燃氣蒸汽聯合循環系統及其運行控制方法與流程
2023-10-05 11:07:04 3
本發明涉及發電設備技術領域，尤其是涉及一種燃氣蒸汽聯合循環系統及其運行控制方法。
背景技術：
以燃氣輪機和蒸汽輪機為主機的聯合循環發電系統，其工作過程主要如下：在燃氣輪機中混合空氣和燃料並通過燃燒一定參數的燃料產生煙氣做功發電；其排煙將剩餘的熱量帶入餘熱鍋爐內加熱給水變為蒸汽，高參數蒸汽進入蒸汽輪機做功發電或者供熱，蒸汽做功後在凝汽器內被循環冷卻水冷卻，蒸汽冷凝成水重新進入餘熱鍋爐升溫升壓變為蒸汽，形成蒸汽熱力循環。
燃氣蒸汽聯合循環系統的熱效率由燃氣循環效率(燃氣輪機熱效率)和蒸汽循環效率(蒸汽輪機熱效率)組成，提高聯合循環熱效率的途徑也就是提高這兩個組成部分的一種或者兩種效率。不管是燃氣循環效率還是蒸汽循環效率均與進入燃氣輪機的空氣溫度(環境溫度)息息相關。當空氣溫度較高時(如夏季)，燃氣輪機的效率會下降；而當空氣溫度較低時(如冬季)，蒸汽輪機的效率會有所下降。因此需要根據熱力性能計算，通過控制調節至合理的空氣溫度使聯合循環機組在四季不同環境溫度下均可達到整體效率最高值。
目前已有的空氣溫度調節系統是從蒸汽輪機的抽汽口或低壓主蒸汽的引出口將蒸汽(熱源)引出用於直接加熱空氣，或進入制冷機中用於為制冷機提供驅動熱源，制冷機產生冷媒後再對空氣進行冷卻降溫。這種調節方式雖然可達到調節進入燃氣輪機的空氣溫度的目的，但是，由於蒸汽能源品位較高，所消耗的蒸汽將造成能源浪費現象，同時也使得蒸汽輪機的出力和效率降低，不利於提升整體聯合循環的效率。
技術實現要素：
基於此，本發明在於克服現有技術的缺陷，提供一種燃氣蒸汽聯合循環系統及其運行控制方法，其充分利用煙氣廢熱，用以加熱或冷卻進入燃氣輪機的空氣，從而明顯提高聯合循環系統的熱效率。
其技術方案如下：
一種燃氣蒸汽聯合循環系統，其特徵在於，包括：
燃氣輪機；
蒸汽循環迴路，所述蒸汽循環迴路上設有餘熱鍋爐、蒸汽輪機和凝汽器，所述餘熱鍋爐與所述燃氣輪機的出煙口連通；
熱水發生器，所述熱水發生器的煙側與所述餘熱鍋爐的出煙口連通；
吸收式制冷機，所述吸收式制冷機的製冷驅動側通過製冷驅動循環管路與所述熱水發生器的水側循環連通；
氣水換熱器，所述氣水換熱器的水側通過制熱循環管路與所述熱水發生器的水側循環連通，且通過製冷循環管路與所述吸收式制冷機的製冷側循環連通，所述氣水換熱器的空氣側與所述燃氣輪機的空氣進口連通；
切換裝置，用於切斷或開通所述制熱循環管路，和切斷或開通所述製冷驅動循環管路及所述製冷循環管路。
在其中一個實施例中，所述切換裝置包括第一供水閥、第二供水閥、第一回水閥和第二回水閥，所述第一供水閥設於所述熱水發生器的出水口與所述氣水換熱器的進水口之間，所述第二供水閥設於所述熱水發生器的出水口與所述吸收式制冷機的進水口之間，所述第一回水閥設於所述氣水換熱器的出水口與所述熱水發生器的進水口之間，所述第二回水閥設於所述氣水換熱器的出水口與所述吸收式制冷機的進水口之間。
在其中一個實施例中，所述切換裝置還包括第一升壓泵，所述第一升壓泵設於所述吸收式制冷機的出水口與所述氣水換熱器的進水口之間。
在其中一個實施例中，還包括控制器，所述第一供水閥、所述第二供水閥、所述第一回水閥、所述第二回水閥以及所述第一升壓泵均與所述控制電性連接。
在其中一個實施例中，所述熱水發生器的出水口連通有供水母管，所述供水母管的輸出端連接有第一供水支管和第二供水支管，所述第一供水支管與所述氣水換熱器連通且其上設有所述第一供水閥，所述供水母管和所述第一供水支管為所述制熱循環管路的一部分，所述第二供水支管與所述吸收式制冷機連通且其上設有所述第二供水閥，所述供水母管和所述第二供水支管為所述製冷驅動循環管路的一部分；
