры 98. Когда поршень достигает заранее заданного положения, впускной клапан 99 сжатого газа запирается, и воздух адиабатически расширяется, продолжая двигать поршень в нисходящем направлении. Когда давление воздуха в камере 98 опускается до некоторого заранее заданного значения, открывается газовый впускной клапан 100 и в камеру 98 всасывается дополнительный воздух относительно низкого давления (т.е. атмосферный воздух) при продолжающемся движении поршня 97 из камеры. На этой стадии поршень 97 продолжает свое движение в нисходящем направлении вследствие его большой инерции. Когда поршень двигается вниз, он сжимает газ в камере 101 адиабатического отскакивания, находящейся ниже, это сжатие осуществляется адиабатически. В конечном счете вся кинетическая энергия поршня преобразуется в энергию газа в камере 101 отскакивания, и поршень на мгновение останавливается. В этот момент газовый впускной клапан 100 в камере изотермического сжатия запирается. Затем поршень реверсирует направление, поскольку газ в камере 101 отскакивания начинает расширяться, двигая поршень вверх. Поршень 97 двигается обратно в камеру изотермического сжатия, сжимая находящийся в ней воздух, который включает массу охлажденного расширившегося воздуха, введенного ранее через отверстие 96 из топочного компрессора 70, и дополнительную массу воздуха относительно низкого давления, введенного через отверстие 102. Первоначальное сжатие является адиабатическим, но когда воздух достигает температуры, необходимой для распыления жидкости, в камеру 98 сжатия инжектируется жидкость через отверстие 103 для инжектирования жидкости. Диаметр капелек, образующих водяную пыль, обычно составляет около 0,4 мм, что обеспечивает большую площадь поверхности для теплопередачи, так что температура воздуха поддерживается ниже, чем около 40^oC. При отсутствии распыления температура будет достигать более 300^oC. Когда давление воздуха в камере 98 сжатия достигает необходимого значения, выпускной клапан 104 для сжатого газа открывается и охлажденный сжатый воздух вместе с распыленной жидкостью высасывается из камеры через газовое выпускное отверстие 79. Смесь охлажденного воздуха и водяной пыли пропускается через влагоотделитель 94, где водяная пыль отделяется и возвращается через возвратный трубопровод 105 в систему охлаждения 106, в которой она охлаждается перед повторным использованием в распылении. Перед тем, как поршень 97 досгигнет верхней точки его хода, выпускной клапан 104 сжатого газа может открыться и сохранившаяся кинетическая энергия поршня может быть частично поглощена сжимаемым остаточным газом в верхней части камеры 98. Когда поршень 97 на мгновение останавливается в камере 98, впускной клапан 99 горячего сжатого газа открывается, и свежая порция горячего сжатого воздуха из топочного компрессора 70 впускается в камеру 98 через впускное отверстие 96 горячего сжатого газа. Затем поршень начитает двигаться в нисходящем направлении за счет расширения сжатого воздуха, и цикл повторяется.

Охлажденный сжатый газ из камеры сжатия 98 изотермического компрессора 69, пройдя через влагоотделитель 94 пропускается затем через теплообменник газ-воздух 80, в котором он нагревается отходящими газами из топочного компрессора от температуры порядка 40^oC до температуры около 850^oC и выше. Эта температура определяется ограничениями для материалов, из которых изготовлены теплообменник газ-воздух 80 и трубопровод из теплообменника в топочный компрессор.

Вернемся теперь к топочному компрессору 70. Когда поршень 89 кратковременно останавливается в верхней точке его хода в камере сгорания 73, впускной клапан 75 горячего сжатого газа открывается, и заданная масса подогретого воздуха из теплообменника газ-воздух 80 вводится в камеру 73 через впускное отверстие 74 горячего сжатого газа. Воздушный впускной клапан 75 затем запирается, и заданная масса топлива инжектируется в камеру 73 через топливное впускное отверстие 76. Топливо воспламеняется (вынужденно) и происходит сгорание топлива, двигающее поршень 89 вниз из камеры сгорания 73, посредством чего поршню сообщается кинетическая энергия. Топливо добавляется таким образом, что давление газа остается приблизительно постоянным во время инжектирования топлива. Когда инжектировано необходимое количество топлива, инжектирование его прекращается, и топочные газы расширяются адиабатически от давления порядка от 20 или 30 бар до близкого к атмосферному давлению. Во время фазы горения при постоянном давлении в охлаждающий кожух 93 вокруг камеры сгорания 73 инжектируется охлажденный сжатый воздух для охлаждения стенок камеры сгорания. Когда поршень 89 двигается в нисходящем направлении из его самой высокой позиции, в камеру адиабатического сжатия через газовое впускное отверстие 82 всасывается атмосферный воздух. В то же самое время поршень вдвигается в камеру 88 адиабатического отскакивания и начинает сжимать герметизированный объем газа. После того, как впускной клапан 75 сжатого газа запирается и прекращается инжектирование топлива в камеру сгорания, топочные газы адиабатически расширяются и продолжают сообщать кинетическую энергию поршню 97. Эта энергия поглощается газом в камере 88 адиабатического отскакивания, и в конечном счете поршень кратковременно останавливается, в этот момент газовый впускной клапан 83 в камере 81 адиабатического сжатия запирается. Тогда газ в камере 88 адиабатического отскакивания начинает расширяться адиабатически и двигает поршень вверх и в камеру 81 адиабатического сжатия, и в камеру сгорания 73. Когда поршень вдвигается в камеру сгорания 73, горячие топочные газы вытесняются из камеры сгорания через выпускное отверстие 77 отходящих газов. Когда поршень двигается вверх в камеру 81 сжатия, он адиабатически сжимает воздух, введенный ранее, так что теплота сжатия увеличивает температуру воздуха в процессе этого сжатия до температуры выше 300^oC.

В течение фазы горения при постоянном давлении в охлаждающий кожух 93 вокруг стенок камеры сгорания инжектируется охлажденный воздух для охлаждения стенок камеры.

Когда поршень 89 двигается вниз из его самой высокой позиции, в камеру 81 адиабатического сжатия через газовое впускное отверстие 82 всасывается атмосферный воздух. В то же самое время поршень вдвигается в камеру 88 адиабатического отскакивания и начинает сжимать герметизированный объем газа. После запирания впускного клапана 75 сжатого газа и прекращения инжектирования топлива в камеру сгорания 73 топочные газы адиабатически расширяются и продолжают сообщать кинетическую энергию поршню 97. Эта энергия поглощается газом в камере 88 адиабатического отскакивания и в конце концов поршень на мгновение останавливается, в этот момент газовый впускной клапан 83 в камере адиабатического сжатия запирается. Затем газ в камере 88 адиабатического отскакивания начинает расширяться, двигая поршень в восходящем направлении и в камеру 81 адиабатического сжатия, и в камеру сгорания 73. Когда поршень входит в камеру сгорания 73, горячие топочные газы вытесняются из камеры сгорания через выпускное отверстие 77 отходящих газов. Когда поршень двигается вверх в камеру сжатия 81, он сжимает адиабатически воздух, введенный в камеру ранее, так что теплота сжатия увеличивает температуру воздуха во время этого процесса до температуры порядка выше 300^oC. Когда воздух в камере 81 адиабатического сжатия достигает необходимого давления, т.е. впускного рабочего давления, т.е. впускного рабочего давления воздуха в воздушной турбине, которое может составлять от 20 до 30 бар, выпускной клапан 85 горячего сжатого газа открывается, и горячий сжатый газ выходит из камеры 81 сжатия через газовое выпускное отверстие 84. Поршень 89 продолжает двигаться к верхней точке его хода, и тогда выпускной клапан 85 горячего сжатого газа запирается. Большая часть горячего сжатого воздуха используется для приведения в действие главной газовой турбины 86, но часть сжатого воздуха используется для приведения в действие изотермического компрессора 69.

Поскольку из отходящих газов из топочного компрессора 70 можно получить больше тепла, чем необходимо для нагревания изотермически сжатого воздуха, требуемого для приведения в действие топочного компрессора 70, избыточное тепло используется для нагревания дополнительного воздуха из изотермического компрессора 69, и этот подогретый сжатый воздух пропускается непосредственно в газовую турбину 86, в которой он расширяется для производства дополнительной энергии.

