CN101655018B

CN101655018B - 用多台燃气轮机进行燃气蒸汽联合循环发电的方法和系统

Info

Publication number: CN101655018B
Application number: CN 200910092741
Authority: CN
Inventors: 王晓宇; 国相杰; 刘建军
Original assignee: BEIJING MINGGAO HI-TECH DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: Tianjin fast turbine science and Technology Development Co., Ltd.
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2029-09-16
Also published as: CN101655018A

Abstract

本发明提出了一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法及其系统，按该方法组成的燃气、蒸汽联合循环发电系统中，包括多台燃气轮机，用部分燃气轮机的压气机压缩燃气，用其余燃气轮机的压气机压缩空气。采用本发明的方法，可以减少为不同热值燃料开发不同新燃气轮机和对现有燃气轮机进行改造的工作，并避免改造燃气轮机所引起的效率降低，并且可以减少机械传动损耗和电能、机械能转换损耗所引起的效率降低。本发明可应用于燃气、蒸汽联合循环发电领域。

Description

用多台燃气轮机进行燃气蒸汽联合循环发电的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种燃气、蒸汽联合循环发电的方法以及使用该方法的系统，具体地，涉及一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法以及使用该方法的系统。

背景技术

在现有技术中，利用燃气轮机的燃气、蒸汽联合循环发电技术是将燃气首先在燃气轮机中进行顶部动力循环，然后再利用燃气轮机出口的高温烟气构造底部蒸汽动力循环，形成燃气、蒸汽联合循环。由于顶部燃气动力循环的高热源温度较高，而底部蒸汽动力循环的低热源温度较低，因而，燃气、蒸汽联合循环具有较高的循环效率，其循环的净发电效率可以超过55％。

在现有的燃气、蒸汽联合循环发电系统中，空气利用燃气轮机的压气机进行压缩，燃气则通过一个专门的燃气压缩机进行压缩。经压缩机压缩后的燃气在燃气轮机的燃烧室内与燃气轮机压气机后的压缩空气混合并燃烧，燃烧后的高温烟气用于推动燃气轮机的涡轮，以维持燃气轮机自身的循环，并将余功供出发电。燃气轮机涡轮后的高温烟气进入余热锅炉，进入蒸汽发电和供热循环。

当燃料的热值较高时，燃料在整个燃气轮机循环中所占的比例较小，燃气轮机的压气机和涡轮的流量平衡关系较好。燃气热值越低，燃气量相对于空气量就越大，这将带来两个问题：

其一，目前成熟的燃气轮机大都是针对高热值燃料开发的，燃气量增大后会破坏燃气轮机压气机与涡轮的流量平衡，因此，需要对现有的燃气轮机进行改造，或重新设计制造新型号的燃气轮机。根据计算，不论采用何种可能的改造方法，例如，增加压气机的压比、关小压气机进口可调导叶角度，减小压气机进口空气流量、降低涡轮前温度、从压气机末级抽气、增加涡轮的通流面积，都将降低燃气轮机的循环效率。重新设计制造新的燃气轮机，不仅周期长，费用高，而且针对某一热值开发的燃气轮机，仍然难以应用到其它不同热值的燃料上。

其二，燃料热值越低，所需的燃气压缩机也越大。燃气轮机压气机的空气压缩压力一般在1.5～2.2MPa之间，因此燃气也需要压缩到相应的压力。这样的燃气压缩机要消耗掉整个燃气轮机净输出轴功的一个可观比例，例如，对热值为800×4.18kJ/m³的高炉煤气，燃气压缩机要消耗燃气轮机输出轴功的35～40％。通常，燃气压缩机的效率低于燃气轮机压气机的效率，而燃气压缩机用燃气轮机同轴或旁轴驱动时，还有联轴机构和减速机的机械传动损失，如果用电机驱动，还有从涡轮轴到发电机、再到电动机和压缩机各个环节之间的电力转换和机械传动损失。

由于上述两个问题，低热值燃气用于燃气、蒸汽联合循环发电系统时，其效率低于高热值燃气。例如，对于天然气，热电转换效率可达56％，而对热值为800×4.18kJ/m³的高炉煤气，其热电转换效率却低于46％。另外，针对不同热值的燃气燃料，需要对现有燃气轮机的压气机、燃烧室和涡轮均进行相应的改造，甚至研发新的燃气轮机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法以及使用该方法的系统。

