CN114483307A - 一种氢燃料燃气轮机的效率提升系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢燃料燃气轮机的效率提升系统及控制方法，通过设置至少一个换热部，该换热部用于将低温氢气内的冷能引出并对燃气轮机内参与做功的气体进行冷却，换热后降温的气体可提升燃气轮机的效率；并进一步设置了直通组件，可控制低温氢气是流通至与换热部换热或是绕过换热部继续流通，实现了低温氢气是否进行换热的控制；同时，换热后的低温氢气在吸热后，温度提升，进入燃气轮机的燃烧室时，燃烧效率也可进一步提升，从而提升燃气轮机的整体效率，解决了利用高压储氢或者深冷液态氢作为氢来源时提供的氢气温度较低，导致进入燃气轮机燃烧室燃烧则需要吸收一部分燃烧释放的热量，由此使得燃气轮机效率降低的技术问题。

Description

一种氢燃料燃气轮机的效率提升系统及控制方法

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，尤其涉及一种氢燃料燃气轮机的效率提 升系统及控制方法。

背景技术

艾克竣电力系统股份有限公司在CN201080050795.7中公开了一种热力 发动机和热电系统及方法。热力发动机(本文可选地还称为“热机”、“发电 装置”、“废热回收系统”和“热回收系统”、“热电系统”)利用一种热力循环， 该热力循环具有与所选取的工作流体(例如二氧化碳)组合的朗肯热力循环 的元件以从广泛的热源产生电力。通过“热机”或“热力发动机”，通常指 的是执行热力循环的成套设备；通过“热回收系统”，通常指的是热机与其他 设备协作以将热量(从任何源)传送给本热机和从热机中移除热量。废热回 收系统利用在工作流体回路中的工作流体执行热力循环，工作流体回路具有 高压侧和低压侧。在工作流体回路中的系统部件包括：

废热交换器，废热交换器与也连接到工作流体回路上的废热源热连通， 从而将热能从废热源传递给在工作流体回路中的所述工作流体；

膨胀器，膨胀器设置在工作流体回路的高压侧与低压侧之间，膨胀器可 操作以将工作流体的压降/焓降转化为机械能,并且，发电机磁联接至该膨胀 器，使其具有发电功能；

换热器，换热器位于工作流体回路中，换热器可操作以在工作流体回路 的高压侧与所述低压侧之间传递热能；

冷却器，冷却器与工作流体回路的低压侧热连通，冷却器可操作以控制 在工作流体回路的低压侧中的工作流体的温度；

泵，泵位于工作流体回路中且连接至工作流体回路的低压侧和高压侧， 并且可操作以使工作流体移动穿过所述工作流体回路；

以及质量管理系统，质量管理系统连接至工作流体回路，质量管理系统 具有连接到工作流体回路的低压侧上的工作流体容器。

虽然该提案给出一种提升效率的原理，但是，在燃气轮机进行效率提升 时依旧碰到以下问题：高压储氢压力一般为35Mpa和70MPa，温度为室温， 氢燃气轮机燃烧所需的氢气压力一般为1Mpa。因此，如果要利用高压储氢 罐中的氢气，必须减压，而减压过程中，氢气温度会越来越低，如果直接进 入燃气轮机燃烧室燃烧则需要吸收一部分燃烧释放的热量，从而降低了燃气 轮机效率。

发明内容

本发明提供一种氢燃料燃气轮机的效率提升系统及控制方法，以解决利 用高压储氢或者深冷液态氢作为氢来源时提供的氢气温度较低，导致进入燃 气轮机燃烧室燃烧则需要吸收一部分燃烧释放的热量，由此使得燃气轮机效 率降低的技术问题。。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

本发明的一种氢燃料燃气轮机的效率提升系统，包括：

燃气轮机；

氢燃料提供部，用于输出低温氢气；

燃料管路，所述燃料管路的首端和尾端分别连通于所述氢燃料提供部的 输出端和所述燃气轮机的燃料输入端；

至少一个换热部，所述换热部的冷能吸收端与所述燃料管路耦合换热， 所述换热部的冷能释放端与所述燃气轮机中参与做功的气体耦合换热，用于 利用所述燃料管路内的低温氢气的冷能对所述燃气轮机的气体进行冷却，冷 却得到的低温气体用于提升燃气轮机的效率，吸热后的所述低温氢气用于提 升所述燃气轮机的燃烧效率；

