CN103114913A - 一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出用间接蒸发冷却的方法对燃气轮机进气进行冷却，该方法使用间接蒸发冷却系统，该系统包括：间接蒸发冷水机组1、燃气动力循环装置2、空气-水表面式冷却器3、冷水循环泵4；所述间接蒸发冷水机组1由空气冷却器5、填料塔6、排风机7和循环泵8组成；所述燃气动力循环装置2由压气机9、燃烧室10和燃气透平11依次连接组成。填料塔6的喷淋水与外部进入的空气进行逆流热湿交换后输送至空气-水表面式冷却器3，用于冷却压气机9进口的空气。

Description

一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法

技术领域

本发明属于蒸发冷却技术领域，尤其是一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法。

背景技术

燃气轮机是燃气纯发电系统、燃气-蒸汽联合循环发电系统的核心设备。随着我国燃气能源的逐步开发，燃气轮机在燃气应用系统中将发挥越来越重要的作用。燃气轮机由压气机、燃烧室、燃气透平三个基本部分组成。根据燃气轮机发电循环的基本原理，压气机进口空气的温度直接影响燃气轮机发电的效率。进口空气温度越高，燃气轮机发电效率越低。同时对于同一套机组，进口空气温度越高，空气密度越小，压气机吸入的空气质量越低，整个燃气轮机装置的出力会降低。由此，对燃气轮机进气进行冷却成为提高燃气轮机发电效率和增加已有装置出力的重要措施。

目前，已有的对燃气轮机压气机进气进行冷却的方法可分为两类：一类是通过进口空气和水接触直接蒸发冷却而使空气降温；另一类是通过间接接触式换热器，利用冷水或制冷剂对进口空气进行降温。

对于直接蒸发冷却的方式，比如(1)中国专利200710181464.7 燃气轮机进气冷却和过滤系统和方法，通过一级或多级喷雾对燃气轮机的进气进行直接蒸发冷却；(2)中国专利 03119939.9燃气轮机、联合循环装置及燃气轮机的液滴喷射装置，将液滴通过一个喷射装置喷入到压气机的进气中，从而通过空气-液滴的直接蒸发冷却过程对燃气轮机进气进行冷却；(3)中国专利95197838.1 提高燃气轮机运转能力和效率的方法与装置，通过一个柱状水塔，将向下的水流高速喷射，增加空气进入涡轮机的压力，同时通过直接蒸发冷却对空气降温；(4)中国专利201010207517.X 基于溶液除湿的燃气轮机进气冷却方法，考虑空气较潮湿时直接蒸发冷却能力受限，先利用除湿装置对空气除湿，之后再经过直接蒸发冷却对燃气轮机进气进行降温。

对于通过间接接触式对燃气轮机进气进行冷却的方式，目前，有以下几种方式。一是通过吸收机制备冷水，冷水通过换热器对燃气轮机进气进行冷却，比如中国专利200510064861.7热和电力供给系统及其操作方法，该系统通过燃气轮机的废热驱动的吸收式制冷装置制备冷水而对燃气轮机的进气进行冷却；二是通过电驱动制冷机制冷而对燃气轮机进气进行冷却，比如中国专利01111066.X 燃气轮机进气冷却装置. 该装置通过电驱动制冷机制冷，以乙二醇溶液或卤水作为载冷介质冷却燃气轮机的进气。该装置还设置冰蓄冷装置，利用电价峰谷差节约电驱动制冷机的用电成本。

上述直接蒸发冷却方式对燃气轮机的进气进行冷却，系统简单，方便实现。但是采用直接蒸发冷却的方式对空气加湿而使气体降温，将空气冷却的极限温度仅为进口空气的湿球温度。若空气含湿量不变，空气干球温度越高，其湿球温度也就越高。由此直接蒸发冷却，空气被冷却的能力受限。同时，由于较湿空气的密度比同温下较干空气的密度要低，因此，对空气加湿会削弱对空气降温使空气密度增加的效果。一般空气含湿量每增加1g/kg.air，导致的空气密度减小，相当于将气体温度升高约0.5℃。由此，提出能否不通过对空气加湿的方法使空气降温的问题。上述间接接触对燃气轮机进气进行冷却的方法，能够实现对进气的等湿降温，但是吸收机方法比较复杂，若没有足够高温的热源较难达到预期的效果，而电驱动热泵的方法需要耗费较多的电能，采用蓄冷装置只能节省用电成本，并不能节省实际电耗。

