CN103470379B - 组合式节能型燃气轮机进气冷却系统 - Google Patents

Abstract

组合式节能型燃气轮机进气冷却系统，包括压气机、燃烧室及燃气透平，压气机与冷却器出气口管道连接，冷却器进气口与空气过滤器连接，冷却器内部设有除雾器，第一表面换热器设在空气冷却器内，第一表面换热器进水口与第一冷冻水循环泵出水口连接，第一冷冻水循环泵进水口与主制冷机的冷冻水出口连接，第一表面换热器出水口与主制冷机的冷冻水进口连接，冷却器出水口与冷凝水箱进水口连接，冷凝水箱通过高压管路回到冷却器，伸入冷却器内的高压管路上设有雾化喷嘴，位于冷却器外部的高压管路上设有冷凝水泵及冷凝水过滤装置。本发明组合使用间接换热冷却与直接蒸发冷却，减少能耗，降低了主制冷机的装机容量，适合在高温高湿地区使用。

Description

组合式节能型燃气轮机进气冷却系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机进气冷却装置，具体涉及将喷雾直接蒸发冷却与间接换热冷却组合使用、并将间接换热冷却过程中脱出的冷凝水加以回收且作为喷雾直接蒸发冷却的冷源使用的组合式节能型燃气轮机进气冷却系统，尤其涉及应用于燃气－蒸汽联合循环发电中对燃气轮机进气进行冷却的系统。

背景技术

在燃气－蒸汽联合循环发电系统中，燃气轮机（以下简称“燃机”）主要结构包括压气机、燃烧室、燃气透平，压气机压缩吸入的空气，压缩后的空气进入燃烧室与喷入的燃料混合燃烧成为高温燃气，随即流入燃气透平中膨胀做功，推动透平叶轮与压气叶轮一起旋转，同时燃机排出的高温烟气进入余热锅炉产生蒸汽，用于驱动蒸汽轮机，从而带动发电机发电。由于燃机属于定容机械，其性能受到环境温度影响，环境温度影响空气密度，继而影响通过的空气质量流量，环境温度升高，燃机的出力将明显下降，而燃机的热耗率则明显增加。针对燃机或燃气－蒸汽轮机联合循环机组出力随环境温度升高而下降的问题，采取的改善措施是对燃机进气进行冷却。目前，燃机进气冷却的方式主要有两种：第一，喷雾直接蒸发冷却，即在燃机进气通道内，高压除盐水经过雾化喷嘴形成喷雾并与空气混合，蒸发吸热，从而除去空气的显热，该系统结构如图1所示，图中1为压气机，2为燃烧室，3为燃气透平，4为余热锅炉，5为烟囱，压气机1的进气口与空气冷却器6的出气口管道连接，空气冷却器6的进气口与空气过滤器7的出气口连接，高压管100通入空气冷却器6，伸入空气冷却器6内的高压管100上设有雾化喷嘴200，伸出空气冷却器6的高压管100与除盐水箱300的出水口连接，空气冷却器6内部的末端设有除雾器8，空气冷却器6的出水口与除盐水箱300的进水口管道连接，并在该所述管道上设有回水泵400及除盐水过滤装置500，喷雾直接蒸发冷却方法简单，投资少，运行及维护费用低，但是，该种冷却方式冷却后空气温度无法达到环境湿球温度，受环境湿度及水温影响较大，且需消耗一定量的除盐水，一般适用于高温、干燥的地区，对高温高湿地区的作用有限；第二，间接接触式换热，通过制冷机（如溴化锂吸收机组或电制冷冷水机组）制出冷冻水，冷冻水流入位于空气冷却器内的表面换热器，并与表面换热器外部的空气进行热交换，从而除去空气的显热和潜热，该系统结构如图2所示，图中1为压气机，2为燃烧室，3为燃气透平，4为余热锅炉，5为烟囱，压气机1的进气口与空气冷却器6的出气口管道连接，空气冷却器6的进气口与空气过滤器7的出气口连接，第一表面换热器9设在空气冷却器6内，第一表面换热器9的进水口与冷冻水循环泵10的出水口连接，冷冻水循环泵10的进水口与主制冷机11的冷冻水出口连接，第一表面换热器9的出水口与主制冷机11的冷冻水进口连接，主制冷机11采用电制冷机或蒸汽溴冷机，空气冷却器6内部的末端设有除雾器8，空气冷却器6的出水口与冷凝水箱12的进水口连接，冷凝水箱12内的冷凝水经由冷凝水泵13排入冷凝水的后续处理系统，该冷却方法中的制冷机是按潜热品位来进行设置的，因此能耗较高，另外从空气中被冷凝出来的冷凝水温度约为14℃～16℃，这部分冷凝水被排入后续的循环水系统，大量冷量被浪费。

