CN107524527B - 一种可用于联合循环电站的燃气轮机变背压改造*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于电站节能领域的一种燃气轮机联合循环变背压改造***。该***主要由压气机、燃烧室、燃气透平、余热锅炉、引风机烟道、引风机、引风机旁路烟道、烟气旁路挡板以及烟囱等部分组成。采用在余热锅炉烟气出口设置引风机烟道和引风机旁路烟道，两烟道分离处设置烟气旁路挡板，引风机烟道内设置引风机的布置方式，利用调节引风机功率的方法，调节余热锅炉烟道内的燃气压力，进而改变燃气透平的排气压力；当旁路烟道挡板关至引风机烟道一侧，关闭引风机烟道，可完全恢复余热锅炉以及燃气透平出口压力。与常规联合循环机组相比，在相同负荷下，燃气透平的进气和排烟温度均有提高，顶循环和底循环效率均得到一定优化。燃气轮机联合循环变背压改造***可以优化联合循环在部分负荷工况下的运行经济性，显著改善其调峰性能，经济效益显著。
Description
技术领域
本发明属于电站节能领域，特别涉及一种可用于联合循环电站的燃气轮机变背压改造***。
背景技术
燃气轮机及其联合循环是从20世纪50年代开始应用在发电工业中的；燃气-蒸汽联合循环机组由于参与电网的调峰，常常处于部分负荷工况运行，然而随着燃气轮机负荷的降低，其热效率相应降低，因此，深入研究联合循环全工况性能对于机组的热经济性具有重要的理论和现实意义。
目前应用于提高联合循环变工况效率的方法主要包括变几何调节、运行策略调节以及***集成三类方法；变几何调节包括压气机进口导叶调节（IGV）调节和透平可调喷嘴（NGV）调节，主要通过改变压气机和透平的通流量来改善变工况运行性能；优化机组运行策略调节是根据联合循环的热力学特性，寻找最优的联合循环变工况调节方式；此外利用***集成也能提高联合循环效率，比如回热循环，利用了透平的高温排气来加热压气机进口的空气，提高了它进入燃烧室的温度，减少了投入燃烧室的燃料，从而提高了热效率。
更高参数等级（高初温、大压比）的燃气轮机机组具有更好的变工况性能；因此，在机组变工况运行范围内，尽可能高的燃气初温有利于提高联合循环效率；目前燃气轮机机组都设置了IGV***，利用IGV调节是目前应用比较广泛也是效果比较好的的变工况调节方式；即通过逐渐关小IGV角度，减少压气机进口流量来降低燃气轮机负荷，这样能提高透平进口的燃气温度以提高变工况效率；然而机组不能一直通过关小IGV角度来调节负荷，因为当燃气轮机按等T3调节方式运行时，机组下降到一定负荷，如果继续关小IGV角度，燃气流量进一步减小，透平末级的膨胀比减小，这样会造成透平排气超温。
本发明提出了一种可用于联合循环电站的燃气轮机变背压改造***，适用于燃气轮机联合循环电站，其核心设计思想在于：通过在余热锅炉尾部烟道布置引风机来调节机组在变工况运行时的透平排气背压，提高透平末级的膨胀比，使得高温燃气可以进一步在透平中膨胀做功，增加了燃气轮机出功，优化了顶循环性能；同时提高了余热锅炉入口烟温，有利于优化底循环性能；为了方便引风机的投运和退出，设置了与引风机烟道并联的引风机旁路烟道，并在烟道分离处设置了旁路烟道挡板，在引风机投运时，引风机旁路烟道关闭，烟气全部进入引风机烟道，当引风机停运时，引风机烟道关闭，烟气全部进入引风机旁路烟道，这样可以灵活调节引风机是否投运，减小引风机不投运时当带来的烟气阻力损失。这种燃气轮机联合循环变背压改造***可以扩大机组采用等T3调节策略的负荷变化范围，改善了机组的变工况运行的经济性，对电站节能以及调峰性能都有较明显的作用。
