基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統的製作方法

2023-04-30 18:21:36 2

專利名稱：基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃氣輪機技術，具體涉及基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統。
背景技術：
燃氣輪機包括壓氣機、燃燒室和煙氣透平(簡稱透平)，壓氣機的壓縮空氣輸出端與燃燒室的空氣輸入端相連，燃燒室的煙氣輸出端與高壓透平的輸入端相連。壓氣機連續地從大氣中吸入空氣並將其壓縮(升壓同時升溫)，壓縮後的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合後燃燒，成為高溫煙氣，隨即流入透平中膨脹作功(降壓同時降溫)，透平輸出軸轉動，帶動壓氣機葉輪一起旋轉，餘功作為燃氣輪機的輸出機械功並可連接發電機輸入軸而產生電力。為充分利用燃氣輪機的排氣餘熱，一般在燃氣輪機後部設置餘熱回收裝置，用於 產生蒸汽、熱水等，最後煙氣在100°c左右被排放。由於工質在循環過程中與外界大氣相通，故為開式循環。一般情況下，從透平排出的煙氣的壓力只稍高於大氣壓力(高出部分僅用於克服後部餘熱回收裝置等部件產生的排氣阻力)。此時，燃氣輪機將燃料燃燒釋放的熱能轉換為機械能，是正向(熱機)循環。當把從透平中排出的不能轉化為機械能的熱量回收並向外供熱時，此時整個裝置即構成基於燃氣輪機的熱電聯供系統。再進一步，利用燃氣輪機排氣中的熱量，亦可直接或間接驅動逆向的製冷循環(如煙氣吸收式制冷機、蒸汽吸收式制冷機等，產生TC左右的冷凍水用於製冷)，實現對外供冷，此時整個系統即在熱電聯供系統的基礎上構成熱、冷、電三聯供系統，即相當於在燃氣輪機的開式正向循環下再構築一個閉式逆向製冷循環，形成能源梯級利用的總能系統。然而，現有的熱、冷、電三聯供系統的熱、電、冷輸出比固定不變，不夠靈活。另外，將餘熱回收裝置中產生的蒸汽回注到燃燒室中，形成蒸汽回注循環，可使工質增加，比功提高；且空氣加溼燃燒，降低了 NOx排放。但是，由於空氣加溼，水(蒸汽)跟隨排煙一同被排到大氣，而系統需要時時補充新水，需要消耗大量水，要達到回收水與耗水自平衡的投入大，難度高。同時，由於煙氣露點溫度低，水回收過程中煙氣放出的潛熱總量小，利用價值低，最終也導致了較低的一次能源利用率。

實用新型內容本實用新型所要解決的技術問題，就是提供一種可提高一次能源利用率、且熱、電、冷輸出比靈活可變的基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統。為解決上述技術問題，本實用新型採取的技術方案如下一種基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統，包括壓氣機、燃燒室、高壓透平和發電機，所述壓氣機的壓縮空氣輸出端與燃燒室的空氣輸入端相連，所述燃燒室的煙氣輸出端與高壓透平的輸入端相連，所述高壓透平的輸出軸分別與壓氣機的葉輪軸、發電機的輸入軸相連，其特徵在於還包括餘熱鍋爐、煙氣復熱器、煙氣冷卻器、低壓透平和製冷換熱器，所述高壓透平的煙氣輸出端與餘熱鍋爐的煙氣輸入端相連；所述餘熱鍋爐的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，該餘熱鍋爐的煙氣輸出端與煙氣復熱器的熱煙氣輸入端相連；所述煙氣復熱器的煙氣輸出端與煙氣冷卻器的煙氣輸入端相連；所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端與低壓透平的輸入端相連；所述低壓透平的煙氣輸出端與製冷換熱器的煙氣輸入端相連，製冷換熱器的冷量輸出口輸出冷量；所述製冷換熱器的煙氣輸出端與煙氣復熱器的冷煙氣輸入端相連。經壓氣機壓縮後的空氣進入燃燒室形成高溫煙氣後，進入高壓透平做功並旋轉帶動發電機發電；經高壓透平輸出的高溫煙氣將餘熱鍋爐的鍋爐給水加熱成過熱蒸汽，該過熱蒸汽通過餘熱鍋爐的蒸汽輸出端輸出並注入燃燒室，以提高燃氣輪機的做功能力；餘熱鍋爐輸出的煙氣輸入煙氣復熱器加熱製冷換熱器製冷後溫度較低的煙氣，以便排入大氣；經煙氣復熱器輸出的煙氣進入煙氣冷卻器冷卻，用於將煙氣冷卻到近環境溫度；經煙氣冷卻器輸出的煙氣進入低壓透平，膨脹做功輸出低溫煙氣進入製冷換熱器，通過製冷換熱器的冷量輸出口輸出冷量。