CN107420204B - 一种控制热电联产中燃气轮机进气温度的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制热电联产中燃气轮机进气温度的系统及方法；包括与电网、天然气管网相连的热电联产系统；与热电联产系统和进口空气相连的进气温度控制系统；热电联产系统提供热源，并驱动进气温度控制系统运行；进气温度控制系统负责获得进口空气的温度，并对进口空气加热或冷却。本系统可实现冬季将燃气轮机进口空气加热，提高进气温度、降低进气湿度，进而解决机组进气系统的湿堵和冰堵问题；夏季将高温燃气轮机进口空气冷却到ISO设计要求下的温度，使燃气轮机在最佳效率的工况下运行，提高燃气轮机的发电功率和运行安全性。本系统能有效控制燃气轮机进气温度，从而提高燃气轮机的运行负荷及发电功率，提高机组运行的安全可靠性。

Description

一种控制热电联产中燃气轮机进气温度的系统及方法

技术领域

本发明涉及热电联产供能系统，尤其涉及一种控制热电联产中燃气轮机进气温度的系统及方法。

背景技术

热电联产系统主要由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机组成。天然气燃烧产生的高温高压烟气通过燃气轮机发电，发电后的烟气再进入余热锅炉生产高压蒸汽送至汽轮机发电，同时从汽轮机抽取部分蒸汽向热用户提供生产用热和冬季采暖热量，或供给制冷站进行制冷。

热电联产系统中的燃气轮机是一种动力机械，它主要是由压气机、燃烧室和透平这三大部件组成的。在燃气轮机正常工作时，压气机从外界大气中吸入空气，把它压缩到一定的压力后送到燃烧室中与喷入的燃料相混合，并燃烧成为高温的燃气。这股高温高压的燃气流经透平时，就会膨胀推动透平带着压气机一起高速旋转作功。通常，燃气在透平中所作的机械功，大约有2/3左右被用来消耗在空气的压缩耗功上。

在热电联产系统中，进口空气的温度及湿度对于燃气轮机及其联合循环的功率有相当大的影响。压气机的耗功量是随吸入的空气的温度成正比关系变化的，随着大气温度的升高，空气的密度变小，致使吸入压气机的空气的质量流量减少，导致燃气透平作功量的减少，而燃气透平的排气温度却有所增高。因此，循环水可以在余热锅炉中获取更多的能量，从而获得更多的蒸汽到蒸汽轮机中去作出更大数量的机械功，所以联合循环的相对输出功率减少的程度则要比燃气轮机平缓，而联合循环的相对效率却反而略有增加的趋势。反之，当大气温度下降时，联合循环的相对输出功率增大的程度则要比燃气轮机少，而联合循环的相对效率反而会有略微减小的趋势。

目前，燃气轮机的性能参数是在ISO条件下获得的，而我国北方燃气电厂燃机进气系统有时不能很好的适应当地气候环境条件，尤其是在冬季，进气系统普遍会出现湿堵和冰堵现象，在雨雪雾霾等极端天气情况下机组不得不降低负荷运行，使得压气机自身的负荷改变，致使机械效率发生变化，系统运行偏离设计最佳效率点，严重时甚至会出现跳机现象；而在夏季，进口空气温度高会导致燃机效率降低，这大大影响了电厂运行的安全性和发电功率。故控制燃汽轮机进气温度稳定对整个循环设备的使用性能达到最佳及系统的稳定运行十分重要，还可以为燃气电厂在冬季及夏季各种气候条件下安全运行提供重要保障。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种控制热电联产中燃气轮机进气温度的系统及方法。解决上述大气温度偏离ISO设计要求时，空气的密度发生变化，即吸入压气机的空气的质量流量发生变化，冬季雨雪等极端天气时，进气温度低，进气系统出现湿堵和冰堵等现象，不得不降低机组负荷，甚至出现跳机现象，致使机械效率发生变化，系统运行偏离设计最佳效率点；夏季进气温度高时，燃机效率低的问题；本发明能够使热电联产系统在最佳工况下运行。

本发明通过下述技术方案实现：

一种控制热电联产中燃气轮机进气温度的系统，包括：

与电网、天然气管网相连的热电联产系统A1；

与热电联产系统A1和进口空气相连的进气温度控制系统A2；

所述热电联产系统A1提供热源，并驱动进气温度控制系统A2运行；

所述进气温度控制系统A2负责获得进口空气的温度，并对进口空气进行加热或冷却。

所述进气温度控制系统A2包括如下部件：

温度控制器a2；

换热器a3；

空气流量阀V₁；

供水流量阀V₂；

余热型溴化锂双工况机组a1；

所述换热器a3中的循环水通过一管路进入余热型溴化锂双工况机组a1实现换热后，再通过安装有供水流量阀V₂的另一管路返回换热器a3；

该温度控制器a2的温度传感器设置在换热器(a3)的出口管路上，用于获取进入换热器a3出口空气的温度数据；温度控制器a2的控制端连接供水流量阀V2，用于控制供水流量阀V2的开度；

