CN109989828B - 一种lng动力船燃气轮机低氮燃烧系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，包括LNG供气子系统、海水淡化子系统、动力输出子系统、烟气余热回收子系统及蒸汽发生子系统，其中LNG供气子系统与海水淡化子系统之间通过LNG‑中间介质换热器相连，LNG供气子系统与动力输出子系统及烟气余热回收子系统之间通过多股流换热器相连，动力输出子系统与烟气余热回收子系统之间通过燃气透平相连，海水淡化子系统与蒸汽发生子系统之间通过第三淡水泵相连，烟气余热回收子系统与蒸汽发生子系统之间通过蒸汽过热器及蒸汽发生器相连。本发明利用LNG冷能实现了海水淡化，满足了燃气轮机回注蒸汽的淡水需求，降低了氮氧化物排放，具有巨大的经济效益及生态效益。
Description
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机低氮燃烧系统，具体为一种LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统。
背景技术
进入21世纪以来，国际燃油价格不断上涨，大大增加了船舶运营的成本，与此同时，随着各类污染物的增多，环境污染已经成为一个需要全世界共同面对的问题。以柴油为燃料的船舶产生大量污染大气的排放物，严重影响内陆港口和海岸空气的质量。因此，寻找廉价而又环保的燃料成为船舶行业的一大迫切需求。天然气储量丰富，价格便宜，以天然气作为燃料是未来船舶行业发展的大势所趋。为便于运输，天然气通常以液态的形式即液化天然气(LNG，Liquid Nature Gas)形式存储，在使用前再通过汽化装置将其升温至气态，其间可释放出大量的冷量，常规汽化方式是利用LNG与海水换热，这不仅浪费了冷能也对海洋环境造成了污染。
燃气轮机是一种旋转叶轮式热力发动机，它以连续流动的气体为工作介质，并带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械。燃气轮机工作时压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮旋转对外输出动力。较之于蒸汽机与柴油机等常规动力装置，燃气轮机具有功率密度大、启动速度快等优点，因此在工业生产及船舶领域等到了广泛的使用。
由于空气中含有大量的氮气，因此燃气燃气轮机所排放的烟气中含有大量的氮氧化物，此外，由于燃气轮机燃烧温度较高，因此做功后的烟气依然具有较高的温度，燃气轮机排气温度通常可达500℃以上，如果对烟气不加处理直接排放，不仅对大气产生了污染也浪费了大量热能。
回注蒸汽燃气轮机循环可大幅改进燃气轮机的工作特性，此项技术在工业发电燃气轮机中的应用已经成熟，但该项技术在船舶燃气轮机还没有得到应用，因为回注蒸汽需要消耗大量的淡水，其关键技术瓶颈是注入蒸汽的水源问题没有得到合理的解决。
发明内容
针对现有技术中难以为LNG动力船燃气轮机蒸汽回注系统提供可靠淡水来源等不足，本发明要解决的问题是提供一种可实现海水淡化满足燃气轮机回注蒸汽的淡水需求，降低燃气轮机氮氧化物排放的LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明一种LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，包括LNG供气子系统、海水淡化子系统、动力输出子系统、烟气余热回收子系统及蒸汽发生子系统，其中LNG供气子系统与海水淡化子系统之间通过LNG-中间介质换热器相连，LNG供气子系统与动力输出子系统及烟气余热回收子系统之间通过多股流换热器相连，动力输出子系统与烟气余热回收子系统之间通过燃气透平相连，海水淡化子系统与蒸汽发生子系统之间通过第三淡水泵相连，烟气余热回收子系统与蒸汽发生子系统之间通过蒸汽过热器及蒸汽发生器相连。
所述LNG供气子系统依次由LNG储罐、LNG泵、LNG流量调节阀、LNG-中间介质换热器的LNG侧、多股流换热器的LNG侧以及燃烧器的天然气入口串联构成，LNG-中间介质换热器的LNG侧进出口之间还设有旁通支路，旁通支路上安装有LNG旁通阀。
所述海水淡化子系统包括LNG-中间介质换热器、结晶器、冰晶泵、洗涤器及海水-冰晶换热器，其中LNG-中间介质换热器的中间介质出口与结晶器的中间介质入口相连，结晶器的冰晶出口经冰晶泵与洗涤器的冰晶入口相连，洗涤器的冰晶出口与海水-冰晶换热器的冰晶侧入口相连，海水-冰晶换热器的冰晶侧出口沿流动方向分成三路，第一路经第二淡水泵与洗涤器的淡水入口相连，第二路经第三淡水循环泵与蒸汽发生器的蒸汽侧入口相连，第三路与第一淡水泵的淡水入口相连，海水-冰晶换热器的海水侧入口与海水泵的海水出口相连，海水-冰晶换热器的海水侧出口与结晶器的海水入口相连。
所述动力输出子系统包括多股流换热器、空气压缩机、燃烧室及燃气透平，其中多股流换热器的空气侧出口经空气压缩机与燃烧室的空气入口相连，燃烧室的燃气出口与燃气透平的燃气入口相连，燃气透平与传动装置同轴相连。
