CN113266471B - 一种基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统及其控制方法，该系统可利用电驱动膨胀式热泵或吸收式热泵的能量，进行分季节供冷或加热，在冬季抽取换热后的循环水（或来自地源热泵单元）通过热泵循环提高热泵供热效率，之后通过热泵提供热水加热燃机进气温度，进而提高机组部分负荷效率；在夏季抽取凝汽器换热前的循环水（或来自地源热泵单元）通过热泵循环提高热泵供冷效率，之后通过热泵提供冷水冷却燃机进气温度，进而提高机组顶峰能力。本发明的系统和方法，利用了热泵冬季节能供热与夏季节能供冷的优势，解决了燃机在冬季与夏季需进气温控的技术痛点，便于操作和管理，且适用于缺水地区，特别适用于余热锅炉内部无换热器新增空间来提供热水加热燃机进气的机组。
Description
技术领域
本发明属于燃气轮机发电提效领域，尤其涉及一种基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统及其控制方法。
背景技术
地源热泵机组与锅炉(电、燃料)供热系统相比，锅炉供热只能将90％以上的电能或70～90％的燃料内能为热量，供用户使用，因此地源热泵要比电锅炉加热节省三分之二以上的电能，比燃料锅炉节省约二分之一的能量；由于地源热泵的热源温度全年较为稳定，一般为10～25℃，其制冷、制热系数可达3.5～4.4，与传统的空气源热泵相比，要高出40％左右，具有明显的节能效果(具体对比效果参见图4)。但该套系统主要用于建筑空调行业，较少应用于发电行业，特别是在燃气发电领域应用潜力还未得到开发。
目前虽然也有将空调温控系统引用到燃气轮机发电通过对进气温度进行调节解决夏季工况、冬季工况或部分负荷工矿下机组性能与用户需求不匹配的问题，但系统能效比较低，而且引入的空调温控系统成本高昂。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的问题，提供一种基于地源热泵的燃气轮机进气加热与冷却系统和方法，具体由以下技术方案实现：
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，包括燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机，所述燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机按气流方向的顺序依次首尾联通，还包括：
燃气机换热器，设置于燃气轮机的进气口；
水源热泵单元，包括：蒸发器、冷凝器、压缩机、进气换热环路泵以及用于切换制冷与供热两种工况的阀组，所述蒸发器、冷凝器以及压缩机串接形成制冷剂热交换回路，燃气机换热器与蒸发器或冷凝器相连形成进气换热环路；当电动阀组内切换制冷的电动阀处于打开状态时，蒸发器吸收进气换热环路中水的热量，形成应用于制冷工况下的制冷回路；当电动阀组内切换供热的电动阀处于打开状态时，冷凝器向气换热环路中的水放热，形成应用于供热工况下的供热回路；
地源热泵单元，包括地源热泵单元水泵、地埋管换热器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，地源热泵单元水泵将水经地埋管换热器输送至蒸发器或冷凝器；冷却塔单元，包括冷却塔、凝汽器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，凝汽器、余热锅炉以及汽轮机形成冷却水回路，冷却塔与凝汽器联通并与蒸发器或冷凝器联通，
进气温度控制器，通过调节压缩机的功率以及进气换热环路泵的水量对进气换热环路的水温度控制；通过控制冷却塔单元、地源热泵单元以及水源热泵单元中的阀组实现水源热泵单元的工况切换以及与冷却塔单元或地源热泵单元的联通。
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的进一步设计在于，所述制冷剂热交换回路还设有节流阀。
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的进一步设计在于，所述蒸发器的入口一端设置有上游水温测温器，蒸发器的出口一端设置有下游水温测温器。
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的进一步设计在于，所述地埋管换热器为沿S形盘绕设置的换热管，所述换热管处于同一水平面或竖直平面内。
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的进一步设计在于，所述冷却塔单元与地源热泵单元阀门分别设有一个取水测温点；在制冷工况下选择测得水温较低的单元作为供水源；在供热工况下选择测得水温较高的单元作为供水源。
采用所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法，该方法包括如下步骤：
