CN109057898B - 一种基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统 - Google Patents

一种基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统，包括顶层燃气发电系统、底层蒸汽发电系统及二氧化碳热泵余热利用系统；底层蒸汽发电系统包括凝汽器、给水预热器、三压余热锅炉、高压缸、中压缸、低压缸及第一发电机；二氧化碳热泵余热利用系统包括烟气冷却器、压缩机、电动机、回热器及空气冷却器，该系统的发电效率高，同时实现烟气余热的回收及空压机的降耗。

Description

一种基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统
技术领域
本发明属于余热利用领域，涉及一种基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统。
背景技术
燃气蒸汽联合循环发电技术是通过顶层燃气轮机发电循环和底层蒸汽朗肯发电循环的有机结合，实现高效发电的一种发电技术。燃气蒸汽联合循环发电机组,由于具有高效、低耗、启动快、调节灵活、可用率高、投资省、建设周期短及环境污染小等优点,目前在国外电力行业正日益得到重视和发展。
由此可见，燃气蒸汽联合循环发电必将是未来高效发电的一种重要形式。但是，现有的燃气蒸汽联合循环中，单压余热锅炉排烟温度约为160～200℃，双压余热锅炉排烟温度约为100～130℃，三压余热锅炉排烟温度约为80～90℃。对于几乎不含硫的天然气，其烟气露点温度约为43～53℃，排烟温度原则上只要高于露点10℃即可避免排烟段受热面的低温腐蚀。因此，仍然有较大的余热利用空间。
此外，燃气蒸汽联合循环中，顶层燃气轮机发电循环的空压机是大功耗设备，且其功耗受入口空气状态影响显著。据文献数据显示，当燃机进气从30℃降为15℃时，发电效率可提高1.5～2.0个百分点。
由此可见，燃气蒸汽联合循环中，空压机前的进气端和余热锅炉后的排烟端均有节能降耗的潜力。目前各国学者也进行了大量努力，旨在进一步实现燃气蒸汽联合循环的节能降耗，提高机组发电效率，且取得了一定的成果。如：1)蒸汽回注式燃气轮机余热利用：其特点是利用简单循环燃气轮机的排气余热产生过热蒸汽，将此过热蒸汽回注入该燃气轮机，与以空气为代表的第一种工质共同参与循环做功。设备小，投资低。多用于航空母舰新型推进动力的主动力装置等。2)燃气轮机内环水余热加热进气。其特点是回收各种设备的冷却水的低温废热，预热燃气，提高效率。投资较小，效率提升一般。目前应用较少。3)导热油回收燃机余热。其特点是用于天然气深冷初加工系统，通过烟气余热加热稳前原油，节能效果明显。适用范围限制较大。多用于油气田。但是上述余热利用技术尚未实现燃气蒸汽联合循环机组余热的综合利用，效率提升有限。
如果能够通过燃气蒸汽联合循环的余热利用，回收烟气废热的同时降低空压机入口空气温度，实现空压机降耗，则可显著提升燃气蒸汽联合循环的发电效率。然而经调研，目前国内外关于燃气蒸汽联合循环机组余热制冷进气的研究相对较少，更是鲜有通过燃气蒸汽联合循环机组余热的综合利用实现余热回收和空压机降耗的研究。因此，还需要大量的原创性工作。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统，该系统的发电效率高，同时实现烟气余热的回收及空压机的降耗。