至少一个直通组件，与所述换热部一一对应，分别连通于所述燃料管路 位于对应所述换热部的上游和下游，用于控制所述燃料管路内的所述低温氢 气流通至所述换热部的冷能吸收端换热或绕过所述换热部继续流通。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述换热部包括至少一个中 间介质换热部和至少一个抽气换热部；

其中，所述抽气换热部的抽气端和送气端分别与所述燃气轮机连通，所 述抽气换热部的冷能吸收端与所述燃料管路耦合换热，用于将所述燃气轮机 内的气体抽出与所述燃料管路内的低温氢气换热后形成低温气体并输送回所 述燃气轮机。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述抽气换热部包括抽气管 路和换热器；

所述抽气管路的首端和尾端分别连通于所述燃气轮机内气路的上游和下 游；

所述换热器的冷能吸收端与所述燃料管路耦合换热，所述换热器的冷能 释放端与所述抽气管路耦合换热。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述换热器为中间介质换热 器。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述直通组件包括直通管路 和控制单元；

所述直通管路的首尾两端分别连通于所述燃料管路位于与对应所述换热 部的耦合换热位置的上游和下游；

所述控制单元设于所述直通管路或所述燃料管路位于与对应所述换热部 的耦合换热位置的上游，用于控制所述低温氢气的流通方向。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述控制单元为三通阀，所 述三通阀设于对应所述换热部的耦合换热位置的上游。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，还包括电加热部；所述电加 热部设于所述燃料管路的尾端，用于在所述燃气轮机启动时加热所述低温氢 气。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述中间介质换热部为所述 压气机进气换热部；

所述压气机进气换热部包括中间介质循环管路、第一换热器、和第二换 热器；

所述第一换热器设于所述燃气轮机上游的压气机进气口；所述第二换热 器设于所述燃料管路上；

所述中间介质循环管路分别与所述第一换热器和所述第二换热器耦合。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，沿所述燃料管路的首端至尾 端，所述抽气换热部分别为压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部、 燃烧室冷却气换热部。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述压气机级间换热部包括 第一抽气管路和第一中间介质换热器；

所述第一抽气管路的首端和尾端分别连通于所述压气机级间的上游和下 游；

所述第一中间介质换热器的冷能吸收端与所述燃气管路耦合换热，所述 第一中间介质换热器的冷能释放端与所述第一抽气管路耦合换热。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，燃气轮机透平冷却气换热部 包括第二抽气管路和第二中间介质换热器；

所述第二抽气管路的首端连通于所述燃气轮机的气体输入端或所述压气 机的输出端，所述第二抽气管路的尾端连通于位于所述燃气轮机下游的燃气 轮机透平的冷却气输入端；

所述第二中间介质换热器的冷能吸收端与所述燃气管路耦合换热，所述 第二中间介质换热器的冷能释放端与所述第二抽气管路耦合。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述燃烧室冷却气换热部包 括第三抽气管路和第三中间介质换热器；

所述第三抽气管路的首端连通于所述燃气轮机的气体输入端或所述压气 机的输出端，所述第三抽气管路的尾端连通于所述燃气轮机的燃烧筒冷却气 输入端；

所述第三中间介质换热器的冷能吸收端与所述燃气管路耦合换热，所述 第三中间介质换热器的冷能释放端与所述第三抽气管路耦合。

本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述氢燃料提供部为深冷液 态氢提供部或高压氢气提供部；

其中，所述深冷液态氢提供部包括深冷液态氢存储单元和液氢泵，所述 深冷液态氢存储单元的输出端连通于所述燃料管路的输入端，所述液氢泵设 于所述燃料管路且位于所述换热部的上游；

所述高压氢气部包括高压储氢单元和透平，所述高压储氢单元的输出端 连通于所述燃料管路的输入端，所述透平设于所述燃料管路且位于所述换热 部的上游。

本发明的一种控制方法，应用于上述任意一项所述的氢燃料燃气轮机的 效率提升系统，所述换热部包括依次沿所述燃料管路设置的压气机进气换热 部、压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部， 步骤如下：

步骤S1：启动所述燃气轮机；

步骤S2：所述燃气轮机达到第一工作状态；此时，所述压气机进气换热 部、压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部 均处于不工作状态；

