CN111720215B - 一种基于燃气轮机的热电联供系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于燃气轮机的热电联供系统，环境空气进入燃气轮机的压气机之前，在空气加热加湿单元中采用低温热水对空气加热加湿，提高了空气的温度和空气中的水蒸气含量，空气形成为含大量水蒸气的湿空气，湿空气进入燃气轮机压气机被加压后通入燃烧室并与其中的燃料共混燃烧，从而能够实现有效降低燃气轮机的NOx排放，通过提高空气中水蒸气含量，能降低燃烧室NOx排放40％以上；通过在余热锅炉的入口段内设置补燃装置，以及在余热锅炉下游设置烟气减温减湿单元，可有效回收燃气透平排烟中的水蒸气潜热，大幅提高燃气轮机热电联供效率，冬季供暖工况下，基于天然气低位热值的热电联供效率最高可以达到108％。

Description

一种基于燃气轮机的热电联供系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机热电联供领域，具体地说是一种基于燃气轮机的热电联供系统，能够深度回收燃气轮机余热锅炉排烟的低温热，进一步提高燃气轮机热电联供效率，并可高效低成本地降低燃气轮机的NOx排放水平。

背景技术

燃气轮机是利用清洁能源的新一代动力装置，可以高效清洁的将天然气、氢气、合成气、弛放气等气体燃料或燃油等液体燃料高效的转化为电力、蒸汽、热水等，是目前效率最高的大规模热功转换装置。

燃气轮机被广泛的应用于热电联供，为能源用户提供电力、蒸汽以及供暖等。在燃气轮机热电联供系统中，洁净的燃料气通过燃气轮机转化为电力，燃气轮机的排气是一股具有较高温度的烟气，一般通过余热锅炉产生蒸汽和/或热水，蒸汽可用于驱动汽轮机做功发电，也可以直接供给工业蒸汽的用户使用，余热锅炉也可产生热水用于生活热水或者供暖。

上述基于燃气轮机的热电联供系统，实现了能量的梯级利用，可以达到较高的燃料利用效率，一般都可以达到80％以上的热电联供效率。

一般为燃气轮机配套的余热锅炉排烟温度可以降低到80℃甚至更低，为了进一步提高能量利用效率，人们又不断地研究如何进一步利用余热锅炉排烟热量，尤其是如何将低温烟气的热量充分回收用于供暖。

此外，随着环保要求越来越严格，对燃气轮机的NOx排放要求也越来越高，如何高效低成本的降低燃气轮机的NOx排放，也是燃气轮机热电联供发展的重要需求。

发明内容

针对燃气轮机热电联供系统发展的上述需求，本发明的目的在于从系统集成的角度提供一种基于燃气轮机的热电联供系统，能够深度回收燃气轮机余热锅炉排烟的低温热，进一步提高系统的热电联供效率，并且降低燃气轮机的NOx排放水平。

为实现上述发明目的，本发明所提供的技术解决方案是：

一种基于燃气轮机的热电联供系统，至少包括一燃气轮机单元和一设置在所述燃气轮机单元下游的余热锅炉，所述燃气轮机单元至少包括一压气机、一燃烧室和一燃气透平，所述压气机的进气管线与环境空气连通、排气口与所述燃烧室的进气口连通，所述燃烧室的排气口与所述燃气透平的进气口连通，所述燃气透平的排气口与所述余热锅炉的进气口连通，所述压气机产生的高压空气通过其排气口通入所述燃烧室，所述高压空气与通入所述燃烧室中的燃料共混燃烧后产生的高温烟气通过所述燃烧室的排气口通入所述燃气透平，所述高温烟气在所述燃气透平中膨胀做功后转变为中温烟气通入所述余热锅炉中，其特征在于，

所述压气机的进气管线上至少设置一空气加热加湿单元，环境空气在所述空气加热加湿单元中被其中的低温热水加热加湿后通入所述压气机的进气口，

所述余热锅炉的入口段内至少设置一补燃装置，所述补燃装置至少包括一与外界连通的燃料供应管路，通入所述余热锅炉中的中温烟气在所述补燃装置中与通入其中的燃料共混燃烧形成补燃烟气，所述补燃烟气对通入所述余热锅炉中的热网回水加热后转变为低温烟气从所述余热锅炉中排出，所述热网回水在余热锅炉中被加热后作为供热网水送出，

