CN102562313A - 化学回热循环燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供化学回热循环燃气轮机，包括燃烧室、涡轮、压气机、裂解器、过热器、饱和器、冷凝器、高压闪蒸器、废水池、排气烟道，涡轮与压气机同轴，压气机连接燃烧室的进气端，涡轮连接燃烧室的排气端，裂解器连接燃烧室和油路，裂解器、过热器、饱和器、排气烟道依次相连，饱和器还与冷凝器和高压闪蒸器分别相连，高压闪蒸器还与过热器和废水池分别相连。本发明不但能大幅提高燃气轮机循环热效率，并且能改善燃烧状况，降低污染物排放，还能提供淡水供应，适用于船舶推进和沿海电场建设。

Description

化学回热循环燃气轮机

技术领域

本发明涉及的是一种动力与能源领域的燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是一种动力装置，主要有压气机，燃烧室和涡轮组成。由于其单机功率大，比质量小，机动性好，振动噪声小，寿命长，运行平稳，维护方便等优点得到了普遍地承认，得到了广泛地应用。

目前燃气轮机研究的重点是提高循环热效率和降低污染物排放量。燃气轮机可分为简单循环和复杂循环。简单循环的燃气轮机由压气机，燃烧室和涡轮等主要部件组成，提高其循环效率主要手段是提高涡轮前温度，压气机压比和部件的效率。复杂循环燃气轮机是在简单循环燃气轮机的基础上添加一些其他部件，主要是收集燃气轮机排气余热，加热燃烧室入口前工质，以此来提高循环效率。为降低污染物排放，简单循环主要是改进燃烧室结构，提高燃烧室效率，改进燃烧室燃烧机理；复杂循环在简单循环的基础上可以利用其他部件改善燃料组成，燃烧室加入燃烧辅助物质，减少燃烧时产生的污染物质。

当前靠提高部件效率的方法提高简单循环整体效率的方法提升效果已经不甚明显，复杂循环的研究越来越受到重视。当前各种复杂循环的研究已经展开，注蒸汽循环在电站已经应用，间冷回热循环在英国舰船得到装备，湿压缩循环等技术也逐渐应用。

复杂循环大幅提升循环效率，降低污染物排放，如何保证循环装置的紧凑性，协调燃气轮机变工况时的性能，这是本技术领域目前面对的首要问题。

发明内容

本发明的目的在于提供提高循环热销率并减低污染物排放的化学回热循环燃气轮机。

本发明的目的是这样实现的：

本发明化学回热循环燃气轮机，其特征是：包括燃烧室、涡轮、压气机、裂解器、过热器、饱和器、冷凝器、高压闪蒸器、废水池、排气烟道，涡轮与压气机同轴，压气机连接燃烧室的进气端，涡轮连接燃烧室的排气端，裂解器连接燃烧室和油路，裂解器、过热器、饱和器、排气烟道依次相连，饱和器还与冷凝器和高压闪蒸器分别相连，高压闪蒸器还与过热器和废水池分别相连。

本发明还可以包括：

1、还包括输出功带动负载运转的动力涡轮，动力涡轮安装在涡轮与裂解器之间。

2、还包括低压闪蒸器和蒸馏水箱，低压闪蒸器安装在高压闪蒸器与废水池之间，低压闪蒸器和蒸馏水箱分别与冷凝器相连。

本发明的优势在于：本发明不但能大幅提高燃气轮机循环热效率，并且能改善燃烧状况，降低污染物排放，还能提供淡水供应，适用于船舶推进和沿海电场建设。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，本发明所要解决的技术目的是，将燃气轮机涡轮出口烟气的高温余热充分回收提高循环的热效率；并利用烟气余热对燃气轮机燃料进行处理，降低污染物的排放。本发明还要解决的技术问题在于保证余热回收系统和燃料处理系统结构紧凑。本发明另一个要解决的技术问题是保证余热回收系统和燃料处理系统的加入不影响燃气轮机的稳定运行，保证燃气轮机变工况运行性能。

以上技术问题的解决方案是提供一种化学回热循环的燃气轮机系统，它具有压气机，燃烧室和涡轮这些燃气轮机的主要部件，一个利用涡轮出口高温烟气余热处理燃料的裂解器和一套利用烟气剩余余热产生用于燃料处理所需的水蒸汽和副产品饮用水的水处理系统——水系统。

