本发明涉及一种外燃联合循环燃气轮机系统，该系统有时也被称为EFGT系统。 多年来已有关于外燃燃气轮机/联合循环系统的文字描述。在这种系统中包括：一个用于压缩环境空气的压缩机;一个间接接触式热交换器，在该交换器中如燃气和/或燃料蒸汽（以后称为可燃气体）等可燃产物燃烧，以加热压缩空气;和一个涡轮，在该涡轮中被加热的压缩空气进行膨胀，以驱动产生电力的一个发电机。涡轮排气中所含的热量用来使水蒸发，在一个独立的、水基的闭式的朗肯循环动力装置中水被转换成蒸汽，在动力装置的蒸汽透平中膨胀的蒸汽被用来驱动一个可产生附加电力的发电装置。
EFGT系统被认为是除了使用热的气态燃料外，还可采用低热量的、不纯净的气态燃料。由于在EFGT系统燃烧期间会产生尘埃和有毒气体，所以这种系统很难使用固体燃料。为此本发明的目的是提供一种新的、改进型的外部能量燃气轮机系统，如外燃联合循环燃气轮机系统，该系统可以使用固体燃料，但又不易在联合循环燃气轮机地燃料燃烧过程中产生各种问题。
本发明的如外燃燃气轮机系统的外部供能的燃气轮机包括有：一个用于压缩环境空气并产生压缩空气的压缩机，一个用于加热上述压缩空气以产生热的压缩空气的空气热交换器，一个用于膨胀上述热的压缩空气以产生膨胀空气的涡轮，和一个与上述涡轮相联用以产生电力的发电机。在本发明中，该系统最好还包括：所谓的“可燃产物产生装置”，用于处理燃料，以产生以后被称为“可燃气体的”燃气和/或燃料蒸汽;和一个外燃烧室，以燃烧可燃气体，同时将热量通过空气热交换器传递给压缩空气流，并产生释放出热量的燃烧产物。该系统最好还包括有一个带有水热交换器的闭式朗肯循环的蒸汽动力装置，用以使水蒸发并利用气态的释放热量的燃烧产物产生蒸汽。动力装置还包括：一个用以膨胀上述蒸汽并产生动力的蒸汽透平，膨胀蒸汽由此排出;和一个冷凝器，用以冷凝上述膨胀蒸汽并产生冷凝液，所述的冷凝液又被送回到水热交换器中。
在本发明的一个实施例中，水热交换器包括：一个由所述的膨胀空气加热的预热装置，用于加热所述的冷凝液并产生预热的水;和一个由所述释放热量的燃烧产物加热的蒸发器，用于蒸发所述的预热水以产生用于动力装置的透平的蒸汽。
在本发明的另一实施例中，燃烧产物处理装置包括一个用于处理油页岩和产生可燃气体和含碳的残余物的燃烧产物的热解器;一个用于燃烧残留在含碳残余物中的有机物质并产生热的废气和热颗粒状尘埃的空气炉。该装置中还设有将热的尘埃送回到热解器中的装置，在这种情况下，热解器产生的可燃气体和空气炉产生的热的废气与固体颗粒物质一起构成了可燃产物产生装置处理油页岩时产生的燃烧产物。
在本发明再一实施例中，水热交换器包括一个由废气加热的过热器，用以使蒸发器产生的蒸汽过热。在本发明另一实施例中，水热交换器包括：一个由释放热量的燃烧产物和膨胀空气同时加热的预热器，膨胀空气是用来加热冷凝液，以产生预热水的;和一个由废气加热的蒸发器，用以蒸发预热的水。
在本发明的还一个实施例中，水热交换器包括一个由释放热量的燃烧产物和膨胀空气同时加热的蒸发器，用以将冷凝液转换为蒸汽。在这种情况下，可以采用一个第二水基闭环朗肯循环动力装置。该第二动力装置具有：一个第二水热交换器，用于以燃气产生装置产生的废气中的热量使水蒸发并产生蒸汽;和一个第二蒸汽透平，用以使蒸汽膨胀，并产生动力和膨胀蒸汽。第二动力装置还包括一个第二蒸汽冷凝器，以使排出蒸汽透平的膨胀蒸汽冷凝，并产生可返回到第二水热交换器中的冷凝液。
在本发明的其它一个实施例中，释放热量的燃烧产物和膨胀空气加热有机流体蒸发器中的有机流体，以产生带动有机蒸汽透平工作的有机蒸汽。在这种情况下，可燃产物产生装置产生的废气对水热交换器的水进行加热，以便使水蒸发并产生带动蒸汽透平工作的蒸汽。