所述烟气余热回收子系统包括燃气透平、多股流换热器、蒸汽过热器及蒸汽发生器，其中燃气透平的烟气出口沿流动方向分成两路，一路经第一烟气流量调节阀与多股流换热器的烟气入口相连，另一路经第二烟气流量调节阀及蒸汽过热器的烟气侧与蒸汽发生器的烟气侧入口相连，第二烟气流量调节阀的烟气入口与蒸汽发生器的烟气侧出口之间还设有旁通支路，旁通支路上安装有烟气旁通阀。
所述蒸汽发生子系统由第三淡水泵、蒸汽发生器的蒸汽侧、蒸汽过热器的蒸汽侧及燃烧室的蒸汽入口串联构成。
所述LNG流量调节阀、LNG旁通阀、第一烟气流量调节阀、第二烟气流量调节阀以及烟气旁通阀均采用电动调节阀。
所述中间介质采用丙烷。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明以LNG汽化过程中释放的冷能为冷源，通过低温法进行海水淡化制取淡水，解决了燃气轮机回注蒸汽的淡水水源问题，避免了冷能的浪费。
2.本发明以燃气轮机排放的高温烟气为热源，实现对天然气的二次升温及水蒸气的制取，避免了余热的浪费。
3.本发明通过燃气轮机回注蒸汽，提高了燃气轮机的变工况性能、降低了烟气中的氮氧化物含量、提高了燃气轮机出力、增强了燃气轮机使用寿命。
附图说明
图1为本发明一种LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统原理图。
其中，1为LNG储罐，2为LNG泵，3为LNG流量调节阀，4为LNG旁通阀，5为LNG-中间介质换热器，6为结晶器，7为冰晶泵，8为洗涤器，9为海水-冰晶换热器，10为浓海水泵，11为第一淡水泵，12为海水泵，13为多股流换热器，14为第二淡水泵，15为第三淡水泵，16为蒸汽过热器，17为蒸汽发生器，18为第一烟气流量调节阀，19为第二烟气流量调节阀，20为烟气旁通阀，21为空气压缩机，22为燃烧室，23为燃气透平，24为传动装置。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。
如图1所示，本发明一种LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，包括LNG供气子系统、海水淡化子系统、动力输出子系统、烟气余热回收子系统及蒸汽发生子系统，其中LNG供气子系统与海水淡化子系统之间通过LNG-中间介质换热器5相连，LNG供气子系统与动力输出子系统及烟气余热回收子系统之间通过多股流换热器13相连，动力输出子系统与烟气余热回收子系统之间通过燃气透平23相连，海水淡化子系统与蒸汽发生子系统之间通过第三淡水泵15相连，烟气余热回收子系统与蒸汽发生子系统之间通过蒸汽过热器16及蒸汽发生器17相连。
所述LNG供气子系统依次由LNG储罐1、LNG泵2、LNG流量调节阀3、LNG-中间介质换热器5的LNG侧、多股流换热器13的LNG侧以及燃烧器22的天然气入口串联构成，LNG-中间介质换热器5的LNG侧进出口之间还设有旁通支路，旁通支路上安装有LNG旁通阀4。
所述海水淡化子系统包括LNG-中间介质换热器5、结晶器6、冰晶泵7、洗涤器8及海水-冰晶换热器9，其中LNG-中间介质换热器5的中间介质出口与结晶器6的中间介质入口相连，结晶器6的冰晶出口经冰晶泵7与洗涤器8的冰晶入口相连，洗涤器8的冰晶出口与海水-冰晶换热器9的冰晶侧入口相连，海水-冰晶换热器9的冰晶侧出口沿流动方向分成三路，第一路经第二淡水泵14与洗涤器8的淡水入口相连，第二路经第三淡水循环泵15与蒸汽发生器17的蒸汽侧入口相连，第三路与第一淡水泵11的淡水入口相连，海水-冰晶换热器9的海水侧入口与海水泵12的海水出口相连，海水-冰晶换热器9的海水侧出口与结晶器6的海水入口相连。
所述动力输出子系统包括多股流换热器13、空气压缩机21、燃烧室22及燃气透平23，其中多股流换热器13的空气侧出口经空气压缩机21与燃烧室22的空气入口相连，燃烧室22的燃气出口与燃气透平23的燃气入口相连，燃气透平23与传动装置24同轴相连。
所述烟气余热回收子系统包括燃气透平23、多股流换热器13、蒸汽过热器16及蒸汽发生器17，其中燃气透平23的烟气出口沿流动方向分成两路，一路经第一烟气流量调节阀18与多股流换热器13的烟气入口相连，另一路经第二烟气流量调节阀19及蒸汽过热器16的烟气侧与蒸汽发生器17的烟气侧入口相连，第二烟气流量调节阀19的烟气入口与蒸汽发生器17的烟气侧出口之间还设有旁通支路，旁通支路上安装有烟气旁通阀20。
所述蒸汽发生子系统由第三淡水泵15、蒸汽发生器17的蒸汽侧、蒸汽过热器16的蒸汽侧及燃烧室22的蒸汽入口串联构成。
所述LNG流量调节阀3、LNG旁通阀4、第一烟气流量调节阀18、第二烟气流量调节阀19以及烟气旁通阀20均采用电动调节阀。
所述中间介质采用丙烷。
本发明的工作过程及原理如下：
