CN117090653A - 一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级orc系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，包括ORC高压蒸发器、高压工质循环装置、ORC低压蒸发器和低压工质循环装置；ORC高压蒸发器和ORC低压蒸发器的热侧串联，ORC高压蒸发器的热侧入口连接燃机TCA/FGH系统的废热出口，ORC低压蒸发器的热侧出口与大气连通；高压工质循环装置的工质与ORC高压蒸发器换热升温后做功，低压工质循环装置与ORC低压蒸发器换热升温后与高压工质循环装置做功后的工质汇流后做功。该多级ORC系统能够合理回收燃机TCA/FGH系统和机组烟气的低温余热，增加联合循环机组的发电功率和发电效率，不仅符合能源梯级利用的原则，还能提升机组调峰性能，具有深远的节能环保意义和广阔的市场推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及能源系统余热回收利用技术领域，具体为一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统。
背景技术
我国工业能耗在总能耗中的占比较大，工业能耗中的17～67％最终转化为工业余热，而目前我国工业余热回收利用率仅为35％左右，可见提高工业余热的利用和效率对我国能源利用和经济可持续发展具有重要作用。一般按照热源载体温度，200℃以下的热源为低温余热，200～500℃之间的热源为中温余热，500℃以上的热源为高温余热。目前高、中温余热利用技术己经发展成熟，且在市场中得到一定应用。低温热源由于热流密度小，受到技术和经济性等方面因素影响，回收利用效率较低，按照“能量梯级利用”的指导原则，亟需发展相应的低温热源高效利用技术。相比斯特林系统(Stirling Cycle)、卡琳娜系统(KalinaCycle)等其他低温热源高效利用技术，有机朗肯循环系统(Organic Rankine Cycle，ORC)具有结构相对简单、安全稳定性高、运行成本低等优势。ORC系统通过绝热压缩、等熵膨胀、等压加热及做功放热四个过程构成系统热力循环，并以低沸点的有机工质作为系统循环工质，在热源温度较低时即可产生有机工质蒸汽推动膨胀机做功，进而驱动发电机输出电能。
目前先进的H、F级燃气轮机联合循环机组的排烟温度一般在90℃左右。由于天然气燃料中的硫含量通常可以忽略不计，因此无需考虑机组余热锅炉的酸腐蚀等问题，余热锅炉烟气理论上会蕴藏大量的低温余热可被回收利用。此外，部分先进H、F级燃气轮机配置有TCA/FGH系统(即透平转子冷却空气/燃料性能加热器换热系统)，例如三菱的M701F型燃气轮机，在机组设计工况会产生180℃左右的低温余热，不仅造成能源浪费，还会对环境产生热污染。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，能够有效提高燃气轮机联合循环机组的运行经济性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，包括ORC高压蒸发器、高压工质循环装置、ORC低压蒸发器和低压工质循环装置；
所述ORC高压蒸发器和ORC低压蒸发器的热侧串联，ORC高压蒸发器的热侧入口连接燃机TCA/FGH系统的废热出口，ORC低压蒸发器的热侧出口与大气连通；
所述低压工质循环装置与高压工质循环装置并联，所述ORC高压蒸发器的冷侧串接在高压工质循环装置的循环管路上，ORC低压蒸发器的冷侧串接在低压工质循环装置的循环管路上；
所述高压工质循环装置的工质与ORC高压蒸发器换热升温后做功，低压工质循环装置与ORC低压蒸发器换热升温后与高压工质循环装置做功后的工质汇流后做功，做功后的工质在加压状态下分为两路，分别进入ORC高压蒸发器和ORC低压蒸发器的冷侧。