步骤1)根据电厂实际情况，确定需要制冷工况还是供热工况以及进气温度的控制幅度；
步骤2)在冷却塔单元、地源热泵单元与水源热泵单元间分别对应地设置冷却塔温度测点与地埋管温度测点，启动冷却塔单元与地源热泵单元，根据地埋管温度测点的出水温度与冷却塔温度测点的出水温度，确定水源热泵单元与冷却塔单元或地源热泵单元的联通；
步骤3)根据设定的控制逻辑通过进气温度控制器对进气温度进行调控。
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法的进一步设计在于，所述步骤3)中的控制逻辑具体包括如下步骤：
步骤3-1)设定进气温度的调节值的参考值Δt250；
步骤3-2)实测进气温度经调节后的差值△t25并通过计算修正压气机入口空气质量流量Qm和制冷或供热的能效比COP；
步骤3-3)将实测△t25与Δt250比较，偏差是否在设定范围内，若超出设定范围则调整压缩机的功率；
步骤3-4)检测经调解后的进气温度是否在燃机安全运行的范围内，若超出燃机安全运行的范围，则调整Δt250。
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法的进一步设计在于，所述步骤3)中的控制逻辑在制冷工况下的具体步骤为：
步骤3-a)设定参考Δt250，根据式(1)，计算出Q吸热，再根据水源热泵单元当前工况的制冷能效比COP(制冷)初步设计，结合式(2)计算得出压缩机功率W；
式(1)中，Qm0(压气机入口空气)表示压气机入口空气质量流量，Q吸热表示进入压气机的空气被冷却而释放的热量，Cp(空气)表示常态下空气定压比热容为1.01kJ/(kg.℃)，
Qm0(压气机入口空气)的初步估算值如式(3)，
Qm0’(压气机入口空气)初步估算＝v(流速测点)×A×ρ(空气) (3)
式(3)中，v(流速测点)表示流速测点测得的气体流速，A表示压气机换热器前入口截面积，ρ(空气)表示进气的空气密度，t(换热器前)表示压气机换热器前的温度测点测得的温度；
步骤3-b)水源热泵单元运行之后，根据式(5)，计算出当前工况的Q吸热，再根据式(1)以及实际测得的燃气轮机进气口温度变化值Δt251，计算出机组在当前运行负荷的Qm0(压气机入口空气)，将Qm0(压气机入口空气)替代步骤3-a)中的Qm0’(压气机入口空气)初步估算，
根据式(4)、式(5)再结合式(1)，计算得到COP(制冷)实际后将COP(制冷)实际替代所述初步估算的COP(制冷)初步设计；
Q放热＝Cp(水)×(t31-t34)×Qm1(10流量计) (4)
Q吸热＝Qm2(12流量计)×Cp(水)×(t32-t33) (5)
式(4)中，t31、t34分别为冷凝器出口、入口的测点温度值，Qm1(10流量计)表示联通水源热泵单元或地源热单元的供水环路中水的质量流量，Cp(水)表示常态下水的定压比热容为4.187kJ/(kg.℃)；
式(5)中t32、t33分别为蒸发器入口、出口的测点温度值，Qm2(12流量计)表示进气换热环路泵处采集的水的质量流量；
步骤3-c)若Δt250与实际测得的Δt251的误差超出设定范围±0.2℃，则调整压缩机功率W，调整后的压缩机功率W调整后与调整后的压缩机功率W调整后的关系如式(6)，
在调整的五分钟之后，若Δt250与实际测得的Δt251的误差不仍在设定范围内，那继续在通过公式(6)调整，直到误差达到设定范围内；
步骤3-d)若冷却后空气相对湿度高于等于95％，则超出机组安全运行范围，则通过进气温度控制器调节以降低Δt250的值，减少的幅度如式(7)，若冷却后空气相对湿度低于95％，则维持现状，保持系统运行，
Δ(Δt250)＝Δt250-0.9×(t前-tL) (7)
t前为空气冷却前温度，tL为空气冷却前的露点温度。
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法的进一步设计在于，所述步骤3)中的控制逻辑在供热工况下的具体步骤为：
步骤3-A)设定参考Δt250，根据式(8)，计算出Q吸热，再根据水源热泵单元当前工况的制冷能效比COP(供热)初步设计，结合式(9)计算得出压缩机功率W；
式(1)中，Qm0(压气机入口空气)表示压气机入口空气质量流量、Q放热表示进入压气机的空气通过加热而获得的热量，Cp(空气)表示常态下空气定压比热容为1.01kJ/(kg.℃)，
Qm0(压气机入口空气)的初步估算值如式(10)，
Qm0’(压气机入口空气)初步估算＝v(流速测点)×A×ρ(空气) (10)
式(10)中，v(流速测点)表示流速测点测得的气体流速，A表示压气机换热器前入口截面积，ρ(空气)表示进气的空气密度，t(换热器前)表示压气机换热器前的温度测点测得的温度；
