超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统
技术领域
本实用新型属于燃气轮机技术领域，特别是一种超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统。
背景技术
微型燃气轮机整体系统一般由压气机、燃烧室、涡轮、回热器、发电机及电子控制等部分组成。压气机、涡轮等转动部件一般都安装在同一轴上，由滑动或滚动轴承作为支撑轴承。在燃气轮机的高速旋转工况下，轴承的使用寿命及其所需的附加装置都成为燃气轮机结构升级和发展应用的瓶颈。
传统发电机转速与燃气轮机输出轴的高转速难以匹配，必须借助巨大笨重的减速箱才能工作，使得燃气轮机整个体积、重量增加，效率下降，而且也增加了大量附加装置。
微型燃气轮机的压气机将空气压缩到一定压力，成为压缩空气，压缩空气进入燃烧室与燃料燃烧，产生高温高压的燃气，燃气驱动涡轮，涡轮通过旋转轴带动发电机发电。其特征表现为以高温燃气为工质的布雷顿循环过程。为了保证压缩效率，压气机尺寸必须设计的足够大，从而增加了燃气轮机的整机体积、重量和造价。微型燃气轮机工质为空气，为了达到一定压力，对压缩机的设计要求较高。燃机运转过程，压气机转动需要的机械能较大，由高温高压态的工质的内能转化成的机械能的大部分用来带动压气机，导致发电效率低。存在氮氧化物有害气体排放的问题。
目前微型燃气轮机控制系统是分布式计算机控制系统。它采用控制分散、操作和管理集中的基本设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式，其主要特征是集中管理和分散控制。然而在大数据、云计算等新一代信息技术发展的大背景下，微型燃气轮机控制系统传统数据库在数据获取、存储、管理、分析方面的能力有待提高。现有的控制系统是设定的，不灵活的，不能对变化的环境条件作出响应，导致在设计、使用和维修概念方面留有很大的裕度，导致其性能受到不利影响并且成本增加。
考虑到微型燃气轮机在分布式发电、热(冷)电联供及混合动力方面的应用有巨大潜力，对微型燃气轮机的技术研发，解决以上问题，优化提高整机性能具有重大意义。
中国专利(名称为：微型燃气轮机发电装置，专利号为201210409102.X)公开了一种使用高速永磁电动/发电机的微型燃气轮机。但是这种装置后轴承和前轴承均为角接触轴承，需要相应的润滑和冷却等附加系统装置。
中国专利(名称为：气浮轴承-转子结构的微型燃气轮机，专利号为200910250723.6)公开了一种使用气体润滑轴承作为微型燃气轮机转子系统的支撑轴承。但这种气体轴承只适用于工作转速在5000～8000转的微型燃气轮机系统。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、紧凑，以超临界二氧化碳为工质，能量密度高，无有害物质排放，保证整机性能和发电效率的超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统。
本实用新型解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统，其特征在于：包括压气机、燃烧室、涡轮、回热器、启发一体高速永磁电机、冷凝器、超临界二氧化碳稳压装置、制氧装置及燃料增压装置；超临界二氧化碳稳压装置的超临界二氧化碳出口连接至压气机的压缩工质入口，压气机的压缩工质出口连接至回热器的工质预热入口，回热器的工质预热出口连接至燃烧室的工质入口，同时制氧装置的氧气出口及燃料增压装置的燃料出口分别连接至燃烧室的氧气入口及燃料入口；燃烧室的工质出口连接至涡轮的工质入口，涡轮的工质出口连接至回热器的回热入口，回热器的回热出口连接至冷凝器的换热入口，冷凝器的换热出口经气水分离装置后连接回超临界二氧化碳稳压装置，二氧化碳稳压装置设有富余工质出口。
而且，所述压气机、涡轮及启发一体高速永磁电机的回转部件均安装于同一主轴，且该主轴与所述压气机、涡轮及启发一体高速永磁电机的回转部件之间采用空气轴承进行支撑。
本实用新型的优点和有益效果为：
1、本实用新型超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统，启发一体高速永磁电机集成在微型燃气轮机的结构设计中，兼有燃机启动和发电的功用，燃机启动快，结构紧凑。
2、本实用新型超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统，超临界二氧化碳作为工质，完成微型燃气轮机的布雷顿循环过程，没有复杂的润滑和冷却等附加装置，结构简单、紧凑，容易维护；压气机体积减小，使得整机体积小、重量轻；发电效率提高；由于不用空气做功质，没有氮氧化物有害气体排放的问题。
3、本实用新型超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统，超临界二氧化碳作为工质驱动涡轮做功，内能转化为机械能，总机械能的一部分带动压气机转动，其余作为净输出，超临界二氧化碳由于其密度高，压缩性好，压气机压缩超临界二氧化碳所需机械能相对少，使得涡轮的净输出机械能增多，进而提高微型燃气轮机的发电效率。
4、本实用新型超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统，用超临界二氧化碳代替空气作为循环工质，燃烧室出来的工质主要由超临界二氧化碳和水蒸气组成，微型燃气轮机的排放中只有水和部分超临界二氧化碳，没有了氮氧化物有害气体，不需为此做尾气处理，其环保优势明显。