Для максимального увеличения извлечения энергии из горячих отходящих газов, термокомпрессор должен быть сконструирован таким образом, чтобы температура и давление сжатого воздуха, выходящего из теплообменника газ-воздух 80, соответствовали или почти соответствовали температуре и давлению сжатого воздуха из камеры 81 адиабатического сжатия. Это возможно за счет конструирования компрессора с высокой степенью сжатия (например, от 25 до 40). Оптимальная степень сжатия определяется отношением абсолютной температуры горения к абсолютной температуре отходящих газов, когда они выходят из камеры сгорания. В этом случае общепринято извлекать все избыточное тепло за одно расширение путем простого добавления избытка воздуха из теплообменника газ-воздух на вход газовой турбины. При извлечении тепла таким образом, преимущественно, исключается необходимость в отдельной небольшой газовой турбине и связанном с ней генераторе, что будет снижать капитальные вложения в установку. Тепло отходящего выхлопного газа, которое не требуется для подогрева охлажденного сжатого газа, необходимого для сжигания, обычно будет составлять небольшую долю (порядка 12%) общего полезного тепла отходящих газов. Однако для того, чтобы максимально увеличить коэффициент полезного действия энергетической установки, важно извлекать все избыточное тепло из любого частного процесса. Понятно, что избыточное отходящее или выхлопное тепло из камеры сгорания может быть извлечено различными способами, и что подходящий способ будет зависеть от конструктивных параметров (как, например, степень сжатия газа, температура воздуха на входе в камеру сгорания и температура горения) отдельного компрессора. Например, в некоторых применениях может быть полезным введение более одной вспомогательной воздушной или газовой турбины и связанных с ними теплообменников и силовых генераторов.

Для запуска компрессора 68 из состояния покоя необходимо внешнее средство для обеспечения начальной энергии для запуска движения поршня, это может быть сделано за счет обеспечения относительно небольшим осевым компрессором для производства горячего сжатого воздуха для запуска изотермического компрессора. Когда изотермический компрессор производит охлажденный сжатый воздух, он может быть использован для запуска топочного компрессора. Хотя работа изотермического компрессора зависит от топочного компрессора и наоборот, взаимная фаза между рабочим циклом изотермического компрессора и рабочим циклом топочного компрессора абсолютно произвольна. Также рабочая частота изотермического компрессора может отличаться от рабочей частоты топочного компрессора. Обычно должен быть конечный промежуток времени между выходом охлажденного сжатого воздуха из изотермического компрессора и инжектированием подогретого сжатого воздуха в топочный компрессор, а также должен быть конечный промежуток времени между выходом горячего сжатого воздуха из топочного компрессора и инжектированием горячего сжатого воздуха в изотермический компрессор. Следовательно, система должна иметь постоянный конечный период, который может изменяться в зависимости от характеристик составляющих узлов, например длины системы трубопроводов, используемых для прохода сжатого газа между компрессорами.

Приводимый в действие сжиганием компрессор
Твердый поршень - Асимметричный
В другом варианте термокомпрессора оба процесса, и адиабатический и изотермический процессы сжатия могут непосредственно запускаться сжиганием топлива посредством единственного массивного поршня. Камера с одной стороны поршня может служить в качестве камеры сгорания, в которой зажигается смесь топлива и воздуха или другого окислителя, производя высокотемпературный топочный газ для сообщения кинетической энергии поршню. Камера с другой стороны поршня вмещает подлежащий сжатию газ, который затем может использоваться для приведения в действие турбины. Поскольку топочный газ обычно имеет намного более высокую температуру, чем газ из ротационного компрессора, поршню будет сообщено намного больше энергии, дающей возможность газу расширяться полностью, обеспечивая возможность сжатия большего количества газа в камере сжатия. Воздух или другой окислитель, используемые для сжигания топлива, могут сами подвергнуться сжатию в части камеры сжатия. Воздух/окислитель могут быть охлаждены в процессе сжатия, используя распыление жидкости с тем, чтобы свести к минимуму работу сжатия. Преимущественно, теплообменник может подогревать по крайней мере часть охлажденного сжатого газа горячим отходящим газом из камеры сгорания, и часть этого подогретого газа может быть впущена в камеру сгорания для сжигания с подходящим топливом.

Часть газа в камере сжатия может быть сжата адиабатически и подаваться непосредственно для приведения в движение турбины. Сжатый газ может быть, например, воздухом для приведения в движение газовой турбины, которая работает при относительно низкой температуре и отходящий от нее газ очень близок к температуре окружающего воздуха. Поэтому комбинация газового компрессора, приводимого в действие топочным глазом с исключительно высокой температурой, дает возможность преобразования тепловой энергии в энергию сжатия большого объема сжатого воздуха, и газовая турбина, приводимая в движение сжатым воздухом, который отводит тепло при относительно низких температурах, может рассматриваться как тепловая машина, работа которой приближается к работе идеального цикла Карно, который имеет коэффициент полезного действия η, определяемый η = 1 - t₁/t₂ где t₁ - температура, при которой тепло отводится, и t₂ - температура, при которой тепло поглощается.

Поршень может двигаться вверх и вниз или альтернативно туда и обратно в горизонтальной плоскости. Вариант, в котором твердый поршень может колебаться вертикально вверх и вниз между примыкающими верхними камерами сжатия и нижней камерой сгорания изображен на фиг. 9 как компонент электростанции.

Согласно фиг. 9 термокомпрессор содержит камеру 107 изотермического сжатия и примыкающую камеру 108 адиабатического сжатия, расположенные обе над камерой сгорания 109. Камеры 107 и 108 сжатия разделены вертикальной перегородкой 110, которая проходит вниз от верха каждой камеры. Поршень 111, содержащий твердый материал, имеет щель или прорезь 112, образованную в нем, которая проходит от верха 113 поршня 111 вниз для вмещения вертикальной перегородки, так что поршень может свободно двигаться вверх и вниз, в и из камер 107 и 108 изотермического и адиабатического сжатия. Камера сгорания 109 имеет впускное отверстие 114 горячего сжатого воздуха, регулируемое впускным клапаном 115 горячего сжатого воздуха для инжектирования горячего сжатого воздуха, топливное инжекционное отверстие 116 и выпускное отверстие 117 отходящего газа, регулируемое выпускным клапаном 118 отходящего газа для обеспечения выпуска горячего отходящего или дымового газа из камеры 109. Камера сгорания окружена охлаждающим кожухом 119, через который может циркулировать охлажденный воздух для охлаждения стенок 120 камеры сгорания 109. Каждая из камер изотермического и адиабатического сжатия имеет воздушное впускное отверстие 121, 122, регулируемое клапаном 123, 124, для обеспечения всасывания воздуха в каждую камеру и выпускное отверстие 125, 126 сжатого воздуха, регулируемое выпускным клапаном 127, 128 сжатого воздуха для обеспечения выпуска сжатого воздуха из каждой камеры. Камера изотермического 107 сжатия также имеет инжекционное отверстие 129 для распыления жидкости для инжектирования охлажденной водяной струи. Водяная пыль инжектируется посредством насоса 130, который вытягивает жидкость для распыления из системы охлаждения 131. Выпускное отверстие сжатого воздуха 125 камеры 107 изотермического сжатия соединено с влагоотделителем 132, в котором распыленная жидкость, находящаяся в сжатом воздухе, отделяется. Выпускное отверстие 120 сжатого воздуха камеры 108 адиабатического сжатия соединено со входом главной газовой турбины 133, которая вместе со второй газовой турбиной 134 приводит в действие генератор электричества 135.

Охлажденный сжатый воздух из влагоотделителя 132 направляется тремя путями. Часть воздуха пропускается в теплообменник газ-воздух 136, в котором он нагревается теплом отходящего газа из камеры сгорания 109. Часть охлажденного сжатого воздуха из влагоотделителя 132 пропускается в охлаждающих кожух 119 камеры сгорания 109 для охлаждающего воздействия на стенки 120 камеры сгорания. Еще одна часть охлажденного сжатого воздуха из влагоотделителя 132 пропускается в теплообменник воздух-воздух 137, в котором он подогревается отходящим воздухом от второй газовой турбины 134 для подачи на вход главной газовой турбины 133 вместе с основным потоком горячего сжатого воздуха из камеры 108 адиабатического сжатия.

Согласно фиг. 9 дополнительная газовая турбина 134 и теплообменник воздух-воздух 137 установлены для максимального увеличения извлечения тепла и горячих газов, покидающих камеру сгорания 109. Обычно в отходящих газах содержится больше тепла, чем необходимо для нагревания входящего сжатого горючего воздуха. Избыточное тепло используется для нагрева большего количества сжатого воздуха, который отводится во вторую меньщую газовую турбину 134, которая работает при более высоких температурах на входе, чем главная газовая турбина 133. Воздух на выходе из второй газовой турбины 134 еще достаточно горячий для дополнительного извлечения тепла. Это тепло передается в небольшой теплообменник 137 для отделения потока охлажденного сжатого воздуха. Система может быть сконструирована таким образом, что полученный горячий сжатый воздух имеет достаточные температуру и давление для расширения в главной воздушной турбине, при этом этот поток может добавляться к основному потоку адиабатически сжатого воздуха.