步骤3-B)水源热泵单元运行之后，根据式(9)，计算出当前工况的Q放热，再根据式(8)以及实际测得的燃气轮机进气口温度变化值Δt251，计算出机组在当前运行负荷的Qm0(压气机入口空气)，将Qm0(压气机入口空气)替代步骤3-A)中的Qm0’(压气机入口空气)初步估算，
根据式(11)、式(12)再结合式(9)，计算得到COP(制冷)实际后将COP(制冷)实际替代所述初步估算的COP(制冷)初步设计；
Q放热＝Cp(水)×Qm2(12流量计)×(t31-t34) (11)
Q吸热＝Cp(水)×Qm1(10流量计)×(t32-t33) (12)
式(11)中，t31、t34分别为冷凝器出口、入口的测点温度值，Qm2(12流量计)表示进气换热环路泵处采集的水的质量流量，Cp(水)表示常态下水的定压比热容为4.187kJ/(kg.℃)；
式(12)中t32、t33分别为蒸发器入口、出口的测点温度值，Qm1(10流量计)表示联通水源热泵单元或地源热单元的供水环路中水的质量流量；
步骤3-C)若Δt250与实际测得的Δt251的误差超出设定范围±0.2℃，则调整压缩机功率W，调整后的压缩机功率W调整后与调整后的压缩机功率W调整后的关系如式(13)，
步骤3-d)若冷却后空气相对湿度高于等于95％，则超出机组安全运行范围，则通过进气温度控制器调节以降低Δt250的值，减少的幅度如式(14)，若冷却后空气相对湿度低于95％，则维持现状，保持系统运行，
Δ(Δt250)＝Δt250-0.9×(t前-tL) (14)
t前为空气冷却前温度，tL为空气冷却前的露点温度。
所述基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，包括燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机，所述燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机按气流方向的顺序依次首尾联通，还包括：
燃气机换热器，设置于燃气轮机的进气口；
水源热泵单元，包括：蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器、进气换热环路泵以及用于切换制冷与供热两种工况的阀组，所述蒸发器与吸收器联通，所述冷凝器与发生器联通，发生器与吸收器相连通形成热交换回路，燃气机换热器与蒸发器或冷凝器相连形成进气换热环路；当电动阀组内切换制冷的电动阀处于打开状态时，蒸发器吸收进气换热环路中水的热量，形成应用于制冷工况下的制冷回路；当电动阀组内切换供热的电动阀处于打开状态时，冷凝器向气换热环路中的水放热，形成应用于供热工况下的供热回路；
地源热泵单元，包括地源热泵单元水泵、地埋管换热器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，地源热泵单元水泵将水经地埋管换热器输送至蒸发器或冷凝器；冷却塔单元，包括冷却塔、凝汽器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，凝汽器、余热锅炉以及汽轮机形成冷却水回路，冷却塔与凝汽器联通并与蒸发器或冷凝器联通；
进气温度控制器，通过调节燃气用量对进气换热环路的水温度控制；通过控制冷却塔单元、地源热泵单元以及水源热泵单元中的阀组实现水源热泵单元的工况切换以及与冷却塔单元或地源热泵单元的联通。
本发明的有益效果：
本发明的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统引入地源热泵具备如下特点：由于采用地埋管或者冷却塔换热，更适用于干燥缺水地区；采用地埋管或者冷却塔换热的地源热泵(电驱动膨胀式和吸收式)系统受到环境温度影响小，制冷和制热性能可得到保证；仅用一套地源热泵就可解决燃机进气温度调节问题，进行夏季供冷和冬季供热，相比传统供冷或供热等系统，能效比更高且对联合循环发电系统整体影响小，同时可随用随取，灵活性高。
另一方面，本申请的技术方案通过巧妙地设计了由蒸发器、冷凝器以及压缩机构成的空调热交换回路与两套供水系统(冷却塔单元与地源热泵单元)，大大降低了空调热交换功能单元的成本，也充分地发挥了地源热泵单元的优势，与冷却塔单元形成互补进一步地提高了系统的能效比。
本发明采用吸收热泵的燃气轮机进气温控系统基本独立于燃气蒸汽联系循环发电系统之外，对联合循环机组的运行影响可降至最低；相比将换热器布置在余热锅炉尾部提供热源的进气温度控制系统，本套系统可针对特定需求以避免余热锅炉新增换热器带来排气压损增加问题。
附图说明
图1为本发明的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统(电驱动膨胀式)的结构示意图。
图2为本发明的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统控制方法的逻辑示意图。