优选的，所述ORC低压蒸发器的热侧出口与烟气余热换热器的冷侧连接，并与联合循环机组的烟气换热升温，烟气余热换热器的冷侧出口连接ORC预热器的热侧入口，ORC预热器的热侧出口与大气连通；
所述ORC预热器的冷侧串接在低压工质循环装置上，ORC预热器的冷侧出口分别连接ORC低压蒸发器的冷侧入口和ORC高压蒸发器的冷侧入口。
优选的，所述高压工质循环装置包括高压工质泵、ORC高压辅热器和ORC高压膨胀机；
所述高压工质泵位于ORC高压蒸发器的冷侧入口，ORC高压蒸发器的冷侧出口连接ORC高压辅热器，ORC高压辅热器的出口连接ORC高压膨胀机，ORC高压膨胀机的排气口连接ORC低压蒸发器的冷侧出口。
优选的，所述ORC储液罐、ORC低压工质泵、ORC低压辅热器和ORC低压膨胀机；
所述ORC储液罐的出口通过ORC低压工质泵连接ORC预热器的冷侧，ORC低压蒸发器的冷侧出口通过ORC低压辅热器与ORC低压膨胀机连接，ORC低压膨胀机的出口连接ORC储液罐的入口。
优选的，所述ORC低压膨胀机的排气口通过ORC冷凝器的热侧连接ORC储液罐的入口，ORC冷凝器的冷侧连接冷却水。
优选的，所述燃机TCA/FGH系统的废热出口设置有余热利用控制阀组，用于控制废热管路和多级ORC系统的工作状态。
优选的，所述余热利用控制阀组包括第一阀门和第二阀门；
所述第一阀门设置在燃机TCA/FGH系统的废热管路上，第二阀门设置在ORC高压蒸发器热侧入口管路上。
优选的，所述燃机TCA/FGH系统包括热交换器罩壳，以及设置在其内部的TCA换热器和FGH换热器；
所述热交换器罩壳的底部设置有进气口并与引风机连接，热交换器罩壳的出气口通过废热管路与余热锅炉的烟囱连接，TCA换热器的热侧进气端连接燃气轮机压气机抽气，TCA换热器的热侧出气端连接燃气轮机压气机，FGH换热器的冷侧出气端连接燃气轮机的燃烧室。
优选的，所述工质为烷烃、氢氟碳化合物、碳氢化合物和氯氟烃中的至少一种。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，当多级ORC系统不工作时，燃机TCA/FGH系统低温余热和机组烟气一起通过烟囱正常排放。当机组余热利用多级ORC系统工作时，燃机TCA/FGH系统一部分低温余热和机组烟气经热能换热系统回收，加热多级ORC系统有机工质产生蒸汽，推动多级ORC膨胀机做功发电，另一部分废热和机组烟气一起通过烟囱正常排出。多级ORC系统运行时，能够合理回收燃机TCA/FGH系统和机组烟气的低温余热，增加联合循环机组的发电功率和发电效率，提升机组调峰性能。本发明利用多级ORC系统合理回收燃气轮机联合循环机组余热，实现机组发电效率的提升，符合“能量梯级利用”的原则，还能提高机组的运行经济性。
附图说明
图1为本发明一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统的示意图。
图中：1为燃气轮机；2为余热锅炉；3为气轮机；4为凝汽器；5为冷却塔；6为给水泵；7为烟囱；8为燃机TCA/FGH系统；8A为引风机；8B为TCA换热器；8C为FGH换热器；9为余热利用控制阀组；10为ORC高压蒸发器；11为ORC低压蒸发器；12为烟气余热换热器；13为ORC预热器；14为ORC储液罐；15为ORC低压工质泵；16为ORC高压工质泵；17为ORC高压辅热器；18为ORC高压膨胀机；19为ORC低压辅热器；20为ORC低压膨胀机；21为ORC冷凝器；22为循环水控制阀组。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参阅图1，一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，包括联合循环机组、燃机TCA/FGH系统8和多级ORC余热利用系统；燃机TCA/FGH系统8与联合循环机组连接，多级ORC余热利用系统与燃机TCA/FGH系统的废热管路连接。