Согласно фиг. 10 питаемый тепловой энергией компрессор содержит, по существу, два отделения, расположенных вертикально одно над другим. Камера сгорания 138 образована в верхней части верхнего отделения 139 и камера 140 адиабатического сжатия образована в нижней части верхнего отделения 139. Камера изотермического сжатия 141 образована в верхней части нижнего отделения 142, и камера 143 адиабатического сжатия/расширения образована в нижней части нижнего отделения 142.

Камера сгорания 138 имеет впускное отверстие 143 горячего сжатого воздуха, регулируемое клапаном 144, для впуска горячего сжатого воздуха в камеру, топливное инжекционное отверстие 145 для инжектирования топлива в камеру и выпускное отверстие 146 отходящего газа, регулируемое клапаном 147, для обеспечения вытеснения отходящих газов из камеры сгорания 138. Впускное отверстие 143 сжатого воздуха и выпускное отверстие 146 отходящего газа соединено с той же стороной теплообменника газ-воздух 148.

Камера 149 адиабатического сжатия и камера изотермического сжатия 141 каждая имеет воздушное впускное отверстие 150, 151, регулируемое клапаном 152, 153 для обеспечения всасывания в каждую камеру 149, 141, и выпускное отверстие 154, 155 сжатого воздуха, регулируемое клапаном 156, 157, для обеспечения выпуска сжатого воздуха из каждой камеры. Камера изотермического сжатия 141 также имеет множество ижекционных отверстий 158 в виде сопел для распыления жидкости для инжектирования распыляемой жидкости в камеру. Распылительные сопла расположены таким образом, чтобы обеспечить равномерное распыление по всему объему. Выпускное отверстие 155 сжатого воздуха камеры изотермического сжатия соединено с влагоотделителем 159, который отделяет водяную пыль, попавшую в сжатый воздух. Влагоотделитель 159 соединен с инжекционным отверстием 158 для распыления жидкости через систему охлаждения 160 и инжекционный распылительный насос 161. Система охлаждения 160 охлаждает жидкость для распыления из влагоотделителя перед повторным использованием в распылении. Насос 161 обеспечивает непрерывную циркуляцию жидкости из влагоотделителя 159 в камеру изотермического сжатия. Предусмотрена коллекторная емкость 162, вмещающая резервную жидкость для возмещения потерь жидкости в контуре. Выпускное отверстие 154 сжатого воздуха в камере 149 адиабатического сжатия соединено со входом главной газовой турбины 163, которая приводит в действие генератор 164. Горячий сжатый воздух из компрессора расширяется в турбине 163 с получением механической энергии для генерирования электричества. Часть охлажденного сжатого воздуха из влагоотделителя направляется в теплообменник газ-воздух 148, в котором он подогревается теплом отходящих газов из камеры сгорания. Некоторая часть подогретого воздуха затем направляется в камеру сгорания 138 для сжигания. Однако обычно из отходящих газов получают больше тепла, чем необходимо для подогрева охлажденного сжатого воздуха, требующегося для сжигания. Для извлечения избыточного тепла компрессор сконструирован так, чтобы производить большее количество сжатого воздуха, чем реально требуется для запуска горения. Часть этого избыточного сжатого воздуха пропускается в теплообменник газ-воздух 148 для поглощения избыточного тепла отходящих газов и затем направляется во вторую газовую турбину 165, в которой он расширяется для производства полезной механической энергии.

Температура отходящего из второй газовой турбины 165 воздуха значительно выше, чем температура окружающего воздуха, и тепло отходящего воздуха может быть извлечено посредством передачи тепла части охлажденного сжатого воздуха, выходящего из влагоотделителя 159, в теплообменник воздух-воздух 166. Подогретый сжатый воздух затем направляется в главную газовую турбину 163, в которой он расширяется вместе с горячим сжатым воздухом из камеры 149 адиабатического сжатия.

Камера 143 адиабатического сжатия/расширения вмещает массу газа, например воздуха, который в процессе работы компрессора попеременно сжимается и расширяется. Газ действует как пружина, целью которой является преобразование кинетической энергии поршня в одном направлении в кинетическую энергию поршня в противоположном направлении. Газ обеспечивает средство, с помощью которого поршень возвращается в верхнюю точку его хода для завершения рабочего цикла компрессора. Следовательно, в этой камере не нужны газовые впускные и выпускные отверстия, регулируемые клапанами, которые открываются и запираются в течение обычного рабочего цикла компрессора. Однако средство для возмещения любого газа, вытекающего из камеры, необходимо. Поршень 167, содержащий твердый материал, имеет верхнюю, среднюю и нижнюю части и свободно колеблется линейно и вертикально. Верхняя часть 168 поршня соответствует по размеру диаметру верхнего отделения 139 и свободно двигается вверх и вниз между вертикальными оконечностями отделения в и из обеих камер, и камеры сгорания 138 и камеры 149 адиабатического сжатия. Нижняя часть 169 поршня соответствует по размеру диаметру нижнего отделения 142 и свободно двигается вверх и вниз между вертикальными оконечностями отделения в и из обеих камер, и камеры 143 адиабатического расширения/сжатия, и камеры изотермического сжатия 141. Верхняя и нижняя части 168, 169 поршня соединены вместе и вертикально разнесены друг от друга средней частью 170, которая включает вал, диаметр которого меньше, чем диаметр верхнего и нижнего отделений. В отверстии 171 предусмотрено скользящее уплотнение 172, которое уплотняет вал для предотвращения прохода воздуха через отверстие 171 между камерой 149 адиабатического сжатия и камерой изотермического сжатия 141. Скользящее уплотнение 172 сконструировано так, чтобы дать возможность валу свободно скользить в любом направлении через отверстие 171. Предусмотрены уплотнения 173, 174 между поршнем и стенками камер для предотвращения утечки газа из одной камеры в другую.

В этом варианте, когда верхняя часть 168 поршня находится на самом высоком ее уровне в камере сгорания, свободный объем внутри камеры 149 адиабатического сжатия и камеры 143 адиабатического сжатия/расширения является максимальным, тогда как свободный кольцевой объем в камере изотермического сжатия 141 минимальным. Наоборот, когда верхняя часть 168 поршня находится на самом нижнем ее уровне, свободный объем обеих камер, и камеры сгорания, и камеры изотермического сжатия, является максимальным, и свободный объем в камере 149 адиабатического сжатия и в камере 143 адиабатического сжатия/расширения - минимальным. Следовательно, этот вариант процесса горения непосредственно запускает и двигает процесс адиабатического сжатия, индуцирование воздуха в камеру изотермического сжатия и адиабатическое сжатие газа в камере адиабатического сжатия/расширения. Адиабатическое расширение газа в камере 143 адиабатического расширения/сжатия приводит в действие процесс изотермического сжатия, индуцирование воздуха в камеру 149 адиабатического сжатия и выталкивание отходящего газа из камеры сгорания 138.

Как и в любом описанном выше варианте, в котором желательно охлаждение стенок камер, в варианте, изображенном на фиг. 10, вокруг стенок камеры сгорания может быть расположен охлаждающий кожух, через который может циркулировать охлаждающая текучая среда для поглощения тепла от стенок камеры. Охлаждающая текучая среда может включать долю охлажденного сжатого газа, производимого в камере изотермического сжатия. В стенках камеры сгорания могут быть выполнены множество отверстий для обеспечения того, чтобы сжатый воздух (или другой газ) в конце концов проходил в камеру сгорания и расширялся с дымовыми газами. Однако даже после того, как охлаждающая среда поглотила тепло от стенок камеры сгорания, она еще достаточно холодна в сравнении с температурой дымовых газов. Поэтому введение относительно охлажденного газа в камеры сгорания может вызвать потери эффективности системы (например, благодаря относительно большому изменению энтропии). Таким образом, способ испарительного охлаждения не относится к числу наиболее эффективных способов отбора тепла от стенок камеры сгорания.

Альтернативно охлаждающая текучая среда может циркулировать вокруг стенок камеры сгорания для поглощения тепла и затем может быть пропущена в другую часть системы, в которой поглощенное тепло может высвобождаться в части цикла, температура которого больше соответствует температуре нагретой охлаждающей текучей среды. Например, если охлаждающая текучая среда изотермически сжимается, можно заставить циркулировать вокруг стенок камеры сгорания воздух из камеры изотермического сжатия и часть сжатого воздуха, и затем направить нагретый сжатый воздух в воздушную турбину, температура на входе которой соответствует температуре нагретого сжатого воздуха.