所述余热锅炉的下游至少设置一烟气减温减湿单元，所述余热锅炉排出的低温烟气在所述烟气减温减湿单元中被冷水减温减湿后排入大气，所述烟气减温减湿单元中的冷水被所述低温烟气加热后至少部分地作为低温热水通入所述空气加热加湿单元中。

本发明的基于燃气轮机的热电联供系统，其工作原理为：在环境空气进入燃气轮机的压气机之前，在空气加热加湿单元中采用低温热水对空气加热加湿，提高了空气的温度和空气中的水蒸气含量，空气形成为含大量水蒸气的湿空气，对空气加热加湿的热量来自于低温热水。湿空气进入燃气轮机压气机以后，在压气机中被加压，成为加压的湿空气，该湿空气进入燃气轮机的燃烧室。在燃烧室中，燃料与湿空气反应燃烧生成高温烟气，推动燃气透平膨胀做功。燃气透平的排气进入余热锅炉，在余热锅炉的入口段设置补燃装置，对透平排气进行补燃，补燃以后形成的高温补燃烟气在余热锅炉中产生蒸汽或者热水，余热锅炉的排烟进入烟气减温减湿单元，在烟气减温减湿单元中，烟气与低温冷水直接接触，烟气被进一步降温，低温水被加热形成为低温热水，低温热水的至少部分热量用于燃气轮机压气机入口空气的加热加湿。

优选地，所述空气加热加湿单元至少包括一接触塔，所述接触塔的底部设进气口和排水口、顶部设排气口和进水口，环境空气从底部的进气口进入所述接触塔，低温热水从顶部的进水口进入所述接触塔，环境空气与低温热水在所述接触塔中直接接触，环境空气被加热加湿后从所述接触塔顶部的排气口排出后通入所述压气机的进气口，低温热水释放热量后从所述接触塔底部的排水口排出。

进一步地，所述空气加热加湿单元还包括一第一换热器，所述第一换热器冷侧的一端与所述接触塔底部的排水口连通、另一端与所述接触塔顶部的进水口连通，所述第一换热器的热侧通入来自所述烟气减温减湿单元的低温热水。

进一步地，所述空气加热加湿单元还包括一第一水泵，所述第一水泵设置在所述接触塔进水口与排水口之间的管路上。从所述接触塔底部排出的水经过所述第一水泵升压以后，送到第一换热器的冷侧被加热，提高温度后再回到接触塔顶部，构成循环。

进一步地，所述空气加热加湿单元还包括一设置在所述接触塔底部的补水管路，通过补水管路补充所述接触塔中蒸发到空气中的水，维持水的平衡。

优选地，所述烟气减温减湿单元至少包括一洗涤塔，所述洗涤塔的底部设烟气进口和排水口、顶部设排烟口、并在中部和/或顶部设进水口，从余热锅炉排气的烟气从底部的烟气进口进入所述洗涤塔，低温冷水从进水口进入所述洗涤塔，烟气在向上流动过程中与低温冷水接触被减温减湿，释放其中的水蒸气潜热后从所述洗涤塔的顶部排出，低温冷水吸收烟气中水蒸气的潜热转变为低温热水后从所述洗涤塔底部排出。

进一步地，所述烟气减温减湿单元还包括一第二换热器，所述洗涤塔底部排出的低温热水至少部分地通入所述第二换热器的热侧，从所述第二换热器热侧排出的低温冷水至少部分地通入所述洗涤塔的进水口，所述第二换热器的冷侧通入热网回水，热网回水被加热后通入所述余热锅炉中。