发明内容

本申请人针对现有技术中的上述缺点进行改进，提供一种组合式节能型燃气轮机进气冷却系统，其喷雾直接蒸发冷却与间接换热冷却组合使用，适用于在高温干燥及高温高湿地区，在燃机进气同样温降效果下，能够减少能耗，提高燃机简单及联合循环机组性能，降低主制冷机的装机容量，减少一次投资和运行费用。

本发明的技术方案如下：

组合式节能型燃气轮机进气冷却系统，包括压气机，压气机出气端与燃烧室进气端连接，燃烧室出气端与燃气透平进气端连接，压气机的进气端与空气冷却器的出气口管道连接，空气冷却器的进气口与空气过滤器的出气口连接，空气冷却器内部设有除雾器，第一表面换热器设在空气冷却器内，第一表面换热器的进水口与第一冷冻水循环泵的出水口连接，第一冷冻水循环泵的进水口与主制冷机的冷冻水出口连接，第一表面换热器的出水口与主制冷机的冷冻水进口连接，空气冷却器的出水口与冷凝水箱的进水口连接，冷凝水箱通过高压管路回到空气冷却器，伸入空气冷却器内的高压管路上设有雾化喷嘴，位于空气冷却器外部的高压管路上设有冷凝水泵及冷凝水过滤装置。

其进一步技术方案为：

所述燃气透平的出气端与余热锅炉的进气端连接，余热锅炉的出气端与烟囱连接。

余热锅炉的出气端与烟囱的所述连接管路上设有热水换热器，热水换热器的进水口与热水型溴冷机热水出口管道连接，且在所述连接管道上设有热水循环泵，热水换热器的出水口与热水型溴冷机热源进口管道连接；热水型溴冷机的冷冻水出口与第二冷冻水循环泵的进水口连接，第二冷冻水循环泵的出水口与第二表面换热器的进水口连接，第二表面换热器的出水口与热水型溴冷机冷冻水进口连接，第二表面换热器设在空气冷却器内，且位于第一表面换热器前方。

本发明的技术效果：

本发明将直接喷雾蒸发冷却与间接接触换热冷却有机结合，同时利用间接表面换热器与空气换热过程脱出的冷凝水回收加以应用于喷雾直接蒸发冷却，这既利用了该部分冷凝水量又利用了该部分冷凝水所具有的冷量，相比于单纯的间接接触换热冷却，可以节约冷量，降低主制冷机的装机容量，相比于单纯的喷雾直接蒸发冷却方式，可以省却外供的除盐水，达到节能的目的；本发明在直接喷雾蒸发冷却与间接接触换热冷却组合使用的基础上，联合使用吸收式制冷，即利用余热锅炉排烟余热驱动溴冷机制取冷冻水来冷却进气，能够减少能耗，进一步降低主制冷机的装机容量，减少一次投资和运行费用，能够将燃机进气温度控制在相当低的水平，适应于燃气－蒸汽联合循环发电系统时，能够提高约15%-22%的发电系统输出功率，适合在高温高湿地区及高温干燥地区使用。

附图说明

图1为现有技术中喷雾直接蒸发冷却系统的结构示意图。

图2为现有技术中间接接触式换热冷却系统的结构示意图。

图3为本发明的结构示意图，图中示出了燃气－蒸汽联合循环结构中的余热锅炉及烟囱。

图4为本发明另一实施例的结构示意图。

其中：1、压气机；2、燃烧室；3、燃气透平；4、余热锅炉；5、烟囱；6、空气冷却器；7、空气过滤器；8、除雾器；9、第一表面换热器；10、第一冷冻水循环泵；11、主制冷机；12、冷凝水箱；13、冷凝水泵；14、高压管路；15、雾化喷嘴；16、冷凝水过滤装置；17、热水换热器；18、热水型溴冷机；19、热水循环泵；20、第二冷冻水循环泵；21、第二表面换热器；100、高压管；200、雾化喷嘴；300、除盐水箱；400、回水泵；500、除盐水过滤装置。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

见图3，本发明包括压气机1，压气机1出气端与燃烧室2进气端连接，燃烧室2出气端与燃气透平3进气端连接，压气机1的进气端与空气冷却器6的出气口管道连接，空气冷却器6的进气口与空气过滤器7的出气口连接，空气冷却器6内部设有除雾器8，第一表面换热器9设在空气冷却器6内，第一表面换热器9的进水口与第一冷冻水循环泵10的出水口连接，第一冷冻水循环泵10的进水口与主制冷机11的冷冻水出口连接，第一表面换热器9的出水口与主制冷机11的冷冻水进口连接，主制冷机11采用电制冷机或蒸汽溴冷机，空气冷却器6的出水口与冷凝水箱12的进水口连接，冷凝水箱12通过高压管路14回到空气冷却器6，伸入空气冷却器6内的高压管路14上设有雾化喷嘴15，位于空气冷却器6外部的高压管路14上设有冷凝水泵13及冷凝水过滤装置16。