在上述基礎上，本實用新型可作如下改進本實用新型所述餘熱鍋爐、煙氣復熱器、煙氣冷卻器均設有冷凝水回收裝置，以便將煙氣中的水蒸汽在餘熱鍋爐、煙氣復熱器、煙氣冷卻器凝結成的水回收。本實用新型還包括冷卻水冷卻器，該冷卻水冷卻器的入口與煙氣冷卻器的冷卻水出口相連，該冷卻水冷卻器的出口與煙氣冷卻器的冷卻水入口相連，以便循環使用冷卻水。本實用新型還包括水汽過濾器，該水汽過濾器設於煙氣冷卻器與低壓透平之間，所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端通過水滴過濾器後與低壓透平的輸入端相連，以便過濾進入低壓透平前煙氣中的水汽，減小水汽對透平的損害。本實用新型所述餘熱鍋爐包括依次相連的過熱器、蒸發器、省煤器，所述高壓透平的煙氣輸出端與過熱器的煙氣輸入端相連，所述過熱器的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，所述省煤器的煙氣輸出端與煙氣復熱器的熱煙氣輸入端相連。與現有技術相比，本實用新型具有如下優點本實用新型可在一個燃氣輪機內同時實現電、熱、冷三聯供，同時裝置提供的冷量可遠低於環境溫度，且熱、電、冷輸出比可靈活調變。由於正逆循環耦合，從煙氣中高效回收蒸汽潛熱，基於燃料高位熱值HHV的系統理論一次能源利用率可高於100%，回收水量亦可超過燃燒室蒸汽注入量，保證了回收水與耗水自平衡。

圖I是本實用新型三聯供系統的工作流程示意圖；圖2是本實用新型三聯供系統的連接示意圖。圖中1、壓氣機，2、燃燒室，3、高壓透平，4、過熱器，5、蒸發器，6、省煤器，7、煙氣冷卻器，8、水汽過濾器，9、低壓透平，10、製冷換熱器，11、水泵，12、冷卻水冷卻器，13、發電機，
14、煙氣復熱器。
具體實施方式
[0020]如圖I所示的基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統，包括壓氣機
I、燃燒室2、高壓透平3、發電機1313、餘熱鍋爐、煙氣復熱器14、煙氣冷卻器7、低壓透平9和製冷換熱器10，壓氣機I的壓縮空氣輸出端與燃燒室2的空氣輸入端相連，燃燒室2的煙氣輸出端與高壓透平3的輸入端相連，高壓透平3的輸出軸分別與壓氣機I的葉輪軸、發電機13的輸入軸相連，高壓透平3的輸出軸同時帶動壓氣機I的葉輪軸、發電機13的輸入軸旋轉，高壓透平3的煙氣輸出端與餘熱鍋爐的煙氣輸入端相連；餘熱鍋爐的蒸汽輸出端與燃燒室2的蒸汽輸入端相連，該餘熱鍋爐的煙氣輸出端與煙氣復熱器14的熱煙氣輸入端相連；煙氣復熱器14的煙氣輸出端與煙氣冷卻器7的煙氣輸入端相連；煙氣冷卻器7的煙氣輸出端與低壓透平9的輸入端相連；低壓透平9的煙氣輸出端與製冷換熱器10的煙氣輸入端相連，製冷換熱器10的冷量輸出口輸出冷量；製冷換熱器10的煙氣輸出端與煙氣復熱器14的冷煙氣輸入端相連，煙氣復熱器14用於重新加熱製冷換熱器10輸出的冷煙氣。其中，餘熱鍋爐包括依次相連的過熱器4、蒸發器5、省煤器6，高壓透平3的煙氣輸出端與過熱器4的煙氣輸入端相連，過熱器4的蒸汽輸出端與燃燒室2的蒸汽輸入端相連，省煤器6的煙氣輸出端與煙氣復熱器14的熱煙氣輸入端相連。高壓透平3輸出的高溫煙·氣輸送至餘熱鍋爐的煙氣輸入端，即過熱器4的煙氣輸入端。鍋爐給水首先進入省煤器6，水在省煤器6內吸收熱量升溫，形成熱水後進入蒸發器5吸收熱量開始產汽，在蒸發器5內流動的汽水混合物經汽水分離並形成飽和蒸汽後，飽和蒸汽進入過熱器4，吸收熱量使飽和蒸汽變成過熱蒸汽，過熱蒸汽用於對外供熱。在餘熱鍋爐、煙氣復熱器14、煙氣冷卻器7中均設有冷凝水回收裝置，以便將煙氣中的水蒸汽在餘熱鍋爐、煙氣復熱器14、煙氣冷卻器7凝結成的水回收，水蒸汽冷凝過程中同時也釋放大量潛熱。本系統還設置有用於冷卻冷卻水的冷卻水冷卻器12，該冷卻水冷卻器12的入口與煙氣冷卻器7的冷卻水出口相連，該冷卻水冷卻器12的出口與煙氣冷卻器7的冷卻水入口相連，以水泵11作為動力，以便循環使用冷卻水。