CN115341997A - 燃气轮机高效发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种燃气轮机高效发电系统，所述燃气轮机高效发电系统包括碳捕集装置、顶循环单元、底循环单元和预热单元，顶循环系统包括第一压气机、燃烧室和第一透平，第一压气机的进气侧连通外部空气，第一压气机的出气侧与燃烧室的进口侧连通，燃烧室的出口侧与第一透平的进口侧连通，第一透平的出口侧与碳捕集装置的进气口连通，底循环单元与碳捕集装置和顶循环单元相连，底循环单元以二氧化碳为循环工质并利用顶循环单元的余热做功将热能转换为机械能，预热单元可利用顶循环的余热对第一压气机的进气加热。本发明的燃气轮机高效发电系统布局简单，碳排放低，且能够在寒冷天气下高效运行，环境适应能力强，余热利用率高。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机高效发电系统。
背景技术
随着全球经济的高速发展，能源的需求在不断扩大，这导致了传统的化石能源过度开发利用，带来严峻的环境问题。像煤炭和石油这类传统的化石能源的过度开采容易损坏地质结构，对生态环境造成严重影响。并且通过以煤为代表的传统化石能源的燃烧产生电能量的同时会制造大量的污染物，极易造成严重的大气污染。
燃气轮机(Gas Turbine)是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械，是发电系统的常用设备。
相关技术中提出了基于燃气轮机的发电系统，但是，该发电系统布局复杂，且碳排放量大，同时，该发电系统环境适应能力大，无法在诸如寒冷天气下有效运行，余热利用率低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的实施例提出一种燃气轮机高效发电系统，该燃气轮机高效发电系统布局简单，碳排放低，且能够在寒冷天气下高效运行，环境适应能力强，余热利用率高。
本发明实施例的燃气轮机高效发电系统包括：碳捕集装置，所述碳捕集装置具有进气口、排放口和工质输出口；顶循环单元，所述顶循环系统包括第一压气机、燃烧室和第一透平，所述第一压气机的进气侧连通外部空气，所述第一压气机的出气侧与所述燃烧室的进口侧连通，所述燃烧室的出口侧与所述第一透平的进口侧连通，第一透平的出口侧与所述碳捕集装置的进气口连通；底循环单元，所述底循环单元与所述碳捕集装置和所述顶循环单元相连，所述碳捕集装置经所述工质输出口可向所述底循环单元输送二氧化碳，所述底循环单元以二氧化碳为循环工质并利用顶循环单元的余热做功将热能转换为机械能。预热单元，所述预热单元与所述顶循环单元相连，所述预热单元可利用所述顶循环的余热对所述第一压气机的进气加热。
本发明实施例的燃气轮机高效发电系统，利用碳捕集装置捕集系统产生的二氧化碳，并将部分二氧化碳通入底循环单元作为循环工质，可以减少碳排放，同时，通过预热单元对第一压气机的进气进行加热，可使燃气轮机在低温环境下正常运行，提高了发电系统的环境适应能力，保证发电效率，且利用顶循环单元的余热作为预热单元的热源可进一步提高了余热利用率，并无需为预热单元新增热源供给系统，降低了发电系统的复杂性。
在一些实施例中，所述底循环单元包括第二压气机和第二透平，所述第二压气机的进气侧与所述碳捕集装置的工质输出口和所述第二透平的出口侧均连通，所述第二压气机的出气侧与所述第二透平的进口侧连通，所述第一压气机和所述燃烧室的连通管路上设有第一换热器，所述第二压气机与所述第二透平的进口侧的连通管路穿过所述第一换热器并与所述顶循环单元换热。
在一些实施例中，所述底循环单元还包括第三透平，所述第三透平的进口侧与所述第二透平的出口侧连通，所述第三透平的出口侧与所述第二压气机的进气侧连通，所述第一透平的出口侧与所述碳捕集装置的连通管道上设有第二换热器，所述第二透平与所述第三透平的连通管路穿过所述第二换热器并与所述顶循环换热。
在一些实施例中，所述底循环单元还包括第三换热器，所述第三换热器设于所述第三透平的出口侧与所述第二压气机的连通管路上，且所述燃烧室的燃料输入管穿过所述第三换热器并与所述底循环单元换热。
