CN102278207B - 基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法，涉及燃气轮机技术，首先利用溶液除湿技术干燥压气机入口空气，然后在空气中喷水，通过水在空气中的蒸发吸热，达到降低空气温度的目的。由于空气温度降低，燃气轮机的效率和比功得以提高。其中，除湿溶液浓缩再生所需的热量由燃气轮机低温排气余热提供，通过烟道加热器加热水，以热水为介质加热溶液来驱动整套装置运行。本发明用于提高燃气轮机效率和功率，能有效克服直接接触式喷水蒸发冷却技术受环境湿度影响较大的问题，对在高温高湿地区应用的燃气轮机提高性能作用明显。

Description

基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是一种燃气轮机进口空气的冷却方法。

背景技术

燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平(简称透平)组成。压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转，余功作为燃气轮机的输出机械功并可产生电力。从燃烧室到透平进口的燃气温度称为燃气初温。初温越高透平出功越多，燃气轮机的输出功就越大。为充分利用燃气轮机的排气余热，一般在燃气轮机后部设置余热回收装置(用于产生蒸汽做功等)，最后燃气在100℃左右被排放。

由于燃气轮机是恒体积流量的动力设备，流过的空气质量取决于空气密度，气温越高，密度越低，致使吸入压气机的空气质量流量减少，机组的作功能力随之变小。另外，压气机的耗功量随吸入空气的热力学温度成正比变化，即大气温度升高时，压气机耗功增加，燃气轮机的净出力减小，效率下降。据研究，环境温度每升高1℃，最大可导致燃气轮机额定发电能力下降1％。而环境温度较高的季节与时段，一般正是电力需求的高峰时期，这造成在电力价值最高的时候，燃气轮机发电出力反而下降，这势必影响到燃气轮机发电系统的经济性。

采用冷却技术对燃气轮机入口空气进行冷却，在夏季尖峰负荷期间能提高联合循环电站的发电能力，是解决上述问题的主要方法，可带来具有较高的节能效益和经济效益。一般而言，入口空气冷却温度越低，燃气轮机性能改善越大。目前，进气冷却技术主要有两类：一类是间接接触式制冷，以除去进气的显热和潜热，如溴化锂吸收机冷却或电制冷冷水机组冷却；另一类是直接接触制冷，以除去进气显热，如蒸发冷却方法。在蒸发冷却过程中，水不断喷向空气，湿空气相对湿度不断提高，当相对湿度达到100％时，蒸发降温过程停止。蒸发冷却方法系统简单，投资少，运行及维护费用低。但是，蒸发冷却后压气机进气温度只能接近，却永远也达不到环境湿球温度，受环境湿度及水温影响较大，一般多用于高温、干燥的地区，对高温、高湿的地区作用有限。

溶液除湿系指采用具有调湿功能的盐溶液(如溴化锂)为工作介质，利用盐溶液的吸湿和放湿特性来达到对湿空气进行干燥的目的。它使用浓溶液对空气进行除湿，除湿处理之后得到的稀溶液进行再生处理。由于对稀溶液进行溶液再生所需的温度较低(溶液再生只需要＞70℃的低温热水)，这就为利用燃气轮机循环的低湿排气进行溶液再生提供了可能。在溶液除湿过程中，主要消耗的是溶液再生的热能，另外消耗少量的电能用于溶液泵等输配系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法，用以在高温、高湿条件下提高燃气轮机效率和比功。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法，其包括：

A)利用燃气轮机低温排气余热制取热水，以热水驱动溶液除湿器对压气机入口空气进行干燥；

B)将A)步干燥过的空气喷水，通过水在空气中的蒸发吸热降低空气温度；

C)将B)步输出的空气输入水滴过滤器，过滤空气中携带的小水滴，以减小水滴对压气机的损害；

D)将C)步处理后的空气输入压气机，然后供燃烧室使用。

所述的燃气轮机进气冷却方法，其所述溶液除湿器，是用冷却水带走溶液除湿器中除湿过程产生的热量，避免经干燥的空气温度上升影响整个进气冷却效果；冷却水在冷却塔中循环。

一种所述的燃气轮机进气冷却方法使用的装置，包括燃气轮机、余热回收装置7；其还包括溶液除湿器13、水蒸发冷却器1、水滴过滤器2、烟气热水换热器8、溶液热水换热器9、溶液再生器10；其中，