图3为实施例发明的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统(吸收热泵)的结构示意图。
图4为地源热泵与其它加热方式相比的能源消耗的对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，主要由燃气轮机1、余热锅炉2以及汽轮机3组成。燃气轮机1、余热锅炉2以及汽轮机3按气流方向的顺序依次首尾联通，还包括：燃气机换热器、水源热泵单元、地源热泵单元以及进气温度控制器。其中，燃气机换热器，设置于燃气轮机的进气口，并设置用于监测燃机进气温度控制前后温度的温度测点25。
水源热泵单元主要由：蒸发器、冷凝器、压缩机(图中未示出)、节流阀、进气换热环路泵9以及用于切换制冷与供热两种工况的阀组组成。蒸发器、冷凝器、节流阀以及压缩机串接形成制冷剂热交换回路。燃气机换热器与蒸发器或冷凝器相连形成进气换热环路；当电动阀组内切换制冷的电动阀处于打开状态时，蒸发器吸收进气换热环路中水的热量，形成应用于制冷工况下的制冷回路；当电动阀组内切换供热的电动阀处于打开状态时，冷凝器向气换热环路中的水放热，形成应用于供热工况下的供热回路。蒸发器的入口一端设置有上游水温测温器32，蒸发器的出口一端设置有下游水温测温器33。
如图1，实施例中，水源热泵单元中用于切换制冷与供热两种工况的阀组分别为电动阀门17至24，制冷工况下：阀门23、21、17、20为打开状态，阀门24、22、18、19为关闭状态，此时蒸发器被接入到进气换热环路中，冷凝器向地源热泵单元或冷却塔单元的供应的冷水源放热；供热工况下：24、22、18、19为打开状态，阀门23、21、17、20为关闭状态，此时冷凝器被接入到进气换热环路中，蒸发器向地源热泵单元或冷却塔单元的供应的热水源吸热。
本实施例的冷却塔单元主要由冷却塔、凝汽器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组。凝汽器、余热锅炉以及汽轮机形成冷却水回路，冷却塔与凝汽器联通并与蒸发器或冷凝器联通。本实施例中，冷却塔单元的用于控制联通水源热泵单元的阀组分别为电动阀门13-16，制冷工况下，打开阀门14与16，关闭阀门13与15，利用冷却塔出口冷却水提供冷水来冷却热泵的冷凝器，冷却后水回到冷却塔冷却水入口；供热工况下，打开阀门13与15，关闭阀门14与16，利用冷却塔入口冷却水提供热水来加热热泵的蒸发器，加热后水回到冷却塔冷却水出口。
本实施例的地源热泵单元主要由地源热泵单元水泵、地埋管换热器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，地源热泵单元水泵将水经地埋管换热器输送至蒸发器或冷凝器。本实施例的地埋管换热器为沿S形盘绕设置的换热管，换热管处于同一水平面或竖直平面内。本实施例中，用于控制联通水源热泵单元的阀组分别为阀门28和29，判断与水源热泵单元联通的依据为地源热泵单元测点30与冷却塔单元温度测点30所测得的温度值，切换逻辑为：制冷工况下：若地源热泵单元测点30处出水温度≤冷却塔单元温度测点30处出水温度，启用地源热泵单元，则打开阀门28与29，启动泵27，关闭阀门13-16；若地源热泵单元测点30处出水温度＞冷却塔单元温度测点30处出水温度，启用冷却塔单元，则关闭阀门28与29，关闭泵27，打开阀门14与16，关闭阀门13与15。供热工况下：若地源热泵单元测点30处出水温度≥冷却塔单元温度测点30处出水温度，启用地源热泵单元，则打开阀门28与29，启动泵27，关闭阀门13-16；若地源热泵单元测点30处出水温度＜冷却塔单元温度测点30处出水温度，启用冷却塔凝汽器冷却水取水系统，则关闭阀门28与29，关闭泵27，打开阀门13与15，关闭阀门14与16。
为描述本套热泵单元加热对发电机组的经济效益，本技术方案以M701F4“一拖一”联合循环机组为例，在负荷率为60％情况下(460MW×60％)，冬季利用本套热泵单元，将进气温度从15℃加热至35℃，联合循环效率提升0.60％，对机组经济性计算如下：
为描述本套热泵单元加热对发电机组的经济效益，本技术方案以M701F4“一拖一”联合循环机组为例，在负荷率为100％情况下，夏季利用本套热泵单元，提高机组顶峰能力，增加出力，将进气温度从35℃冷却至15℃，联合循环功率提升，从425MW提升至460MW，对机组经济性计算如下：
注：该项收益还未考虑夏季用电高峰阶段电厂上网价格上涨情况。
本实施例的进气温度控制器7，通过调节压缩机的功率以及进气换热环路泵的水量对进气换热环路的水温度控制；通过控制冷却塔单元、地源热泵单元以及水源热泵单元中的阀组实现水源热泵单元的工况切换以及与冷却塔单元或地源热泵单元的联通。
本实施例还提供了应用于该温控系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤1)根据电厂实际情况，确定需要制冷工况还是供热工况以及进气温度的控制幅度；
