CN102434282A

CN102434282A - 中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置

Info

Publication number: CN102434282A
Application number: CN 201110437736
Authority: CN
Inventors: 闻雪友; 林枫; 董斌; 李东明; 马正军; 俞世康; 常春辉; 孙鹏; 刘伟; 李卓; 刘雪彬; 刘文文; 栾永军; 肖东明; 荀柏秋; 何彬; 崔宝
Original assignee: No703 Inst Of China Chip Heavy Ind Group Co
Current assignee: No703 Inst Of China Chip Heavy Ind Group Co; 703th Research Institute of CSIC
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2012-05-02

Abstract

一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，通过在现有技术的燃气轮机循环装置的基础上增加一套用于中间冷却的喷水雾化系统和一套蒸汽回注系统实现；所述用于中间冷却的喷水雾化系统包括：高低压压气机之间的过渡段、空气雾化喷嘴、抽气量调节阀、除盐水泵、除盐水箱、供水系统，高低压压气机之间的过渡段安装在低压压气机和高压压气机之间，高低压压气机之间的过渡段内部上方设置有空气雾化喷嘴，所述蒸汽回注系统包括：供蒸汽量调节阀、汽包和蒸汽减温减压装置，蒸汽减温减压装置与燃烧室连接。本发明较大幅度提高了燃气轮机的工作效率和总输出功率，适用于多种气候条件，并在炎热的环境条件下改善燃气轮机的性能效果更为显著。

Description

中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置

技术领域：

本发明涉及采用中间喷水冷却技术和蒸汽回注技术的燃气轮机装置，特别是使用压气机级中间喷水冷却技术、燃烧室蒸汽回注技术的燃气轮机循环装置。

背景技术：

在现有技术中，燃气轮机循环装置通常包括：压气机，燃烧室，涡轮，动力输出。

现有的燃气轮机使用间冷回热循环可以具有更大的功率和更好的效率特性。

然而理论上已经证明，理想燃气轮机间冷循环可以提高装置的功率，但是不改善效率，另外采用间冷循环需要配置庞大的间冷器，这样使压气机的结构变得复杂，总体尺寸需要加长，流动阻力加大，会降低燃气轮机的功率和效率，因此间冷方案在实际工程中应用较少。

同样的，燃气轮机回热，可以提高装置的热效率，但是需要配置庞大的回热器，回热器的设计制造复杂，而且回热器换热效率较低，冷热流体流动阻力加大，因此回热方案在实际工程中也不易实现。

虽然间冷和回热共同使用既可提高装置的功率，又可提高装置的热效率。但是机械结构尺寸与原型机相比非常庞大、复杂，迄今为止仅有一型船用燃气轮机成功实现间冷回热。

蒸汽回注技术起源于上世纪七十年代，主要应用于地面电站。在燃气轮机后安装一台余热锅炉，余热锅炉产生的过热蒸汽供到燃气轮机燃烧室中去，与压气机供来的空气一起被加热到涡轮前的初温，然后共同进入燃气涡轮中膨胀做功，也可以把一部分低压蒸汽不经燃烧室加热而直接供入燃气涡轮低压部分膨胀做功。该项技术在电站上已被联合循环取代，目前应用较少。

发明内容：

本发明的目的是研制一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，在高压比燃气轮机上同时采用中间喷水雾化冷却技术和蒸汽回注技术、不増加燃气初温不改变通流部分的情况下，以简捷的措施有效地提高燃气轮机功率及热效率，同时降低Nox排放。

为了达到本发明的上述目的，本发明提供了一种燃气轮机循环装置，通过在现有技术的燃气轮机循环装置的基础上增加一套用于中间冷却的喷水雾化系统和一套蒸汽回注系统实现。

本发明所采用的技术方案如下：

一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，包括：高压压气机、低压压气机，高压涡轮、低压涡轮，燃烧室，动力涡轮，余热回收蒸汽发生器，烟囱，还包括用于中间冷却的喷水雾化系统、蒸汽回注系统和信号发生器，所述用于中间冷却的喷水雾化系统包括：高低压压气机之间的过渡段、空气雾化喷嘴、抽气量调节阀、除盐水泵、除盐水箱、供水系统，高低压压气机之间的过渡段安装在低压压气机和高压压气机之间，高低压压气机之间的过渡段内部上方设置有空气雾化喷嘴，供水系统通过管道与除盐水箱连接，除盐水箱通过管道与除盐水泵连接，除盐水泵通过管道与喷水量调节阀连接，喷水量调节阀通过管道与空气雾化喷嘴连接；来自于除盐水箱的除盐水通过除盐水泵进行加压，供到过渡段上的空气雾化喷嘴上，同时从高压压气机出口处引空气至空气雾化喷嘴，从高压压气机出口引入的高温空气将除盐水雾化后由空气雾化喷嘴喷入过渡段；雾化后的除盐水喷入后开始在过渡段蒸发，通过除盐水的蒸发吸收空气热量，降低高压压气机入口空气温度，未完全蒸发的水进入高压压气机，形成湿压缩效应，减少高压压气机的耗功；所述蒸汽回注系统包括：供蒸汽量调节阀、汽包和蒸汽减温减压装置，余热回收蒸汽发生器安装有汽包，汽包通过管道与供蒸汽量调节阀连接，供蒸汽量调节阀通过管道与蒸汽减温减压装置连接，蒸汽减温减压装置通过管道与燃烧室连接；除盐水在余热回收蒸汽发生器中吸收动力涡轮排气余热变为过热蒸汽，过热蒸汽由汽包通过蒸汽减温减压装置后回注到燃气轮机燃烧室中，所述蒸汽与燃烧室的燃气混合气体进入高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮膨胀作功后经余热回收蒸汽发生器排入大气；信号发生器通过电缆分别与供蒸汽量调节阀、喷水量调节阀、抽气量调节阀电气连接，信号发生器发出打开或关闭蒸汽量调节阀、喷水量调节阀和抽气量调节阀的信号。

