CN110454284A - 用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统 - Google Patents

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张会生
陈金伟
周登极
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Abstract

一种用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统，包括：依次相连构成环路的氮气液化装置、氮源、空气冷却系统和膨胀装置，其中：氮在氮气液化装置和空气冷却系统中分别实现液氮与氮气的转换，液氮通过升压泵加压后进入空气冷却系统的液氮‑乙二醇换热器中气化吸热，气化为氮气后进入膨胀装置进行膨胀做功以输出机械功，空气冷却系统的乙二醇‑空气换热器通过液氮和换热器工质生成冷却空气并输出至燃气轮机，氮气液化装置利用电能或部分燃气轮机输出功将来自膨胀装置的氮气液化为液氮实现系统循环。本发明结构简单，易于实现，成本较低，可以降低能耗，并提高燃气轮机的经济效益。

Description

用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统
技术领域
本发明涉及的是一种燃气轮机领域的技术，具体是一种用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统。
背景技术
燃气轮机作为调峰电站和驱动用动力装置，具有热效率高、环境友好、启停快、运行灵活等优点，得到广泛应用，其优势十分明显的同时技术缺陷包括：燃气轮机的进气温度对其本身的出力和效率有着显著影响。在高温地区或季节，随着环境温度的升高，空气密度降低，导致流过压气机和透平的质量流量减少，将给燃气轮机的运行性能带来诸多不利影响，致使燃气轮机输出功率呈下降趋势，对用户方的正常生产运行构成较大不利影响。因此，在高温地区或季节，可通过加装进气冷却降低压气机的进气温度，提高燃气轮机装置的出力能力，保持燃气轮机出力的稳定性。通常进气冷却技术采用直接接触式制冷技术，它利用水在空气中蒸发吸热来达到降低空气温度的目的，但该技术冷度较低，冷却后的进气温度理论上只能接近环境的湿球温度，且受环境湿度和水温影响较大。而我国燃气轮机电站装机容量的30％集中在常年温度较高的长三角和珠三角地区，湿度偏大，导致直接接触式制冷技术的冷却效果不明显。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统，结构简单，易于实现，成本较低，可以降低能耗，并提高燃气轮机的经济效益。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：依次相连构成环路的氮气液化装置、氮源、空气冷却系统和膨胀装置，其中：氮在氮气液化装置和空气冷却系统中分别实现液氮与氮气的转换，液氮通过升压泵加压后进入空气冷却系统的液氮-乙二醇换热器中气化吸热，气化为氮气后进入膨胀装置进行膨胀做功以输出机械功，空气冷却系统的乙二醇-空气换热器通过液氮和换热器工质生成冷却空气并输出至燃气轮机，氮气液化装置利用电能或部分燃气轮机输出功将来自膨胀装置的氮气液化为液氮实现系统循环。
所述的空气冷却系统包括所述液氮-乙二醇换热器和与之相连的所述乙二醇-空气换热器，两个换热器之间通过换热器工质实现热交换，液氮-乙二醇换热器接收来自升压泵的液氮并输出氮气至燃气轮机，乙二醇-空气换热器接收外界空气并输出冷却后空气至燃气轮机。
所述的换热器工质为乙二醇溶液。
所述的氮源和空气冷却系统之间依次设有用于调节液氮的调节阀和所述升压泵。
所述的燃气轮机上设有用于控制调节阀的温度控制器，通过控制调节阀开度调节液氮的冷却流量，实现对燃气轮机进气温度的调节。
所述的系统中进一步设有低温报警装置，以防止水蒸汽冻结在空气冷却系统的换热器的表面。在此预留5℃的裕度，当冷却后的进气低于5℃时，低温报警装置发出报警信号，并关闭流量调节阀，直至报警消除。
技术效果
本发明采用液氮冷却方式可有效的解决燃气轮机进气冷却问题，相对于传统的直接接触式冷却方式，冷却效果更好，而且氮气作为一种惰性气体，在冷却过程中具有较高的安全性和可靠性，对环境也更加友好。同时结构简单，适用性广，容易实施。
与现有技术相比，本发明在大幅度提高了燃气轮机经济效益的同时，增加了氮气的膨胀做功装置，氮气通过膨胀做功还可以额外提供部分可以灵活分配的输出功，一举多得。
本发明可实现液氮流量的控制，在一定程度上实现冷却空气温度的调节，并设计低温报警装置，避免在冷却器中出现结冰现象。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中：氮气液化装置 1、空气冷却系统 2、液氮存罐 3、液氮流量调节阀 4、升压泵5、膨胀装置 6、液氮-乙二醇换热器 7、乙二醇-空气换热器 8。
具体实施方式
如图1所示，为本实施例涉及的一种用于燃气轮机的液氮进气冷却系统，包括：依次相连构成环路的氮气液化装置1、液氮存罐3、液氮流量调节阀4、升压泵5、空气冷却系统2和膨胀装置6，其中：氮在氮气液化装置1和空气冷却系统2中分别实现液氮与氮气的转换，液氮通过升压泵5后进入液氮-乙二醇换热器7中气化为氮气后进入膨胀装置6进行膨胀做功以输出机械功，空气冷却系统2接收液氮以冷却进入燃气轮机的热空气，氮气液化装置1利用电能或部分燃气轮机输出功将来自膨胀装置6的氮气液化为液氮实现系统循环。
所述的空气冷却系统2包括：液氮-乙二醇换热器7和乙二醇-空气换热器8，其中：液氮-乙二醇换热器7的输入端与升压泵5相连并接收液氮，乙二醇-空气换热器8的输入端接收进入燃气轮机的空气，液氮-乙二醇换热器7和乙二醇-空气换热器8之间通过密闭的管路实现乙二醇溶液的循环热交换，液氮通过升压泵5增压后进入液氮-乙二醇换热器7吸热气化后，所释放的冷能通过乙二醇溶液作为载体进而用于对空气进行冷却。
液氮作为冷却工质从储罐中流出，以液态方式进入到液氮-乙二醇换热器7中，在冷却过程中，能通过调节流量调节阀门开度实现液氮流量的精准控制，从而保证达到最佳的冷却效果。并设置低温报警装置，预防冷却过程的水蒸气出现结冰而导致冷却器损坏。
本发明引入液氮对燃气轮机进气温度进行冷却，根据计算当燃气轮机的进气温度降低10℃时，机组出力增加可增加约6.6％，效率增加约1.5％，大幅度提高了燃气轮机机组的经济效益，同时使得燃烧室燃烧特性得到改善，有利于降低燃气轮机的NOX排放。
本发明一方面提高了燃气轮机的运行性能，另一方面也提高了燃气轮机NOX的排放性能。特别适合应用在长期炎热高温且湿度较大的气候地区，如长三角地区。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (6)

