CN109026400A - 一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***及方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***及方法，通过布置于两级压气机之间的换热器将压缩空气的部分热量交换给燃料，再由燃料将这部分热量带回燃烧室，低压压缩空气在换热器内被冷却，降低了高压压气机的压缩耗功，提高了压气机的总效率和总压缩比，最终可以提升燃气轮机效率，本发明还可以进一步扩展成为采用级间换热预热燃料的燃气蒸汽联合循环***，达到提升燃气轮机效率，节约能源的目的。
Description
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，特别涉及一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***及方法。
背景技术
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动透平叶片高速旋转，将燃料的化学能转变为透平叶片机械能的一种设备。燃气轮机通常由压气机、燃烧室、透平以及连接压气机及透平的轴组成，用于发电的燃气轮机还配备有发电机，也与连接压气机和透平的轴相连。燃气轮机的工作流程为，压气机从外界吸入空气，逐级压缩使之增压，同时空气温度也相应提高，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合燃烧生成高温高压的气体，该高温高压气体再进入透平膨胀做功，驱动透平叶片高速旋转，经连接压气机、透平和发电机的轴输出机械功，发电机再将机械功转变为电能。进入透平的燃气(燃烧后气体)初始温度以及压气机的压缩比(出口压力与进口压力之比)，是影响燃气轮机效率的两个主要因素。要提高燃气轮机效率，可以采用提高燃气初温，或者增大压气机压缩比的方式进行。在实际运行过程中，提高压气机压缩比，会提升压气机出口压缩空气温度，大大增加压缩耗功，因此，压气机压缩比有一个最佳值，对应于压气机效率最大点。可以通过在压气机级间增加冷却器的办法降低压气机出口压缩空气温度，减少压气机耗功，提升压气机最佳效率对应的压缩比。对于电厂配置的重型燃气轮机，可以采用电厂循环水作为冷源，然而这部分循环水带走的热量品位较低，通常无法直接用于发电。另一方面，从主管网来的天然气等燃料通常需要经过露点加热器和性能加热器进行加热才被送入燃气轮机燃烧，这部分需要的热源通常来自额外的锅炉或者其他热源。
发明内容
针对上述压气机级间冷却器由循环水带出的热量品位低，燃料加热又需要消耗额外热量，本发明提供一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***及方法，提出在燃气轮机低压压气机和高压压气机之间增加换热器来冷却压缩空气并预热燃料的***和方法，达到提升燃气轮机效率，节约能源的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***，包括轴6以及在轴6上依次设置的低压压气机1、高压压气机2、透平4和发电机5，所述的低压压气机1与高压压气机2之间设置有换热器7，高压压气机2与透平4之间设置有燃烧室3，所述的换热器7内部分为独立的燃料管路和空气管路，换热器7燃料管路入口连接燃料21，换热器7燃料管路出口与燃烧室3入口相连，换热器7空气管路入口连接低压压气机1出口，换热器7空气管路出口连接高压压气机2入口，所述的燃烧室3出口连接在透平4入口上，所述的透平4输出端为排气口或与余热锅炉31气侧通道入口相连。
所述的余热锅炉31内部分为独立的水侧通道和气侧通道，其水侧通道出口连接汽轮机32入口，汽轮机32通过联轴器34驱动发电机33，所述的汽轮机32乏汽输出端连接凝汽器35，凝汽器35通过给水泵36连接至余热锅炉31水侧通道入口，余热锅炉31气侧通道出口设置有排气装置。