见图3，所述燃气透平3的出气端与余热锅炉4的进气端连接，余热锅炉4的出气端与烟囱5连接，这是将燃机进气冷却系统应用于燃气－蒸汽联合循环发电装置中。图3所示的燃机进气冷却系统主要应用于燃机简单或联合循环发电装置中用于冷却进气，也可应用于高炉鼓风机机前脱湿系统以达到降低主制冷机的装机容量目的，图3所示的冷却系统是间接接触换热冷却与喷雾直接蒸发冷却两种方式的组合使用，空气在空气冷却器6中首先经过第一级喷雾直接蒸发冷却，即冷凝水箱12中冷凝水在冷凝水过滤装置16及冷凝水泵13的作用下流至空气冷却器6内，并通过雾化喷嘴15形成喷雾，喷雾与进气混合，蒸发吸热，从而冷却进气，同时进气的湿度增加，然后经过第二级间接接触换热冷却，即通过主制冷机11制出低温冷冻水，低温冷冻水流入位于空气冷却器6内的第一表面换热器9，并与第一表面换热器9外部的进气进行热交换，从而冷却进气并对进气进行脱湿，在第二级的间接接触换热冷却过程中，在除雾器8的作用下脱出的冷凝水回到冷凝水箱12，可回收至空气冷却器6内，并作为第一级喷雾直接蒸发冷却的冷源使用。由于在第二级间接接触换热冷却过程中从空气中被冷凝出来的冷凝水温度约为14℃～16℃，在第一级喷雾直接蒸发冷却过程中，利用这部分14℃～16℃的冷凝水作为冷源，可以使空气再次降温4℃～8℃。假设当天入口空气温度35℃，相对湿度81%，而最终空气被冷却温度为10℃，则图3所示的冷却系统除了能够通过两级冷却来达到同样的空气的温降效果之外，而且能够节约15%～20%的总需制冷冷量，另外，相比于单纯的喷雾直接蒸发冷却方式，可以省却外供的除盐水，达到节能的目的。

见图4，图4所示的冷却系统是本发明的另一实施例，是在图3所示的冷却系统的基础上增设了利用余热锅炉4排烟余热产生热水驱动溴冷机制取冷冻水，继而通过表面换热器换热冷却燃机入口空气，主要应用于燃气－蒸汽联合循环发电装置的燃机进气冷却系统，在图3所示的冷却系统的结构基础上，增设的部分结构如下：余热锅炉4的出气端与烟囱5的所述连接管路上设有热水换热器17，热水换热器17的进水口与热水型溴冷机18热水出口管道连接，且在连接管道上设有热水循环泵19，热水换热器17的出水口与热水型溴冷机18热源进口管道连接；热水型溴冷机18的冷冻水出口与第二冷冻水循环泵20的进水口连接，第二冷冻水循环泵20的出水口与第二表面换热器21的进水口连接，第二表面换热器21的出水口与热水型溴冷机18冷冻水进口连接，第二表面换热器21设在空气冷却器6内，且位于第一表面换热器9前方。

图4所示的冷却系统的运行方式如下：

空气冷却器6设在空气过滤器7之后，冷凝水箱12中的冷凝水经过雾化喷嘴15形成喷雾，空气在空气冷却器6中首先经过喷雾，在蒸发冷却作用下，空气被冷却降温4℃～6℃；再与第二表面换热器21换热，空气温度降至接近空气露点温度，由此除去空气中的显热；除去显热后的空气再与第一表面换热器9换热，对空气进行降温脱湿，空气降至工作需要的温度；所需温度的空气经过除雾器8脱出水滴后进入压气机1，脱出的水滴回到冷凝水箱12作为喷雾蒸发冷却的冷源使用，由压气机1压缩后的气体进入燃烧室2与燃料燃烧形成高温燃气，随即流入燃气透平3膨胀做功，燃机排出的530℃～550℃的烟气进入余热锅炉4，经换热后排出约160℃～170℃的烟气进入热水换热器17，并与热水型溴冷机18提供的热水进行换热后，换热后的热水用于热水型溴冷机18的驱动热源直驱冷冻水，而换热后的烟气则降温至约110℃～130℃从烟囱5排出。

具体地，空气与两个表面换热器换热后脱出的冷凝水流入冷凝水箱12，经过冷凝水泵13加压再经净化过滤装置16后送入雾化喷嘴15对空气进行喷雾直接蒸发冷却，此时，在间接接触换热冷却过程中产生的冷凝水被回收至冷凝水箱12内，并可循环作为喷雾直接蒸发冷却的冷源使用；

