CN102168585A - 一种利用空气发电的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用空气发电的工艺方法，它使用空气为工质来取代火力发电中用蒸汽作功的传统工艺，以空气压缩机替代燃煤产气锅炉及锅炉给水泵等装置，通过适宜使用的汽轮机所输出的膨胀轴功带动汽轮发电机同步运行而获取电能的过程；本发明由于以空气作为能源，是运行成本最低的清洁能源，符合国家的能源方针与可持续发展的要求，该工艺无须燃煤产汽锅炉，省去了为锅炉服务的一系列庞杂的设施与大型构筑物，因而占地面积小，进场或出场物流量小，可节省大量的建设资金与土地，投资少见效快，它还不产生任何有毒有害气体及废液废渣等污染物质，无须大量用水，环保低碳节能，发电效率高，经营成本低的一种发电的工艺方法。

Description

一种利用空气发电的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种清洁能源发电领域，特别是一种利用空气发电的工艺方法。

背景技术

在能源日趋紧张的今天，空气能的利用远远落后于核能、水力势能、风能、光电能、海浪能，特别是利用空气发电；空气是人们须臾不可离开的东西，而空气又普遍存在于地球表面之中，取之不尽，用之不竭，是最丰富、最廉价、最清洁的能源，最普通的也是最易被忽视的、最难解决的，最难解决的技术问题有两点：一是要解决在现有技术水平与所用设备的条件下，使用空气为工质来获取电能；二是空气发电工艺的原理在实质上是与火电工艺蒸汽的热力过程相一致的，蒸汽或空气工质均经历从焓升至焓降的热力过程，热能转换为机械能的唯一途径均是膨胀作功，所不同的是空气的物理性质之一的比定压热容C_P较蒸汽低0.862KJ·Kg^-1·K^-1，在相同的工作参数下，空气的焓值与焓升、焓降在量值上总低于蒸汽，制约了汽轮机向外输出的轴功这一问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有的火力发电需耗用大量优质煤炭、蒸汽热损失大、发电效率较低、污染环境、占地多、进场或出场物流大、投资大、经营成本高等弊端，而提供一种无须耗用煤炭资源可持续发展、工艺流程便捷、设备数量种类大幅减少、占地少、进场或出场物流量小、投资少见效快、用水少、不产生任何有毒有害气体及废液废渣污染物质、环保低碳节能、发电效率高、经营成本低的一种发电的工艺方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案为：这种发电的工艺方法，其特点是：它由以下操作步骤组成：

①由磁动力机提供的动力经电动机通过增速齿轮箱增速与空气压缩机转速相同；

②工质在空气压缩机被压缩的过程：在空气压缩机旋转同时，空气经空气压缩机进气口进入空气压缩机中，通过压缩使空气由压力P₁＝0.1003MP_a，环境温度为t₁，提高到空气压缩机出口压力为P₂，其出口温度为T₂，工质焓升Δhc为h₂-h₁，其计算公式如下：

$T_2=T_1{\mathrm{\ϵ}}^{\frac{n-1}{n}}---\left(1\right)$

其中：T₁表示空气进口温度，取决于现场环境温度，取t₁＝20℃，T₁＝20+T，T表示热力学温度，故T₁＝20+273.2＝293.2K，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{P_2}{P_1};$

n表示多变指数，n取1.45，绝热指数K＝1.4；

P₂表示空气压缩机出口压力，P₃表示汽轮机进口压力，P₃≈P₂；

h₁＝C_P T₁-----------------〔2〕

其中：h₁表示压缩过程前的工质焓值KJ/Kg；

C_P表示空气的比定压热容，C_P＝1.005KJ·Kg^-1·K^-1；

h₂＝C_P T₂-----------------〔3〕

其中：h₂表示压缩过程后的工质焓值KJ/Kg；

Δhc＝h₂-h₁---------------〔4〕

③仅在空气压缩机的前半部分设有冷却装置，导管外设有保温层，经空气压缩机出气口至汽轮机进气口间导管上进行补热，补热温度取决于空气压缩机出口的实际温度；

④工质在汽轮机喷嘴中膨胀的过程：空气工质通过出气口、导管、第一调节阀、第二调节阀进入汽轮机进气口进入汽轮机中，压力为P₃，工作温度为t₃，经膨胀过程后汽轮机出口压力为P₄，出口温度为t₄，工质焓降Δht为h₃-h₄，由此焓降转变为向外输出的轴功，经膨胀过程后压力为P₄，出口温度为t₄的空气工质自汽轮机排气口排出，并经减速齿轮箱带动汽轮发电机运行发电，因汽轮机进气的工质参数即为空气压缩机出口的工质参数，故T₃≈T₂，h₃＝h₂，其计算公式如下：