将有机蒸汽送入有机蒸汽透平中可用来产生动力。膨胀的有机蒸汽从有机蒸汽透平中排出，并送入到一个冷凝器中，以产生有机冷凝液。水热交换器所产生的蒸汽被送入到蒸汽透平中，用来产生动力。从蒸汽透平中排出的膨胀蒸汽送入到蒸汽冷凝器中，以产生蒸汽冷凝液。在该实施例中，送入到蒸汽冷凝器中的膨胀蒸汽是由有机流体冷凝液冷却的，形成的蒸汽冷凝液被送入到水热交换器中。这样，送入蒸汽冷凝器中的有机冷凝液便被预热，然后被送入到有机流体蒸发器中。在本实施例中也包括一个第二朗肯循环有机动力装置，在该装置中有机流体由与燃气轮机的空气压缩机相联的中间冷却器所吸收的热量加热蒸发。在上述第二朗肯循环有机动力装置中，中间冷却器的冷却所形成的有机蒸汽被送入到第二有机蒸汽透平中，用来产生动力。从第二有机蒸汽透平中排出的膨胀有机蒸汽被送入到一个冷凝器中，以便产生有机流体冷凝液，该冷凝液则又由一个循环泵送回到中间冷却器中。
在本发明的再另一个实施例中，所述的能量源包括：固体燃料，或燃烧的固体和液体或气体燃料，或甚至是太阳能，还设有可根据用电负荷迅速改变液体或气体燃料燃烧速率的装置。这样便可使具有与空气热交换器相关的大的热量的系统迅速响应用电负荷的变化。因此，该系统能和可用于电高峰目的的传统的燃气轮机基本一样的工作。
另一种使本发明的系统可迅速响应用电负荷变化的方法是根据用电负荷的变化迅速少量改变通过该系统的空气质量比流量，和/或根据电负荷改变压缩比，并大大改变其效率。具体来说，如可通过改变压缩机中可调叶片的空间位置（角度）和/或使少量空气流出压缩机使负荷减少来改变压缩机的特性。选择叶片角度来降低压缩比，从而降低效率，且该叶片的位置是由驱动与叶片相联的负荷控制装置来操作的。当热交换器达到新的热稳定状态时，叶片角度便被重新调整，以产生适应新的负荷值的最佳效率。
下面将参照附图以对本发明的实施例进行描述，其中：
图1是本发明的一个框图，图中表示了可燃产物产生装置的一个较好形式和水热交换器的一个实施例，该热交换器是水基封闭朗肯循环动力装置的一部分;
图1A是用于图1所示动力装置的改进的蒸汽冷凝器;
图2是本发明的水热交换器的另一实施例的框图;
图3是本发明的水热交换器的再一实施例的框图;
图4是本发明的水加热器的另一实施例的框图;
图5是本发明的水加热器的再一实施例的框图;
图5A和图5B是图5所示的压缩机-涡轮结构的一种改进;
图6是本发明另一实施例的框图;
图7是本发明再一实施例的框图;
图8是本发明另一实施例的框图;
图9是一个动力装置的框图，该动力装置中使用了本发明的另一实施例;
图9A是一种用于图9所示动力装置中的有机蒸汽透平的一个实施例;
图10表示了本发明空气热交换器或外燃烧室的实施例;
图11表示了一种传统的燃气轮机系统，用以说明该系统的输出能量可以根据用电负荷的变化迅速改变;
图12为一系统的示意图，在该系统中具有一个本发明的大热容的热交换器，该图表示了为改进系统的响应时间，以便根据感应到的负荷值控制压缩机和/或涡轮的效率，和/或控制供入热交换器的液体或气体碳氢燃料;
图13A为一示意框图，说明根据感应到负荷值对转子和定子的叶片的角度位置进行控制，用以控制压缩机的效率;
图13B为一示意框图，说明根据感应到负荷值对从压缩机中抽的的空气量进行控制，用以控制压缩机的效率;
图14示意性地表示了可转动机械如涡轮或压缩机的叶片的角度位置的转换，用以迅速改变可转动机械的效率;
图15示意性地表示了用以对空气热交换器中的压缩空气进行加热和产生热的、从空气热交换器中排出的气体的能量源，所述的能量源包括：太阳能，油页岩，固体废物燃料，地下气体、生物体或其结合物，和/或固态、液态或气态的碳氢燃料，
图16示意性地表示了用于加热由压缩机压缩的空气的太阳能集热器的结构。
现参照附图进行说明，标号10表示本发明的外燃联合循环燃气轮机系统。系统10包括：可燃产物产生装置16（以后称为燃气产生装置），外燃烧室12，燃气轮机系统15和水基的朗肯循环动力装置36。燃气轮机系统15包括：用以压缩环境空气和产生压缩气体的压缩机11，可加热压缩气体从而产生热压缩气的间接式空气热交换器30和直接与压缩11和发电机14相连并由此驱动的空气涡轮13。热的压缩空气在涡轮13中膨胀从而驱动发电机转动产生电力。膨胀的气体通过排气道13A从涡轮中排出。涡轮15的这些部件与传统形式的涡轮相同，在此不再赘述。
