CN105464810A - 燃气蒸汽联合系统及其运行控制方法 - Google Patents

燃气蒸汽联合系统及其运行控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及提供一种燃气蒸汽联合系统及其运行控制方法，其中，燃气蒸汽联合系统包括：燃气机组、蒸汽循环回路、预热循环回路、以及加热支路，所述加热支路上设有燃料加热器，所述燃料加热器具有相配合的第一换热通道和第二换热通道；所述第一换热通道的进口、出口分别与所述抽水口、所述补水口对接，所述第二换热通道的进口与所述预热换热器对接，所述第二换热通道的出口与所述燃气轮机的燃气进口对接。预热循环工质在预热循环回路中循环，对进入燃气轮机的燃气进行加热，使燃气温度升高，使更大流量的蒸汽进入蒸汽轮机做功，提高整个燃气蒸汽联合系统的效率，在提高热效率的同时避免大幅提高整个系统的造价。

Description

燃气蒸汽联合系统及其运行控制方法
技术领域
本发明属于能源领域，具体涉及一种燃气蒸汽联合系统及其运行控制方法。
背景技术
燃气蒸汽联合系统的运行工况是根据其负荷状态实时调整的，由于负荷的变化，燃气蒸汽联合系统往往不能满负荷发电，低负荷时燃气蒸汽联合系统效率相对较低。
目前提高蒸汽循环效率主要途径为增加蒸汽轮机的进汽参数从而提高蒸汽轮机的做功效率，然而，选择更高压力和更高温度的蒸汽轮机和余热锅炉，大幅度增加了电厂初投资，回收期较长，无论是新建机组还是老机组改造，都不利于推广。
发明内容
基于此，本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种燃气蒸汽联合系统及其运行控制方法，热效率高，设备造价低。
其技术方案如下：
一种燃气蒸汽联合系统，包括：燃气机组，所述燃气机组包括燃气轮机；蒸汽循环回路，所述蒸汽循环回路上设有余热锅炉、蒸汽轮机、以及凝汽器，所述余热锅炉内设有余热烟道，从所述凝汽器至所述余热锅炉的管路上或者所述余热锅炉内的管路上设有抽水口，从所述凝汽器至所述余热锅炉的管路上或者所述余热锅炉内的管路上设有补水口；预热循环回路，所述预热循环回路上设有余热换热器和预热换热器；加热支路，所述加热支路上设有燃料加热器，所述燃料加热器具有相配合的第一换热通道和第二换热通道；其中，所述余热烟道与所述燃气轮机的烟气出口对接，所述余热换热器安装于所述余热烟道内，所述预热换热器与所述燃气轮机的燃气进口对接；所述第一换热通道的进口、出口分别与所述抽水口、所述补水口对接，所述第二换热通道的进口与所述预热换热器对接，所述第二换热通道的出口与所述燃气轮机的燃气进口对接。
在其中一个实施例中，所述蒸汽循环回路上还设有至少一级蒸汽循环换热器，所述蒸汽循环换热器安装于所述余热烟道内，所述余热烟道内的烟气流动方向上，所述余热换热器位于最末一级蒸汽循环换热器的下游。
在其中一个实施例中，所述预热循环回路上还设有流量控制阀。
在其中一个实施例中，所述燃气轮机的空气进口设有温度传感器；或者，所述燃气轮机的燃气进口设有温度传感器。
在其中一个实施例中，所述预热循环回路中的预热循环工质流出所述余热换热器的温度为60℃至75℃。
在其中一个实施例中，所述余热烟道内流经所述余热换热器的烟气的温度为75℃至90℃。
在其中一个实施例中，从所述预热换热器输出的燃气温度为40℃至60℃。从所述燃料加热器输出的燃气温度为175℃至195℃。
一种燃气蒸汽联合系统运行控制方法，包括：燃气和空气进入燃气轮机中燃烧，燃烧后的烟气进入余热锅炉的余热烟道，并且对蒸汽循环回路的给水进行加热，加热后的给水进入蒸汽轮机做功；预加热：预热循环工质在预热循环回路中循环，当预热循环工质流经余热换热器时，被余热烟道内的烟气加热，被加热后预热循环工质流经预热换热器时，对进入燃气轮机的燃气进行预加热，燃气升温，预热循环工质被降温，降温后的预热循环工质进入余热换热器被再次加热；再加热：蒸汽循环回路的部分给水从抽水口进入燃料加热器的第一换热通道，经过预热换热器预加热的燃气进入燃料加热器的第二换热通道，给水在燃料加热器中对燃气进行再加热，燃气再次升温，给水被降温，降温后的给水通过补水口回流蒸汽循环回路，再升温后的燃气进入燃气轮机。
