CN114412600B - 一种提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种提高燃气‑蒸汽联合循环性能的热力系统及其工作方法，属于热能动力技术领域。包括压气机、燃烧室、燃气透平、燃气轮机发电机、余热锅炉、蒸汽透平、蒸汽轮机发电机、水蒸汽冷凝器、锅炉给水泵、压缩机、机械制冷冷凝器、机械制冷节流阀、机械制冷蒸发器、吸收制冷热源换热器、吸收制冷冷凝器、吸收制冷节流阀和吸收制冷蒸发器。本发明能够使燃气轮机压气机的进气温度大幅降低，其耗功大幅降低，同时气体密度增加，压气机的质量流量增加，有利于提高燃气轮机的输出功率，且不受环境湿度的影响。另外，吸收制冷冷凝器和机械制冷冷凝器放出的热量能够被蒸汽轮机循环的冷凝水吸收，避免了热量的浪费、降低了能耗。
Description
技术领域
本发明属于热能动力技术领域，具体涉及一种提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统及其工作方法。
背景技术
燃气轮机自诞生起，追求其具有更高的性能一直是科研人员的主要目标之一，比如更大的单机输出功率，更高的热效率。其中更大的输出功率可以实现更低单位功率的制造成本，更高的效率则意味着发出相同的功率，需要的燃料更少，具有更好的经济性。为了提高动力循环的经济性，地面发电用的燃气轮机往往采用燃气蒸汽联合循环的形式，即燃气轮机循环作为顶循环，耦合蒸汽轮机循环作为底循环，充分利用燃气轮机的排气所具有的热量，这样燃气蒸汽联合循环的热效率就会超过60％，远高于单独的燃气轮机循环和蒸汽轮机循环。然而对于现有的燃气蒸汽联合循环来说，如何进一步提高其输出功率和循环效率仍然是一个亟待解决问题。
当然，单独提高燃气轮机循环或者蒸汽轮机循环的性能一般均能提高联合循环的性能，目前也已经存在一些技术，比如在燃气轮机进口通过喷水加湿，降低燃气轮机进气温度，降低压缩机耗功，提高燃气轮机输出功率和效率，在蒸汽轮机循环的水侧通过回热等等，提高蒸汽轮机的性能。
然而，通过燃气轮机进口喷水加湿的技术方案具有明显的局限性，比如只能在干燥高温的进气环境下使用，而对于高温高湿环境，此技术则无能为力。在燃气轮机进口布置制冷系统可以在高温高湿环境下降低压气机耗功，提高循环性能，但是其系统复杂，不便于进一步提高循环性能，并且各系统均有独立的放热部件，热量不能更大限度地充分利用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统及其工作方法，能够显著提高燃气-蒸汽联合循环的输出功率和循环效率，且不受环境湿度的影响。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，包括压气机、燃烧室、燃气透平、燃气轮机发电机、余热锅炉、蒸汽透平、蒸汽轮机发电机、水蒸汽冷凝器、锅炉给水泵、压缩机、机械制冷冷凝器、机械制冷节流阀、机械制冷蒸发器、吸收制冷热源换热器、吸收制冷冷凝器、吸收制冷节流阀和吸收制冷蒸发器；
压气机与燃烧室连接，燃烧室与燃气透平连接，燃气透平与燃气轮机发电机连接，同时燃气透平的烟气出口与余热锅炉连接；余热锅炉的蒸汽出口与蒸汽透平连接，蒸汽透平与蒸汽轮机发电机连接，蒸汽轮机发电机与压缩机连接；蒸汽透平的蒸汽出口与水蒸汽冷凝器连接，水蒸汽冷凝器经吸收制冷冷凝器的热侧和机械制冷冷凝器热侧与锅炉给水泵连接，锅炉给水泵与余热锅炉的进水口连接；机械制冷冷凝器热侧出口与机械制冷节流阀连接，机械制冷节流阀与机械制冷蒸发器的工质入口连接，机械制冷蒸发器的工质出口与设置在余热锅炉内部的吸收制冷热源换热器连接，吸收制冷热源换热器经吸收制冷冷凝器的热侧与吸收制冷节流阀连接，吸收制冷节流阀与吸收制冷蒸发器的工质入口连接，吸收制冷蒸发器的工质出口与压缩机连接，压缩机与机械制冷冷凝器热侧入口连接；吸收制冷蒸发器的热侧入口连接有空气源，吸收制冷蒸发器的热侧出口与机械制冷蒸发器的热侧入口连接，机械制冷蒸发器的热侧出口与压气机连接。
优选地，蒸汽透平与压缩机同轴布置。
优选地，在水蒸汽冷凝器与锅炉给水泵之间，机械制冷冷凝器位于吸收制冷冷凝器的下游。
优选地，在气源与压气机之间，机械制冷蒸发器位于吸收制冷蒸发器的下游。
优选地，吸收制冷热源换热器为表面式换热器。
优选地，吸收制冷热源换热器设在余热锅炉的中低温区。
本发明公开的上述提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统的工作方法，包括：