燃气产生装置16将燃料进行处理，在管路18中产生可燃气体、在管路19产生热的废气。在本发明的一个实施例中，燃气产生装置包括热解器20，该热解器接收来自干燥器21的经破碎的油页岩，并在管路18中产生可燃气体，在管22中产生含碳废料。装置16也包括用于燃烧的空气炉23，在有过量空气的情况下，该炉可以燃烧位于由热解器所产生的含碳废料中的残余有机物。空气炉23的出口端产生出热的颗粒或尘埃和热的废气的混合物，该混合物随后被送到分离器24中。分离器24将热尘中的废气分离出来，并把其中较细小的部分通过管道25送到热解器20中，以维持其工作循环，热尘中较粗大的部分则被排出。热的废气与残留在废气中的较细的尘粒一起通过管路19送入干燥器21中，以便在油页岩进入热解器之前先进行干燥处理。管路19中加有热气和残余的颗粒尘埃。
另外，热的燃气和小粒的尘埃，或其它仍残留在废气中的物质，首先可以被送入到热交换器26中，用以从中吸收热量，并加热如工作流体等。在这种情况下，被加热或预热的工作流体可以被供入到一个作为锅炉44的热水器或其它锅炉中，所述的其它锅炉可以采用废热锅炉，该锅炉可以使用如类似锅炉52所用的有机流体，或采用有机涡轮48的一种适用的锅炉。还有一种结构是：热的废气中的一部分和残余的小粒尘埃或物质可以被直接送入到干燥管21中。热的废气中的另一部分和残余的小粒尘埃及物质一起首先被送到热交换器26中，再被送入干燥器21中。
在图1中所示的实施例中，由热解器20所产生的可燃烧气体进入到带有空气热交换器30的外燃烧室12中。外燃烧室中通常含有过量的空气，可燃气体在外燃烧室中燃烧，由此产生的热量经空气热交换器传给压缩空气，这些压缩空气是在热空气送入空气涡轮13之前由压缩机11压缩的。燃烧产物放出的热量通过管路32排出外燃室12，管路32将燃烧产物送入闭环朗肯循环的蒸汽动力装置36的水热交换器34中。水热交换器34利用存在于废热燃烧产物中的热量使水份蒸发并产生蒸汽。
动力装置36包括一个透平38，该透平可以使水热交换器34所产生的蒸汽膨胀，并驱动与透平相联的发电机39。透平38放出的废热蒸汽送入由空气冷却的冷凝器40中（如图1所示），蒸汽在此处被冷凝成冷凝液后由泵41打回到水热交换器中，从而完成动力装置中水的循环。
在图1所示的实施例中，水热交换器34具有一个预热器42，该预热器由涡轮13的排气管13A中所带的膨胀空气中的热来进行加热的。水热交换器也具有一个锅炉44（和可有选择地与之相联的过热器），该锅炉可以使由预热器供给的预热水蒸发（和有选择地过热）。锅炉44由管路32中输送的外燃烧室12所产生的燃烧产物的热来加热。
除了使用空气冷却的蒸汽冷凝器40外，还可以选用图1A所示的结构。具体来说，图1A表示了蒸汽冷凝器40A，该冷凝器具有间接式热交换器46，该热交换器中含有有机流体（根据运行工况的不同可选用如n-戊烷或异戊烷等），这种有机流体在冷凝器中蒸发为汽态，以冷却管路47中产生的蒸发的有机流体。蒸发的有机流体被送入有机蒸汽透平48中，在该透平中蒸汽流体膨胀，驱动发电机49产生电力。该透平膨胀的有机蒸汽送入（如图示为空气冷却的）冷凝器50中，蒸汽在此被冷却，产生的冷凝的有机流体由泵50打回到冷凝器46中。
或者，部分送入外燃室12中的燃烧空气也可以由燃气涡轮13来提供，如图1虚线所示。此外，还可以选用图1虚线所示的除尘分离器，以便将小的颗粒从干燥器21所产生的干热的油页岩中分离出来。
另外（或与上述结构同时采用），采用适当的过滤介质如分粒器装置，可以将细小的颗粒和/或尘埃排出。
在图1所示的另一种方案中，燃气产生装置分离器24所产生的部分或全部废气可以用来产生电力。如果使用了所有的废气，那么就不必使用干燥器21，原料油可直接供入热解器中。
具体来说，分离器24所产生的废气可以在排入大气以前供入间接式热交换器52中。热交换器52中含有有机流体，该有机流体可蒸发并供入有机透平53中，在有机透平53中有机流体膨胀产生膨胀的有机蒸汽，并驱动发电机54产生电力。从透平53中排出的膨胀蒸汽在空气冷凝器55中冷凝，冷凝后的有机流体由泵56打回到热交换器52中。