进一步地，所述烟气减温减湿单元还包括一第二换热器，所述洗涤塔底部排出的低温热水一部分通入所述第二换热器的热侧、另一部分作为对外供暖的热水，从所述第二换热器热侧排出的低温冷水一部分通入所述洗涤塔中部的进水口、另一部分通入所述第一换热器的热侧，从所述第一换热器热侧排出的低温冷水通入所述洗涤塔顶部的进水口。从所述洗涤塔底部排出的低温冷水作为循环水经过第二换热器与热网回水换热，热网回水升温后进入余热锅炉与烟气换热提高温度后作为供热网水送出。经过第二换热器进一步降温以后的低温冷水，分为两一部分，一部分返回洗涤塔，另一部分通入第一换热器进一步放热降温后返回洗涤塔顶部。

进一步地，所述第二换热器热侧的进水或排水管路上设有第二水泵。

进一步地，所述第二换热器冷侧的进水或排水管路上设有第三水泵。

优选地，所述燃气轮机单元中，所述燃气透平通过传动部件直接或间接传动连接所述压气机。

进一步地，所述燃气轮机单元还包括一发电机，所述燃气透平通过传动部件直接或间接传动连接所述发电机。

同现有技术相比，本发明的基于燃气轮机的热电联供系统，其优点在于：

(1)环境空气进入燃气轮机的压气机之前，在空气加热加湿单元中采用低温热水对空气加热加湿，提高了空气的温度和空气中的水蒸气含量，空气形成为含大量水蒸气的湿空气，湿空气进入燃气轮机压气机被加压后通入燃烧室并与其中的燃料共混燃烧，从而能够实现有效降低燃气轮机的NOx排放，通过提高空气中水蒸气含量，能降低燃烧室NOx排放40％以上；

(2)通过在余热锅炉的入口段内设置补燃装置，以及在余热锅炉下游设置烟气减温减湿单元，可有效回收燃气透平排烟中的水蒸气潜热，大幅提高燃气轮机热电联供效率，冬季供暖工况下，基于天然气低位热值的热电联供效率最高可以达到108％。

附图说明

图1是本发明的基于燃气轮机的热电联供系统示意图；

其中，接触塔1，第一换热器2，压气机3，燃烧室4，燃气透平5，发电机6，燃烧器7，余热锅炉8，洗涤塔9，第二换热器10，第三水泵11，第二水泵12，第一水泵13。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

如图1所示，本发明的基于燃气轮机的热电联供系统，至少包括一燃气轮机单元和一设置在燃气轮机单元下游的余热锅炉8，燃气轮机单元至少包括一压气机3、一燃烧室4和一燃气透平5，压气机3的进气管线与环境空气连通、排气口与燃烧室4的进气口连通，燃烧室4的排气口与燃气透平5的进气口连通，燃气透平5的排气口与余热锅炉8的进气口连通，压气机3产生的高压空气通过其排气口通入燃烧室4，高压空气与通入燃烧室4中的燃料共混燃烧后产生的高温烟气通过燃烧室4的排气口通入燃气透平5，高温烟气在燃气透平5中膨胀做功后转变为中温烟气通入余热锅炉8中。压气机3的进气管线上至少设置一空气加热加湿单元，环境空气在空气加热加湿单元中被其中的低温热水加热加湿后通入压气机3的进气口，余热锅炉8的入口段内至少设置一补燃装置，补燃装置至少包括一与外界连通的燃料供应管路，通入余热锅炉8中的中温烟气在补燃装置中与通入其中的燃料共混燃烧形成补燃烟气，补燃烟气对通入余热锅炉8中的热网回水加热后转变为低温烟气从余热锅炉8中排出，热网回水在余热锅炉8中加热后作为供热网水送出，余热锅炉8的下游至少设置一烟气减温减湿单元，余热锅炉8排出的低温烟气在烟气减温减湿单元中被低温冷水减温减湿后排入大气，烟气减温减湿单元中的低温冷水被低温烟气加热后至少部分地作为低温热水通入空气加热加湿单元中。