在其中一个实施例中，根据温度传感器检测到的燃气轮机燃气进口处燃气的温度，调节流量控制阀，控制预热循环工质的流量，从而控制进入预加热后燃气的温度。
本发明的有益效果在于：
对进入燃气轮机的燃气进行预加热和再加热，提高进入燃气轮机的燃气的温度，从而提高燃气轮机做功后的排烟温度。同时，增加蒸汽循环回路的给水流量，使其与燃气轮机排放的更高温度的烟气换热得到更大的蒸汽量，使更大流量的蒸汽进入蒸汽轮机做功，此时的蒸汽维持原来蒸汽压力和温度基本不变，这些更多的蒸汽进入蒸汽轮机做功获得更大的出力，提高整个燃气蒸汽联合系统的效率。另一方面，经过余热锅炉的烟气经过预热循环回路对热能的进一步利用后被冷却，余热锅炉内排出的烟气温度大幅度降低，提高热效率。另一方面，预热循环回路不改变燃气蒸汽循环的蒸汽运行参数，不需要采用耐温耐压性更好的材料，在提高热效率的同时避免大幅提高整个系统的造价。先通过预热循环回路在预热换热器中对燃气预加热，再送入燃料加热器中采用蒸汽循环回路的给水再加热，通过两级加热使燃气获得更高的温度，并且，可以降低蒸汽循环回路给水的使用量，节约高品位能量。
附图说明
图1为本发明实施例的燃气蒸汽联合系统的结构示意图。
附图标记说明：
100、燃气轮机，210、余热锅炉，211、余热烟道，212、余热烟囱，220、蒸汽轮机，230、凝汽器，310、余热换热器，320、预热换热器，330、流量控制阀，340、升压泵,410、燃料加热器，420、流量调节阀，430、循环泵。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
如图1所示，燃气蒸汽联合系统包括：燃气机组、蒸汽机组、预热循环回路、以及加热支路。燃气机组包括燃气轮机100；蒸汽机组包括蒸汽循环回路，蒸汽循环回路上设有余热锅炉210、蒸汽轮机220、以及凝汽器230，余热锅炉210内设有余热烟道211，从凝汽器至余热锅炉210的管路上或者余热锅炉210内的管路上设有抽水口，从凝汽器至余热锅炉210的管路上或者余热锅炉210内的管路上设有补水口；预热循环回路，预热循环回路上设有余热换热器310和预热换热器320；加热支路上设有燃料加热器410，燃料加热器410具有相配合的第一换热通道和第二换热通道；其中，余热烟道211与燃气轮机100的烟气出口对接，余热换热器310安装于余热烟道211内，预热换热器320与燃气轮机100的燃气进口对接；第一换热通道的进口、出口分别与抽水口、补水口对接，第二换热通道的进口与预热换热器320对接，第二换热通道的出口与燃气轮机100的燃气进口对接。燃料加热器410与抽水口之间设有循环泵430，或者燃料加热器与补水口之间设有循环泵430，循环泵430为燃料加热器410中给水流动提供动力。
燃气蒸汽联合系统对外做功过程为：燃气和空气进入燃气轮机100中燃烧，推动燃气轮机100对外做功，做功后的烟气进入余热锅炉210的余热烟道211，并且对蒸汽循环回路的给水进行加热，加热后的给水进入蒸汽轮机220推动蒸汽轮机220对外做功。预热循环回路对燃气进行预加热：预热循环工质在预热循环回路中循环，当预热循环工质流经余热换热器310时，被余热烟道211内的烟气加热，被加热后预热循环工质流经预热换热器320时，对进入燃气轮机100的燃气进行预加热，燃气升温，预热循环工质被降温，降温后的预热循环工质进入余热换热器310被再次加热。加热支路对燃气进行再加热：预热循环回路的部分给水从抽水口进入燃料加热器410的第一换热通道，经过预热换热器320预加热的燃气进入燃料加热器410的第二换热通道，给水在燃料加热器410中对燃气进行再加热，燃气再次升温，给水被降温，降温后的给水通过补水口回流蒸汽循环回路，再升温后的燃气进入燃气轮机100。
对进入燃气轮机100的燃气进行预加热和再加热，使燃气温度升高，从而提高了燃气轮机100做功后的排烟温度。同时，增加蒸汽循环回路的给水流量，使其与燃气轮机100排放的更高温度的烟气换热得到更大的蒸汽量，使更大流量的蒸汽进入蒸汽轮机220做功。此时的蒸汽维持原来蒸汽压力和温度基本不变，这些更多的蒸汽进入蒸汽轮机220做功获得更大的出力，提高整个燃气蒸汽联合系统的效率。另一方面，经过余热锅炉210的烟气经过预热循环回路对热能的进一步利用后被冷却，余热锅炉内排出的烟气温度大幅度降低，提高热效率。另一方面，预热循环回路不改变燃气蒸汽循环的蒸汽运行参数，不需要采用耐温耐压性更好的材料，在提高热效率的同时避免大幅提高整个系统的造价。不限于本实施例，根据需要，还可以设置两套预热换热器，分别对进入燃气轮机的燃气、空气进行加热，进一步提高热效率。
