CN112360633A - 一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，主要包括压气机进气通道、燃气轮机、余热锅炉及汽轮机、燃气轮机热通道冷却空气热交换器以及空气通道。本发明通过将原本直接排向大气的燃气轮机热通道冷却空气热交换器高温排气能量加热燃气轮机压气机进气，提高压气机进气温度，使得联合循环机组在部分负荷工况下的负荷率得到提升，进而提高联合循环机组的发电效率，将达到提高联合循环机组在部分负荷工况下运行经济性的有益效果。

Description

一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统
技术领域
本发明属于能源利用技术领域，具体涉及一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统。
背景技术
我国联合循环机组普遍承担电网调峰功能，长期运行于部分负荷工况，在当前全国经济下行压力下，设备利用小时数少、运行负荷率低已成为联合循环机组的运行新常态。
相比基本负荷工况，部分负荷运行工况下联合循环机组运行经济性将严重降低，一般而言，对于主流的F级联合循环机组，运行负荷率每降低10％，机组毛发电热耗率平均上升约200～300kJ/kWh，导致发电燃料成本大幅上升，加剧了发电企业经营压力。因此，对联合循环机组实施提效优化改进，特别是采取措施提高机组部分负荷工况的运行经济性已显得十分必要。
压气机进气温度变化对联合循环机组性能有很大影响，随压气机进口空气温度升高，空气比容增大，压气机吸入的空气质量流量减少，联合循环机组的额定发电功率(负荷率为100％时的功率)随之降低。因此，在给定联合循环机组目标电功率的部分负荷工况下，可通过提高压气机入口空气温度实现联合循环机组总出力不变，但联合循环机组负荷率上升的特殊运行方式，从而提高联合循环机组实际运行效率和经济性。
F级燃气轮机的透平初温已达1400℃左右，为保证热通道部件在高温下安全可靠运行，燃气轮机燃烧室衬套、喷嘴和动叶片等关键热通道部件中均设计有冷却空气通道，以降低热通道部件的运行温度。热通道冷却空气的气源一般来自燃气轮机压气机中间级或末级抽气，为降低冷却空气用量而减少压气机耗功，同时利用冷却空气的高品位热量，部分型号的燃气轮机(例如三菱M701F3)配置了热通道冷却空气热交换器，如图1所示。在燃气轮机热通道冷却空气热交换器中，风扇吸入冷空气，冷空气与TCA换热器(压缩空气换热器)中的压气机抽气对流换热后成为热空气，热空气进一步与FGH换热器(天然气换热器)中的冷天然气对流换热后排入大气，一般情况下，FGH换热器中的天然气只能回收TCA换热器中压气机抽气放热量的约60％，热通道冷却空气热交换器仍会向大气排出大量高温空气(设计工况下直接排放的高温空气温度超过160℃、热量超过4MW)，造成了能源浪费及环境热污染。
目前尚没有一种设计合理，既能利用燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热，又能提高联合循环机组部分负荷工况运行经济性的节能系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供了一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，既可利用燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热，又能提高联合循环机组部分负荷工况运行经济性。
本发明采用以下技术方案来实现的：
一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，包括压气机进气通道、燃气轮机、余热锅炉及汽轮机、燃气轮机热通道冷却空气热交换器以及空气通道；其中，
燃气轮机上设置有天然气入口、空气入口、压气机抽气出口、热通道冷却空气入口以及排气口；燃气轮机热通道冷却空气热交换器设置有天然气出入口、压缩空气出入口、空气出入口；燃气轮机热通道冷却空气热交换器的天然气出口连接至燃气轮机的天然气入口，燃气轮机热通道冷却空气热交换器的压缩空气入口连接至燃气轮机压气机抽气出口，燃气轮机热通道冷却空气热交换器的压缩空气出口连接至燃气轮机热通道冷却空气入口，燃气轮机排气口连接至余热锅炉及汽轮机中的余热锅炉烟气入口；
