CN109538355B - 塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备 - Google Patents

塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，其塔式太阳能集热子组件包括塔式太阳能集热器、高温储热罐、第一换热器、低温储热罐和驱动泵；塔式太阳能集热器中定日镜反射阳光并使之集中于装配在集热塔上的接收器；高温储热罐入口与接收器出口连通；第一换热器入口与高温储热罐出口连通；低温储罐入口与第一换热器的出口连通；驱动泵的入口与低温储热罐的出口连通、出口与接收器入口连通；驱动泵驱动储热工质在接收器、高温储热罐、第一换热器、低温储罐、驱动泵依次连通组成的循环回路中循环流动；其中，第一换热器利用储热工质的热量加热燃气轮机进气加热子组件的工质。如上设备能利用太阳能加热压缩机进口空气。

Description

塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，更具体地说，涉及一种塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备。
背景技术
燃气轮机作为一个国家先进制造业的代表，它的发展对国家能源装备技术发展与研究甚至于国民经济具有较大影响，在能源领域具有不可替代的作用。
燃气轮机进气加热是指采用热源加热压缩机进口空气，防止燃气轮机的进气组件在恶劣天气条件下出现冰堵和湿堵等问题，以减轻环境参数变化对燃气轮机机组运行的影响。现有的燃气轮机主要采用抽气加热管道将压气机排气引入安装在进口***前的进气加热母管，对压缩机进口空气进行加热，但该方式仅是利用压气机排气的余热，并未引入其他品味的可再生资源。
综上，如何引入其他品味的可再生资源利，以加热压缩机进口空气，是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，其能够利用太阳能加热压缩机进口空气，利于提高燃气轮机的发电效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，包括塔式太阳能集热子组件和燃气轮机进气加热子组件，所述塔式太阳能集热子组件包括：
塔式太阳能集热器，所述塔式太阳能集热器包括定日镜、接收器和集热塔；所述接收器安装在所述集热塔的顶端；所述定日镜用于反射阳光并使反射后的阳光集中于所述接收器；所述接收器用于吸收太阳能；
高温储热罐，所述高温储热罐的入口与所述接收器的出口连通；
第一换热器，所述第一换热器的入口与所述高温储热罐的出口连通；
低温储热罐，所述低温储罐的入口与所述第一换热器的出口连通；
驱动泵，所述驱动泵的入口与所述低温储热罐的出口连通，所述驱动泵的出口与所述接收器的入口连通；所述驱动泵用于驱动储热工质在所述接收器、所述高温储热罐、所述第一换热器、所述低温储罐、所述驱动泵依次连通组成的循环回路中循环流动；
其中，所述第一换热器利用所述储热工质的热量加热所述进气加热子组件的工质。
优选的，上述联合循环发电设备中，所述燃气轮机进气加热子组件包括：
质量控制阀，所述质量控制阀的入口与所述第一换热器的出口连通，出口与第二换热器的入口连通；
节流阀，所述节流阀的入口与所述第二换热器的出口连通、出口与第一工质泵连通；所述第一工质泵的出口与所述第一换热器的入口连通。
优选的，上述联合循环发电设备中，还包括溴化锂制冷子组件，所述溴化锂制冷子组件包括：第三换热器和制冷装置，两者连通组成制冷循环管路；
所述节流阀的入口通过所述第三换热器与所述第二换热器的出口连通；所述燃气轮机进气加热子组件还包括旁路阀；所述旁路阀的入口与所述质量控制阀的出口连通、出口与所述第三换热器的入口连通。
优选的，上述联合循环发电设备中，还包括有机朗肯循环发电子组件，所述有机朗肯循环发电子组件包括：第四换热器、透平、第一凝汽器、第二工质泵，所述第四换热器的被加热管路与所述透平、所述第一凝汽器、所述第二工质泵依次连通组成朗肯循环发电回路；
所述第四换热器的入口与所述第一换热器的出口连通、出口与所述第一工质泵的入口连通。
优选的，上述联合循环发电设备中，所述朗肯循环发电回路内的循环工质为R245fa。
优选的，上述联合循环发电设备中，还包括风力发电机组，所述风力发电机组与变速器连接，所述变速器与所述第一工质泵连接。
