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CN111577410A - 燃气轮机进气温度控制装置及燃气轮机进气温度控制方法 - Google Patents

燃气轮机进气温度控制装置及燃气轮机进气温度控制方法 Download PDF

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CN111577410A CN202010551938.8A CN202010551938A CN111577410A CN 111577410 A CN111577410 A CN 111577410A CN 202010551938 A CN202010551938 A CN 202010551938A CN 111577410 A CN111577410 A CN 111577410A
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Abstract

本发明公开燃气轮机进气温度控制装置及燃气轮机进气温度控制方法，包括：燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、进气控温装置、凝汽器、冷却塔和闭冷水系统；燃气轮机通过排气管道与余热锅炉的进气管道连通；余热锅炉的排气管道与汽轮机连通；冷却塔分别与凝汽器和闭冷水系统连通；闭冷水系统与二级冷却器连通；进气控温装置包括空气换热器，第二水泵，阀门c和阀门d；本发明采用高效换热器技术，解决了低品位热源的回收问题，将这些低品位热量应用到压气机进气加热，提高了燃气‑蒸汽联合循环的效率；降低燃烧室燃烧时的不可逆损失，达到节约燃料消耗的目的，从而进一步提高燃气电厂的经济性。

Description

燃气轮机进气温度控制装置及燃气轮机进气温度控制方法
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是涉及一种燃气轮机进气温度控制领域。
背景技术
燃气轮机是一种以连续流动的气体作为工质、把热能转换为机械功的旋转式动力机械。由于其采用空气作为做功工质，因此燃气轮机的运行情况容易受到外部气温、湿度等的影响。另一方面，由于燃气轮机系统的精密性，燃气轮机的运行效率对于运行负荷十分敏感。如现有研究表明，随着大气温度的升高，燃气轮机的相对效率下降，相对输出功率下降，而燃气-蒸汽联合循环的相对效率提高。在我国，燃气电厂主要承担电网调峰功能，一般情况下电厂根据电网调度的要求调整燃机功率，这就很难保证燃气轮机的满负荷运行。而燃气轮机长期在部分负荷区间工作，大大降低了系统的运行效率，导致了能源的极大浪费。
目前，我国电厂燃气轮机均设有进气导叶(IGV)，通过调节IGV的偏转角度，减少IGV的喉部面积，从而减少空气的质量流量，降低燃气轮机机组出力。这种调节方式存在以下的技术缺陷：
(1)当IGV关小后，IGV后各级叶片的气流冲角偏离设计值，燃机进气在IGV内流动的节流损失增加，降低了压气机的效率；
(2)当燃机负荷远低于额定负荷时，IGV调节已经不能满足燃机负荷的调整，此时燃机的负荷将通过降低透平前温来调整，这就使得燃机的效率进一步降低。
鉴于目前国内燃机大部分时间运行在非额定工况下的实际情况，通过提高燃机的进气温度，从而降低进气的密度，使得压气机的IGV角度开大，从而减少IGV内的空气节流损失，由此即可在保证压气机进气质量流量不变的前提下，燃机以部分核定负荷运行。
燃机进气加热技术主要是针对燃机以部分负荷定负荷运行而言。燃机以部分负荷定负荷运行时，压气机进气质量流量为定值，提升燃机进气温度会降低进气空气密度，从而提高进气体积流量，迫使压气机IGV角度开大，从而减少IGV内空气流动的节流损失，改善压气机运行状况。