空气通道包括第一空气通道和第二空气通道，压气机进气通道设置有空气出入口，第一空气通道设置有空气出入口，压气机进气通道1的空气入口连接至第一空气通道的空气出口和外界大气，压气机进气通道1的空气出口连接至燃气轮机空气入口，第一空气通道的空气入口连接至燃气轮机热通道冷却空气热交换器的空气出口，第二空气通道设置有空气出入口，燃气轮机热通道冷却空气热交换器的空气出口与第二空气通道的空气入口相连。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机包括依次连接的压气机、燃烧室和燃气透平，其中，压气机上设置有空气入口和压气机抽气出口，燃烧室上设置有天然气入口，燃气透平上设置有排气口和热通道冷却空气入口。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机热通道冷却空气热交换器包括依次连接的风扇组、压缩空气换热器和天然气换热器，以及将上述部件包含在内的热交换器罩壳，其中，压缩空气换热器上设置有压缩空气出入口，天然气换热器上设置有天然气出入口，热交换器罩壳上设置有空气出入口。
本发明进一步的改进在于，第一空气通道和第二空气通道的入口内分别设置有第一空气流量调节阀和第二空气流量调节阀。
本发明进一步的改进在于，压气机进气通道内设置有压气机进气温度测量系统。
本发明进一步的改进在于，余热锅炉及汽轮机中的余热锅炉为立式、卧式、非再热、再热式、单压、双压、三压及以上压力等级。
本发明进一步的改进在于，燃气轮机与余热锅炉及汽轮机中的汽轮机的匹配型式为单轴、分轴、一拖一或多拖一。
本发明进一步的改进在于，余热锅炉及汽轮机中的汽轮机型式为再热式、非再热、纯凝式、抽汽凝汽式、抽汽背压式或纯背压式。
本发明至少具有如下有益的技术效果：
本发明提供的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，可回收燃气轮机热通道冷却空气热交换器废热，回收的能量直接返回压气机进气口并与压气机进气混合，可提高压气机进气温度，结合某F级一拖一纯凝联合循环机组(燃气轮机型号为M701F)的实际情况进行了定量计算：如图2所示，利用燃气轮机热通道冷却空气热交换器全部排气废热可使压气机进气温度获得7℃～13℃(大气温度15℃时)、10℃～16℃(大气温度30℃时)的提升，联合循环机组目标电负荷越低、大气温度越高、压气机进气质量流量越少，此时燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热可使压气机进气温度提升空间越大。
本发明将原本直接排向大气的燃气轮机热通道冷却空气热交换器高温排气引入燃气轮机压气机进气口，使压气机进气温度得到提升，在相同的目标发电负荷(部分负荷)下，提高了联合循环机组的负荷率，使联合循环机组发电效率得到提升将达到提高联合循环机组部分负荷工况(即机组负荷率低于100％的工况)发电效率的有益效果，达到燃气轮机热通道冷却空气热交换器高温排气废热利用，提高联合循环机组运行经济性的节能效果。
附图说明
图1为典型的M701F燃气轮机热通道冷却空气热交换器及设计参数示意图。
图2为利用排气废热可使压气机进气温度提高量的示意图。
图3为压气机进气温度每增加5℃的节能提效空间的示意图
图4是本发明所述燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统结构原理示意图。
附图标记说明：
1为压气机进气通道，2为压气机，3为燃烧室，4为燃气透平，5为余热锅炉及汽轮机，6为风扇组，7为压缩空气换热器，8为天然气换热器，9为热交换器罩壳，10为第一空气通道，11为第二空气通道，101为第一空气流量调节阀，102为第二空气流量调节阀，103为压气机进气温度测量系统。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作详细的介绍：
如图4所示，本发明提供的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，包括：压气机进气通道1、燃气轮机、余热锅炉及汽轮机系统5、燃气轮机热通道冷却空气热交换器、第一空气通道10、第二空气通道11、第一空气流量调节阀101、第二空气流量调节阀102以及压气机进气温度测量系统103；燃气轮机包括顺次连接的压气机2、燃烧室3和燃气透平4；燃气轮机热通道冷却空气热交换器包括顺次连接的风扇组6、压缩空气换热器7和天然气换热器8，以及将上述部件包含在内的热交换器罩壳9。
其中，天然气经过天然气换热器8加热后进入燃烧室3；空气顺次经过压气机进气通道1和压气机2后进入燃烧室3，空气与天然气在燃烧室3内燃烧后进入燃气透平4；燃气透平4排气进入余热锅炉烟气侧；压气机抽气经过压缩空气换热器7冷却后进入燃气透平4；