Вариант, включающий этот способ отбора потерь от стенок камеры сгорания, изображен на фиг. 11. Вариант, изображенный на фиг. 11, во многих аспектах сходен с вариантом, изображенным на фиг. 10, и сходные элементы обозначены одинаковыми позициями. Согласно фиг. 11 верхнее отделение 175 окружено охлаждающим кожухом 176 для обеспечения охлаждения стенок камеры сгорания 179 и возможно камеры 180 адиабатического сжатия. Влагоотделитель 181 соединен с охлажденной стороной теплообменника газ-воздух 182 посредством магистрального трубопровода подачи охлажденного сжатого газа 183. Охлаждающий кожух 176 соединен с магистральным питающим трубопроводом 183 посредством питающего трубопровода охлаждающей среды 184. Соединение питающего трубопровода охлаждающий текучей среды 184 с охлаждающим кожухом выполнено вблизи нижнего конца верхнего отделения 175, где температура стенок камеры сгорания относительно холодная. Охлаждающий кожух 176 проходит до верха камеры сгорания и расположен так, что охлаждающий воздух может течь вокруг верха камеры сгорания, в которой расположены и впускной клапан 185 горячего сжатого газа и выпускной клапан 186 отходящего газа. Выпускное отверстие 187 горячего сжатого газа в камере 180 адиабатического сжатия соединено с входом газовой турбины 188 газовым питающим трубопроводом 189. Выпускное отверстие охлаждающей среды в охлаждающем кожухе 176 соединено с газовым питающим трубопроводом 189 посредством питающего трубопровода 190. Выходное отверстие охлаждающей среды охлаждающего кожуха расположено наверху камеры сгорания, где температура является наивысшей. Такое расположение выходного отверстия охлаждающей среды гарантирует, что сжатый воздух, выходящий из охлаждающего кожуха, поглотит достаточно тепла для того, чтобы температура сжатого воздуха соответствовала температуре горячего сжатого воздуха, выходящего из камеры 180 адиабатического сжатия. Вариант, изображенный на фиг. 11, сконструирован таким образом, что в действие приводится одна газовая турбина 188, исключая необходимость во второй газовой турбине и связанного с ней теплообменника, включенных в энергетическую установку, изображенную на фиг. 10. В варианте, изображенном на фиг. 11, охлажденный сжатый газ, используемый для отбора тепла отходящего выхлопного газа из теплообменника газ-воздух 182, проходит непосредственно на вход газовой турбины 188 через газовый питающий трубопровод 191. Этот аспект варианта изображенного на фиг. 11, уже описан для варианта, изображенного на фиг. 8.

Вариант симметричного термокомпрессора, включающего вертикально разделенные камеры, изображен на фиг. 12, в соединении с энергетической установкой, сходной с установками, изображенными на фиг. 9 и 10. Согласно фиг. 12 компрессор включает U - образный трубопровод 192, частично заполненный жидкостью, образующей жидкий поршень 193. Ветви 194 и 195 трубопровода выполнены линейными и проходят вертикально вверх. Отделение 196, 197 выполнено примыкающим к верху каждой ветви 194, 195, верхняя часть которой служит камерой сгорания 198, 199 и нижняя часть которой служит в качестве камеры 200, 201 адиабатического сжатия. Нижнее отделение 202, 203 образовано в каждой ветви 194, 195 под каждым верхним отделением 196, 197. Нижние отделения служат камерами изотермического сжатия 204, 205. Камера адиабатического сжатия в каждой ветви расположена между камерой сгорания и камерой изотермического сжатия для снижения, настолько, насколько это возможно, температурного градиента по длине ветви и, следовательно, снижения до минимума теплопроводности от камеры сгорания к камере изотермического сжатия. Твердый поршень 206, 207, имеющий большую плотность, чем жидкий поршень 193, расположен в каждой ветви 194, 195 трубопровода 192 и включает три части: верхнюю, среднюю и нижнюю. Нижняя часть каждого поршня 206, 207 соответствует диаметру ветви 194, 195 трубопровода 192, и поддерживается под жидким поршнем 193 и свободно двигается вверх и вниз, в и из камеры изотермического сжатия 204, 205. Уплотнения 208 примыкают к нижнему краю поршней для предотвращения протечки между поршнем и стенками камеры. Верхняя часть 209, 210 твердого поршня 206 и 207 соответствует по размеру диаметру верхнего отделения 196, 197 и свободно двигается вертикально между верхней и нижней оконечностями верхнего отделения 196, 197. Верхняя и нижняя части твердого поршня 206, 207 соединены друг с другом и вертикально отделены друг от друга средней частью 211, 212 в форме вала, диаметр которой меньше, чем диаметр верхней и нижней частей. Средняя часть 211, 212 проходит из верхнего в нижнее отделение через отверстие 213, 214, выполненное в перегородке 215, 216, которая разделяет верхнее и нижнее отделения. Между отверстием 213, 214 и валом предусмотрено скользящее уплотнение 217, 218 для предотвращения протечки газа между камерами изотермического и адиабатического сжатия.

Когда каждый твердый поршень находится на самом нижнем его уровне в соответствующей ветви трубопровода, свободный объем в камерах сгорания и изотермического сжатия полностью расширен и максимален. Одновременно свободный объем внутри камеры адиабатического сжатия минимален, верхняя часть поршня находится у самой нижней границы или предела ее перемещения в верхнем отделении. Наоборот, когда каждый твердый поршень находится на его самом верхнем уровне, свободный объем внутри камер сгорания и изотермического сжатия минимален, тогда как свободный объем внутри камеры адиабатического сжатия максимален, верхняя часть поршня находится у верхнего предела его перемещения в верхнем отделении. Каждая камера сгорания 198, 199 имеет впускное отверстие сжатого газа, регулируемое клапаном 219, 220, для введения подогретого сжатого воздуха или другого окисляющего газа в камеру; топливное инжекционное отверстие 221, 222 для инжектирования топлива в камеру и выпускное отверстие отходящего газа, регулируемое клапаном 223, 224 для вытеснения горячего отходящего газа из камеры сгорания. Каждая камера адиабатического сжатия 200, 201 имеет газовое впускное отверстие, регулируемое клапаном 225, 226, для обеспечения всасывания газа в камеру и выпускное отверстие сжатого газа, регулируемое клапаном 227, 228, для обеспечения вытягивания адиабатически сжатого газа из камеры. Каждая камера изотермического сжатия 204, 205 включает газовое впускное отверстие, регулируемое клапаном 229, 230, для обеспечения всасывания газа в камеру, выпускное отверстие сжатого газа, регулируемое клапаном 231, 232, для обеспечения вытягивания изотермически сжатого газа из камеры. Каждая камера изотермического сжатия также имеет множество отверстий 232 инжекционного распыления, расположенных по кольцевому объему для обеспечения равномерного распыления жидкости в каждой камере в процессе сжатия.

В рабочем цикле компрессора, изображенного на фиг. 12, процесс горения в одной ветви одновременно запускает процесс адиабатического сжатия в той же самой ветви и процесс изотермического сжатия в другой ветви.

В альтернативных вариантах жидкие и твердые поршни могут быть заменены единственным твердым поршнем. В этом случае U-образный трубопровод, главной функцией которого является вмещение жидкости и преобразование нисходящего движения одной части поршня в восходящее движение другой части, и наоборот, не нужен. Поршень может двигаться линейно, и камеры сгорания могут быть расположены одна под другой, или обе камеры могут быть расположены в одной и той же горизонтальной плоскости с колеблющимся между ними твердым поршнем Аналогичным образом могут быть расположены и камеры сжатия.

В любом варианте газового компрессора, имеющего твердый поршень, существует возможность того, что поршень может перекрыть свой пробег и стать причиной повреждения одного из концов камеры в результате удара или толчка. Для предотвращения такой возможности могут быть предусмотрены датчики и регулирующие механизмы, которые приводят в действие клапаны для инжектирования газа в камеру. Кроме того, может быть желательным конструировать твердый поршень таким образом, чтобы можно было смягчить или умерить действие такого толчка. Например, конец или головка поршня может быть выполнена складным или телескопическим для того, чтобы энергия толчка поглощалась. Это может быть обеспечено выполнением конца поршня в виде скомкивающейся или съеживающейся зоны. Альтернативно конец поршня может быть выполнен телескопически складывающимся внутрь при ударе. Складной или убирающийся конец поршня должен быть легким настолько, насколько это возможно, с тем чтобы кинетическая энергия этой части была сведена к минимуму.