步骤S3：判断所述燃气轮机在所述第一工作状态是否稳定运行；如是则 进行下一步，如否则回退至步骤S2；

步骤S4：控制压气机进气换热部和压气机级间换热部开启并开始工作， 控制燃气轮机透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部关闭并不工作；

步骤S5：判断所述燃气轮机是否稳定运行；如是则达到第二工作状态， 如否则回退至步骤S2；

步骤S6：判断所述燃气轮机是否有瞬时大负荷需求；如是则进行下一步， 如否则回退至步骤S5；

步骤S7：控制压气机进气换热部和压气机级间换热部关闭并停止工作， 控制燃气轮机透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部开启并开始工作；

步骤S8：判断所述燃气轮机是否稳定运行；如是则达到第三工作状态， 如否则回退至步骤S2。

本发明的控制方法，所述燃气轮机还包括设于所述燃料管路上的电加热 部；

在所述步骤S1和所述第一工作状态时，所述电加热部开启；

在所述第二工作状态和所述第三工作状态时，所述电加热部关闭。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和 积极效果：

1、现有氢燃气轮机燃烧所需的氢气压力一般为1Mpa，而以高压储氢或 深冷液态氢作为氢气的来源时，转化为所需条件的气态氢气，温度也会极低， 而本发明一实施例通过设置至少一个换热部，该换热部用于将低温氢气内的 冷能引出并对燃气轮机内参与做功的气体进行冷却，换热后降温的气体可提 升燃气轮机的效率；并进一步设置了直通组件，可控制低温氢气是流通至与 换热部换热或是绕过换热部继续流通，实现了低温氢气是否进行换热的控制； 同时，换热后的低温氢气在吸热后，温度提升，进入燃气轮机的燃烧室时， 燃烧效率也可进一步提升，从而提升燃气轮机的整体效率，解决了利用高压 储氢或者深冷液态氢作为氢来源时提供的氢气温度较低，导致进入燃气轮机 燃烧室燃烧则需要吸收一部分燃烧释放的热量，由此使得燃气轮机效率降低 的技术问题。

2、本发明一实施例通过分别设置沿燃料管路内低温氢气的流动方向依次 设置的压气机进气换热部、压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部 和燃烧室冷却气换热部，根据对冷源(即低温氢气的温度)的温度要求由低 到高进行排列，通过阶梯式的冷却合理利用冷源，从而进一步提升燃气轮机 的效率；同时，低温氢气经过多次换热，在进入燃气轮机的燃料入口时的温 度也会更高，进一步提高燃烧效率。

3、本发明一实施例通过在换热部的基础上对应设置包括有直通管路和控 制单元的直通组件，由控制单元控制该处的低温氢气是通过换热部进行换热， 还是通过直通管路直接略过换热部进入下一部分，实现了可控化，可根据实 际运行需要等因素关闭其中任意一个换热过程，灵活调整。

附图说明

图1为本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统的示意图；

图2为本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统的放大示意图；

图3为本发明的氢燃料燃气轮机的效率提升系统的焓熵图；

图4为本发明的控制方法的流程图。

附图标记说明：1：燃气轮机；2：压气机；3：燃气轮机透平；4：高压 储氢单元；5：透平；6：燃料管路；7：第一换热器；8：中间介质循环管路； 9：第二换热器；10：第一中间介质换热器；11：第一抽气管路；12：第二中 间介质换热器；13：第二抽气管路；14：第三中间介质换热器；15：第三抽 气管路；16：电加热部；17：第一三通阀；18：第二三通阀；19：第三三通 阀；20：第四三通阀；21：第一直通管路；22：第二直通管路；23：第三直 通管路；24：第四直通管路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种氢燃料燃气轮机的效率 提升系统及控制方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发 明的优点和特征将更清楚。

参看图1，在一个实施例中，一种氢燃料燃气轮机的效率提升系统，包 括燃气轮机1、氢燃料提供部、燃料管路6和至少一个换热部；

其中，氢燃料提供部用于输出低温氢气。燃料管路6的首端和尾端分别 连通于氢燃料提供部的输出端和燃气轮机1的燃料输入端。

至少一个换热部，换热部的冷能吸收端与燃料管路6耦合换热，换热部 的冷能释放端与燃气轮机1中参与做功的气体耦合换热，用于利用燃料管路 6内的低温氢气的冷能对燃气轮机1的气体进行冷却，冷却得到的低温气体 用于提升燃气轮机1的效率，吸热后的低温氢气用于提升燃气轮机1的燃烧 效率。