目前，有在进气系统内布置一组翅片管加热器，通过引入余热锅炉热水或其他热源对燃机进气进行加热。该进气加热方式能够较好的利用机组废热，提高联合循环的发电效率，但是存在改造工程量大、进气流动阻力大、投资较高的缺点。
因此，虽然燃气进气加热能够提高燃气-蒸汽联合循环的效率，但是如何选择低品位热源，并且经济的回收利用，以提高系统的整体经济性，是燃气-蒸汽联合循环进气加热系统建设的核心。
发明内容
本发明的目的是提供一种燃气轮机进气温度控制，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现合理利用低品位热源，并且经济的回收利用，以提高系统的整体经济性；
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种燃气轮机进气温度控制装置，其特征在于，包括燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、进气控温装置、凝汽器、冷却塔和闭冷水系统；
所述城市热网系统根据管道流向依次包括热网加热器、输水冷却器和二级冷却器；
所述燃气轮机通过排气管道与所述余热锅炉的进气管道连通；所述余热锅炉的排气管道与所述汽轮机连通；所述汽轮机的排气管道与所述凝汽器换热，经过第一水泵与所述余热锅炉连通；所述冷却塔分别与所述凝汽器和闭冷水系统连通；所述闭冷水系统与所述二级冷却器连通；所述进气控温装置包括控温部，所述控温部设置于所述闭冷水系统与所述燃气轮机之间。
所述温控部包括空气换热器，第二水泵和阀门c、阀门d，所述空气换热器的高温管道一端与燃气轮机的进气管道连通，另一端通过第二水泵和阀门c与所述闭冷水系统连通；所述空气换热器的低温管道一端与外界连通，另一端通过阀门d与所述闭冷水系统的连通。
现有技术中通过进气加热技术可以提高燃气-蒸汽联合循环的经济性，但是如何选择热源，进气加热系统的设计方案和换热器的设计，也是至关重要。目前电厂中常见的热量来源包括从压气机或者汽轮机中的抽取的热量。因所用热量为高温、高压的高品位热源，该种方法的经济效益较差。
采用电加热对进气温度进行提高是一种简单有效的方式，通过在燃机进气系统内布置多组电加热器，通过电阻丝即可对燃机进气进行加热。虽然采用电加热方式温度控制较为简单，但是需要耗费大量电能，不利于提高机组效率。
本专利利用燃机电厂的余热对燃机入口空气进行加热，降低燃机机组发电热耗，提高联合循环机组的整体运行经济性。
所述城市热网系统包括热网加热器、一级疏水冷却器和二级疏水冷却器；所述汽轮机的排气管道与所述热网加热器的进气管道连通；所述热网加热器、一级疏水冷却器和二级疏水冷却器分别依次通过管道连通；所述空气换热器和闭冷水系统通过所述二级疏水冷却器连通；所述二级疏水冷却器的再利用管道经过所述凝汽器换热。
还设置有中介水装置；所述中介水装置还设置有阀门e和阀门f；所述中介水装置一端通过阀门e与所述二级冷却器的高温管道连通；另一端通过阀门f与所述二级冷却器的低温管道连通。
所述闭冷水系统还设置有阀门a和阀门b；所述闭冷水系统一端通过阀门a与所述二级冷却器的高温管道连通；另一端通过阀门b与所述二级冷却器的低温管道连通。
优选的，所述余热锅炉中设置有省煤器，蒸发器和过热器；所述省煤器与所述燃气轮机的排气管道连通；所述蒸发器与所述余热锅炉的排气管道连通；所述过热器与所述余热锅炉的再利用管道连通。
一种燃气轮机进气温度控制方法，包括以下步骤：
所述燃气轮机排气送入所述余热锅炉中用于产生水蒸汽水蒸汽，水蒸汽水蒸汽引入所述汽轮机中做功；
将所述汽轮机抽出280℃-320℃的蒸汽进入所述热网加热器，用于城市热网供热；