Во всех вариантах, изображенных на фиг. 8-12, тепло подается питаемому тепловой энергией компрессору за счет внутреннего сгорания топлива. Однако также могут использоваться и другие источники тепла, например ядерные, солнечные, химические и производственные процессы, и далее более подробно будут описаны варианты, использующие эти альтернативные источники. Для различения компрессоров, использующих внешние и внутренние источники тепла, далее они будут упоминаться как компрессоры с наружным обогревом и компрессоры внутреннего сгорания, соответственно. фиг. 8-12 иллюстрируют компрессоры внутреннего сгорания вместе с узлами контура, пригодного для генерирования электроэнергии, включающего по крайней мере одну воздушную турбину. Такие системы обозначаются как ICCAT (Компрессор внутреннего сгорания и воздушная турбина).

Топливо для систем ICCAT может быть газообразным, жидким и твердым. В случае твердого топлива, например угля, необходимо либо газифицировать топливо, либо измельчить его до мелких частиц (т.н. пылевидное или порошкообразное топливо), как это делается на существующих углесжигающих силовых станциях. Другой альтернативой может быть наличие камеры сгорания с кипящим слоем, как в некоторых современных силовых станциях и электростанциях, или использование камер сгорания с колосниковыми решетками, как это делалось в прошлом. Для некоторых видов топлива необходимо предусмотреть средства для удаления частиц и двуокиси серы из отходящих газов и из самого компрессора. Для большинства видов топлива необходимы меры для контролирования эмиссии окислов азота или путем контролирования процессов горения, либо путем обработки отходящего газа.

Отходящий газ из камеры сгорания обычно содержит некоторое количество паров воды. Водяные пары производятся в самом процессе горения благодаря присутствию водорода в топливе. Количество производимых водяных паров зависит от сжигаемого топлива. Например, природный газ или метан (CH₄) дают больше водяных паров, чем уголь.

На фиг. 13 схематично изображено устройство для конденсирования водяных паров из отходящего газа. Изображенное устройство может быть просто добавлено к высокотемпературному теплообменнику газ-воздух со стороны выпуска охлажденного отходящего газа, изображенного на любой из фиг. 8-12. Однако устройство также может использоваться в других системах, где желательно удалить воду из отходящего или другого газа.

Согласно фиг. 13 низкотемпературный теплообменник газ-газ 233 соединен с выпускной стороной отходящего газа высокотемпературного теплообменника газ-воздух 234, который служит для нагревания изотермически сжатого воздуха отходящим газом из камеры сгорания компрессора. Холодильник 235 соединен с теплообменником газ-газ 233 таким образом, что отходящий газ из теплообменника 233 проходит через холодильник 235 и возвращается в низкотемпературный теплообменник газ-газ 233. Для протягивания воздуха через холодильник для охлаждения отходящего газа предусмотрен вентилятор 236. Вентилятор может быть расположен перед или после холодильника по ходу процесса.

С целью иллюстрации работы устройства для извлечения воды допустим, что различные точки устройства имеют определенные температуры, хотя на практике эти температуры могут значительно отличаться от допускаемых здесь. Отходящий газ (выхлопной) из камеры сгорания проходит через высокотемпературный теплообменник газ-воздух 234, в котором охлаждается приблизительно до 60^oC изотермически сжатым воздухом из камеры изотермического сжатия, имеющего температуру около 40^oC. Отходящий выхлопной газ из теплообменника 234 пропускается через низкотемпературный теплообменник 233, в котором дополнительно охлаждается до примерно 35^oC охлажденным отходящим газом, возвращающимся из холодильника 235. Затем отходящий газ направляется в холодильник, где он охлаждается до температуры около 25^oC потоком атмосферного воздуха с начальной температурой около 15^oC и затем возвращается в теплообменник газ-газ 233. Вода, сконденсировавшаяся из отходящего выхлопного газа в результате охлаждения его в теплообменнике газ-газ 233, удаляется перед тем, как отходящий газ пропускается в холодильник 235 и вода, сконденсировавшаяся в результате дополнительного охлаждения в холодильнике 235, удаляется после этого этапа и перед тем, как отходящий выхлопной газ возвращается в теплообменник газ-газ 233. Охлажденный отходящий выхлопной газ возвращается в теплообменник газ-газ 233 для того, чтобы вернуть некоторую часть отобранного тепла. Сухой отходящий выхлопной газ, температура которого возрастает в теплообменнике газ-газ примерно до 50^oC, вытесняется затем в атмосферу. Подогревание отходящего выхлопного газа исключает образование неприглядного султана пара над вытяжной трубой и также увеличивает подъемную силу выхлопного отходящего газа, способствующую рассеянию его в атмосфере.

Хотя холодильник 235, показанный на фиг. 13, использует для охлаждения дымовых газов воздух, также возможны и другие способы охлаждения, например водой из озера, реки, башенного холодильника или моря. Если топливом является природный газ, извлечение воды может осуществляться при относительно высокой температуре, поскольку дымовые газы, полученные при его сжигании, имеют точку росы около 60^oC.

На фиг. 14 схематично изображен один вариант компрессора с наружным обогревом. Компрессор 237 содержит камеру изотермического сжатия, производящую охлажденный сжатый газ, и камеру адиабатического сжатия, производящую горячий сжатый газ. В этом аспекте компрессор может быть сходен с компрессором с внутренней топкой, изображенным на фиг. 8-12. Однако в компрессоре с наружным обогревом камера сгорания заменена камерой расширения, в которую инжектируется без топлива очень горячий сжатый газ. Очень горячий сжатый газ расширяется и охлаждается без горения, сообщая кинетическую энергию поршню или другому средству накопления кинетической энергии. Горячий отходящий газ вытесняется из камеры расширения и подается в теплообменник газ-газ 238 для подогрева охлажденного сжатого газа, выпускаемого из камеры изотермического сжатия. Этот подогретый газ подается в технологический теплообменник 239, в котором газ нагревается до его конечной температуры теплом, генерируемым самим тепловым процессом. Очень горячий газ из технологического теплообменника 239 подается в камеру расширения компрессора с наружным обогревом для приведения в движение поршня. В этом варианте энергия извлекается из компрессора с наружным обогревом путем сжатия некоторого количества газа адиабатически и расширения этого газа в газовой турбине 240 для приведения в действие генератора электричества 241.

Если тепло для термокомпрессора обеспечивается посредством внешнего теплообменника, рабочий газ может циркулировать в замкнутом цикле. Преимуществом системы с замкнутым циклом является то, что давление рабочего газа может быть увеличено для обеспечения более высокой производительности для данного размера установки, а также в том, что для улучшения теплопереноса может быть выбран другой газ, а не воздух.

На фиг. 14 также изображена система с замкнутым циклом с необходимыми модификациями системы с открытым циклом, отмеченными пунктирной линией. Охлажденный отходящий газ, выпускаемый из теплообменника газ-газ, объединяется с охлажденным отходящим газом низкого давления из главной воздушной турбины 240, и этот газ вводится в камеры сжатия компрессора, часть этого газа сжимается адиабатически для приведения в действие главной газовой турбины 240, и часть его сжимается изотермически, подогревается в теплообменнике газ-газ 238, проходит в технологический теплообменник 239 для нагревания теплом от какого-нибудь внешнего теплового процесса и затем инжектируется как очень горячий газ в камеру расширения для приведения в действие компрессора. Теплоемкость отходящего газа из компрессора с наружным обогревом 237 такая же, как и теплоемкость впускного воздуха из камеры изотермического сжатия. Поэтому в отходящем газе компрессора нет избытка тепла в противоположность ситуации с компрессором с внутренней топкой. В этом случае не требуются вторая газовая турбина и второй теплообменник. Однако внешнее технологическое тепло можно получать в значительном температурном диапазоне и в этих обстоятельствах можно использовать две и более газовых турбин. Например, если внешний теплообменник является печью, сжигающей топливо, то в зависимости от температуры отходящего газа можно получить избыток тепла. На фиг. 15 изображен один вариант компрессора с наружным обогревом, в котором избыточное тепло отходящего газа из вынесенной топки преобразуется в полезную энергию. Силовая установка, изображенная на фиг. 15, включает печь 241, которая служит в качестве главного нагревателя для нагревания сжатого воздуха, приводящего в действие компрессор с наружным обогревом 242. Вентилятор 243 подает воздух в печь 241 через главный теплообменник газ-воздух 244. Теплообменник газ- воздух 244 подогревает впускаемый в печь 241 воздух с частью отходящего газа, выпущенного из печи. Силовая установка дополнительно включает вторую газовую турбину 245, приводящую в движение второй генератор 246, и второй теплообменник газ-воздух 247. Часть изотермически сжатого воздуха из компрессора подается во второй теплообменник газ-воздух 247, который подогревает этот воздух с частью отходящего газа из печи 241. Подогретый сжатый воздух затем подается в качестве впускного воздуха во вторую газовую турбину 245 для генерирования дополнительной энергии. Рабочая температура второй газовой турбины значительно выше, чем рабочая температура главной газовой турбины 248, в связи с чем отходящий воздух из второй газовой турбины 245 будет иметь значительное количество тепла. Второй теплообменник воздух-воздух 249 предусмотрен для извлечения этого тепла путем подогрева дополнительной части изотермически сжатого воздуха из компрессора с наружным обогревом 242, который затем добавляется к потоку адиабатически сжатого воздуха для приведения в действие главной газовой турбины 249. В зависимости от состава отходящего из печи газа могут быть дополнительно введены средства для очистки отходящего газа 250 перед выбрасыванием отходящего газа в атмосферу. Вторую газовую турбину можно использовать и в том случае, когда внешним источником тепла является несжигание топлива, а производственный процесс, потоки отработанного тепла или какой-нибудь другой источник тепла. Конкретное устройство будет зависеть от источника тепла и от того, как он согласован с контуром компрессора с наружным обогревом.