本发明的一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，包括：1)用部分燃气轮机的压气机压缩燃气，用其余燃气轮机的压气机压缩空气；2)将所述用于压缩燃气的燃气轮机和用于压缩空气的燃气轮机在各自的压气机后分别取出部分气体供给对方的燃烧室进行混合燃烧，使在各自的燃烧室中混合燃烧的燃气与空气的比例符合燃气燃值所要求的比例；3)用所述燃烧产生的高温烟气推动燃气轮机的涡轮，以维持各燃气轮机的自身循环并对外发电；4)将燃气轮机涡轮后的高温烟气引入余热锅炉，进入蒸汽发电和供热循环。

本发明的另外一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，包括：1)用部分燃气轮机的压气机压缩燃气，用其余燃气轮机的压气机压缩空气；2)将用于压缩燃气的燃气轮机和用于压缩空气的燃气轮机在各自的压气机后取出全部气体，送往外部的燃烧室进行掺混燃烧，使在外部燃烧室内掺混燃烧的燃气与空气的比例符合燃气燃值所要求的比例；3)将外部燃烧室燃烧生成的高温烟气送回到各燃气轮机的涡轮前，推动各自的涡轮，维持各燃气轮机的自身循环并对外发电；4)将燃气轮机涡轮后的高温烟气引入余热锅炉，进入蒸汽发电和供热循环。

对于上述用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，其中：用于压缩燃气的燃气轮机可为一台，用于压缩空气的燃气轮机也可为一台。

对于上述用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，其中：用于压缩燃气的燃气轮机为一台，用于压缩空气的燃气轮机还可为多台。

对于上述用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，其中：所述用于压缩燃气的燃气轮机还可为多台，所述用于压缩空气的燃气轮机为至少一台。

本发明的一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，包括由压气机、燃烧室及涡轮组成的燃气轮机。燃气轮机为多台，包括将压气机用于压缩燃气的部分燃气轮机和将压气机用于压缩空气的其余燃气轮机；用于压缩燃气的燃气轮机的压气机，除与该燃气轮机自身的燃烧室相连通之外，还通过用于取送部分经压缩的燃气的管道，连通至用于压缩空气的燃气轮机的燃烧室；用于压缩空气的燃气轮机的压气机，除与该燃气轮机自身的燃烧室相连通之外，还通过用于取送经压缩的空气的管道，连通至用于压缩燃气的燃气轮机的燃烧室；燃气轮机的燃烧室与该燃气轮机自身的涡轮容纳部分相连通。

本发明的另一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，包括由压气机、燃烧室及涡轮组成的燃气轮机。燃气轮机为多台，包括将压气机用于压缩燃气的部分燃气轮机和将压气机用于压缩空气的其余燃气轮机；用于压缩燃气的燃气轮机的压气机，通过用于取送经压缩的燃气的管道，连通至外部的燃烧室；用于压缩空气的燃气轮机的压气机，通过用于取送经压缩的空气的管道，连通至所述外部的燃烧室；外部的燃烧室，通过对燃烧所生成的烟气进行分配的管道，连通至各燃气轮的涡轮容纳部分。

对于上述用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，其中：用于压缩燃气的燃气轮机可为一台，用于压缩空气的燃气轮机也可为一台。

对于上述用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，其中：用于压缩燃气的燃气轮机为一台，用于压缩空气的燃气轮机还可为多台。

对于用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，其中：用于压缩燃气的燃气轮机还可为多台，所述用于压缩空气的燃气轮机为至少一台。

本发明提供的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法以及使用该方法的系统，仅使用现有的为高热值燃气开发的燃气轮机，就能适应任何热值的燃气，并省略了当前利用燃气轮机组成的燃气、蒸汽联合循环发电系统中的燃气压缩机，直接由一台或多台燃气轮机的压气机对燃料进行压缩，因此，可以减少为不同热值燃料开发不同新燃气轮机的工作，也可以减少对现有燃气轮机进行改造的工作，并避免改造燃气轮机所引起的燃气轮机效率降低。另外，本发明的方法可以减少从涡轮轴到燃气压缩机整个传动链上的机械传动损耗和电能、机械能转换损耗，因而进一步提高系统效率。