在煙氣冷卻器7與低壓透平9之間還設置有水汽過濾器8，用於過濾煙氣中的水汽，煙氣冷卻器7的煙氣輸出端通過水滴過濾器後與低壓透平9的輸入端相連，以便過濾進入低壓透平9前煙氣中的水汽，減小水汽對透平的損害。壓氣機I連續地從大氣中吸入空氣並將其壓縮，壓縮後的空氣一方面進入燃燒室2，與噴入的燃料混合後燃燒，形成高溫煙氣，另一方面壓縮空氣進入高壓透平3中用以冷卻透平葉片；離開燃氣輪機燃燒室2的煙氣通過高壓透平3膨脹做功並旋轉帶動發電機13發電；高壓透平3煙氣輸出端處的煙氣達到高於大氣壓(約數個大氣壓)水平，利用高壓透平3排出的高溫煙氣的熱量，將鍋爐給水加熱成過熱蒸汽，同時煙氣中的部分水蒸汽在餘熱鍋爐中凝結，凝結水通過冷凝水回收裝置加以回收；餘熱鍋爐產生的過熱蒸汽通過餘熱鍋爐的蒸汽輸出端輸出後一方面對外供熱，另一方面注入燃燒室2用以提高燃氣輪機的做功能力；餘熱鍋爐輸出的煙氣輸入煙氣復熱器14，以重新加熱製冷換熱器10製冷後溫度較低的煙氣，使排煙(氣)溫度高於大氣溫度，用於提供足夠的煙囪驅動力，有利於煙氣擴散，達到環保要求，此外可對餘熱鍋爐內的冷凝水加以回收；經煙氣復熱器14輸出的煙氣進入煙氣冷卻器7，用冷卻水將煙氣進一步冷卻到近環境溫度，煙氣中的水蒸汽在煙氣冷卻器7中繼續凝結，凝結水加以回收；冷卻水送往冷卻水冷卻器12，經冷卻的冷卻水再送回煙氣冷卻器7，以循環使用冷卻水；煙氣冷卻器7輸出的煙氣經過水汽過濾器8，除去煙氣中的水汽；經水汽過濾器8輸出的一定壓力、經冷卻、去除水汽的煙氣進入低壓透平9，膨脹做功，在低壓透平9的煙氣輸出端處煙氣壓力降到環境大氣壓力，溫度低於環境溫度，此低溫煙氣隨即進入製冷換熱器10，該製冷換熱器10為一用於製冷的換熱器，外部較高溫度的冷凍水進入製冷換熱器10後將熱量傳遞給低溫煙氣，降低冷凍水溫度，從而使冷凍水通過製冷換熱器10的冷量輸出口輸出冷量，用於對外製冷。本系統的工作原理是1)透平膨脹降溫煙氣在透平中膨脹做功，伴隨著壓力的下降，煙氣的溫度亦下降。當入口煙氣參數為20°C/4atm，透平膨脹比為4，等熵效率為90%時，低壓透平後的煙氣溫度約為_60°C。同樣條件下，入口煙氣參數為20°C /lOatm、透平膨脹比為10時，低壓透平後的煙氣溫度可達到約-100°C。2)煙氣冷凝煙氣因換熱溫度下降時，煙氣中的水蒸氣被部分冷凝，冷凝過程中釋放出大量潛熱。同時，煙氣壓力升高，露點溫度上升，煙氣露點溫度升高，冷凝放熱也可被有效利用。通過高壓透平煙氣膨脹到高於大氣壓力水平，通過低壓透平繼續膨脹到大氣壓力，同時在高壓透平後設置餘熱鍋爐回收高壓透平排氣熱量用於供熱或提高燃機做功能 力，並設置煙氣冷卻器使煙氣在進入低壓透平前降到近環境溫度水平，使得煙氣在通過低壓透平繼續膨脹到大氣壓力後其溫度可降到環境溫度以下，煙氣冷量可用於製冷。通過上述過程，將一般的燃氣輪機熱機循環拆分成正向熱機循環、逆向製冷循環兩個互向耦合的開式熱力循環，在一個燃氣輪機內同時實現了熱、電、冷三聯供。同時，由於在高、低壓透平之間換熱時，煙氣壓力較常壓高，煙氣露點溫度上升，煙氣在較高的溫度時即開始冷凝，煙氣冷卻到同樣的溫度時水回收量大，煙氣露點溫度升高，冷凝放熱也可被有效利用。另外，可通過調整蒸汽注入量，使得其對外供熱量和發電量可相互轉換，一方多時另一方少，熱、電、冷輸出比可靈活調變，具有一定的靈活度，而通過調整燃料供給量可改變供能總量。在ISO條件下，在壓氣機壓比為30、燃燒室出口溫度為1280°C、冷卻空氣量為壓氣機總流量的12%、過熱蒸汽參數為445°C /3. 82MPa、高壓透平膨脹到4個大氣壓、將低壓透平入口煙氣冷卻到20°C的情況下，計算得出裝置水回收量都大於蒸汽注入量；低壓透平後的煙氣溫度達到約_60°C。當過熱蒸汽全部供熱時，裝置產生的電、冷、熱功率與燃料輸入熱功率的比值分別達到約21%、8%、80%，即一次能源利用率可達到約109% (LHV);當過熱蒸汽50%供熱、50%回注燃燒室時，裝置產生的電、冷、熱功率與燃料輸入熱功率的比值分別達到約即一次能源利用率可達到約75% (LHV)。根據燃氣輪機參數選擇的不同，本三聯供裝置中各能量的產出比例、一次能源利用率、低壓透平後的煙氣溫度也會不同。本實用新型的實施方式不限於此，按照本實用新型的上述內容，利用本領域的普通技術知識和慣用手段，在不脫離本實用新型上述基本技術思想前提下，本實用新型還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本實用新型權利保護範圍之內。
