CN102278205A - 可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于分布式的空气及燃料湿化的燃气轮机联合循环方法，涉及燃气轮机技术，燃气轮机压气机出口和燃烧室之间有空气湿化装置，压缩空气经湿化系统加湿后再预热进入燃烧室，空气加湿的热源由外部中低温热源提供；燃料进入燃烧室前也经湿化器加湿再预热。本发明的燃气轮机联合循环方法，可充分利用中低品位热量提高燃气轮机联合循环性能，在涡轮前温度、压气机压比和部件效率相同的条件下，可比常规燃气轮机联合循环在热效率指标方面提高约10％-15％，在单位空气流量的输出功率指标方面提高20％-30％。

Description

可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体地说是一种燃气轮机的循环方法。

背景技术

在工业过程中，存在大量的难以高效利用的中低低温热，这些热或者直接排放，或者被冷却水带走，造成了大量的能源浪费。有效的利用这些工业过程中的低温废热，可节约能源，减少排放。

燃气轮机是利用清洁能源的新一代动力装置，可以高效清洁的将天然气、煤气(如整体煤气化联合循环)或油高效的转化为电力。为提高燃气轮机效率一方面可提高燃气轮机本身的性能，如提高燃烧室出口温度、提高燃气轮机压比以及提高压气机、透平等部件效率等。目前，H级燃气轮机的燃烧室出口温度已达1400℃以上，而大型轴流压气机的效率可达92％以上，进一步提高初温或者部件性能，所需要付出的代价越来越大。除燃气轮机本身的性能提高，另外一条重要的途径是进行系统集成，用合理的系统安排来推动燃气轮机性能的改善。目前使用最广泛、发电效率最高的燃气-蒸汽联合循环就是对燃气轮机单循环有效的发展，采用H级燃气轮机的联合循环发电效率可以达到60％。

为了更好地达到高效、低排放、低成本、灵活性高的目标，人们不断提出和开发各种基于燃气轮机的新型循环。利用水加湿燃气轮机工质的燃气轮机循环就是其中最具代表性的一种。其中最具有代表性的是湿空气透平循环，它通过空气湿化器充分回收燃气轮机排气中的中低温余热，并通过燃气轮机排气对湿空气进行回热，获得了与联合循环相当的系统效率，并简化了系统结构。空气湿化，是燃气轮机循环利用热水对空气加湿，与联合循环余热锅炉蒸发器相比，火用损失低，利用中低温热源对工质进行加湿是中低品位热利用的有效方式之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法，可以充分利用外部中低品位热提高燃气轮机循环效率。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法，其包括：

A)燃气轮机压气机出口和燃烧室之间设有空气湿化装置，空气在湿化器中被加湿；

B)燃料在进入燃烧室前经燃料湿化装置湿化；

C)将A)和B)步所得湿化后的空气、燃料输入燃烧室。

所述的燃气轮机联合循环方法，其还包括加热步骤：

C)对A)和B)步所得湿化后的空气、燃料加热；

D)将C)步所得湿化并加热后的空气、燃料输入燃烧室。

所述的燃气轮机联合循环方法，其所述空气、燃料的湿化，采用中低温热源：热水。

所述的燃气轮机联合循环方法，其所述空气、燃料的加热，采用回热器、蒸汽。

所述的燃气轮机联合循环方法，其所述空气湿化加热过程为：

A)经压气机压缩后的空气经过后冷器冷却以后进入空气湿化器与热水直接逆流接触，空气被加热加湿；

B)压气机出口压缩空气经后冷器冷却后进入空气湿化装置，热水通过雾化喷嘴喷入空气，在空气中蒸发，然后湿空气再经过回热器加热后进入燃烧室。

一种所述的燃气轮机联合循环方法使用的装置，包括压气机1、燃烧室6、透平7、余热锅炉8、汽轮机9；其中，余热锅炉8与汽轮机9相连接；其还包括回热器2、空气湿化装置3、燃料湿化装置4、燃料预热器5、中低温热源12；其中，在压气机1与燃烧室6之间设有回热器2，在燃烧室6燃料入口上游设有燃料预热器5；

中低温热源12的输出端分别与空气湿化装置3、燃料湿化装置4的输入端相通联，空气湿化装置3、燃料湿化装置4的输出端分别与中低温热源12的输入端相通联，形成回路；

空气湿化装置3的另一输入端与回热器2的输出端连接，空气湿化装置3的输出端与回热器2的另一输入端连接，再经回热器2的另一输出端与燃烧室6连接；

燃料湿化装置4的燃料输入端13与燃料存储设备相通连接；回热器2的一输入端与压气机1的一输出端连接，燃料预热器5的一输入端与余热锅炉8的一输出端连接，燃料预热器5的一输出端与燃烧室6连接。