至少一个直通组件，与换热部一一对应，分别连通于燃料管路6位于对 应换热部的上游和下游，用于控制燃料管路6内的低温氢气流通至换热部的 冷能吸收端换热或绕过换热部继续流通。

现有氢燃气轮机燃烧所需的氢气压力一般为1Mpa，而以高压储氢或深 冷液态氢作为氢气的来源时，转化为所需条件的气态氢气，温度也会极低， 而本发明一实施例通过设置至少一个换热部，该换热部用于将低温氢气内的 冷能引出并对燃气轮机内参与做功的气体进行冷却，换热后降温的气体可提 升燃气轮机的效率；并进一步设置了直通组件，可控制低温氢气是流通至与 换热部换热或是绕过换热部继续流通，实现了低温氢气是否进行换热的控制； 同时，换热后的低温氢气在吸热后，温度提升，进入燃气轮机的燃烧室时， 燃烧效率也可进一步提升，从而提升燃气轮机的整体效率，解决了利用高压 储氢或者深冷液态氢作为氢来源时提供的氢气温度较低，导致进入燃气轮机 燃烧室燃烧则需要吸收一部分燃烧释放的热量，由此使得燃气轮机效率降低 的技术问题。同时，将氢气升温和燃气轮机1的冷量需求合理结合，可有效 优化燃气轮机1结构安全性和寿命。

进一步地，换热部包括至少一个中间介质换热部和至少一个抽气换热部。

其中，中间介质换热部是通过中间介质将低温氢气中的冷能进行传递的。 而抽气换热部则是抽气端和送气端分别与燃气轮机1连通，抽气换热部的冷 能吸收端与燃料管路6耦合换热，用于将燃气轮机1内的气体抽出与燃料管 路6内的低温氢气换热后形成低温气体并输送回燃气轮机1。

具体地，抽气换热部可包括抽气管路和换热器。其中，抽气管路的首端 和尾端分别连通于燃气轮机1内气路的上游和下游。换热器的冷能吸收端与 燃料管路6耦合换热，换热器的冷能释放端与抽气管路耦合换热，即抽气管 路内从燃气轮机1内被抽出的气体可通过中间介质传递热量与燃料管路6内 的低温氢气进行换热。

具体地，换热器可为中间介质换热器，即采用中间冷却的形式，整个系 统中氢气不直接用于冷却，可降低氢气使用过程中泄露的风险，安全性高。

在本实施例中，氢燃料燃气轮机的效率提升系统还可包括与上述换热部 对应的至少一个直通组件，该直通组件可包括直通管路和控制单元。

其中，直通管路的首尾两端分别连通于燃料管路6位于与对应换热部的 耦合换热位置的上游和下游。控制单元设于直通管路或燃料管路6位于与对 应换热部的耦合换热位置的上游，用于控制低温氢气的流通方向，即是流向 换热部方向还是通过直通管路绕过该对应换热部。

在本实施例中，氢燃料燃气轮机的效率提升系统还可包括一电加热部16。 电加热部16设于燃料管路6的尾端，用于在燃气轮机1启动时加热低温氢气， 由于燃气轮机1在启动时并没有高温气体产生，故此时无法通过抽气换热的 形式对低温氢气进行升温，因此设置一电加热部16，可加热启动时进入燃气 轮机1的低温氢气。

下面以一个具体实例对氢燃料燃气轮机的效率提升系统进行进一步说明：

在本实施例中，中间介质换热部可为压气机进气换热部。抽气换热部可 分别为压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部、燃烧室冷却气换热 部。

沿燃料管路6的首端至尾端，分布方式为压气机进气换热部、压气机级 间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部、燃烧室冷却气换热部。

通过分别将换热部设置为沿燃料管路6内低温氢气的流动方向依次设置 的压气机进气换热部、压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部和燃 烧室冷却气换热部，根据对冷源(即低温氢气的温度)的温度要求由低到高 进行排列，通过阶梯式的冷却合理利用冷源，从而进一步提升燃气轮机1的 效率；同时，低温氢气经过多次换热，在进入燃气轮机1的燃料入口时的温 度也会更高，进一步提高燃烧效率。