发明内容

本发明提出用间接蒸发冷却的方式对燃气轮机进气进行冷却，利用间接蒸发冷水机组制备冷水，通过表面式换热器对燃气轮机进气进行冷却。其能冷却进气的极限温度为进口空气的露点温度。在干燥地区，露点温度比湿球温度低5~10℃。由此，通过本发明提出的间接蒸发冷却方法对空气进行降温的能力更强，冷却效果更好，更有利于燃气轮机发电效率的提高。并且，由于对空气进行的是等湿降温，不对空气进行加湿，由此，不会产生空气加湿密度减小的副作用。此外，本发明主要在较干燥地区使用，间接蒸发冷却制冷的驱动源为室外可再生的干燥空气，相比常规方式，可节省大量能源。其中，间接蒸发冷却冷水机组为已有专利设备(如，ZL02100431.5，ZL 200910211069.3)，但其和燃气轮机动力循环相结合，成为进气带间接蒸发冷却的燃气轮机系统，在此尚属首例。

本发明提出一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，该方法使用间接蒸发冷却系统，该系统包括：间接蒸发冷水机组1、燃气动力循环装置2、空气-水表面式冷却器3、冷水循环泵4。所述间接蒸发冷水机组1由空气冷却器5、填料塔6、排风机7和循环泵8组成。所述燃气动力循环装置2由压气机9、燃烧室10和燃气透平11依次连接组成。

所述方法包括以下步骤：

外部空气进入间接蒸发冷水机组1中的空气冷却器5和填料塔6，与填料塔6顶部喷淋的冷水进行逆流热湿交换，然后被排风机7排出；填料塔6喷淋的冷水流入塔底的水槽后被冷水循环泵4输送至空气-水表面式冷却器3，用于冷却燃气动力循环装置2进口的空气。

被空气-水表面式冷却器3冷却降温后的空气进入燃气动力循环装置2中的压气机9压缩，压缩后的空气进入燃烧室10形成高温燃气，然后进入燃气透平11。

填料塔6喷淋的冷水流入塔底的水槽后，其中一部分被循环泵8输送至空气冷却器5，用于冷却空气冷却器5进口的空气。

输送至空气-水表面式冷却器3和输送至空气冷却器5的冷水均回到填料塔6的顶部，完成冷水的循环。

具体来说，由间接蒸发冷水机组1制备的冷水在循环泵4的作用下送入空气-水表面式冷却器3冷却进口空气，空气被等湿降温后再被燃气动力循环系统2的压气机9吸入进行压缩。由于压气机进口的空气温度降低，使得燃气轮机循环的效率增加。同时由于空气的密度增加，使得同样的压气机吸入的空气质量流量增加，燃气轮机的出力增加。

优选地，间接蒸发冷水机组1由n个空气冷却器（5）、相应的n个填料塔（6）和级间循环泵（8）组成，外部空气经过n个串联的空气冷却器（5）、相应的n个填料塔（6）和级间循环泵（8）被逐级等湿降温后经过m级直接蒸发冷却模块，其中1＜n≤20，1＜m≤20，逐级与从空气-水表面式冷却器（3）返回的冷水进行整体逆流的热湿交换，然后排出，从直接蒸发冷却模块空气流动侧第一级输出的冷水由冷水循环泵（4）送入空气-水表面式冷却器（3），用于冷却燃气动力循环装置（2）进口的空气。

具体来说，由卧式多级间接蒸发制备冷水装置1制备出的冷水，在冷水循环泵4的作用下被送入空气-水表面式冷却器3冷却进口空气，空气被等湿降温后被压气机9吸入进行压缩；冷水升温后回到卧式多级间接蒸发冷却制备冷水装置1进行喷淋制备冷水，完成冷水的循环。

本发明还提出另一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，该方法使用间接蒸发冷却系统，该系统包括：燃气动力循环装置2、空气-水表面式冷却器3、冷水循环泵4、填料塔6、排风机7，其中燃气动力循环装置2由压气机9、燃烧室10和燃气透平11依次连接组成。

