CN109404076A - 一种联合发电系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种联合发电系统及方法，所述联合发电系统包括：透平冷却系统、涡轮发电机、回热器和压缩机；所述透平冷却系统以超临界CO2为冷却剂；所述透平冷却系统的出口与所述涡轮发电机的入口通过管路连接，所述涡轮发电机的出口通过管路与所述回热器的低压侧入口连接，所述回热器的低压侧出口通过管路与所述压缩机的入口连接，所述压缩机的出口通过管路与所述回热器的高压侧入口连接，所述回热器的高压侧出口通过管路与所述透平冷却系统的入口连接。本发明提供的联合发电系统及方法能够在提高冷却效率的同时简化冷却系统的结构。

Description

一种联合发电系统及方法
技术领域
本发明涉及发电领域，特别是涉及一种联合发电系统及方法。
背景技术
随着燃气轮机效率的升高，透平进口温度不断提升，有效的主动冷却技术对其安全性和可靠性具有重要意义。目前以空气为冷却剂，综合再生、冲击、气膜冷却等技术的混合冷却是应用最广泛的透平冷却方法，设计与制造研究也较为深入。当下透平向H级突破，进口温度超过1700℃，冷却技术进而向着更高冷却效率、更低造价的方向发展。但以空气为冷却剂的透平冷却方法存在一些问题：冷却剂从压气机中段抽取，降低了燃气轮机整体运行效率；空气密度低，冷却效率受限；受冷却剂效率限制，必须采用更严格的冷却结构，导致透平叶片内部结构复杂，造价高；开放式的气膜冷却会影响主流流场和透平效率等。故有研究提出以水蒸气代替空气的蒸汽冷却，利用水蒸气较高的导热性能和比热容提高冷却效率。但由于水蒸气中的氢元素，冷却系统必须采用闭式结构，且叶片驻点和尾缘位置难以通过简单的再生冷却结构达到温度要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种联合发电系统及方法，用来提高冷却效率的同时简化冷却系统的结构。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种联合发电系统，所述发电系统包括：透平冷却系统、涡轮发电机、回热器和压缩机；所述透平冷却系统以超临界CO2为冷却剂；
所述透平冷却系统的出口与所述涡轮发电机的入口通过管路连接，所述涡轮发电机的出口通过管路与所述回热器的低压侧入口连接，所述回热器的低压侧出口通过管路与所述压缩机的入口连接，所述压缩机的出口通过管路与所述回热器的高压侧入口连接，所述回热器的高压侧出口通过管路与所述透平冷却系统的入口连接。
可选的，所述透平冷却系统为闭式再生冷却系统。
可选的，所述冷却剂从所述透平冷却系统的吸力面通道进入叶片，从压力面通道流出叶片。
可选的，所述透平冷却系统为透平静叶冷却系统，静叶内部靠近壁面分布有圆形冷却通道，叶尖侧端壁内布置所述冷却剂流出的主\支通道和总入口\出口管道，叶根侧端壁内布置冷却剂的导流通道，将流过吸力面通道的冷却剂导向压力面通道。
可选的，所述透平冷却系统为透平动叶冷却系统，动叶内分布有蛇形冷却通道，所述冷却剂的出口和所述冷却剂的入口均位于所述动叶的叶根侧。
可选的，所述透平冷却系统为单通道冷却系统。
可选的，所述透平冷却系统为双通道冷却系统。
一种联合发电方法，采用超临界CO2为冷却剂，所述联合发电方法包括：
超临界CO2由透平冷却系统的吸力面通道进入叶片冷却通道进行冷却，超临界CO2吸热温度升高；
升温后的超临界CO2由所述透平冷却系统的压力面通道流出，得到高温超临界CO2；
所述高温超临界CO2进入涡轮发电机做功发电；
由所述涡轮发电机的汽缸排出的CO2进入回热器进行放热，得到低温超临界CO2；
所述低温超临界CO2进入压缩机增压，得到高压超临界CO2；
所述高压超临界CO2进入所述回热器吸热，温度升高，再次进入所述透平冷却系统的吸力面通道。
可选的，所述超临界CO2的温度高于临界温度的1.1倍。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