为达到上述目的，本发明所述的基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统包括顶层燃气发电系统、底层蒸汽发电系统及二氧化碳热泵余热利用系统；底层蒸汽发电系统包括凝汽器、给水预热器、三压余热锅炉、高压缸、中压缸、低压缸及第一发电机；二氧化碳热泵余热利用系统包括烟气冷却器、压缩机、电动机、回热器及空气冷却器；
顶层燃气发电系统的烟气出口与三压余热锅炉的烟气入口相连通，凝汽器的出口分为两路，其中一路与给水预热器的冷侧入口相连通，另一路与给水预热器的冷侧出口通过管道并管后与三压余热锅炉的入水口相连通，高压缸的入口及出口分别与三压余热锅炉的高压出口及中压入口相连通，中压缸的入口及出口分别与三压余热锅炉的中压出口及低压入口相连通，低压缸的入口及出口分别与三压余热锅炉的低压出口及凝汽器的入口相连通，高压缸、中压缸、低压缸及第一发电机相连接；
烟气冷却器位于三压余热锅炉烟气出口的内侧，烟气冷却器的出口与回热器的冷侧入口相连通，回热器的冷侧出口与压缩机的入口相连通，压缩机的出口与给水预热器的热侧入口相连通，给水预热器的热侧出口与回热器的热侧入口相连通，回热器的热侧出口与空气冷却器的冷侧入口相连通，空气冷却器的冷侧出口与烟气冷却器的入口相连通，空气冷却器的热侧出口与顶层燃气发电系统的入口相连通，电动机与压缩机的驱动轴相连接。
顶层燃气发电系统包括燃烧输入管道、空压机、燃烧室、燃气透平及第二发电机；空气冷却器的热侧出口与空压机的入口相连通，空压机的出口及燃烧输入管道与燃烧室的入口相连通，燃烧室的出口与燃气透平的入口相连通，燃气透平的出口与三压余热锅炉的烟气入口相连通，燃气透平、第二发电机及空压机相连接。
凝汽器的出口经给水泵后分为两路。
还包括第一阀门及第二阀门，其中，凝汽器的出口经给水泵后分为两路，其中，其中一路与第一阀门的一端相连通，另一路经第二阀门与给水预热器的冷侧入口相连通，给水预热器的冷侧出口与第一阀门的另一端通过管道并管后与三压余热锅炉的入水口相连通。
回热器的热侧出口经节流阀与空气冷却器的冷侧入口相连通。
空压机、燃气透平及第二发电机同轴布置；高压缸、中压缸、低压缸及第一发电机同轴布置；压缩机与电动机同轴布置。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统在具体操作时，通过空气冷却器以降低空压机入口处空气的温度，实现空压机的降耗，提升系统的发电效率，另外，通过烟气冷却器回收三压余热锅炉排烟的低品位废热，通过压缩机将空气冷却器及烟气冷却器回收的低品位废热进行品位的提升，并以此提升三压余热锅炉的给水温度，从而进一步提升系统的发电效率，相比现有的燃气蒸汽联合循环机组余热利用技术，本发明实现了烟气余热的综合利用，显著提升了系统的发电效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，11为空压机、12为燃烧室、13为燃气透平、14为第二发电机、21为给水泵、22为三压余热锅炉、23为高压缸、24为中压缸、25为低压缸、26为凝汽器、27为第一发电机、31为压缩机、32为电动机、33为给水预热器、34为回热器、35为节流阀、36为空气冷却器、37为烟气冷却器、K1为第一阀门、K2为第二阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统包括顶层燃气发电系统、底层蒸汽发电系统及二氧化碳热泵余热利用系统；底层蒸汽发电系统包括凝汽器26、给水预热器33、三压余热锅炉22、高压缸23、中压缸24、低压缸25及第一发电机27；二氧化碳热泵余热利用系统包括烟气冷却器37、压缩机31、电动机32、回热器34及空气冷却器36；顶层燃气发电系统的烟气出口与三压余热锅炉22的烟气入口相连通，凝汽器26的出口分为两路，其中一路与给水预热器33的冷侧入口相连通，另一路与给