CN102817714A

CN102817714A - 中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置

Info

Publication number: CN102817714A
Application number: CN2012103188225A
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: 2012-09-03
Filing date: 2012-09-03
Publication date: 2012-12-12

Abstract

一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，设置在燃气轮机上，包括高压压气机、低压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮、负荷、余热回收蒸汽发生器、烟囱；其特征在于设有中间冷却的喷水雾化系统和蒸汽回注系统，所述用于中间冷却的喷水雾化系统包括设置在高压压气机和低压压气机之间的过渡段，过渡段内设有雾化喷嘴，与喷嘴依次连接有除盐水泵、除盐水箱和供水系统，喷嘴与高压压气机出口相连；所述蒸汽回注系统包括与余热回收蒸汽发生器相接的汽包，汽包通过蒸汽减温减压装置与燃烧室相接；加设本装置后在额定工况功率和效率得到提高，在部分负荷下的经济性提高，且占地少省却大量空间，尤其适合于舰船等狭小的空间。

Description

中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置

技术领域：

本发明涉及一种燃气轮机间冷回热装置，特别是涉及一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，采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体积庞大的间冷器，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体积非常庞大、复杂，应用较少。

发明内容：

为了在不増加燃气初温、不改变通流部分的情况下，利用有限空间以简捷的措施有效地提高燃气轮机的功率和热效率，同时降低Nox排放，本发明提供了一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置。

本发明采用的技术方案为：一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，设置在燃气轮机上，包括高压压气机、低压压气机、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮、动力涡轮、负荷、余热回收蒸汽发生器、烟囱；其特征在于设有中间冷却的喷水雾化系统和蒸汽回注系统，所述用于中间冷却的喷水雾化系统包括设置在高压压气机和低压压气机之间的过渡段，过渡段内设有雾化喷嘴，与喷嘴依次连接有除盐水泵、除盐水箱和供水系统，喷嘴与高压压气机出口相连；所述蒸汽回注系统包括与余热回收蒸汽发生器相接的汽包，汽包通过蒸汽减温减压装置与燃烧室相接。

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

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。

所述低压压气机、高压压气机和低压涡轮、高压涡轮在同一根轴而与动力涡轮分轴。

所述喷嘴雾化液滴直径为25 -150μm。

所述喷嘴喷出的雾化液滴量为空气流量的0.2％—2％。

所述蒸汽回注系统回注蒸汽量为空气流量的0.5％—10％。

所述过渡段和除盐水泵之间、过渡段喷嘴和高压压气机出口之间、汽包和蒸汽减温减压装置之间可同时或者分别设置调节阀，调节阀电气连接有信号发生器；负荷与信号发生器电气连接，负荷功率、载荷采样信号输入到信号发生器，信号发生器控制调整调节阀流量。

所述的燃气轮机压比应为15-50。

本发明工作时来自于除盐水箱的除盐水通过除盐水泵进行加压供入过渡段内设置的空气雾化喷嘴上，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，从而降低高压压气机的入口空气温度，未完全蒸发的除盐水进入高压压气机，形成湿压缩效应，减少压气机的耗功。

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。

除盐水在余热回收蒸汽发生器中吸收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，蒸汽与燃烧室的燃气混合气体进入高、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。

利用燃烧室蒸汽回注技术替代回热，可以省略庞大的回热器。水蒸汽的比热高于空气，水蒸汽回注到燃烧室中，与空气直接混合，换热效率高，同时把燃气轮机排气中回收的热量返回燃烧室，这样可以节约燃料，提高整个装置的热效率。

中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置与本发明的原型机相比，在额定工况功率和效率得到提高，在部分负荷下的经济性提高，且占地少省却大量空间，尤其适合于舰船等狭小的空间。

附图说明：

图1本发明中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置原理图；

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；

图中标号名称：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-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， T7-动力涡轮出口温度。

具体实施方案：

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。

本发明实施例如图1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；由低压压气机1和高压压气机2供入压缩气体的燃烧室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；为了更好的提高燃气轮机功率及热效率，还设有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设置在高压压气机和低压压气机之间的过渡段8，过渡段内部上方设有雾化喷嘴，与喷嘴依次连接有除盐水泵11、除盐水箱12和供水系统13，喷嘴与高压压气机2出口相连；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与余热回收蒸汽发生器相接的汽包，汽包通过蒸汽减温减压装置与燃烧室相接；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。

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；喷水量调节阀10、抽气量调节阀9、回注蒸汽量调节阀14电气连接有信号发生器18，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。

本实施例中的低压压气机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，实施时低压压气机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。

实施时喷嘴雾化液滴直径控制在为25 -150μm，雾化液滴量为空气流量的0.2％—2％；蒸汽回注系统回注蒸汽量为空气流量的0.5％—10％；燃气轮机压比应为15-50。

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℃。

Claims

1.一种中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，设置在燃气轮机上，包括高压压气机（2）、低压压气机（1）、燃烧室（3）、高压涡轮（4）、低压涡轮（5）、动力涡轮（6）、负荷（7）、余热回收蒸汽发生器（16）、烟囱（17）；其特征在于设有中间冷却的喷水雾化系统和蒸汽回注系统，所述用于中间冷却的喷水雾化系统包括设置在高压压气机（2）和低压压气机（1）之间的过渡段（8），过渡段（8）内设有雾化喷嘴，与喷嘴依次连接有除盐水泵（11）、除盐水箱（12）和供水系统（13），喷嘴与高压压气机（2）出口相连；所述蒸汽回注系统包括与余热回收蒸汽发生器（16）相接的汽包（15），汽包（15）通过蒸汽减温减压装置（20）与燃烧室（3）相接。

2.根据权利要求1所述的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）、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。

3.根据权利要求1所述的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）、高压涡轮（4）、低压涡轮（5）、动力涡轮（6）和负荷（7）在一根共同的轴上连接。

4.根据权利要求1所述的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（5）、高压涡轮（4）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，其特征在于所述喷嘴雾化液滴直径为25 -150μm。

6.根据权利要求1-5任一所述的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述喷嘴喷出的雾化液滴量为空气流量的0.2％—2％。

7.根据权利要求1-5任一所述的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述蒸汽回注系统回注蒸汽量为空气流量的0.5％—10％。

8.根据权利要求1～5任一所述的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述过渡段（8）和除盐水泵（11）之间、过渡段（8）喷嘴和高压压气机（2）出口之间、汽包（15）和蒸汽减温减压装置（20）之间可同时或者分别设置调节阀，调节阀电气连接有信号发生器（18）；负荷（7）与信号发生器（18）电气连接，负荷（7）功率、载荷采样信号输入到信号发生器（18），信号发生器（18）控制调整调节阀流量。

9.根据权利要求1～5任一所述的中间喷水冷却与蒸汽回注燃气轮机循环装置，其特征在于所述的燃气轮机压比应为15-50。