1、本发明采用超临界CO2为冷却剂，导热性能优于空气10倍以上，比热容大于空气和水蒸气，能够以更少的冷却剂流量达到更高的冷却效率。
2、采用闭式再生冷却结构，结构比当前广泛使用的混合冷却结构简单。
3、冷却系统排出的超临界CO2作为工质通过涡轮发电机做功发电，与燃气轮机发电系统形成高效的联合发电系统，充分利用透平做功中的废热，提高能量利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的联合发电系统的结构连接图；
图2-a为透平静叶冷却系统的结构示意图；
图2-b为静叶冷却通道横截面的示意图；
图2-c为静叶叶根侧冷却剂通道的示意图；
图2-d为静叶叶尖侧冷却剂通道的示意图；
图3-a为单通道冷却的透平动叶冷却系统的结构示意图；
图3-b为双通道冷却的透平动叶冷却系统的结构示意图；
图4为本发明的联合发电系方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种联合发电系统及方法，用来提高冷却效率的同时简化冷却系统的结构。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明的联合发电系统的结构连接图。如图1所示，所述联合发电系统包括：透平冷却系统1、涡轮发电机2、回热器3和压缩机4；透平冷却系统1以超临界CO2为冷却剂。透平冷却系统1的出口与涡轮发电机2的入口通过管路连接，涡轮发电机2的出口通过管路与回热器3的低压侧入口连接，回热器3的低压侧出口通过管路与压缩机4的入口连接，压缩机4的出口通过管路与回热器3的高压侧入口连接，回热器3的高压侧出口通过管路与透平冷却系统1的入口连接。
整个发电系统采用布雷顿循环，透平冷却系统嵌套在其中。CO2通过压缩机增压达到超临界压力，而后流经回热器高压侧吸热，达到稳定超临界状态，进入透平冷却系统冷却叶片，同时温度升高；透平冷却系统排出的超临界CO2通过管路进入涡轮发电机膨胀做功，输出电能后成为CO2乏汽，通过回热器低压侧放热，完成布雷顿循环。
透平冷却系统1为闭式再生冷却系统。冷却剂超临界CO2从透平冷却系统1的吸力面通道进入叶片，从压力面通道流出叶片。透平冷却系统1可以为静叶结构也可以为动叶结构。
对于静叶内部冷却，超临界CO2从热负荷大的压力面通道进入叶片，从热负荷小的吸力面通道流出，如图2-a、2-c、2-d所示。
图2-a为透平静叶冷却系统的结构示意图，如图2所示，静叶内部靠近壁面分布有圆形冷却通道，叶根侧端壁内布置冷却剂的导流通道，如图2-c所示，将流过吸力面通道的冷却剂导向压力面通道。叶尖侧端壁内布置冷却剂流出的主\支通道和总入口\出口管道，如图2-d所示。
图3-a为单通道冷却的透平动叶冷却系统的结构示意图。如图3-a所示，动叶内分布有一个蛇形冷却通道，所述冷却剂的出口和入口均位于动叶的叶根侧，冷却剂入口位于从叶片前缘叶根处，出口位于叶片尾缘侧叶根处。
图3-b为双通道冷却的透平动叶冷却系统的结构示意图。如图3-b所示，如实际应用中需要加强尾缘冷却，也可采用双入口结构，即冷却剂CO2从前缘及尾缘叶根处流入，经蛇形管从中部流出。壁面可根据叶片材料需求、冷却性能需求和加工制造需求布置合适的肋片强化换热，具体实现形式有斜肋、V型肋片等等。
另外，冷却通道的位置、直径应根据实际工况和热负荷确定，因为超临界压力CO2受浮升力、流动加速等因素的影响，在毫米量级的细管道中可能会出现换热恶化或强化现象，从而导致叶片壁温分布不均匀，影响材料寿命。为了弱化这种影响，一方面冷却通道入口的CO2温度应高于临界温度的1.1倍，另一方面应针对叶片的热负荷分布设计冷却通道几何和结构，在叶片前缘、尾缘、压力面等负荷相对较大的地方布置较为密集的冷却通道，或在制造加工条件允许的情况下在冷却通道内布置螺旋丝以缓解传热恶化现象。具体冷却通道布局和尺寸等应根据透平设计需求通过数值模拟进行设计，达到叶片表面温度要求和最优冷却效率。
