CN105221263A - 一种间冷燃气轮机联合循环*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种间冷燃气轮机联合循环***，涉及燃气轮机技术领域。所述间冷燃气轮机联合循环***，包含余热锅炉、低压压气机、高压涡轮、高压压气机、含涡轮组件、补燃燃烧室及中间冷却器，其中，所述补燃燃烧室布置在高压涡轮与涡轮组件之间，高压涡轮排出的燃气经过补燃燃烧室再次加热后加入涡轮组件，涡轮组件的排气温度升高；所述涡轮组件的排气端与所述余热锅炉的进气端连接；所述中间冷却器布置在低压压气机与高压压气机之间。本发明有益之处在于：本发明中的间冷燃气轮机联合循环***中增添了补燃燃烧室，使得低压涡轮与动力涡轮组件排出的气体温度较高，提高了余热锅炉的效率。

Description

一种间冷燃气轮机联合循环***

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种间冷燃气轮机联合循环***。

背景技术

间冷循环燃气轮机是在简单循环的基础上，增加压缩空气中间冷却器组成的复杂循环燃气轮机，由于加入了中间冷却，使得其效率较简单循环燃气轮机得到提升。

在燃气轮机中，采用间冷循环的燃气轮机由于其高的循环比功与高效率，日益受到人们的关注。然而，常规间冷循环燃气轮机中，燃气经高压涡轮膨胀做功后，温度下降。在余热锅炉型联合循环中，燃气轮机的排气通至余热锅炉中，加热锅炉中的水产生蒸汽驱动汽轮机做功。但燃气轮机中动力涡轮排出的气体温度较低，导致基于联合循环的间冷燃气轮机联合循环热效率较低(美国GE公司的间冷燃气轮机联合循环LSM100PA热效率50.1％)。

发明内容

本发明的目的是提供一种间冷燃气轮机联合循环***，以解决背景技术中的间冷燃气轮机联合循环***中热效率较低的问题。

本发明的技术方案是：提供一种间冷燃气轮机联合循环***，包含余热锅炉、低压压气机、高压涡轮、高压压气机、涡轮组件、补燃燃烧室及中间冷却器，其中，所述补燃燃烧室布置在高压涡轮与涡轮组件之间，高压涡轮排出的燃气经过补燃燃烧室再次加热后加入涡轮组件，涡轮组件的排气温度升高；所述涡轮组件的排气端与所述余热锅炉的进气端连接；所述中间冷却器布置在低压压气机与高压压气机之间。

优选地，所述间冷燃气轮机联合循环***进一步包含第一转子、第二转子、低压压气机及高压压气机，其中，所述低压压气机与涡轮组件通过第一转子连接，且低压压气机与涡轮组件同轴，所述高压涡轮与高压压气机之间通过第二转子连接，且高压涡轮与高压压气机同轴。

优选地，所述涡轮组件包含低压涡轮和动力涡轮，燃气经补燃燃烧室再次燃烧后进入低压涡轮，燃气在低压涡轮内膨胀做功后驱动动力涡轮。

优选地，所述第一转子的一端用于连接第二负载，所述低压压气机布置在所述涡轮组件与第二负载之间。

优选地，所述低压压气机的进气端背离涡轮组件的排气端。

优选地，所述低压压气机同旋向的叶片叶型沿第一转子的轴线对称布置。

优选地，所述涡轮组件同时驱动低压压气机及第二负载。

本发明的有益效果：本发明中的间冷燃气轮机联合循环***中增添了补燃燃烧室，使得低压涡轮与动力涡轮组件排出的气体温度较高，提高了余热锅炉的效率。

附图说明

图1是本发明一实施例的间冷燃气轮机联合循环***的示意图。

其中：1-第一负载，2-蒸汽轮机，3-余热锅炉，4-第二负载，5-第一转子，6-低压压气机，7-涡轮组件，8-补燃燃烧室，9-高压涡轮，10-燃烧室，11-高压压气机，12-第二转子，13-中间冷却器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，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更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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保护范围的限制。

如图1所示，一种间冷燃气轮机联合循环***，包含有第一负载1、蒸汽轮机2、余热锅炉3、第二负载4、第二转子5、低压压气机6、涡轮组件7、补燃燃烧室8、高压涡轮9、燃烧室10、高压压气机11、第二转子12及中间冷却器13，其中，涡轮组件7包含低压涡轮及动力涡轮，燃气经补燃燃烧室8再次燃烧后进入低压涡轮，燃气在低压涡轮内膨胀做功后驱动动力涡轮。

