带有大流量螺线气体压缩装置的热力循环工艺概念设计

带有大流量螺线气体压缩装置的热力循环工艺概念设计

气体压缩式耗功较大，尤其是大流量的压缩机体积庞大，制造困难，大流量压缩机一般采用离心或轴流形式。轴流压气机由多级叶轮组成，在气体通过时逐级加压。轴流压气机采用贯流设计，转子叶片采用倾斜弯扭设计，由于中间没有截断装置，气体连续流动中易产生回流，因此压气机出口压力不高。当前航空发动机普遍采用轴流压气机，压气机体积小，和透平同轴设计，透平出口排出高温烟气，用于提供飞机上升和前进的反作用力。

对于地面发电用燃气轮机，由于轴流压气机压力不高，仅有2MPa左右，但温度已达到450℃，经过燃烧室天然气燃烧后，烟气温度达到1500℃，由于压力损失，压力不足2MPa。经过透平做功后，烟气达到环境压力，温度还有600℃左右，造成大量的余热损失。及时采用先进的蒸汽循环，也只能回收余热热量的40%左右，浪费的热量仍是十分可观的。

目前容积式压缩机一般为活塞式、齿轮式或螺杆式，这种压缩机有一个特点，就是采用容积式加压，形成间断的气体压缩，气体不会产生回流，在压缩后能够达到更高的压力和比容。螺杆式压缩机能够连续不断的供应压缩气体，并能够起到逆止门的作用，为后续的热力工艺创造条件。

螺线式空气压缩装置的结构如下，双转子螺线压缩装置采用阴阳转子，转动中不断的输送气体，由于出口采用调压装置进行了限流，因此可以达到更高的压力。如图所示，左侧转子在转动过程中不断的向出口输送气体，如采用外径1m左右的的转子，每转一周可以输送约1m3的气体，转速1000rpm的工况下，设气体的密度为1kg/m3，一分钟可以输送1000kg气体，1小时可以输送60t气体。

如采用一个阴转子带动三个阳转子，则可以将输送能力提高3倍，1小时输送180t气体，采用多台成组设计模式，如采用20台气体压缩装置，则可以达到3600t/h的流量，达到当前H级大型燃气轮机的烟气质量流量。

通过大流量螺线压缩装置的加压，将气体压缩至一定的密度。该密度可按照10MPa，1500℃的气体密度进行设计。在气体达到该密度后，气体将送入燃烧系统吸收热量，同时进行升温升压，在温度达到1500℃时，按照PV=RT，压力将达到10MPa。

高温高压烟气送入透平做功，由于烟气压力升高，体积流量减小，透平首级叶轮将会减小，级数将会增多，透平呈细长外观，尾部连接发电机发电。由于高温段直径减小，透平的制造成本将会大幅降低。

在经过多级（8-10级）透平做功后，烟气达到略高于常温常压后，排出透平。

整个热力过程仅会有较少热量剩余，中间能量转换的损失很小，发电的热力效率将会得到大幅提高。热力循环工艺过程如下图。