将温度降低为68℃-73℃的疏水进入所述一级疏水器，用于城市管道供热；
将温度降低为53℃-58℃的疏水进入所述二级疏水器，将热量通过管道传导到闭冷水系统中，通过冷却塔释放到外界；
将温度降低为53℃-58℃的疏水进入所述二级疏水器，将阀门a和阀门b关闭，关闭所述闭冷水系统与所述二级疏水器之间的管道；打开所述阀门c、阀门d阀门e和阀门f，通过中介水将冷空气加热并进入到所述空气换热器中，并通过管道输送到所述燃气轮机中；
将所述汽轮机中的排水进入到所述凝汽器中，通过所述第一水泵进入所述余热锅炉；
将所述汽轮机中的排气通过管道传导到闭冷水系统中，通过冷却塔释放到外界。
另一种燃气轮机进气温度控制装置的燃气轮机进气温度控制方法，包括以下步骤：
所述燃气轮机排气送入所述余热锅炉中用于产生水蒸汽水蒸汽，水蒸汽水蒸汽引入所述汽轮机中做功；
将所述汽轮机抽出280℃-320℃的蒸汽进入所述热网加热器，用于城市热网供热；
将温度降低为68℃-73℃的疏水进入所述一级疏水器，用于城市管道供热；
将温度降低为53℃-58℃的疏水进入所述二级疏水器，将热量通过管道传导到闭冷水系统中，通过冷却塔释放到外界；
将温度降低为53℃-58℃的疏水进入所述二级疏水器，将阀门a和阀门b关闭，关闭所述闭冷水系统与所述二级疏水器之间的管道；打开所述阀门c和阀门d；再通过阀门i连通所述汽轮机与所述空气换热器，通过三个阀门的开度调节进口的空气温度，并通过管道输送到所述燃气轮机中；
经过所述空气换热器放热后的凝结水进入到所述凝汽器中，通过所述第一水泵进入所述余热锅炉。
再一种燃气轮机进气温度控制装置的燃气轮机进气温度控制方法，包括以下步骤：
所述燃气轮机排气送入所述余热锅炉中用于产生水蒸汽水蒸汽，水蒸汽引入所述汽轮机中做功；
将所述闭冷水系统中的热量通过所述阀门c和阀门d进入到所述空气换热器中，并通过管道输送到所述燃气轮机中；
将所述汽轮机中的排水进入到所述凝汽器中，通过所述第一水泵进入所述余热锅炉。
本发明公开了以下技术效果：55℃以下的热量是一种低品味的热量，由于与低温流体温差较小，存在回收困难，以及应用出口有限的问题，本项目采用高效换热器技术，解决了低品位热源的回收问题，同时针对某些工况下燃气轮机的压气机进口空气需要加热的情形，将这些低品位热量应用到压气机进气加热，在解决温室效应的同时，提高了燃气-蒸汽联合循环的效率；且通过回收燃气-蒸汽联合循环系统的低品位废热，可使压气机更接近与设计工况，提高压气机出口空气温度，降低燃烧室燃烧时的不可逆损失，达到节约燃料消耗的目的，从而进一步提高燃气电厂的经济性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的系统图。
图2为本发明实施例二的系统图
图3为本发明实施例三的系统图
图4为本发明实施例四的系统图
其中，1-燃气轮机、2-余热锅炉、3-汽轮机、4-城市热网系统、5-进气控温装置、6-凝汽器、7-冷却塔、8-闭冷水系统、9-中介水装置、21-省煤器、22-蒸发器、23-过热器、41-热网加热器、42-一级疏水冷却器、43-二级疏水冷却器、51-空气换热器，52-第二水泵、53-阀门c、54-阀门d、55-阀门i、61-第一水泵、81-阀门a、82-阀门b、91-阀门e、92-阀门f。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种燃气轮机进气温度控制装置，包括燃气轮机1、余热锅炉2、汽轮机3、进气控温装置5、凝汽器6、冷却塔7和闭冷水系统8；