步骤2)在冷却塔单元、地源热泵单元与水源热泵单元间分别对应地设置冷却塔温度测点与地埋管温度测点，启动冷却塔单元与地源热泵单元，根据地埋管温度测点的出水温度与冷却塔温度测点的出水温度，确定水源热泵单元与冷却塔单元或地源热泵单元的联通；
步骤3)根据设定的控制逻辑通过进气温度控制器对进气温度进行调控。
基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法的进一步设计在于，步骤3)中的控制逻辑具体包括如下步骤：
步骤3-1)设定进气温度的调节值的参考值Δt250；
步骤3-2)实测进气温度经调节后的差值△t25并通过计算修正压气机入口空气质量流量Qm和制冷或供热的能效比COP；
步骤3-3)将实测△t25与Δt250比较，偏差是否在设定范围内，若超出设定范围则调整压缩机的功率；
步骤3-4)检测经调解后的进气温度是否在燃机安全运行的范围内，若超出燃机安全运行的范围，则调整Δt250。
基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法的进一步设计在于，步骤3)中的控制逻辑在制冷工况下的具体步骤为：
步骤3-a)设定参考Δt250，根据式(1)，计算出Q吸热，再根据水源热泵单元当前工况的制冷能效比COP(制冷)初步设计，结合式(2)计算得出压缩机功率W；
式(1)中，Qm0(压气机入口空气)表示压气机入口空气质量流量，Q吸热表示进入压气机的空气被冷却而释放的热量，Cp(空气)表示常态下空气定压比热容为1.01kJ/(kg.℃)，
Qm0(压气机入口空气)的初步估算值如式(3)，
Qm0’(压气机入口空气)初步估算＝v(流速测点)×A×ρ(空气) (3)
式(3)中，v(流速测点)表示流速测点测得的气体流速，A表示压气机换热器前入口截面积，ρ(空气)表示进气的空气密度，t(换热器前)表示压气机换热器前的温度测点测得的温度；
步骤3-b)水源热泵单元运行之后，根据式(5)，计算出当前工况的Q吸热，再根据式(1)以及实际测得的燃气轮机进气口温度变化值Δt251，计算出机组在当前运行负荷的Qm0(压气机入口空气)，将Qm0(压气机入口空气)替代步骤3-a)中的Qm0’(压气机入口空气)初步估算，
根据式(4)、式(5)再结合式(1)，计算得到COP(制冷)实际后将该数据替代初步估算的COP(制冷)初步设计；
Q放热＝Cp(水)×(t31-t34)×Qm1(10流量计) (4)
Q吸热＝Qm2(12流量计)×Cp(水)×(t32-t33) (5)
式(4)中，t31、t34分别为冷凝器出口、入口的测点温度值，Qm1(10流量计)表示联通水源热泵单元或地源热单元的供水环路中水的质量流量，Cp(水)表示常态下水的定压比热容为4.187kJ/(kg.℃)；
式(5)中t32、t33分别为蒸发器入口、出口的测点温度值，Qm2(12流量计)表示进气换热环路泵处采集的水的质量流量；
步骤3-c)若Δt250与实际测得的Δt251的误差超出设定范围±0.2℃，则调整压缩机功率W，调整后的压缩机功率W调整后与调整后的压缩机功率W调整后的关系如式(6)，
在调整的五分钟之后，若Δt250与实际测得的Δt251的误差不仍在设定范围内，那继续在通过公式(6)调整，直到误差达到设定范围内；
步骤3-d)若冷却后空气相对湿度高于等于95％，则超出机组安全运行范围，则通过进气温度控制器调节以降低Δt250的值，减少的幅度如式(7)，若冷却后空气相对湿度低于95％，则维持现状，保持系统运行，
Δ(Δt250)＝Δt250-0.9×(t前-tL) (7)
t前为空气冷却前温度，tL为空气冷却前的露点温度。
基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法的进一步设计在于，步骤3)中的控制逻辑在供热工况下的具体步骤为：
步骤3-A)设定参考Δt250，根据式(8)，计算出Q吸热，再根据水源热泵单元当前工况的制冷能效比COP(供热)初步设计，结合式(9)计算得出压缩机功率W；
式(1)中，Qm0(压气机入口空气)表示压气机入口空气质量流量、Q放热表示进入压气机的空气通过加热而获得的热量，Cp(空气)表示常态下空气定压比热容为1.01kJ/(kg.℃)，
Qm0(压气机入口空气)的初步估算值如式(10)，
Qm0’(压气机入口空气)初步估算＝v(流速测点)×A×ρ(空气) (10)
式(10)中，v(流速测点)表示流速测点测得的气体流速，A表示压气机换热器前入口截面积，ρ(空气)表示进气的空气密度，t(换热器前)表示压气机换热器前的温度测点测得的温度；
步骤3-B)水源热泵单元运行之后，根据式(9)，计算出当前工况的Q放热，再根据式(8)以及实际测得的燃气轮机进气口温度变化值Δt251，计算出机组在当前运行负荷的Qm0(压气机入口空气)，将Qm0(压气机入口空气)替代步骤3-A)中的Qm0’(压气机入口空气)初步估算，
