CN107165723B - 集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统，可以有效解决高效、节水、可控制、厂内循环与零排放的燃气轮机四联产系统，技术方案是，系统包括燃气轮机、空气冷却器、煤气化炉、旋流分离器、制冷机、热泵、朗肯循环系统和低温烟气处理系统,本发明充分利用厂区中可以利用的资源风能和太阳能，高效可控的燃气轮机燃烧与做功系统，更加经济、可调节的热电冷和热水四联产系统，首次将超音速分离技术应用于燃气轮机电厂，具有脱水效率高、安全稳定，有效防止低温腐蚀的优点，低温烟气高效利用的同时实现零排放，余热利用合理，热效率达到42％以上，联合循环热效率高达63％以上。

Description

集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统
技术领域
本发明涉及燃气轮机系统，特别是一种集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统。
背景技术
燃气轮机已经在发电领域得到了广泛应用，由于它的紧凑、高功率、已安装等优点，已经使它成为一种广泛使用的动力机械，目前390MW的9F燃气轮机的热效率在40％左右，联合循环热效率高达58％左右。
然而在现有的联合循环中，存在热量浪费、用水量大、热电冷三联产不可控不可调、低温腐蚀和工质浪费等问题，如何解决这些问题，是本领域技术人员关心的问题。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统，可以有效解决高效、节水、可控制、厂内循环与零排放的燃气轮机四联产系统。
本发明解决的技术方案是：
一种集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统，该系统包括燃气轮机、空气冷却器、煤气化炉、旋流分离器、制冷机、热泵、朗肯循环系统和低温烟气处理系统；
空气冷却器的低温空气出口与压气机的进气口相连，压气机的出气口分别与燃烧室的空气进口和压缩空气罐的进气口相连，压气机的动力输入端上设置有用于提供动力的风力机，煤气化炉的一氧化碳和氢气出口与燃烧室的燃料进口相连，燃烧室的高温烟气排出口与燃气轮机的进气口相连，燃气轮机的动力输出端与发电机相连，燃气轮机的高温烟气出口与余热锅炉的高温烟气进气口相连；
余热锅炉的蒸汽出口与高压缸的进气口相连，高压缸的出气口上装有伸入与余热锅炉内的再热循环管道，再热循环管道的出气端与中压缸的进气口相连，中压缸的出气口与低压缸的进气口相连，构成具有循环再热功能的多级蒸汽做功动力输出结构；
低压缸的出气口与凝汽器的进气口相连，凝汽器的出液口经串联的低压加热器、除氧器和高压加热器与余热锅炉的进液口相连，构成蒸汽的加热水循环结构；
中压缸上设置有蒸汽抽出口，蒸汽抽出口装有过热抽汽管道，过热抽汽管道分为两路，其中一路的过热抽汽管道的出气口与燃烧室的进气口相连通，另一路的过热抽汽管道分别穿过制冷机和热泵的蒸发室后与热水加热器相连，构成制冷机、热泵和热水加热器的第一辅助热源提供结构，过热抽汽管道上设置有用于控制过热抽汽流量的第四阀门；
热水加热器的蒸汽出口与凝汽器的进气口相连，构成低温低压蒸汽循环利用结构；
余热锅炉的烟气出口与SCR反应器的进气口口相连，SCR反应器的出气口与旋流分离器的进气口相连，旋流分离器的出液口上连接有伸入空气冷却机的冷水循环管道，构成空气冷却机的辅助降温结构；
旋流分离器的烟气出口与三通的进口相连；
三通的第一个出气口上装有中温烟气回收管道，中温烟气回收管道穿过朗肯循环系统的有机工质加热器的加热室后与低温烟气处理系统进气口相连，三通与有机工质加热器之间的第一中温烟气回收管道上设置有用于控制流量的第五阀门；
三通的第二个出气口与低压加热器的进气口相连，构成余热锅炉的给水加热结构；这里余热锅炉的给水指的是从凝汽器中的蒸汽冷凝后出来的水，利用旋流分离器出来的中温烟气对该给水进行加热，完成余热锅炉给水循环，充分利用了余热；
三通的第三个出气口上装有中温烟气加热管道，中温烟气加热管道分别穿过制冷机和热泵的蒸发室后与热水加热器相连，构成制冷机、热泵和热水加热器的第二辅助热源提供结构，
与热水加热器相连的中温烟气加热管道的出气口和过热抽汽管道分别与低温烟气处理系统的进气口相连；