优选的，上述联合循环发电设备中，所述联合循环发电设备的燃气-蒸汽联合循环发电子组件包括压缩机；所述压缩机的入口与所述第二换热器连通，所述压缩机的出口与燃烧室的进口连接，所述燃烧室的出口与燃气轮机透平连通；所述燃气轮机透平的出口与余热锅炉的入口连接；
所述余热锅炉总给水经过低压省煤器吸热后分为高、低压两路，低压一路给水经过低压蒸发器、低压过热器进入低压缸推动汽轮机做功；高压一路给水经过高压给水泵升压，然后经高压省煤器、高压蒸发器、高压过热器吸热后进入高压汽缸做功，做完功的高压乏气与所述低压过热器排出的低压过热蒸汽混合后进入低压缸继续做功，乏气然后进入凝汽器冷却，经给水泵升压后继续下一循环。
优选的，上述联合循环发电设备中，所述储热工质为融盐，所述融盐包括NaNO3和KNO3；所述融盐的摩尔质量为91.438g/mol，所述融盐最低工作温度为200℃、最高工作温度为600℃。
优选的，上述联合循环发电设备中，所述集热塔的高度为128m。
优选的，上述联合循环发电设备中，所述燃气轮机进气加热子组件的工质为水。
本发明提供一种塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，其包括塔式太阳能集热子组件和燃气轮机进气加热子组件；塔式太阳能集热子组件包括塔式太阳能集热器、高温储热罐、第一换热器、低温储热罐和驱动泵；塔式太阳能集热器包括定日镜、接收器和集热塔；接收器安装在集热塔的顶端；定日镜用于反射阳光并使反射后的阳光集中于接收器；接收器用于吸收太阳能热量；高温储热罐的入口与接收器的出口连通；第一换热器的入口与高温储热罐的出口连通；低温储罐的入口与第一换热器的出口连通；驱动泵的入口与低温储热罐的出口连通、驱动泵的出口与接收器的入口连通；驱动泵用于驱动储热工质在接收器、高温储热罐、第一换热器、低温储罐、驱动泵依次连通组成的循环回路中循环流动；其中，第一换热器利用储热工质的热量加热燃气轮机进气加热子组件的工质，该工质能够在燃气轮机进气加热子组件中循环流动过程中加热压缩机进口空气。
如上联合循环发电设备能够利用太阳能加热压缩机进口空气，利于提高燃气轮机的发电效率。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明实施例提供的塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备的结构示意图；
其中，图1中：
塔式太阳能集热器A1；高温储热罐A2；第一换热器A3；低温储热罐A4；驱动泵A5；质量控制阀A6；第二换热器A7；第一工质泵A8；节流阀A9、A10；风力发电机组A11；变速器A12；旁路阀A13；
压缩机B1；燃烧室B2；燃气轮机透平B3；高压过热器B4；高压蒸发器B5；高压省煤器B6；低压过热器B7；低压蒸发器B8；低压省煤器B9；高压汽缸B10；低压缸B11；第二凝汽器B13；给水泵B14；质量控制阀B15；高压给水泵B16；
第四换热器C1；透平C2；第一凝汽器C3；第二工质泵C4；
第三换热器D1；制冷装置D2。
具体实施方式
本发明实施例公开了一种塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，其能够利用太阳能加热压缩机进口空气，利于提高燃气轮机的发电效率。
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。
请参阅图1，本发明实施例提供一种塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，其包括塔式太阳能集热子组件和燃气轮机进气加热子组件；塔式太阳能集热子组件包括塔式太阳能集热器A1、高温储热罐A2、第一换热器A3、低温储热罐A4和驱动泵A5；塔式太阳能集热器A1包括定日镜、接收器和集热塔；接收器安装在集热塔的顶端；定日镜用于反射阳光并使反射后的阳光集中于接收器；接收器用于吸收太阳能热量；高温储热罐A2的入口与接收器的出口连通；第一换热器A3的入口与高温储热罐A2的出口连通；低温储罐的入口与第一换热器A3的出口连通；驱动泵A5的入口与低温储热罐A4的出口连通、驱动泵A5的出口与接收器的入口连通；驱动泵A5用于驱动储热工质在接收器、高温储热罐A2、第一换热器A3、低温储罐、驱动泵A5依次连通组成的循环回路中循环流动；其中，第一换热器A3利用储热工质的热量加热燃气轮机进气加热子组件的工质，该工质能够在燃气轮机进气加热子组件中循环流动过程中加热压缩机进口空气。