水预热器33的冷侧出口通过管道并管后与三压余热锅炉22的入水口相连通，高压缸23的入口及出口分别与三压余热锅炉22的高压出口及中压入口相连通，中压缸24的入口及出口分别与三压余热锅炉22的中压出口及低压入口相连通，低压缸25的入口及出口分别与三压余热锅炉22的低压出口及凝汽器26的入口相连通，高压缸23、中压缸24、低压缸25及第一发电机27相连接；烟气冷却器37位于三压余热锅炉22烟气出口的内侧，烟气冷却器37的出口与回热器34的冷侧入口相连通，回热器34的冷侧出口与压缩机31的入口相连通，压缩机31的出口与给水预热器33的热侧入口相连通，给水预热器33的热侧出口与回热器34的热侧入口相连通，回热器34的热侧出口与空气冷却器36的冷侧入口相连通，空气冷却器36的冷侧出口与烟气冷却器37的入口相连通，空气冷却器36的热侧出口与顶层燃气发电系统的入口相连通，电动机32与压缩机31的驱动轴相连接。
顶层燃气发电系统包括燃烧输入管道、空压机11、燃烧室12、燃气透平13及第二发电机14；空气冷却器36的热侧出口与空压机11的入口相连通，空压机11的出口及燃烧输入管道与燃烧室12的入口相连通，燃烧室12的出口与燃气透平13的入口相连通，燃气透平13的出口与三压余热锅炉22的烟气入口相连通，燃气透平13、第二发电机14及空压机11相连接。
本发明还包括第一阀门K1及第二阀门K2，其中，凝汽器26的出口经给水泵21后分为两路，其中，其中一路与第一阀门K1的一端相连通，另一路经第二阀门K2与给水预热器33的冷侧入口相连通，给水预热器33的冷侧出口与第一阀门K1的另一端通过管道并管后与三压余热锅炉22的入水口相连通。
回热器34的热侧出口经节流阀35与空气冷却器36的冷侧入口相连通；空压机11、燃气透平13及第二发电机14同轴布置；高压缸23、中压缸24、低压缸25及第一发电机27同轴布置；压缩机31与电动机32同轴布置。
顶层燃气发电系统的工质为燃气及其燃烧后的产物，底层蒸汽发电系统的工质为水，二氧化碳热泵余热利用系统的工质为二氧化碳。
本发明的具体工作过程为：
在顶层燃气轮机发电系统中，空压机11将经空气冷却器36冷却后的空气进行升压，升压后的空气进入到燃烧室12中，燃料输入管道输出的燃料进入到燃烧室12，在燃烧室12内，空气与燃料进行混合燃烧，燃烧产生的高温气体进入到燃气透平13中做功，燃气透平13拖动空压机11及第二发电机14工作，燃气透平13排出的烟气进入到三压余热锅炉22中，并以此作为底层蒸汽发电系统的热源。
在底层蒸汽发电系统中，凝汽器26输出的水经给水泵21升压后分为两路，其中一路经给水预热器33冷侧升温后送至三压余热锅炉22的水入口中，另一路则直接送至三压余热锅炉22的水入口中，并经三压余热锅炉22中的高压加热器加热为高温高压蒸汽，然后进入到高压缸23中做功，高压缸23的排汽经三压余热锅炉22内的中压加热器进行加热，然后进入中压缸24中做功，中压缸24的排汽经三压余热锅炉22中的低压加热器进行加热，然后进入低压缸25中做功，低压缸25的排汽进入凝汽器26中冷却凝结为凝结水。
在二氧化碳热泵余热利用系统中，经回热器34冷侧升温后的二氧化碳进入到压缩机31中进行升压，以形成高温高压二氧化碳，高温高压二氧化碳进入到给水预热器33中进行放热后进入到回热器34中进一步放热，然后经节流阀35节流为二氧化碳气液两相工质后进入到空气冷却器36中进行吸热，最后进入到烟气冷却器37中进行加热，以完成对空压机11入口空气的冷却及三压余热锅炉22排烟的降温，加热后的二氧化碳则由二氧化碳气液两相工质转换为饱和二氧化碳，然后进入到回热器34的冷侧中进行升温。