更加具体地，如图1所示，空气加热加湿单元至少包括一接触塔1，接触塔1的底部设进气口和排水口、顶部设排气口和进水口，环境空气从底部的进气口进入接触塔1，低温热水从顶部的进水口进入接触塔1，环境空气与低温热水在接触塔1中直接接触，环境空气被加热加湿后从接触塔1顶部的排气口排出后通入压气机的进气口，低温热水释放热量后从接触塔底部的排水口排出。空气加热加湿单元还包括第一换热器2，第一换热器2冷侧的一端与接触塔1底部的排水口连通、另一端与接触塔1顶部的进水口连通，第一换热器2的热侧通入来自烟气减温减湿单元的低温热水。空气加热加湿单元还包括一第一水泵13，第一水泵13设置在接触塔1进水口与排水口之间的管路上。从接触塔1底部排出的水经过第一水泵13升压以后，送到第一换热器2的冷侧被加热，提高温度后再回到接触塔1顶部，构成循环。作为一种优选，空气加热加湿单元还包括一设置在接触塔1底部的补水管路，通过补水管路补充接触塔1中蒸发到空气中的水，维持水的平衡。

此外，如图1所示，烟气减温减湿单元至少包括一洗涤塔9，洗涤塔9的底部设烟气进口和排水口、顶部设排烟口、并在中部和/或顶部设进水口，从余热锅炉8排气的烟气从底部的烟气进口进入洗涤塔9，低温冷水从进水口进入洗涤塔9，烟气在向上流动过程中与低温冷水接触被减温减湿，释放其中的水蒸气潜热后从洗涤塔9的顶部排出，低温冷水吸收烟气中水蒸气的潜热转变为低温热水后从洗涤塔9底部排出。烟气减温减湿单元还包括一第二换热器10，洗涤塔9底部排出的低温热水一部分通入第二换热器10的热侧、另一部分作为对外供暖的热水，从第二换热器10热侧排出的低温冷水一部分通入洗涤塔9中部的进水口、另一部分通入第一换热器2的热侧，从第一换热器2热侧排出的低温冷水通入洗涤塔9顶部的进水口。从洗涤塔9底部排出的低温冷水作为循环水经过第二换热器10与热网回水换热，热网回水升温后进入余热锅炉8与烟气换热提高温度后作为供热网水送出。经过第二换热器10进一步降温以后的低温冷水，分为两一部分，一部分返回洗涤塔9，另一部分通入第一换热器2进一步放热降温后返回洗涤塔9顶部。作为一种优选，第二换热器10热侧的进水或排水管路上设有第二水泵12，第二换热器10冷侧的进水或排水管路上设有第三水泵11。

如图1所示，本发明的基于燃气轮机的热电联供系统在工作时，环境空气从底部进入接触塔1，热水从接触塔1顶部流下。在接触塔1中，空气与热水直接接触，空气被加热加湿以后从接触塔1顶部排出。热水将热量传递给空气后，温度降低，从接触塔1底部排出。从接触塔1底部排出的水经过水泵13升压以后，送到第一换热器2被加热，提高温度后再回到接触塔1顶部，构成循环。通过补水补充接触塔1中蒸发到空气中的水，维持水的平衡。

从接触塔1出来的湿空气进入燃气轮机压气机3，在燃气轮机压气机3中，湿空气被压缩，其温度和压力提高。经压缩以后的湿空气进入燃气轮机燃烧室4，燃烧室出口的高温气体进入燃气透平5，气体膨胀推动透平旋转做功，透平输出的功一部分驱动压气机3，另一部分驱动发电机6发电。透平的排气进入余热锅炉8，在余热锅炉8的入口段，与通过补燃装置7送入的燃料进一步反应，透平排气的温度进一步升高。经过补燃以后的透平排气在余热锅炉8中与水换热，余热回收以后的烟气进入洗涤塔9。