根据式(11)、式(12)再结合式(9)，计算得到COP(制冷)实际后将该数据替代初步估算的COP(制冷)初步设计；
Q放热＝Cp(水)×Qm2(12流量计)×(t31-t34) (11)
Q吸热＝Cp(水)×Qm1(10流量计)×(t32-t33) (12)
式(11)中，t31、t34分别为冷凝器出口、入口的测点温度值，Qm2(12流量计)表示进气换热环路泵处采集的水的质量流量，Cp(水)表示常态下水的定压比热容为4.187kJ/(kg.℃)；
式(12)中t32、t33分别为蒸发器入口、出口的测点温度值，Qm1(10流量计)表示联通水源热泵单元或地源热单元的供水环路中水的质量流量。
步骤3-C)若Δt250与实际测得的Δt251的误差超出设定范围±0.2℃，则调整压缩机功率W，调整后的压缩机功率W调整后与调整后的压缩机功率W调整后的关系如式(13)，
步骤3-d)若冷却后空气相对湿度高于等于95％，则超出机组安全运行范围，则通过进气温度控制器调节以降低Δt250的值，减少的幅度如式(14)，若冷却后空气相对湿度低于95％，则维持现状，保持系统运行，
Δ(Δt250)＝Δt250-0.9×(t前-tL) (14)
式(14)中，t前为空气冷却前温度，tL为空气冷却前的露点温度。
实施例2
如图3，本实施例提供了一种基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，主要由燃气轮机1、余热锅炉2以及汽轮机3，燃气轮机1、余热锅炉2以及汽轮机3按气流方向的顺序依次首尾联通，还包括：燃气机换热器、水源热泵单元、地源热泵单元以及进气温度控制器。其中燃气机换热器，设置于燃气轮机的进气口；水源热泵单元，包括：蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器、进气换热环路泵以及用于切换制冷与供热两种工况的阀组，蒸发器与吸收器联通，冷凝器与发生器联通，发生器与吸收器相连通形成热交换回路，燃气机换热器与蒸发器或冷凝器相连形成进气换热环路；当电动阀组内切换制冷的电动阀处于打开状态时，蒸发器吸收进气换热环路中水的热量，形成应用于制冷工况下的制冷回路；当电动阀组内切换供热的电动阀处于打开状态时，冷凝器向气换热环路中的水放热，形成应用于供热工况下的供热回路；
地源热泵单元，包括地源热泵单元水泵、地埋管换热器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，地源热泵单元水泵将水经地埋管换热器输送至蒸发器或冷凝器；冷却塔单元，包括冷却塔、凝汽器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，凝汽器、余热锅炉以及汽轮机形成冷却水回路，冷却塔与凝汽器联通并与蒸发器或冷凝器联通；进气温度控制器，通过调节燃气用量以及进气换热环路泵的水量对进气换热环路的水温度控制；通过控制冷却塔单元、地源热泵单元以及水源热泵单元中的阀组实现水源热泵单元的工况切换以及与冷却塔单元或地源热泵单元的联通。
本申请的技术方案采用吸收式热泵单元对燃机进气进行加热或冷却主要应用于在燃气充裕且技术经济可行条件下。能效比的计算方式替换为如下公式(其余公式不变，在此不再赘述)：
制冷工况下：
供热工况下：
本实施的系统的特点为在热源利用方面，基本独立于燃气蒸汽联系循环发电系统之外，对联合循环机组的运行影响可降至最低；相比将换热器布置在余热锅炉尾部提供热源的进气温度控制系统，本套系统可针对特定需求以避免余热锅炉新增换热器带来排气压损增加问题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，包括燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机，所述燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机按气流方向的顺序依次首尾联通，其特征在于还包括：
燃气机换热器，设置于燃气轮机的进气口；
水源热泵单元，包括：蒸发器、冷凝器、压缩机、进气换热环路泵以及用于切换制冷与供热两种工况的阀组，所述蒸发器、冷凝器以及压缩机串接形成制冷剂热交换回路，燃气机换热器与蒸发器或冷凝器相连形成进气换热环路；当电动阀组内切换制冷的电动阀处于打开状态时，蒸发器吸收进气换热环路中水的热量，形成应用于制冷工况下的制冷回路；当电动阀组内切换供热的电动阀处于打开状态时，冷凝器向气换热环路中的水放热，形成应用于供热工况下的供热回路；
地源热泵单元，包括地源热泵单元水泵、地埋管换热器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，地源热泵单元水泵将水经地埋管换热器输送至蒸发器或冷凝器；