余热回收装置7的燃气输出端与烟气热水换热器8热燃气输入端连接；燃气轮机排气由烟气热水换热器8的燃气输出端排出；烟气热水换热器8的水输出端与溶液热水换热器9的水输入端连接；烟气热水换热器8的水输入端与溶液热水换热器9的水输出端连接；溶液热水换热器9的溶液输入端与稀溶液泵12的输出端连接；溶液热水换热器9的溶液输出端与溶液再生器10的溶液输入端连接；溶液再生器10的溶液输出端与浓溶液泵11的输入端连接；用于除湿的空气由溶液再生器10的空气输入端进入，由空气输出端排出，至溶液除湿器13的空气输入端；浓溶液泵11的输出端与溶液除湿器13的浓溶液输入端连接；溶液除湿器13的稀溶液输出端与稀溶液泵12的输出端连接；溶液除湿器13的一输出端与冷却溶液泵14的输入端连接，冷却溶液泵14的输出端与溶液除湿器13的一输入端连接，形成冷却水循环；

溶液除湿器13的干燥空气输出端与水蒸发冷却器1的空气输入端连接；水蒸发冷却器1的空气输出端与水滴过滤器2的输入端连接；用于蒸发冷却的水由水蒸发冷却器1的水输入端进入，未蒸发的水由水蒸发冷却器1的水输出端排出；水滴过滤器2的输出端与压气机3输入端连接；压气机3输出端与燃烧室4空气输入端连接。

所述的装置，其还包括溶液冷水换热器15、冷却水泵16、冷却水塔17；其中，溶液除湿器13的一输出端与冷却溶液泵14的输入端连接；冷却溶液泵14的输出端与溶液冷水换热器15的溶液输入端连接；溶液冷水换热器15的溶液输出端与溶液除湿器13的一输入端连接；冷却溶液泵14的水输出端与冷却水泵16的输入端连接；冷却水泵16的输出端与冷却水塔17的水输入端连接；冷却水塔17的水输出端与溶液冷水换热器15的水输入端连接。

本发明能有效克服直接接触式喷水蒸发冷却技术受环境湿度影响较大的问题，对在高温高湿地区应用的燃气轮机提高性能作用明显。

附图说明

图1是本发明的基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法流程示意图；

图2是本发明的基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法具体实施例的示意图；其中：水蒸发冷却器1、水滴过滤器2、压气机3、燃烧室4、透平5、发电机或负荷6、燃气轮机排气余热回收装置7、烟气热水换热器8、溶液热水换热器9、溶液再生器10、浓溶液泵11、稀溶液泵12、溶液除湿器13、冷却溶液泵14、溶液冷水换热器15、冷却水泵16、冷却塔17。

具体实施方式

见图1，是本发明的基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法流程示意图：在原有的燃气轮机及余热回收装置组成的燃气轮机循环后部设有烟气热水换热器，回收燃气轮机循环排气中的低温余热在烟气热水换热器产生＞70℃的热水，燃气轮机排气排入大气；热水在溶液热水换热器中将由溶液除湿器送来的稀溶液加热；稀溶液升温后进入溶液再生器，在溶液再生器中与室外空气接触，向空气释放出水分，实现浓缩再生；浓溶液送往溶液除湿器；进入燃气轮机的空气首先进入溶液除湿器与浓溶液直接接触，空气中的水分被浓溶液吸收，变成足够干燥的空气(含湿量8～9g/kg空气)；溶液除湿器中的溶液由冷却水换热冷却；冷却水送往冷却塔，经冷却的冷却水再送往溶液冷水换热器；由溶液除湿器出来的干燥空气进入水蒸发冷却器；由水蒸发冷却器出来的经过冷却的空气进入水滴过滤器，然后进入燃气轮机。

本发明将燃气轮机及其循环、低品位余热回收、溶液除湿技术、燃气轮机进气蒸发冷却技术有机集成，形成利用燃气轮机低品位热量驱动溶液除湿、再利用蒸发冷却技术实现燃气轮机进气冷却的方法，在高温高湿地区提高燃气轮机效率和功率的效果大幅超越了简单的直接接触式喷水蒸发冷却技术方案。

本发明的基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法，在环境温度为35℃、相对湿度为80％的条件下，假定燃气初温、压气机压比和部件效率相同且在水蒸发冷却器1中空气加湿到相对湿度95％，较不采取任何冷却措施，采用简单的蒸发冷却方法使燃气轮机的功率提高约1.8～2.2％、效率提高约0.5～1.8％；而采用本发明的基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法，可使燃气轮机的功率提高约11.0～15.0％、效率提高约3.0～7.0％。功率和效率提高的幅度因燃气轮机、环境条件等而异，但本发明的适用性不受燃气轮机型号、容量的限制。