所述方法包括以下步骤：

外部空气进入空气-水表面式冷却器3中被等湿降温之后，一部分气体进入压气机9进行压缩，另一部分气体进入填料塔6，与填料塔6中自上向下喷淋的冷水进行逆流接触，然后被排风机7排出；

填料塔6喷淋的冷水流入塔底的水槽后被冷水循环泵4输送至空气-水表面式冷却器3，用于冷却燃气动力循环装置2进口的空气。

进入压气机9压缩后的气体进入燃烧室10形成高温燃气，然后进入燃气透平11。

输送至空气-水表面式冷却器3的冷水回流到填料塔6顶部，完成冷水的循环。

具体来说，进口空气首先在空气-水表面式冷却器3中被等湿降温，之后一部分被压气机9吸入进行压缩，另一部分进入填料塔6，与填料塔6中自上向下喷淋的冷水逆流接触进行蒸发冷却过程，空气被加热加湿后作为排风被排风机7排出系统外；喷淋的冷水在填料塔6中被降温后流入塔底，之后在冷水循环泵4的作用下进入空气-水表面式冷却器3冷却压气机9进口的空气，冷水升温后回到填料塔6的顶部喷淋，进而蒸发冷却降温，从而完成冷水的循环。

本发明还提出另一种优选的燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，该方法使用间接蒸发冷却系统，该系统包括：燃气动力循环系统2、n级空气-水表面式空气冷却器3、n级填料塔6、级间循环泵8、排风机7，其中1＜n≤20。

所述方法包括以下步骤：

外部空气经过n个串联的空气-水表面式冷却器（3）、相应的n个填料塔（6）和级间循环泵（8）被逐级等湿降温，其中1＜n≤20，然后一部分气体进入压气机(9)进行压缩，压缩后的气体进入燃烧室（10）形成高温燃气，然后进入燃气透平（11）；

另一部分气体返回到最后一级填料塔(6)中，与填料塔(6)中自上向下喷淋的冷水进行直接接触，进入前一级填料塔(6)与喷淋水热湿交换，然后被排出；

填料塔(6)喷淋的冷水流入塔底的水槽后经循环泵(8)输送至空气-水表面式冷却器(3)，用于冷却燃气动力循环装置（2）进口的空气。

具体来说，所述燃气轮机进气的间接蒸发冷却系统包括燃气动力循环装置2、n级空气-水表面式冷却器3、n级填料塔6和级间循环泵8，其中1≤n≤20。外部空气首先经过n级空气-水表面式冷却器3被等湿降温，之后一部分空气进入压气机9被压缩，另外一部分空气进入最后一级填料塔6中，与塔中喷淋的冷水接触进行蒸发冷却，空气被加湿后进入前一级填料塔，依次类推，最终空气被加热加湿后，在排风机7的作用下从第一级填料塔被排出系统外。排风的流动方向与进风为整体逆流方式。在每级填料塔中，被冷却降温后的冷水通过级间循环泵8被送入相应级的空气-水表面式冷却器3用于冷却空气，冷水升温后回到填料塔的塔顶进行喷淋。

上述间接蒸发冷却式燃气轮机进气冷却的方法，适用于带压气机的燃气轮机的任何循环。

当室外空气低于0℃时，上述四种间接蒸发冷却式燃气轮机进气冷却系统的间接蒸发冷却装置停止运行，室外空气直接进入燃气动力循环装置的压气机。

在干燥地区的夏季，上述间接蒸发冷水机组的出水温度的极限为室外空气的露点温度，约在10~15℃之间，而室外空气的干球温度可达35℃，实际的冷水出水温度比室外干球温度低15~20℃，通过间接蒸发冷却系统的降温，压气机的进口温度比室外干球低12~18℃，从而可提高燃气轮机发电的效率，并且较大幅度的提高燃气轮机的发电出力。

附图说明

图1为本发明利用间接蒸发冷却制备冷水装置对燃气轮机进气冷却的系统。

图2为本发明利用间接蒸发冷却冷风装置直接对燃气轮机进气冷却的系统。

图3为本发明利用多级卧式间接蒸发冷水机组对燃气轮机进气进行冷却的系统。

图4为本发明利用多级卧式间接蒸发冷却冷风机组对燃气轮机进气进行冷却的系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出的一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却系统，其几种实施方式如图1~图4所示。