燃气轮机1通过排气管道与余热锅炉2的进气管道连通；余热锅炉2的排气管道与汽轮机3连通；汽轮机3的再利用管道经过凝汽器6换热，经过第一水泵61与余热锅炉2连通；冷却塔7分别与凝汽器6和闭冷水系统8连通；闭冷水系统8与二级冷却器43连通；进气控温装置5包括控温部，控温部设置于闭冷水系统8与燃气轮机1之间。
温控部包括空气换热器51，第二水泵52和阀门c53、阀门d54，空气换热器51的高温管道一端与燃气轮机1的进气管道连通，另一端通过第二水泵52和阀门c53与闭冷水系统8连通；空气换热器51的低温管道一端与外界连通，另一端通过阀门d54与闭冷水系统8的连通。
城市热网系统4包括热网加热器41、一级疏水冷却器42和二级疏水冷却器43；汽轮机3的排气管道与热网加热器41的进气管道连通；热网加热器41、一级疏水冷却器42和二级疏水冷却器43分别依次通过管道连通；空气换热器51和闭冷水系统8通过二级疏水冷却器43连通；二级疏水冷却器43的再利用管道经过凝汽器6换热。
还设置有中介水装置9；中介水装置9还设置有阀门e91和阀门f92；中介水装置9一端通过阀门e91与二级冷却器43的高温管道连通；另一端通过阀门f92与二级冷却器43的低温管道连通；热网加热器41与城市热网管道连通；一级疏水冷却器42与城市管网管道连通。
闭冷水系统8还设置有阀门a81和阀门b82；闭冷水系统8一端通过阀门a81与二级冷却器43的高温管道连通；另一端通过阀门b82与二级冷却器43的低温管道连通。
余热锅炉2中设置有省煤器21，蒸发器22和过热器23；21省煤器与燃气轮机1的排气管道连通；蒸发器22与余热锅炉2的排气管道连通；过热器23与余热锅炉2的再利用管道连通。
根据图1，在本发明的第一个实施例中，燃气轮机1排气送入余热锅炉2中用于产生水蒸汽，水蒸汽引入汽轮机3中做功；将汽轮机3抽出280℃-320℃的蒸汽进入热网加热器41，用于城市热网供热；将温度降低为68℃-73℃的疏水进入一级疏水器42，用于城市管道供热；将温度降低为53℃-58℃的疏水进入二级疏水器43，将其他热量通过管道传导到闭冷水系统8中，通过冷却塔7释放到外界；
将温度降低为53℃-58℃的疏水进入二级疏水器43，将阀门a81和阀门b82关闭，关闭闭冷水系统8与二级疏水器43之间的管道；打开阀门c53、阀门d54、阀门e91和阀门f92，通过中介水将冷空气加热并进入到空气换热器51中，并通过管道输送到燃气轮机1中；
将汽轮机3中的排气进入到凝汽器6中，通过第一水泵61进入余热锅炉2循环利用。
为了防止空气加热器51中循环水的损耗而减少，在系统中增加了阀门e91和阀门f92用于控制中介水流量。根据中介水的温度以及燃机进口空气的流量和温度，可以通过调节阀门a81、阀门b82、阀门c53、阀门d54的开度来调节压气机进口的空气温度，从而更好的适应燃气-蒸汽联合循环的运行工况。本专利中，空气换热器可采用高效板式换热器，在提高燃机进气温度的同时，尽量减小空气的流动阻力。阀门a81、阀门b82、阀门c53、阀门d54的开度可以根据燃机进气温度、流量及热网疏水温度、流量的阈值，通过PLC或者其他方式进行系统控制。上述系统中的温度只是燃气-蒸汽热电联产系统中某一特定工况下的数值，本专利实施过程中，具体温度数值由实际运行工况决定。
根据图2，在本发明的第二个实施例中，经过二级疏水器43降温后的冷凝水不经过中介水的传热，直接进入到空气换热器51对冷空气进行加热。运行过程中，将阀门i55关闭，阀门c53和阀门d54打开，热网疏水即可直接进入到空气换热器51中对空气进行预热。根据中介水的温度以及冷空气的流量和温度，可以通过调节阀门i55、阀门c53和阀门d54的开度来调节压气机进口的空气温度，从而更好的适应燃气-蒸汽联合循环的运行工况。