在本发明的另一实施例中，如有必要残留在离开锅炉44的外燃烧室12所产生的燃烧产物中的热也可以得到利用，如用有机朗肯循环动力装置来产生电力。此外，残留在带有预热器42的涡轮13排出的膨胀空气中热量也可以以有机朗肯循动力装置得以利用以产生电力。还有在必要时，残留在离开预热器42的涡轮13排出的膨胀空气中热量也可以以有机朗肯循动力装置、按图1A所示的结构得以利用，用以蒸发蒸发器中的有机工作流体，所述的蒸发器中具有供给透平48的蒸汽。在这种情况下，蒸汽冷凝器46可以当作预热器来使用，以产生预热的供给蒸发器的有机冷凝流体，所述的冷凝器中还输入从预热器42中的排出的膨胀空气。
在图2所示的结构36A中，水热交换器34A包括：预热器60、蒸发器61和过热器62。从空气炉23中排出的废气经管路19A送入水热交换器的过热器62中，外燃烧室12产生的燃烧产物的排热经管路18A送到蒸发器61中。从涡轮13中排出的膨胀空气则经由管路13A送至预热器60中。
在操作过程中，预热器60中的水由涡轮13排出的空气的排热进行加热，这些预热后的水通过与管路18A中的燃烧产物的排热间接接触的方式在蒸发器61中蒸发。蒸发器61所产生的蒸汽在过热器62中由与管路19A相连的分离器24中所产生的废气的热量进行过热处理。所产生的过热蒸汽送入蒸汽透平38A中，蒸汽在该透平中膨胀，并产生膨胀蒸汽，随后膨胀蒸汽送至含的有机流体的冷凝器40B中。由冷凝器40B所产生的冷凝液送到除气器66中，蒸汽透平38A中间级所流出的蒸汽也送到该除气器66中。在除气器66分离出的蒸汽中的不冷凝的气体被排出。在除气器66的存液槽中冷凝液由泵68打回到预热器64中，以便完成动力装置中水的循环。
如图2所示，在冷凝器40B中的有机流体在透平38排出的蒸汽冷凝的同时蒸发，蒸发的有机流体送入与发电机49A相送的有机蒸汽透平48A中。在有机透平中有机蒸汽膨胀，从而导致发电机产生电力。膨胀的有机蒸汽从透平中排出，并送入空气冷却的冷凝器50A中，在此蒸汽冷凝成为液体。如此冷凝的液体由泵51A打回到冷凝器40B中，以便完成有机流体的循环。
在该实施例中，如有必要离开蒸发器61的外燃烧室12所产生的燃烧产物的残余热量如可以用来以有机朗肯循环动力装置产生电力。此外，从离开预热器60的涡轮13排出的膨胀空气中残余热量如也可以用来以有机朗肯循环动力装置产生电力。还有，离开预热器60的涡轮13排出的膨胀空气中残余热量也可以用来蒸发蒸发器中的有机工作流体，所述的蒸发器中含有供入透平48A的蒸汽。这种可供选择的结构在图2中以虚线表示。在这种情况下，冷凝器40B可以当作一个预热器来使用，用以产生供给蒸发器的预热有机冷凝流体。
在图3所示的结构36B中，水热交换器34B包括预热器60B和蒸发器61B。在本发明的这个实施例中，在外燃烧室12输出端的管路18A中的热的排出燃烧产物与涡轮13的排气管路13A中的膨胀空气相结合，并送入预热器60B中，以便预热供入蒸发器61B中的水。来自管路19A中的燃烧器空气炉中的废气送入蒸发器60B，以便产生供给透平38A的蒸汽，其方式如图2所示。从蒸发器中排出的冷却的废气可在分离器中进行处理，以便在其排入大气之前，从废气中去除尘埃。
在该实施中，如有必要外燃烧室12所产生的热的排出燃烧产物和离开预热器60B的涡轮13排出的膨胀空气的混合流中的热量如也可以用来以有机朗肯循环动力装置产生电力。还有，离开预热器60B中的混合流中的热量也可以用来蒸发蒸发器中的有机工作流体，所述的蒸发器中含有供入透平48B的蒸汽。在这种情况下，冷凝器40C可以当作一个预热器来使用，用以产生供给蒸发器的预热有机冷凝流体。
在图4中所示的结构36C中，水热交换器34C只包括蒸发器61C，该蒸发器以与图3中加热预热器60B相似的方式进行加热。这也就是说，从外燃烧室12的管路18A排出的热的燃烧产物与位于与涡轮13相结合的排气管路13A中的膨胀空气相混合，这股混合汽被送入蒸发器61C中，以便蒸发蒸发器中所含的水。具体来说，设置蒸发器是用来使水的温度从蒸汽冷凝器的温度升高到无设置专门的预热器蒸汽的温度。蒸发器61C产生的蒸汽供入蒸汽透平38C中，蒸汽在此膨胀，成为膨胀蒸汽，膨胀蒸汽由在空气冷凝器40C中冷凝。形成的冷凝液由泵41C打回到冷凝器61C中。