实施例1

图1为一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却系统，包括间接蒸发冷水机组1、燃气动力循环装置2、空气-水表面式冷却器3、冷水循环泵4。其中间接蒸发冷水机组由空气冷却器5、填料塔6、排风机7、循环泵8组成；燃气动力循环装置2由压气机9、燃烧室10、燃气透平11所组成。在间接蒸发冷水机组1内部，室外空气首先经过内部的空气冷却器5被等湿降温，之后进入填料塔6与塔顶部喷淋的冷水进行逆流的热湿交换，空气被加热加湿后最终被排风机7排出系统外，冷水被降温后流入塔底的水槽中。塔底制备的冷水，一股由机组内部的循环泵8输送到空气冷却器5中冷却机组自身的进风，大部分冷水通过冷水循环泵4被输送到系统的空气-水表面式冷却器3中冷却燃气动力循环装置2的压气机9的进风，两股冷水升温后的回水均回到间接蒸发冷水机组的填料塔6的顶部喷排进行喷淋，与空气蒸发冷却制备冷水，从而完成冷水的循环。对于燃气动力循环装置2的进口室外空气，其在系统的空气-水表面式冷却器3中被等湿降温，之后进入压气机9中被压缩，压缩后的空气进入燃烧室10中与送入的燃料混合燃烧形成高温的燃气，高温燃气进入燃气透平11对外膨胀做功输出电能。

实施例2

本发明提出的另一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却系统如图2所示，其包括燃气动力循环装置2、空气-水表面式冷却器3、冷水循环泵4、填料塔6、排风机7。室外空气首先经过空气-水表面式冷却器3被等湿降温，之后出风分为两部分，一部分送入压气机9进行压缩，进而进入燃烧室10与燃料混合进行燃烧，最后燃烧室高温的排气进入燃气透平11对外做功输出电能；另外一部分出风进入填料塔6，与填料塔6喷淋的冷水进行热湿交换，空气被加热加湿后最终由排风机7排出机组外。在填料塔6中，高温的喷淋冷水经过空气-水蒸发冷却过程被降温后，由冷水循环泵4送入空气-水表面式冷却器3中，冷却压气机进口空气，冷水自身温度变高后回到填料塔6进行喷淋降温，从而完成冷水的循环。这种方式适合于小型的燃气轮机动力循环系统，在燃气轮机系统旁边有足够的位置放置间接蒸发冷却系统的各个部件。

实施例3

本发明提出的再一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却系统如图3所示，该系统包括间接蒸发冷水机组1、燃气动力循环装置2、空气-水表面式冷却器3、冷水循环泵4。其中间接蒸发冷水机组1由n级空气冷却器5、相应的n级填料塔6、级间循环泵8组成，而且1＜n≤20。在间接蒸发冷水机组1中，室外空气首先经过n级空气冷却器5被逐级等湿降温，之后经过m级直接蒸发冷却模块，逐级与从空气-水表面式冷却器3回来的高温冷水进行整体逆流的热湿交换，其中1＜m≤20， 最终制备出冷水从直接蒸发冷却模块空气流动侧的第一级输出，由冷水循环泵4送入空气-水表面式冷却器3，而空气最终被加热加湿后而排出机组外。在系统的空气-水表面式冷却器3中，室外空气被多级卧式间接蒸发冷却装置制备的冷水等湿降温之后进入压气机被压缩，之后的过程与图1所示的装置相同。

实施例4

本发明还提出一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却系统，如图4所示，该系统包括燃气动力循环装置2、空气-水表面式冷却器3、相应的多级填料塔6、排风机7、级间循环泵8。室外空气经过多级空气-水表面式冷却器3被等湿冷却之后分为两部分，其中大部分出风被压气机9吸入后压缩，之后经过燃烧室10与燃料混合燃烧，燃烧室10排出的高温烟气推动燃气透平11对外做功输出电能；另外一部分出风返回到多级填料塔6中，进风整体与冷水整体为逆流的方式，即出风从最后一级填料塔6进入，与冷水直接接触进行蒸发冷却后，冷水被降温，空气被加热加湿后进入前一级填料塔6与喷淋水热湿交换，以此类推，最终高温高湿空气从最后一级填料塔6被排风机7排出机组外。在每级空气-水表面式冷却器3和相应的填料塔6之间，设置循环泵8，在填料塔6中制备出的冷水经循环泵8被输送到空气冷却器3中冷却空气，冷水温度升高后回到填料塔6进行喷淋，与空气热湿交换制备出冷水，从而完成冷水的循环。

