CN105221262A - 一种间冷回热循环燃气轮机系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间冷回热循环燃气轮机系统，涉及燃气轮机技术领域。所述间冷回热循环燃气轮机系统，包含高压涡轮、回热器、低压涡轮、动力涡轮及补燃燃烧室，补燃燃烧室布置在高压涡轮与低压涡轮之间，补燃燃烧室将高压涡轮排出的燃气再次燃烧加热，燃气进入低压涡轮的温度升高，燃气经低压涡轮膨胀做工后驱动动力涡轮，动力涡轮的排气热量被回热器吸收。本发明有益之处在于：在高压涡轮与低压涡轮之间增加一个补燃燃烧室，对从高压涡轮流出的燃气再次加热，可提高低压涡轮进口温度，回热器回收的尾气温度较高，对经高压压气机排出的高压空气进一步加热。使燃气轮机的循环功加大，既提高了功率又使热效率保持较高的水平。

Description

一种间冷回热循环燃气轮机系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种间冷回热循环燃气轮机系统。

背景技术

间冷回热循环燃气轮机是在简单循环的基础上，增加压缩空气中间冷却器和排气回热器组成的复杂循环燃气轮机，由于加入了中间冷却和回热过程，使得其效率较简单循环燃气轮机得到提升。

在燃气轮机中，采用间冷回热循环的燃气轮机由于其高的循环比功与高效率，日益受到人们的关注。然而，常规间冷回热循环燃气轮机中，燃气经高压涡轮膨胀做功后，温度下降。动力涡轮排出的尾气经过回热器回收尾气中的热量，经高压压气机压缩排出的气体进入回热器后，吸收流经回热器内部尾气的热量，然后流出回热器，使循环具有更好的热效率。但当燃气轮机在高压比的情况下应用时，由于经高压压气机压缩后排出的空气温度大于回热器中回收的尾气温度，当经高压压气机压缩排出的气体进入回热器后，再经回热器流出的高压空气温度会降低，由于流出的高压空气温度较低，在燃烧室内的燃料燃烧不够充分，燃烧效率较低。应用受到限制，影响了间冷回热循环的燃气轮机的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种间冷回热循环燃气轮机系统，以解决背景技术中的间冷回热循环燃气轮机系统无法满足燃气轮机在高压比情况下应用的问题。

本发明的技术方案是：提供一种间冷回热循环燃气轮机系统，包含高压涡轮、回热器、低压涡轮、动力涡轮、补燃燃烧室，所述补燃燃烧室布置在所述高压涡轮与所述低压涡轮之间，补燃燃烧室将高压涡轮排出的燃气再次燃烧加热，燃气进入低压涡轮的温度升高，燃气经低压涡轮膨胀做工后驱动动力涡轮，动力涡轮的排气热量被回热器吸收。

优选地，所述低压涡轮与动力涡轮组成涡轮组件，燃气进入低压涡轮后膨胀做功驱动动力涡轮。

优选地，所述间冷回热循环燃气轮机系统进一步包含第一转子、第二转子、低压压气机及高压压气机，所述高压涡轮与高压压气机通过所述第一转子连接，且高压涡轮与高压压气机同轴，所述低压压气机与涡轮组件通过所述第二转子连接，且低压压气机与涡轮组件同轴。

优选地，所述第二转子的一端用于连接负载，所述低压压气机布置在涡轮组件和负载之间。

优选地，所述低压压气机的进气端背离涡轮组件的排气端。

优选地，所述低压压气机同旋向的叶片叶型沿第二转子的轴线对称布置。

优选地，所述涡轮组件同时驱动低压压气机及负载。

本发明的有益效果：在高压涡轮与低压涡轮之间增加一个补燃燃烧室，对从高压涡轮流出的燃气再次加热，可提高低压涡轮进口温度，回热器回收的尾气温度较高，可以对经高压压气机排出的高压空气进一步加热。使燃气轮机的循环功加大，而且补燃燃烧室中的空气压力较高，燃烧效率也高，因而既提高了功率又使热效率保持较高的水平，对降低污染物排放、减少发动机冷却气量、提高燃气轮机安全性能十分有利。

附图说明

图1是本发明一实施例的间冷回热循环燃气轮机系统的示意图。

其中：1-负载，2-第二转子，3-低压压气机，4-涡轮组件，5-补燃燃烧室，6-高压涡轮，7-燃烧室，8-回热器，9-高压压气机，10-中间冷却器，11-第一转子。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，一种间冷回热循环燃气轮机系统，包含有第一转子11、第二转子2、低压压气机3、中间冷却器10、高压压气机9、回热器8、燃烧室7、高压涡轮6、补燃燃烧室5、涡轮组件4，其中，涡轮组件4由低压涡轮和高压涡轮组装而成。