在本实施例中，压气机进气换热部具体可包括中间介质循环管路8、第 一换热器7和第二换热器9。

第一换热器7设于燃气轮机1上游的压气机2进气口，所述第二换热器 9设于所述燃料管路6上。中间介质循环管路8分别与第一换热器7和第二 换热器9耦合。即通过中间介质(例如丙烷)将燃料管路6内的冷能传递至 压气机2的进气口，从而对进气口处的空气进行降温。换热结束后，氢气温 度升高，压气机2进气口空气被降温，相比于常温15℃的进口温度，此时效 率可显著提升。

压气机级间换热部具体可包括第一抽气管路11和第一中间介质换热器 10。

第一抽气管路11的首端和尾端分别连通于压气机2级间的上游和下游。 第一中间介质换热器10的冷能吸收端与燃气管路耦合换热，第一中间介质换 热器10的冷能释放端与第一抽气管路11耦合换热。多级压气机2效率与耗 功与其入口处温度有关，温度越高压缩功越高、效率越低，若采用级间冷却 技术，即在压气机2中间某一级将气体引出与中间介质(如丙烷)换热，中 间介质再与氢气换热，气体降温再送入下一级，可以提升压气机2效率、降 低压缩耗功，从而提升燃气轮机1的效率。

燃气轮机透平冷却气换热部包括第二抽气管路13和第二中间介质换热 器12。

第二抽气管路13的首端连通于燃气轮机1的气体输入端或压气机2的输 出端，第二抽气管路13的尾端连通于位于燃气轮机1下游的燃气轮机透平3 的冷却气输入端。第二中间介质换热器12的冷能吸收端与燃气管路耦合换热， 第二中间介质换热器12的冷能释放端与第二抽气管路13耦合。燃气轮机1 的气体输入端或压气机2的输出端处的高压气体被抽出至第二中间介质换热 器12并被降温，降温后的高压气体被第二抽气管路13输送至燃气轮机透平 3的冷却气输入端，从而进入燃气轮机透平3进行降温。燃气轮机透平3中 高压段的气流温度一般高于叶片材料许用温度，需要引入二次空气对叶片进 行冷却。本实施例采用将二次空气流路引出燃气轮机1与中间介质换热，中 间介质再与氢气换热，气体换热降温，再送入燃气轮机透平3中，可以提升 冷却效果降低叶片温度提升寿命；或者降低二次空气消耗量或者提升燃气轮 机透平3入口温度，二者皆可提升燃气轮机1效率。

其中，第二抽气管路13上可设置流量阀，从而控制抽气流量。如图3 所示，透平冷却气进入静叶冷却后，直接通过小气孔排出。

燃烧室冷却气换热部包括第三抽气管路15和第三中间介质换热器14。

第三抽气管路15的首端连通于燃气轮机1的气体输入端或压气机2的输 出端，第三抽气管路15的尾端连通于燃气轮机1的燃烧筒冷却气输入端。第 三中间介质换热器14的冷能吸收端与燃气管路耦合换热，第三中间介质换热 器14的冷能释放端与第三抽气管路15耦合。燃烧室中的燃烧筒直接包裹高 温烟气，高温烟气的温度一般高于燃烧筒的许用温度，需要引入冷却空气对 其冷却。若将燃烧室入口气体引出与中间介质换热，中间介质再与氢气换热， 气体降温后，再送入燃烧室中冷却燃烧筒，可以提升冷却效果降低燃烧筒温度提升寿命；或者降低冷却空气消耗量或者提升燃气轮机透平3入口温度， 二者皆可提升燃气轮机1效率。其中，第三抽气管路15上也可设置流量阀， 从而控制抽气流量。

同时，燃料管路6内的低温氢气在经过分别与中间介质循环管路8、第 一抽气管路11、第二抽气管路13和第三抽气管路15内的抽气换热后，使得 氢气温度达到最高，并进入燃烧室内燃烧，使得进入燃烧室的氢气不会吸收 燃烧释放的热量，提高了燃气轮机1效率。

在本实施例中，上述的控制单元为三通阀，三通阀设于燃料管路6对应 换热部的耦合换热位置的上游。且分别为对应设于第二换热器9、第一中间 介质换热器10、第二中间介质换热器12和第三中间介质换热器14上游的第 一三通阀17、第二三通阀18、第三三通阀19和第四三通阀20。直通管路则 可分分别为对应的第一直通管路21、第二直通管路22、第三直通管路23和 第四直通管路24。