燃气轮机主要是由压气机，燃烧室和涡轮组成，空气经由压气机提升压力和温度进入燃烧室；燃烧室中高压空气和燃料燃烧得到高温高压的燃气；高温高压的燃气进入涡轮并推动涡轮做功，带动压气机转动并对外输出轴功；剩余燃气被排放出系统，排除系统外的燃气被称为烟气。

高温高压的燃气做后剩余烟气仍然具有很高的温度，一般烟气温度在500℃上下。为了充分利用这部分烟气所剩余的热量，通常采用回热器将这部分热量利用起来，减少燃料消耗。现在的回热循环多是利用烟气加热压气机出口高压空气，将热量带入燃烧室，称之为简单回热循环；还有就是利用烟气余热产生水蒸汽注入燃烧室，减少燃料消耗并改善燃烧状况。

本发明采用化学反应吸收热量的方式来吸收烟气的余热，并利用化学反应(本发明具体为燃油-水蒸汽裂解反应)来改善燃料成分，充分利用烟气余热，既提高了循环热效率，也降低了污染物的排放量。本发明首先加入了一个裂解器，烟气流动方向位于涡轮之后，燃料和水蒸汽在催化剂的作用下发生裂解反应，吸收烟气余热，并改善燃料成分。

所述的裂解器基于换热器设计，换热器主体的一端设置燃油和水蒸汽掺混器，另一端设置催化反应装置。掺混器设计为一种套管结构，燃油由内部管道引入，水蒸汽采用引射装置进入外部管道，在掺混段充分混合，充分混合的掺混气易于裂解反应的进行。掺混气进入换热部分的低温侧入口，换热部分的高温侧通入涡轮出口烟气。掺混气被加热后通入催化反应装置，催化反应装置填装裂解反应催化剂，设计为回转流路，延长掺混气的停留时间，利于裂解反应充分进行。

本发明中，裂解反应需要水蒸汽的参与，而且裂解器出口烟气温度在300℃以上。为了充分利用剩余烟气余热并生产裂解反应所需的水蒸汽，本发明提出了一套水系统用来利用烟气余热生产水蒸汽并得到副产品饮用水。

所述的水系统由高压闪蒸器HPF，低压闪蒸器LPF，饱和器ST，冷凝器CD和过热器SH组成，构成烟气流路，补给水加热为高温水蒸汽的流路和低温水蒸汽冷凝为饮用水的流路；沿高温烟气流动方向依次设置过热器SH，饱和器ST；沿补给水加热方向依次设置冷凝器CD，饱和器ST，高压闪蒸器HPF和过热器SH；沿低压水蒸汽冷凝方向依次设置低压闪蒸器LPF和冷凝器CD。

所述的过热器SH位于水系统烟气流动方向的起点，位于裂解器之后，是烟气流路和高压水蒸汽的交汇点，将来自高压闪蒸室HPF的水蒸汽加热到过热状态。

所述的饱和器ST是烟气流动方向和补给水加热方向的交汇点，烟气流动方向位于过热器SH之后，补给水加热流动方向位于冷凝器CD之后，用来利用烟气剩余热量将补给水加热至饱和状态。

所述的冷凝器CD是低压水蒸汽冷凝方向和补给水加热方向的交汇点，位于补给水方向的起点和低压水蒸气冷凝方向的末端，用来冷凝低压水蒸气为饮用水并预热补给水。

所述的高压闪蒸器HPF将饱和水闪蒸成为高压水蒸汽，饱和水来源于饱和器ST，并将得到的高压水蒸汽通入过热器SH。

所述的低压闪蒸器LPF将高压闪蒸器LPF剩余的饱和水充分闪蒸得到低压饱和水，充分利用剩余能源和水资源；低压水蒸汽通入冷凝器CD。

本发明属于复杂循环燃气轮机，现有复杂循环主要以提高效率为目标，但本发明不但能大幅提高燃气轮机循环热效率，并且能改善燃烧状况，降低污染物排放，还能提供淡水供应，适用于舰船推进和沿海电场建设。本发明将燃气轮机三大件压气机，燃烧室和涡轮与裂解器，水系统有机集合，形成燃气轮机化学回热循环。本发明大幅提高了燃气轮机循环热效率，整体循环热效率能达到46％，并将NO_x排放量降到1ppm以下。