T₃＝t₂+Δt+T-------------〔5〕

其中：T₃表示汽轮机进气温度，t₂表示压缩机出口温度，Δt表示所须补热温度；

$T_4=T_3{\left(\frac{P_4}{P_3}\right)}^{\frac{K-1}{K}}---\left(6\right)$

其中：T₃表示汽轮机进气温度K

h₃＝C_P T₃----------------〔7〕

h₄＝C_P T₄----------------〔8〕

Q_t＝h₄-h₁---------------〔9〕

其中：h₃表示汽轮机的进气焓KJ/Kg，h₄表示汽轮机的排气焓KJ/Kg，Q_t表示排气热KJ；

Δht＝h₃-h₄---------------〔10〕

⑤空气与蒸汽不同工质间的流量换算：

其计算公式如下：

${\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}=\frac{R_{\mathrm{AIR}}{T}_3}{P_3}---\left(11\right)$

其中：υ_AIR表示空气的比容m³/kg，蒸汽的比容υ_ST可查h-S图而得；

$V_{\mathrm{ST}}=\frac{n_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{ST}}\×{10}^3}{60}---\left(12\right)$

其中：V_ST表示蒸汽的容积流量m³/min；

$V_3=\frac{n_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}\×{10}^3}{60}---\left(13\right)$

其中：V₃表示空气的容积流量m³/min；

$n_{\mathrm{AIR}}=\frac{{60V}_{\mathrm{ST}}\×{10}^{-3}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}}---\left(14\right)$

其中：n_AIR表示空气的重量流量t/h；

⑥空气压缩机的吸入流量V₁与排气量V₂的计算：

其计算公式如下：

${\mathrm{\υ}}_2=\frac{R_{\mathrm{AIR}}{T}_2}{P_2}---\left(15\right)$

$V_2=\frac{{\mathrm{\υ}}_2{V}_{\mathrm{ST}}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{ST}}}---\left(16\right)$

$V_1=\frac{P_2{V}_2{T}_1}{P_1{T}_2}---\left(17\right)$

其中：υ₂表示空气的比容m³/kg；

⑦空气压缩机的理论功率N，轴功率N_sh，电动机功率P的计算：

其计算公式如下：

$N=\frac{{1.634P}_1{V}_1\frac{n}{n-1}({\mathrm{\ϵ}}^{\frac{n-1}{n}}-1)}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pj}}}---\left(18\right)$

其中：ε表示压比

η_pj表示多变效率可查离心式压缩机的多变效率图而得；

$N_{\mathrm{sh}}=\frac{N}{{\mathrm{\η}}_C{\mathrm{\η}}_m}---\left(19\right)$

P＝1.05N_sh----------------〔20〕

⑧汽轮机的理想功率P_t，汽轮机的内功率P_i，汽轮机的有效功率P_e，汽轮发电机的输出功率P_el的计算：

其计算公式如下：

$P_t=\frac{\mathrm{D\ΔHt}}{3600}---\left(21\right)$

其中：D表示流量t/h；

P_i＝P_t·η_ri----------------〔22〕

其中：η_ri表示汽轮机的相对内效率，η_m取89％；

P_e＝P_i·η_m-----------------〔23〕

其中：η_m表示汽轮机的机械效率，η_m取98％；

P_el＝P_e·η_g----------------〔24〕

其中：η_g表示汽轮发电机效率，η_g取97％；

或 $P_{\mathrm{el}}=\frac{\mathrm{D\ΔHt}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{el}}}{3600}---\left(25\right)$

其中：η_el表示汽轮发电机的相对电效率，η_el＝η_riη_mη_g＝0.85。

本发明解决其技术问题所采取的又一技术方案为：所述的方法步骤使用的设备，它包括有磁动力机、电动机、增速齿轮箱、空气压缩机、汽轮机、减速齿轮箱、汽轮发电机，磁动力机、电动机、增速齿轮箱、空气压缩机依次相连，空气压缩机设有进气口、出气口，并通过导管、第一调节阀、第二调节阀与汽轮机设有进气口相连，导管外设有保温层，汽轮机还设有排气口，汽轮机、减速齿轮箱、汽轮发电机依次相连。

本发明它完全遵守并符合热力学第一定律能量守恒原则，其本质与蒸汽工质作功相一致的，与火力发电工艺不同之处在于用空气工质代替蒸汽，用空气压缩机取代了火力发电使用的燃煤产气锅炉与锅炉给水泵；外界施加的机械外功，使压缩机的工作叶轮连续旋转的同时，空气被吸入到压缩机中，在压缩机级的装有动叶叶栅的工作叶轮与扩压静叶叶栅中逐级完成压缩过程，工质的温度、压力与焓值增高，成为具有一定能量的高速气流，在扩压静叶叶栅中高速气流绝对速度的动能逐渐降低，转换为工质的压力势能，达到工质所要求的压力，自压缩机出口的空气工质需经管外补热，以达到汽轮机所需的工作温度，并以一定方向进入静叶通道，首先在喷嘴中将空气工质的热能转换成动能，然后在动叶将其动能转换为机械能，对动叶产生一个作用或反作用力，推动叶轮旋转，同时，工质的温度、压力与焓值降低，逐级地完成膨胀过程，机械能成为汽轮机向外输出的轴功，并带动汽轮发电机同步运行而获得所须的电功率输出。