在一些实施例中，所述预热单元包括进气管路和第五换热器，所述第五换热器设于所述第一透平和所述碳捕集装置的连通管路上，所述进气管路穿过所述第五换热器并与所述第一压气机的进气侧连通，所述进气管路通过所述第五换热器与所述顶循环单元换热。
在一些实施例中，所述预热单元还包括进气支管，所述进气支管与第一压气机的进气侧连通，且所述进气支管不穿过所述第四换热器。
在一些实施例中，所述进气支管的一端与所述进气管路位于所述第五换热器前的管道段连通，所述进气支管的另一端与所述进气管路位于所述第五换热器后的管道段连通。
在一些实施例中，所述进气管道上设有分流阀，所述分流阀可控制所述进气管路和所述进气支管的流量大小。
在一些实施例中，所述燃气轮机高效发电系统还包括余热利用单元和第四换热器，所述第四换热器设于所述第一透平的出口侧与所述碳捕集装置的连通管路上并与所述顶循环换热，所述余热利用单元与所述第四换热器相连。
在一些实施例中，所述余热利用单元为有机朗肯循环系统或供热系统。
附图说明
图1是本发明实施例的燃气轮机高效发电系统的示意图。
附图标记：
第一压气机1，第一换热器2，燃烧室3，第一透平4，第二换热器5，第四换热器6，第五换热器7，分流阀8，第二压气机9，第二透平10，第三透平11，第三换热器12，螺杆膨胀机13，冷凝器14，工质泵15，碳捕集装置16，燃料输入管17，进气管路18，进气支管19。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图描述本发明实施例的燃气轮机高效发电系统。
如图1所示，本发明实施例的燃气轮机高效发电系统包括碳捕集装置16、顶循环单元、底循环单元、预热单元和余热利用单元。
具体地，碳捕集装置16具有进气口、排放口和工质输出口，顶循环系统包括第一压气机1、燃烧室3和第一透平4，第一压气机1的进气侧连通外部空气，第一压气机1的出气侧与燃烧室3的进口侧连通，燃烧室3的出口侧与第一透平4的进口侧连通，第一透平4的出口侧与碳捕集装置16的进气口连通，底循环单元与碳捕集装置16和顶循环单元相连，碳捕集装置16经工质输出口可向底循环单元输送二氧化碳，底循环单元以二氧化碳为循环工质并利用顶循环单元的余热做功将热能转换为机械能，预热单元与顶循环单元相连，预热单元可利用顶循环的余热对第一压气机1的进气加热。
可以理解的是，顶循环单元的运行过程为：空气经第一压气机1压缩后，经燃烧室3升温，再进入第一透平4膨胀做功，产生电能，第一透平4排出的气体可朝向碳捕集装置16流动，碳捕集装置16捕捉的二氧化碳的一部分可作为底循环的循环工质，另一部分可经排气口排出至大气或通向碳封存装置，减少碳排放。
另外，第一压气机1的进气预热和底循环单元的热源均来源于顶循环单元的余热，从而可以实现余热的梯级利用，提高了余热利用率，且通过预热单元对第一压气机1的进气预热，可以保证燃气轮机能够在低温环境下运行，提高本申请的发电系统的环境适应能力，保证发电效率。
本发明实施例的燃气轮机高效发电系统，利用碳捕集装置16捕集系统产生的二氧化碳，并将部分二氧化碳通入底循环单元作为循环工质，可以减少碳排放，同时，通过预热单元对第一压气机1的进气进行加热，可使燃气轮机在低温环境下正常运行，提高了发电系统的环境适应能力，保证发电效率，且利用顶循环单元的余热作为预热单元的热源可进一步提高了余热利用率，并无需为预热单元新增热源供给系统，降低了发电系统的复杂性。
进一步地，如图1所示，底循环单元包括第二压气机9和第二透平10，第二压气机9的进气侧与碳捕集装置16的工质输出口和第二透平10的出口侧均连通，第二压气机9的出气侧与第二透平10的进口侧连通，第一压气机1和燃烧室3的连通管路上设有第一换热器2，第二压气机9与第二透平10的进口侧的连通管路穿过第一换热器2并与顶循环单元换热。
可以理解的是，碳捕集装置16向第二压气机9提供二氧化碳经第二压气机9压缩后，流经第一换热器2并与顶循环单元换热，然后经第二透平10进行膨胀做功，第二透平10排出的气体可回流至第二压气机9中进行压缩以进行下一个循环。