冷却塔单元，包括冷却塔、凝汽器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，凝汽器、余热锅炉以及汽轮机形成冷却水回路，冷却塔与凝汽器联通并与蒸发器或冷凝器联通，
进气温度控制器，通过调节压缩机的功率以及进气换热环路泵的水量对进气换热环路的水温度控制；通过控制冷却塔单元、地源热泵单元以及水源热泵单元中的阀组实现水源热泵单元的工况切换以及与冷却塔单元或地源热泵单元的联通。
2.根据权利要求1所述的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，其特征在于所述制冷剂热交换回路还设有节流阀。
3.根据权利要求1所述的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，其特征在于所述蒸发器的入口一端设置有上游水温测温器，蒸发器的出口一端设置有下游水温测温器。
4.根据权利要求1所述的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，其特征在于所述地埋管换热器为沿S形盘绕设置的换热管，所述换热管处于同一水平面或竖直平面内。
5.根据权利要求1所述的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，其特征在于所述冷却塔单元与地源热泵单元阀门分别设有一个取水测温点；在制冷工况下选择测得水温较低的单元作为供水源；在供热工况下选择测得水温较高的单元作为供水源。
6.采用如权利要求1-5任一项所述的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1)根据电厂实际情况，确定需要制冷工况还是供热工况以及进气温度的控制幅度；
步骤2)在冷却塔单元、地源热泵单元与水源热泵单元间分别对应地设置冷却塔温度测点与地埋管温度测点，启动冷却塔单元与地源热泵单元，根据地埋管温度测点的出水温度与冷却塔温度测点的出水温度，确定水源热泵单元与冷却塔单元或地源热泵单元的联通；
步骤3)根据设定的控制逻辑通过进气温度控制器对进气温度进行调控。
7.根据权利要求6所述的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法，其特征在于所述步骤3)中的控制逻辑具体包括如下步骤：
步骤3-1)设定进气温度的调节值的参考值Δt250；
步骤3-2)实测进气温度经调节后的差值△t25并通过计算修正压气机入口空气质量流量Qm和制冷或供热的能效比COP；
步骤3-3)将实测△t25与Δt250比较，偏差是否在设定范围内，若超出设定范围则调整压缩机的功率；
步骤3-4)检测经调解后的进气温度是否在燃机安全运行的范围内，若超出燃机安全运行的范围，则调整Δt250。
8.根据权利要求7所述的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法，其特征在于所述步骤3)中的控制逻辑在制冷工况下的具体步骤为：
步骤3-a)设定参考Δt250，根据式(1)，计算出Q吸热，再根据水源热泵单元当前工况的制冷能效比COP(制冷)初步设计，结合式(2)计算得出压缩机功率W；
式(1)中，Qm0(压气机入口空气)表示压气机入口空气质量流量，Q吸热表示进入压气机的空气被冷却而释放的热量，Cp(空气)表示常态下空气定压比热容为1.01kJ/(kg.℃)，
Qm0(压气机入口空气)的初步估算值如式(3)，
Qm0’(压气机入口空气)初步估算＝v(流速测点)×A×ρ(空气) (3)
式(3)中，v(流速测点)表示流速测点测得的气体流速，A表示压气机换热器前入口截面积，ρ(空气)表示进气的空气密度，t(换热器前)表示压气机换热器前的温度测点测得的温度；
步骤3-b)水源热泵单元运行之后，根据式(5)，计算出当前工况的Q吸热，再根据式(1)以及实际测得的燃气轮机进气口温度变化值Δt251，计算出机组在当前运行负荷的Qm0(压气机入口空气)，将Qm0(压气机入口空气)替代步骤3-a)中的Qm0’(压气机入口空气)初步估算，
根据式(4)、式(5)再结合式(1)，计算得到COP(制冷)实际后将COP(制冷)实际替代所述初步估算的COP(制冷)初步设计；
Q放热＝Cp(水)×(t31-t34)×Qm1(10流量计) (4)
Q吸热＝Qm2(12流量计)×Cp(水)×(t32-t33) (5)
式(4)中，t31、t34分别为冷凝器出口、入口的测点温度值，Qm1(10流量计)表示联通水源热泵单元或地源热单元的供水环路中水的质量流量，Cp(水)表示常态下水的定压比热容为4.187kJ/(kg.℃)；
式(5)中t32、t33分别为蒸发器入口、出口的测点温度值，Qm2(12流量计)表示进气换热环路泵处采集的水的质量流量；
步骤3-c)若Δt250与实际测得的Δt251的误差超出设定范围±0.2℃，则调整压缩机功率W，调整后的压缩机功率W调整后与调整后的压缩机功率W调整后的关系如式(6)，