所述联合循环机组包括燃气轮机1、余热锅炉2、汽轮机3、凝汽器4、冷却塔5和给水泵6。所述燃气轮机1与汽轮机3的同轴连接，汽轮机3的输出端与发电机G连接，余热锅炉2通过蒸汽管路与汽轮机3的进气端连接，汽轮机3的排气端通过凝汽器4的热侧入口连接，凝汽器4的热侧出口通过给水泵6与余热锅炉2给水管路连接，冷凝器的冷侧与冷却塔5连接。
所述燃机TCA/FGH系统8包括热交换器罩壳，以及设置在其内部的TCA换热器8B和FGH换热器8C，热交换器罩壳的底部设置有进气口并与引风机8A连接，热交换器罩壳的出气口通过废热管路与余热锅炉2的烟囱连接，TCA换热器8B上设置有压缩空气进出口，FGH换热器8C上设置有燃料进出口，TCA换热器8B的热侧进气端连接燃气轮机压气机抽气，TCA换热器8B的热侧出气端连接燃气轮机2压气机，FGH换热器8C的冷侧出气端连接燃气轮机2的燃烧室。
在燃机TCA/FGH系统8中，引风机8A吸入低温空气，低温空气与TCA换热器8B热侧的压气机抽气换热形成高温空气，高温空气再与FGH换热器8C中的低温燃料换热排入大气。
多级ORC余热利用系统包括并联的低压余热利用装置和高压余热利用装置；高压余热利用装置的工质与燃机TCA/FGH系统的废热换热升温后做功，废热在高压余热利用装置换热降温后对低压余热利用装置的工质进行升温，再次降温的废热与联合循环机组的烟气余热换热升温后对低压余热利用装置的工质进行升温后排出，高压余热利用装置的工质做功后与低压余热利用装置的工质汇流后做功。
高压余热利用装置包括ORC高压蒸发器10、ORC高压工质泵16、ORC高压辅热器17和ORC高压膨胀机18。
低压余热利用装置包括ORC低压蒸发器11、烟气余热换热器12、ORC预热器13、ORC储液罐14、ORC低压工质泵15、ORC低压辅热器19、ORC低压膨胀机20和ORC冷凝器21。
ORC储液罐14的出口连接ORC低压工质泵15的入口，ORC低压工质泵15的出口连接ORC预热器13的冷侧入口，ORC预热器13的冷侧出口分别连接ORC高压工质泵16和ORC低压蒸发器11的冷侧入口，将工质分为两路，一路进入ORC高压工质泵，另一路进入ORC低压蒸发器11的冷侧。
ORC高压工质泵的出口连接与ORC高压蒸发器10的冷侧连接，ORC高压蒸发器10的冷侧出口通过ORC高压辅热器17与ORC高压膨胀机18连接，
ORC高压蒸发器10的热侧入口连接燃机TCA/FGH系统的废热出口，ORC高压蒸发器10的热侧出口与ORC低压蒸发器11的热侧入口连接，ORC低压蒸发器11的热侧出口连接烟气余热换热器12的冷侧，烟气余热换热器12的冷侧出口连接ORC预热器13的热侧，ORC预热器的热侧出口连接烟囱。
ORC低压蒸发器11的冷侧出口与ORC高压膨胀机18的排气口连接后与ORC低压辅热器19连接，ORC低压辅热器19与ORC低压膨胀机20的入口连接，ORC低压膨胀机20的出口与ORC冷凝器21的热侧连接，ORC冷凝器21的冷侧与冷却塔连接，ORC冷凝器21的热侧出口与ORC储液罐的入口连接。
所述燃机TCA/FGH系统的废热出口设置有余热利用控制阀组9，包括第一阀门和第二阀门，第一阀门设置在燃机TCA/FGH系统的废热管路上，废热管路与烟囱7连接，第二阀门设置在ORC高压蒸发器10的热侧入口管路上。
所述ORC冷凝器21的冷侧循环管路上设置有循环水控制阀组22，其包括第三阀门和第四阀门，第三阀门设置在冷却塔的出口，第四阀门设置在冷却塔的入口，通过余热利用控制阀组9和循环水控制阀组22控制多级ORC余热利用系统的工作状态。同时多级ORC余热利用系统的冷端循环水与联合循环机组冷端循环水并联使用，通过循环水控制阀组配合调控即可，不仅节省了设备投资，还减少了系统占地。
多级ORC余热利用系统的ORC高压蒸发器、ORC低压蒸发器、ORC预热器等设备需要根据详细换热计算进行设计。同理，燃气轮机联合循环机组余热利用多级ORC系统的烟气余热换热器也需要根据详细换热计算进行设计。