1.一种用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统，其特征在于，包括：依次相连构成环路的氮气液化装置、氮源、空气冷却系统和膨胀装置，其中：氮在氮气液化装置和空气冷却系统中分别实现液氮与氮气的转换，液氮通过升压泵加压后进入空气冷却系统的液氮-乙二醇换热器中气化吸热，气化为氮气后进入膨胀装置进行膨胀做功以输出机械功，空气冷却系统的乙二醇-空气换热器通过液氮和换热器工质生成冷却空气并输出至燃气轮机，氮气液化装置利用电能或部分燃气轮机输出功将来自膨胀装置的氮气液化为液氮实现系统循环。
2.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统，其特征是，所述的空气冷却系统包括所述液氮-乙二醇换热器和与之相连的所述乙二醇-空气换热器，两个换热器之间通过换热器工质实现热交换，液氮-乙二醇换热器接收来自升压泵的液氮并输出氮气至燃气轮机，乙二醇-空气换热器接收外界空气并输出冷却后空气至燃气轮机。
3.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统，其特征是，所述的换热器工质为乙二醇溶液。
4.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统，其特征是，所述的氮源和空气冷却系统之间依次设有用于调节液氮的调节阀和所述升压泵。
5.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统，其特征是，所述的燃气轮机上设有用于控制调节阀的温度控制器，通过控制调节阀开度调节液氮的冷却流量，实现对燃气轮机进气温度的调节。
6.根据权利要求1所述的用于燃气轮机的液氮循环进气冷却系统，其特征是，所述的系统中进一步设有低温报警装置，以防止水蒸汽冻结在空气冷却系统的换热器的表面，在此预留5℃的裕度，当冷却后的进气低于5℃时，低温报警装置发出报警信号，并关闭流量调节阀，直至报警消除。
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