在本发明的结构36C中，管路19A中的废气送至一个带有蒸发器61D的独立的第二水加热器34D中。蒸发器61D中的水蒸发并送至蒸汽透平38D中，在该蒸汽透平中蒸汽膨胀，形成膨胀蒸汽，随后膨胀蒸汽被送至冷凝器40D中，其方式与图2相同。
在该实施例中，如有必要外燃烧室12所产生的热的排出燃烧产物和蒸发器61C的透平13排出的膨胀空气的混合流中的热量可以如用来以有机朗肯循环动力装置产生电力。还有，离开蒸发器61C中的混合流中的热量也可以用来蒸发蒸发器中的有机工作流体，所述的蒸发器中含有供入透平48B的蒸汽。在这种情况下，冷凝器40C可以当作一个预热器来使用，用以产生供给蒸发器的预热有机冷凝流体。
在图5所示的结构36D中，水热交换器34E包括预热器60E和蒸发器61E。在该实施例中，来自外燃烧室12的热的排出燃烧产物经管路18A供给预热器60E，来自空气炉的废气经管路19A供给蒸发61E，以使供给预热器60E的预热水蒸发。蒸发器61E所产生的蒸汽供入蒸汽透平38E，其方式与图相同。
在图5所示的实施例中，管路13A中的由涡轮13所产生的膨胀空气又送回到外燃烧室12中，以提供外燃烧室燃烧所需要的全部或部分空气。
在该实施例中，如有必要离开预热器60E的外燃烧室12所产生的热的排出燃烧产物中的热量也可以如用来以有机朗肯循环动力装置产生电力。还有，离开预热器60E中流体的热量也可以用来蒸发蒸发器中的有机工作流体，所述的蒸发器中含有供入下游透平的蒸汽。在这种情况下，与蒸汽透平38E相联的冷凝器可以当作一个预热器来使用，用以产生供给蒸发器的预热有机冷凝流体，所述蒸发器的热量来自预热器60E。
图5所示的压缩机-涡轮的改进结构如图5A和图5B所示。在图5A中，压缩机70表示图5中的压缩机，并分成高压级和低压级。一个中间冷却器、空气冷却的冷凝器和循环泵进行中间冷却，放出的热量送入带有有机蒸汽透平的有机朗肯循环动力装置71的蒸发器中。
如图5B所示，中间冷却器72将压缩机高压级产生的压缩空气中的热量吸出，并将该热量供给环境空气，而这部分环境空气则可以供给图5所示的热交换器12。采用这种结构可将热的、过量的空气供给热交换器。
图6所示之结构与图4所示的结构36C相似，只是省去了由冷凝器40提供热量的有机透平，而设置了用于压缩机的中间冷却级。具体来说，图6所示的方案36F包括蒸发器61F，可以由涡轮30所产生的排气和外燃烧室12热的排出燃烧产物进行加热，并使预热的有机液体蒸发，且最好是过热。由此产生的过热有机流体供给有机蒸汽透平75，该透平驱动一个发电机。从透平75排出的膨胀的有机蒸汽在冷凝器76（可以空气冷却的）中冷凝。冷凝液随后被泵入到冷凝器/预热器40F中，在该冷凝器/预热器中从蒸汽透平38D排出的蒸汽被冷凝，而冷凝器76产生的有机冷凝液被预热。然后经预热的有机液体被泵回到蒸发器/过热器34F中，以完成有机流体的循环。最后，与压缩机11相联的中间级冷却器是与图5A所示系统相似的第二有机流体朗肯循环动力装置的一部分。
在动力装置80中，在中间级冷却器77中从燃气轮机压缩机11吸收的热量使有机流体蒸发。中间冷却器77产生的有机蒸汽供给同样用于产生动力的第二有机蒸汽透平78。从透平78排出的膨胀的有机蒸汽被供入到空气冷却的冷凝器79中，以便产生有机流体冷凝液。冷凝的有机流体由循环泵82打回到燃气透平中间冷却器77中，以完成该动力循环。
在包括图5A和图5B的图2至6中，所示的来自空气炉23的废气经管路19A供给水蒸发器。上述的废气中可以包括分离器24所产生的全部废气和残留的细水颗粒尘埃或其它物质。在这种情况下，可以不采用干燥器21，油页岩原料可直接供入到热解器中。或者，管路19A中的废气也可以只包括分离器24所产生的部分废气和残留的细小颗粒尘埃或分离器所产生的其它物质。此时，废气中残留部分以图1所示的方式供入干燥器21中。
此外，当油页岩热解时，热解油页岩的气体产生和其它产物利用方式如上所述，它可以作为燃气轮机和联合循环动力装置的能源，其它燃料和热源或能源在本发明中也可得到利用。例如，太阳能、煤直接燃烧或煤的气化产物、燃油、重油燃料、地下气体或生物等也可用作燃气轮机和联合循环动力装置的能源。