在洗涤塔9中，烟气从底部进入，在向上流动过程中与水接触，烟气被减温减湿，释放出烟气中的水蒸气潜热后从洗涤塔9顶部排出。从洗涤塔9底部排出的循环水C，经过第二换热器10与热网回水换热，循环水C对热网回水加热，热网回水升温以后进一步进入余热锅炉8与烟气换热提高温度后作为供热网水送出。循环水C经过第二换热器10降温以后，分为两一部分，一部分为循环水D，返回洗涤塔9的中部，另一部分为循环水E，循环水E送至第一换热器2，在第一换热器2中，与循环水A换热，将循环水A加热，同时循环水E降温以后返回洗涤塔9顶部。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种基于燃气轮机的热电联供系统，至少包括一燃气轮机单元和一设置在所述燃气轮机单元下游的余热锅炉，所述燃气轮机单元至少包括一压气机、一燃烧室和一燃气透平，所述压气机的进气管线与环境空气连通、排气口与所述燃烧室的进气口连通，所述燃烧室的排气口与所述燃气透平的进气口连通，所述燃气透平的排气口与所述余热锅炉的进气口连通，所述压气机产生的高压空气通过其排气口通入所述燃烧室，所述高压空气与通入所述燃烧室中的燃料共混燃烧后产生的高温烟气通过所述燃烧室的排气口通入所述燃气透平，所述高温烟气在所述燃气透平中膨胀做功后转变为中温烟气通入所述余热锅炉中，其特征在于，

所述压气机的进气管线上至少设置一空气加热加湿单元，环境空气在所述空气加热加湿单元中被其中的低温热水加热加湿后通入所述压气机的进气口，

所述余热锅炉的入口段内至少设置一补燃装置，所述补燃装置至少包括一与外界连通的燃料供应管路，通入所述余热锅炉中的中温烟气在所述补燃装置中与通入其中的燃料共混燃烧形成补燃烟气，所述补燃烟气对通入所述余热锅炉中的热网回水加热后转变为低温烟气从所述余热锅炉中排出，所述热网回水在余热锅炉中被加热后作为供热网水送出，

所述余热锅炉的下游至少设置一烟气减温减湿单元，所述余热锅炉排出的低温烟气在所述烟气减温减湿单元中被冷水减温减湿后排入大气，所述烟气减温减湿单元中的冷水被所述低温烟气加热后至少部分地作为低温热水通入所述空气加热加湿单元中；

所述烟气减温减湿单元至少包括一洗涤塔和一第二换热器，所述洗涤塔的底部设烟气进口和排水口、顶部设排烟口、并在中部和顶部分别设两个进水口；

所述空气加热加湿单元至少包括一接触塔和一第一换热器，所述接触塔的底部设进气口和排水口、顶部设排气口和进水口；

环境空气从底部的进气口进入所述接触塔，低温热水从顶部的进水口进入所述接触塔，环境空气与低温热水在所述接触塔中直接接触，环境空气被加热加湿后从所述接触塔顶部的排气口排出后通入所述压气机的进气口，低温热水释放热量后从所述接触塔底部的排水口排出；所述第一换热器冷侧的一端与所述接触塔底部的排水口连通、另一端与所述接触塔顶部的进水口连通，所述第一换热器的热侧通入来自所述烟气减温减湿单元的低温热水；

从所述余热锅炉排出的烟气从底部的烟气进口进入所述洗涤塔，所述洗涤塔底部排出的低温热水一部分通入所述第二换热器的热侧、另一部分作为对外供暖的热水，从所述第二换热器热侧排出的低温冷水一部分通入所述洗涤塔中部的进水口、另一部分通入所述第一换热器的热侧，从所述第一换热器热侧排出的低温冷水通入所述洗涤塔顶部的进水口。

2.根据权利要求1所述的基于燃气轮机的热电联供系统，其特征在于，所述空气加热加湿单元还包括一第一水泵，所述第一水泵设置在所述接触塔进水口与排水口之间的管路上。

3.根据权利要求2所述的基于燃气轮机的热电联供系统，其特征在于，所述空气加热加湿单元还包括一设置在所述接触塔底部的补水管路，通过补水管路补充所述接触塔中蒸发到空气中的水，维持水的平衡。

4.根据权利要求1所述的基于燃气轮机的热电联供系统，其特征在于，所述燃气轮机单元中，所述燃气透平通过传动部件直接或间接传动连接所述压气机；所述燃气轮机单元还包括一发电机，所述燃气透平通过传动部件直接或间接传动连接所述发电机。

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