余热锅炉4排出约160℃～170℃的烟气进入热水换热器17，同时从热水型溴冷机18出来的90℃热水在热水循环泵19的作用下加压后送入热水换热器17，90℃热水在160℃～170℃的烟气的加热作用下，升温至约130℃后，由管道送入热水型溴冷机18作为驱动热源，而160℃～170℃的烟气降温至约110℃～130℃后经烟囱5排出，热水型溴冷机18在130℃驱动热源基础上制出的14℃～16℃的高温冷冻水在第二冷冻水循环泵20作用下并加压后送入第二表面换热器21，与空气换热后，14℃～16℃的高温冷冻水升温至19℃～21℃由管道送回热水型溴冷机18重新被制冷，实现循环使用，利用余热锅炉4的排烟余热产生的冷量占总需冷量的12%～18%左右；大部分需冷量是由至制冷机11制取的，主制冷机11制出的5℃～7℃的低温冷冻水在第一冷冻水循环泵10作用下并加压后送入第一表面换热器9，与空气进换热后，5℃～7℃的低温冷冻水升温至10℃～12℃由管道送回主制冷机11重新被制冷，实现循环使用。

图4所示的冷却系统中，燃机进气经过三级冷却，分别是喷雾直接蒸发冷却、第二表面换热器间接换热冷却、第一表面换热器间接换热冷却，三级冷却的冷源分别是两个表面换热器将空气冷却过程中脱出的冷凝水、利用余热锅炉排烟余热产生的热水驱动热水型溴冷机制取的高温冷冻水、主制冷机制取的低温冷冻水，并且该冷却系统充分利用余热锅炉排烟余热，降低了运行费用，而热水型溴冷机自身耗电很少，在达到同样温降效果情况下大幅降低了电能消耗，另一方面，该冷却系统利用了回收的冷凝水和低温烟气制冷，因此，生产高品位冷冻水的主制冷机的装机容量可以大幅度的降低，图4中的主制冷机的装机容量只需要为总需冷量的62%～70%即可以满足要求，图3中的主制冷机的装机容量只需要为总需冷量的75%～85%即可以满足要求，由此达到节能的目的。

本发明所述的冷却系统，无论是间接接触换热冷却与喷雾直接蒸发冷却组合使用，还是在此基础上增设利用余热锅炉排烟余热驱动溴冷机制冷，均适用于高温高湿地区，在燃机进气同样温降效果下，减少能耗，提高燃机简单及联合循环机组性能，降低主制冷机的装机容量，减少一次投资和运行费用。通过适当调整直喷雾接蒸发冷却与间接接触换热冷却的比例后，本发明也可以适用于高温干燥地区。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (1)

1.组合式节能型燃气轮机进气冷却系统，包括压气机（1），压气机（1）出气端与燃烧室（2）进气端连接，燃烧室（2）出气端与燃气透平（3）进气端连接，压气机（1）的进气端与空气冷却器（6）的出气口管道连接，空气冷却器（6）的进气口与空气过滤器（7）的出气口连接，空气冷却器（6）内部设有除雾器（8），第一表面换热器（9）设在空气冷却器（6）内，第一表面换热器（9）的进水口与第一冷冻水循环泵（10）的出水口连接，第一冷冻水循环泵（10）的进水口与主制冷机（11）的冷冻水出口连接，第一表面换热器（9）的出水口与主制冷机（11）的冷冻水进口连接，空气冷却器（6）的出水口与冷凝水箱（12）的进水口连接，其特征在于：冷凝水箱（12）通过高压管路（14）回到空气冷却器（6），伸入空气冷却器（6）内的高压管路（14）上设有雾化喷嘴（15），雾化喷嘴（15）位于空气冷却器（6）的进气口与第一表面换热器（9）之间，位于空气冷却器（6）外部的高压管路（14）上设有冷凝水泵（13）及冷凝水过滤装置（16）；所述燃气透平（3）的出气端与余热锅炉（4）的进气端连接，余热锅炉（4）的出气端与烟囱（5）连接；余热锅炉（4）的出气端与烟囱（5）的连接管路上设有热水换热器（17），热水换热器（17）的进水口与热水型溴冷机（18）热水出口管道连接，且在连接管道上设有热水循环泵（19），热水换热器（17）的出水口与热水型溴冷机（18）热源进口管道连接；热水型溴冷机（18）的冷冻水出口与第二冷冻水循环泵（20）的进水口连接，第二冷冻水循环泵（20）的出水口与第二表面换热器（21）的进水口连接，第二表面换热器（21）的出水口与热水型溴冷机（18）冷冻水进口连接，第二表面换热器（21）设在空气冷却器（6）内，且位于第一表面换热器（9）前方，第二表面换热器（21）位于雾化喷嘴（15）与第一表面换热器（9）之间。