權利要求1.一種基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統，包括壓氣機、燃燒室、高壓透平和發電機，所述壓氣機的壓縮空氣輸出端與燃燒室的空氣輸入端相連，所述燃燒室的煙氣輸出端與高壓透平的輸入端相連，所述高壓透平的輸出軸分別與壓氣機的葉輪軸、發電機的輸入軸相連，其特徵在於還包括餘熱鍋爐、煙氣復熱器、煙氣冷卻器、低壓透平和製冷換熱器，所述高壓透平的煙氣輸出端與餘熱鍋爐的煙氣輸入端相連；所述餘熱鍋爐的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，該餘熱鍋爐的煙氣輸出端與煙氣復熱器的熱煙氣輸入端相連；所述煙氣復熱器的煙氣輸出端與煙氣冷卻器的煙氣輸入端相連；所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端與低壓透平的輸入端相連；所述低壓透平的煙氣輸出端與製冷換熱器的煙氣輸入端相連，製冷換熱器的冷量輸出口輸出冷量，所述製冷換熱器的煙氣輸出端與煙氣復熱器的冷煙氣輸入端相連。
2.根據權利要求I所述的基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統，其特徵在於所述餘熱鍋爐、煙氣復熱器、煙氣冷卻器均設有冷凝水回收裝置。
3.根據權利要求I所述的基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統，其特徵在於還包括冷卻水冷卻器，該冷卻水冷卻器的入口與煙氣冷卻器的冷卻水出口相連，該冷卻水冷卻器的出口與煙氣冷卻器的冷卻水入口相連。
4.根據權利要求I所述的基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統，其特徵在於還包括水汽過濾器，該水汽過濾器設於煙氣冷卻器與低壓透平之間，所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端通過水滴過濾器後與低壓透平的輸入端相連。
5.根據權利要求1-4任一項所述的基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統，其特徵在於所述餘熱鍋爐包括依次相連的過熱器、蒸發器、省煤器，所述高壓透平的煙氣輸出端與過熱器的煙氣輸入端相連，所述過熱器的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，所述省煤器的煙氣輸出端與煙氣復熱器的熱煙氣輸入端相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基於燃氣輪機的開式正逆循環耦合電熱冷三聯供系統，包括壓氣機、燃燒室、高壓透平和發電機，還包括餘熱鍋爐、煙氣復熱器、煙氣冷卻器、低壓透平和製冷換熱器，所述高壓透平的煙氣輸出端與餘熱鍋爐的煙氣輸入端相連；所述餘熱鍋爐的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，該餘熱鍋爐的煙氣輸出端與煙氣復熱器的熱煙氣輸入端相連；所述煙氣復熱器的煙氣輸出端與煙氣冷卻器的煙氣輸入端相連；所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端與低壓透平的輸入端相連；所述低壓透平的煙氣輸出端與製冷換熱器的煙氣輸入端相連；所述製冷換熱器的煙氣輸出端與煙氣復熱器的冷煙氣輸入端相連。本實用新型可提高一次能源率用率，並保證回收水與耗水的自平衡。
文檔編號F22B1/18GK202596823SQ20122008091
公開日2012年12月12日 申請日期2012年3月6日 優先權日2012年3月6日
發明者肖小清, 闞偉民, 張士傑, 肖雲漢 申請人:廣東電網公司電力科學研究院, 中國科學院工程熱物理研究所