本发明由于以空气作为能源，不受自然因素与任何条件的制约，是运行成本最低的清洁能源，符合国家的能源方针与可持续发展的要求，该工艺无须燃煤产汽锅炉，省去了为锅炉服务的一系列庞杂的设施与大型构筑物，因而占地面积小，进场或出场物流量小，可节省大量的建设资金与土地，投资少见效快，它还不产生任何有毒有害气体及废液废渣等污染物质，发电工艺中，除发电机组、压缩机使用一定量的冷却循环补充水外，无须大量用水，环保低碳节能，发电效率高，经营成本低的一种发电的工艺方法。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的利用空气发电的工艺结构示意图。

具体实施方式

实施例1、参照图1，本发明实施例所提供的这种利用空气发电工艺方法，它由以下操作步骤组成：

①由磁动力机1提供的动力经电动机2通过增速齿轮箱3增速与空气压缩机4转速相同，磁动力机1可选用申请号为201010582908.X，名称为《一种卧式平转插接分布定子磁动力机》的发明专利产品或专利号为200820077906.3，名称为《气磁力动力装置》的实用新型专利产品；

②工质在空气压缩机4被压缩的过程：在空气压缩机4旋转同时空气经空气压缩机进气口8进入空气压缩机4中，通过压缩使空气由压力P₁＝0.1003MP_a，环境温度为t₁，提高到空气压缩机出口压力为P₂，出口温度为T₂，工质焓升Δhc为h₂-h₁，其计算公式如下：

$T_2=T_1{\mathrm{\ϵ}}^{\frac{n-1}{n}}---\left(1\right)$

其中：T₁表示空气进口温度，取决于现场环境温度，取t₁＝20℃，T₁＝20+T，T表示热力学温度，故T₁＝20+273.2＝293.2K，

t₂＝209.1℃；n表示多变指数，n取1.45，绝热指数K＝1.4；

P₂表示空气压缩机出口压力，P₃表示汽轮机进口压力，P₃≈P₂；

h₁＝C_P T₁-----------------〔2〕

其中：h₁表示压缩过程前的工质焓值KJ/Kg；

C_P表示空气的比定压热容，C_P＝1.005KJ·Kg^-1·K^-1；

h₂＝C_P T₂------------------〔3〕

其中：h₂表示压缩过程后的工质焓值KJ/Kg；

Δhc＝h₂-h₁----------------〔4〕

将已知数值代入式〔2〕、〔3〕、〔4〕中，

h₁＝1.005×293.2＝294.67KJ/Kg；

h₂＝1.005×482.3＝484.71KJ/Kg；

Δhc＝484.71-294.67＝190.04KJ/Kg；

③仅在空气压缩机4的前半部分设有冷却装置，导管10外设有保温层15，经空气压缩机出气口9至汽轮机进气口13间导管10上进行补热，补热温度取决于空气压缩机出气口9的实际温度；

④工质在汽轮机5喷嘴中被膨胀的过程：空气工质通过出气口9、导管10、第一调节阀11、第二调节阀12进入汽轮机进气口13进入汽轮机5中，压力为P₃，工作温度为t₃，经膨胀过程后汽轮机5出口压力为P₄，出口温度为t₄，工质焓降Δht为h₃-h₄，由此焓降转变为向外输出的轴功，经膨胀过程后压力为P₄，出口温度为t₄的空气工质自汽轮机排气口14排出，并经减速齿轮箱6带动汽轮发电机7运行发电，因汽轮机5进气的工质参数即为空气压缩机4出口的工质参数，故T₃≈T₂，h₃＝h₂，汽轮机5若选用：规格B0.3-0.5/0.2，流量D＝8.5t/h，温度t＝255℃，其计算公式如下：