空气经风扇组6抽吸后进入热交换器罩壳9，空气经压缩空气换热器7对流换热后成为热空气，热空气进一步与天然气换热器8对流换热降温后形成两路高温排气，第一路高温排气顺次经过第一空气流量调节阀101、第一空气通道10，与压气机进气通道1内的空气混合后进入压气机2；第二路高温排气顺次经过第二空气流量调节阀102、第二空气通道11后排入大气。
通过变化第一空气流量调节阀101和第二空气流量调节阀102的开度，控制两路高温排气的流量分配，其流量分配的原则是，在保证机组安全运行并且输出电负荷达到目标值的前提下，尽可能使高温排气进入第一空气通道10。
通过布置在压气机进气通道1中的压气机进气温度测量系统103监测压气机进气温度，并利用控制系统控制第一空气流量调节阀101和第二空气流量调节阀102的开度，维持压气机进气温度不超运行限值。
如图3所示，在相同的目标发电负荷(部分负荷)下，压气机进气温度每增加5℃，联合循环机组发电热耗率预估可降低17.6kJ/kWh～41.2kJ/kWh不等，联合循环机组目标电负荷越低，联合循环机组发电热耗率的降低量越大。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，其特征在于，包括压气机进气通道(1)、燃气轮机、余热锅炉及汽轮机(5)、燃气轮机热通道冷却空气热交换器以及空气通道；其中，
燃气轮机上设置有天然气入口、空气入口、压气机抽气出口、热通道冷却空气入口以及排气口；燃气轮机热通道冷却空气热交换器设置有天然气出入口、压缩空气出入口、空气出入口；燃气轮机热通道冷却空气热交换器的天然气出口连接至燃气轮机的天然气入口，燃气轮机热通道冷却空气热交换器的压缩空气入口连接至燃气轮机压气机抽气出口，燃气轮机热通道冷却空气热交换器的压缩空气出口连接至燃气轮机热通道冷却空气入口，燃气轮机排气口连接至余热锅炉及汽轮机(5)中的余热锅炉烟气入口；
空气通道包括第一空气通道(10)和第二空气通道(11)，压气机进气通道(1)设置有空气出入口，第一空气通道(10)设置有空气出入口，压气机进气通道1的空气入口连接至第一空气通道(10)的空气出口和外界大气，压气机进气通道1的空气出口连接至燃气轮机空气入口，第一空气通道(10)的空气入口连接至燃气轮机热通道冷却空气热交换器的空气出口，第二空气通道(1)设置有空气出入口，燃气轮机热通道冷却空气热交换器的空气出口与第二空气通道(1)的空气入口相连。
2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，其特征在于，燃气轮机包括依次连接的压气机(2)、燃烧室(3)和燃气透平(4)，其中，压气机(2)上设置有空气入口和压气机抽气出口，燃烧室(3)上设置有天然气入口，燃气透平(4)上设置有排气口和热通道冷却空气入口。
3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，其特征在于，燃气轮机热通道冷却空气热交换器包括依次连接的风扇组(6)、压缩空气换热器(7)和天然气换热器(8)，以及将上述部件包含在内的热交换器罩壳(9)，其中，压缩空气换热器(7)上设置有压缩空气出入口，天然气换热器(8)上设置有天然气出入口，热交换器罩壳(9)上设置有空气出入口。
4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，其特征在于，第一空气通道和第二空气通道的入口内分别设置有第一空气流量调节阀(101)和第二空气流量调节阀(102)。
5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，其特征在于，压气机进气通道(1)内设置有压气机进气温度测量系统(103)。
6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，其特征在于，余热锅炉及汽轮机(5)中的余热锅炉为立式、卧式、非再热、再热式、单压、双压、三压及以上压力等级。
7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，其特征在于，燃气轮机与余热锅炉及汽轮机(5)中的汽轮机的匹配型式为单轴、分轴、一拖一或多拖一。
8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机热通道冷却空气热交换器排气废热利用系统，其特征在于，余热锅炉及汽轮机(5)中的汽轮机型式为再热式、非再热、纯凝式、抽汽凝汽式、抽汽背压式或纯背压式。
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