所述氣水換熱器的出水口連通有回水母管，所述回水母管的輸出端連接有第一回水支管和第二回水支管，所述第一回水支管與所述熱水發生器連通且其上設有所述第一回水閥，所述回水母管和所述第一回水支管為所述制熱循環管路的一部分，所述第二回水支管與所述吸收式制冷機連通且其上設有所述第二回水閥，所述回水母管和所述第二回水支管為所述製冷循環管路的一部分。
在其中一個實施例中，還包括設於所述供水母管上的水箱。
在其中一個實施例中，還包括設於所述供水母管上的第二升壓泵，所述第二升壓泵位於所述熱水箱的出水側。
在其中一個實施例中，還包括冷卻塔，所述冷卻塔通過冷卻水循環通路與所述吸收式制冷機的冷卻水側循環連通。
在其中一個實施例中，還包括設於所述冷卻水循環通路上的第三升壓泵。
本技術方案還提供了一種燃氣蒸汽聯合循環系統的運行控制方法，包括以下步驟：
燃料和空氣進入燃氣輪機中燃燒做功，產生煙氣；
煙氣進入餘熱鍋爐內，對餘熱鍋爐的給水進行加熱，產生水蒸汽進入蒸汽輪機做功，做功後的水蒸氣經過凝汽器被冷卻回流至餘熱鍋爐；
與給水進行熱交換後的廢煙進入熱水發生器內，用於加熱生成低溫熱水；
判斷是否需要加熱或冷卻進入燃氣輪機的空氣，當需加熱進入燃氣輪機的空氣時，切換裝置開通制熱循環管路，低溫熱水進入氣水換熱器內，用於加熱進入燃氣輪機的空氣，並回流至熱水發生器中；當需要冷卻進入燃氣輪機的空氣時，切換裝置開通製冷驅動循環管路和製冷循環管路，低溫熱水進入吸收式制冷機中用於為制冷機提供製冷驅動熱源，並回流至熱水發生器，吸收式制冷機產生冷媒，冷媒進入氣水換熱器用以冷卻進入燃氣輪機的空氣，之後回流至吸收式制冷機中。
下面對前述技術方案的優點或原理進行說明：
本發明所述燃氣蒸汽聯合循環系統及其運行控制方法，其設有熱水發生器用以充分利用煙氣廢熱，從而產生熱水。熱水可通過制熱循環管路與氣水換熱器連通，用以通過熱水加熱進入燃氣輪機的空氣，或熱水進入吸收式制冷機中用於為制冷機提供製冷驅動力，制冷機產生冷媒(冷凍水)，冷媒再通過製冷循環管路流經氣水換熱器用以冷卻進入燃氣輪機的空氣。由上可知，本發明通過預熱或預冷調節進入燃氣輪機的空氣溫度，使整個燃氣蒸汽聯合循環系統的效率最佳。同時其回收電廠低品位廢熱，無需從蒸汽輪機的抽汽口抽出蒸汽作為熱源，避免發生能源浪費現象，也可保證蒸汽輪機的出力和效率，從而明顯提高聯合循環系統的熱效率，減少電廠的運行成本，提高經濟效益。此外，本發明利用煙氣餘熱形成熱能梯級利用，減少了熱排放。
附圖說明
圖1為本發明實施例所述的燃氣蒸汽聯合循環系統的結構示意圖。
附圖標記說明：
10、供水母管，11、水箱，12、第二升壓泵，20、第一供水支管，21、第一供水閥，30、第二供水支管，31、第二供水閥，40、回水母管，50、第一回水支管，51、第一回水閥，60、第二回水支管，61、第二回水閥，70、第一升壓泵，80、第三升壓泵，100、燃氣輪機，210、餘熱鍋爐，220、蒸汽輪機，230、凝汽器，300、熱水發生器，400、煙囪，500、制冷機，600、氣水換熱器，700、冷卻塔。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及具體實施方式，對本發明進行進一步的詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本發明，並不限定本發明的保護範圍。
需要說明的是，當一個元件被稱為是「連通」另一個元件，它可以是直接連通到另一個元件或者也可以是通過居中的元件而連通於另一個元件。此外，除非特別指出，否則說明書中的術語「第一」、「第二」及「第三」等描述僅僅用於區分說明書中的各個組件、元素、步驟等，而不是用於表示各個組件、元素、步驟之間的邏輯關係或者順序關係等。