T₃＝t₂+Δt+T-------------〔5〕

其中：T₃表示汽轮机进气温度，t₂表示压缩机出口温度，Δt表示汽轮机须补热温度；

$T_4=T_3{\left(\frac{P_4}{P_3}\right)}^{\frac{K-1}{K}}---\left(6\right)$

h₃＝C_P T₃----------------〔7〕

h₄＝C_P T₄----------------〔8〕

Q_t＝h₄-h₁---------------〔9〕

其中：h₃表示汽轮机的进气焓KJ/Kg，

h₄表示汽轮机的排气焓KJ/Kg，Q_t表示排气热KJ；

Δht＝h₃-h₄---------------〔10〕

将已知数值代入式〔7〕、〔8〕、〔9〕、〔10〕中，

$T_4=532.3\left(\frac{0.2}{0.5}\right)\frac{1.4-1}{1.4}=408.8K,$ t₄＝135.6℃；

h₃＝1.005×532.3＝534.96KJ/Kg；

h₄＝1.005×408.8＝410.84KJ/Kg；

Q_t＝534.96-294.67＝116.24KJ；

Δht＝534.96-410.48＝124.12KJ/Kg；

⑤空气与蒸汽不同工质间的流量换算：

其计算公式如下：

${\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}=\frac{R_{\mathrm{AIR}}{T}_3}{P_3}---\left(11\right)$

其中：υ_AIR表示空气的比容m³/kg，蒸汽的比容υ_ST可查h-S图而得；

$V_{\mathrm{ST}}=\frac{n_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{ST}}\×{10}^3}{60}---\left(12\right)$

其中：V_ST表示蒸汽的容积流量m³/min；

$V_3=\frac{n_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}\×{10}^3}{60}---\left(13\right)$

其中：V₃表示空气的容积流量m³/min；

$n_{\mathrm{AIR}}=\frac{{60V}_{\mathrm{ST}}\×{10}^{-3}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}}---\left(14\right)$

其中：n_AIR表示空气的重量流量t/h；

⑥空气压缩机的吸入流量V₁与排气量V₂的计算：

其计算公式如下：

${\mathrm{\υ}}_2=\frac{R_{\mathrm{AIR}}{T}_2}{P_2}---\left(15\right)$

$V_2=\frac{{\mathrm{\υ}}_2{V}_{\mathrm{ST}}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{ST}}}---\left(16\right)$

$V_1=\frac{P_2{V}_2{T}_1}{P_1{T}_2}---\left(17\right)$

其中：υ₂表示空气的比容m³/kg；

将已知数值代入式〔11〕、〔12〕、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)中，

${\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}=\frac{287.1\×532.3}{5\×{10}^5}=0.305m^3/\mathrm{kg};$

υ_ST可查h-S图得0.49m³/kg；

$V_{\mathrm{ST}}=\frac{8.5\×0.49\×{10}^3}{60}=69.42m^3/\min ;$

$V_3=\frac{8.5\×0.305\×{10}^3}{60}=43.21m^3/\min ;$

$n_{\mathrm{AIR}}=\frac{60\×69.42\×{10}^{-3}}{0.305}=13.66t/h;$

${\mathrm{\υ}}_2=\frac{287.1\×482.3}{5\×{10}^5}=0.277m^3/\mathrm{kg};$

$V_2=\frac{0.277\×69.42}{0.49}=39.24m^3/\mathrm{kg};$

$V_1=\frac{5\×{10}^5\×39.24\×293.2}{1.003\×{10}^5\×482.3}=118.92m^3/\min ;$

⑦空气压缩机的理论功率N，轴功率N_sh，电动机功率P的计算：

其计算公式如下：

$N=\frac{{1.634P}_1{V}_1\frac{n}{n-1}({\mathrm{\ϵ}}^{\frac{n-1}{n}}-1)}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pj}}}---\left(18\right)$

其中：ε表示压比

η_pj表示多变效率可查离心式

压缩机的多变效率图而得；

$N_{\mathrm{sh}}=\frac{N}{{\mathrm{\η}}_C{\mathrm{\η}}_m}---\left(19\right)$

P＝1.05N_sh----------------〔20〕

将已知数值代入式〔18〕、〔19〕、〔20〕中，

$N=\frac{1.634\×1.003\×{10}^5\×118.92\×\frac{1.45}{1.45-1}(4.985\frac{1.45-1}{1.45}-1)}{0.77}$