由此，顶循环单元的余热可通过第一换热器2与底循环换热，提高余热利用率，且不需要为底循环单元布置热源供给结构，降低系统布局的复杂性，实现多循环单元联合布局，以实现余热的梯级利用。
可选地，如图1所示，底循环单元不限于仅包括一个透平，例如，底循环单元还包括第三透平11，第三透平11的进口侧与第二透平10的出口侧连通，第三透平11的出口侧与第二压气机9的进气侧连通，第一透平4的出口侧与碳捕集装置16的连通管道上设有第二换热器5，第二透平10与第三透平11的连通管路穿过第二换热器5并与顶循环换热。
由此，第二透平10排出的气体可经过第二换热器5加热，然后进入第三透平11膨胀做功，第三透平11排出的气体可回流至第二压气机9。可以理解的是，第二透平10的进气在第一加热器内与顶循环单元换热，膨胀做功后在第二换热器5内再次与顶循环单元换热，以使其能够用于第三透平11的膨胀做功，则第二透平10和第三透平11的热能均来自顶循环单元的余热，即利用多次做功可逐级利用顶循环余热，提高发电系统的发电效率及顶循环单元的余热利用率。
可选地，如图1所示，底循环单元还包括第三换热器12，第三换热器12设于第三透平11的出口侧与第二压气机9的连通管路上，且燃烧室3的燃料输入管17穿过第三换热器12并与底循环单元换热。由此，第三透平11的排气余热可通过第三换热器12对燃料进行预热，以提高顶循环单元的循环效率，且不需要为燃料单独设置加热结构及相关系统布局，简化了发电系统的布局，同时利用系统余热作为燃料的加热热源，可进一步提高余热利用率。
可选地，如图1所示，预热单元包括进气管路18和第五换热器7，第五换热器7设于第一透平4和碳捕集装置16的连通管路上，进气管路18穿过第五换热器7并与第一压气机1的进气侧连通，进气管路18通过第五换热器7与顶循环单元换热。
由此，进气管路18内的空气可在第五换热器7内与顶循环单元换热升温，然后通入第一压气机1内，经过预热后的空气可保证燃气轮机在低温环境下能够运行，不会出现结冰现象。
可选地，如图1所示，预热单元还包括进气支管19，进气支管19与第一压气机1的进气侧连通，且进气支管19不穿过第五换热器7。换言之，进气支管19可向第一压气机1直接供气，则进气支管19提供的空气与进气管路18提供的空气可混合调配，以使最终进入第一压气机1的空气温度适中，避免温度过高或过低对发电系统的运行效率产生不利影响。
优选地，如图1所示，进气支管19的一端与进气管路18位于第五换热器7前的管道段连通，进气支管19的另一端与进气管路18位于第五换热器7后的管道段连通。由此，进气支管19与进气管路18并联，两者可采用一个进气总管，减少了管道布局数量，优化了管道布局。
优选地，进气管道上设有分流阀8，分流阀8可控制进气管路18和进气支管19的流量大小。由此，分流阀8可以调节进气管路18和进气支管19的进气配比，以根据实际环境需求，调控第一压气机1的进气温度，避免进气温度过低导致结冰，或避免进气温度过高导致发电效率下降。
进一步地，燃气轮机高效发电系统还包括第四换热器6，第四换热器6设于第一透平4的出口侧与碳捕集装置16的连通管路上并与顶循环换热，余热利用单元与第四换热器6相连。
由此，余热利用单元可以通过第四换热器6与顶循环单元换热，利用顶循环单元的余热做功，进一步提高余热利用率。
优选地，第四换热器6位于第二换热器5和第五换热器7之间。由此，顶循环单元先与底循环单元换热，再与余热利用单元换热，避免流入第三透平11的热能不足，保证第三透平11的做功。
可选地，余热利用单元为有机朗肯循环系统或供热系统。
当余热利用单元为有机朗肯循环系统时，可以对中低品味的余热进行回收利用，提高循环系统效率；当余热利用单元为供热系统时，可以与产业园区、大型社区等供热系统集成，形成稳定、简约化的分布式能源系统。