Компрессор с наружным обогревом инжектированием горячей жидкости 16
На фиг. 16 изображен вариант компрессора с наружным обогревом, в котором тепло переносится и передается жидкостью лучше, чем газом во внешнем теплообменнике. Питаемый тепловой энергией компрессор имеет множество сходных элементов с компрессором внутреннего сгорания, описанном со ссылкой на фиг. 10. Поэтому описание этих элементов, включая твердый поршень, камеры адиабатического и изотермического сжатия, и нижнюю камеру отскакивания или отбрасывания вместе с системой извлечения воды, газовую турбину и генератор топочного компрессора равным образом относится к питаемому тепловой энергией компрессору, изображенному на фиг. 16. Основное отличие между этими компрессорами относится к функции верхней камеры и к способу, которым тепло передается в верхнюю камеру, что и будет описано ниже.

Верхняя камера 251 компрессора с наружным обогревом имеет впускное отверстие сжатого газа, регулируемое клапаном 252, выпускное отверстие отходящего газа, регулируемое клапаном 253 и отверстие 254 для распыления жидкости распылением. Впускное отверстие горячего сжатого газа соединено с выпускным отверстием сжатого газа в камере изотермического сжатия 255 через влагоотделитель 256 и теплообменник газ-газ 257. Отверстие для инжектирования жидкости распылением, расположенное наверху камеры 251 расширения, соединено с выпускным отверстием распыляемой жидкости влагоотделителя 258 через технологический теплообменник 259 и второй инжекционный насос 260 для распыления жидкости.

Теперь опишем способ приведения в действие компрессора, начиная с момента, когда поршень 261 находится в верхней точке своего хода в камере 251 расширения. Когда поршень останавливается в точке его максимального подъема, газовый впускной клапан 252 открывается и подогретый сжатый газ вводится в камеру 251 расширения через газовое впускное отверстие. В то же самое время горячая жидкость из технологического теплообменника 262 инжектируется в камеру 251 расширения инжекционным распылительным насосом 260. Подогретый сжатый газ дополнительно подогревается распыляемой жидкостью и расширяется, двигая вниз жидкий поршень. Тепло передается от инжектированных капель газу, когда газ продолжает расширяться для того, чтобы температура газа поддерживалась во время всего процесса расширения. Когда поршень достигает нижней точки его хода в камере 251 расширения и реверсирует направление, выпускной клапан 253 отходящего газа открывается и отходящий газ низкого давления вместе с распыленной жидкостью вытесняется из камеры расширения через газовое выпускное отверстие и течет через влагоотделитель 258, в котором распыленная жидкость удаляется. Отходящий газ низкого давления затем течет через теплообменник газ-газ 257, в котором сжатый газ из камеры изотермического сжатия 255 подогревается перед введением в камеру 251 расширения. Распыленная жидкость, отделенная во влагоотделителе 258, возвращается в технологический теплообменник 259, в котором она подогревается перед повторным использованием в распылении.

В системе с открытым циклом, в которой воздух является газом, отходящий воздух, выходящий из теплообменника газ-газ 257, вытесняется в атмосферу. В системе с замкнутым циклом газ, выходящий из теплообменника газ-газ 257, направляется в камеру изотермического сжатия 255 для сжатия. Таким образом газ может непрерывно рециркулироваться в замкнутом цикле. Кроме того, в системе с открытым циклом воздух из турбины 263 вытесняется, а в системе с замкнутым циклом газ направляется обратно в камеру адиабатического сжатия 264. В последнем случае газ, используемый для приведения в действие турбины 263, также непрерывно рециркулируется. Следовательно, компрессор с наружным обогревом может работать либо в открытом цикле, либо в замкнутом цикле, как показано пунктирной линией. Из фиг. 16 видно, что газ, который пропускается через камеру адиабатического сжатия и турбину, не смешивается с газом в остальной части системы. Поэтому можно иметь различные газы в этих двух контурах, и конечно, один контур может быть открытым циклом, тогда как другой является замкнутым циклом.

Использование инжектируемой жидкости в качестве теплопередающей среды является выгодным, поскольку внешний теплообменник газ-газ 257 может быть более компактным и более эффективным. Другим преимуществом использования жидкости является то, что тепло может непрерывно подаваться инжектируемому газу весь период расширения, что улучшает термодинамическую эффективность. Использование жидкости в качестве теплопередающей среды ограничивает максимальные температуры источника тепла теми температурами, которые могут принять подходящие жидкости. Предпочтительнее используемая жидкость должна иметь приемлемые физические и химические свойства, быть нетоксичной, приемлемой для окружающей среды и относительно недорогой.

Компрессор с наружным обогревом инжектированием горячей жидкости может быть пригодным для генерирования энергии от низкотемпературных источников тепла, как, например, солнечной энергии, геотермальной энергии или низкотемпературного отработанного тепла. В случае работы в замкнутом цикле может оказаться необходимым некоторое дополнительное охлаждение газа после того, как он покидает турбину, для поддержания постоянной температуры.

Преимущественно, питаемый тепловой энергией компрессор может работать, используя широкий спектр различных видов топлива, включая природный газ, легкие и тяжелые масла, уголь, биомассу или бытовые отходы. Далее будут описаны различные схемы для использования горючих видов топлива.

Природный газ и легкие масла имеют пригодную форму для прямого инжектирования и сжигания внутри нагретой камеры сгорания. Альтернативно, эти виды топлива могут сжигаться в камере сгорания, вынесенной, но закрепленной к нагретой камере. Обычно топливо может воспламеняться самопроизвольно в зависимости от температуры впускаемого воздуха и/или давления в камере, что, например, происходит в дизельных двигателях. Продукты сгорания, по существу, не содержат макрочастиц и содержат очень немного двуокиси серы, хотя в них присутствует определенное количество окислов азота (NOX). Эмиссия NOX может быть ограничена либо каталитическим, либо некаталитическим восстановлением аммиака. Известно множество схем для сжигания тяжелых масел, оримульсий или угля.

Что касается системы ICCAT, то тяжелые масла и оримульсия могут быть измельчены и распылены в мелкие капельки путем нагревания, и затем инжектированы в камеру расширения с требуемым интервалом, и сожжены посредством внутреннего сгорания. Капельки могут воспламеняться при высокой температуре воздуха из теплообменника и быстро сгорать. Если необходимо, может использоваться система зажигания, которая, например, может включать инжектирование другого топлива для инициирования процесса горения. Уголь также можно инжектировать в камеру сгорания в виде тонкой пыли (пылевидное топливо), которая транспортируется в камеру сгорания по трубе в потоке воздуха или другой подходящей транспортной среды. Важно гарантировать отсутствие риска преждевременного взрыва угольной пыли в транспортирующей среде. Это может или не может вести к выбору другой среды, а не воздуха, для транспортирования угольной пыли.

В другом варианте тяжелое масло, оримульсия или уголь могут быть газифицированы, используя воздух или кислород в соответствующих газифицирующих установках. Жидкое топливо т.е. оримульсия или тяжелое масло, проще в обращении в процессе газификации, чем уголь, поскольку нет необходимости в мельницах для измельчения топлива или в соответствующей газообразной транспортирующей среде.

В другом варианте для получения горячих дымовых газов, поступающих в камеру расширения под контролем высокотемпературных клапанов, могут использоваться вынесенные топки под давлением для сжигания тяжелых масел, угля или газифицированного топлива.