$=525.69\mathrm{KW};$

在V₁＝118.92m³/min时的多变效率η_pj查图得0.77；

$N_{\mathrm{sh}}=\frac{525.69}{0.93\×0.96}=588.68\mathrm{KW};$

P＝1.05×588.68＝618.11≈620KW；

⑧汽轮机的理想功率P_t，汽轮机的内功率P_i，汽轮机的有效功率P_e，汽轮发电机的输出功率P_el的计算：

其计算公式如下：

$P_t=\frac{\mathrm{D\ΔHt}}{3600}---\left(21\right)$

其中：D表示流量t/h；

P_i＝P_t·η_ri----------------〔22〕

其中：η_ri表示汽轮机的相对内效率，η_m取89％；

P_e＝P_i·η_m-----------------〔23〕

其中：η_m表示汽轮机的机械效率，η_m取98％；

P_el＝P_e·η_g----------------〔24〕

其中：η_g表示汽轮发电机效率，η_g取97％；

将已知数值代入式〔21〕、〔22〕、〔23〕、〔24〕中，

$P_t=\frac{13.66\×124.12}{3600}=0.47\mathrm{MW};$

P_i＝0.47×0.89＝0.4183MW；

P_e＝0.4183×0.98＝0.4099MW；

P_el＝0.4099×0.97＝0.3976MW；

以上除流量计算公式是依据气体方程式推导而来，并经验证可用于不同种类的气体流量换算外，其他系借用热力学公式计算；

根据以上数据拟选用的空气压缩机、电动机、磁动力机：空气压缩机的吸入流量V₁为118～120m³/min，排气量V₂为39～40m³/min，工作压力为0.4MP_a，电动机功率为620KW，磁动力机为650～1000KW。

所述的方法步骤所使用的设备，它包括有磁动力机1、电动机2、增速齿轮箱3、空气压缩机4、汽轮机5、减速齿轮箱6、汽轮发电机7，磁动力机1、电动机2、增速齿轮箱3、空气压缩机4依次相连，空气压缩机4设有进气口8、出气口9，并通过导管10、第-调节阀11、第二调节阀12与汽轮机5设有进气口13相连，导管10外设有保温层15，汽轮机5还设有排气口14，汽轮机5、减速齿轮箱6、汽轮发电机7依次相连。

实施例2、参照图1，本发明实施例所提供的这种利用空气发电的工艺方法，它由以下操作步骤组成：

①由磁动力机1提供的动力经电动机2通过增速齿轮箱3增速与空气压缩机4转速相同，磁动力机1可选用申请号为201010582908.X，名称为《一种卧式平转插接分布定子磁动力机》的发明专利产品或专利号为200820077906.3，名称为《气磁力动力装置》的实用新型专利产品；

②工质在空气压缩机4被压缩的过程：在空气压缩机4旋转同时空气经空气压缩机进气口8进入空气压缩机4中，通过压缩使空气由压力P₁＝0.1003MP_a，温度t₁为环境温度，提高到空气压缩机出口压力为P₂，空气压缩机出口温度为T₂，工质焓升Δhc为h₂-h₁，其计算公式如下：

$T_2=T_1{\mathrm{\ϵ}}^{\frac{n-1}{n}}---\left(1\right)$

其中：T₁表示空气进口温度，取决于现场环境温度，取t₁＝20℃，T₁＝20+T，T表示热力学温度，故T₁＝20+273.2＝293.2K，

此总压比需4级压缩，按等压比分配，则

将已知数值代入式〔1〕中，

t₂＝198.26℃；

n表示多变指数，n取1.45，绝热指数K＝1.4；

P₂表示空气压缩机出口压力，P₃表示汽轮机进口压力，P₃≈P₂；

h₁＝C_P T₁----------------〔2〕

其中：h₁表示压缩过程前的工质焓值；

C_P表示空气的比定压热容，C_P＝1.005KJ·Kg^-1·K^-1；

h₂＝C_P T₂----------------〔3〕

其中：h₂表示压缩过程后的工质焓值；

Δhc＝h₂-h₁----------------〔4〕

将已知数值代入式〔2〕、〔3〕、〔4〕中，

h₁＝1.005×293.2＝294.67KJ/Kg；

h₂＝1.005×471.46＝473.82KJ/Kg；

Δhc＝473.82-294.67＝179.15KJ/Kg；

③仅在空气压缩机4的前半部分设有冷却装置，导管10外设有保温层15，经空气压缩机出气口9至汽轮机进气口13间导管10上进行补热，补热温度取决于空气压缩机出气口9的实际温度；

④工质在汽轮机5喷嘴中被膨胀的过程：空气工质通过出气口9、导管10、第一调节阀11、第二调节阀12进入汽轮机进气口13进入汽轮机5中，压力为P₃，工作温度为t₃，经膨胀过程后汽轮机5出口压力降为P₄，出口温度降为t₄，工质焓降Δht为h₃-h₄，由此焓降转变为向外输出的轴功，经膨胀过程后压力为P₄，出口温度为t₄的空气工质自汽轮机排气口14排出，并经减速齿轮箱6带动汽轮发电机7运行发电，因汽轮机5进气的工质参数即为空气压缩机4出口的工质参数，故T₃≈T₂，h₃＝h₂，汽轮机5若选用：规格B6-2.35/0.196，流量D＝53.7t/h，温度t＝250±20℃，其计算公式如下：

