CN106761982A - 一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于电站节能领域的一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统。该系统主要由燃气透平、燃烧室、压气机、余热锅炉、汽轮机、回热器等部分组成。在简单回热燃气轮机联合循环系统中，燃气透平排烟全部用于预热进入燃烧室前的压缩空气，以提高进入燃烧室空气的温度，而回热完的烟气则全部通入余热锅炉。本发明通过只将部分而不是全部的燃气透平排烟用于回热，且在较高负荷时采用调节参与回热的烟气比例来调节负荷，从而在不损失较多燃气轮机联合循环出功的情况下，使该部分回热联合循环热效率相对于不带回热的联合循环机组有较大的提升。整个部分回热燃气轮机联合循环新系统的变工况性能优异，且该系统的设计出功与不带回热的联合循环机组出功几乎相等，在工程上有较好的应用前景。

Description

一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统
技术领域
本发明属于电站节能领域，特别涉及一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统。
背景技术
燃气轮机联合循环系统是利用天然气或油等为燃料，通过压缩空气后燃烧产生高温高压烟气，进而利用燃气轮机和余热锅炉进行热功转换的一种高效循环方式。
燃气轮机联合循环系统具有启动快、热效率高、调峰能力强、污染小等优点。对于燃气轮机联合循环而言，现代燃气轮机发展的过程中燃烧初温不断提高，蒸汽轮机作为底循环的参数也在提高，它们组成的联合循环效率同样上升。近几十年来发展迅速，电站使用的重型燃气轮在近几十年的发展非常迅速，其设计压比与初温不断提高，效率与出功不断增大，GE公司生产的系列产品9E级到最先进的9H级燃机机组效率从33.89%提高到41.8%、联合循环效率从52%提高到61.8%，联合循环出功从193.2MW提高到755MW，设计压比从12.3提高到23，设计流量与温度从400kg/s与1204℃提高到685kg/s与1436℃。随着燃气轮机循环参数提高，余热锅炉主蒸汽压力不断增加，目前重型燃机匹配的较先进余热锅炉形式为三压再热余热锅炉。
燃气轮机联合循环机组由于参与电网的调峰，常常处于部分负荷工况运行，而随着燃气轮机负荷的降低，其热效率相应降低，因此如何让燃气轮机联合循环在变工况依旧保持较高的热效率显得非常重要。回热技术运用在燃气轮机联合循环中以提高其循环效率，因为可以获得更高的燃烧室入口温度和更少的燃料消耗量。联合循环中加热燃料可以在燃机相同工况下减少总燃料消耗量，其中底循环给水是燃料加热的典型热源。但是回热器的布置会吸收燃气轮机排汽高温段能量，导致联合循环系统的发电能力下降严重。
燃气轮机联合循环是全球近几十年来大力发展的工业发电形式。为适应电力市场的快速发展和在电网安全与清洁环保之间协调发展，我们迫切需要寻找新的途径来提高燃气轮机联合循环的效率，这已成为我国发电行业日益重视的课题。
本发明提出了一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统，适用于燃气轮机联合循环电站，其核心设计思想在于：通过只将部分而不是全部的燃气透平排烟用于回热，且在较高负荷时采用调节参与回热的烟气比例来调节负荷，从而在不损失较多燃气轮机联合循环出功的情况下，使该部分回热联合循环热效率相对于不带回热的联合循环机组有较大的提升。整个部分回热燃气轮机联合循环新系统的变工况性能优异，且该系统的设计出功与不带回热的联合循环机组出功几乎相等，在工程上有较好的应用前景。
发明内容
本发明针对燃气轮机联合循环变工况热效率较低、简单回热循环出功远小于不带回热循环出功等问题，提出属于电站节能领域的一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统，通过只将部分而不是全部的燃气透平排烟用于回热，从而在不损失较多燃气轮机联合循环出功的情况下，使联合循环热效率有较大的提升。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统，该系统主要包括回热器、燃气透平、燃烧室、压气机、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、发电机、凝汽器、高压过热器2、再热器2、再热器1、高压过热器1、高压蒸发器、高压省煤器2、低压过热器、高压省煤器1、低压蒸发器、低压省煤器、喷水减温器等装置；其特征在于：燃气轮机排气一部分流入回热器预热压气机出口空气，回热完的这部分排气在底循环的再热器1之前通入余热锅炉，另一部分排气则直接通入余热锅炉的高压过热器2、再热器2，两股燃气透平排气在再热器1之前充分混合后依次流经再热器1、高压过热器1、高压蒸发器、高压省煤器2、低压过热器、高压省煤器1、低压蒸发器、低压省煤器，并排向大气。蒸气循环中的水从凝汽器出来后，流入低压省煤器后分成两股流体，一股流经高压省煤器1、高压省煤器2、高压蒸发器、高压过热器1、高压过热器2后进入汽轮机高压缸做功；汽轮机排汽流经再热器1、再热器2再热后重新达到较高的温度，并进入汽轮机中压缸继续做功；另一股流体流经低压蒸发器、低压过热器后与汽轮机中压缸的排汽充分混合，并一同流入汽轮机低压缸做功；低压缸的排汽流入凝汽器后冷凝成水。压气机与燃气轮机透平同轴并连接汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、发电机。