В системе EHCAT оримульсия, тяжелое масло или уголь могут сжигаться в главном нагревателе для нагревания рабочей среды для питаемого теплом компрессора. Главный нагреватель может включать негерметизированную печь, могущую сжигать топливо в подогретом атмосферном воздухе, и может дополнительно включать теплообменник, через который пропускается рабочая среда, которой может быть подогретый сжатый воздух из питаемого теплом компрессора. Подогретый сжатый воздух нагревается теплом печи и затем инжектируется как очень горячий воздух в камеру расширения для приведения в движение поршня Если топливо подвергается газификации, то сера, предпочтительно, должна быть удалена перед этапом сжигания. Удаление серы после газификации, но перед сжиганием является выгодным, поскольку объемы газа будут намного меньше. Также серу удобнее извлекать в элементарной форме, а не в форме гипса, это означает, что масса полученного продукта будет намного меньше. С другой стороны, если топливо негазифицировано, то отходящий газ процесса горения должен подвергаться обессериванию перед выпуском в атмосферу. Там, где это возможно, прямое сжигание топлива в камере сгорания питаемого теплом компрессора обычно предпочитают использованию выносной топки вне зависимости от того, газифицировано топливо или нет. Дымовые газы, производимые газифицированным топливом, обычно лучше, чем полученные от прямого сжигания твердого или тяжелого жидкого топлива. Однако выбор между этими двумя способами очень сильно зависит от относительной стоимости и приемлемости для окружающей среды.

Биомасса и бытовые отходы также могут использоваться в качестве топлива, если приготовлены в соответствующей пригодной форме. Хотя обычно нецелесообразно измельчать бытовые отходы и большинство видов биомасс до частиц субмиллиметрового размера, как это делается в случае пылевидного угля, биомасса может сжигаться в соответствующим образом сконструированных системах с внутренней топкой, если частицы достаточно малы для обеспечения значительной степени выгорания. Альтернативно, биомасса может быть газифицирована. Например, в одном из вариантов биомасса может быть газифицирована в выносном устройстве в неподвижном слое или в псевдоожиженном слое, где газификация может осуществляться как непрерывный процесс. Желательно максимизировать химическую энергию продукта газификации и минимизировать производство тепла на стадии газификации. Теплота газификации может быть передана посредством теплообменника изотермически сжатому газу и затем расширена для увеличения мощности на выходе системы. Газ должен сжигаться в системе ICCAT точно так же, как и при использовании в ней природного газа.

Газовый термокомпрессор с газификацией
Как упоминалось выше, газифицируемое топливо, например уголь, тяжелые масла, оримульсия или биомассы, может быть привлекательно для использования в топочных компрессорах. На фиг. 17 изображен один из вариантов компрессора с внутренней топкой и газовая турбина для объединенного силового цикла с газификацией. Согласно фиг. 17 термокомпрессор вместе с системой извлечения распыляемости жидкости и системой охлаждения, описанными ранее со ссылкой на фиг. 10 и 11, имеет массивный двигающийся возвратно-поступательно в вертикальной плоскости твердый поршень.

Газифицирующая установка включает воздушный сепараторный блок 265, соединенный с выходом влагоотделителя 266 для приема части охлажденного сжатого воздуха, производимого топочным компрессором 267. Воздушный сепараторный блок производит и сжатый азот, и сжатый кислород. Воздушный сепараторный блок 235 подает сжатый кислород в газификатор 268, в котором кислород используется для превращения пылевидного угля (или другого топлива) в сырой топливный газ, который содержит среди других газов моноокись углерода и водород. Под газификатором 268 присоединен резервуар 269 для сбора шлака, получаемого при процессе газификации. Вокруг и газификатора 268, и коллекторного шлакового резервуара 269 расположен охлаждающий кожух 270 для обеспечения циркуляции охлаждающей среды вокруг стенок газификатора с тем, чтобы обеспечить возможность отвода тепла, генерируемого процессом газификации. В этом варианте сжатый (под давлением) азот, производимый в воздушном сепараторном блоке 265, служит в качестве охлаждающей среды и выпускное отверстие азота из воздушного сепараторного блока 265 соединено с нижней частью охлаждающего кожуха 270. Выходное отверстие горячего сжатого азота выполнено вблизи верха охлаждающего кожуха газификатора и соединено непосредственно со входом газовой турбины 271. Таким образом тепло от газификатора может отбираться в такой форме, которая может быть известным путем преобразована в полезную энергию. Выход сырого топливного газа газификатора 268 соединен с теплообменником газ-воздух 272, в котором сырые газы обрабатываются для удаления золы. Обработанный газ из зольного циклона 273 направляется в блок удаления серы 274 через теплообменник 275 сырой газ-очищенный газ, в котором сырой газ охлаждается перед его введением в блок удаления серы 274, при этом из блока удаления серы выходит очищенный газ. Очищенный топливный газ, выходящий из теплообменника 275 сырой газ-очищенный газ направляется в камеру сгорания топочного компрессора 267 через топливное инжекционное отверстие 276 для сжигания в камере сгорания 277. Часть изотермически сжатого воздуха, полученного в топочном компрессоре, может быть использована для дополнения сжатого азота для извлечения тепла из процесса газификации, если это необходимо.

Предполагается, что эта схема газификации обеспечивает значительно более высокую производительность, чем современные конструкции в результате следующих факторов. Поскольку требуемый для воздушного сепараторного блока для сжигания и для охлаждения сжатый воздух сжат изотермически, требуется меньшая работа сжатия. Теплота газификации отводится таким образом, что она используется при более высоких температурах, чем обычно возможно в современных конструкциях единых газификационных силовых установок. Кроме того, использование газифицированного топлива в ICCAT камерах сгорания увеличивает эффективность преобразования очищенного топливного газа в электроэнергию.

В альтернативном варианте газификационный цикл может выполняться без воздушной сепарации путем использования изотермически сжатого воздуха в газификационном процессе и для отвода тепла в теплообменник за газификатором 268 по ходу процесса. Однако преобразование топлива в топливный газ менее эффективно, если используется воздух, и весьма важно подогревать изотермически сжатый воздух перед введением его в газификатор.

Основным преимуществом использования кислорода в газификационном процессе является то, что более высокие температуры делают возможным обеспечение более полного превращения углерода топлива в моноокись углерода. Более высокие температуры газификации могут также обеспечить более эффективное преобразование тепла в механическую энергию и электрическую энергию посредством процесса отвода тепла от газификатора в воздушную турбину. В другом варианте может быть полезным использование в процессе горения кислорода, а не воздуха. Это ограничит число NOX-образований до того количества, которое обусловлено азотом топлива. Для продуктов сгорания от сжигания угля в воздухе точка росы для конденсации воды составляет около 38^oC, что обеспечивает очень малую возможность конденсации этой воды и извлечения любого скрытого тепла. В случае сжигания угля в кислороде точка росы составляет около 67^oC, и имеется благоприятная возможность использовать скрытое тепло для подогрева некоторого количества сжатого азота из воздушного сепараторного блока, например, в воздушной турбине. Кроме того, в случае сжигания угля в кислороде с удалением таких загрязнений, как сера, со сконденсированной водой, продукты сгорания состоят почти полностью из моноокиси углерода. Если принять во внимание необходимость удаления двуокиси углерода из соображений безопасности для окружающей среды, то этот газ находится в приемлемом виде.

На фиг. 18 изображен вариант комбинированной установки генерирования и накопления энергии, которая способствует накоплению энергии либо в форме сжатого газа, либо в форме льда. В этом варианте сжатым газом является воздух, и компрессор является компрессором с внутренней топкой.

Топочный компрессор 278 производит охлажденный сжатый воздух, по крайней мере часть которого подается в теплообменник газ-воздух 279, в котором он подогревается горячим отходящим газом из компрессора перед инжектированием в камеру сгорания. Энергия извлекается из компрессора адиабатически сжатым атмосферным воздухом и сжатым воздухом, расширяющимся в газовой турбине 280, приводящей в действие силовой генератор 281. Топочный компрессор 278 включает средство для регулирования взаимного соотношения газа, сжатого адиабатически и изотермически. Если топочный компрессор имеет вид, описанный выше со ссылкой на фиг. 10 или 11, количество сжатого адиабатически газа может регулироваться просто настройкой синхронизации выпускного клапана адиабатического воздуха. Если он запирается рано, то меньше воздуха идет в газовую турбину и большая доля имеющейся в наличии энергии может использоваться для изотермического сжатия. Для увеличения потока воздуха в газовую турбину может быть выполнена настройка реверса адиабатического выпускного клапана. Для поддержания одинакового такта поршня необходимо уменьшить массу газа в отбрасывающей камере, что может быть обеспечено относительно легко, например, путем введения в отбрасывающую камеру клапана, регулирующего высвобождение или впуск газа из или в камеру.