来自LNG储罐1的液态天然气在LNG泵2的驱动下依次在LNG-中间介质换热器5、多股流换热器13中与中间介质、空气及烟气换热后温度升高，之后进入燃烧室之中与空气、水蒸气混合后燃烧，产生高温高压燃气推动燃气透平23带动传动装置24对外输出动力。
与LNG换热后的低温中间介质进入结晶器6中，海水在结晶器6中遇冷形成冰晶，冰晶在冰晶输送泵7的驱动下进入洗涤器8，经淡水冲洗，去除冰晶表面的浓海水，经洗涤后的冰晶进入海水-冰晶换热器9中与海水换热融化成液态的淡水，使用后的洗涤水经洗涤器8的浓海水出口在浓海水泵10的驱动下排出。一部分淡水在第三淡水泵15的驱动下依次流经蒸汽发生器17及蒸汽过热器16成为高压蒸汽，之后进入燃烧室22与空气及天然气混合后燃烧。
在上述过程中通过调节LNG流量调节阀3及LNG旁通阀4的开度可以控制流经LNG-中间介质换热器5的液化天然气流量，通过调节第一烟气流量调节阀18，第二烟气流量调节阀19及烟气旁通阀20的开度可以控制流经多股流换热器13、蒸汽过热器16及蒸汽发生器17的烟气流量。
本发明通过对LNG冷能及燃气轮机烟气余热的合理利用，实现海水淡化满足燃气轮机回注蒸汽的淡水需求，降低燃气轮机的氮氧化物排放，提高了能源利用率，保护了环境，具有巨大的经济效益及生态效益。
以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，凡采用等同替换或等效变换所形成的技术方案，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，其特征在于：包括LNG供气子系统、海水淡化子系统、动力输出子系统、烟气余热回收子系统及蒸汽发生子系统，其中LNG供气子系统与海水淡化子系统之间通过LNG-中间介质换热器相连，LNG供气子系统与动力输出子系统及烟气余热回收子系统之间通过多股流换热器相连，动力输出子系统与烟气余热回收子系统之间通过燃气透平相连，海水淡化子系统与蒸汽发生子系统之间通过第三淡水泵相连，烟气余热回收子系统与蒸汽发生子系统之间通过蒸汽过热器及蒸汽发生器相连；
所述海水淡化子系统包括LNG-中间介质换热器、结晶器、冰晶泵、洗涤器及海水-冰晶换热器，其中LNG-中间介质换热器的中间介质出口与结晶器的中间介质入口相连，结晶器的冰晶出口经冰晶泵与洗涤器的冰晶入口相连，洗涤器的冰晶出口与海水-冰晶换热器的冰晶侧入口相连，海水-冰晶换热器的冰晶侧出口沿流动方向分成三路，第一路经第二淡水泵与洗涤器的淡水入口相连，第二路经第三淡水循环泵与蒸汽发生器的蒸汽侧入口相连，第三路与第一淡水泵的淡水入口相连，海水-冰晶换热器的海水侧入口与海水泵的海水出口相连，海水-冰晶换热器的海水侧出口与结晶器的海水入口相连。
2.根据权利要求1所述的LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，其特征在于：所述LNG供气子系统依次由LNG储罐、LNG泵、LNG流量调节阀、LNG-中间介质换热器的LNG侧、多股流换热器的LNG侧以及燃烧器的天然气入口串联构成，LNG-中间介质换热器的LNG侧进出口之间还设有旁通支路，旁通支路上安装有LNG旁通阀。
3.根据权利要求1所述的LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，其特征在于：所述动力输出子系统包括多股流换热器、空气压缩机、燃烧室及燃气透平，其中多股流换热器的空气侧出口经空气压缩机与燃烧室的空气入口相连，燃烧室的燃气出口与燃气透平的燃气入口相连，燃气透平与传动装置同轴相连。
4.根据权利要求1所述的LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，其特征在于：所述烟气余热回收子系统包括燃气透平、多股流换热器、蒸汽过热器及蒸汽发生器，其中燃气透平的烟气出口沿流动方向分成两路，一路经第一烟气流量调节阀与多股流换热器的烟气入口相连，另一路经第二烟气流量调节阀及蒸汽过热器的烟气侧与蒸汽发生器的烟气侧入口相连，第二烟气流量调节阀的烟气入口与蒸汽发生器的烟气侧出口之间还设有旁通支路，旁通支路上安装有烟气旁通阀。
5.根据权利要求1所述的LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，其特征在于：所述蒸汽发生子系统由第三淡水泵、蒸汽发生器的蒸汽侧、蒸汽过热器的蒸汽侧及燃烧室的蒸汽入口串联构成。
6.根据权利要求1所述的LNG动力船燃气轮机低氮燃烧系统，其特征在于：所述中间介质采用丙烷。
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- 2019-04-04 CN CN201910272877.9A patent/CN109989828B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (6)
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