本发明的化学回热循环燃气轮机提高功率和热效率的理论依据机原理是：裂解器中发生的裂解反应是一种吸热反应，吸收了涡轮出口烟气的余热，而且进入裂解器中的水蒸汽在汽化过程中吸收了剩余烟气的余热，大幅提高了循环的热效率，并且裂解混合气相对于燃油的长链分子，从理论上来说更易燃烧，可提高燃烧室的燃烧效率。因此与简单循环相比，同样的燃料供应可以输出更高的功率，大幅提高循环效率。

本发明的化学回热循环燃气轮机降低污染物主要是NO_x的排放量的理论依据及原理是：裂解混合气由燃料和水蒸汽发生裂解反应生成短链的分子，而且含有部分水蒸汽。燃烧反应时，短链分子易于反应，燃烧完全，减少CO生成；而且燃烧时由于水蒸汽的加入，降低了燃烧反应核心区的温度，大幅降低了NO_x的排放量。

化学回热循环燃气轮机由压气机CP，燃烧室CB，高压涡轮HT，动力涡轮PT，裂解器RF和水系统组成。水系统又由高压闪蒸器HPF，低压闪蒸器LPF，饱和器ST，冷凝器CD和过热器SH组成。整套系统有三种物料的供入，分别是燃油f，空气a和水w，分别按三种物料的路径进行详细描述。

空气a经由压气机CP，压力增加；进入燃烧室CB，在燃烧室CB中，高压空气和裂解器RF产生的裂解气rf燃烧反应生成燃气，燃气进入高压涡轮HT；高压涡轮产生的功用于压气机CP压缩空气；高压涡轮出口燃气g进入动力涡轮PT，动力涡轮输出功带动负载运转；动力涡轮出口烟气进入裂解器RF，作为高温侧工质提供热量；裂解器出口烟气进入水系统，水系统中，烟气首先进入过热器加热水蒸汽，然后进入饱和器加热预热水，最后排入烟道EH。

燃油f供入裂解器RF，在裂解器RF中与来自过热器的水蒸汽s混合，然后作为低温侧工质吸收烟气余热，在裂解器催化剂区域进行裂解反应，产生裂解混合气rf；裂解混合气rf在燃烧室CB中燃烧产生燃气。

水w被引入冷凝器CD，在冷凝器CD中被预热，并将冷凝器高温侧的水蒸汽冷凝为水；被预热的水进入饱和器ST，作为低温侧工质吸收高温侧烟气余热并达到饱和状态；饱和水进入高压闪蒸室HPF，在其中闪蒸，产生高压水蒸汽进入过热器SH，剩余饱和水进入低压闪蒸室LPF；进入低压闪蒸室的饱和水继续闪蒸得到低压水蒸气进入冷凝器被冷凝为饮用淡水储存在蒸馏水箱DW，并预热给水，剩余浓盐水排入废水箱WW；高压闪蒸室出口的高压水蒸汽进入过热器SH作为低温侧吸收高温侧烟气的余热，被加热到过热状态后进入裂解器RF，在其中和燃油f混合吸热并发生裂解反应。

本发明中水系统还能独立为水处理单元，利用多种热源进行水处理，特别是可以接入多种动力设备用来收集烟气余热并生产饮用水。

Claims (3)

1.化学回热循环燃气轮机，其特征是：包括燃烧室、涡轮、压气机、裂解器、过热器、饱和器、冷凝器、高压闪蒸器、废水池、排气烟道，涡轮与压气机同轴，压气机连接燃烧室的进气端，涡轮连接燃烧室的排气端，裂解器连接燃烧室和油路，裂解器、过热器、饱和器、排气烟道依次相连，饱和器还与冷凝器和高压闪蒸器分别相连，高压闪蒸器还与过热器和废水池分别相连。

2.根据权利要求1所述的化学回热循环燃气轮机，其特征是：还包括输出功带动负载运转的动力涡轮，动力涡轮安装在涡轮与裂解器之间。

3.根据权利要求1或2所述的化学回热循环燃气轮机，其特征是：还包括低压闪蒸器和蒸馏水箱，低压闪蒸器安装在高压闪蒸器与废水池之间，低压闪蒸器和蒸馏水箱分别与冷凝器相连。