如圖1所示，本發明所述的燃氣蒸汽聯合循環系統，包括：燃氣輪機100；蒸汽循環迴路，所述蒸汽循環迴路上設有餘熱鍋爐210、蒸汽輪機220和凝汽器230，所述餘熱鍋爐210與所述燃氣輪機100的出煙口連通；熱水發生器300，熱水發生器300(設有相互配合的煙側和水側)的煙側與所述餘熱鍋爐210的出煙口連通；吸收式制冷機500(設有相互配合的製冷驅動側、製冷側以及冷卻水側)，吸收式制冷機500的製冷驅動側通過製冷驅動循環管路與所述熱水發生器300的水側循環連通；氣水換熱器600，所述氣水換熱器600的水側通過制熱循環管路與所述熱水發生器300的水側循環連通，且通過製冷循環管路與所述吸收式制冷機500的製冷側(供應冷凍水)循環連通，所述氣水換熱器600的空氣側的出氣口與所述燃氣輪機100的空氣進口連通；切換裝置，用於切斷或開通所述制熱循環管路，和，切斷或開通所述製冷循環管路以及製冷驅動循環管路。需要說明的是，本文所述循環管路包括供流管和回流管。
本發明所述燃氣蒸汽聯合循環系統的運行控制方法具體如下：燃料和空氣進入燃氣輪機100中燃燒做功，產生煙氣；做功後的煙氣進入餘熱鍋爐210內，對餘熱鍋爐210的給水進行加熱，產生水蒸汽進入蒸汽輪機220做功，做功後的水蒸氣經過凝汽器230被冷卻回流至餘熱鍋爐210；與給水進行熱交換後的廢煙進入熱水發生器300內，用於加熱除鹽水，除鹽水變成低溫熱水；根據當前運行環境溫度判斷是否需要加熱或冷卻進入燃氣輪機100的空氣，當需加熱進入燃氣輪機100的空氣時(如冬季環境)，切換裝置開通制熱循環管路，低溫熱水直接進入氣水換熱器600內，用於加熱進入燃氣輪機100的空氣，並回流至熱水發生器300中；當需要冷卻進入燃氣輪機100的空氣時(如夏季環境時)，切換裝置開通製冷驅動循環管路和製冷循環管路，低溫熱水進入吸收式制冷機500(製冷驅動側)中用於為制冷機500提供製冷驅動熱源，並回流至熱水發生器300，吸收式制冷機500(製冷側)產生冷媒(冷凍水)，冷媒進入氣水換熱器600用以冷卻進入燃氣輪機100的空氣，之後回流至吸收式制冷機500中。所述低溫熱水和所述制冷機500產生的冷媒(冷凍水)均為除鹽水，除鹽水具有較高的清潔度，可滿足系統水質要求。
由上可知，本發明通過預熱或預冷調節進入燃氣輪機100的空氣溫度，使整個燃氣蒸汽聯合循環系統的效率最佳。同時其通過熱水發生器300來回收電廠低品位廢熱，無需從蒸汽輪機220的抽汽口抽出蒸汽作為熱源，避免發生能源浪費現象，也可保證蒸汽輪機220的出力和效率，從而可明顯提高聯合循環系統的熱效率，減少電廠的運行成本，提高經濟效益。此外，本發明利用煙氣餘熱形成熱能梯級利用，減少了熱排放。
具體地，所述切換裝置包括第一供水閥21、第二供水閥31、第一回水閥51和第二回水閥61。所述第一供水閥21設於所述熱水發生器300的出水口與所述氣水換熱器600的進水口之間，所述第二供水閥31設於所述熱水發生器300的出水口與所述吸收式制冷機500的進水口之間，所述第一回水閥51設於所述氣水換熱器600的出水口與所述熱水發生器300的進水口之間，所述第二回水閥61設於所述氣水換熱器600的出水口與所述吸收式制冷機500的進水口之間。所述切換裝置還包括設於所述吸收式制冷機500的出水口與所述氣水換熱器600的進水口之間的第一升壓泵70。