应用上述联合循环发电设备时，阳光经定日镜反射后集中在接收器上，接收器吸收来自太阳的热量，并将热量传递至储热工质，储热工质携带热量通过高温储热罐后到达第一换热器A3处，并于第一换热器A3处将热量传递至燃气轮机进气加热子组件中的工质，然后通过低温储热罐A4和驱动泵A5返回接收器。
显然，如上联合循环发电设备能够利用太阳能加热压缩机进口空气，利于提高燃气轮机的发电效率。
另外，上述塔式太阳能集热子组件设置了高、低储热罐，储热工质吸收热量后将热量储存于储热罐，在夜晚时储热工质便可以吸收储热罐中储存的热量继续进行热循环。该塔式太阳能集热子组件利用高、低温储热罐针能够在各种天气的白天与夜晚，持续给第一换热器A3供热，保证整个***的稳定运行。
上述储热工质设置为融盐，融盐包括NaNO3和KNO3；融盐的摩尔质量为91.438g/mol，融盐的最低工作温度为200℃、最高工作温度为600℃；相对其他储热工质而言，融盐存储热量大，时间长。集热塔的高度设置为128m，当然，根据场地环境，集热塔的高度还可设置为其它值，本实施例不做限定。
燃气轮机进气加热子组件包括：
质量控制阀A6，质量控制阀A6的入口与第一换热器A3的出口(该出口是指第一换热器A3中被加热管路的出口)连通，质量控制阀A6的出口与第二换热器A7的入口(该入口为第二换热器A7中热源管路的入口)连通；
节流阀A9，节流阀A9的入口与第二换热器A7的出口(该出口为第二换热器A7中热源管路的出口)连通，节流阀A9的出口与第一工质泵A8连通；第一工质泵A8的出口与第一换热器A3的入口(该入口是指第一换热器A3中被加热管路的入口)连通。
如上燃气轮机进气加热子组件中循环流动的工质为水；第二换热器A7为水-空气换热器，第二换热器A7中被加热管路的入口通入空气。
上述实施例提供的联合循环发电设备中，还包括溴化锂制冷子组件，溴化锂制冷子组件包括第三换热器D1和制冷装置D2；第三换热器D1的入口和制冷装置D2的出口连通，第三换热器D1的出口和制冷装置D2的入口连通，两者如此连通组成制冷循环管路；节流阀A9的入口通过第三换热器D1(具体通过第三换热器D1内的热源管路)与第二换热器A7的出口连通；燃气轮机进气加热子组件还包括旁路阀A13；旁路阀A13的入口与质量控制阀A6的出口连通，旁路阀A13的出口与第三换热器D1的入口(该入口是指第三换热器D1中热源管路的入口)连通。
在夏秋季节空气湿度小、温度较高时，溴化锂制冷子组件吸收燃气轮机进气加热子组件中工质的热量，然后通过溴化锂制冷机组获得冷量，实现能量的充分利用。另外，上述燃气轮机进气加热子组件应用过程中，通过调节质量控制阀A6和旁路阀A13开度,能够改变经过第二换热器A7的给水质量流量，实现控制进入压缩机B1的进口空气温度。
具体的，上述联合循环发电设备还包括有机朗肯循环发电子组件，有机朗肯循环发电子组件包括：第四换热器C1、透平C2、第一凝汽器C3、第二工质泵C4；第四换热器的被加热管路与透平C2、第一凝汽器C3、第二工质泵C4依次连通组成朗肯循环发电回路；第四换热器C1的入口(该入口为第四换热器C1中热源管路的入口)与第一换热器A3的出口(该出口为第一换热器A3中被加热管路的出口)连通，第四换热器C1的出口(该出口为第四换热器C1中热源管路的出口)通过节流阀A10与第一工质泵A8的入口连通。
朗肯循环发电回路中工质经第四换热器C1吸收热量后进入汽轮机做功，做完功的工质进入第一冷凝器C3放出热量，然后经工质泵C4达到工作压力，升压后的工质再次进入第四换热器C1进行下次循环。有机朗肯循环作为清洁无污染的发电形式，利用低品位余热发电补偿厂用电消耗，建立了绿色与效益并重的发电模式。
燃气轮机进气加热子组件中工质在第一换热器A3处吸收热量后分为两路，一路经过有机朗肯循环发电子组件发电；另一路经过质量控制阀A6去第二换热器A7，放出热量后的工质则为溴化锂制冷机组提供热源，如果不需要投运燃气轮机进气加热子组件，则工质经过旁路阀A13直接为溴化锂制冷机组提供热源；经过溴化锂机组放热后的工质经节流阀A9后与前一路工质混合，混合后的水经第一工质泵A8升压后进行下一轮循环过程。