附图说明

图1是用双燃气轮机和多燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电方法的燃气轮机系统组成图。

具体实施方式

本发明至少采用两台燃气轮机来构建燃气、蒸汽联合循环发电系统。在图1中，1和2是两台燃气轮机，1A、1B、1C和2A、2B、2C分别是两台燃气轮机的压气机、燃烧室及涡轮。

燃气轮机1将压气机1A用于压缩空气，燃气轮机2将压气机2A用于压缩燃气。

燃气轮机2的压气机2A，燃气轮机2的燃烧室2B相连通之外，通过用于取送部分经压缩的燃气的管道(未示出)，连通至燃气轮机1的燃烧室1B；燃气轮机1的压气机1A，除与燃气轮机1的燃烧室1B相连通之外，还通过用于取送经压缩的空气的管道(未示出)，连通至用于燃气轮机2的燃烧室2B。

燃气轮机1的燃烧室1B与涡轮1C的容纳部分相连通，燃气轮机2的燃烧室2B与涡轮2C的容纳部分相连通。

对一定热值的燃料，根据燃气轮机涡轮前允许温度所确定的理想空气、燃气比为α。本发明的方法为，选择流量能力分别为V_m(V_m为燃气、蒸汽联合循环发电系统的燃料流量)和αV_m的两台燃气轮机，其中，流量为V_m的燃气轮机1的压气机1A以燃气为介质，流量为αV_m的燃气轮机2的压气机2A以空气为介质。在两台燃气轮机的压气机末端，每台燃气轮机均取出流量为[α/(1+α)]V_m的气体，送到另一台燃气轮机的燃烧室1B或2B，与另一台燃气轮机压气机后剩余的压缩气体进行混合和燃烧，推动涡轮1C和2C旋转发电。空气和燃气在两台燃气轮机中的比例如下：

第1台燃气轮机

压气机进口空气：αV_m

压气机进口燃气：0

燃烧室进口空气：αV_m-[α/(1+α)]V_m＝[α²/(1+α)]V_m

燃烧室进口燃气：[α/(1+α)]V_m

燃烧室空气、燃气比例：{[α²/(1+α)]V_m}/{[β/(1+α)]V_m}＝α

第2台燃气轮机

压气机进口空气：0

压气机进口燃气：V_m

燃烧室进口空气：[α/(1+α)]V_m

燃烧室进口燃气：V_m-[α/(1+α)]V_m＝[1/(1+α)]V_m

燃烧室空气、燃气比例：{[α/(1+α)]V_m}/{[1/(1+α)]V_m}＝α

可以看出，两台燃气轮机燃烧室中的空气、燃气比例均为α，而每台燃气轮机燃烧室中的气体总量与其压气机进口处的气体总量相同。因此，只需要使用为高热值燃料开发的燃气轮机，通过选择恰当的能力比，就可以适应任意热值的燃气。

在难以选型能力比为α的两台燃气轮机的情形下，本发明提供了使用多台燃气轮机的方法。具体方法是，选择n1台能力为αV_m/n1和n2台能力为V_m/n2的共n1+n2台燃气轮机组成燃气轮机发电系统，其中n1台燃气轮机用于压缩空气，n2台燃气轮机用于压缩燃气。这样，通过调整合适的n1和n2，可以扩展燃气轮机的可选型范围。

采用本发明所提出的方法，可以直接使用现在已经市场化的成熟机种和型号来组建燃烧任意热值燃料的燃气轮机发电系统。

如果燃气热值与燃气轮机的设计热值相差较大，需要对燃气轮机的燃烧室进行相应的改造。也可以在燃气轮机外设置新的燃烧室，将各燃气轮机压气机末尾的气体引入新燃烧室进行燃烧，然后将燃烧后的高温烟气按合适的比例引入到每个燃气轮机的涡轮前。

在本方法的实施过程中，由于各燃气轮机的压气机与涡轮均能保持流量平衡，因此压气机和涡轮均不需要进行改造。所需要改造的部分为燃气轮机的燃烧室，这部分也是整个燃气轮机上最容易进行改造的部分。

因此，采用本发明的方法和系统，可以减少为不同热值燃料开发不同新燃气轮机的工作，也可以减少对现有燃气轮机进行改造的工作，并避免改造燃气轮机所引起的燃气轮机效率降低。另外，采用本发明的方法，可以减少从涡轮轴到燃气压缩机整个传动链上的机械传动损耗和电能、机械能转换损耗，同时，由于燃气轮机压气机有比一般燃气压缩机更高的效率，按本发明的方法组建的燃气轮机发电系统比现有的燃气、蒸汽联合循环发电系统有更高的净发电效率。