所述的系统不同于简单回热燃气轮机联合循环，该新循环中燃气透平的排烟部分用于回热压气机出口空气，而不是全部用于回热；且在设计工况时，因回热比例较小，因此该系统联合循环出功与不带回热循环的联合循环设计出功几乎相等。
所述的系统回热完烟气的温度远小于未参与回热的烟气，所以将回热器出口烟气与再热器2出口烟气混合后通入再热器1，从而合理利用烟气温度分布。回热完烟气通入余热锅炉的具体布置位置受余热锅炉的设计结构与烟气温度分布变化影响，因此根据不同余热锅炉结构可进行调整以达到最合理应用。
所述的系统运用一种新的运行方式调节联合循环负荷，即在较高负荷时保持透平入口温度T3不变，调节参与回热的烟气占总烟气的比例来降低负荷，而不是调节压气机IGV的开度以减小压气机入口空气流量；同时压气机出口空气在流入回热器管道上设计了旁路阀以调节进入回热器的空气流量，使空气流量占压气机入口空气流量的比例与参与回热的烟气占总烟气的比例相等。该运行方式可在联合循环高负荷时仍保持与设计工况相近的联合循环热效率，很大程度上优化了燃气轮机在变工况时效率急剧下降的问题，在工程上有较好的应用前景。
本发明通过在简单燃气轮机联合循环中布置回热器，充分利用燃气透平排烟的余热作为热源对压气机出口空气进行预热，从而提高燃烧室入口空气温度，减小所需的燃料量，提高联合循环热效率；在此基础上改造回热循环为部分回热，即透平排烟仅部分用于预热燃烧室入口空气，且设计工况下回热比例较小，新系统的联合循环出功与不带回热的循环出功相近，有效解决了因回热而带来的循环出功下降的问题；新系统配合上述的新调节方式，可以使系统在变工况时仍保持较高的热效率。
附图说明
图1为新型部分回热燃气轮机联合循环系统示意图
图中：1-透平；2-燃烧室；3-回热器；4-压气机；5-高压缸；6-中压缸；7-低压缸；8-发电机；9-高压过热器2；10-再热器2；11-再热器1；12-高压过热器1；13-高压蒸发器；14-高压省煤器2；15-低压过热器；16-高压省煤器1；17-低压蒸发器；18-低压省煤器；19-凝汽器；20-喷水减温器；21-再循环泵；22-高压给水泵；23-减温水泵；24-凝结水泵。
具体实施方式
本发明提出一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统。下面结合附图和实例予以说明。
如图1所示的新型部分回热燃气轮机联合循环系统示意图中，系统主要包括回热器、燃气透平、燃烧室、压气机、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、发电机、凝汽器、高压过热器2、再热器2、再热器1、高压过热器1、高压蒸发器、高压省煤器2、低压过热器、高压省煤器1、低压蒸发器、低压省煤器、喷水减温器等装置；其特征在于：燃气轮机（1）排气一部分流入回热器（3）预热压气机（4）出口空气，回热完的这部分排气在底循环的再热器1（11）之前通入余热锅炉，另一部分排气则直接通入余热锅炉的高压过热器2（9）、再热器2（10），两股燃气透平排气在再热器1（11）之前充分混合后依次流经再热器1（11）、高压过热器1（12）、高压蒸发器（13）、高压省煤器2（14）、低压过热器（15）、高压省煤器1（16）、低压蒸发器（17）、低压省煤器（18），并排向大气。蒸气循环中的水从凝汽器（19）出来后，流入低压省煤器（18）后分成两股流体，一股流经高压省煤器1（16）、高压省煤器2（14）、高压蒸发器（13）、高压过热器1（12）、高压过热器2（9）后进入汽轮机高压缸（5）做功；汽轮机排汽流经再热器1（11）、再热器2（10）再热后重新达到较高的温度，并进入汽轮机中压缸（6）继续做功；另一股流体流经低压蒸发器（17）、低压过热器（15）后与汽轮机中压缸（6）的排汽充分混合，并一同流入汽轮机低压缸（7）做功；低压缸（7）的排汽流入凝汽器（19）后冷凝成水。压气机（4）与燃气轮机透平（1）同轴并连接汽轮机高压缸（5）、汽轮机中压缸（6）、汽轮机低压缸（7）、发电机（8）。
如图1所示，在新型部分回热燃气轮机联合循环系统中，燃气透平（1）的排烟部分用于回热压气机（4）出口空气，而不是全部用于回热；且在设计工况时，因回热比例较小，因此该系统联合循环出功与不带回热循环的联合循环设计出功几乎相等。
如图1所示，在新型部分回热燃气轮机联合循环系统中，由于回热完烟气的温度远小于未参与回热的烟气，所以将回热器（3）出口烟气与再热器2（10）出口烟气混合后通入再热器1（11），从而合理利用烟气温度分布。回热完烟气通入余热锅炉的具体布置位置受余热锅炉的设计结构与烟气温度分布变化影响，因此根据不同余热锅炉结构可进行调整以达到最合理应用。