本发明还有其他技术特征：

1、所述低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮与负荷是三轴形式。

2、所述低压压气机、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮和负荷在一根共同的轴上连接。

3、所述低压压气机1、高压压气机2和低压涡轮4、高压涡轮5在同一根轴而与动力涡轮6分轴。

4、所述的空气雾化喷嘴的雾化液滴平均直径为25 -150μm。

5、所述喷水量调节阀的液滴量为空气流量的0.2％—2％；蒸汽量调节阀控制蒸汽量为空气流量的0.5％—10％，以上为质量分数。

优点。

本发明较大幅度提高了燃气轮机的工作效率和总输出功率，适用于多种气候条件，并在炎热的环境条件下改善燃气轮机的性能效果更为显著。

附图说明：

图1本发明的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置原理图

其中1-低压压气机，2-高压压气机，3-燃烧室，4-高压涡轮，5-低压涡轮，6-动力涡轮，7-负荷，8-高低压压气机之间的过渡段，9-抽气量调节阀，10-喷水量调节阀，11-除盐水泵，12-除盐水箱，13-供水系统，14-供蒸汽量调节阀，15-汽包，16-余热回收蒸汽发生器，17-烟囱，18-信号发生器，19-废气，20-蒸汽减温减压装置，21-信号电缆；

T0-环境大气温度，T1-低压压气机出口温度，T2-高压压气机入口温度，T3-高压压气机出口温度，T4-高压涡轮入口温度，T5-低压涡轮入口温度，T6-动力涡轮入口温度，T6-动力涡轮出口温度，T7-动力涡轮出口温度。

图2 本发明的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置焓熵图

图3 本发明的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置功率曲线

图4 本发明的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置效率曲线

图5 本发明的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置高压压气机出口温度曲线

具体实施方式：

图1是中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置原理图。

如图所示，本发明的燃气轮机循环装置包括：用来压缩和排出气体的压气机低压压气机1和高压压气机2；供入由压气机1、2压缩的气体的燃烧室3；由来自燃烧室3的燃气驱动的高压涡轮4、低压涡轮5、动力涡轮6；与动力涡轮6的轴相连接的负荷7；从燃气轮机排出的废气19通过余热回收蒸汽发生器16和烟囱17排到大气中；同时，为了更好的提高燃气轮机功率及热效率，本发明的燃气轮机循环装置还包括：一套用于中间冷却的喷水雾化系统和一套蒸汽回注系统。所述用于中间冷却的喷水雾化系统包括：高低压压气机之间的过渡段8、除盐水泵11、除盐水箱12、供水系统13，过渡段8安装在低压压气机1和高压压气机2之间，内部上方设置有空气雾化喷嘴，来自于除盐水箱12的除盐水通过除盐水泵11进行加压，供到过渡段8上的空气雾化喷嘴（图1中未示出）上，同时从高压压气机2出口处引空气至空气雾化喷嘴，从高压压气机2出口引入的高温空气将除盐水雾化后由空气雾化喷嘴喷入过渡段8；雾化后的除盐水喷入后开始在过渡段8蒸发，通过除盐水的蒸发吸收空气热量，降低高压压气机2入口空气温度T2，未完全蒸发的水进入高压压气机2，形成湿压缩效应，减少高压压气机2的耗功。所述蒸汽回注系统包括：汽包15、蒸汽减温减压装置20，除盐水在余热回收蒸汽发生器16中吸收动力涡轮6排气余热变为过热蒸汽，过热蒸汽由汽包15通过蒸汽减温减压装置20后回注到燃气轮机燃烧室3中，所述蒸汽与燃烧室3的燃气混合气体进入高压涡轮4、低压涡轮5、动力涡轮6膨胀作功后经余热回收蒸汽发生器16排入大气。

虽然图1示出的低压压气机1、高压压气机2、燃烧室3、高压涡轮4、低压涡轮5、动力涡轮6和负荷7是三轴形式，但是，低压压气机1、高压压气机2、高压涡轮4、低压涡轮5、动力涡轮6和负荷7也可在一根共同的轴上连接，或者低压压气机1、高压压气机2和低压涡轮4、高压涡轮5在同一根轴而与动力涡轮6分轴的形式。