在调整的五分钟之后，若Δt250与实际测得的Δt251的误差不仍在设定范围内，那继续在通过公式(6)调整，直到误差达到设定范围内；
步骤3-d)若冷却后空气相对湿度高于等于95％，则超出机组安全运行范围，则通过进气温度控制器调节以降低Δt250的值，减少的幅度如式(7)，若冷却后空气相对湿度低于95％，则维持现状，保持系统运行，
Δ(Δt250)＝Δt250-0.9×(t前-tL) (7)
t前为空气冷却前温度，tL为空气冷却前的露点温度。
9.根据权利要求7所述的基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统的控制方法，其特征在于所述步骤3)中的控制逻辑在供热工况下的具体步骤为：
步骤3-A)设定参考Δt250，根据式(8)，计算出Q吸热，再根据水源热泵单元当前工况的制冷能效比COP(供热)初步设计，结合式(9)计算得出压缩机功率W；
式(1)中，Qm0(压气机入口空气)表示压气机入口空气质量流量、Q放热表示进入压气机的空气通过加热而获得的热量，Cp(空气)表示常态下空气定压比热容为1.01kJ/(kg.℃)，
Qm0(压气机入口空气)的初步估算值如式(10)，
Qm0’(压气机入口空气)初步估算＝v(流速测点)×A×ρ(空气) (10)
式(10)中，v(流速测点)表示流速测点测得的气体流速，A表示压气机换热器前入口截面积，ρ(空气)表示进气的空气密度，t(换热器前)表示压气机换热器前的温度测点测得的温度；
步骤3-B)水源热泵单元运行之后，根据式(9)，计算出当前工况的Q放热，再根据式(8)以及实际测得的燃气轮机进气口温度变化值Δt251，计算出机组在当前运行负荷的Qm0(压气机入口空气)，将Qm0(压气机入口空气)替代步骤3-A)中的Qm0’(压气机入口空气)初步估算，
根据式(11)、式(12)再结合式(9)，计算得到COP(制冷)实际后将COP(制冷)实际替代所述初步估算的COP(制冷)初步设计；
Q放热＝Cp(水)×Qm2(12流量计)×(t31-t34) (11)
Q吸热＝Cp(水)×Qm1(10流量计)×(t32-t33) (12)
式(11)中，t31、t34分别为冷凝器出口、入口的测点温度值，Qm2(12流量计)表示进气换热环路泵处采集的水的质量流量，Cp(水)表示常态下水的定压比热容为4.187kJ/(kg.℃)；
式(12)中t32、t33分别为蒸发器入口、出口的测点温度值，Qm1(10流量计)表示联通水源热泵单元或地源热单元的供水环路中水的质量流量；
步骤3-C)若Δt250与实际测得的Δt251的误差超出设定范围±0.2℃，则调整压缩机功率W，调整后的压缩机功率W调整后与调整后的压缩机功率W调整后的关系如式(13)，
步骤3-d)若冷却后空气相对湿度高于等于95％，则超出机组安全运行范围，则通过进气温度控制器调节以降低Δt250的值，减少的幅度如式(14)，若冷却后空气相对湿度低于95％，则维持现状，保持系统运行，
Δ(Δt250)＝Δt250-0.9×(t前-tL) (14)
t前为空气冷却前温度，tL为空气冷却前的露点温度。
10.一种基于地源热泵的燃气轮机进气温控系统，包括燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机，所述燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机按气流方向的顺序依次首尾联通，其特征在于还包括：
燃气机换热器，设置于燃气轮机的进气口；
水源热泵单元，包括：蒸发器、冷凝器、吸收器、发生器、进气换热环路泵以及用于切换制冷与供热两种工况的阀组，所述蒸发器与吸收器联通，所述冷凝器与发生器联通，发生器与吸收器相连通形成热交换回路，燃气机换热器与蒸发器或冷凝器相连形成进气换热环路；当电动阀组内切换制冷的电动阀处于打开状态时，蒸发器吸收进气换热环路中水的热量，形成应用于制冷工况下的制冷回路；当电动阀组内切换供热的电动阀处于打开状态时，冷凝器向气换热环路中的水放热，形成应用于供热工况下的供热回路；
地源热泵单元，包括地源热泵单元水泵、地埋管换热器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，地源热泵单元水泵将水经地埋管换热器输送至蒸发器或冷凝器；冷却塔单元，包括冷却塔、凝汽器以及用于控制联通水源热泵单元的阀组，凝汽器、余热锅炉以及汽轮机形成冷却水回路，冷却塔与凝汽器联通并与蒸发器或冷凝器联通，
进气温度控制器，通过调节燃气用量对进气换热环路的水温度控制；通过控制冷却塔单元、地源热泵单元以及水源热泵单元中的阀组实现水源热泵单元的工况切换以及与冷却塔单元或地源热泵单元的联通。
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