當需要加熱運行時，第一供水閥21和第一回水閥51開通(此時第二供水閥31、第二回水閥61以及第一升壓泵70均可關閉)，使得熱水發生器300的熱媒進入氣水換熱器600中並回流至熱水發生器300；當需要降溫運行時，第二供水閥31、第二回水閥61以及第一升壓泵70開通(此時第一供水閥21和第一回水閥51均可關閉)，使得熱水發生器300的熱媒進入吸收式制冷機500中，用於為制冷機500提供製冷驅動力，此時可開啟第一升壓泵70將制冷機所產生的冷媒(冷凍水)泵入氣水換熱器600中並回流至制冷機500中。本發明運行控制布局合理有效。需要說明的是，當環境溫度適宜時，第一供水閥21、第二供水閥31、第一回水閥51、第二回水閥61以及所述第一升壓泵70均可關閉運行，此時制熱循環管路、製冷循環管路以及製冷驅動循環管路中均沒有工質流通。
更進一步地，所述熱水發生器300的出水口連通有供水母管10，所述供水母管10的輸出端連接有第一供水支管20和第二供水支管30。所述第一供水支管20與所述氣水換熱器600連通且其上設有所述第一供水閥21。所述供水母管10和所述第一供水支管20為所述制熱循環管路的一部分。所述第二供水支管30與所述吸收式制冷機500連通且其上設有第二供水閥31，所述供水母管10和所述第二供水支管30為所述製冷驅動循環管路的一部分。
所述供水母管10上還設有水箱11，用於囤積熱水發生器300所加熱的低溫熱水，從而根據切換裝置的切換來輸送至相應的通路中。所述水箱11的出水側還設有第二升壓泵12。所述第一升壓泵70和所述第二升壓泵12都用於輸送除鹽水。
所述氣水換熱器600的出水口連通有回水母管40，所述回水母管40的輸出端連接有第一回水支管50和第二回水支管60，所述第一回水支管50與所述熱水發生器300連通且其上設有所述第一回水閥51，所述回水母管40和所述第一回水支管50為所述制熱循環管路的一部分。所述第二回水支管60與所述吸收式制冷機500連通且其上設有所述第二回水閥61，所述回水母管40和所述第二回水支管60為所述製冷循環管路的一部分。此外，需要說明的是，所述熱水發生器300的進水口也可連通回水母管(附圖未標識)，從而收集從制冷機500和氣水換熱器600流出的低溫冷水；所述氣水換熱器600的進水口也可連通有供水母管(附圖未標識)，用以收集從制冷機500和熱水發生器300輸出的低溫熱水。本領域技術人員應當知道，本發明中管路可根據實際需要進行鋪設，其鋪設方式不唯一。
本發明還包括冷卻塔700，所述冷卻塔700通過冷卻水循環通路與所述吸收式制冷機500的冷卻水側循環連通。冷卻塔700用於為吸收式制冷機500提供工藝循環冷卻水。具體地，冷卻塔700經第三升壓泵80輸送工藝循環冷卻水，進入吸收式制冷機500入口，在制冷機500內吸熱後，回到冷卻塔700入口。
在本實施例中，所述吸收式制冷機500優選為溴化鋰制冷機500，其可利用低溫熱源，能耗少，同時其以溴化鋰水溶液為工質，制冷機500又在真空狀態下運行，無臭、無毒、無爆炸危險，安全可靠。
本發明還包括控制器，所述第一供水閥21、第二供水閥31、第一回水閥51、第二回水閥61、第一升壓泵70、第二升壓泵12以及第三升壓泵80等均可與所述控制器電性連接，電性連接可為有線連接或無線連接。系統可根據環境溫度的變化從而自動控制相應閥門以及升壓泵動作，從而自動切換至加熱運行或冷卻運行模式，達到要求運行狀態，從而達到自動節能的功效。
下面對本發明的優選實施例進行詳細說明：
熱水發生器300安裝在餘熱鍋爐210煙氣出口之後，用於回收聯合循環系統中餘熱鍋爐210的廢煙氣餘熱，使之產生低溫熱水，利用低溫熱水做燃氣輪機100進氣溫度加熱或冷卻的動力源。經過熱水發生器300利用後的煙氣才經由煙囪400排出。