温度传感器获取进口空气的温度数据后，传送给温度控制器a2，由内置在温度控制器a2内的信号放大模块对其进行放大，并A/D转换后，通过控制模块实现对供水流量阀V2的阀门开度进行控制，由余热型溴化锂双工况机组a1提供热或冷水到换热器a3中与进口空气换热，从而实现对进口空气加热或冷却。

所述热电联产系统A1包括如下部件：

燃气轮机；

余热锅炉；

抽凝式汽轮机；

在换热器a3中实现换热的空气进入燃气轮机，由透平产生的烟气进入余热锅炉，余热锅炉内的循环水被该烟气加热后进入抽凝式汽轮机；

所述余热型溴化锂双工况机组a1是烟气型溴化锂双工况机组和/或蒸汽型溴化锂双工况机组；

当采用烟气型溴化锂双工况机组时，其驱动烟气来自余热锅炉；

当采用蒸汽型溴化锂双工况机组时，其驱动蒸汽来自抽凝式汽轮机。

一种利用余热控制热电联产供能系统中燃气轮机进气温度方法，其包括如下两个控制步骤：

冬季期间控制步骤

通过控制空气流量阀V₁阀门开度，获得稳定的空气流量F₁；

温度传感器获得空气中相应的温度信号t₁，再由内置在温度控制器a2内的信号放大模块对其进行放大，并A/D转换后传递给单片机；

由单片机设定或给定一个不会使燃气轮机在工作过程中出现湿堵和冰堵现象的温度t₂后，获得空气的焓值、密度、质量流量等一系列参数性质及将空气加热到t₂所需要的热量Q，再得到此时供水流量阀V₂需要多大的阀门开度才能提供相应的热量；最后通过温度控制器a2内置的控制模块实现对供水流量阀V₂的阀门开度进行控制，由余热型溴化锂双工况机组提供热水到换热器a3中与进口空气换热；

当t₁大于设定的t₂时，则温度控制器a2内置的控制模块减小供水流量阀V₂的阀门开度，进而减少热水的流量F₂；当t₁小于设定的t₂时，则温度控制器a2内置的控制模块执行增大供水流量阀V₂的阀门开度，进而增加热水的流量F₂；

夏季期间控制步骤

通过控制空气流量阀V₁阀门开度，获得稳定的空气流量F₁；

温度传感器获得空气中相应的温度信号t₁，再由内置在温度控制器a2内的信号放大模块对其进行放大，并A/D转换后传递给单片机；

由单片机设定或给定一个ISO条件下的温度t₂后，获得空气的焓值、密度、质量流量等一系列参数性质及将空气冷却到t₂所需要的冷量Q，再得到此时供水流量阀V₂需要多大的阀门开度才能提供相应的冷量；最后通过温度控制器a2内置的控制模块实现对供水流量阀V₂的阀门开度进行控制，由余热型溴化锂双工况机组提供冷水到换热器a3中与进口空气换热；

当t₁大于设定的t₂时，则温度控制器a2内置的控制模块增大供水流量阀V₂的阀门开度，进而增加冷水的流量F₂；

当t₁小于设定的t₂时，则温度控制器a2内置的控制模块减小供水流量阀V₂的阀门开度，进而减少冷水的流量F₂。

本发明相对于现有技术，具有如下的优点及效果：

从安全性方面分析，本发明可解决冬季大气温度较低或雨雪雾霾等极端天气情况下，进气系统出现湿堵和冰堵等情况，而使燃气轮机机组不得不降低负荷运行甚至引起的跳机问题。同时，夏季使燃气轮机机组在设计工况下运行，可有效延长机组的使用寿命。

从发电功率方面分析，本发明热电联产系统将低品质热能回收利用于制冷，冷却燃气轮机进口空气温度，既实现了能源的有效利用，也可以有效的提高燃气轮机的做功能力。

附图说明

图1为本发明控制热电联产中燃气轮机进气温度的系统结构示意图。

图2表示较高的进口空气温度和相应湿度下降温到ISO温度条件下时，热电联产系统A1所能增加的发电功率。

具体实施方式

下面结合图1、图2及具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

以北方某地区为例，假设该地区夏季平均温度为37.8℃，冬季平均温度为-1℃。在该热电联产系统A1中，燃气轮机为255.6MW的天然气发电机组，其主要技术参数如表1所示；余热锅炉的主要技术参数如表2所示；汽轮机为141MW的发电机组，其主要技术参数如表3所示。