另外，下述的燃料也可作为燃气轮机和联合循环动力装置的能源：油页岩或其它材料，与如富含硫的燃料燃烧，或是如美国专利申请07/683690、07/835358、07/834790、07/834871、08/034887和08/078502（其说明书和其后续申请的说明在此仅供参考）所述的其它燃料。此外，还可以用除热解以外（如用油页岩的气化产生的气体）的其它装置燃烧油页岩、带有其它物质的油页岩（如富含硫的物质燃料等）。在另一实施例中，油页岩或含有如燃料的油页岩可以在一个如图7和8所示的流化床中燃烧。
在图7所示的结构36H中采用了一个外燃烧室12A，在该外燃烧室中，如图中所示的固体废料或其它能源在空气中燃烧，或用透平发电机单元15A所产生的压缩空气来间接加热。如有必要，还可采用一个流化床燃烧器，或可以采用热解油页岩或含有其它物质（如富含硫的燃料，或如上所述专利申请中提及的其它燃料）的油页岩中得到的可燃烧产物。燃烧室12A得到的燃烧产物施加到热交换器44A中，用于对水进行间接式加热，产生的蒸汽送入蒸汽透平38中，驱动发电机39。得到的冷却后的燃气通过烟道（图中未示）被排出。如有可能，这些燃气适于用来运行一个如有机朗肯循环动力装置的余热转换器。
透平38中排出的废汽在冷凝器46A中冷凝，在该冷凝器中，有机液体是间接接触和被蒸发的。蒸发的有机流体送入驱动发电机发电的有机蒸汽透平75A中，离开透平75A中膨胀的有机蒸汽最好是在空气冷却冷凝器中冷凝，随后有机液体被泵回到蒸汽冷凝器46A中，以完成有机流体有循环。
第二朗肯循环有机流体动力装置80A也是本实施例的一部分。在动力装置80A中，从燃气轮机压缩机11中吸收的热量在中间冷却器77A处使有机流体蒸发。中间冷却器77A所产生的有机蒸汽送入到第二有机蒸汽透平78A中，也用于产生动力。离开透平78A的膨胀的有机蒸汽送入到空气冷却的冷凝器76A中，使有机流体冷凝。有机流体冷凝液由循环泵82A送回到燃气轮机中间冷却器77A中，以完成该动力循环。
在图8所示的结构36I中，透平发电机100是一种传统形式的燃气轮机，在其基本结构中，涡轮101驱动发电机102和带有低压级LP和高压级HP的压缩机103。中间级冷却器104将低压压缩机产生的空气中热量吸出并蒸发有机流体。离开中间级冷却器的冷却空气由压缩机的高压级进一步压缩，然后送入燃烧器105，在此燃料燃烧，产生供给燃气涡轮101的热的燃烧气体，从该涡轮排出的热的燃气被引入到外燃烧室106，在该燃烧室中例如废弃固态燃料被燃烧产生热的燃烧产物。或者也可采用其它能源，如：太阳能、生物、油页岩、含有其它物质（如富含硫有物质）的油页岩或由下述物质热解所产生的可燃产物，如油页岩或含有其它物质的其它材料，该物质可以是富含硫的燃料，或是如上述专利申请所提及的燃料。当然，选用的能源不仅限于此。如有可能，选用一个流化床燃烧器也是较好的。此外，其它能源如图7和8中列出的能源也是可以利用的。
热的燃烧产物中的热量被间接地传送给由透平发电机108的压缩机107产生的压缩空气，所述的透平发电机的基本结构为一种空气涡轮机。压缩机107包括产生压缩空气的低压级LP，压缩空气在中间冷却器109中得到冷却，中间冷却器则用来蒸发有机流体。
离开中间冷却级109中的冷却空气由压缩机的高压级进一步压缩，然后供入到外燃室106中，在外燃烧室中由压缩机107的高压级产生的高压空气被间接加热，并送到驱动发电机111的空气涡轮110中。燃烧室106产生的燃烧产物供入与水间接接触的热交换器44B中，从而产生可供给驱动发电机39的蒸汽透平38的蒸汽。得到的冷却的燃气由烟道（图中未示）排出。如有可能，该燃气还可用来运行如有机朗肯循环动力装置的余热转换器。最后由离开蒸汽透平38的冷凝的膨胀蒸汽在热交换器116中产生的蒸汽冷凝液被泵回到汽化器44B中，同时这完成了水的循环。
由中间冷却器104和109产生的蒸发的有机流体供给驱动发电机113的第一有机蒸汽透平112。从透平112中排出的膨胀的有机蒸汽在冷凝器114被冷凝（最好是空气冷却）。得到的冷凝液又被泵回到两个中间冷却器104和109，以完成第一有机流体循环。