发明内容
本发明针对燃气轮机联合循环变工况热效率较低、在机组采用等T3调节策略时不能充分利用IGV调节压气机进气量等问题，提出属于电站节能领域的一种可用于联合循环电站的燃气轮机变背压改造***，通过在余热锅炉尾部烟道布置引风机来调节机组在变工况运行时的透平排气背压，扩大机组按等T3调节的运行范围，提高联合循环热效率，同时设置与引风机烟道并联的引风机旁路烟道灵活调节引风机投运与不投运时的烟气通道，减小烟道的阻力损失。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种可用于联合循环电站的燃气轮机变背压改造***，该***主要包括压气机、燃烧室、燃气透平、余热锅炉、引风机烟道、引风机、引风机旁路烟道、烟气旁路挡板以及烟囱等装置；其特征在于：空气经过压气机（1）压缩后进入燃烧室（2），燃料在燃烧室燃烧后的烟气进入燃气透平（3），高温烟气在透平中膨胀做工后通入余热锅炉（4），余热锅炉出口烟气通道分别设置为相互并联的引风机烟道（6）和引风机旁路烟道（10），在烟道分离处设置旁路烟道挡板（9），旁路烟道挡板（9）可开至引风机烟道（6）的位置（11）处和引风机旁路烟道（10）的位置（12）处，在引风机烟道（6）中设置引风机（7），在引风机烟道（6）和引风机旁路烟道（10）之后设置汇合烟道（13），汇合烟道（13）连接烟囱（8）。
所述的在余热锅炉的烟气出口烟道设置引风机烟道（6），在引风机烟道（6）中设置引风机（7）；余热锅炉出口的烟气进入引风机烟道（6），烟气流经引风机烟道（6）中的引风机（7），在引风机（7）中被加压，压力升高至与环境压力相当，经过汇合烟道（13）进入烟囱（8）排入大气；利用引风机（7）的抽吸力作用降低了余热锅炉（4）和燃气透平（3）的出口（14）处的燃气压力。
所述的在余热锅炉的烟气出口烟道设置引风机旁路烟道（10），当不投运引风机（7）时，烟气进入引风机旁路烟道（10），烟气压力不发生变化，随后进入汇合烟道（13），最终由烟囱（8）排入大气；设置引风机旁路烟道（10）之后可灵活调节引风机（7）是否投运。
所述的在余热锅炉（4）之后的引风机烟道（6）和引风机旁路烟道（10）的分离处设置旁路烟道挡板（9），当需要引风机（7）投运时，旁路烟道挡板（9）调节至引风机旁路烟道（10）的位置（12）处，余热锅炉（4）出口的烟气进入引风机烟道（6），被引风机（7）加压之后进入汇合烟道（13），再由烟囱（8）排出；当不需要引风机（7）投运时，旁路烟道挡板（9）调节至引风机烟道（6）的位置（11）处，余热锅炉（4）出口的烟气进入引风机旁路烟道（10），随后进入汇合烟道（13），再由烟囱（8）排出；在调节引风机（7）是否投运时，可通过旁路烟道挡板（9）灵活调节烟气通道，避免引风机（7）不投运是对烟气造成阻力损失。
本发明所述的可用于联合循环电站的燃气轮机变背压改造***具有如下特点：
1.燃气轮机联合循环机组在变工况时采用等T3+压气机IGV调节的运行策略，在机组负荷从100%下降时，采用IGV调节控制压气机进气量，同时调节燃料量，维持透平入口燃气温度（T3）不变，引风机不投运，旁路烟道挡板开至（11）位置，关闭引风机烟道，烟气通过引风机旁路烟道排出，随着负荷降低透平排气温度上升至限制值时开启引风机，旁路烟道挡板开至（12）位置，开启引风机烟道，烟气通过引风机加压之后排出，通过风机功率调节来改变燃气透平排气背压，高温的燃气可以在透平内进一步膨胀，降低了排气温度，使得机组在透平初温不变得情况下仍能保持透平排气温度在安全范围之内；当IGV角度关至最小值时，旁路烟道挡板开至（11）位置，开启引风机旁路烟道，关闭引风机，烟气通过引风机旁路烟道排出，采用燃料量调节，压气机进口流量不再减少，燃料量不断减少来降低负荷；充分利用了IGV调节压气机进气量并扩大了等T3调节的负荷范围，优化了变工况下顶循环与底循环的运行性能，提高了机组变工况运行经济性。