T₃＝t₂+Δt+T-------------〔5〕

其中：T₃表示汽轮机进气温度，t₂表示压缩机出口温度，Δt表示汽轮机所须补热温度；

$T_4=T_3{\left(\frac{P_4}{P_3}\right)}^{\frac{K-1}{K}}---\left(6\right)$

h₃＝C_P T₃----------------〔7〕

h₄＝C_P T₄----------------〔8〕

Q_t＝h₄-h₁---------------〔9〕

其中：h₃表示汽轮机的进气焓KJ/Kg，h₄表示汽轮机的排气焓KJ/Kg，Q_t表示排气热KJ；

Δht＝h₃-h₄---------------〔10〕

将已知数值代入式〔7〕、〔8〕、〔9〕、〔10〕中，须补热160℃，则T₃＝198.26+160+273.2＝631.46K；

$T_4=631.46\left(\frac{0.196}{2.154}\right)\frac{1.4-1}{1.4}=316.99K,$ t₄＝43.79℃；

h₃＝1.005×631.46＝634.62KJ/Kg；

h₄＝1.005×316.99＝318.57KJ/Kg；

Q_t＝318.57-294.67＝23.9KJ；

Δht＝634.62-318.57＝316.05KJ/Kg；

⑤空气与蒸汽不同工质间的流量换算：

其计算公式如下：

${\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}=\frac{R_{\mathrm{AIR}}{T}_3}{P_3}---\left(11\right)$

其中：υ_AIR表示空气的比容m³/kg，蒸汽的比容υ_ST可查h-S图而得；

$V_{\mathrm{ST}}=\frac{n_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{ST}}\×{10}^3}{60}---\left(12\right)$

其中：V_ST表示蒸汽的容积流量m³/min；

$V_3=\frac{n_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}\×{10}^3}{60}---\left(13\right)$

其中：V₃表示空气的容积流量m³/min；

$n_{\mathrm{AIR}}=\frac{{60V}_{\mathrm{ST}}\×{10}^{-3}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}}---\left(14\right)$

其中：n_AIR表示空气的重量流量t/h；

⑥空气压缩机的吸入流量V₁与排气量V₂的计算：

其计算公式如下：

${\mathrm{\υ}}_2=\frac{R_{\mathrm{AIR}}{T}_2}{P_2}---\left(15\right)$

$V_2=\frac{{\mathrm{\υ}}_2{V}_{\mathrm{ST}}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{ST}}}---\left(16\right)$

$V_1=\frac{P_2{V}_2{T}_1}{P_1{T}_2}---\left(17\right)$

其中：υ₂表示空气的比容m³/kg；

将已知数值代入式〔11〕、〔12〕、(13)、(14)、(15)、(16)、(17)中，

${\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}=\frac{287.1\×631.46}{21.54\×{10}^5}=0.084m^3/\mathrm{kg};$

υ_ST可查h-S图得0.135m³/kg；

$V_{\mathrm{ST}}=\frac{53.7\×0.135\×{10}^3}{60}=120.83m^3/\min ;$

$V_3=\frac{53.7\×0.084\×{10}^3}{60}=75.18m^3/\min ;$

$n_{\mathrm{AIR}}=\frac{60\×120.83\×{10}^{-3}}{0.084}=86.3t/h;$

${\mathrm{\υ}}_2=\frac{287.1\×471.46}{21.54\×{10}^5}=0.063m^3/\mathrm{kg};$

$V_2=\frac{53.7\×0.063\×{10}^3}{60}=56.39m^3/\min ;$

$V_1=\frac{21.54\×{10}^5\×56.39\×293.2}{1.003\×{10}^5\×471.46}=753.13m^3/\min ;$

⑦空气压缩机的理论功率N，轴功率N_sh，电动机功率P的计算：

其计算公式如下：

$N=\frac{{1.634P}_1{V}_1\frac{n}{n-1}({\mathrm{\ϵ}}^{\frac{n-1}{n}}-1)}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pj}}}---\left(18\right)$

其中：ε表示压比

η_pj表示多变效率可查离心式压缩机的多变效率图而得；

$N_{\mathrm{sh}}=\frac{N}{{\mathrm{\η}}_C{\mathrm{\η}}_m}---\left(19\right)$

P＝1.05 N_sh----------------〔20〕

将已知数值代入式〔18〕、〔19〕、〔20〕中，

$N=\frac{1.634\×1.003\×{10}^5\×753.13\×\frac{1.45}{1.45-1}(4.63\frac{1.45-1}{1.45}-1)}{0.73}$