即第一直通管路21的两端分别连通于第一三通阀17和燃料管路6位于 第二换热器9的下游位置；第二直通管路22的两端分别连通于第二三通阀18和燃料管路6位于第一中间介质换热器10的下游位置；第三直通管路23 的两端分别连通于第三三通阀19和燃料管路6位于第二中间介质换热器12 的下游位置；第四直通管路24的两端分别连通于第四三通阀20和燃料管路 6位于第三中间介质换热器14的下游位置。

通过在换热部的基础上对应设置包括有直通管路和三通阀的直通组件， 由三通阀控制该处的低温氢气是通过换热部进行换热，还是通过直通管路直 接略过换热部进入下一部分，实现了可控化，可根据实际运行需要等因素关 闭其中任意一个换热过程，灵活调整。

在本实施例中，氢燃料提供部为深冷液态氢提供部或高压氢气提供部。

其中，深冷液态氢提供部包括深冷液态氢存储单元和液氢泵，深冷液态 氢存储单元的输出端连通于燃料管路6的输入端，液氢泵设于燃料管路6且 位于换热部的上游。

高压氢气部包括高压储氢单元4和透平5，高压储氢单元4的输出端连 通于燃料管路6的输入端，透平5设于燃料管路6且位于换热部的上游。

由于正常氢燃气轮机1燃烧所需的气态氢压力一般为1Mpa。

当为深冷液态氢提供部时，可包括深冷液态氢存储单元和液氢泵。如果 要使用深冷液态氢作为燃料，必须加压后气化或气化后加压。由于深冷液态 氢温度很低，即便气化后依旧保有大量冷能，可设置多个换热部，一方面用 来对抽燃气轮机内的气体进行冷却，另一方面可提升氢气温度，提高燃气轮 机1效率。

当为高压氢气提供部时，则可包括高压储氢单元4和透平5，由透平5 对高压氢气进行减压，而减压过程中，氢气温度会越来越低，如果直接进入 燃气轮机1燃烧室燃烧则需要吸收一部分燃烧释放的热量，从而降低了燃气 轮机1效率，因此同样可设置多个换热部，一方面用来对燃气轮机内的气体 进行冷却，另一方面可提升氢气温度，提高燃气轮机1效率。

如图2所示，为本实施例的燃气轮机运行的焓熵图。其中，虚线部分为 本实施例的燃气轮机焓熵图，多出来的面积即为增加的功率，即提升的效率。 A’对应压气机进口位置，A-A’对应级间冷却抽气口位置，A-B’对应级间 冷却回气口，B’对应压气机出口，C’对应燃烧室出口，D’对应透平出口。

实施例二

如图4所示，本实施例提供一种控制方法，应用于上述实施例一中的氢 燃料燃气轮机的效率提升系统，以氢燃料提供部为上述的深冷液态氢提供部 为例，具体步骤如下：

步骤S1：启动燃气轮机1；燃气轮机1启动包括以下步骤：

步骤S101：盘车；

步骤S102：启动电机；

步骤S103：燃气轮机1吹扫；

步骤S104：电加热器开启；

步骤S105：燃气轮机1点火；

步骤S106：燃气轮机1升转速；

步骤S107：燃气轮机1带负荷；

步骤S2：燃气轮机1达到第一工作状态；此时，压气机进气换热部、压 气机级间换热部、燃气轮机1透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部均处 于不工作状态(即四个三通阀均开启至低温氢气经过四个直通管路到达燃气 轮机1的燃料输入端)；

步骤S3：判断燃气轮机1在第一工作状态是否稳定运行；如是则进行下 一步，如否则回退至步骤S2；

步骤S4：控制压气机进气换热部和压气机级间换热部开启并开始工作， 控制燃气轮机1透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部关闭并不工作(即 第一三通阀17和第二三通阀18开启至低温氢气经过第二换热器9和第一中 间介质换热器10，第三三通阀19和第四三通阀20仍保持经过的低温氢气经 由第三直通管路23和第四直通管路24到达燃气轮机1的燃料输入端；同时， 第二抽气管路和第三抽气管路上的流量阀为关闭状态)；