表1燃气轮机机组主要技术参数

表2余热锅炉主要技术参数

表3汽轮机机组主要技术参数

余热型溴化锂双工况机组a1选用2台蒸汽型冷热水机组(最大制冷量为18.6MW，最大制热量为15.4MW)，其主要技术参数如表4所示。

表4蒸汽型冷热水机组主要技术参数

如图1所示，512.9m³/s的空气经过换热器a3被加热(冷却)后，进入到压缩机中进行压缩，得到高温高压的空气进入燃烧室中与20.0Nm³/s的天然气进行燃烧，燃烧后产生的高温高压烟气推动透平高速旋转作功，一部分用来带动压缩机，一部分则用于发电上网。作功后的600℃左右的高温烟气经过余热锅炉加热循环水而降温，降温后的烟气可用于驱动余热型溴化锂双工况机组a1。而循环水加热后变为高温高压水蒸汽，水蒸汽再推动汽轮机作功发电上网或进行抽取部分蒸汽向热用户提供生产用热和冬季采暖热量。

从余热锅炉中抽取部分蒸汽输入到余热型溴化锂双工况机组a1的蒸汽型机组中，驱动机组运行将进口空气的温度加热(降温)到所需的温度。

所述余热型溴化锂双工况机组，也可选用烟气式机组，此时的驱动热源则为余热锅炉的烟气。

为了更好的体现实施过程中的安全性与发电功率，可与进口空气不进行加热(降温)的情况进行对比。

1)冬季控制步骤：

温度低于ISO条件下的温度时，进口空气的质量流量增大，热电联产系统的做功能力有所提高。但是温度过低甚至在极端天气情况下时，燃气轮机机组容易出现冰堵和湿堵的情况，因此要对进口空气进行加热升温。在本专利计算案例中，为防止进口空气会发生冰堵和湿堵，对其加热到5℃。

温度控制器a2首先测出进口空气温度为-1℃，湿度为78.0％，并获得此时的空气密度和焓值，通过计算机计算可得到相应的质量流量为660.5kg/s和加热到5℃时所需要供给的热负荷为3.90MW。由于蒸汽型机组a1始终处于额定制热量的情况，而进口空气加热到5℃所需的热量只需通过控制热供水阀门V₂得到相应的热水流量与换热器换热获得。最后温度控制器a2再发出信号调节热供水阀门V₂的开度为53.1％来满足热量需求(假定换热器效率为95％)。根据蒸汽型机组a1的额定制热量为7733kW和制热COP为2.30，计算可得所需抽取的蒸汽流量为1.59kg/s。(其中，进口空气温度低于-6.9℃时，即所需热负荷高于7733kW时，需要同时使用两台蒸汽型机组)

表5表示进口温度为-1℃时，热电联产系统A1使用与不使用该系统的对比情况。

表5热电联产系统使用与不使用该系统的对比

通过对比计算可知，抽取部分蒸汽对进口空气进行加热，虽然发电功率会有所减少，但是可以有效保证机组在极端天气情况下始终高负荷运行，不会引起跳机现象，安全性好。

2)夏季期间

温度控制器a2首先测出进口空气温度为37.8℃和湿度为15.6％，并获得此时的空气密度和焓值，通过计算机计算可得到相应的质量流量为577.8kg/s和降温到ISO温度时所需要供给的冷负荷为14.29MW。由于蒸汽型机组a1始终处于额定制冷量的情况，而进口空气冷却到ISO温度所需的冷量只需通过控制冷供水阀门V₂得到相应的冷水流量与换热器换热获得。最后温度控制器a2再发出信号调节一台机组的冷供水阀门V₂的开度为100％，另一台的为56.5％来满足热量需求(假定换热器效率为95％)。根据蒸汽型机组a1的额定制冷量为9300kW和制冷COP为1.40，计算可得所需抽取的蒸汽流量为6.34kg/s，此时需要使用两台机组。(其中，进口空气温度在15～29.5℃时，需要开启一台蒸汽型机组，所需抽取的蒸汽流量为3.17kg/s；进口空气温度在29.5～44℃时，需要开启两台蒸汽型机组)

表6表示进口温度为37.8℃时，热电联产系统A1使用与不使用该系统的对比情况，图2则表示较高的进口空气温度和相应湿度下降温到ISO温度条件下时，热电联产系统A1所能增加的发电功率。

表6热电联产系统使用与不使用该系统的对比

通过对比计算可知，抽取少量蒸汽对进口空气进行冷却，既可以让燃气轮机在设计工况下运行，可以在一定程度上延长机组的使用寿命，同时又可以增加发电功率，所以在夏季对高温的进口空气进行冷却是很有意义的。