低压压气机6与涡轮组件7通过第一转子5连接，且低压压气机6与涡轮组件7同轴，第一转子5的一端用于连接第二负载4。

本发明相比现有技术，将低压涡轮与动力涡轮组装为涡轮组件7。涡轮组件7同时带动低压压气机6及第二负载4，减少了零件的数量，缩短了第一转子5的轴向长度，提高了***的可靠性。

低压压气机6布置在涡轮组件7与第二负载4之间，且低压压气机6的进气端远离涡轮组件7的排气端(附图1中，低压压气机6的右端为低压压气机6的进气端，涡轮组件7的右端为涡轮组件7的排气端)。低压压气机6同旋向的叶片叶型沿第一转子5的轴线对称布置得到反旋向的叶片叶型，使得涡轮组件7和低压压气机6的气流方向相反，而旋向相同。

低压压气机6的进气端远离涡轮组件7的排气端的优点在于：低压压气机6的进口温度不受涡轮组件7的排气的影响，提高了低压压气机6进口的空气质量。

高压涡轮9与高压压气机11通过第二转子12连接，且高压涡轮9与高压压气机11同轴，在高压涡轮9与高压压气机11之间布置有燃烧室10，高压压气机11将空气压缩后进入燃烧室10。在燃烧室10内喷入燃料，燃料在高压空气下燃烧生成高温高压燃气，高温高压燃气流入高压涡轮9用于高压涡轮9做功，高压涡轮9做功用于通过第二转子12带动高压压气机11运转。

本发明相比现有技术，包含有第一转子5和第二转子12，其优点在于：现有技术中的转子需要穿过中间冷却器13、高压压气机11、燃烧室10、高压涡轮9，转子的轴向距离较长，不利于转子轴承布置和转子动力学设计。而本发明中采用了两个转子，转子轴向长度明显降低，大幅提高了转子的刚度，有利于转子的动力学设计，使得燃气轮机工作过程中更加稳定。

补燃燃烧室8布置在第二转子12上的高压涡轮9与第一转子5上的涡轮组件7之间。补燃燃烧室8对从高压涡轮9流出的燃气再次加热，补燃燃烧室8内喷入燃料，燃料在补燃燃烧室8中的高温高压气流中充分燃烧，燃烧后的燃气流入涡轮组件7做功，涡轮组件7通过第一转子5带动低压压气机6和第二负载4。

增加补燃燃烧室8的优点在于：可提高涡轮组件7进口燃气的温度，使燃气轮机的循环功加大，而且补燃燃烧室8中的压力较高，燃烧效率也高，因而既提高了功率又使热效率保持较高的水平，对降低污染物排放、减少发动机冷却气量、提高燃气轮机安全性等十分有利。

经过补燃燃烧室8对从高压涡轮9流出的燃气再次加热后，涡轮组件7的排气温度更高，涡轮组件7的排气端与余热锅炉3的进气端连接，涡轮组件7的排气进入余热锅炉3后，对余热锅炉3内的水加热变成水蒸气，水蒸气驱动蒸汽轮机2做功并带动第一负载1，水蒸气在蒸汽轮机2内膨胀做工后凝结成的水再次留回余热锅炉3。

中间冷却器13设置在低压压气机6与高压压气机11之间，空气经低压压气机6压缩后，通过中间冷却器13进入高压压气机11。中间冷却器13降低了空气进入高压压气机11时的温度,高压压气机11的压缩耗功因此减少，整个机组的比功率得到提高。

本发明的间冷燃气轮机联合循环***的功率相比现有技术可提高105％，热效率提高58.5％。

其计算公式为：

压气机压缩单位质量空气消耗功：

$L_k=\frac{k}{k-1}{\mathrm{RT}}_B^{*}\frac{{\mathrm{\π}}_k^{{*}^{\frac{k-1}{k}}}-1}{{\mathrm{\η}}_k^{*}}=\frac{k}{k-1}R(T_k^{*}-T_B^{*})$

其中：

L_k为单位质量空气压缩耗功，k为绝热指数，

R为气体常数，为压气机进口总温

为压气机压比，为压气机效率

为压气机出口总温；

涡轮膨胀单位质量空气发出功：

$L_r=\frac{k_r}{k_r-1}{R}_r{T}_r^{*}(1-\frac{1}{{\mathrm{\π}}_T^{{*}^{\frac{k_r-1}{k_r}}}}){\mathrm{\η}}_T^{*}=\frac{k_r}{k_r-1}{R}_r(T_r^{*}-T_T^{*})$