高压涡轮6与高压压气机9通过第一转子11连接，且高压涡轮6与高压压气机9同轴，高压压气机9将空气压缩后首先流经回热器8，并吸收流经回热器8的高温排气的热量，然后进入燃烧室7。在燃烧室7内喷入燃料，燃料在高压空气下燃烧生成高温高压燃气，高温高压燃气流入高压涡轮6用于高压涡轮6做功，高压涡轮6做功用于通过第一转子11带动高压压气机9运转。

低压压气机3与涡轮组件4通过第二转子2连接，且低压压气机3与涡轮组件4同轴，第二转子2的一端用于连接负载1。

本发明相比现有技术，将低压涡轮与动力涡轮组装为涡轮组件4。涡轮组件4同时带动低压压气机3及负载1，减少了零件的数量，缩短了第二转子2的轴向长度，提高了系统的可靠性。

低压压气机3布置在涡轮组件4与负载1之间，且低压压气机3的进气端远离涡轮组件4的排气端(附图1中，低压压气机3的右端为低压压气机3的进气端，涡轮组件4的右端为涡轮组件4的排气端)。低压压气机3同旋向的叶片叶型沿第二转子2的轴线对称布置得到反旋向的叶片叶型，使得涡轮组件4和低压压气机3的气流方向相反，而旋向相同。

低压压气机3的进气端远离涡轮组件4的排气端的优点在于：低压压气机3的进口温度不受涡轮组件4的排气的影响，提高了低压压气机3进口的空气质量。

本发明相比现有技术，包含有第一转子11和第二转子2，其优点在于：现有技术中的转子需要穿过中间冷却器10、高压压气机11、燃烧室7、高压涡轮6，转子的轴向距离较长，不利于转子轴承布置和转子动力学设计。而本发明中采用了两个转子，转子长度明显降低，大幅提高了转子的刚度，使得燃气轮机工作过程中更加稳定。

补燃燃烧室5布置在第一转子11上的高压涡轮6与第二转子2上的涡轮组件4之间。补燃燃烧室5对从高压涡轮6流出的燃气再次加热，补燃燃烧室5内喷入燃料，燃料在补燃燃烧室5中的高温高压气流中充分燃烧，燃烧后的燃气流入涡轮组件4做功，涡轮组件4通过第二转子2带动低压压气机3和负载1，高温燃气驱动涡轮组件4做功后的排气进入回热器8，回热器8回收涡轮组件4的排气的温度，用于加热经高压压气机9压缩后的空气。

增加补燃燃烧室5的优点在于：可提高涡轮组件4进口燃气的温度，使燃气轮机的循环功加大，而且补燃燃烧室5中的压力较高，燃烧效率也高，因而既提高了功率又使热效率保持较高的水平，对降低污染物排放、减少发动机冷却气量、提高燃气轮机安全性等十分有利。回热器8吸收的尾气热量较高，当间冷回热燃气轮机应用在高压比的情况下时，回热器8可以对经过高压压气机9排出的气体进一步加热。

中间冷却器10设置在低压压气机3与高压压气机9之间，空气经低压压气机3压缩后，通过中间冷却器10进入高压压气机9。中间冷却器10降低了空气进入高压压气机9时的温度,高压压气机9的压缩耗功因此减少，整个机组的比功率得到提高。同时,由于中间冷却器10的使用,经高压压气机9压缩排出的空气温度也相应降低，这样，增加了回热器8两侧空气和燃气的温度差，回热器8回热效率因此也得到提高。

本发明的间冷回热循环燃气轮机的功率相比现有技术可提高47.3％，同时，由于转子的轴向距离变短，整个燃气轮机的重量没有显著增加，工重比可提高50％以上。

其计算公式为：

压气机压缩单位质量空气消耗功：

$L_k=\frac{k}{k-1}{\mathrm{RT}}_B^{*}\frac{{\mathrm{\π}}_k^{{*}^{\frac{k-1}{k}}}-1}{{\mathrm{\η}}_k^{*}}=\frac{k}{k-1}R(T_k^{*}-T_B^{*})$