氣水換熱器600安裝在燃氣輪機100空氣入口之前，燃機輪機進口空氣首先進入氣水換熱器600，在氣水換熱器600中被加熱或冷卻後，再進入燃氣輪機100。
低溫熱水溴化鋰制冷機500與熱水發生器300連接，用低溫熱水做制冷機500驅動力，產生冷媒(冷凍水)，用於冷卻燃機輪機進口空氣。
加熱與冷卻自動切換裝置會根據聯合循環系統當前運行狀態，自動判定燃氣輪機100進氣需要加熱運行或冷卻運行，並通過閥門調節，自動達到要求運行狀態。
當需要加熱燃氣輪機100進口空氣時，熱水發生器300低溫熱水出水進入水箱11，經第二升壓泵12輸送，經過第一供水閥21，進入氣水換熱器600入口，在氣水換熱器600內放熱後，經過第一回水閥51回流至熱水發生器300入口。
當需要冷卻燃氣輪機100進口空氣時，熱水發生器300低溫熱水出水進入水箱11，經第二升壓泵12輸送，經過第二供水閥31，進入低溫熱水溴化鋰制冷機500入口，在低溫熱水溴化鋰制冷機500內放熱後，回到熱水發生器300入口。低溫熱水溴化鋰制冷機500製冷產生冷媒經第一升壓泵70輸送，進入氣水換熱器600入口，在氣水換熱器600內吸熱後，經過第二回水閥61回流至低溫熱水溴化鋰制冷機500入口。冷卻塔700經第三升壓泵80輸送工藝循環冷卻水，進入低溫熱水溴化鋰制冷機500入口，在低溫熱水溴化鋰制冷機500內吸熱後，回到冷卻塔700入口。
綜上可知，本發明可提高電廠工程全熱力系統的效率，節能降耗，大幅增加經濟效益和社會效益。本發明主要的技術效果具體可分為以下幾點：
餘熱回收：通過合理設計，回收電廠低品位廢熱，將此廢熱轉換成加熱熱源用於加熱燃氣輪機100進口空氣或用於低溫熱水溴化鋰制冷機500的驅動熱源，產生冷卻燃氣輪機100進口空氣的冷媒，減少電廠的運行成本，提高經濟效益。
提高聯合循環系統運行效率：由於我國電網運行特點，全年大部分時間聯合循環系統處於部分負荷狀態下運行，聯合循環效率較低。通過加熱燃氣輪機100進氣溫度，增加燃氣輪機100可變導葉開度，提高聯合循環系統在部分負荷狀態下的運行效率，提高企業經濟效益。
提高聯合循環系統出力：在炎熱夏季，用電高峰時節，由於空氣溫度高，空氣密度降低，燃氣輪機100進氣量減少，聯合循環系統出力降低，造成用電量缺口。本專利通過進氣冷卻可有效提高夏季聯合循環系統出力，解決電力調峰需求。
防止結冰：在寒冷冬季，燃氣輪機100進氣溫度過低時，在燃氣輪機100葉片表面有形成冰覆層的危險，造成對葉片的損傷。本專利通過進氣加熱，消除進氣結冰可能，避免對燃氣輪機100葉片的破壞。
電網調節靈活性：夏季用電量大，造成較大的電力缺口，其它季節用電量減少，所以，電廠運行負荷變化大。本專利可以根據電網運行特點，在夏季增加電廠發電量，其它季節提高電廠運行效率，從而提高了電廠運行的靈活性。
適用範圍廣：本系統可以在任何季節任何工況下運行，不受外界可觀條件影響。
節能減排：本發明為深度餘熱回收項目，可以實現節能目標，在電力市場中更具競爭力和生命力。
以上所述實施例的各技術特徵可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實施例中的各個技術特徵所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術特徵的組合不存在矛盾，都應當認為是本說明書記載的範圍。
以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但並不能因此而理解為對發明專利範圍的限制。應當指出的是，對於本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬於本發明的保護範圍。