压气机与压缩空气罐之间设置有第一阀门；
煤气化炉与燃烧室之间设置有第二阀门。
所述的旋流分离器为超音速旋流分离器，其包括依次相连的旋流发生器、拉瓦尔喷管、液体分离段和出气管段，旋流发生器内设置有用于使进入烟气产生切向旋流的旋流叶片，液体分离段上设置有出液口，冷水循环管道的进口与液体分离段的出液口相连通，出气管段内设置有用于整流的整流阻涡叶片出气管段的出口与三通的进口相连。
所述的朗肯循环系统包括有机工质加热器、汽轮机、发电机或驱动循环泵、凝汽器和升压泵，机工质加热器的出气端与汽轮机的进气端相连，汽轮机的动力输出端与发电机或驱动循环泵的动力输入端相连，汽轮机的出气端与凝汽器的进气端相连，凝汽器的出液端与升压泵的进液端相连，升压泵的出液端与机工质加热器的进液端相连，构成蒸汽循环动力输出结构。
所述的低温烟气处理系统包括氧化钙炉、煅烧炉和用于分离氧气和氮气的分离器，与热水加热器相连的中温烟气加热管道的出气口和过热抽汽管道分别与氧化钙炉的进气口相连，氧化钙炉的碳酸钙出口与煅烧炉的进口相连，氧化钙炉的出气口与分离器的进气口相连，构成烟气处理结构。
所述的分离器的氧气排出口与燃烧室的进气口相连，构成氧气回收利用结构。
所述的燃气轮机四联产系统还包括太阳能板和太阳能集热器，太阳能板的输出端与太阳能集热器相连，构成余热锅炉的辅助给水加热结构。
一种燃气轮机内循环水余热利用方法，该方法采用上述燃气轮机四联产系统进行，具体步骤如下：
步骤一，常温空气进入空气冷却器变成低温空气，低温空气经过压气机压缩进入燃烧室，从煤气化炉中出来的一氧化碳和氢气进入燃烧室，同低温空气发生燃烧反应，生成大量高温烟气并进入燃气轮机中膨胀做功，带动发电机发电，构成电能的产出结构，通过空气冷却器提前将常温空气冷却，从根本上消除了环境温度对于燃气轮机效率的影响，使得燃气轮机工作稳定，功率提高；
同时在压气机的动力输入端上设置有用于提供动力的风力机，风力发电机利用平时的风能把低温空气压缩在压缩空气罐内，已备调峰时使用；
步骤二，燃气轮机的排汽温度达650℃到700℃，属于高温烟气，高温烟气进入余热锅炉同给水发生换热，使给水变成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽进入高压缸做功，高压缸排汽再次进入到余热锅炉中进行再热循环，进入高压缸做功，中压缸中一部分蒸汽被抽出参与之前燃烧室燃烧，增加燃气轮机做功，一部分进入制冷器和热泵进行供暖和制冷，构成利用余热的热气、冷气的产出结构，中压缸的排气进入低压缸做功，低压缸排汽进入到凝汽器，旋流分离器出液口上的冷水循环管道可伸入凝汽器，由旋流分离器产生的低温液态水作为循环水将其蒸汽冷却，通过以太阳能集热器和旋流分离器烟气出口排出的中温烟气共同组成的给水加热系统，把凝结水加热到要求的锅炉给水，完成一个热水循环。
步骤三，经过余热锅炉的烟气成分为氮氧化物、氧气、氮气、二氧化碳和水蒸汽，由于脱销会产生新的水蒸汽，所以首先通过SCR反应器先进行烟气脱硝，脱硝后的烟气进入旋流分离器，首先在旋流发生器的作用下产生切向旋流，根据角动量守恒定律，切向速度会不断增大，与此同时，烟气流经拉瓦尔喷管，温度和压力骤然降低，水蒸汽最先达到过饱和状态发生凝结，在切向旋流离心力的作用下，产生切向旋流，由于离心力的不同，小液滴被甩向壁面，形成沿轴向流动的液膜，通过出液口排出，其余的气体则经过一个扩压段，温度和压力得到回升通过整流阻涡叶片整流后排出；由于分离出来的液态水温度非常低，所以用来冷却进入空气冷却器的常温空气，之后再用来作为凝汽器的循环水来凝结蒸汽，最后作为系统补水和生活用水使用，由于这是在系统中产生的水，而且流量很大，大大节约常用水，使得干旱地区用湿冷循环变成了可能；
步骤四，从旋流分离器脱水后的中温烟气通过三通有三个去向，第一去往制冷机和热泵减少了过热蒸汽的抽汽量，提高了汽轮机发电量，完成供热和制冷后，还有部分余热进入热水加热器，使得到热水，实现热、电、冷和热水的四联产；
第二个去往加热蒸汽轮机系统的给水，因为受天气影响，太阳能加热给水会不稳定，这就需要通过引入烟气来加热给水作为补充；
第三个去往朗肯循环系统参与有机工质的朗肯循环：液态有机工质在中温烟气的加热下，很容易变成一定压力和温度的气态有机工质，然后进入汽轮机膨胀做功，这部分发电可满足厂用电的使用，同时可以使有机工质汽轮机带动厂子里的气动泵，减少了专门小汽机的投资，完成做功的有机工质在低温水液态水的冷却下变成液态有机工质，经过升压泵再次进入有机工质加热器，完成一个循环；