多级ORC余热利用系统的有机工质不局限于烷烃、氢氟碳化合物、碳氢化合物、氯氟烃等纯工质，也可以选择非共沸点混合工质，利用蒸发及冷凝过程温度滑移的现象提高冷热源温度的匹配度，减小系统的不可逆损失。
下面对多级ORC余热利用系统的工作原理进行详细的说明。
当不需要多级ORC余热利用系统工作时，通过调控余热利用控制阀组9、循环水控制阀组22，关闭多级ORC余热利用系统，燃机TCA/FGH系统8低温余热和机组烟气一起通过烟囱正常排放。
当需要多级ORC余热利用系统工作时，通过调控余热利用控制阀组9、循环水控制阀组22，开启多级ORC余热利用系统。
ORC储液罐14中的有机工质经ORC低压工质泵15增压后进入ORC预热器13预热后，分成两股工质分别流入高压余热利用装置、高压余热利用装置继续双级循环。
高压余热利用装置中的有机工质经ORC高压工质泵16加压，进入ORC高压蒸发器10的冷侧，与初次回收燃机TCA/FGH系统8低温余热进行换热，加热有机工质使其沸腾，加热后的高温高压工质再经ORC高压辅热器17补充加热，产生高压有机工质过热蒸汽进入ORC高压膨胀机18做功，做功后的有机工质蒸汽汇入低压循环。
低压循环有机工质经ORC低压蒸发器11的冷侧，与二次回收燃机TCA/FGH系统8低温余热进行换热，加热有机工质使其沸腾，高温低压工质与做功后的高压工质汇合，经ORC低压辅热器19补充加热，产生低压有机工质过热蒸汽进入ORC低压膨胀机20做功，做功后的有机工质蒸汽经ORC冷凝器21降温凝结返回ORC储液罐14，完成循环。燃机TCA/FGH系统8低温空气余热经两次回收后，在烟气余热换热器12与机组烟气完成换热，进入ORC预热器13预热多级ORC系统有机工质。
余热利用控制阀组、ORC高压蒸发器、ORC低压蒸发器、烟气余热换热器、ORC高压辅热器、ORC高压膨胀机、ORC低压辅热器、ORC低压膨胀机、ORC冷凝器、ORC储液罐、ORC低压工质泵、ORC预热器、ORC高压工质泵等设备组成燃气轮机联合循环机组余热利用多级ORC系统，布置在燃气轮机联合循环机组附近。该系统利用热能交换原理将燃气轮机联合循环机组中的低温余热合理回收，加热多级ORC系统有机工质产生蒸汽，推动多级ORC膨胀机做功，驱动发电机输出额外电能，有效提高机组运行经济性。
多级ORC余热利用系统与燃机TCA/FGH系统低温余热管道采用并联方式驳接，通过余热利用控制阀组、循环水控制阀组配合调控。当机组余热利用多级ORC系统不工作时，燃机TCA/FGH系统低温余热和机组烟气一起通过烟囱正常排放。当机组余热利用多级ORC系统工作时，燃机TCA/FGH系统一部分低温余热和机组烟气经热能换热系统回收，加热多级ORC系统有机工质产生蒸汽，推动多级ORC膨胀机做功发电，另一部分废热和机组烟气一起通过烟囱正常排出。多级ORC余热利用系统运行时，能够合理回收燃机TCA/FGH系统和机组烟气的低温余热，增加联合循环机组的发电功率和发电效率，提升机组调峰性能。本发明利用多级ORC系统合理回收燃气轮机联合循环机组余热，实现机组发电效率的提升，不仅符合“能量梯级利用”的原则，还能提高机组的运行经济性，具有深远的节能环保意义和广阔的市场推广价值。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，包括ORC高压蒸发器(10)、高压工质循环装置、ORC低压蒸发器(11)和低压工质循环装置；
所述ORC高压蒸发器(10)和ORC低压蒸发器(11)的热侧串联，ORC高压蒸发器(10)的热侧入口连接燃机TCA/FGH系统(8)的废热出口，ORC低压蒸发器(11)的热侧出口与大气连通；
所述低压工质循环装置与高压工质循环装置并联，所述ORC高压蒸发器(10)的冷侧串接在高压工质循环装置的循环管路上，ORC低压蒸发器(11)的冷侧串接在低压工质循环装置的循环管路上；