步骤S5：判断燃气轮机1是否稳定运行；如是则达到第二工作状态，如 否则回退至步骤S2；

步骤S6：判断燃气轮机1是否有瞬时大负荷需求；如是则进行下一步， 如否则回退至步骤S5；

步骤S7：控制压气机进气换热部和压气机级间换热部关闭并停止工作， 控制燃气轮机1透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部开启并开始工作(即第一三通阀17和第二三通阀18开启至经过的低温氢气通过第一直通管 路21和第二直通管路22流通，第三三通阀19和第四三通阀20开启至经过 第二中间介质换热器12和第二中间介质换热器14，再到达燃气轮机1的燃 料输入端；同时，第二抽气管路和第三抽气管路上的流量阀均为开启状态)；

步骤S8：判断燃气轮机1是否稳定运行；如是则达到第三工作状态，如 否则回退至步骤S2。

下面对本实施例的控制方法进行部分具体展开说明：

在本实施例中，在步骤S1和第一工作状态时，电加热部16处于开启状 态；在第二工作状态和第三工作状态时，电加热部16处于关闭状态。

其中，第二换热器9、第一中间介质换热器10、第二中间介质换热器12、 第二中间介质换热器14前均设有三通阀，可调节流量来按需分配冷量，以应 对不同的情况，即：

机组负荷稳定、波动较少时，调整至第二工作状态，通过第一三通阀17、 第二三通阀18控制第二换热器9和第一中间介质换热器10中的氢流量，将 更多的液态氢冷量用于降低燃气轮机1入口空气温度和压气机2级间空气温 度，从而达到提升燃气轮机1运行效率的目的；

机组负荷上升、需要短时间内提供较大输出功率时，调整至第三工作状 态，通过第三三通阀19和第四三通阀20控制第二中间介质换热器12和第二 中间介质换热器14中的氢流量，将更多的液态氢冷量用于降低燃气轮机1 高温部件(燃烧室和透平叶片)的温度，同时提升透平入口温度，从而达到 迅速提升输出功率的目的。

通过对每一台机组实际运行状况结合发电需求侧的分析，可以优化制定 相应的系统控制策略，更合理地利用液氢的冷量。比如：

a)对于基础负荷运行的燃气轮机1，采用第二工作状态；

b)对于调峰运行的燃气轮机1，采用第三工作状态。

注：图4中的换热器1为第一换热器、换热器2为第二换热器、换热器 3为第一中间介质换热器、换热器4为第二中间介质换热器、换热器5第三 中间介质换热器。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于 上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利 要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (15)

1.一种氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，包括：

燃气轮机；

氢燃料提供部，用于输出低温氢气；

燃料管路，所述燃料管路的首端和尾端分别连通于所述氢燃料提供部的输出端和所述燃气轮机的燃料输入端；

至少一个换热部，所述换热部的冷能吸收端与所述燃料管路耦合换热，所述换热部的冷能释放端与所述燃气轮机中参与做功的气体耦合换热，用于利用所述燃料管路内的低温氢气的冷能对所述燃气轮机的气体进行冷却，冷却得到的低温气体用于提升燃气轮机的效率，吸热后的所述低温氢气用于提升所述燃气轮机的燃烧效率；

至少一个直通组件，与所述换热部一一对应，分别连通于所述燃料管路位于对应所述换热部的上游和下游，用于控制所述燃料管路内的所述低温氢气流通至所述换热部的冷能吸收端换热或绕过所述换热部继续流通。

2.如权利要求1所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述换热部包括至少一个中间介质换热部和至少一个抽气换热部；

其中，所述抽气换热部的抽气端和送气端分别与所述燃气轮机连通，所述抽气换热部的冷能吸收端与所述燃料管路耦合换热，用于将所述燃气轮机内的气体抽出与所述燃料管路内的低温氢气通过中间介质换热后形成低温气体并输送回所述燃气轮机。

3.如权利要求2所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述抽气换热部包括抽气管路和换热器；

所述抽气管路的首端和尾端分别连通于所述燃气轮机内气路的上游和下游；

所述换热器的冷能吸收端与所述燃料管路耦合换热，所述换热器的冷能释放端与所述抽气管路耦合换热。

4.如权利要求3所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述换热器为中间介质换热器。

5.如权利要求1所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述直通组件包括直通管路和控制单元；

所述直通管路的首尾两端分别连通于所述燃料管路位于与对应所述换热部的耦合换热位置的上游和下游；

所述控制单元设于所述直通管路或所述燃料管路位于与对应所述换热部的耦合换热位置的上游，用于控制所述低温氢气的流通方向。

6.如权利要求5所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述控制单元为三通阀，所述三通阀设于对应所述换热部的耦合换热位置的上游。