步骤四，余热利用完的低温烟气接近环境温度，其成分为二氧化碳、氮气和氧气，为了实现零排放并对其作进行了充分利用，首先烟气经过一个氧化钙炉，二氧化碳与氧化钙充分反应生成碳酸钙，一部分可以直接去作为工业原料直接使用，另一部分可以去煅烧炉煅烧，来收集纯净的二氧化碳，同时生成的氧化钙也可作为氧化钙炉的反应物补充；这时烟气变成氮气和氧气的混合物，利用二者沸点不同，通过制冷机即可分离出来氮气和氧气，氮气可以直接回收，氧气则可以进入燃烧室，使得燃烧更加充分，做功流量进一步增大，提高了燃气轮机功率和煅烧炉的燃烧，使得煅烧反应更加充分，由此实现零排放和烟气全利用。
与现有技术相比，本发明方法具有以下有益的技术效果：
(1)充分利用厂区中可以利用的资源——风能和太阳能
在平时有风的时候，利用风力机的叶片带动压气机工作，把低温空气储存在压缩空气罐中，当需要调负荷或者负荷高峰时，可以把气罐打开，让气管中的空气进入燃烧室，这样不需要增加压气机的额外出力，而且调节更加迅速；当气罐压缩空气储存满时，还可以作为工业产品卖掉，增加收益，在平时阳光充分的时候，利用厂区的太阳能集热板，把太阳能收集起来，在蒸汽轮机循环中，可以作为热源对给水进行加热，不用从汽轮机中进行抽汽加热，提高了汽轮机做工的绝对内效率；
(2)高效可控的燃气轮机燃烧与做功系统
常规的燃气轮机进口是常温空气，燃气轮机的输出功率是环境温度的函数，环境温度每升高1℃，输出功率就下降0.3％到0.5％，这种损失对于联合循环机组在夏季发电会产生较大问题；本发明通过空气冷却器提前将常温空气冷却，从根本上消除了环境温度对于燃气轮机效率的影响，使得燃气轮机工作稳定，功率提高，而且冷源来自系统产生的低温凝结水，不需要额外做功冷却，同时将蒸汽轮机的一部分过热抽汽引入燃烧室，通过管道上的第四阀门来控制抽汽量，引入蒸汽的好处是不仅可以控制氮氧化物额生成，从而减少氮氧化物排放，还可以通过增大涡轮的燃烧产物的质量流量增大和较高的比热而增大燃气轮机功率，通常燃气轮机和蒸汽轮机的做工比为2:1，牺牲了一份蒸汽做功，换来两份燃气轮机做功，总的来说增大了整体输出功率；
(3)高效节水的蒸汽轮机做功系统
高温烟气通过加热余热锅炉中给水，使给水变为过热蒸汽进行做功，过热蒸汽先进入高压缸中做功，保证了高品质的蒸汽用了做功不损失，从高压缸出来了，再次进入余热锅炉进行再热，可以使汽轮机循环内效率提高，做功完成后排气进入凝汽器，冷凝工质为经过空气冷却器之后的常温循环水，水温度会比常规燃气轮机稍低，冷却效果也会更好，因为冷却水来自系统内部产生的水，没有外来循环水，大幅节约了常用水情况，这种系统可以取代传统的空冷机组，使得机组即使在干旱地区也可以采用湿冷循环，大大提高了机组的做功能力和效率；
(4)更加经济、可调节的热电冷和热水四联产系统
传统的热电冷三联产系统是牺牲了汽轮机一部分做功发电能力，让高品质蒸汽去供热或者制冷，在某个时间段到达最佳的经济效益，在本发明中，通过两个阀门，一个控制旋流分离器中分离出来的中温烟气，一个控制从中压缸抽出的过热抽汽(过热蒸汽)，通过烟气的补充，可以减少或者不抽过热抽汽，以求达到发更多的电的同时还能余热利用来供热和制冷，根据用户需求通过调节二者管路上的阀门来控制蒸汽和烟气的比例；与此同时，还可在系统中配备了一台两用电机和控制离合器，两用电机的两端分别于热泵和制冷机相连，这种配置可以分配去供热和去制冷的过热蒸汽(或者中温烟气)的流量，以便在冬季多供热，夏季多制冷，而且避免了传统热冷联供需要两条单独管路的麻烦，增加了控制，减小了投资；经过制冷和供暖后的蒸汽烟气温度只有三十几度，高于环境温度，通过一个热水加热器，利用其最后一点能量，可以给用户和厂子提供源源不断的热水，实现四联产；
(5)首次将超音速分离技术应用于燃气轮机电厂，具有脱水效率高、安全稳定，有效防止低温腐蚀的优点。
烟气从余热锅炉中出来有气有100℃左右，其成分主要有水蒸汽、氧气、二氧化碳、氮气和氮氧化物，通常电厂是把烟气通过烟囱直接排放，造成了能量浪费和温室气体污染，如果对这部分烟气进行余热利用，温度下降，水蒸汽最先会变成液态水，酸性气体溶于水，形成酸，造成低温腐蚀问题；