其中：

L_k为单位质量空气压缩耗功，k为绝热指数，

R为气体常数，为压气机进口总温

为压气机压比，为压气机效率

为压气机出口总温；

涡轮膨胀单位质量空气发出功：

$L_r=\frac{k_r}{k_r-1}{R}_r{T}_r^{*}(1-\frac{1}{{\mathrm{\π}}_T^{{*}^{\frac{k_r-1}{k_r}}}}){\mathrm{\η}}_T^{*}=\frac{k_r}{k_r-1}{R}_r(T_r^{*}-T_T^{*})$

其中：

L_r单位质量空气膨胀功，k_r为绝热指数

R为气体常数，为涡轮进口涡轮总温

为涡轮膨胀比，为涡轮效率

为涡轮出口总温；

燃烧室油气比：

$f=\frac{i_{a3}^{*}-i_{a2}^{*}}{{\mathrm{\ηH}}_{\mathrm{\μ}}+{\mathrm{\ΔI}}_f+H_0-H_3^{*}}$

其中：

f为油气比，为出口空气焓(出口温度下单位质量空气焓)，

η为燃烧效率，为入口空气焓(入口温度下单位质量空气焓)，

为焓差，H_μ为燃料低热值(燃烧产物为水蒸气时的热值)，

ΔI_f为温度差引起的燃料焓差(温差乘平均比热容，一般忽略)，

H₀为燃料入口温度下的焓差。

假设现有技术中燃烧室出口温度为1600K，燃料热值42700KJ/kg，经计算可得燃机功率为39493KW,热效率为42.3％。高压压气机出口温度为713K，动力涡轮前温度为998K，动力涡轮排气温度657K。可以看出，动力涡轮排气温度高于高压压气机出口温度，导致现有间冷回热燃气轮机的使用受到限制。

而在相同假设条件下，本发明中的间冷回热燃气轮机计算参数为：低压压气机进气温度为288K，流量为100kg/s，低压压比为4，中间冷却器水温为291K，中间冷却器效率为0.85，高压压比为12，燃烧室出口温度为1600K，燃料热值为42700KJ/kg，回热器回热度为0.85，补燃燃烧室出口温度为1600K，高压涡轮、低压涡轮冷气量均为10％，经计算可得燃机功率为58160KW，相比现有技术中的燃机功率提高了47.3％，热效率为47％，提高11％，高压压气机出口温度为713K，动力涡轮前温度为1382K，动力涡轮排气温度为897K。

经计算对比表明，带补燃的间冷回热燃气轮机可显著提高燃气轮机的功率计热效率。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种间冷回热循环燃气轮机系统，包含高压涡轮(6)、回热器(8)、低压涡轮及动力涡轮，其特征在于：所述间冷回热循环燃气轮机系统还包含补燃燃烧室(5)，所述补燃燃烧室(5)布置在所述高压涡轮(6)与所述低压涡轮之间，补燃燃烧室(5)将高压涡轮(6)排出的燃气再次燃烧加热，燃气进入低压涡轮的温度升高，燃气经低压涡轮膨胀做工后驱动动力涡轮，动力涡轮的排气热量被回热器(8)吸收。

2.根据权利要求1所述的间冷回热循环燃气轮机系统，其特征在于：所述低压涡轮与动力涡轮组成涡轮组件(4)，燃气进入低压涡轮后膨胀做功驱动动力涡轮。

3.根据权利要求2所述的间冷回热循环燃气轮机系统，其特征在于：所述间冷回热循环燃气轮机系统进一步包含第一转子(11)、第二转子(2)、低压压气机(3)及高压压气机(9)，所述高压涡轮(6)与高压压气机(9)通过所述第一转子(11)连接，且高压涡轮(6)与高压压气机(9)同轴，所述低压压气机(3)与涡轮组件(4)通过所述第二转子(2)连接，且低压压气机(3)与涡轮组件(4)同轴。

4.根据权利要求3所述的间冷回热循环燃气轮机系统，其特征在于：所述第二转子(2)的一端用于连接负载(1)，所述低压压气机(3)布置在涡轮组件(4)和负载(1)之间。

5.根据权利要求4所述的间冷回热循环燃气轮机系统，其特征在于：所述低压压气机(3)的进气端背离涡轮组件(4)的排气端。

6.根据权利要求3所述的间冷回热循环燃气轮机系统，其特征在于：所述低压压气机(3)同旋向的叶片叶型沿第二转子(2)的轴线对称布置。

7.根据权利要求4所述的间冷回热循环燃气轮机系统，其特征在于：所述涡轮组件(4)同时驱动低压压气机(3)及负载(1)。