具体地，如图1所示，余热利用单元为有机朗肯循环系统，低温有机工质在蒸发器中与顶循环单元的余热流体介质进行换热，吸收热量后产生高温高压的有机蒸气，之后进入螺杆膨胀机13做功，有机工质变为低温低压气体，进入冷凝器14冷凝为液态后，再经过工质泵15打入蒸发器，完成整个循环和能量转化。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种燃气轮机高效发电系统，其特征在于，包括：
碳捕集装置，所述碳捕集装置具有进气口、排放口和工质输出口；
顶循环单元，所述顶循环系统包括第一压气机、燃烧室和第一透平，所述第一压气机的进气侧连通外部空气，所述第一压气机的出气侧与所述燃烧室的进口侧连通，所述燃烧室的出口侧与所述第一透平的进口侧连通，第一透平的出口侧与所述碳捕集装置的进气口连通；
底循环单元，所述底循环单元与所述碳捕集装置和所述顶循环单元相连，所述碳捕集装置经所述工质输出口可向所述底循环单元输送二氧化碳，所述底循环单元以二氧化碳为循环工质并利用顶循环单元的余热做功将热能转换为机械能。
预热单元，所述预热单元与所述顶循环单元相连，所述预热单元可利用所述顶循环的余热对所述第一压气机的进气加热。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，所述底循环单元包括第二压气机和第二透平，所述第二压气机的进气侧与所述碳捕集装置的工质输出口和所述第二透平的出口侧均连通，所述第二压气机的出气侧与所述第二透平的进口侧连通，所述第一压气机和所述燃烧室的连通管路上设有第一换热器，所述第二压气机与所述第二透平的进口侧的连通管路穿过所述第一换热器并与所述顶循环单元换热。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，所述底循环单元还包括第三透平，所述第三透平的进口侧与所述第二透平的出口侧连通，所述第三透平的出口侧与所述第二压气机的进气侧连通，所述第一透平的出口侧与所述碳捕集装置的连通管道上设有第二换热器，所述第二透平与所述第三透平的连通管路穿过所述第二换热器并与所述顶循环换热。
4.根据权利要求3所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，所述底循环单元还包括第三换热器，所述第三换热器设于所述第三透平的出口侧与所述第二压气机的连通管路上，且所述燃烧室的燃料输入管穿过所述第三换热器并与所述底循环单元换热。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，所述预热单元包括进气管路和第五换热器，所述第五换热器设于所述第一透平和所述碳捕集装置的连通管路上，所述进气管路穿过所述第五换热器并与所述第一压气机的进气侧连通，所述进气管路通过所述第五换热器与所述顶循环单元换热。
6.根据权利要求5所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，所述预热单元还包括进气支管，所述进气支管与第一压气机的进气侧连通，且所述进气支管不穿过所述第五换热器。
7.根据权利要求6所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，所述进气支管的一端与所述进气管路位于所述第五换热器前的管道段连通，所述进气支管的另一端与所述进气管路位于所述第五换热器后的管道段连通。
8.根据权利要求7所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，所述进气管道上设有分流阀，所述分流阀可控制所述进气管路和所述进气支管的流量大小。
9.根据权利要求1所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，还包括余热利用单元和第四换热器，所述第四换热器设于所述第一透平的出口侧与所述碳捕集装置的连通管路上并与所述顶循环换热，所述余热利用单元与所述第四换热器相连。
10.根据权利要求9所述的燃气轮机高效发电系统，其特征在于，所述余热利用单元为有机朗肯循环系统或供热系统。
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