所述的换热器7将低压压缩空气12的部分热量交换给燃料21，再由预热的燃料22将这部分热量带回燃烧室3，同时，降低了高压压气机2进口压缩空气的温度，有助于减少高压压气机2耗功。
一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***的运行方法为，经过滤的空气11进入低压压气机1被压缩，同时温度升高，成为低压压缩空气12，进入换热器7，燃料21进入换热器7被低压压缩空气12加热成为预热的燃料22，低压压缩空气12被冷却，自换热器7进入高压压气机2进一步被压缩，为了取得最佳的总压气机效率，低压压气机1的压缩比需要设定在11-20之间，优选16，高压压气机2的压缩比则设定为8-12之间，优选9，预热的燃料22自换热器7出来直接进入燃烧室3，高压压缩空气14自高压压气机2出来也进入燃烧室3，燃料与空气在燃烧室3内部混合燃烧产生高温高压排气15，推动透平4叶片旋转经轴6输出机械功，发电机5将轴6输出的机械功转化为电能。透平排气16直接排入大气。
所述的透平4排气16不进入大气，而是进入余热锅炉31加热给水41成为过热蒸汽42，过热蒸汽42再进入汽轮机32驱动叶片旋转，将过热蒸汽42的热能转化为机械能，通过联轴器34带动发电机33转子旋转，将机械能转化为电能输出。汽轮机32排出的乏汽43在凝汽器35内部凝结成为冷凝水44，再由给水泵36加压输送至余热锅炉31完成蒸汽循环。余热锅炉排气17直接进入大气。
本发明的有益效果：
本发明充分利用了低压压气机压缩空气产生的热量，通过预热燃料将这部分热量带回燃烧室，同时减少了高压压气机压缩耗功，提升了两级压气机总效率和总压缩比，最终能够提高燃气轮机效率。
该***还可以进一步扩展成为采用级间换热预热燃料的燃气蒸汽联合循环***。
将燃料温度从30℃提升至约200℃可以增加燃气轮机效率约0.4％，对于燃气蒸汽联合循环机组，同样可以提升燃气蒸汽联合循环整体效率约0.4％。
附图说明
图1是采用级间换热预热燃料的燃气轮机***。
图2是采用级间换热预热燃料的燃气蒸汽联合循环***。
图3是燃气轮机效率与燃料预热温度之间的关系。
1-低压压气机；2-高压压气机；3-燃烧室；4-透平；5-发电机；6-轴；7-换热器；11-空气；12-低压压缩空气；13-冷却的低压压缩空气；14-高压压缩空气；15-燃烧室排气；16-透平排气；17-余热锅炉排气；21-燃料；22-预热的燃料；31-余热锅炉；32-汽轮机；33-发电机；34-联轴器；35-凝汽器；36-给水泵；41-给水；42-过热蒸汽；43-乏汽；44-冷凝水。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1为采用级间换热预热燃料的燃气轮机***，如图1所示，包括，低压压气机1，高压压气机2，燃烧室3，透平4，发电机5，连接低压压气机1、高压压气机2、透平4和发电机5的轴6，换热器7。
通过布置于两级压气机之间的换热器7将低压压气机1出来的压缩空气的部分热量交换给燃料，再由燃料将这部分热量带入燃烧室。由于降低了低压压气机1出来的压缩空气温度，从而减少了高压压气机2的压缩耗功，提高了两级压气机总效率，同时两级压气机总压缩比也有提高，最终可以提升燃气轮机效率。
实施例1的运行方式为，经过滤的空气11进入低压压气机1被压缩，同时温度升高，成为低压压缩空气12，进入换热器7。燃料21进入换热器7被低压压缩空气12加热成为预热的燃料22。低压压缩空气12被冷却，自换热器7进入高压压气机2进一步被压缩。为了取得最佳的总压气机效率，低压压气机1的压缩比需要设定在11-20之间，优选16，高压压气机2的压缩比则设定为8-12之间，优选9。预热的燃料22自换热器7出来直接进入燃烧室3，高压压缩空气14自高压压气机2出来也进入燃烧室3，燃料与空气在燃烧室3内部混合燃烧产生高温高压排气15，推动透平4叶片旋转经轴6输出机械功，发电机5将轴6输出的机械功转化为电能。透平4排气16直接排入大气。
实施例2为采用级间换热预热燃料的燃气蒸汽联合循环***，如图2所示，在实施例1的基础上，增加了余热锅炉31，汽轮机32，发电机33，联轴器34，凝汽器35，给水泵36。