蒸汽循环回路上还设有至少一级蒸汽循环换热器，蒸汽循环换热器安装于余热烟道211内，余热烟道211内的烟气流动方向上，余热换热器310位于最末一级蒸汽循环换热器的下游。在烟气的最下游设置余热换热器310，不需要对原有的蒸汽循环回路的换热器及逆行改动，仅对在蒸汽循环回路最后一级蒸汽循环换热器后的烟气进行热能再利用，增加燃气轮机100的做功量，同时减低排烟温度，提高整个系统的热效率。本实施例中，蒸汽机组还包括与余热烟道211对接的余热烟囱212，蒸汽循环回路上还设有凝汽器和凝结水加热器，凝结水加热器安装于余热烟道211内，凝结水加热器是蒸汽循环回路上在余热烟道211内的最末一级换热器，余热换热器310位于凝结水加热器和余热烟囱212之间，并且余热换热器310位于最末一级凝结水加热器后，实现烟气热能的深度利用。
预热循环回路上还设有流量控制阀330。流量控制阀330位于余热换热器310的循环工质出口和预热换热器320的循环工质进口之间。燃气轮机100的空气进口设有温度传感器，或者燃气轮机100的燃气进口设有温度传感器。燃气蒸汽联合系统还具有控制器，温度传感器和流量控制阀330分别与控制器电性连接，控制器根据温度传感器检测到的进入燃气轮机100的空气温度或者燃气温度，调节流量控制阀330，控制预热循环工质的流量，从而控制进入燃气轮机100的燃气的温度。进入燃气轮机100的燃气的温度受环境温度的影响，随环境温度的变化而改变，将进入燃气轮机100的空气或者燃气的温度作为控制信号，当温度传感器检测到的燃气的温度值大于设定值时，控制器控制流量控制阀330减小循环工质的流量，即减少与燃气进行换热的循环工质流量，使燃气获得的热量减小，从而降低燃气进入燃气轮机100的温度；反之，当温度传感器检测到的燃气的温度值小于设定值时，控制器控制流量控制阀330增大循环工质的流量，即增加与燃气进行换热的循环工质流量，使燃气获得的热量增大，从而提高燃气进入燃气轮机100的温度；如此反复调节，最终使得燃气的温度达到理论计算使燃气蒸汽联合系统效率最高的设定温度值，使燃气蒸汽联合循环机组获得最佳效率，燃气蒸汽联合循环机组在任意季节任何工况下，都能够以最佳状态运行，不受外界客观因素影响。不限于此，还可以在加热支路上设置流量调节阀420，通过调节流量调节阀420可以控制从抽水口进入加热支路的给水流量，从而控制燃料加热器的换热量，在调节流量控制阀330后、调节流量调节阀420，可以综合调控进入燃气轮机的燃气温度。
优选的，预热循环工质采用除盐水。加热支路和预热循环回路是相对独立的两套管路，当其中之一不能正常运行时，另一个可以作为补充。此外，预热循环回路是独立的循环系统，当预热循环回路中的管路破损、渗漏时，不影响蒸汽机组和燃气机组的正常工作。预热循环回路中的循环工质流出余热换热器310的温度为60℃至75℃(平均约67℃)，余热烟道211内流经余热换热器310的烟气的温度为75℃至90℃，可以为80℃或85℃，从预热换热器320输出的燃气温度为40℃至50℃，可以为45℃。优选的，进入燃气轮机100的燃气温度为180℃至190℃，最佳为185℃。先通过预热循环回路在预热换热器320中对燃气预加热，再送入燃料加热器410中采用蒸汽循环回路的给水再加热，通过两级加热使燃气获得更高的温度，并且，可以降低蒸汽循环回路给水的使用量，节约高品位能量。预加循环回路的运行参数低，降低设备造价。预热循环回路上还设有为加热循环工质提供动力的升压泵340，余热换热器310和预热换热器320设置于大约一致的高度，升压泵340扬程较低，运行费用少。
优选的，抽水口设置于蒸汽循环回路上中压给水泵的出口附近。此处给水温度足以将燃气加热至所需温度，而给水温度、压力又不是太高，换热损失小，加热支路也不需要采用耐温耐压更高的材料制作，降低成本。
燃气蒸汽联合系统运行控制方法，包括：
A、燃气和空气进入燃气轮机100中燃烧，燃烧后的烟气进入余热锅炉210的余热烟道211，并且对蒸汽循环回路的给水进行加热，给水加热后进入蒸汽轮机220做功，其中给水在余热锅炉210中被加热变成气态，成为水蒸汽，水蒸汽进入蒸汽轮机220做功；