上述第三换热器D1为水-水换热器；朗肯循环发电回路内的循环工质为R245fa(五氟丙烷)，第四换热器C1为水-五氟丙烷换热器。
如上联合循环发电设备中还包括风力发电机组A11，风力发电机组A11与变速器A12连接，变速器A12与第一工质泵A8连接。在无风或风力较小时用厂用电给第一工质泵A8供电，当风力较大时采用风力发电机组A11为第一工质泵A8提供动力,以节约厂用电，提高发电效率。
具体的，上述联合循环发电设备的燃气-蒸汽联合循环发电子组件以天然气为燃料，空气作为顶循环工质，水作为底循环工质；燃气-蒸汽联合循环发电子组件包括压缩机B1；空气经由第二换热器A7加热后进入压缩机B1，压缩机B1的入口与第二换热器A7的出口(该出口为第二换热器A7中被加热管路的出口)连通，压缩机B1的出口与燃烧室B2的进口连接，燃烧室B2的出口与燃气轮机透平B3的入口连通；燃气轮机透平B3的出口与双压无再热的余热锅炉的入口连接；余热锅炉总的给水经过低压省煤器B9吸热后分为高、低压两路，低压一路给水经过低压蒸发器B8、低压过热器B7进入低压缸B11推动汽轮机做功；高压一路给水经过质量控制阀B15后于高压给水泵B16处升压，然后经高压省煤器B6、高压蒸发器B5、高压过热器B4吸热后进入高压汽缸B10做功，做完功的高压乏气与低压过热器B7排出的低压过热蒸汽混合后进入低压缸B11继续做功，乏气然后进入第二凝汽器B13冷却，经给水泵B14升压后继续下一循环。
应用时，空气经第二换热器A7、压缩机B1后进入燃烧室B2与天然气燃烧。燃烧后的高温高压烟气进入燃气轮机B3做功，做完功后的乏气经余热锅炉放出热量后排出。余热锅炉总给水经过低压省煤器B9吸热后分为高、低压两路，如上所述，两路给水做功后由给水泵B14升压后继续下一循环。
本实施例提供的塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备中，投运燃气轮机进气加热子组件后，压缩机B1进口温度升高，通过调节燃气轮机负荷率，燃气-蒸汽联合循环发电子组件可以在部分负荷下保持总输出功率不变，燃料耗量降低，联合循环效率升高。
与传统联合循环发电设备相比，本实施例提出的联合循环发电设备具有显著的热力学集成优势和经济性优势，具体请参看下表：
表1燃气-蒸汽联合循环热力学分析基础数据
表2为塔式太阳能集热子组件基础数据
表3为未投入燃气轮机进气加热子组件时各节点参数
针对环境温度为12.5℃，压力为1.016bar，模拟联合循环机组分别在50％、75％、87.24％、95％、100％负荷时投运进气加热子组件，使压缩机进口温度达到35℃，通过调整燃气轮机负荷率改变燃气轮机功率，然后使汽机跟随燃气轮机调节保持联合循环功率不变，进而研究进气加热***对联合循环性能的影响。
表4为燃气轮机进气加热子组件投运前后热力学性能数据
由表4中数据可以看出：
这种新型的塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，在低于87.24％负荷时投运进气加热***可以有效地降低天然气消耗量，提高联合循环效率，从而达到节能减排效果。
投入进气加热***将温度由12.5℃提高至35℃时，在低于87.24％的负荷区间，可通过调整燃气轮机负荷率保持联合循环输出功率不变，50％、75％、87.24％负荷下燃气轮机负荷率可分别提高0.08、0.12、0.15。
燃气-蒸汽联合循环机组在95％负荷时，压缩机进气温度在12.5℃-20℃范围内燃气轮机负荷率由0.95提高至1.00，可保持联合循环输出功率不变；在20℃-35℃范围内燃气轮机负荷率为最大值1.00，联合循环输出功率将降低。在100％负荷时，燃气轮机负荷率为最大值1.00；在压缩机进气温度提升，联合循环输出功率将会降低。
压缩机进气温度由12.5℃提高至35℃时，联合循环机组在50％、75％、87.24％负荷下均可通过调整燃气轮机负荷率保持联合循环输出功率不变，天然气消耗量可分别降低0.11kg/s、0.13kg/s、0.10kg/s，95％，联合循环效率可分别提高1.04％、1.03％、0.73％。
该塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，不仅可以在部分负荷下减少燃料消耗量，提高联合循环效率。同时还可以利用有机朗肯循环***发电，补偿厂用电消耗，在夏季还可以通过溴化锂制冷机组获得冷量。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种塔式太阳能加热压缩机进口空气的联合循环发电设备，其特征在于，包括塔式太阳能集热子组件和燃气轮机进气加热子组件，所述塔式太阳能集热子组件包括：