所述高压工质循环装置的工质与ORC高压蒸发器(10)换热升温后做功，低压工质循环装置与ORC低压蒸发器(11)换热升温后与高压工质循环装置做功后的工质汇流后做功，做功后的工质在加压状态下分为两路，分别进入ORC高压蒸发器(10)和ORC低压蒸发器(11)的冷侧。
2.根据权利要求1所述的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，所述ORC低压蒸发器(11)的热侧出口与烟气余热换热器(12)的冷侧连接，并与联合循环机组的烟气换热升温，烟气余热换热器(12)的冷侧出口连接ORC预热器(13)的热侧入口，ORC预热器(13)的热侧出口与大气连通；
所述ORC预热器(13)的冷侧串接在低压工质循环装置上，ORC预热器(13)的冷侧出口分别连接ORC低压蒸发器(11)的冷侧入口和ORC高压蒸发器(10)的冷侧入口。
3.根据权利要求2所述的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，所述高压工质循环装置包括高压工质泵(16)、ORC高压辅热器(17)和ORC高压膨胀机(18)；
所述高压工质泵(16)位于ORC高压蒸发器(10)的冷侧入口，ORC高压蒸发器(10)的冷侧出口连接ORC高压辅热器(17)，ORC高压辅热器(17)的出口连接ORC高压膨胀机(18)，ORC高压膨胀机(18)的排气口连接ORC低压蒸发器(11)的冷侧出口。
4.根据权利要求2所述的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，所述ORC储液罐(14)、ORC低压工质泵(15)、ORC低压辅热器(19)和ORC低压膨胀机(20)；
所述ORC储液罐(14)的出口通过ORC低压工质泵(15)连接ORC预热器(13)的冷侧，ORC低压蒸发器(11)的冷侧出口通过ORC低压辅热器(19)与ORC低压膨胀机(20)连接，ORC低压膨胀机(20)的出口连接ORC储液罐(14)的入口。
5.根据权利要求4所述的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，所述ORC低压膨胀机(20)的排气口通过ORC冷凝器(21)的热侧连接ORC储液罐(14)的入口，ORC冷凝器(21)的冷侧连接冷却水。
6.根据权利要求1所述的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，所述燃机TCA/FGH系统(8)的废热出口设置有余热利用控制阀组，用于控制废热管路和多级ORC系统的工作状态。
7.根据权利要求1所述的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，所述余热利用控制阀组(9)包括第一阀门和第二阀门；
所述第一阀门设置在燃机TCA/FGH系统(8)的废热管路上，第二阀门设置在ORC高压蒸发器(10)热侧入口管路上。
8.根据权利要求1所述的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，所述燃机TCA/FGH系统(8)包括热交换器罩壳，以及设置在其内部的TCA换热器(8B)和FGH换热器(8C)；
所述热交换器罩壳的底部设置有进气口并与引风机(8A)连接，热交换器罩壳的出气口通过废热管路与余热锅炉(2)的烟囱连接，TCA换热器(8B)的热侧进气端连接燃气轮机压气机抽气，TCA换热器(8B)的热侧出气端连接燃气轮机(2)压气机，FGH换热器(8C)的冷侧出气端连接燃气轮机(2)的燃烧室。
9.根据权利要求1所述的一种回收燃气轮机联合循环机组余热的多级ORC系统，其特征在于，所述工质为烷烃、氢氟碳化合物、碳氢化合物和氯氟烃中的至少一种。
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