Claims

1.一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，该方法包括：

1)用部分燃气轮机的压气机压缩燃气，用其余燃气轮机的压气机压缩空气；在设定空气、燃气比为α时，选择n1台压气机进口流量为αV_m/n1的用于压缩空气的燃气轮机和n2台压气机进口流量为V_m/n2的用于压缩燃气的燃气轮机共n1+n2台燃气轮机；

2)将所述用于压缩燃气的燃气轮机和用于压缩空气的燃气轮机在各自的压气机后分别取出部分气体供给对方的燃烧室进行混合燃烧，使在各自的燃烧室中混合燃烧的燃气与空气的比例符合燃气燃值所要求的比例α；

3)用所述燃烧产生的高温烟气推动燃气轮机的涡轮，以维持各燃气轮机的自身循环并对外发电；

4)将燃气轮机涡轮后的高温烟气引入余热锅炉，进入蒸汽发电和供热循环。

2.一种用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，该方法包括：

2)将用于压缩燃气的燃气轮机和用于压缩空气的燃气轮机在各自的压气机后取出全部气体，送往外部的燃烧室进行掺混燃烧，使在外部燃烧室内掺混燃烧的燃气与空气的比例符合燃气燃值所要求的比例α；

3)将外部燃烧室燃烧生成的高温烟气送回到各燃气轮机的涡轮前，推动各自的涡轮，维持各燃气轮机的自身循环并对外发电；

3.根据权利要求1或2所述的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，其中：所述用于压缩燃气的燃气轮机为一台，所述用于压缩空气的燃气轮机为一台。

4.根据权利要求1或2所述的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，其中：所述用于压缩燃气的燃气轮机为一台，所述用于压缩空气的燃气轮机为多台。

5.根据权利要求1或2所述的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，其中：所述用于压缩燃气的燃气轮机为多台，所述用于压缩空气的燃气轮机为至少一台。

6.根据权利要求1所述的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的方法，其中：所述用于压缩燃气的燃气轮机为一台，所述用于压缩空气的燃气轮机为一台，即n1＝n2＝1，从所述各自的压气机分别取出的部分气体流量为[α/(1+α)]V_m。

7.一种在权利要求1所述用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电方法中使用的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，包括由压气机、燃烧室及涡轮组成的燃气轮机，其特征在于：

所述燃气轮机为多台，包括将压气机用于压缩燃气的部分燃气轮机和将压气机用于压缩空气的其余燃气轮机；

所述用于压缩燃气的燃气轮机的压气机，除与该燃气轮机自身的燃烧室相连通之外，还通过用于取送部分经压缩的燃气的管道，连通至用于压缩空气的燃气轮机的燃烧室；

所述用于压缩空气的燃气轮机的压气机，除与该燃气轮机自身的燃烧室相连通之外，还通过用于取送经压缩的空气的管道，连通至用于压缩燃气的燃气轮机的燃烧室；

所述燃气轮机的燃烧室与该燃气轮机自身的涡轮容纳部分相连通。

8.一种在权利要求2所述用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电方法中使用的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，包括由压气机、燃烧室及涡轮组成的燃气轮机，其特征在于：

所述用于压缩燃气的燃气轮机的压气机，通过用于取送经压缩的燃气的管道，连通至外部的燃烧室；

所述用于压缩空气的燃气轮机的压气机，通过用于取送经压缩的空气的管道，连通至所述外部的燃烧室；

所述外部的燃烧室，通过对燃烧所生成的烟气进行分配的管道，连通至各燃气轮机的涡轮容纳部分。

9.根据权利要求7或8所述的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，其中：所述用于压缩燃气的燃气轮机为一台，所述用于压缩空气的燃气轮机为一台。

10.根据权利要求7或8所述的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，其中：所述用于压缩燃气的燃气轮机为一台，所述用于压缩空气的燃气轮机为多台。

11.根据权利要求7或8所述的用多台燃气轮机进行燃气、蒸汽联合循环发电的系统，其中：所述用于压缩燃气的燃气轮机为多台，所述用于压缩空气的燃气轮机为至少一台。