本发明的基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法包括以下技术环节：

1)余热回收：回收燃气轮机循环排气中的低温余热，在烟气热水换热器产生＞70℃的热水；

2)溶液除湿：热水做为溶液再生器的热源，驱动整套溶液除湿装置运行，干燥进入燃气轮机的空气，同时采用冷却水带走溶液除湿器中除湿过程产生的热量，避免经干燥的空气温度上升影响整个的进气冷却效果；

3)蒸发冷却：干燥空气进入水蒸发冷却器，通过水的蒸发，达到降低空气温度的效果；

4)水滴过滤：经过冷却的空气进入水滴过滤器，除却空气中夹带的水滴，减少水滴对压气机的损害。

燃气轮机循环的技术环节则包括：

1)湿空气压缩：湿空气流经压气机升压，流程终端为温度和压力均高于环境状态的压缩空气；

2)燃烧升温：在燃烧室吸收燃料释放的热量；

3)燃气膨胀做功：高温高压燃气在透平中膨胀做功，降温降压；

4)余热回收：透平出口带有余热的燃气通过余热回收装置产生高/中/低压热水或者蒸汽；

5)燃气直接排向大气。

本发明的基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法的理论依据及原理是：

1)溶液除湿：当溶液浓度较低时，溶液的表面蒸汽压高于周围空气的水蒸气分压时，溶液中的液态水变为气态进入空气中，溶液被浓缩再生；当溶液浓度较高时，溶液的表面蒸汽压低于周围空气的水蒸气分压时，空气中水变为液态进入溶液中，空气被除湿；

2)蒸发冷却：蒸发冷却过程是一个定焓过程，它利用水的蒸发潜热，在饱和绝热的过程中，将入口空气从干球温度降低到接近湿球温度，达到降低空气温度的效果。由于在蒸发冷却器之前设有溶液除湿器，通过蒸发冷却过程，空气可以被冷却到更低的温度；

3)进气冷却提高燃气轮机性能：压气机入口空气温度降低，空气密度增加，吸入压气机的空气流量增加，机组的作功能力随之增加；另外，压气机的耗功量随吸入空气的热力学温度成正比变化，即大气温度降低，压气机耗功减小，燃气轮机的净出力增加，机组效率随之提高。

下面结合图2举例对本发明作更详细的描述：结合图2，基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法的组成包括用于燃气轮机进气冷却的溶液除湿器13、水蒸发冷却器1、水滴过滤器2、烟气热水换热器8、溶液热水换热器9、溶液再生器10、浓溶液泵11、稀溶液泵12、冷却溶液泵14、溶液冷水换热器15、冷却水泵16、冷却塔17，以及原有的燃气轮机循环部件压气机3、燃烧室4、透平5、发电机或负荷6和燃气轮机排气余热回收装置7。

装置的连接方式为：作为燃气轮机工质的空气首先进入溶液除湿器13；溶液除湿器13的干燥空气输出端与水蒸发冷却器1的空气输入端连接；水蒸发冷却器1的空气输出端与水滴过滤器2的输入端连接；用于蒸发冷却的水由水蒸发冷却器1的水输入端进入，未蒸发的水由水蒸发冷却器1的水输出端排出；水滴过滤器2的输出端与压气机3输入端连接；压气机3输出端与燃烧室4空气输入端连接；用于加热空气的燃料由燃烧室4燃料输入端进入；燃烧室4输出端与透平5输入端连接；透平5燃气输出端与余热回收装置7输入端连接；燃气轮机透平5膨胀功扣除压气机3压缩功之后的余功推动发电机或负荷6运转；余热回收装置7的燃气输出端与烟气热水换热器8热燃气输入端连接；燃气轮机排气由烟气热水换热器8的燃气输出端排出；烟气热水换热器8的水输出端与溶液热水换热器9的水输入端连接；烟气热水换热器8的水输入端与溶液热水换热器9的水输出端连接；溶液热水换热器9的溶液输入端与稀溶液泵12的输出端连接；溶液热水换热器9的溶液输出端与溶液再生器10的溶液输入端连接；溶液再生器10的溶液输出端与浓溶液泵11的输入端连接；用于除湿的空气由溶液再生器10的空气输入端进入，由空气输出端排出；浓溶液泵11的输出端与溶液除湿器13的浓溶液输入端连接；溶液除湿器13的稀溶液输出端与稀溶液泵的输出端连接；溶液除湿器13的一输出端与冷却溶液泵14的输入端连接；冷却溶液泵14的输出端与溶液冷水换热器15的溶液输入端连接；溶液冷水换热器15的溶液输出端与溶液除湿器13的一输入端连接；冷却溶液泵14的水输出端与冷却水泵16的输入端连接；冷却水泵16的输出端与冷却水塔17的水输入端连接；冷却水塔17的水输出端与溶液冷水换热器15的水输入端连接。