其中：

L_r单位质量空气膨胀功，k_r为绝热指数

R为气体常数，为涡轮进口涡轮总温

为涡轮膨胀比，为涡轮效率

为涡轮出口总温；

燃烧室油气比：

$f=\frac{i_{a3}^{*}-i_{a2}^{*}}{{\mathrm{\ηH}}_{\mathrm{\μ}}+{\mathrm{\ΔI}}_f+H_0-H_3^{*}}$

其中：

f为油气比，为出口空气焓(出口温度下单位质量空气焓)，

η为燃烧效率，为入口空气焓(入口温度下单位质量空气焓)，

为焓差，H_μ为燃料低热值(燃烧产物为水蒸气时的热值)，

ΔI_f为温度差引起的燃料焓差(温差乘平均比热容，一般忽略)，

H₀为燃料入口温度下的焓差。

假设现有技术中低压压气机的进气温度为288K，流量为100kg/s，低压压比为4，中间冷却器水温为291K，中间冷却器效率为0.85，高压压比为12，燃烧室出口温度为1600K，燃料热值42700KJ/kg，经计算可得燃机功率为39493KW,热效率为42.3％。,动力涡轮前温度为998K，排气温度为657K。

而在相同假设条件下，本发明中的间冷燃气轮机联合循环***计算参数为：低压压气机的进气温度为288K，流量为100kg/s，低压压比为4，中间冷却器水温为291K，中间冷却器效率为0.85，高压压比为12，燃烧室出口温度为1600K，燃料热值为42700KJ/kg，补燃燃烧室出口温度为1600K，补燃燃烧室效率为0.97，补燃燃烧室总压回复系数为0.975，高压涡轮、低压涡轮冷气量均为10％，经计算可得燃机功率为58984KW，动力涡轮前温度为1382K，排气温度为891K，联合循环中蒸汽轮机部分功率为21928KW，总功率为80912KW，相比现有技术中的总功率提高了105％，总热效率为58.5％。

经计算对比表明，间冷燃气轮机联合循环***可显著提高燃气轮机的功率及热效率。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种间冷燃气轮机联合循环***，包含余热锅炉(3)、低压压气机(6)、高压涡轮(9)及高压压气机(11)，其特征在于：进一步包含涡轮组件(7)、补燃燃烧室(8)及中间冷却器(13)，其中，

所述补燃燃烧室(8)布置在高压涡轮(9)与涡轮组件(7)之间，高压涡轮(9)排出的燃气经过补燃燃烧室(8)再次加热后加入涡轮组件(7)，涡轮组件(7)的排气温度升高；

所述涡轮组件(7)的排气端与所述余热锅炉(3)的进气端连接；

所述中间冷却器(13)布置在低压压气机(6)与高压压气机(11)之间。

2.根据权利要求1所述的间冷燃气轮机联合循环***，其特征在于：所述间冷燃气轮机联合循环***进一步包含第一转子(5)、第二转子(12)、低压压气机(6)及高压压气机(11)，其中，

所述低压压气机(6)与涡轮组件(7)通过第一转子(5)连接，且低压压气机(6)与涡轮组件(7)同轴，所述高压涡轮(9)与高压压气机(11)之间通过第二转子(12)连接，且高压涡轮(9)与高压压气机(11)同轴。

3.根据权利要求1所述的间冷燃气轮机联合循环***，其特征在于：所述涡轮组件(7)包含低压涡轮和动力涡轮，燃气经补燃燃烧室(8)再次燃烧后进入低压涡轮，燃气在低压涡轮内膨胀做功后驱动动力涡轮。

4.根据权利要求2所述的间冷燃气轮机联合循环***，其特征在于：所述第一转子(5)的一端用于连接第二负载(4)，所述低压压气机(6)布置在所述涡轮组件(7)与第二负载(4)之间。

5.根据权利要求4所述的间冷燃气轮机联合循环***，其特征在于：所述低压压气机(6)的进气端背离涡轮组件(7)的排气端。

6.根据权利要求4所述的间冷燃气轮机联合循环***，其特征在于：所述低压压气机(6)同旋向的叶片叶型沿第一转子(5)的轴线对称布置。

7.根据权利要求4所述的间冷燃气轮机联合循环***，其特征在于：所述涡轮组件(7)同时驱动低压压气机(6)及第二负载(4)。