CN112343714B - 一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统及方法，该系统包括天然气发电/制冷系统、厂内舒适性用冷系统、循环冷却水热交换系统和燃气轮机；所述天然气发电/制冷系统和燃气轮机连接并联设置且均与天然气管道连接；所述天然气发电/制冷系统的出气口与燃气轮机进气口连接；天然气发电/制冷系统发出的电能用于提供电能，制得的冷水与厂内舒适性用冷系统和循环冷却水热交换系统分别连接。该系统可以实现汽轮机背压的降低和汽轮机出力的提升，最终实现能源的综合利用。

Description

一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统及方法
技术领域
本发明属于联合循环电厂天然气余压利用领域，涉及一种联合循环电厂天然气压力能的厂内综合利用系统及方法，具体是一种充分利用联合循环机组天然气余压发电、制冷，并在厂内综合利用的能源系统。
背景技术
管网天然气一般以高压形式输送，到达联合循环发电机组时往往需要降压处理，降压过程产生的压力能可考虑回收利用。目前，常用的天然气管网压力能回收利用方式包括发电和制冷两个方面。天然气管网压力能发电的基本原理即利用高压天然气膨胀降压时产生的机械能来驱动发电机发电，制冷则是考虑高压天然气经膨胀降压后温度降低，低温天然气蕴含的冷能，可以利用在制冰、冷库、轻烃分离、橡胶粉碎等多个领域。
现有的天然气管网利用率较低，不能将能源进行综合利用。
发明内容
为解决现有技术中天然气管网利用率较低的问题，本发明的目的在于提供一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统及方法，该系统可以实现汽轮机背压的降低和汽轮机出力的提升，最终实现能源的综合利用。。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统，包括天然气发电/制冷系统、厂内舒适性用冷系统、循环冷却水热交换系统和燃气轮机；
所述天然气发电/制冷系统和燃气轮机连接并联设置且均与天然气管道连接；
所述天然气发电/制冷系统的出气口与燃气轮机进气口连接；天然气发电/制冷系统发出的电能用于提供电能，制得的冷水与厂内舒适性用冷系统和循环冷却水热交换系统分别连接。
作为本发明的进一步改进，所述天然气发电/制冷系统包括膨胀机、发电机、第一换热器和第二换热器；
所述膨胀机进气口与天然气管道连接，膨胀机驱动发电机发电；膨胀机的出气口分为两路，一路与第一换热器连接，另一路与第二换热器；
所述第一换热器的出水口与循环冷却水热交换系统进水口连接，循环冷却水热交换系统的出水口与第一换热器的进水口连接进行换热；
所述厂内舒适性用冷系统出水口与第二换热器进水口连接，第二换热器的出水口与厂内舒适性用冷系统的进水口连接进行换热；
第一换热器与第二换热器的出气口均与燃气轮机进气口连接。
作为本发明的进一步改进，所述第一换热器与第二换热器的出气口混合后的管道上设置有调压模块。
作为本发明的进一步改进，所述第一换热器与第二换热器的进气管上分别设置有第一进气阀门和第二进气阀门；所述膨胀机进气管上设置有第三进气阀门。
作为本发明的进一步改进，所述厂内舒适性用冷系统包括末端盘管风机中、第一水泵、第二水泵和电制冷机组；
所述天然气发电/制冷系统的出水口与第一水泵连接后与多个末端盘管风机中分别连接，所述末端盘管风机中的出水口与天然气发电/制冷系统的进水口和电制冷机组的进水口分别连接；所述电制冷机组的出水口通过第二水泵与第一水泵的出水口连接。
作为本发明的进一步改进，所述厂内舒适性用冷系统的各个进水管道和出水管道上均设置有供冷阀门。