图4为本发明的联合发电系方法的流程图。如图4所示，所述联合发电系方法包括：
步骤41：超临界CO2由透平冷却系统的吸力面通道进入叶片冷却通道进行冷却，超临界CO2吸热温度升高；所述超临界CO2的温度高于临界温度的1.1倍。
步骤42：升温后的超临界CO2由所述透平冷却系统的压力面通道流出，得到高温超临界CO2；
步骤43：所述高温超临界CO2进入涡轮发电机做功发电；
步骤44：由所述涡轮发电机的汽缸排出的CO2进入回热器进行放热，得到低温超临界CO2；
步骤45：所述低温超临界CO2进入压缩机增压，得到高压超临界CO2；
步骤46：所述高压超临界CO2进入所述回热器吸热，温度升高，再次进入所述透平冷却系统的吸力面通道。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
1、超临界CO2导热性能优于空气10倍以上，比热容大于空气和水蒸气，能够以更少的冷却剂流量达到更高的冷却效率；
2、超临界CO2无毒、不燃、无腐蚀性，安全性能由于蒸汽冷却；
3、采用闭式再生冷却结构，结构比当前广泛使用的混合冷却结构简单，且可以利用已有蒸汽冷却的结构设计制造经验，有效降低造价；
4、与气膜冷却相比，冷却剂不与主流掺混，不影响主流流动和温度；
5、冷却系统排出的超临界CO2作为工质通过涡轮发电机做功发电，与燃气轮机发电系统形成高效的联合发电系统，充分利用透平做功中的废热，提高能量利用率。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种联合发电系统，其特征在于，所述发电系统包括：透平冷却系统、涡轮发电机、回热器和压缩机；所述透平冷却系统以超临界CO2为冷却剂；
所述透平冷却系统的出口与所述涡轮发电机的入口通过管路连接，所述涡轮发电机的出口通过管路与所述回热器的低压侧入口连接，所述回热器的低压侧出口通过管路与所述压缩机的入口连接，所述压缩机的出口通过管路与所述回热器的高压侧入口连接，所述回热器的高压侧出口通过管路与所述透平冷却系统的入口连接。
2.根据权利要求1所述的联合发电系统，其特征在于，所述透平冷却系统为闭式再生冷却系统。
3.根据权利要求1所述的联合发电系统，其特征在于，所述冷却剂从所述透平冷却系统的吸力面通道进入叶片，从压力面通道流出叶片。
4.根据权利要求1所述的联合发电系统，其特征在于，所述透平冷却系统为透平静叶冷却系统，静叶内部靠近壁面分布有圆形冷却通道，叶尖侧端壁内布置所述冷却剂流出的主\支通道和总入口\出口管道，叶根侧端壁内布置冷却剂的导流通道，将流过吸力面通道的冷却剂导向压力面通道。
5.根据权利要求1所述的联合发电系统，其特征在于，所述透平冷却系统为透平动叶冷却系统，动叶内分布有蛇形冷却通道，所述冷却剂的出口和所述冷却剂的入口均位于所述动叶的叶根侧。
6.根据权利要求5所述的联合发电系统，其特征在于，所述透平冷却系统为单通道冷却系统。
7.根据权利要求5所述的联合发电系统，其特征在于，所述透平冷却系统为双通道冷却系统。
8.一种联合发电方法，其特征在于，采用超临界CO2为冷却剂，所述联合发电方法包括：
超临界CO2由透平冷却系统的吸力面通道进入叶片冷却通道进行冷却，超临界CO2吸热温度升高；
升温后的超临界CO2由所述透平冷却系统的压力面通道流出，得到高温超临界CO2；
所述高温超临界CO2进入涡轮发电机做功发电；
由所述涡轮发电机的汽缸排出的CO2进入回热器进行放热，得到低温超临界CO2；
所述低温超临界CO2进入压缩机增压，得到高压超临界CO2；
所述高压超临界CO2进入所述回热器吸热，温度升高，再次进入所述透平冷却系统的吸力面通道。
9.根据权利要求8所述的联合发电方法，其特征在于，所述超临界CO2的温度高于临界温度的1.1倍。
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