В течение периода низкого потребления, производится большая доля изотермически сжатого воздуха, чем необходимо для приведения в действие топочного компрессора, избыток холодного сжатого воздуха направляется в большую полость 282, в которой он накапливается. Затем в периоды высокого потребления большая часть энергии, имеющейся в наличии в топочном компрессоре 278, используется для адиабатического сжатия газа, приводящего в действие газовую турбину 280. Изотермически сжатый воздух, необходимый для сжигания, обеспечивается и топочным компрессором, и большой полостью 282. Установка генерирования и накопления энергии также включает накопительную емкость лед/вода 283 и рефрижераторную систему, которая охлаждает или замораживает накопленную воду. Как описано выше, тепло, переданное водяной пыли в процессе изотермического сжатия, обычно извлекается из компрессора посредством системы охлаждения. В периоды низкого потребления рефрижераторная система 284 охлаждает воду в тепловой накопительной емкости 283, предпочтительнее до температур ниже точки замерзания воды, так что образуется лед. Когда потребление энергии высокое, рефрижераторная система может быть отключена для максимального увеличения полезной выходной мощности, охлаждение водяной пыли обеспечивается частично за счет внешней системы охлаждения и частично за счет плавления накопленного льда. Максимальное потребление должно обычно быть днем, и если окружающие температуры высокие, лед может быть расплавлен для обеспечения холодной водой изотермического компрессора. Внешняя система охлаждения установки 285, которая должна отводить тепло при высокой окружающей температуре, может не использоваться или может быть использована для уменьшения производительности в это время. Привлекательность этой системы состоит в том, что накопление льда может осуществляться ночью, когда потребление энергии низкое и окружающие температуры также низкие. В этом случае компрессор может эксплуатироваться на полную мощность, избыток энергии может использоваться для замораживания воды и получения льда. Это дает двойное преимущество, поскольку не только накапливается энергия для высвобождения ее в период максимального потребления, но и общая тепловая эффективность системы может быть увеличена за счет снижения температуры холодной водяной пыли в период максимального потребления.

Пунктирной линией на фиг. 18 показано, что отдельные компоненты установки накопления энергии или охлаждающей установки могут использоваться только часть времени. Способ накопления сжатого воздуха и способ накопления льда-воды не зависят друг от друга. Установка может включать либо одну систему накопления, либо обе.

Признаки, которые описаны для конкретных вариантов, могут быть включены в другие варианты. Кроме того, принципы различных рабочих циклов, включающих различные способы приведения в действие газового компрессора, описанные для конкретных вариантов, могут применяться и для других вариантов. Специалистам понятны описанные модификации вариантов и их рабочие циклы.

Установка может быть использована для регенерации тепла от источника тепла. Газотурбинная установка включает по меньшей мере одну газовую турбину, теплообменное средство для подогревания сжатого газа теплом источника тепла, средство для подачи подогретого сжатого газа в турбину для расширения газа и превращения его энергии в книнетическую энергию в газовой турбине, изотермический газовый компрессор. Изотермический газовый компрессор приводится в действие от пневмопривода. Компрессор имеет средство для образования струи распыленной жидкости в камере сжатия для охлаждения газа при его сжатии. Жидкость из холодного сжатого газа, выпущенного непосредственно из камеры сжатия, удаляется при помощи средства для удаления жидкости в виде влагоотделителя. В качестве пневмопривода может быть использован ротационный компрессор или камера сгорания. Установка включает магистральный нагреватель, содержащий камеру сгорания или внешний источник нагрева. Установка может включать вторую и третью газовые турбины, средство для подачи части холодного сжатого газа на лопасти газовых турбин для их охлаждения с тем, чтобы получить более высокую температуру на входе турбины. Дополнительные газовые турбины и вспомогательные теплообменники должны быть меньше, чем основные составляющие системы. Газотурбинная установка может включать термокомпрессоры, компрессор с замкнутым и открытым циклом, в которые тепло подается посредством инжектирования горячей жидкости. Кроме того, термокомпрессор может быть включен в цикл генерирования энергии и газификации. Компрессор имеет различные варианты выполнения поршней и корпусов. Может работать в режиме реверса. Использование в газотурбинной установке различных вариантов выполнения компрессора позволяет повысить эффективность и экономичность установки. 15 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Газотурбинная установка, предназначенная для регенерации тепла, поступающего от источника тепла, содержащая газовую турбину, теплообменное средство для подогревания сжатого газа теплом источника тепла, средство для подачи подогретого сжатого газа из теплообменного средства непосредственно в турбину для расширения подогретого сжатого газа без сжигания таким образом, что температура газа на выходе газовой турбины была ниже, чем температура подогретого сжатого газа на входе газовой турбины, газовый компрессор для получения сжатого газа, включающий камеру сжатия для помещения газа, предназначенного для сжатия, поршень сжатия, приводное средство для приведения в движение поршня в камеру сжатия газа и клапанное средство для обеспечения всасывания сжатого газа из камеры сжатия, отличающаяся тем, что она включает средство для образования струи распыленной жидкости в камере сжатия для охлаждения газа при его сжатии в ней, соединительные средства, связанные с поршнем газового компрессора для обеспечения подачи энергии к поршню, и средство для удаления жидкости из холодного сжатого газа, выпущенного непосредственно из камеры сжатия, при этом газовый компрессор выполнен изотермического сжатия для получения холодного сжатого газа. 2. Газотурбинная установка по п.1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительную газовую турбину и средство для подачи горячего выхлопного газа низкого давления из газовой турбины в теплообменное средство для подогревания холодного сжатого газа из изотермического компрессора. 3. Газотурбинная установка по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит магистральный нагреватель для генерирования горячего газа высокого давления из части подогретого сжатого газа, поступающего из теплообменного средства, и средство для подачи горячего газа высокого давления для приведения в действие турбины. 4. Газотурбинная установка по п.3, отличающаяся тем, что магистральный нагреватель содержит камеру сгорания, сжигающую топливо в подогретом сжатом газе и производящую дымовой газ в качестве горячего газа высокого давления. 5. Газотурбинная установка по п.3, отличающаяся тем, что магистральный нагреватель содержит внешний источник нагрева. 6. Газотурбинная установка по любому из пп.3 - 5, отличающаяся тем, что она содержит средство для подачи части холодного сжатого газа на лопасти газовой турбины для их охлаждения. 7. Газотурбинная установка по любому из пп.3 - 6, отличающаяся тем, что она содержит третью газовую турбину, второе теплообменное средство для подогревания части холодного сжатого из горячего газа низкого давления, выходящего из упомянутой дополнительной газовой турбины, и средство для подачи подогретого сжатого из второго теплообменного средства для приведения в действие третьей газовой турбины. 8. Газотурбинная установка по п.7, отличающаяся тем, что третья газовая турбина является воздушной турбиной. 9. Газотурбинная установка по любому из пп.1 - 8, отличающаяся тем, что она содержит компрессор для подачи горячего сжатого газа для приведения в действие изотермического компрессора. 10. Газотурбинная установка по любому из пп.1 - 9, отличающаяся тем, что изотермический газовый компрессор дополнительно содержит вторую камеру и второй поршень, косвенно механически связанный с поршнем сжатия. 11. Газотурбинная установка по п.10, отличающаяся тем, что она включает коленчатый вал для соединения поршня сжатия и второго поршня между собой. 12. Газотурбинная установка по п.10 или 11, отличающаяся тем, что приводное средство содержит средство для подачи горючей топливной смеси во вторую камеру, посредством чего ее сгорание приводит в движение второй поршень из второй камеры. 13. Газотурбинная установка по любому из пп.10 - 12, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство для подачи сжатого газа из камеры сжатия во вторую камеру. 14. Газотурбинная установка по любому из пп.10 - 13, отличающаяся тем, что она включает теплообменное средство, размещенное с возможностью подогрева сжатого газа из камеры сжатия газом из второй камеры. 15. Газотурбинная установка по любому из пп.10 - 13, отличающаяся тем, что она включает теплообменное средство, размещенное с возможностью подогрева сжатого газа из камеры сжатия теплом от конца и/или стенки второй камеры. 16. Газотурбинная установка по любому из пп.1 - 15, отличающаяся тем, что средство для удаления жидкости содержит влагоотделитель.

Приоритет по пунктам:
10.03.93 по пп.1, 10, 11, 15;
29.05.92 по пп.2 - 9, 16;
29.06.92 по пп.12 - 14.