所述的燃气轮机联合循环方法使用的装置，其所述空气湿化装置3、燃料湿化装置4的输出端分别与中低温热源12的输入端连接的管道上，设有补水管。

所述的燃气轮机联合循环方法使用的装置，其所述中低温热源12，为太阳能集热器。

本发明属于复杂燃气轮机循环，现有的复杂燃气轮机循环机组和技术方案尽管已有较高的热效率，但本发明的技术方案是一个效率更高、技术更先进的燃气轮机复杂循环。本发明将目前最为高效成熟的燃气轮机联合循环和可充分利用中低品位热的湿化过程集成，形成空气及燃料湿化联合循环方法，效果大幅超越了原有技术。

本发明的空气及燃料湿化联合循环方法优点在于：

(1)与常规燃天然气轮机联合循环系统相比，本发明的一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机循环方法，在涡轮前温度、燃气轮机压比和部件效率相同的条件下，通过利用外部低品位余热，可在系统热效率指标方面提高10％-15％，在输出功率指标方面提高20％-30％。

(2)与烧中低热值富氢燃料气的联合循环系统相比，本发明的一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机循环在方法热效率指标方面提高10％-15％，在输出功率指标方面提高20％-30％，同时NOx排放可降低50％以上。

(3)将本发明的一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机循环方法与中低温太阳能热集成，利用太阳能产中低温热水，热水用于本发明的一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机循环的空气及燃料加湿，可显著提高太阳能转化为电的效率，等效太阳能热发电效率可达到21％，远高于目前独立的太阳能热发电约14％的效率，而且只需利用太阳能集热器产生中低温热水，有望大幅降低太阳能利用成本。

与同类比较，本发明的一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环功率效率能够得到大幅度提高的原因是：空气/燃料湿化过程具有很高的火用效率，可充分利用中低品位的热量，而燃气轮机联合循环是一种成熟高效的燃气轮机循环，本发明将联合循环与空气/燃料湿化过程集成，在保持联合循环成熟高效优点的同时，集成了湿空气透平循环有效利用低品位热的关键过程。

附图说明

图1是本发明的一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法示意图；其中：

压气机1、回热器(后冷器)2、空气湿化装置3、燃料湿化装置4、燃料预热器5、燃烧室6、透平7、余热锅炉8、汽轮机9、凝汽器10、给水泵11、中低温热源12、燃料输入端13；

图2是本发明的第一种具体实施方式的结构示意图；

图3是本发明的第二种具体实施方式的结构示意图。

具体实施方式

本发明的一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法的热力循环方案为：从循环工质压缩过程起点开始，1)压缩：主体循环工质(空气、氦气等)流经压气机升压，流程终端为温度和压力均高于环境状态的压缩空气；2)回热器高温侧流程：升压后的主体循环工质在回热器(后冷器)中与低温侧气体在表面式换热器中换热降低温度；3)空气湿化：主体循环工质进入空气湿化装置，被加湿后从湿化装置引出；4)空气预热：湿空气进入回热器(后冷器)冷侧，与热侧气体在表面式换热器热中换热升温；5)燃烧/加热：在燃烧/加热室通过直接或者间接传热方式吸收热量；6)膨胀做功：高温高压混合循环工质在透平中膨胀做功，降温降压；7)余热锅炉：涡轮出口带有余热的循环工质通过余热锅炉产生高/中/低压热水或者蒸汽；8)向低温冷源放热：循环工质向低温冷源放热，重新回到常温初压的压缩过程起点，对于开式循环，循环工质直接排向大气，对于闭式循环，循环工质通过预冷器与冷媒表面换热间接向大气环境放热，同时冷凝出在空气/燃料湿化过程中所加入的水分。

本发明将常规联合循环和燃气轮机工质的湿化集成，在保持联合循环底循环不变的情况下，对燃气轮机压气机出口空气以及燃气轮机燃料气进行加湿，加湿空气和燃料气的热源由外部提供，可以是工业过程的废热，也可以是太阳能所产热水等。

如图1为本发明一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法示意图所示，主要包括：

压气机1、回热器(后冷器)2、空气湿化装置3、燃料湿化装置4、燃料预热器5、燃烧室6、透平7、余热锅炉8、汽轮机9、凝汽器10、给水泵11、中低温热源12、燃料输入端13等组合而成。本发明一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环系统由燃气轮机联合循环和空气湿化装置及燃料湿化装置集成。空气湿化装置3的一输入端与回热器2的一输出端连接，空气湿化装置3的一输出端与回热器2的一输入端连接，再经回热器2的输出端与燃烧室6连接。燃料湿化装置4的一输入端与燃料输入端13连接，燃料湿化装置4的一输出端与燃料预热器5的一输入端连接。空气湿化装置3的一输入端与中低温热源12的一输出端连接，空气湿化装置3的一输出端与中低温热源12的一输入端连接。燃料湿化装置4的一输入端与中低温热源12的一输出端连接，燃料湿化装置4的一输出端与中低温热源12的一输入端连接。回热器2的一输入端与压气机1的一输出端连接，回热器2的一输出端与空气湿化装置3的一输入端连接。燃料预热器5的一输入端与余热锅炉8的一输出端连接，燃料预热器5的一输出端与燃烧室6连接。