如图1所示，在新型部分回热燃气轮机联合循环系统中，针对该新系统运用一种新的运行方式调节联合循环负荷，即在较高负荷时保持透平（1）入口温度T3不变，调节参与回热的烟气占总烟气的比例来降低负荷，而不是调节压气机IGV的开度以减小压气机（4）入口空气流量；同时压气机（4）出口空气在流入回热器（3）管道上设计了旁路阀以调节进入回热器（3）的空气流量，使空气流量占压气机入口空气流量的比例与参与回热的烟气占总烟气的比例相等。该运行方式可在联合循环高负荷时仍保持与设计工况相近的联合循环热效率，很大程度上优化了燃气轮机在变工况时效率急剧下降的问题，在工程上有较好的应用前景。
本发明首次提出了将燃气轮机排烟部分用于回热燃烧室入口空气，在改善回热器引起的联合循环出功较低的不利影响后，改变回热完的烟气进入余热锅炉的位置，分级合理利用燃气透平排烟能量，保留高温烟气特性进而保持了蒸气循环设计参数，将合理温度区间烟气利用于提升燃气轮机循环性能，最终达到联合循环整体性能大幅提升且不严重影响出功能力的效果。同时，针对该新系统运用一种新的运行方式调节联合循环负荷，即通过调节参与回热的烟气比例调节负荷，该调节方式可在联合循环高负荷时仍保持与设计工况相近的联合循环热效率，很大程度上优化了燃气轮机在变工况时效率急剧下降的问题。因此部分回热燃气轮机联合循环系统相较于传统回热循环系统，工程应用前景大幅提高，同时具有较强的实用性和科学价值。

Claims (4)

1.本发明公开了属于电站节能领域的一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统，该系统主要包括回热器、燃气透平、燃烧室、压气机、汽轮机高压缸、汽轮机中压缸、汽轮机低压缸、发电机、凝汽器、高压过热器2、再热器2、再热器1、高压过热器1、高压蒸发器、高压省煤器2、低压过热器、高压省煤器1、低压蒸发器、低压省煤器、喷水减温器等装置；其特征在于：燃气轮机（1）排气一部分流入回热器（3）预热压气机（4）出口空气，回热完的这部分排气在底循环的再热器1（11）之前通入余热锅炉，另一部分排气则直接通入余热锅炉的高压过热器2（9）、再热器2（10），两股燃气透平排气在再热器1（11）之前充分混合后依次流经再热器1（11）、高压过热器1（12）、高压蒸发器（13）、高压省煤器2（14）、低压过热器（15）、高压省煤器1（16）、低压蒸发器（17）、低压省煤器（18），并排向大气；蒸汽循环中的水从凝汽器（19）出来后，流入低压省煤器（18）后分成两股流体，一股流经高压省煤器1（16）、高压省煤器2（14）、高压蒸发器（13）、高压过热器1（12）、高压过热器2（9）后进入汽轮机高压缸（5）做功；汽轮机排汽流经再热器1（11）、再热器2（10）再热后重新达到较高的温度，并进入汽轮机中压缸（6）继续做功；另一股流体流经低压蒸发器（17）、低压过热器（15）后与汽轮机中压缸（6）的排汽充分混合，并一同流入汽轮机低压缸（7）做功；低压缸（7）的排汽流入凝汽器（19）后冷凝成水；压气机（4）与燃气轮机透平（1）同轴并连接汽轮机高压缸（5）、汽轮机中压缸（6）、汽轮机低压缸（7）、发电机（8）。
2.根据权利要求1所述的一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统，其特征在于：不同于简单回热燃气轮机联合循环，该新循环中燃气透平（1）的排烟部分用于回热压气机（4）出口空气，而不是全部用于回热；且在设计工况时，因回热比例较小，因此该系统联合循环出功与不带回热循环的联合循环设计出功几乎相等。
3.根据权利要求1所述的一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统，其特征在于：由于回热完烟气的温度远小于未参与回热的烟气，所以将回热器（3）出口烟气与再热器2（10）出口烟气混合后通入再热器1（11），从而合理利用烟气温度分布；回热完烟气通入余热锅炉的具体布置位置受余热锅炉的设计结构与烟气温度分布变化影响，因此根据不同余热锅炉结构可进行调整以达到最合理应用。
4.根据权利要求1所述的一种新型部分回热燃气轮机联合循环系统，其特征在于：针对该新系统运用一种新的运行方式调节联合循环负荷，即在较高负荷时保持透平（1）入口温度T3不变，调节参与回热的烟气占总烟气的比例来降低负荷，而不是调节压气机IGV的开度以减小压气机（4）入口空气流量；同时压气机（4）出口空气在流入回热器（3）管道上设计了旁路阀以调节进入回热器（3）的空气流量，使空气流量占压气机入口空气流量的比例与参与回热的烟气占总烟气的比例相等；该运行方式可在联合循环高负荷时仍保持与设计工况相近的联合循环热效率，很大程度上优化了燃气轮机在变工况时效率急剧下降的问题，在工程上有较好的应用前景。
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