作为本发明的进一步改进，所述循环冷却水热交换系统包括凝汽器和冷却塔；
所述天然气发电/制冷系统的出水口经过第二循环水泵后分别与凝汽器进水口连接，凝汽器的出水口经过第一循环水泵与天然气发电/制冷系统的进水口连接；
所述第一循环水泵的水口还与冷却塔的喷淋头连接，冷却塔的出水口与凝汽器进水口连接进行水温混合。
作为本发明的进一步改进，所述第一循环水泵和第二循环水泵的出水口上分别设置有第一阀门和第二阀门。
作为本发明的进一步改进，所述燃气轮机的进气管上还包括天然气调压模块，所述天然气调压模块与天然气发电/制冷系统并联连接。
一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统的控制方法，包括以下步骤：
天然气发电/制冷系统工作时，天然气进入天然气发电/制冷系统，经过压力能回收后作为燃料进入燃气轮机中；天然气发电/制冷系统发出的电用于提供电能，制得的冷水则供应给厂内舒适性用冷系统和循环冷却水热交换系统进行热交换提供热能。
本发明和现有技术相比具有以下优点。
本发明系统从能源的综合利用的角度考虑，联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用，适用于使用管网天然气作为燃料的联合循环电厂。天然气管网压力能发出的电，可用于供应联合循环电厂内的生活用电，多余的电则可供厂用电系统内各大辅机设备使用。天然气管网压力能释放出的冷能可优先用于厂内舒适性用冷，多余的冷能则释放到循环冷却水系统中，一方面充分利用循环冷却水系统的废热对天然气进行加热，另一方面也可显著降低循环冷却水系统的冷却水温，减小汽轮机背压，提升汽轮机出力，达到提升机组运行经济性的目的。通过使用该综合利用系统，将天然气压力能利用过程中发出的电用于供应联合循环电厂内的生活用电，将天然气压力能利用过程中释放出来的冷能用于厂内舒适性用冷，多余的冷能则释放到循环冷却水系统中，实现汽轮机背压的降低和汽轮机出力的提升，最终实现能源的综合利用。
附图说明
图1为本发明的整体系统示意图；
图2为天然气发电/制冷系统示意图；
图3为厂内舒适性用冷系统示意图；
图4为循环冷却水热交换系统示意图；
其中：1为天然气调压模块；2为天然气发电/制冷系统；2A为膨胀机；2B为发电机；2C、2D为阀门；2E为天然气与循环水的热交换器；2F为天然气与冷水的热交换器；2G为调压模块；3为厂内舒适性用冷系统；3A、3B为阀门；3C为水泵；3D为盘管风机；3E、3F、3G为阀门；3H为水泵；3I为电制冷机组；4为循环冷却水热交换系统；4A为水泵；4B为凝汽器；4C为循环水泵；4D为冷却塔；4E、4F为阀门；5为燃气轮机。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统，包括：天然气发电/制冷系统2、厂内舒适性用冷系统3、循环冷却水热交换系统4和燃气轮机5；
所述天然气发电/制冷系统2和燃气轮机5连接并联设置且均与天然气管道连接；
所述天然气发电/制冷系统2的出气口与燃气轮机5进气口连接；天然气发电/制冷系统2发出的电能用于提供电能，制得的冷水与厂内舒适性用冷系统3和循环冷却水热交换系统4分别连接。燃气轮机5的进气管上还包括天然气调压模块1，所述天然气调压模块1与天然气发电/制冷系统2并联连接。
天然气调压模块1与天然气发电/制冷系统2采用并联方式驳接。当天然气发电/制冷系统2工作时，高压天然气进入天然气发电/制冷系统2，经过压力能回收后作为燃料进入燃气轮机5中。天然气发电/制冷系统2发出的电以及制得的冷水则供应给厂内舒适性用冷系统3和循环冷却水热交换系统4。当天然气发电/制冷系统2检修时，则启动原有天然气调压模块1保障供气稳定；