通过首创的超音速冷凝分离法把腐蚀问题得到了解决。因为经过脱销系统也会产生水蒸汽，所以最先脱除氮氧化物，考虑到温度只有100摄氏度，所以选择SCR反应器来脱销，之后烟气进入超音速旋流分离器，首先在旋流发生器的作用下产生切向旋流，根据角动量守恒定律，切向速度会不断增大，与此同时，烟气流经拉瓦尔喷管(又称超音速喷管)，温度和压力骤然降低，水蒸汽最先凝结成小液滴，在切向旋流离心力的作用下，由于气体和液体密度不同，小液滴被壁面，形成沿轴向流动的液膜，液体通过排液口排出，剩余气体则通过之后扩压管的作用，温度和压力得到回升，这样实现了水蒸汽的脱除，由于脱除出来的液态水温度非常低，首先进入空气冷却器对常温空气进行冷却，换热完成后水温接近环境温度，刚好有可以作为蒸汽轮机循环中的凝汽器的循环水使用，之后这部分水可以作为系统补水或者常用水，这种利用自身过程产生水的方法使得电厂用水大幅减少；当烟气中没有了水蒸汽，温度和压力基本上有没有发生变化，这样利用起来就行根本上解决了低温腐蚀问题，减少了防腐蚀材料的使用，减少了投资，增加了安全；
当进入燃烧室的燃料变成天然气时，少量不完全燃烧的烃类通过超音速旋流脱水装置也能够分离出来，实现脱水的同时，进行烃类回收，增加了能源的可用率；
(6)低温烟气高效利用的同时实现零排放
经过脱水后的中温烟气通过一个三通被分成三个去向，每个管路都有用来控制的阀门：第一去往制冷机和热泵减少了过热蒸汽的抽汽量，提高了汽轮机发电量，完成供热和制冷后，还有部分余热进入热水加热器，使得到热水，实现热、电、冷和热水的四联产；
第二个去往加热蒸汽轮机系统的给水，因为受天气影响，太阳能加热给水会不稳定，这就需要通过引入烟气来加热给水作为补充；
第三个去往朗肯循环系统参与有机工质的朗肯循环，在相同情况下，有机工质的汽化潜热远小于水蒸汽，更能够充分利用低品位热量，同时有机工质沸点较低，给予低品位能量，就能沸腾变成做功蒸汽，有机工质凝固点较低，可以在较低温度下释放出能量，在寒冷天气可增加处理，朗肯循环系统中的凝汽器也不需要增加防冻设施，也没有腐蚀机械等问题，对于中温烟气余热来说，最合适不过，系统中凝汽器中循环水由超音速旋流分离器分离出来的低温液态水充当，有机工质朗肯循环的利用余热，使得烟气的遇热损失减少，发电量增加，鉴于燃气轮机排烟量大的特殊性，使得有机工质发电完全可以驱动循环泵甚至厂用电，不必要增设电厂小汽机，机组效率提高，实现了节能降耗；
热利用完的低温烟气接近环境温度，其成分为二氧化碳、氮气和氧气，为了实现零排放并对其作进行了充分利用，首先烟气经过一个氧化钙炉，二氧化碳与氧化钙充分反应生成碳酸钙，一部分可以直接去作为工业原料直接使用，另一部分可以去煅烧炉煅烧，来收集纯净的二氧化碳，同时生成的氧化钙也可作为氧化钙炉的反应物补充；这时烟气变成氮气和氧气的混合物，利用二者沸点不同，通过制冷机即可分离出来氮气和氧气，在工业上分离这两种气体的方法已经非常成熟，氮气可以直接回收，氧气则可以进入燃烧室，使得燃烧更加充分，做功流量进一步增大，提高了燃气轮机功率和煅烧炉的燃烧，使得煅烧反应更加充分，由此实现零排放和烟气全利用。
由上述情况可以清楚的看出，本发明燃气轮机四联产系统结构新颖独特，余热利用合理，经实际应用取得了良好的技术效果，在390MW的9F燃气轮机的实际应用中，热效率达到42％以上，联合循环热效率高达63％以上，社会和经济效益显著。
附图说明
图1为本发明燃气轮机四联产系统的框式连接示意图。
图2为本发明旋流分离器的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明一种集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统，该系统包括燃气轮机、空气冷却器、煤气化炉、旋流分离器、制冷机、热泵、朗肯循环系统和低温烟气处理系统；
空气冷却器的低温空气出口与压气机的进气口相连，压气机的出气口分别与燃烧室的空气进口和压缩空气罐的进气口相连，压气机的动力输入端上设置有用于提供动力的风力机，煤气化炉的一氧化碳和氢气出口与燃烧室的燃料进口相连，燃烧室的高温烟气排出口与燃气轮机的进气口相连，燃气轮机的动力输出端与发电机相连，燃气轮机的高温烟气出口与余热锅炉的高温烟气进气口相连；