$=3058.83\mathrm{KW};$

在V₁＝753.13m³/min时的多变效率η_pj＝0.79，

第2～4级的理论功率与第1级相等，故N＝N₁+N₂+N₃+N₄＝12235.32KW；

$N_{\mathrm{sh}}=\frac{12235.32}{0.93\×0.96}=13701.36\mathrm{KW};$

P＝1.05×13701.36＝14386.43KW；

⑧汽轮机的理想功率P_t，汽轮机的内功率P_i，汽轮机的有效功率P_e，汽轮发电机的输出功率P_el的计算：

其计算公式如下：

$P_t=\frac{\mathrm{D\ΔHt}}{3600}---\left(21\right)$

其中：D表示流量t/h；

P_i＝P_t·η_ri----------------〔22〕

其中：η_ri表示汽轮机的相对内效率，η_m取89％；

P_e＝P_i·η_m-----------------〔23)

其中：η_m表示汽轮机的机械效率，η_m取98％；

P_el＝P_e·η_g----------------〔24〕

其中：η_g表示汽轮发电机效率，η_g取97％；

或 $P_{\mathrm{el}}=\frac{\mathrm{D\Δ}{\mathrm{Ht\η}}_{\mathrm{el}}}{3600}---\left(25\right)$

其中：η_el表示汽轮发电机的相对电效率，η_el＝η_riη_mη_g＝0.85；

将已知数值代入式〔21〕、〔22〕、〔23〕、〔24〕、〔25〕中，

$P_t=\frac{86.3\×316.05}{3600}=7.576\mathrm{MW};$

P_i＝7.576×0.89＝6.742MW；

P_e＝6.742×0.98＝6.6MW；

P_el＝6.6×0.97＝6.4MW；

或 $P_{\mathrm{el}}=\frac{86.3\×316.05\×0.85}{3600}=6.439\mathrm{MW};$

以上除流量计算公式是依据气体方程式推导而来，并经验证可用于不同种类的气体流量换算外，其他系借用热力学公式计算；

拟选用的空气压缩机、电动机、磁动力机：空气压缩机的吸入流量V₁为735m³/min，排气量V₂为56～58m³/min，工作压力为2.054MP_a，电动机功率为14380KW，磁动力机为15000KW。

所述的方法步骤所使用的设备，它包括有磁动力机1、电动机2、增速齿轮箱3、空气压缩机4、汽轮机5、减速齿轮箱6、汽轮发电机7，磁动力机1、电动机2、增速齿轮箱3、空气压缩机4依次相连，空气压缩机4设有进气口8、出气口9，并通过导管10、第一调节阀11、第二调节阀12与汽轮机5设有进气口13相连，导管10外设有保温层15，汽轮机5还设有排气口14，汽轮机5、减速齿轮箱6、汽轮发电机7依次相连。

Claims (2)

1.一种利用空气发电的工艺方法，其特征在于：它由以下操作步骤组成：

①由磁动力机(1)提供的动力经电动机(2)通过增速齿轮箱(3)增速与空气压缩机(4)转速相同；

②工质在空气压缩机(4)被压缩的过程：在空气压缩机(4)旋转同时，空气经空气压缩机进气口(8)进入空气压缩机(4)中，通过压缩使空气由压力P₁＝0.1003MP_a，环境温度为t₁，提高到空气压缩机出口压力为P₂，空气压缩机出口温度为T₂，工质焓升Δhc为h₂-h₁，其计算公式如下：

$T_2=T_1{\mathrm{\ϵ}}^{\frac{n-1}{n}}---\left(1\right)$

其中：T₁表示空气进口温度，取决于现场环境温度，取t₁＝20℃，T₁＝20+T，T表示热力学温度，故T₁＝20+273.2＝293.2K，

$\mathrm{\ϵ}=\frac{P_2}{P_1};$

n表示多变指数，n取1.45，绝热指数K＝1.4；

P₂表示空气压缩机出口压力，P₃表示汽轮机进口压力，P₃≈P₂；

h₁＝C_P T₁-----------------〔2〕

其中：h₁表示压缩过程前的工质焓值KJ/Kg；

C_P表示空气的比定压热容，C_P＝1.005KJ·Kg^-1·K^-1；

h₂＝C_P T₂-----------------〔3〕

其中：h₂表示压缩过程后的工质焓值KJ/Kg；

Δhc＝h₂-h₁---------------〔4〕

③仅在空气压缩机(4)的前半部分设有冷却装置，导管(10)外设有保温层(15)，经空气压缩机出气口(9)至汽轮机进气口(13)间导管(10)上进行补热，补热温度取决于空气压缩机出气口(9)的实际温度；

④工质在汽轮机(5)喷嘴中被膨胀的过程：空气工质通过出气口(9)、导管(10)、第一调节阀(11)、第二调节阀(12)进入汽轮机进气口(13)进入汽轮机(5)中，压力为P₃，工作温度为t₃，经膨胀过程后汽轮机(5)出口压力降为P₄，出口温度降为t₄，工质焓降Δht为h₃-h₄，由此焓降转变为向外输出的轴功，经膨胀过程后压力为P₄，出口温度为t₄的空气工质自汽轮机排气口(14)排出，并经减速齿轮箱(6)带动汽轮发电机(7)运行发电，因汽轮机(5)进气的工质参数即为空气压缩机(4)出口的工质参数，故T₃≈T₂，h₃＝h₂，其计算公式如下：