实施例2的运行方式在实施例1燃气轮机简单循环的基础上，透平4排气16不进入大气，而是进入余热锅炉31加热给水41成为过热蒸汽42，过热蒸汽42再进入汽轮机32驱动叶片旋转，将过热蒸汽42的热能转化为机械能，通过联轴器34带动发电机33转子旋转，将机械能转化为电能输出。汽轮机32排出的乏汽43在凝汽器35内部凝结成为冷凝水44，再由给水泵36加压输送至余热锅炉31完成蒸汽循环。余热锅炉排气17直接进入大气。
如图3所示，将燃料温度从30℃提升至约200℃可以增加燃气轮机效率约0.4％，对于燃气蒸汽联合循环机组，同样可以提升燃气蒸汽联合循环整体效率约0.4％。
Claims (6)
1.一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***，其特征在于，包括轴(6)以及在轴(6)上依次设置的低压压气机(1)、高压压气机(2)、透平(4)和发电机(5)，所述的低压压气机(1)与高压压气机(2)之间设置有换热器(7)，高压压气机(2)与透平(4)之间设置有燃烧室(3)，所述的换热器7内部分为独立的燃料管路和空气管路，换热器7燃料管路入口连接燃料21，换热器7燃料管路出口与燃烧室3入口相连，换热器7空气管路入口连接低压压气机1出口，换热器7空气管路出口连接高压压气机2入口，所述的燃烧室(3)出口连接在透平(4)入口上，所述的透平(4)输出端为排气口或与余热锅炉(31)气侧通道入口相连。
2.基于权利要求1所述的一种采用级间换热预热燃料的燃气蒸汽联合循环***，其特征还在于，所述的余热锅炉(31)内部分为独立的水侧通道和气侧通道，其水侧通道出口连接汽轮机(32)入口，汽轮机(32)通过联轴器34驱动发电机(33)，所述的汽轮机32乏汽输出端连接凝汽器35，凝汽器35通过给水泵(36)连接至余热锅炉(31)水侧通道入口，余热锅炉31气侧通道出口设置有排气装置。
3.根据权利要求1所述的一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***，其特征在于，换热器7将低压压缩空气12的部分热量交换给燃料21，再由预热的燃料22将这部分热量带回燃烧室3，同时，降低了高压压气机2进口压缩空气的温度，有助于减少高压压气机2耗功。
4.根据权利要求1所述的***的运行方法，其特征在于，经过滤的空气(11)进入低压压气机(1)被压缩，同时温度升高，成为低压压缩空气(12)，进入换热器(7)，燃料(21)进入换热器(7)被低压压缩空气(12)加热成为预热的燃料(22)，低压压缩空气(12)被冷却，自换热器(7)进入高压压气机(2)进一步被压缩，为了取得最佳的总压气机效率，低压压气机(1)的压缩比需要设定在11-20之间，高压压气机(2)的压缩比则设定为8-12之间，预热的燃料(22)自换热器(7)出来直接进入燃烧室(3)，高压压缩空气(14)自高压压气机(2)出来也进入燃烧室(3)，燃料与空气在燃烧室(3)内部混合燃烧产生高温高压排气(15)，推动透平(4)叶片旋转经轴(6)输出机械功，发电机(5)将轴(6)输出的机械功转化为电能，透平排气(16)直接排入大气。
5.根据权利要求2所述的一种采用级间换热预热燃料的燃气蒸汽联合循环***的运行方法，其特征在于，所述的透平(4)排气不进入大气，而是进入余热锅炉(31)加热给水(41)成为过热蒸汽(42)，过热蒸汽(42)再进入汽轮机(32)驱动叶片旋转，将过热蒸汽(42)的热能转化为机械能，通过联轴器(34)带动发电机(33)转子旋转，将机械能转化为电能输出，汽轮机(32)排出的乏汽(43)在凝汽器(35)内部凝结成为冷凝水(44)，再由给水泵(36)加压输送至余热锅炉(31)完成蒸汽循环，余热锅炉排气(17)直接进入大气。
6.根据权利要求4所述的一种采用级间换热预热燃料的燃气轮机***，所述的低压压气机1的压缩比优选16，高压压气机2的压缩比则优选9。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181218 |