余热锅炉的蒸汽出口与高压缸的进气口相连，高压缸的出气口上装有伸入与余热锅炉内的再热循环管道，再热循环管道的出气端与中压缸的进气口相连，中压缸的出气口与低压缸的进气口相连，构成具有循环再热功能的多级蒸汽做功动力输出结构；
低压缸的出气口与凝汽器的进气口相连，凝汽器的出液口经串联的低压加热器、除氧器和高压加热器与余热锅炉的进液口相连，构成蒸汽的加热水循环结构；
中压缸上设置有蒸汽抽出口，蒸汽抽出口装有过热抽汽管道，过热抽汽管道分为两路，其中一路的过热抽汽管道的出气口与燃烧室的进气口相连通，另一路的过热抽汽管道分别穿过制冷机和热泵的蒸发室后与热水加热器相连，构成制冷机、热泵和热水加热器的第一辅助热源提供结构，过热抽汽管道上设置有用于控制过热抽汽流量的第四阀门，第四阀门可根据实际情况在与各部件相连的支管道上分别设置，也可在主管管道上设置；
热水加热器的蒸汽出口与凝汽器的进气口相连，构成低温低压蒸汽循环利用结构；
余热锅炉的烟气出口与SCR反应器(又称脱硝反应器，用于除去余热锅炉的烟气出口排出的中温烟气中氮氧化物)的进气口口相连，SCR反应器的出气口与旋流分离器的进气口相连，旋流分离器的出液口上连接有伸入空气冷却机的冷水循环管道，构成空气冷却机的辅助降温结构；
从旋流分离器分离出来的为低温液态水，低温液态水首先通过冷水循环管道进入空气冷却机对常温空气进行冷却，换热完成后水温接近环境温度形成常温循环水，常温循环水刚好有可以作为蒸汽轮机循环中的凝汽机的循环水使用，之后这部分水可以作为系统补水或者常用水，这种利用自身过程产生水的方法使得电厂用水大幅减少；
同时由于通过旋流分离器将烟气中的水分离，当烟气中没有了水蒸汽，温度和压力基本上有没有发生变化，这样利用起来就行根本上解决了低温腐蚀问题，减少了防腐蚀材料的使用，减少了投资，增加了安全；
旋流分离器的烟气出口与三通的进口相连；
三通的第一个出气口上装有中温烟气回收管道，中温烟气回收管道穿过朗肯循环系统的有机工质加热器的加热室后与低温烟气处理系统进气口相连，三通与有机工质加热器之间的第一中温烟气回收管道上设置有用于控制流量的第五阀门；
三通的第二个出气口与低压加热器的进气口相连，构成余热锅炉的给水加热结构；这里余热锅炉的给水指的是从凝汽器中的蒸汽冷凝后出来的水，利用旋流分离器出来的中温烟气对该给水进行加热，完成余热锅炉给水循环，充分利用了余热；
三通的第三个出气口上装有中温烟气加热管道，中温烟气加热管道分别穿过制冷机和热泵的蒸发室后与热水加热器相连，构成制冷机、热泵和热水加热器的第二辅助热源提供结构，
与热水加热器相连的中温烟气加热管道的出气口和过热抽汽管道分别与低温烟气处理系统的进气口相连；
压气机与压缩空气罐之间设置有第一阀门；
煤气化炉与燃烧室之间设置有第二阀门；
所述的制冷机为溴化锂制冷机。
为保证使用效果：
所述的旋流分离器为超音速旋流分离器，其包括依次相连的旋流发生器1、拉瓦尔喷管3、液体分离段4和出气管段5，旋流发生器1内设置有用于使进入烟气产生切向旋流的旋流叶片2，液体分离段4上设置有出液口5，冷水循环管道的进口与液体分离段4的出液口5相连通，出气管段5内设置有用于整流的整流阻涡叶片7出气管段5的出口与三通的进口相连；
所述旋流叶片2可采用E186航空翼型。
所述的旋流分离器也可采用韩中合等.新型超音速旋流分离器流场分析与性能评估[J].化工进展，2016,35(9)：2715-2720中的新型超音速旋流分离器。
所述的朗肯循环系统包括有机工质加热器、汽轮机、发电机或驱动循环泵、凝汽器和升压泵，机工质加热器的出气端与汽轮机的进气端相连，汽轮机的动力输出端与发电机或驱动循环泵的动力输入端相连，汽轮机的出气端与凝汽器的进气端相连，凝汽器的出液端与升压泵的进液端相连，升压泵的出液端与机工质加热器的进液端相连，构成蒸汽循环动力输出结构。
所述的有机工质加热器中的有机工质：经过计算，在本设计中采用质量比为0.56∶0.44的R245fa(五氟丙烷)和cyclohexane(六氢化苯)非共沸混和工质作为有机循环工质，可使换热过程最接近理想换热。
所述的低温烟气处理系统包括氧化钙炉、煅烧炉和用于分离氧气和氮气的分离器，与热水加热器相连的中温烟气加热管道的出气口和过热抽汽管道分别与氧化钙炉的进气口相连，氧化钙炉的碳酸钙出口与煅烧炉的进口相连，氧化钙炉的出气口与分离器的进气口相连，构成烟气处理结构；所述的分离器的氧气排出口与燃烧室的进气口相连，构成氧气回收利用结构。