2.利用引风机降低透平背压，扩大了烟气在透平中的膨胀过程，能够维持透平入口烟温维持在设计值1327℃，并且保证透平排气不超温，相比于传统机组，透平的烟气利用温区的得到扩展和提升，透平效率得到大幅提升，同时透平排气温度相应提高，维持在650℃左右，有利于余热锅炉效率的提升，对于机组的运行经济性有较大的提升作用。
3.该***节能效果取决于压气机流量的调节范围，调节范围越大节能效果越显著，因此，变背压改造在不同运行方案、不同转速调节、不同***集成方案下仍然具有同样的热力特性，尤其是针对能带来流量变化的策略或集成***。
4.该***可以通过挡板的调节灵活改变烟气的流通路径，避免在引风机不投运的情况下，烟气继续流过引风机烟道造成过大的烟气压力损失，影响机组经济性。
5.该***可方便引风机维修，当引风机需要维护时，利用旁路烟道挡板关闭引风机烟道，可在不影响机组运行的情况下对引风机展开维护。
附图说明
图1为燃气轮机联合循环变背压改造***示意图。图中：1-压气机；2-燃烧室；3-燃气透平；4-余热锅炉；5-发电机；6-引风机烟道；7-引风机；8-烟囱；9-旁路烟道挡板；10-引风机旁路烟道；11-；12-；13-汇合烟道。
具体实施方式
本发明提出一种燃气轮机联合循环变背压改造***。下面结合附图和实例予以说明。
如图1所示的燃气轮机变背压改造***示意图中，该***主要包括压气机、燃烧室、燃气透平、余热锅炉、引风机烟道、引风机、引风机旁路烟道、烟气旁路挡板以及烟囱等装置；其特征在于：空气经过压气机（1）压缩后进入燃烧室（2），燃料在燃烧室燃烧后的烟气进入燃气透平（3），高温烟气在透平中膨胀做工后通入余热锅炉（4），余热锅炉出口烟气通道分别设置为相互并联的引风机烟道（6）和引风机旁路烟道（10），在烟道分离处设置旁路烟道挡板（9），旁路烟道挡板（9）可开至引风机烟道（6）的位置（11）处和引风机旁路烟道（10）的位置（12）处，在引风机烟道（6）中设置引风机（7），在引风机烟道（6）和引风机旁路烟道（10）之后设置汇合烟道（13），汇合烟道（13）连接烟囱（8）。
如图1所示，在余热锅炉的烟气出口烟道设置引风机烟道（6），在引风机烟道（6）中设置引风机（7）；余热锅炉出口的烟气进入引风机烟道（6），烟气流经引风机烟道（6）中的引风机（7），在引风机（7）中被加压，压力升高至与环境压力相当，经过汇合烟道（13）进入烟囱（8）排入大气。利用引风机（7）的抽吸力作用降低了余热锅炉（4）和燃气透平（3）的出口（14）处的燃气压力。
如图1所示，在余热锅炉的烟气出口烟道设置引风机旁路烟道（10），当不投运引风机（7）时，烟气进入引风机旁路烟道（10），烟气压力不发生变化，随后进入汇合烟道（13），最终由烟囱（8）排入大气；设置引风机旁路烟道（10）之后可灵活调节引风机（7）是否投运。
如图1所示，在余热锅炉（4）之后的引风机烟道（6）和引风机旁路烟道（10）的分离处设置旁路烟道挡板（9），当需要引风机（7）投运时，旁路烟道挡板（9）调节至引风机旁路烟道（10）的位置（12）处，余热锅炉（4）出口的烟气进入引风机烟道（6），被引风机（7）加压之后进入汇合烟道（13），再由烟囱（8）排出；当不需要引风机（7）投运时，旁路烟道挡板（9）调节至引风机烟道（6）的位置（11）处，余热锅炉（4）出口的烟气进入引风机旁路烟道（10），随后进入汇合烟道（13），再由烟囱（8）排出。在调节引风机（7）是否投运时，可通过旁路烟道挡板（9）灵活调节烟气通道，避免引风机（7）不投运是对烟气造成阻力损失。