天然气发电/制冷系统2具体结构如图2所示。天然气发电/制冷系统2包括膨胀机2A、发电机2B、第一换热器2E和第二换热器2F；
所述膨胀机2A进气口与天然气管道连接，膨胀机2A驱动发电机2B发电；膨胀机2A的出气口分为两路，一路与第一换热器2E连接，另一路与第二换热器2F；
所述第一换热器2E的出水口与循环冷却水热交换系统4进水口连接，循环冷却水热交换系统4的出水口与第一换热器2E的进水口连接进行换热；
所述厂内舒适性用冷系统3出水口与第二换热器2F进水口连接，第二换热器2F的出水口与厂内舒适性用冷系统3的进水口连接进行换热；
第一换热器2E与第二换热器2F的出气口均与燃气轮机5进气口连接。
优选的，第一换热器2E与第二换热器2F的出气口混合后的管道上设置有调压模块2G。第一换热器2E与第二换热器2F的进气管上分别设置有第一进气阀门2C和第二进气阀门2D；所述膨胀机2A进气管上设置有第三进气阀门2H。
在正常运行情况下，天然气进入膨胀机2A中做功，机械功带动发电机2B发电；发出的电将用于供应联合循环电厂内的生活用电，多余的电接入厂用电系统，可供联合循环电厂厂用电系统内各大辅机设备使用，如第一循环水泵4C等；天然气通过膨胀机2A后温度大幅度下降；一部分降温后的天然气进入第二换热器2F中，厂内舒适性用冷系统3的14℃冷水则进入第二换热器2F中与天然气换热，降温后的7℃冷水则回到厂内舒适性用冷系统3；其余的降温后的天然气则进入第一换热器2E中，循环冷却水热交换系统4的循环冷却水进入第一换热器2E中与天然气换热，冷却后的循环冷却水则回到循环冷却水热交换系统4；换热升温后的天然气进入调压模块2G中调整至合适的天然气压力，再离开天然气发电/制冷系统2，进入燃气轮机5中；当天然气发电/制冷系统2检修时，则关闭第三进气阀门2H，启动原有调压系统保障供气稳定；当厂内舒适性用冷系统3的用冷需求较小或无需用冷时，则关闭第二进气阀门2D，并将第一进气阀门2C的开度加大，使部分或全部低温天然气进入第一换热器2E，将所有冷能传递至循环冷却水系统中，而天然气加热升温后，进入调压模块2G。
天然气通过膨胀机2A做功，带动发电机2B发电。发出的电用于供应联合循环电厂内的生活用电，多余的电接入厂用电系统，可供联合循环电厂厂用电系统内各大辅机设备使用。天然气膨胀后温度大幅度下降，压力降低后的部分低温天然气进入换热器，制得7℃的一次冷水，通过水泵，输送至厂内舒适性用冷系统3，其余天然气则进入并联布置的另一换热器，通过与循环冷却水热交换系统4中来水换热升温后进入调压模块；当厂内舒适性用冷系统3的需求减小或甚至消失时，则所有天然气进入换热器与循环冷却水热交换系统4中来水换热升温后进入调压模块，将所有冷能传递至循环冷却水系统中。天然气发电/制冷系统与机组天然气调压模块1采用并联方式驳接，当天然气发电/制冷系统检修时，则启动原有调压系统保障供气稳定。
厂内舒适性用冷系统3具体结构如图3所示，厂内舒适性用冷系统3包括末端盘管风机中3D、第一水泵3C、第二水泵3H和电制冷机组3I；
所述天然气发电/制冷系统2的出水口与第一水泵3C连接后与多个末端盘管风机中3D分别连接，所述末端盘管风机中3D的出水口与天然气发电/制冷系统2的进水口和电制冷机组3I的进水口分别连接；所述电制冷机组3I的出水口通过第二水泵3H与第一水泵3C的出水口连接。
优选的，厂内舒适性用冷系统3的各个进水管道和出水管道上均设置有供冷阀门。