所述的燃气轮机四联产系统还包括太阳能板和太阳能集热器，太阳能板的输出端与太阳能集热器相连，构成余热锅炉的辅助给水加热结构；太阳能集热器的输出端与低压加热器相连，利用设置在厂区的太阳能集热板，把太阳能收集起来，在蒸汽轮机循环中，可以作为热源对余热锅炉的给水进行加热，不用从燃汽轮机中进行抽汽加热，提高了燃汽轮机做功的绝对内效率。
一种燃气轮机内循环水余热利用方法，该方法采用上述燃气轮机四联产系统进行，具体步骤如下：
步骤一，常温空气进入空气冷却器变成低温空气，低温空气经过压气机压缩进入燃烧室，从煤气化炉中出来的一氧化碳和氢气进入燃烧室，同低温空气发生燃烧反应，生成大量高温烟气并进入燃气轮机中膨胀做功，带动发电机发电，构成电能的产出结构，通过空气冷却器提前将常温空气冷却，从根本上消除了环境温度对于燃气轮机效率的影响，使得燃气轮机工作稳定，功率提高；
同时在压气机的动力输入端上设置有用于提供动力的风力机，风力发电机利用平时的风能把低温空气压缩在压缩空气罐内，已备调峰时使用；
步骤二，燃气轮机的排汽温度达650℃到700℃，属于高温烟气，高温烟气进入余热锅炉同给水发生换热，使给水变成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽进入高压缸做功，高压缸排汽再次进入到余热锅炉中进行再热循环，进入高压缸做功，中压缸中一部分蒸汽被抽出参与之前燃烧室燃烧，增加燃气轮机做功，一部分进入制冷器和热泵进行供暖和制冷，构成利用余热的热气、冷气的产出结构，各个管路大流量大小可通过调节第四阀门来实现，中压缸的排气进入低压缸做功，低压缸排汽进入到凝汽器，旋流分离器出液口上的冷水循环管道可伸入凝汽器，由旋流分离器产生的低温液态水作为循环水将其蒸汽冷却，通过以太阳能集热器和旋流分离器烟气出口排出的中温烟气共同组成的给水加热系统，把凝结水加热到要求的锅炉给水，完成一个热水循环。
步骤三，经过余热锅炉的烟气成分为氮氧化物、氧气、氮气、二氧化碳和水蒸汽，由于脱销会产生新的水蒸汽，所以首先通过SCR反应器先进行烟气脱硝，由于烟气温度只有100℃左右，只能采用SCR脱硝法脱销，脱硝后的烟气进入旋流分离器，首先在旋流发生器的作用下产生切向旋流，根据角动量守恒定律，切向速度会不断增大，与此同时，烟气流经拉瓦尔喷管(又称超音速喷管)，温度和压力骤然降低，水蒸汽最先达到过饱和状态发生凝结，在切向旋流离心力的作用下，产生切向旋流，由于离心力的不同，小液滴被甩向壁面，形成沿轴向流动的液膜，通过出液口排出，其余的气体则经过一个扩压段，温度和压力得到回升通过整流阻涡叶片整流后排出；由于分离出来的液态水温度非常低，所以用来冷却进入空气冷却器的常温空气，之后再用来作为凝汽器的循环水来凝结蒸汽，最后作为系统补水和生活用水使用，由于这是在系统中产生的水，而且流量很大，大大节约常用水，使得干旱地区用湿冷循环变成了可能；
步骤四，从旋流分离器脱水后的中温烟气通过三通有三个去向，第一去往制冷机和热泵减少了过热蒸汽的抽汽量，提高了汽轮机发电量，完成供热和制冷后，还有部分余热进入热水加热器，使得到热水，实现热、电、冷和热水的四联产；
第二个去往加热蒸汽轮机系统的给水，因为受天气影响，太阳能加热给水会不稳定，这就需要通过引入烟气来加热给水作为补充；
第三个去往朗肯循环系统参与有机工质的朗肯循环：液态有机工质在中温烟气的加热下，很容易变成一定压力和温度的气态有机工质，然后进入汽轮机膨胀做功，这部分发电可满足厂用电的使用，同时可以使有机工质汽轮机带动厂子里的气动泵，减少了专门小汽机的投资，完成做功的有机工质在低温水液态水的冷却下变成液态有机工质，经过升压泵再次进入有机工质加热器，完成一个循环；
中温烟气的每个去向都有用来控制的阀门；
步骤四，余热利用完的低温烟气接近环境温度，其成分为二氧化碳、氮气和氧气，为了实现零排放并对其作进行了充分利用，首先烟气经过一个氧化钙炉，二氧化碳与氧化钙充分反应生成碳酸钙，一部分可以直接去作为工业原料直接使用，另一部分可以去煅烧炉煅烧，来收集纯净的二氧化碳，同时生成的氧化钙也可作为氧化钙炉的反应物补充；这时烟气变成氮气和氧气的混合物，利用二者沸点不同，通过制冷机即可分离出来氮气和氧气，在工业上分离这两种气体的方法已经非常成熟，氮气可以直接回收，氧气则可以进入燃烧室，使得燃烧更加充分，做功流量进一步增大，提高了燃气轮机功率和煅烧炉的燃烧，使得煅烧反应更加充分，由此实现零排放和烟气全利用。