本发明在具体操作时，首先通过空气冷却器36降低空压机11入口的空气温度，实现空压机11的降耗，提升系统的发电效率，随后通过烟气冷却器37回收三压余热锅炉22排烟的低品位废热，同时将空气冷却器36及烟气冷却器37回收的低品位废热进行品位提升，并用于加热底层蒸汽发电系统的给水，进一步提升系统的发电效率。相比现有的燃气蒸汽联合循环机组余热利用技术，本发明实现了余热的综合利用，显著提升了系统的发电效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统，其特征在于，包括顶层燃气发电系统、底层蒸汽发电系统及二氧化碳热泵余热利用系统；底层蒸汽发电系统包括凝汽器(26)、给水预热器(33)、三压余热锅炉(22)、高压缸(23)、中压缸(24)、低压缸(25)及第一发电机(27)；二氧化碳热泵余热利用系统包括烟气冷却器(37)、压缩机(31)、电动机(32)、回热器(34)及空气冷却器(36)；
顶层燃气发电系统的烟气出口与三压余热锅炉(22)的烟气入口相连通，凝汽器(26)的出口分为两路，其中一路与给水预热器(33)的冷侧入口相连通，另一路与给水预热器(33)的冷侧出口通过管道并管后与三压余热锅炉(22)的入水口相连通，高压缸(23)的入口及出口分别与三压余热锅炉(22)的高压出口及中压入口相连通，中压缸(24)的入口及出口分别与三压余热锅炉(22)的中压出口及低压入口相连通，低压缸(25)的入口及出口分别与三压余热锅炉(22)的低压出口及凝汽器(26)的入口相连通，高压缸(23)、中压缸(24)、低压缸(25)及第一发电机(27)相连接；
烟气冷却器(37)位于三压余热锅炉(22)烟气出口的内侧，烟气冷却器(37)的出口与回热器(34)的冷侧入口相连通，回热器(34)的冷侧出口与压缩机(31)的入口相连通，压缩机(31)的出口与给水预热器(33)的热侧入口相连通，给水预热器(33)的热侧出口与回热器(34)的热侧入口相连通，回热器(34)的热侧出口与空气冷却器(36)的冷侧入口相连通，空气冷却器(36)的冷侧出口与烟气冷却器(37)的入口相连通，空气冷却器(36)的热侧出口与顶层燃气发电系统的入口相连通，电动机(32)与压缩机(31)的驱动轴相连接；
顶层燃气发电系统包括燃烧输入管道、空压机(11)、燃烧室(12)、燃气透平(13)及第二发电机(14)；空气冷却器(36)的热侧出口与空压机(11)的入口相连通，空压机(11)的出口及燃烧输入管道与燃烧室(12)的入口相连通，燃烧室(12)的出口与燃气透平(13)的入口相连通，燃气透平(13)的出口与三压余热锅炉(22)的烟气入口相连通，燃气透平(13)、第二发电机(14)及空压机(11)相连接；
凝汽器(26)的出口经给水泵(21)后分为两路；
还包括第一阀门(K1)及第二阀门(K2)，其中，凝汽器(26)的出口经给水泵(21)后分为两路，其中，一路与第一阀门(K1)的一端相连通，另一路经第二阀门(K2)与给水预热器(33)的冷侧入口相连通，给水预热器(33)的冷侧出口与第一阀门(K1)的另一端通过管道并管后与三压余热锅炉(22)的入水口相连通；
回热器(34)的热侧出口经节流阀(35)与空气冷却器(36)的冷侧入口相连通。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化碳热泵的燃气蒸汽联合循环余热利用系统，其特征在于，空压机(11)、燃气透平(13)及第二发电机(14)同轴布置；高压缸(23)、中压缸(24)、低压缸(25)及第一发电机(27)同轴布置；压缩机(31)与电动机(32)同轴布置。
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