从空气涡轮110中排出的空气被送入到热交换器115，使被蒸汽冷凝器116预热过的有机液体蒸发，在该冷凝器中蒸汽透平38排出的蒸汽被冷凝。热交换器115中产生的蒸发的有机流体送入驱动发电机118的第二有机蒸汽透平117。来自透平117的膨胀的有机蒸汽被冷凝（最好是空气冷却），且泵回到热交换器116中，以完成第二有机流体的循环。
此外，由于在本发明中所用的燃气涡轮是由热空气操纵的，这些热空气是供给燃气涡轮的进口而不直接与燃料和燃烧产物接触，所以可以并且最好采用气动的燃气涡轮。
在图5A、图6、图7和图8所示的结构中采用了一个独立的有机流体动力循环，以利用从与燃气涡轮相联的压缩机中间冷却器中吸收的热量。当然最好可采用如图9所示的单一的双压有机动力循环。在这种情况下，如图所示可采用一个单独的空气冷却的有机冷凝器。如图所示，由蒸汽透平138、低压有机流体透平112A和高压有机流体透平117A驱动的一个发电机137也可用来发电。另外，还可采用一个单独的发电机。
另外如有可能，还可不采用单独的低压有机流体透平117A和高压有机流体透平112A，而是如图9A所示，在有机蒸汽透平的中间级处加入低压有机流体，高压有机流体从中间冷却器104A送入该透平的中间级。阀120由感应离开冷凝器冷凝侧流体温度的温度传感器122控制。这样，阀120的操作可以确保有足够的有机冷凝流体由供给泵124供入到冷凝器116A中，从而使冷凝器中冷凝汽侧流体的温度能够不断冷凝蒸汽。
另外，可以不采用与低压有机蒸汽透平相联的蒸汽透平128，而采用一个单独的有机朗肯循环透平，用燃气轮机131的排气运行，且该燃气轮机上还设有空冷或水冷的冷却器。还有另一种形式是如图9所示实施例，用两个独立的有机蒸汽冷凝器替代一个单独的冷凝器114，这样就可以允许存在两个独立的朗肯动力循环。
再者，即使在上述采用外燃烧室的本发明结构中，在如下情况时本实施例结构的系统也具有很大的优点，即当燃气轮机和蒸汽透平一起用在一个联合循环动力装置中，其中的燃气轮机是非外燃的，而是由如天然气等的气体或如煤油等其它燃料在燃气轮机的燃烧室105中燃烧，以直接加热燃气轮机130的压缩机103A排出的压缩空气（参见图9）。
还有即使燃气轮机只是在用电高峰才用来发电而不联合循环动力装置一部分，选择利用从原理与图9所示相似的燃气轮机的中间冷却器所吸收的热量的有机朗肯循环动力装置也具有很大的优点。因此，根据本发明的另一实施例（图9虚线区域内所示的构件），可选择利用燃气轮机的中间冷却器所吸收的热量的有机朗肯循环动力装置，以与图9中一部分所示的燃气透平相似的方式产生动力。在本实施例中，燃气轮机的燃烧室还可以是外燃烧室，或是以如天然气等气体或如煤油等其它燃料来直接加热离开燃气轮机压缩机的压缩气体。
此外，当本发明采用油页岩或固体燃料（物质）时，在发明中，其供给率是由动力装置的参数控制的，如外燃烧室的排出的温度。这个温度可以由如图1所示位于外燃烧室出口处的温度传感器31来测量。
在本发明另一实施例中，外燃烧室或空气热交换器12、12A，106或105A可以是如图10中120所示的陶瓷热交换器。此外，图10所示的过滤装置122可以是一个陶瓷过滤器，如它是一个位于管路18或其它管路上向外燃烧室或空气热交换器供给“可燃气体”的带有陶瓷管的渣网。过滤装置122可以用来过滤如尘埃等固体颗粒，以便减少或基本消除进入外燃烧室或空气热交换器12、12A，106和105A中的固体颗粒量。带有陶瓷管或传热元件的陶瓷热交换器的使用可使热交换器或燃烧室中的温度较高，这样燃气轮机的工作效率也较高，并降低或减少了导致热交换器或燃烧室损坏的烧蚀或其它的因素，这些不良的影响会使成本增加，维修频繁且动力装置使用时间减少。此外，带有陶瓷元件的过滤器的使用还可以使供给外燃烧室的燃气、蒸汽或其它物质的温度升高，并保护了空气热交换器或外燃烧室。
另外，在本发明几乎所有的实施例中包括了一个联合循环动力装置（即包括燃气轮机、蒸汽透平或其它透平，或由燃气轮机的排气带动的透平的动力装置），同时，本发明还特别包括了一个由外部能量带动的燃气轮机，如由一个如采用油页岩、或其它燃料、或各种组合燃料的、或上述的其它各种能源的外燃烧室供给能量。此外，本发明还可以包括一个由这样的燃烧室驱动的气体透平：在该燃料室中，如天然气、煤油等燃料直接加热排出压缩机的压缩空气。