Claims (5)

1.一种集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统，其特征在于，该系统包括燃气轮机、空气冷却器、煤气化炉、旋流分离器、制冷机、热泵、朗肯循环系统和低温烟气处理系统；
空气冷却器的低温空气出口与压气机的进气口相连，压气机的出气口分别与燃烧室的空气进口和压缩空气罐的进气口相连，压气机的动力输入端上设置有用于提供动力的风力机，煤气化炉的一氧化碳和氢气出口与燃烧室的燃料进口相连，燃烧室的高温烟气排出口与燃气轮机的进气口相连，燃气轮机的动力输出端与发电机相连，燃气轮机的高温烟气出口与余热锅炉的高温烟气进气口相连；
余热锅炉的蒸汽出口与高压缸的进气口相连，高压缸的出气口上装有伸入与余热锅炉内的再热循环管道，再热循环管道的出气端与中压缸的进气口相连，中压缸的出气口与低压缸的进气口相连，构成具有循环再热功能的多级蒸汽做功动力输出结构；
低压缸的出气口与凝汽器的进气口相连，凝汽器的出液口经串联的低压加热器、除氧器和高压加热器与余热锅炉的进液口相连，构成蒸汽的加热水循环结构；
中压缸上设置有蒸汽抽出口，蒸汽抽出口装有过热抽汽管道，过热抽汽管道分为两路，其中一路的过热抽汽管道的出气口与燃烧室的进气口相连通，另一路的过热抽汽管道分别穿过制冷机和热泵的蒸发室后与热水加热器相连，构成制冷机、热泵和热水加热器的第一辅助热源提供结构，过热抽汽管道上设置有用于控制过热抽汽流量的第四阀门；
热水加热器的蒸汽出口与凝汽器的进气口相连，构成低温低压蒸汽循环利用结构；
余热锅炉的烟气出口与SCR反应器的进气口口相连，SCR反应器的出气口与旋流分离器的进气口相连，旋流分离器的出液口上连接有伸入空气冷却机的冷水循环管道，构成空气冷却机的辅助降温结构；
旋流分离器的烟气出口与三通的进口相连；
三通的第一个出气口上装有中温烟气回收管道，中温烟气回收管道穿过朗肯循环系统的有机工质加热器的加热室后与低温烟气处理系统进气口相连， 三通与有机工质加热器之间的第一中温烟气回收管道上设置有用于控制流量的第五阀门；
三通的第二个出气口与低压加热器的进气口相连，构成余热锅炉的给水加热结构；这里余热锅炉的给水指的是从凝汽器中的蒸汽冷凝后出来的水，利用旋流分离器出来的中温烟气对该给水进行加热，完成余热锅炉给水循环，充分利用了余热；
三通的第三个出气口上装有中温烟气加热管道，中温烟气加热管道分别穿过制冷机和热泵的蒸发室后与热水加热器相连，构成制冷机、热泵和热水加热器的第二辅助热源提供结构，
与热水加热器相连的中温烟气加热管道的出气口和过热抽汽管道分别与低温烟气处理系统的进气口相连；
压气机与压缩空气罐之间设置有第一阀门；
煤气化炉与燃烧室之间设置有第二阀门；
所述的旋流分离器为超音速旋流分离器，其包括依次相连的旋流发生器（1）、拉瓦尔喷管（3）、液体分离段（4）和出气管段（6），旋流发生器（1）内设置有用于使进入烟气产生切向旋流的旋流叶片（2），液体分离段（4）上设置有出液口（5），冷水循环管道的进口与液体分离段（4）的出液口（5）相连通，出气管段（6）内设置有用于整流的整流阻涡叶片（7）出气管段（6）的出口与三通的进口相连；
所述的朗肯循环系统包括有机工质加热器、汽轮机、发电机或驱动循环泵、凝汽器和升压泵，机工质加热器的出气端与汽轮机的进气端相连，汽轮机的动力输出端与发电机或驱动循环泵的动力输入端相连，汽轮机的出气端与凝汽器的进气端相连，凝汽器的出液端与升压泵的进液端相连，升压泵的出液端与机工质加热器的进液端相连，构成蒸汽循环动力输出结构。
2.根据权利要求1所述的集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统，其特征在于，所述的低温烟气处理系统包括氧化钙炉、煅烧炉和用于分离氧气和氮气的分离器，与热水加热器相连的中温烟气加热管道的出气口和过热抽汽管道分别与氧化钙炉的进气口相连，氧化钙炉的碳酸钙出口与煅烧炉的进口相连，氧化钙炉的出气口与分离器的进气口相连，构成烟气处理结构。
3.根据权利要求2所述的集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统，其特征在于，所述的分离器的氧气排出口与燃烧室的进气口相连，构成氧气回收利用结构。