吸收制冷热源换热器在余热锅炉中吸收热量，驱动吸收制冷冷凝器和吸收制冷节流阀，使吸收制冷蒸发器达到第一制冷温度；压缩机从蒸汽透平获得轴功，驱动机械制冷冷凝器和机械制冷节流阀，使机械制冷蒸发器达到第二制冷温度；来自空气源的空气进入吸收制冷蒸发器，在第一制冷温度的作用下降至第一工作温度，再进入机械制冷蒸发器，在第二制冷温度的作用下降至第二工作温度，然后进入压气机压缩后进入燃烧室燃烧加热，生成的高温燃气进入燃气透平做功，驱动燃气轮机发电机发电后，进入余热锅炉与吸收制冷热源换热器换热后排出；余热锅炉生成的高温蒸汽进入蒸汽透平做功，驱动蒸汽轮机发电机发电后进入水蒸汽冷凝器，冷凝后经吸收制冷冷凝器和机械制冷冷凝器吸热后，在锅炉给水泵的作用下进入余热锅炉。
优选地，第一制冷温度≥9℃，第一工作温度为15℃。
优选地，第二制冷温度≥1℃，第二工作温度为5℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的一种提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，在燃气-蒸汽热力系统内引入机械制冷系统和吸收制冷系统，吸收制冷系统的热源换热器从余热锅炉中获得热量，驱动吸收制冷系统，利用吸收制冷蒸发器初步降低进入系统的空气温度；机械制冷系统的压缩机从蒸汽轮机循环系统的蒸汽透平获得轴功，驱动机械制冷系统，利用机械制冷系统蒸发器进一步降低空气的温度。燃气轮机压气机的进气温度大幅降低，其耗功大幅降低，同时气体密度增加，压气机的质量流量增加，有利于提高燃气轮机的输出功率，且不受环境湿度的影响，不但可用于高温干燥环境，而且还可用于高温高湿环境。另外，吸收制冷冷凝器和机械制冷冷凝器放出的热量能够被蒸汽轮机循环的冷凝水吸收，避免了热量的浪费、降低了能耗。
进一步地，蒸汽透平与压缩机同轴布置，能够用蒸汽透平发出的部分机械功驱动机械制冷压缩机，避免直接采用其发出的电能驱动，省去中间环节，降低了能量转换时的消耗，提高了能量利用效率。
进一步地，在水蒸汽冷凝器与锅炉给水泵之间，机械制冷冷凝器位于吸收制冷冷凝器的下游，可以逐步加热水蒸气冷凝器出口的冷凝水，使其逐步升温，避免常规的吸收制冷冷凝器和机械制冷冷凝器要向外界环境放热，有效利用其放热量，提高汽轮机的回热效果，提高了能量利用效率。
进一步地，在气源与压气机之间，机械制冷蒸发器位于吸收制冷蒸发器的下游，利用机械制冷蒸发器的工作温度比吸收制冷蒸发器更低的特点，空气首先经过吸收制冷蒸发器降温后，再进入机械制冷蒸发器进一步降温，经两次逐级降温，使得压气机进口温度大幅降低，进气密度提高，质量流量增大，燃气轮机的输出功率增大，同时压气机进口温度降低，耗功减少，整个燃气轮机的循环效率提高。
进一步地，吸收制冷热源换热器采用表面式换热器，结构简单、便于布置，且能耗低。
本发明公开的上述提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统的工作方法，能够显著提高燃气-蒸汽联合循环的输出功率和循环效率，且不受环境湿度的影响；系统内的能量利用率高、能耗小。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图中：1为压气机，2为燃烧室，3为燃气透平，4为燃气轮机发电机，5为余热锅炉，6为蒸汽透平，7为蒸汽轮机发电机，8为水蒸汽冷凝器，9为锅炉给水泵，10为压缩机，11为机械制冷冷凝器，12为机械制冷节流阀，13为机械制冷蒸发器，14为吸收制冷热源换热器，15为吸收制冷冷凝器，16为吸收制冷节流阀，17为吸收制冷蒸发器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
燃气轮机按照应用领域分类，主要有地面发电或拖动用的重型燃气轮机，以及航空推进用的航空发动机。本发明的技术主要涉及的是地面发电用的重型燃气轮机。
图1为本发明的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，包括压气机1、燃烧室2、燃气透平3、燃气轮机发电机4、余热锅炉5、蒸汽透平6、蒸汽轮机发电机7、水蒸汽冷凝器8、锅炉给水泵9、压缩机10、机械制冷冷凝器11、机械制冷节流阀12、机械制冷蒸发器13、吸收制冷热源换热器14、吸收制冷冷凝器15、吸收制冷节流阀16和吸收制冷蒸发器17；