烟气热水换热器8回收燃气轮机循环排气中的低温余热并产生＞70℃的热水；热水在溶液热水换热器9中将稀溶液泵12送来的稀溶液加热；稀溶液升温后进入溶液再生器10，在溶液再生器10中与室外空气接触并向空气释放出水分，实现浓缩再生；浓溶液由浓溶液泵11送往溶液除湿器13；进入燃气轮机的空气首先进入溶液除湿器13与浓溶液直接接触，空气中的水分被浓溶液吸收，变成干燥空气；溶液除湿器13底部的溶液不断由冷却溶液泵14泵入溶液冷水换热器15，与冷却水换热冷却；冷却水由冷却水泵16送往冷却塔17进行冷却；由溶液除湿器13出来的干燥空气进入水蒸发冷却器1；由水蒸发冷却器1出来的经过冷却的空气进入水滴过滤器2，然后进入压气机3。

Claims (3)

1.一种基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法，其特征是：包括：

A)利用燃气轮机低温排气余热制取热水，以热水驱动溶液除湿器对压气机入口空气进行干燥；

B)将A)步干燥过的空气喷水，通过水在空气中的蒸发吸热降低空气温度；

C)将B)步输出的空气输入水滴过滤器，过滤空气中携带的小水滴，以减小水滴对压气机的损害；

D)将C)步处理后的空气输入压气机，然后供燃烧室使用；

其中，所述溶液除湿器，是用冷却水带走溶液除湿器中除湿过程产生的热量，避免经干燥的空气温度上升影响整个进气冷却效果；冷却水在冷却塔中循环。

2.一种如权利要求1所述的燃气轮机进气冷却方法使用的装置，包括燃气轮机、余热回收装置(7)；其特征是：还包括溶液除湿器(13)、水蒸发冷却器(1)、水滴过滤器(2)、烟气热水换热器(8)、溶液热水换热器(9)、溶液再生器(10)；其中，

余热回收装置(7)的燃气输出端与烟气热水换热器(8)热燃气输入端连接；燃气轮机排气由烟气热水换热器(8)的燃气输出端排出；烟气热水换热器(8)的水输出端与溶液热水换热器(9)的水输入端连接；烟气热水换热器(8)的水输入端与溶液热水换热器(9)的水输出端连接；溶液热水换热器(9)的溶液输入端与稀溶液泵(12)的输出端连接；溶液热水换热器(9)的溶液输出端与溶液再生器(10)的溶液输入端连接；溶液再生器(10)的溶液输出端与浓溶液泵(11)的输入端连接；用于除湿的空气由溶液再生器(10)的空气输入端进入，由空气输出端排出，至溶液除湿器(13)的空气输入端；浓溶液泵(11)的输出端与溶液除湿器(13)的浓溶液输入端连接；溶液除湿器(13)的稀溶液输出端与稀溶液泵(12)的输出端连接；溶液除湿器(13)的一输出端与冷却溶液泵(14)的输入端连接，冷却溶液泵(14)的输出端与溶液除湿器(13)的一输入端连接，形成冷却水循环；

溶液除湿器(13)的干燥空气输出端与水蒸发冷却器(1)的空气输入端连接；水蒸发冷却器(1)的空气输出端与水滴过滤器(2)的输入端连接；用于蒸发冷却的水由水蒸发冷却器(1)的水输入端进入，未蒸发的水由水蒸发冷却器(1)的水输出端排出；水滴过滤器(2)的输出端与压气机(3)输入端连接；压气机(3)输出端与燃烧室(4)空气输入端连接。

3.如权利要求2所述的装置，其特征是：还包括溶液冷水换热器(15)、冷却水泵(16)、冷却水塔(17)；其中，溶液除湿器(13)的一输出端与冷却溶液泵(14)的输入端连接；冷却溶液泵(14)的输出端与溶液冷水换热器(15)的溶液输入端连接；溶液冷水换热器(15)的溶液输出端与溶液除湿器(13)的一输入端连接；冷却溶液泵(14)的水输出端与冷却水泵(16)的输入端连接；冷却水泵(16)的输出端与冷却水塔(17)的水输入端连接；冷却水塔(17)的水输出端与溶液冷水换热器(15)的水输入端连接。

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