根据图3，在本发明的第三个实施例中，加热空气的热源亦可来源于闭冷水系统8，将闭冷系统8中的热量引入到空气换热器51。根据冷空气的流量和温度，可以通过阀门c53和阀门d54的开度来调节压气机进口的空气温度，从而更好的适应燃气-蒸汽联合循环的运行工况。当不需要进行空气加热时，阀门c53和阀门d54关闭。
根据图4，在本发明的第四个实施例中，加热空气的热源亦可来源于余热锅炉2尾部的烟气。在余热锅炉2尾部安装取热器24，从70-80℃的烟气中取热用于加热燃气轮机1进口空气。根据冷空气的流量和温度，可以通过阀门c53和阀门d54的开度来调节压气机进口的空气温度，从而更好的适应燃气-蒸汽联合循环的运行工况。本方案是在余热锅炉中安装取热器，有效利用了余热锅炉尾部的烟气热量，进一步提高了燃气-蒸汽联合循环的效率，且四季可用。
在本发明的再一个实施例中，如图结构所示，在空气换热器51中可添加低温水管，可以达到在燃气轮机1负荷过高时，进行降温改变运行边界的效果。
本发明公开了以下技术效果：55℃以下的热量是一种低品味的热量，由于与低温流体温差较小，存在回收困难，以及应用出口有限的问题，本项目采用高效换热器技术，解决了低品位热源的回收问题，同时针对某些工况下燃气轮机的压气机进口空气需要加热的情形，将这些低品位热量应用到压气机进气加热，在解决温室效应的同时，提高了燃气-蒸汽联合循环的效率；且通过回收燃气-蒸汽联合循环系统的低品位废热，可使压气机更接近与设计工况，提高压气机出口空气温度，降低燃烧室燃烧时的不可逆损失，达到节约燃料消耗的目的，从而进一步提高燃气电厂的经济性。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.燃气轮机进气温度控制装置，其特征在于，包括燃气轮机(1)、余热锅炉(2)、汽轮机(3)、进气控温装置(5)、凝汽器(6)、冷却塔(7)和闭冷水系统(8)；
所述燃气轮机(1)通过排气管道与所述余热锅炉(2)的进气管道连通；所述余热锅炉(2)的排气管道与所述汽轮机(3)连通；所述汽轮机(3)的再利用管道经过所述凝汽器(6)换热，经过第一水泵(61)与所述余热锅炉(2)连通；所述冷却塔(7)分别与所述凝汽器(6)和闭冷水系统(8)连通；所述进气控温装置(5)包括控温部，所述控温部设置于所述闭冷水系统(8)与所述燃气轮机(1)之间。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机进气温度控制装置，其特征在于：所述温控部包括空气换热器(51)，第二水泵(52)和阀门c(53)、阀门d(54)，所述空气换热器(51)的高温管道一端与燃气轮机(1)的进气管道连通，另一端通过第二水泵(52)和阀门c(53)与所述闭冷水系统(8)连通；所述空气换热器(51)的低温管道一端与外界连通，另一端通过阀门d(54)与所述闭冷水系统(8)的连通。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机进气温度控制装置，其特征在于：还设置有城市热网系统(4)；所述城市热网系统(4)包括热网加热器(41)、一级疏水冷却器(42)和二级疏水冷却器(43)；所述汽轮机(3)的排气管道与所述热网加热器(41)的进气管道连通；所述热网加热器(41)、一级疏水冷却器(42)和二级疏水冷却器(43)分别依次通过管道连通；所述空气换热器(51)和闭冷水系统(8)通过所述二级疏水冷却器(43)连通；所述二级疏水冷却器(43)的再利用管道经过所述凝汽器(6)换热。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机进气温度控制装置，其特征在于：所述闭冷水系统(8)还设置有阀门a(81)和阀门b(82)；所述闭冷水系统(8)一端通过阀门a(81)与所述二级疏水冷却器(43)的高温管道连通；另一端通过阀门b(82)与所述二级疏水冷却器(43)的低温管道连通。