压气机1与燃烧室2连接，燃烧室2与燃气透平3连接，燃气透平3与燃气轮机发电机4连接，同时燃气透平3的烟气出口与余热锅炉5连接；余热锅炉5的蒸汽出口与蒸汽透平6连接，蒸汽透平6与蒸汽轮机发电机7连接，蒸汽轮机发电机7与压缩机10连接，蒸汽透平6与压缩机10同轴布置；蒸汽透平6的蒸汽出口与水蒸汽冷凝器8连接，水蒸汽冷凝器8经吸收制冷冷凝器15的热侧和机械制冷冷凝器11热侧与锅炉给水泵9连接，锅炉给水泵9与余热锅炉5的进水口连接，机械制冷冷凝器11位于吸收制冷冷凝器15的下游；机械制冷冷凝器11热侧出口与机械制冷节流阀12连接，机械制冷节流阀12与机械制冷蒸发器13的工质入口连接，机械制冷蒸发器13的工质出口与设置在余热锅炉5内部的吸收制冷热源换热器14连接，吸收制冷热源换热器14经吸收制冷冷凝器15的热侧与吸收制冷节流阀16连接，吸收制冷节流阀16与吸收制冷蒸发器17的工质入口连接，吸收制冷蒸发器17的工质出口与压缩机10连接，压缩机10与机械制冷冷凝器11热侧入口连接；吸收制冷蒸发器17的热侧入口连接有空气源，吸收制冷蒸发器17的热侧出口与机械制冷蒸发器13的热侧入口连接，机械制冷蒸发器13的热侧出口与压气机1连接，机械制冷蒸发器13位于吸收制冷蒸发器17的下游。
在本发明的一个较优的实施例中，吸收制冷热源换热器14采用表面式换热器。
在本发明的一个较优的实施例中，吸收制冷热源换热器14设在余热锅炉5的中低温区。
上述提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统的工作方法：
吸收制冷热源换热器14在余热锅炉5中吸收热量，驱动吸收制冷冷凝器15和吸收制冷节流阀16，使吸收制冷蒸发器17产生不低于9℃的工作温度；压缩机10从蒸汽透平6获得轴功，驱动机械制冷冷凝器11和机械制冷节流阀12，使机械制冷蒸发器13产生不低于1℃的工作温度；来自空气源的空气进入吸收制冷蒸发器17，降至15℃左右，再进入机械制冷蒸发器13，降至5℃左右，然后进入压气机1压缩后进入燃烧室2燃烧加热，生成的高温燃气进入燃气透平3做功，驱动燃气轮机发电机4发电后，进入余热锅炉5与吸收制冷热源换热器14换热后排出；余热锅炉5生成的高温蒸汽进入蒸汽透平6做功，驱动蒸汽轮机发电机7发电后进入水蒸汽冷凝器8，冷凝后经吸收制冷冷凝器15和机械制冷冷凝器11吸热后，在锅炉给水泵9的作用下进入余热锅炉5。
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。
Claims (9)
1.一种提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，其特征在于，包括压气机(1)、燃烧室(2)、燃气透平(3)、燃气轮机发电机(4)、余热锅炉(5)、蒸汽透平(6)、蒸汽轮机发电机(7)、水蒸汽冷凝器(8)、锅炉给水泵(9)、压缩机(10)、机械制冷冷凝器(11)、机械制冷节流阀(12)、机械制冷蒸发器(13)、吸收制冷热源换热器(14)、吸收制冷冷凝器(15)、吸收制冷节流阀(16)和吸收制冷蒸发器(17)；
压气机(1)与燃烧室(2)连接，燃烧室(2)与燃气透平(3)连接，燃气透平(3)与燃气轮机发电机(4)连接，同时燃气透平(3)的烟气出口与余热锅炉(5)连接；余热锅炉(5)的蒸汽出口与蒸汽透平(6)连接，蒸汽透平(6)与蒸汽轮机发电机(7)连接，蒸汽轮机发电机(7)与压缩机(10)连接；蒸汽透平(6)的蒸汽出口与水蒸汽冷凝器(8)连接，水蒸汽冷凝器(8)经吸收制冷冷凝器(15)的热侧和机械制冷冷凝器(11)热侧与锅炉给水泵(9)连接，锅炉给水泵(9)与余热锅炉(5)的进水口连接；机械制冷冷凝器(11)热侧出口与机械制冷节流阀(12)连接，机械制冷节流阀(12)与机械制冷蒸发器(13)的工质入口连接，机械制冷蒸发器(13)的工质出口与设置在余热锅炉(5)内部的吸收制冷热源换热器(14)连接，吸收制冷热源换热器(14)经吸收制冷冷凝器(15)的热侧与吸收制冷节流阀(16)连接，吸收制冷节流阀(16)与吸收制冷蒸发器(17)的工质入口连接，吸收制冷蒸发器(17)的工质出口与压缩机(10)连接，压缩机(10)与机械制冷冷凝器(11)热侧入口连接；吸收制冷蒸发器(17)的热侧入口连接有空气源，吸收制冷蒸发器(17)的热侧出口与机械制冷蒸发器(13)的热侧入口连接，机械制冷蒸发器(13)的热侧出口与压气机(1)连接。
2.根据权利要求1所述的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，其特征在于，蒸汽透平(6)与压缩机(10)同轴布置。
3.根据权利要求1所述的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，其特征在于，在水蒸汽冷凝器(8)与锅炉给水泵(9)之间，机械制冷冷凝器(11)位于吸收制冷冷凝器(15)的下游。
4.根据权利要求1所述的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，其特征在于，在气源与压气机(1)之间，机械制冷蒸发器(13)位于吸收制冷蒸发器(17)的下游。