4.根据权利要求1所述的集高效、节水、可控于一体的燃气轮机四联产系统，其特征在于，所述的燃气轮机四联产系统还包括太阳能板和太阳能集热器，太阳能板的输出端与太阳能集热器相连，构成余热锅炉的辅助给水加热结构。
5.一种燃气轮机内循环水余热利用方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-3任意一权利要求中所述燃气轮机四联产系统进行，具体步骤如下：
步骤一，常温空气进入空气冷却器变成低温空气，低温空气经过压气机压缩进入燃烧室，从煤气化炉中出来的一氧化碳和氢气进入燃烧室，同低温空气发生燃烧反应，生成大量高温烟气并进入燃气轮机中膨胀做功，带动发电机发电，构成电能的产出结构，通过空气冷却器提前将常温空气冷却，从根本上消除了环境温度对于燃气轮机效率的影响，使得燃气轮机工作稳定，功率提高；
同时在压气机的动力输入端上设置有用于提供动力的风力机，风力发电机利用平时的风能把低温空气压缩在压缩空气罐内，已备调峰时使用；
步骤二，燃气轮机的排汽温度达650℃到700℃，属于高温烟气，高温烟气进入余热锅炉同给水发生换热，使给水变成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽进入高压缸做功，高压缸排汽再次进入到余热锅炉中进行再热循环，进入高压缸做功，中压缸中一部分蒸汽被抽出参与之前燃烧室燃烧，增加燃气轮机做功，一部分进入制冷器和热泵进行供暖和制冷，构成利用余热的热气、冷气的产出结构，中压缸的排气进入低压缸做功，低压缸排汽进入到凝汽器，旋流分离器出液口上的冷水循环管道可伸入凝汽器，由旋流分离器产生的低温液态水作为循环水将其蒸汽冷却，通过以太阳能集热器和旋流分离器烟气出口排出的中温烟气共同组成的给水加热系统，把凝结水加热到要求的锅炉给水，完成一个热水循环；
步骤三，经过余热锅炉的烟气成分为氮氧化物、氧气、氮气、二氧化碳和水蒸汽，由于脱销会产生新的水蒸汽，所以首先通过SCR反应器先进行烟气脱硝，脱硝后的烟气进入旋流分离器，首先在旋流发生器的作用下产生切向旋流，根据角动量守恒定律，切向速度会不断增大，与此同时，烟气流经拉瓦尔喷管，温度和压力骤然降低，水蒸汽最先达到过饱和状态发生凝结，在切向旋流离心力的作用下，产生切向旋流，由于离心力的不同，小液滴被甩向壁面，形成沿轴向流动的液膜，通过出液口排出，其余的气体则经过一个扩压段，温度和压力得到回升通过整流阻涡叶片整流后排出；由于分离出来的液态水温度非常低，所以用来冷却进入空气冷却器的常温空气，之后再用来作为凝汽器的循环水来凝结蒸汽，最后作为系统补水和生活用水使用，由于这是在系统中产生的水，而且流量很大，大大节约常用水，使得干旱地区用湿冷循环变成了可能；
步骤四，从旋流分离器脱水后的中温烟气通过三通有三个去向，第一去往制冷机和热泵减少了过热蒸汽的抽汽量，提高了汽轮机发电量，完成供热和制冷后，还有部分余热进入热水加热器，使得到热水，实现热、电、冷和热水的四联产；
第二个去往加热蒸汽轮机系统的给水，因为受天气影响，太阳能加热给水会不稳定，这就需要通过引入烟气来加热给水作为补充；
第三个去往朗肯循环系统参与有机工质的朗肯循环：液态有机工质在中温烟气的加热下，很容易变成一定压力和温度的气态有机工质，然后进入汽轮机膨胀做功，这部分发电可满足厂用电的使用，同时可以使有机工质汽轮机带动厂子里的气动泵，减少了专门小汽机的投资，完成做功的有机工质在低温水液态水的冷却下变成液态有机工质，经过升压泵再次进入有机工质加热器，完成一个循环；
步骤五，余热利用完的低温烟气接近环境温度，其成分为二氧化碳、氮气和氧气，为了实现零排放并对其作进行了充分利用，首先烟气经过一个氧化钙炉，二氧化碳与氧化钙充分反应生成碳酸钙，一部分可以直接去作为工业原料直接使用，另一部分可以去煅烧炉煅烧，来收集纯净的二氧化碳，同时生成的氧化钙也可作为氧化钙炉的反应物补充；这时烟气变成氮气和氧气的混合物，利用二者沸点不同，通过制冷机即可分离出来氮气和氧气，氮气可以直接回收，氧气则可以进入燃烧室，使得燃烧更加充分，做功流量进一步增大，提高了燃气轮机功率和煅烧炉的燃烧，使得煅烧反应更加充分，由此实现零排放和烟气全利用。
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