塔式太阳能集热器，所述塔式太阳能集热器包括定日镜、接收器和集热塔；所述接收器安装在所述集热塔的顶端；所述定日镜用于反射阳光并使反射后的阳光集中于所述接收器；所述接收器用于吸收太阳能；
高温储热罐，所述高温储热罐的入口与所述接收器的出口连通；
第一换热器，所述第一换热器的入口与所述高温储热罐的出口连通；
低温储热罐，所述低温储热罐的入口与所述第一换热器的出口连通；
驱动泵，所述驱动泵的入口与所述低温储热罐的出口连通，所述驱动泵的出口与所述接收器的入口连通；所述驱动泵用于驱动储热工质在所述接收器、所述高温储热罐 、所述第一换热器、所述低温储热罐、所述驱动泵依次连通组成的循环回路中循环流动；
其中，所述第一换热器利用所述储热工质的热量加热所述进气加热子组件的工质；
所述联合循环发电设备还包括燃气-蒸汽联合循环发电子组件，该燃气-蒸汽联合循环发电子组件包括压缩机；所述压缩机的入口与第二换热器连通，所述压缩机的出口与燃烧室的进口连接，所述燃烧室的出口与燃气轮机透平连通；所述燃气轮机透平的出口与余热锅炉的入口连接；所述压缩机的进气温度由12.5℃提高至35℃时，该燃气-蒸汽联合循环发电子组件在50%、75%、87.24%负荷下均可通过调整燃气轮机负荷率保持联合循环输出功率不变，天然气消耗量可分别降低0.11kg/s、0.13 kg/s、0.10 kg/s，联合循环效率分别提高1.04%、1.03%、0.73%；
所述余热锅炉总给水经过低压省煤器吸热后分为高、低压两路，低压一路给水经过低压蒸发器、低压过热器进入低压缸推动汽轮机做功；高压一路给水经过高压给水泵升压，然后经高压省煤器、高压蒸发器、高压过热器吸热后进入高压汽缸做功，做完功的高压乏气与所述低压过热器排出的低压过热蒸汽混合后进入低压缸继续做功，乏气然后进入凝汽器冷却，经给水泵升压后继续下一循环。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述燃气轮机进气加热子组件包括：
质量控制阀，所述质量控制阀的入口与所述第一换热器的出口连通，出口与第二换热器的入口连通；
节流阀，所述节流阀的入口与所述第二换热器的出口连通、出口与第一工质泵连通；所述第一工质泵的出口与所述第一换热器的入口连通。
3.根据权利要求2所述的联合循环发电设备，其特征在于，还包括溴化锂制冷子组件，所述溴化锂制冷子组件包括：第三换热器和制冷装置，两者连通组成制冷循环管路；
所述节流阀的入口通过所述第三换热器与所述第二换热器的出口连通；所述燃气轮机进气加热子组件还包括旁路阀；所述旁路阀的入口与所述质量控制阀的出口连通、出口与所述第三换热器的入口连通。
4.根据权利要求2所述的联合循环发电设备，其特征在于，还包括有机朗肯循环发电子组件，所述有机朗肯循环发电子组件包括：第四换热器、透平、第一凝汽器、第二工质泵，所述第四换热器的被加热管路与所述透平、所述第一凝汽器、所述第二工质泵依次连通组成朗肯循环发电回路；
所述第四换热器的入口与所述第一换热器的出口连通、出口与所述第一工质泵的入口连通。
5.根据权利要求4所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述朗肯循环发电回路内的循环工质为R245fa。
6.根据权利要求2所述的联合循环发电设备，其特征在于，还包括风力发电机组，所述风力发电机组与变速器连接，所述变速器与所述第一工质泵连接。
7.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述储热工质为融盐，所述融盐包括NaNO3和KNO3；所述融盐的摩尔质量为91.438g/mol，所述融盐最低工作温度为200℃、最高工作温度为600℃。
8.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述集热塔的高度为128m。
9.根据权利要求1所述的联合循环发电设备，其特征在于，所述燃气轮机进气加热子组件的工质为水。
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