T₃＝t₂+Δt+T-------------〔5〕

其中：T₃表示汽轮机进气温度，t₂表示压缩机出口温度，Δt表示汽轮机所须补热温度；

$T_4=T_3{\left(\frac{P_4}{P_3}\right)}^{\frac{K-1}{K}}---\left(6\right)$

其中：T₃表示汽轮机进气温度

h₃＝C_P T₃----------------〔7〕

h₄＝C_p T₄----------------〔8〕

Q_t＝h₄-h₁---------------〔9〕

其中：h₃表示汽轮机的进气焓KJ/Kg，h₄表示汽轮机的排气焓KJ/Kg，Q_t表示排气热KJ；

Δht＝h₃-h₄---------------〔10〕

⑤空气与蒸汽不同工质间的流量换算：

其计算公式如下：

${\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}=\frac{R_{\mathrm{AIR}}{T}_3}{P_3}---\left(11\right)$

其中：υ_AIR表示空气的比容m³/kg，蒸汽的比容υ_ST可查h-S图而得；

$V_{\mathrm{ST}}=\frac{n_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{ST}}\×{10}^3}{60}---\left(12\right)$

其中：V_ST表示蒸汽的容积流量m³/min；

$V_3=\frac{n_{\mathrm{ST}}{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}\×{10}^3}{60}---\left(13\right)$

其中：V₃表示空气的容积流量m³/min；

$n_{\mathrm{AIR}}=\frac{{60V}_{\mathrm{ST}}\×{10}^{-3}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{AIR}}}---\left(14\right)$

其中：n_AIR表示空气的重量流量t/h；

⑥空气压缩机的吸入流量V₁与排气量V₂的计算：

其计算公式如下：

${\mathrm{\υ}}_2=\frac{R_{\mathrm{AIR}}{T}_2}{P_2}---\left(15\right)$

$V_2=\frac{{\mathrm{\υ}}_2{V}_{\mathrm{ST}}}{{\mathrm{\υ}}_{\mathrm{ST}}}---\left(16\right)$

$V_1=\frac{P_2{V}_2{T}_1}{P_1{T}_2}---\left(17\right)$

其中：υ₂表示空气的比容m³/kg；

⑦空气压缩机的理论功率N，轴功率N_sh，电动机功率P的计算：

其计算公式如下：

$N=\frac{{1.634P}_1{V}_1\frac{n}{n-1}({\mathrm{\ϵ}}^{\frac{n-1}{n}}-1)}{{\mathrm{\η}}_{\mathrm{pj}}}---\left(18\right)$

其中：ε表示压比

η_pj表示多变效率可查离心式压缩机的多变效率图而得；

$N_{\mathrm{sh}}=\frac{N}{{\mathrm{\η}}_C{\mathrm{\η}}_m}---\left(19\right)$

P＝1.05 N_sh----------------〔20〕

⑧汽轮机的理想功率P_t，汽轮机的内功率P_i，汽轮机的有效功率P_e，汽轮发电机的输出功率P_el的计算：

其计算公式如下：

$P_t=\frac{\mathrm{D\ΔHt}}{3600}---\left(21\right)$

其中：D表示流量t/h；

P_i＝P_t·η_ri----------------〔22〕

其中：η_ri表示汽轮机的相对内效率，η_m取89％；

P_e＝P_i·η_m-----------------〔23〕

其中：η_m表示汽轮机的机械效率，η_m取98％；

P_el＝P_e·η_g----------------〔24〕

其中：η_g表示汽轮发电机效率，η_g取97％；

或 $P_{\mathrm{el}}=\frac{\mathrm{D\ΔHt}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{el}}}{3600}---\left(25\right)$

其中：η_el表示汽轮发电机的相对电效率，η_el＝η_riη_mη_g＝0.85。

2.根椐权利要求1所述的方法步骤所使用的设备，其特征在于：它包括有磁动力机(1)、电动机(2)、增速齿轮箱(3)、空气压缩机(4)、汽轮机(5)、减速齿轮箱(6)、汽轮发电机(7)，磁动力机(1)、电动机(2)、增速齿轮箱(3)、空气压缩机(4)依次相连，空气压缩机(4)设有进气口(8)、出气口(9)，并通过导管(10)、第一调节阀(11)、第二调节阀(12)与汽轮机(5)设有进气口(13)相连，导管(10)外设有保温层(15)，汽轮机(5)还设有排气口(14)，汽轮机(5)、减速齿轮箱(6)、汽轮发电机(7)依次相连。

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