从天然气发电/制冷系统2来的7℃冷水经过第一水泵3C后由供冷管道送至各舒适性用冷场所(如集控室、厂内职工办公、宿舍场所等)的末端盘管风机中3D中；在盘管风机3D中与空气充分换热升温至14℃，再经供冷管道回到天然气发电/制冷系统2中；当任意一个用冷场所无需供冷时，则关闭相应的供冷阀门3E；当联合循环机组停运时，则关闭供冷阀门3A、3B，开启供冷阀门3F、3G，并启用备用的电制冷机组3I制得7℃冷水经过第二水泵3H后由供冷管道送至各舒适性用冷场所，对各舒适性用冷场所供冷。
从天然气发电/制冷系统制得7℃的一次冷水经过供冷管道进入各舒适性用冷场所(如集控室、厂内职工办公、宿舍场所等)的末端盘管风机中。在盘管风机中与空气充分换热升温至14℃，再经供冷管道回到天然气发电/制冷系统，形成循环。当机组停运时，则启用备用的电制冷系统，对各舒适性用冷场所供冷。该系统包括供冷管道、水泵、盘管风机和电制冷机组等。
循环冷却水热交换系统4具体结构如图4所示，循环冷却水热交换系统4包括凝汽器4B和冷却塔4D；
所述天然气发电/制冷系统2的出水口经过第二循环水泵4A后分别与凝汽器4B进水口连接，凝汽器4B的出水口经过第一循环水泵4C与天然气发电/制冷系统2的进水口连接；
所述第一循环水泵4C的水口还与冷却塔4D的喷淋头连接，冷却塔4D的出水口与凝汽器4B进水口连接进行水温混合。
优选的，所述第一循环水泵4C和第二循环水泵4A的出水口上分别设置有第一阀门4E和第二阀门4F。
从天然气发电/制冷系统2来的冷却后循环冷却水经过第二循环水泵4A进入凝汽器4B的进口，并与循环冷却水系统中原有的循环冷却水充分混合后，达到降低循环冷却水温的目的；降温后的循环冷却水进入凝汽器4B中与汽轮机排汽充分换热，达到降低汽轮机背压，提升汽轮机出力的目的；升温后的循环冷却水通过第一循环水泵4C后分作两部分，一部分进入冷却塔4D中与空气换热进行降温，另一部分则引入天然气发电/制冷系统2中进行降温；当天然气发电/制冷系统2停运时，则关闭循环冷却水热交换系统4内的第一阀门4E和4F。
其中，循环冷却水从凝汽器出口的循环水管路引出，经水泵进入循环冷却水热交换系统4内的管路，再进入天然气发电/制冷系统内换热器中与天然气换热降温。降温后的循环冷却水通过循环冷却水热交换系统4内的管路引入凝汽器进口的循环水管路，并与冷却塔来水充分混合，达到减小凝汽器进口水温，降低凝汽器压力的目的。
本发明还提供一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统的控制方法，包括以下步骤：
天然气发电/制冷系统2工作时，天然气进入天然气发电/制冷系统2，经过压力能回收后作为燃料进入燃气轮机5中；天然气发电/制冷系统2发出的电用于提供电能，制得的冷水则供应给厂内舒适性用冷系统3和循环冷却水热交换系统4进行热交换提供热能。
上述实施例只为说明本发明的技术构思和特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种联合循环电厂天然气压力能厂内综合利用系统的控制方法，其特征在于，包括天然气发电/制冷系统（2）、厂内舒适性用冷系统（3）、循环冷却水热交换系统（4）和燃气轮机（5）；
所述天然气发电/制冷系统（2）和燃气轮机（5）连接并联设置且均与天然气管道连接；
所述天然气发电/制冷系统（2）的出气口与燃气轮机（5）进气口连接；天然气发电/制冷系统（2）发出的电能用于提供电能，制得的冷水与厂内舒适性用冷系统（3）和循环冷却水热交换系统（4）分别连接；
所述天然气发电/制冷系统（2）包括膨胀机（2A）、发电机（2B）、第一换热器（2E）和第二换热器（2F）；
所述膨胀机（2A）进气口与天然气管道连接，膨胀机（2A）驱动发电机（2B）发电；膨胀机（2A）的出气口分为两路，一路与第一换热器（2E）连接，另一路与第二换热器（2F）；