7.如权利要求1所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，还包括电加热部；所述电加热部设于所述燃料管路的尾端，用于在所述燃气轮机启动时加热所述低温氢气。

8.如权利要求2所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述中间介质换热部为所述压气机进气换热部；

所述压气机进气换热部包括中间介质循环管路、第一换热器、和第二换热器；

所述第一换热器设于所述燃气轮机上游的压气机进气口；所述第二换热器设于所述燃料管路上；

所述中间介质循环管路分别与所述第一换热器和所述第二换热器耦合。

9.如权利要求2所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，沿所述燃料管路的首端至尾端，所述抽气换热部分别为压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部、燃烧室冷却气换热部。

10.如权利要求9所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述压气机级间换热部包括第一抽气管路和第一中间介质换热器；

所述第一抽气管路的首端和尾端分别连通于所述压气机级间的上游和下游；

所述第一中间介质换热器的冷能吸收端与所述燃气管路耦合换热，所述第一中间介质换热器的冷能释放端与所述第一抽气管路耦合换热。

11.如权利要求9所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，燃气轮机透平冷却气换热部包括第二抽气管路和第二中间介质换热器；

所述第二抽气管路的首端连通于所述燃气轮机的气体输入端或所述压气机的输出端，所述第二抽气管路的尾端连通于位于所述燃气轮机下游的燃气轮机透平的冷却气输入端；

所述第二中间介质换热器的冷能吸收端与所述燃气管路耦合换热，所述第二中间介质换热器的冷能释放端与所述第二抽气管路耦合。

12.如权利要求9所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述燃烧室冷却气换热部包括第三抽气管路和第三中间介质换热器；

所述第三抽气管路的首端连通于所述燃气轮机的气体输入端或所述压气机的输出端，所述第三抽气管路的尾端连通于所述燃气轮机的燃烧筒冷却气输入端；

所述第三中间介质换热器的冷能吸收端与所述燃气管路耦合换热，所述第三中间介质换热器的冷能释放端与所述第三抽气管路耦合。

13.如权利要求1所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，其特征在于，所述氢燃料提供部为深冷液态氢提供部或高压氢气提供部；

其中，所述深冷液态氢提供部包括深冷液态氢存储单元和液氢泵，所述深冷液态氢存储单元的输出端连通于所述燃料管路的输入端，所述液氢泵设于所述燃料管路且位于所述换热部的上游；

所述高压氢气部包括高压储氢单元和透平，所述高压储氢单元的输出端连通于所述燃料管路的输入端，所述透平设于所述燃料管路且位于所述换热部的上游。

14.一种控制方法，其特征在于，应用于如权利要求1至13任意一项所述的氢燃料燃气轮机的效率提升系统，所述换热部包括依次沿所述燃料管路设置的压气机进气换热部、压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部，步骤如下：

步骤S1：启动所述燃气轮机；

步骤S2：所述燃气轮机达到第一工作状态；此时，所述压气机进气换热部、压气机级间换热部、燃气轮机透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部均处于不工作状态；

步骤S3：判断所述燃气轮机在所述第一工作状态是否稳定运行；如是则进行下一步，如否则回退至步骤S2；

步骤S4：控制压气机进气换热部和压气机级间换热部开启并开始工作，控制燃气轮机透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部关闭并不工作；

步骤S5：判断所述燃气轮机是否稳定运行；如是则达到第二工作状态，如否则回退至步骤S2；

步骤S6：判断所述燃气轮机是否有瞬时大负荷需求；如是则进行下一步，如否则回退至步骤S5；

步骤S7：控制压气机进气换热部和压气机级间换热部关闭并停止工作，控制燃气轮机透平冷却气换热部和燃烧室冷却气换热部开启并开始工作；

步骤S8：判断所述燃气轮机是否稳定运行；如是则达到第三工作状态，如否则回退至步骤S2。

15.如权利要求14所述的控制方法，其特征在于，所述燃气轮机还包括设于所述燃料管路上的电加热部；

在所述步骤S1和所述第一工作状态时，所述电加热部开启；

在所述第二工作状态和所述第三工作状态时，所述电加热部关闭。

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