余热锅炉8与汽轮机9相连接：汽轮机9的输出端经凝汽器10、水泵11，及余热锅炉8的加热管路与汽轮机9的输入端相通联，构成回路。

本发明的一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法提高效率和功率的理论依据及原理是：空气/燃料湿化过程是利用中低温热水加湿空气/燃料，空气/燃料经湿化以后，流量增加，则透平输出功加大，而压气机的耗功不变，则燃气轮机循环的功率和效率都会提高；在同样的燃料消耗量下，燃气轮机循环的输出功大幅增加，也就是热效率的大幅增加。

下面结合附图举例对本发明作更详细的描述：

结合图2，空气及燃料湿化燃气轮机联合循环的第一种实施方式的组成包括压气机、后冷器(回热器)、空气湿化器、燃烧室、涡轮、燃料湿化器、燃料预热器、余热锅炉、汽轮机、太阳能集热器等。经压气机压缩后的空气经过后冷器冷却以后进入空气湿化器与热水直接逆流接触，空气被加热加湿。加湿空气和燃料的热水来自太阳能集热装置，热水加湿空气及燃料气后从湿化器底部引出，送回太阳能集热装置吸热、升温再回到湿化器。

结合图3，空气及燃料湿化燃气轮机联合循环的第二种实施方式包含了第一种实施方式的主要组成部分，其区别在于采用的空气湿化方式不同，所述空气湿化过程为：压气机出口压缩空气经后冷器(回热器)冷却后进入空气湿化装置，热水通过雾化喷嘴喷入空气，在空气中蒸发，然后湿空气再经过回热器(后冷器)加热再进入燃烧室。

Claims (8)

1.一种可用于分布式的空气及燃料湿化燃气轮机联合循环方法，其特征是：包括：

A)燃气轮机压气机出口和燃烧室之间设有空气湿化装置，空气在湿化器中被加湿；

B)燃料在进入燃烧室前经燃料湿化装置湿化；

C)将A)和B)步所得湿化后的空气、燃料输入燃烧室。

2.如权利要求1所述的燃气轮机联合循环方法，其特征是：还包括加热步骤：

C)对A)和B)步所得湿化后的空气、燃料加热；

D)将C)步所得湿化并加热后的空气、燃料输入燃烧室。

3.如权利要求1所述的燃气轮机联合循环方法，其特征是：所述空气、燃料的湿化，采用中低温热源：热水。

4.如权利要求2所述的燃气轮机联合循环方法，其特征是：所述空气、燃料的加热，采用回热器、蒸汽。

5.如权利要求1所述的燃气轮机联合循环方法，其特征是：所述空气湿化加热过程为：

A)经压气机压缩后的空气经过后冷器冷却以后进入空气湿化器与热水直接逆流接触，空气被加热加湿；

B)压气机出口压缩空气经后冷器冷却后进入空气湿化装置，热水通过雾化喷嘴喷入空气，在空气中蒸发，然后湿空气再经过回热器加热后进入燃烧室。

6.一种如权利要求1或2所述的燃气轮机联合循环方法使用的装置，包括压气机(1)、燃烧室(6)、透平(7)、余热锅炉(8)、汽轮机(9)；其中，余热锅炉(8)与汽轮机(9)相连接；其特征是：还包括回热器(2)、空气湿化装置(3)、燃料湿化装置(4)、燃料预热器(5)、中低温热源(12)；其中，在压气机(1)与燃烧室(6)之间设有回热器(2)，在燃烧室(6)燃料入口上游设有燃料预热器(5)；

中低温热源(12)的输出端分别与空气湿化装置(3)、燃料湿化装置(4)的输入端相通联，空气湿化装置(3)、燃料湿化装置(4)的输出端分别与中低温热源(12)的输入端相通联，形成回路；

空气湿化装置(3)的另一输入端与回热器(2)的输出端连接，空气湿化装置(3)的输出端与回热器(2)的另一输入端连接，再经回热器(2)的另一输出端与燃烧室(6)连接；

燃料湿化装置(4)的燃料输入端(13)与燃料存储设备相通连接；回热器(2)的一输入端与压气机(1)的一输出端连接，燃料预热器(5)的一输入端与余热锅炉(8)的一输出端连接，燃料预热器(5)的一输出端与燃烧室(6)连接。

7.如权利要求6所述的燃气轮机联合循环方法使用的装置，其特征是：所述空气湿化装置(3)、燃料湿化装置(4)的输出端分别与中低温热源(12)的输入端连接的管道上，设有补水管。

8.如权利要求6所述的燃气轮机联合循环方法使用的装置，其特征是：所述中低温热源(12)，为太阳能集热器。

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