在图11中标号200所示的传统形式的燃气轮机中，内燃热源202中具有燃烧室，其中的燃料由燃料源204提供，该燃料源通过阀206与燃料室相联，阀206测定供入燃料室的燃料量。控制阀206根据传感器208的信号，控制输出的电量。由于该系统的热惯量较小（因为压缩机210和透平212之间燃烧室的尺寸有限，及所含的空气和气体量较少），所以透平的响应非常快。例如，若电负荷减小，且动力输出也已被减小，则供应量减少的燃料能迅速降低动力，且不会导致透平超速。
在如上述及图12所示的外燃烧系统220中，位于压缩机224和涡轮226之间的热交换器222较大，且热容较大，在造成其大热容的各项因素中，构成该热交换器的金属的质量是原因之一。此外，压缩机的最后一级与第一膨胀级之间大量的热空气也是形成大热容的一个原因。还有，如前述的流化床等一些设想的加热系统具有更高的热惯性。
由于外燃系统具有高的固有的热惯性，所以它们不利于在用电高峰使用，它们几乎一直被用作发电的基本设施。切断供给采用外燃系统的透平或压缩机的空气，可以迅速控制输出的电量，但是同时也会停止或减少外热交换器内的空气流量，且使之过热，从而可能造成热交换器的损坏。
本发明的装置与热惯性高的外燃烧系统一起使用，并利用该系统中燃气轮机一半到三分之二输出能量来驱动压缩机。这样压缩机及由此引起的涡轮效率的降低可以达到流体中过多的能量被迅速吸收的效果，且避免了涡轮机超速的危险。同时，由于少量改变了流过热交换器的流质，过热所导致的传热面的损坏也得以避免。
本发明还包括用不同的设备来降低效率的装置，如：设置在压缩机和涡轮临界点之间的小的内部旁通通路，略微减小流量，如采用可以扰乱流形的小阀门，以降低效率。另外还可以采用现有的用于压缩机上的调整叶片，用以在部分负荷下保持其效率，和在不减少流量的情况下降低效率。所有这些装置必须使用，以避免压缩机气流分离。
图13A示意性地表示了一根据电负荷的改变迅速降低压缩机效率的方法。如图所示，压缩机230上可带有可调叶片，该叶片的位置由叶片控制装置232确定，叶片控制装置接受来自检测电负荷的传感器的信号。当传感器（图中未示）检测负荷开始减少的状态时，叶片控制装置发出一个指令，调整压缩机230中叶片的位置，该叶片位置可以降低压缩机的效率，从而减少驱动压缩机的涡轮（图中未示）所产生的动力。
图14示意性地表示了一个定子壳体234，该壳体上安装有多个叶片236。叶片位置或角度位置由操作器238确定，该操作器则是由传感器232的输出信号来控制的。
此外（或同时），压缩机230A上还带有图13B所示的释放管路234。在这种情况下，阀236控制该管路的释放量，且该阀根据传感器的信号，在电负荷突然减少的情况下迅速打开释放管路，形成较小的释放量，从而迅速减少驱动压缩机的涡轮所产生的动力，并向负载提供动力。
带有外部燃烧的燃气轮机采用混合燃料的一个优点是有助于快速响应系统电负荷的变化。图15中采用了这样一种混合燃料，其中如上所述的各类固体燃料与液态或气态的碳氢燃料同时使用。这样所述的固体燃料可以是煤粉、油页岩、固体废料燃料、生物体、或其组合物，它们或与液态碳氢燃料混合使用，或直接加入到燃烧室中，以间接加热供给空气涡轮的空气。当传感器（图中未示）输出表示电负荷变化的信号时，液态或气态燃料的流量迅速改变，从而达到涡轮输出所需的变化，压缩机向该涡轮提供空气。在全部供入燃烧室进行加热的燃料中，液态或气态燃料与固体燃料的比最好在总的供给燃烧室加热值的10-20%之间。这一比值特别适于该系统在用电高峰和迅速增加动力装置输出的情形。此外，如果需要快速起动，则在起动时可只用液态或气态燃料，随后再不断地增加固体燃料的量。
最后，本发明还可适用于太阳能动力系统中，在该系统中压缩空气由太阳能集热器加热，这一加热过程可以是直接地、或是由一中间传热流体进行的。图16所示为一种此类装置。
从以上对本发明实施例的说明中可以清楚地了解本发明装置的优点及其所带的改进之处。当然，在不背离本发明的主旨和权利要求的情况下，本发明还可以进行各种变化和改进。