3)过渡期间

除上面所述夏季期间和冬季极端条件下，其余环境温度下如5-15℃时，可不对进口空气的温度进行处理，此时进口空气既不会发生冰堵和湿堵等影响机组正常运行的情况，相比ISO温度条件下也会拥有更高的发电功率。

如上所述，便可较好的实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用余热控制热电联产供能系统中燃气轮机进气温度方法，其特征在于，包括控制热电联产中燃气轮机进气温度的系统，该系统包括：

与电网、天然气管网相连的热电联产系统（A1）；

与热电联产系统（A1）和进口空气相连的进气温度控制系统（A2）；

所述热电联产系统（A1）提供热源，并驱动进气温度控制系统（A2）运行；

所述进气温度控制系统（A2）负责获得进口空气的温度，并对进口空气进行加热或冷却；

所述进气温度控制系统（A2）包括如下部件：

温度控制器（a2）；

换热器（a3）；

空气流量阀（V₁）；

供水流量阀（V₂）；

余热型溴化锂双工况机组（a1）；

所述换热器（a3）中的循环水通过一管路进入余热型溴化锂双工况机组（a1）实现换热后，再通过安装有供水流量阀V₂的另一管路返回换热器（a3）；

该温度控制器（a2）的温度传感器设置在换热器（a3）的出口管路上，用于获取进入换热器（a3）出口空气的温度数据；温度控制器（a2）的控制端连接供水流量阀（V₂），用于控制供水流量阀（V₂）的开度；

温度传感器获取进口空气的温度数据后，传送给温度控制器（a2），由内置在温度控制器（a2）内的信号放大模块对其进行放大，并A/D转换后，通过控制模块实现对供水流量阀（V₂）的阀门开度进行控制，由余热型溴化锂双工况机组（a1）提供热或冷水到换热器（a3）中与进口空气换热，从而实现对进口空气加热或冷却；

所述热电联产系统（A1）包括如下部件：

燃气轮机；

余热锅炉；

抽凝式汽轮机；

在换热器（a3）中实现换热的空气进入燃气轮机，由透平产生的烟气进入余热锅炉，余热锅炉内的循环水被该烟气加热后进入抽凝式汽轮机；

所述余热型溴化锂双工况机组（a1）是烟气型溴化锂双工况机组和/或蒸汽型溴化锂双工况机组；

当采用烟气型溴化锂双工况机组时，其驱动烟气来自余热锅炉；

当采用蒸汽型溴化锂双工况机组时，其驱动蒸汽来自抽凝式汽轮机；

利用余热控制热电联产供能系统中燃气轮机进气温度方法，包括如下两个控制步骤：

冬季期间控制步骤

通过控制空气流量阀（V₁）阀门开度，获得稳定的空气流量F₁；

温度传感器获得空气中相应的温度信号t₁，再由内置在温度控制器（a2）内的信号放大模块对其进行放大，并A/D转换后传递给单片机；

由单片机设定或给定一个不会使燃气轮机在工作过程中出现湿堵和冰堵现象的温度t₂后，获得空气的焓值、密度、质量流量参数性质及将空气加热到t₂所需要的热量Q，再得到此时供水流量阀V₂需要多大的阀门开度才能提供相应的热量；最后通过温度控制器（a2）内置的控制模块实现对供水流量阀（V₂）的阀门开度进行控制，由余热型溴化锂双工况机组提供热水到换热器（a3）中与进口空气换热；

当t₁大于设定的t₂时，则温度控制器（a2）内置的控制模块减小供水流量阀（V₂）的阀门开度，进而减少热水的流量F₂；当t₁小于设定的t₂时，则温度控制器（a2）内置的控制模块执行增大供水流量阀（V₂）的阀门开度，进而增加热水的流量F₂；

夏季期间控制步骤

通过控制空气流量阀（V₁）阀门开度，获得稳定的空气流量F₁；

温度传感器获得空气中相应的温度信号t₁，再由内置在温度控制器（a2）内的信号放大模块对其进行放大，并A/D转换后传递给单片机；

由单片机设定或给定一个ISO条件下的温度t₂后，获得空气的焓值、密度、质量流量参数性质及将空气冷却到t₂所需要的冷量Q，再得到此时供水流量阀（V₂）需要多大的阀门开度才能提供相应的冷量；最后通过温度控制器（a2）内置的控制模块实现对供水流量阀（V₂）的阀门开度进行控制，由余热型溴化锂双工况机组提供冷水到换热器（a3）中与进口空气换热；

当t₁大于设定的t₂时，则温度控制器（a2）内置的控制模块增大供水流量阀（V₂）的阀门开度，进而增加冷水的流量F₂；

当t₁小于设定的t₂时，则温度控制器（a2）内置的控制模块减小供水流量阀（V₂）的阀门开度，进而减少冷水的流量F₂。

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