预加热：预热循环工质在预热循环回路中循环，当预热循环工质流经余热换热器310时，被余热烟道211内的烟气加热，被加热后预热循环工质流经预热换热器320时，对进入燃气轮机100的燃气进行预加热，燃气升温，预热循环工质被降温，降温后的预热循环工质进入余热换热器310被再次加热；
再加热：蒸汽循环回路的部分给水从抽水口进入燃料加热器410的第一换热通道，经过预热换热器320预加热的燃气进入燃料加热器410的第二换热通道，给水在燃料加热器410中对燃气进行再加热，燃气再次升温，给水被降温，降温后的给水通过补水口回流蒸汽循环回路，再升温后的燃气进入燃气轮机100。
B、根据温度传感器检测到的燃气轮机100空气入口处空气的温度或燃气入口处燃气的温度，调节流量控制阀330控制预热循环工质的流量，从而控制进入燃气轮机100的燃气的温度。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种燃气蒸汽联合系统，其特征在于，包括：
燃气机组，所述燃气机组包括燃气轮机；
蒸汽循环回路，所述蒸汽循环回路上设有余热锅炉、蒸汽轮机、以及凝汽器，所述余热锅炉内设有余热烟道，从所述凝汽器至所述余热锅炉的管路上或者所述余热锅炉内的管路上设有抽水口，从所述凝汽器至所述余热锅炉的管路上或者所述余热锅炉内的管路上设有补水口；
预热循环回路，所述预热循环回路上设有余热换热器和预热换热器；
加热支路，所述加热支路上设有燃料加热器，所述燃料加热器具有相配合的第一换热通道和第二换热通道；
其中，所述余热烟道与所述燃气轮机的烟气出口对接，所述余热换热器安装于所述余热烟道内，所述预热换热器与所述燃气轮机的燃气进口对接；所述第一换热通道的进口、出口分别与所述抽水口、所述补水口对接，所述第二换热通道的进口与所述预热换热器对接，所述第二换热通道的出口与所述燃气轮机的燃气进口对接。
2.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合系统，其特征在于，所述蒸汽循环回路上还设有至少一级蒸汽循环换热器，所述蒸汽循环换热器安装于所述余热烟道内，所述余热烟道内的烟气流动方向上，所述余热换热器位于最末一级蒸汽循环换热器的下游。
3.根据权利要求1所述的燃气蒸汽联合系统，其特征在于，所述预热循环回路上还设有流量控制阀。
4.根据权利要求3所述的燃气蒸汽联合系统，其特征在于，所述燃气轮机的空气进口设有温度传感器；或者，所述燃气轮机的燃气进口设有温度传感器。
5.根据权利要求1至4任一项所述的燃气蒸汽联合系统，其特征在于，所述预热循环回路中的预热循环工质流出所述余热换热器的温度为60℃至75℃。
6.根据权利要求1至4任一项所述的燃气蒸汽联合系统，其特征在于，所述余热烟道内流经所述余热换热器的烟气的温度为75℃至90℃。
7.根据权利要求1至4任一项所述的燃气蒸汽联合系统，其特征在于，从所述预热换热器输出的燃气温度为40℃至60℃。从所述燃料加热器输出的燃气温度为175℃至195℃。
8.一种燃气蒸汽联合系统运行控制方法，其特征在于，包括：
燃气和空气进入燃气轮机中燃烧，燃烧后的烟气进入余热锅炉的余热烟道，并且对蒸汽循环回路的给水进行加热，给水加热后成为水蒸汽进入蒸汽轮机做功；
预加热：预热循环工质在预热循环回路中循环，当预热循环工质流经余热换热器时，被余热烟道内的烟气加热，被加热后预热循环工质流经预热换热器时，对进入燃气轮机的燃气进行预加热，燃气升温，预热循环工质被降温，降温后的预热循环工质进入余热换热器被再次加热；
再加热：蒸汽循环回路的部分给水从抽水口进入燃料加热器的第一换热通道，经过预热换热器预加热的燃气进入燃料加热器的第二换热通道，给水在燃料加热器中对燃气进行再加热，燃气再次升温，给水被降温，降温后的给水通过补水口回流蒸汽循环回路，再升温后的燃气进入燃气轮机。
9.根据权利要求8所述的燃气蒸汽联合系统运行控制方法，其特征在于，根据温度传感器检测到的燃气轮机燃气进口处燃气的温度，调节流量控制阀，控制预热循环工质的流量，从而控制进入预加热后燃气的温度。
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