附图说明
图1为本实用新型的系统示意图；
图2为本实用新型的系统控制系统示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本实用新型作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本实用新型的保护范围。
一种超临界二氧化碳工质微型燃气轮机系统，其包括压气机、燃烧室、涡轮、回热器、启发一体高速永磁电机、冷凝器、超临界二氧化碳稳压装置、制氧装置及燃料增压装置；超临界二氧化碳稳压装置的超临界二氧化碳出口连接至压气机的压缩工质入口，压气机的压缩工质出口连接至回热器的工质预热入口，回热器的工质预热出口连接至燃烧室的工质入口，同时制氧装置的氧气出口及燃料增压装置的燃料出口分别连接至燃烧室的氧气入口及燃料入口；燃烧室的工质出口连接至涡轮的工质入口，涡轮的工质出口连接至回热器的回热入口，回热器的回热出口连接至冷凝器的换热入口，冷凝器的换热出口经气水分离装置后连接回超临界二氧化碳稳压装置，二氧化碳稳压装置设有富余工质出口。
压气机、涡轮及启发一体高速永磁电机的回转部件均安装于同一主轴，且该主轴与所述压气机、涡轮及启发一体高速永磁电机的回转部件之间采用空气轴承进行支撑。用空气轴承代替传统轴承，作为微型燃气轮机的转子系统的支撑轴承，运动更加稳定可靠。
本实用新型超临界二氧化碳工质智能微型燃气轮机系统的工质循环方法，其包括如下步骤：
1)压气机压缩：采用超临界二氧化碳作为循环工质，超临界二氧化碳进入压气机的压缩工质入口，经压气机进行压缩，形成压缩的超临界二氧化碳，此时压缩的超临界二氧化碳的压力为15-16Mpa，温度为550-650℃；
2)预热：压缩的超临界二氧化碳经压气机的压缩工质出口进入至回热器的工质预热入口，进行预热，预热后压缩的超临界二氧化碳的压力为15～20Mpa，温度为 550-700℃；
3)燃烧：预热后的压缩的超临界二氧化碳经回热器的工质预热出口进入燃烧室；同时燃料和氧气进入燃烧室，充分燃烧；
4)膨胀做功：压缩的超临界二氧化碳与燃烧室内充分燃烧后的气体一起，以高温高压状态进入涡轮区，膨胀做功，带动启发一体高速永磁电机发电；
5)热量回收：做功后的超临界二氧化碳回到回热器的回热入口，对下个循环的压缩的超临界二氧化碳进行预热，实现热量回收，得到冷却的超临界二氧化碳；
6)回收处理：从回热器回热出口出来的冷却超临界二氧化碳经过冷凝器进一步冷却处理，将水蒸汽转化为液态水分离，重新生成干燥的超临界二氧化碳，干燥的超临界二氧化碳一部分去压气机，继续进入下个循环过程，其余一部分经富余工质出口收集起来作为其他用途。3)燃烧：预热后的压缩的超临界二氧化碳经回热器的工质预热出口进入燃烧室；同时燃料和氧气进入燃烧室，充分燃烧；
7)膨胀做功：压缩的超临界二氧化碳与燃烧室内充分燃烧后的气体一起，以高温高压状态进入涡轮区，膨胀做功，带动启发一体高速永磁电机发电；
8)热量回收：做功后的超临界二氧化碳回到回热器的回热入口，对下个循环的压缩的超临界二氧化碳进行预热，实现热量回收，得到冷却的超临界二氧化碳；
9)回收处理：从回热器回热出口出来的冷却超临界二氧化碳经过冷凝器进一步冷却处理，将水蒸汽转化为液态水分离，重新生成干燥的超临界二氧化碳，干燥的超临界二氧化碳一部分去压气机，继续进入下个循环过程，其余一部分经富余工质出口收集起来作为其他用途。
如前所述，用空气做循环工质，对压气机设计要求高，本实用新型用超临界二氧化碳代替空气做微型燃气轮机的循环工质。
超临界二氧化碳指的是热力学状态处于临界点之上，即温度T≥31℃，压力P ≥74个大气压的状态。超临界二氧化碳处在介于液体和气体之间的单一相态，具有独特的物理化学性质，其粘度接近于气体，密度接近于液体，扩散系数介于气体和液体之间，故其兼有气体和液体的特点，既像气体一样容易扩散，又像液体一样有很强的溶解能力，因而超临界二氧化碳具有高扩散性和高溶解性。
微型燃气轮机工作中超临界二氧化碳作为工质驱动涡轮做功，内能转化为机械能，总机械能的一部分带动压气机转动，其余作为净输出。超临界二氧化碳作微型燃气轮机的循环工质，由于其密度高，压缩性好，压气机压缩超临界二氧化碳所需机械能相对少，使得涡轮的净输出机械能增多。进而提高微型燃气轮机的发电效率。
用超临界二氧化碳代替空气作为循环工质，燃烧室出来的工质主要由超临界二氧化碳和水蒸气组成，微型燃气轮机的排放中只有水和部分超临界二氧化碳，没有了氮氧化物有害气体，不需为此做尾气处理，其环保优势明显。
对微型燃气轮机的智能控制，示意图见图2，即通过分布式计算机控制系统结合大数据及云计算对微型燃气轮机运行中不同工况引起的负载变化、转速变化、燃料量变化及排气温度等参数的控制和调节。提升微型燃气轮机控制系统对数据的采集、存储、传送和分析的能力。
智能控制下的微型燃轮机系统包含启动和停止程序、保护燃气轮机和发电机、控制负荷、控制温度、控制系统内超临界二氧化碳的循环量等基本功能。除此之外还可通过云计算数据系统，帮助用户积累习惯性应用参数，减少过多失误出现。达到节能，减少排放，提高效率。
尽管为说明目的公开了本实用新型的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本实用新型及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本实用新型的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