本发明首次提出燃气轮机联合循环变背压改造***；当机组在变工况采用等T3+压气机IGV调节的运行策略运行时，随着负荷降低透平排气温度上升至限制值时开启引风机，利用引风机降低透平背压，扩大了烟气在透平中的膨胀过程，能够维持透平入口烟温在设计工况值，并且保证透平排气不超温，相比于传统机组，透平的烟气利用温区的得到扩展和提升，透平效率得到大幅提升，同时透平排气温度相应提高，有利于余热锅炉效率的提升，对于机组的运行经济性有较大的提升作用；同时，该***可以通过挡板对烟气流通路径的调节来保证机组运行的经济性，以及通过旁路烟道挡板对引风机烟道的关启保证引风机维护的便利性。
Claims (1)
1.一种可用于联合循环电站的燃气轮机变背压改造***，包括压气机(1)、燃烧室(2)、燃气透平(3)、余热锅炉(4)、引风机烟道(6)、引风机(7)、引风机旁路烟道(10)、旁路烟道挡板(9)以及烟囱(8)，其特征在于，空气经过压气机(1)压缩后进入燃烧室(2)，燃料在燃烧室(2)燃烧后产生的高温烟气进入燃气透平(3)，高温烟气在燃气透平(3)中膨胀做功后通入余热锅炉(4)，余热锅炉(4)的出口烟气通道分别设置为相互并联的引风机烟道(6)和引风机旁路烟道(10)，在烟道分离处设置旁路烟道挡板(9)，旁路烟道挡板(9)可开至引风机烟道(6)的位置(11)处或引风机旁路烟道(10)的位置(12)处，在引风机烟道(6)中设置引风机(7)，在引风机烟道(6)和引风机旁路烟道(10)之后设置汇合烟道(13)，汇合烟道(13)连接烟囱(8)；
高温烟气流经引风机烟道(6)中的引风机(7)时，在引风机(7)中被加压，压力升高至与环境压力相当，经过汇合烟道(13)进入烟囱(8)排入大气；利用引风机(7)的抽吸力作用降低了余热锅炉(4)和燃气透平(3)的出口处的燃气压力；
可通过调节引风机烟道(6)中的引风机(7)的功率来灵活调节余热锅炉(4)和燃气透平(3)的出口处的燃气压力；
燃气轮机联合循环机组在变工况时采用等T3+压气机IGV调节的运行策略，在机组负荷从100％下降时，采用IGV调节控制压气机(1)进气量，同时调节燃料量，维持透平入口燃气温度T3不变，引风机(7)不投运，旁路烟道挡板(9)开至引风机烟道(6)的位置(11)处，关闭引风机烟道(6)，烟气通过引风机旁路烟道(10)排出，随着负荷降低透平排气温度上升至限制值时开启引风机(7)，旁路烟道挡板(9)开至引风机旁路烟道(10)的位置(12)处，开启引风机烟道(6)，烟气通过引风机(7)加压之后排出，通过风机功率调节来改变燃气透平(3)排气背压，高温的燃气可以在透平内进一步膨胀，降低了排气温度，使得机组在透平初温不变的情况下仍能保持透平排气温度在安全范围之内；当IGV角度关至最小值时，旁路烟道挡板(9)开至引风机烟道(6)的位置(11)处，开启引风机旁路烟道(10)，关闭引风机(7)，烟气通过引风机旁路烟道(10)排出，采用燃料量调节，压气机(1)进口流量不再减少，燃料量不断减少来降低负荷；充分利用了IGV调节压气机(1)进气量并扩大了等T3调节的负荷范围，优化了变工况下顶循环与底循环的运行性能，提高了机组变工况运行经济性。
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