当室外空气低于0℃时，上述实施例燃气轮机进气的间接蒸发冷却系统的间接蒸发冷却装置停止运行，室外空气直接进入压气机被压缩，进而完成之后的燃气动力循环过程。

Claims (9)

1.一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，所述方法包括以下步骤：

外部空气进入间接蒸发冷水机组（1）中的空气冷却器（5）和填料塔（6），与填料塔（6）顶部喷淋的冷水进行逆流热湿交换，然后被排风机（7）排出；

填料塔（6）喷淋的冷水流入塔底的水槽后被冷水循环泵（4）输送至空气-水表面式冷却器(3)，用于冷却燃气动力循环装置（2）的压气机(9)进口的空气。

2.根据权利要求1所述燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，其特征在于，被空气-水表面式冷却器（3）冷却降温后的空气进入燃气动力循环装置（2）中的压气机（9）进行压缩，压缩后的空气进入燃烧室（10）形成高温燃气，然后进入燃气透平（11）。

3.根据权利要求1所述燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，其特征在于，填料塔（6）喷淋的冷水流入塔底的水槽后，其中一部分被循环泵（8）输送至空气冷却器(5)，用于冷却空气冷却器(5)进口的空气。

4.根据权利要求3所述燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，其特征在于，输送至空气-水表面式冷却器(3)和输送至空气冷却器(5)的冷水均回到填料塔（6）的顶部，完成冷水的循环。

5.根据权利要求1所述燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，其特征在于，间接蒸发冷水机组（1）由n个空气冷却器（5）、相应的n个填料塔（6）和级间循环泵（8）组成，外部空气经过n个串联的空气冷却器（5）、相应的n个填料塔（6）和级间循环泵（8）被逐级等湿降温后经过m级直接蒸发冷却模块，其中1＜n≤20，1＜m≤20，逐级与从空气-水表面式冷却器（3）返回的冷水进行整体逆流的热湿交换，然后排出，从直接蒸发冷却模块空气流动侧第一级输出的冷水由冷水循环泵（4）送入空气-水表面式冷却器（3），用于冷却燃气动力循环装置（2）进口的空气。

6.一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，所述方法包括以下步骤：

外部空气进入空气-水表面式冷却器(3)中被等湿降温之后，一部分气体进入压气机(9)进行压缩，另一部分气体进入填料塔(6)，与填料塔(6)中自上向下喷淋的冷水进行逆流接触，然后被排风机(7)排出；

填料塔(6)喷淋的冷水流入塔底的水槽后被冷水循环泵（4）输送至空气-水表面式冷却器(3)，用于冷却燃气动力循环装置（2）进口的空气。

7.根据权利要求6所述燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，其特征在于，进入压气机(9)压缩后的气体进入燃烧室（10）形成高温燃气，然后进入燃气透平（11）。

8.根据权利要求6所述燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，其特征在于，输送至空气-水表面式冷却器(3)的冷水回流到填料塔（6）顶部，完成冷水的循环。

9.一种燃气轮机进气的间接蒸发冷却方法，所述方法包括以下步骤：

外部空气经过n个串联的空气-水表面式冷却器（3）、相应的n个填料塔（6）和级间循环泵（8）被逐级等湿降温，其中1＜n≤20，然后一部分气体进入压气机(9)进行压缩，压缩后的气体进入燃烧室（10）形成高温燃气，然后进入燃气透平（11）；

另一部分气体返回到最后一级填料塔(6)中，与填料塔(6)中自上向下喷淋的冷水进行直接接触，然后进入前一级填料塔(6)与喷淋水热湿交换，最后被排风机(7)排出；

填料塔(6)喷淋的冷水流入塔底的水槽后经循环泵(8)输送至空气-水表面式冷却器(3)，用于冷却燃气动力循环装置（2）进口的空气。

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