5.根据权利要求3所述的燃气轮机进气温度控制装置，其特征在于：还设置有中介水装置(9)；所述中介水装置(9)还设置有阀门e(91)和阀门f(92)；所述中介水装置(9)一端通过阀门e(91)与所述二级疏水冷却器(43)的高温管道连通；另一端通过阀门f(92)与所述二级疏水冷却器(43)的低温管道连通；所述热网加热器(41)与城市热网管道连通；所述一级疏水冷却器(42)与城市管网管道连通。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述的燃气轮机进气温度控制方法，包括以下步骤：
1)所述燃气轮机(1)排气送入所述余热锅炉(2)中用于产生水蒸汽，水蒸汽引入所述汽轮机(3)中做功；
2)将所述汽轮机(3)抽出280℃-320℃的蒸汽进入所述热网加热器(41)，用于城市热网供热；
3)将温度降低为68℃-73℃的疏水进入所述一级疏水器(42)，用于城市管道供热；
4.1)将温度降低为53℃-58℃的疏水进入所述二级疏水器(43)，将热量通过管道传导到闭冷水系统(8)中，通过冷却塔(7)释放到外界；
4.2)将温度降低为53℃-58℃的疏水进入所述二级疏水器(43)，将阀门a(81)和阀门b(82)关闭，关闭所述闭冷水系统(8)与所述二级疏水器(43)之间的管道；打开所述阀门c(53)、阀门d(54)阀门e(91)和阀门f(92)，通过中介水将冷空气加热并进入到所述空气换热器(51)中，并通过管道输送到所述燃气轮机(1)中；
5.1)将所述汽轮机(3)中的排水进入到所述凝汽器(6)中，通过所述第一水泵(61)进入所述余热锅炉(2)；
5.2)将所述汽轮机(3)中的排气通过管道传导到闭冷水系统(8)中，通过冷却塔(7)释放到外界。
7.一种基于权利要求1-4任一项所述的燃气轮机进气温度控制装置的燃气轮机进气温度控制方法，包括以下步骤：
1)所述燃气轮机(1)排气送入所述余热锅炉(2)中用于产生水蒸汽，水蒸汽引入所述汽轮机(3)中做功；
2)将所述汽轮机(3)抽出280℃-320℃的蒸汽进入所述热网加热器(41)，用于城市热网供热；
3)将温度降低为68℃-73℃的疏水进入所述一级疏水器(42)，用于城市管道供热；
4.1)将温度降低为53℃-58℃的疏水进入所述二级疏水器(43)，将热量通过管道传导到闭冷水系统(8)中，通过冷却塔(7)释放到外界；
4.2)将温度降低为53℃-58℃的疏水进入所述二级疏水器(43)，将阀门a(81)和阀门b(82)关闭，关闭所述闭冷水系统(8)与所述二级疏水器(43)之间的管道；打开所述阀门c(53)和阀门d(54)；再通过阀门i(55)连通所述汽轮机(3)与所述空气换热器(51)，通过三个阀门的开度调节进口的空气温度，并通过管道输送到所述燃气轮机(1)中；
5)经过所述空气换热器(51)放热后的凝结水进入到所述凝汽器(6)中，通过所述第一水泵(61)进入所述余热锅炉(2)。
8.一种基于权利要求1-2任一项所述的燃气轮机进气温度控制装置的燃气轮机进气温度控制方法，包括以下步骤：
1)所述燃气轮机(1)排气送入所述余热锅炉(2)中用于产生水蒸汽，水蒸汽引入所述汽轮机(3)中做功；
2)将所述闭冷水系统(8)中的热量通过所述阀门c(53)和阀门d(54)进入到所述空气换热器(51)中，并通过管道输送到所述燃气轮机(1)中；
3)将所述汽轮机(3)中的排水进入到所述凝汽器(6)中，通过所述第一水泵(61)进入所述余热锅炉(2)。
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