为了控制流量，在过渡段8和除盐水泵11之间设置喷水量调节阀10、在过渡段8和高压压气机2之间设置抽气量调节阀9、在汽包15和蒸汽减温减压装置20之间设置回注蒸汽量调节阀14。

上述三个控制阀，即供蒸汽量调节阀14、喷水量调节阀10、抽气量调节阀9、、与信号发生器18形成电气连接，负荷7功率输出方面的信号和载荷指令信号输入到上述信号发生器18中，而信号发生器18则发出打开/关闭控制阀信号和其他指令，控制阀9、10、14与信号发生器18通过例如信号电缆21等互相连通。

图2 是中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置焓熵图，包括燃气循环和蒸汽循环量部分，左侧部分是中间喷水冷却的燃气循环，右侧部分为回注蒸汽的循环。

曲线abcd-给水在余热回收蒸汽发生器里至过热状态，曲线dT4T7-回注蒸汽在燃气轮机中加热及膨胀做功过程。曲线T7ea-是-燃气排气中的水蒸汽的凝结过程。

图3 、图4和图5分别是中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置功率曲线、效率曲线和高压压气机出口温度曲线，图中所示的值在如下计算条件得出，例如环境温度27℃，相对温度60％，压气机空气流量为85kg/s，压气机的多变效率为0.88，涡轮的绝热效率为0.89，燃烧温度为1270℃，压气机抽气量为20％，压气机排气压力为2MPa，中冷喷水温度27℃,回注蒸汽温度410℃。

使用向压气机中间级喷水的方法降低压气机中空气温度，达到事实上的中冷效果，无需庞大的间冷器，喷注除盐水用到的压力气体入可以通过引自压气机出口处的高压空气，无需额外的压缩空气源，压缩空气可以将水雾化为索特平均直径为25 -150μm液滴。

Claims

1.一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，包括：高压压气机、低压压气机，高压涡轮、低压涡轮，燃烧室，动力涡轮，余热回收蒸汽发生器，烟囱，其特征在于，还包括用于中间冷却的喷水雾化系统、蒸汽回注系统和信号发生器，所述用于中间冷却的喷水雾化系统包括：高低压压气机之间的过渡段、空气雾化喷嘴、抽气量调节阀、除盐水泵、除盐水箱、供水系统，高低压压气机之间的过渡段安装在低压压气机和高压压气机之间，高低压压气机之间的过渡段内部上方设置有空气雾化喷嘴，供水系统通过管道与除盐水箱连接，除盐水箱通过管道与除盐水泵连接，除盐水泵通过管道与喷水量调节阀连接，喷水量调节阀通过管道与空气雾化喷嘴连接；来自于除盐水箱的除盐水通过除盐水泵进行加压，供到过渡段上的空气雾化喷嘴上，同时从高压压气机出口处引空气至空气雾化喷嘴，从高压压气机出口引入的高温空气将除盐水雾化后由空气雾化喷嘴喷入过渡段；雾化后的除盐水喷入后开始在过渡段蒸发，通过除盐水的蒸发吸收空气热量，降低高压压气机入口空气温度，未完全蒸发的水进入高压压气机，形成湿压缩效应，减少高压压气机的耗功；所述蒸汽回注系统包括：供蒸汽量调节阀、汽包和蒸汽减温减压装置，余热回收蒸汽发生器安装有汽包，汽包通过管道与供蒸汽量调节阀连接，供蒸汽量调节阀通过管道与蒸汽减温减压装置连接，蒸汽减温减压装置通过管道与燃烧室连接；除盐水在余热回收蒸汽发生器中吸收动力涡轮排气余热变为过热蒸汽，过热蒸汽由汽包通过蒸汽减温减压装置后回注到燃气轮机燃烧室中，所述蒸汽与燃烧室的燃气混合气体进入高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮膨胀作功后经余热回收蒸汽发生器排入大气；信号发生器通过电缆分别与供蒸汽量调节阀、喷水量调节阀、抽气量调节阀电气连接，信号发生器发出打开或关闭蒸汽量调节阀、喷水量调节阀和抽气量调节阀的信号。

2.根据权利要求1所述的一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述低压压气机、高压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮与负荷是三轴形式。

3.根据权利要求1所述的一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述低压压气机、高压压气机、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮和负荷在一根共同的轴上连接。

4.根据权利要求1所述的一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述低压压气机1、高压压气机2和低压涡轮4、高压涡轮5在同一根轴而与动力涡轮6分轴。

5.根据权利要求1所述的一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述的空气雾化喷嘴的雾化液滴平均直径为25 -150μm。

6.根据权利要求1所述的一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述喷水量调节阀的液滴量为空气流量的0.2％—2％；蒸汽量调节阀控制蒸汽量为空气流量的0.5％—10％，以上为质量分数。