5.根据权利要求1所述的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，其特征在于，吸收制冷热源换热器(14)为表面式换热器。
6.根据权利要求1所述的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统，其特征在于，吸收制冷热源换热器(14)设在余热锅炉(5)的中低温区。
7.根据权利要求1～6任意一项所述的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统的工作方法，其特征在于，包括：
吸收制冷热源换热器(14)在余热锅炉(5)中吸收热量，驱动吸收制冷冷凝器(15)和吸收制冷节流阀(16)，使吸收制冷蒸发器(17)达到第一制冷温度；压缩机(10)从蒸汽透平(6)获得轴功，驱动机械制冷冷凝器(11)和机械制冷节流阀(12)，使机械制冷蒸发器(13)达到第二制冷温度；来自空气源的空气进入吸收制冷蒸发器(17)，在第一制冷温度的作用下降至第一工作温度，再进入机械制冷蒸发器(13)，在第二制冷温度的作用下降至第二工作温度，然后进入压气机(1)压缩后进入燃烧室(2)燃烧加热，生成的高温燃气进入燃气透平(3)做功，驱动燃气轮机发电机(4)发电后，进入余热锅炉(5)与吸收制冷热源换热器(14)换热后排出；余热锅炉(5)生成的高温蒸汽进入蒸汽透平(6)做功，驱动蒸汽轮机发电机(7)发电后进入水蒸汽冷凝器(8)，冷凝后经吸收制冷冷凝器(15)和机械制冷冷凝器(11)吸热后，在锅炉给水泵(9)的作用下进入余热锅炉(5)。
8.根据权利要求7所述的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统的工作方法，其特征在于，第一制冷温度≥9℃，第一工作温度为15℃。
9.根据权利要求7所述的提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统的工作方法，其特征在于，第二制冷温度≥1℃，第二工作温度为5℃。
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| CN202210057002.9A CN114412600B (zh) | 2022-01-18 | 2022-01-18 | 一种提高燃气-蒸汽联合循环性能的热力系统及其工作方法 |
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| JPH1030407A (ja) * | 1996-07-18 | 1998-02-03 | Toshiba Corp | コンバインドサイクル発電プラント |
| JP2001132475A (ja) * | 1999-11-10 | 2001-05-15 | Chiyoda Corp | 蒸気・ガスタービン複合サイクルによる発電システム |
| RU2008109457A (ru) * | 2008-03-11 | 2009-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университе | Парогазовая установка электростанции |
| CN105019956A (zh) * | 2015-07-14 | 2015-11-04 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | 一种燃气-蒸汽联合循环发电余热利用系统 |
| CN113153473A (zh) * | 2021-04-19 | 2021-07-23 | 西安交通大学 | 一种压缩空气与燃气蒸汽循环集成的调峰系统及其运行方法 |
-
2022
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH1030407A (ja) * | 1996-07-18 | 1998-02-03 | Toshiba Corp | コンバインドサイクル発電プラント |
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 燃气-蒸汽联合循环系统的能量分析及火用分析;方月兰;;应用能源技术(第01期);全文 * |
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