所述第一换热器（2E）的出水口与循环冷却水热交换系统（4）进水口连接，循环冷却水热交换系统（4）的出水口与第一换热器（2E）的进水口连接进行换热；
所述厂内舒适性用冷系统（3）出水口与第二换热器（2F）进水口连接，第二换热器（2F）的出水口与厂内舒适性用冷系统（3）的进水口连接进行换热；
第一换热器（2E）与第二换热器（2F）的出气口均与燃气轮机（5）进气口连接；
所述厂内舒适性用冷系统（3）包括末端盘管风机中（3D）、第一水泵（3C）、第二水泵（3H）和电制冷机组（3I）；
所述天然气发电/制冷系统（2）的出水口与第一水泵（3C）连接后与多个末端盘管风机中（3D）分别连接，所述末端盘管风机中（3D）的出水口与天然气发电/制冷系统（2）的进水口和电制冷机组（3I）的进水口分别连接；所述电制冷机组（3I）的出水口通过第二水泵（3H）与第一水泵（3C）的出水口连接；所述循环冷却水热交换系统（4）包括凝汽器（4B）和冷却塔（4D）；
所述天然气发电/制冷系统（2）的出水口经过第二循环水泵（4A）后分别与凝汽器（4B）进水口连接，凝汽器（4B）的出水口经过第一循环水泵（4C）与天然气发电/制冷系统（2）的进水口连接；
所述第一循环水泵（4C）的水口还与冷却塔（4D）的喷淋头连接，冷却塔（4D）的出水口与凝汽器（4B）进水口连接进行水温混合；
所述控制方法，包括以下步骤：
天然气发电/制冷系统（2）工作时，天然气进入天然气发电/制冷系统（2），经过压力能回收后作为燃料进入燃气轮机（5）中；天然气发电/制冷系统（2）发出的电用于提供电能，制得的冷水则供应给厂内舒适性用冷系统（3）和循环冷却水热交换系统（4）进行热交换提供热能；
从天然气发电/制冷系统（2）来的7℃冷水经过第一水泵3C）后由供冷管道送至各舒适性用冷场所的末端盘管风机中（3D）中；在盘管风机（3D）中与空气充分换热升温至14℃，再经供冷管道回到天然气发电/制冷系统（2）中；当任意一个用冷场所无需供冷时，则关闭第一供冷阀门（3E）；当联合循环机组停运时，则关闭第二供冷阀门（3A）、第三供冷阀门（3B），开启第四供冷阀门（3F）、第五供冷阀门（3G），并启用备用的电制冷机组（3I）制得7℃冷水经过第二水泵（3H）后由供冷管道送至各舒适性用冷场所，对各舒适性用冷场所供冷；
从天然气发电/制冷系统制得7℃的一次冷水经过供冷管道进入各舒适性用冷场所的末端盘管风机中；在盘管风机中与空气充分换热升温至14℃，再经供冷管道回到天然气发电/制冷系统，形成循环；当机组停运时，则启用备用的电制冷系统，对各舒适性用冷场所供冷。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一换热器（2E）与第二换热器（2F）的出气口混合后的管道上设置有调压模块（2G）。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一换热器（2E）与第二换热器（2F）的进气管上分别设置有第一进气阀门（2C）和第二进气阀门（2D）；所述膨胀机（2A）进气管上设置有第三进气阀门（2H）。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述第一循环水泵（4C）和第二循环水泵（4A）的出水口上分别设置有第一阀门（4E）和第二阀门（4F）。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机（5）的进气管上还包括天然气调压模块（1），所述天然气调压模块（1）与天然气发电/制冷系统（2）并联连接。
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