CN111636965B - 一种燃气轮机的负荷增强装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃气轮机的负荷增强装置及方法，涉及动力设备技术领域，解决了燃气轮机在大气密度下降时出力受限的技术问题。燃气轮机的负荷增强装置包括输水管与至少1组雾化喷头，输水管的一端与锅炉的给水母管连通，输水管的另一端与至少1组雾化喷头连通；至少1组雾化喷头与煤气管连通，煤气管连通燃气轮机的燃烧室。本发明通过输水管引入锅炉给水母管中的高压除盐水，利用锅炉给水母管中的高压通过雾化喷头将除盐水雾化，无需额外设置给水泵等给水设备，节省了能源的消耗、设备的采购与维护，同时对钢铁企业的锅炉进行了有效的利用。雾化后的除盐水与煤气混合后再与空气燃烧，有利于提高煤气的燃烧量，增大对燃烧透平做功的通气量。

Description

一种燃气轮机的负荷增强装置及方法

技术领域

本发明涉及动力设备技术领域，具体来说，是指一种燃气轮机的负荷增强装置及方法。

背景技术

燃气轮机在钢铁行业中得到了广泛的运用。燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械设备，是一种旋转叶轮式的热力发动机。

现有技术中的燃气轮机受外界环境温度的影响，当外界环境温度较高时，大气密度下降，空气更为稀薄。特别是在夏季，当空压机在同样的功率条件下运行时，能够压入燃气轮机燃烧室内的空气气量相对减少，燃烧室内的空燃比降低，导致燃烧的通气量下降，对燃烧透平的做功减少，造成燃气轮机的出力明显下降的问题。另一方面，为了避免燃烧透平入口的温度超过设计值，燃气轮机往往会设置相应的温度上限，以到达温度控制的目的。但在通气量下降的同时，又无法突破温度上限，严重限制了燃气轮机的出力。尤其是当管网煤气有富裕时，燃气轮机的出力无法得到充分的发挥。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术的不足，第一方面，提供一种燃气轮机的负荷增强装置，以解决现有技术中的燃气轮机在大气密度下降时出力受限的技术问题。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

一种燃气轮机的负荷增强装置，包括输水管以及至少1组雾化喷头，其中：

所述输水管的一端与锅炉的给水母管连通，所述输水管的另一端与至少1组雾化喷头连通；

至少1组所述雾化喷头与煤气管连通，所述煤气管连通燃气轮机的燃烧室。

在上述技术方案的基础上，该燃气轮机的负荷增强装置还可以做如下的改进。

可选的，所述输水管与至少1组雾化喷头之间连通有环形管，所述环形管环绕于煤气管的外部周围，所述环形管上连通有16组喷水管，16组所述喷水管沿环形管的环形方向均匀分布，每组所述喷水管上分别安装有雾化喷头。

可选的，所述环形管呈八边形结构，16组所述喷水管中每2组喷水管分别设置于环形管的同一边上，所述环形管之间以及环形管与喷水管之间均通过法兰相连接。

可选的，2组所述雾化喷头沿煤气管的长度方向间隔分布，2组所述雾化喷头沿煤气管的周向间隔分布，16组所述雾化喷头在煤气管上呈梅花形布置。

可选的，所述喷水管呈Z字形结构连接于环形管与煤气管之间，所述环形管连接有用于支撑环形管的支架。

可选的，所述喷水管连接有第一法兰盘，所述煤气管连接有第二法兰盘，所述煤气管与第二法兰盘之间连接有桥管，所述第一法兰盘与第二法兰盘通过螺栓连接固定，所述雾化喷头具有管体，所述管体连接于第一法兰盘与第二法兰盘之间，所述雾化喷头伸入煤气管。

可选的，所述管体上设置有限位盘，所述限位盘的直径与第一法兰盘和第二法兰盘的直径相同，所述雾化喷头通过限位盘螺纹连接于第一法兰盘与第二法兰盘之间，使所述雾化喷头保持相对固定的位置。

可选的，所述输水管靠近锅炉的给水母管一端设置有用于控制除盐水流量的流量控制阀，所述输水管靠近煤气管一端设置有防止煤气倒灌的隔离阀。

可选的，所述煤气管引入高炉产生的煤气，所述煤气管与高炉之间分别设置有除尘器与煤压机，所述除尘器的输入口与煤压机的输出口之间连接有煤气冷却器。

第二方面，本发明还提供一种燃气轮机的负荷增强方法，使用上述的燃气轮机的负荷增强装置，所述锅炉的给水母管通过输水管将除盐水从雾化喷头喷入煤气管，经过所述雾化喷头雾化的除盐水与煤气管内的煤气混合后输送至燃气轮机的燃烧室，所述燃烧室通过空压机输入空气，使煤气与空气在所述燃烧室内燃烧后对燃气轮机的燃烧透平做功。

与现有技术相比，本发明提供的燃气轮机的负荷增强装置具有的有益效果是：

本发明通过输水管引入锅炉给水母管中的高压除盐水，利用锅炉给水母管中的高压通过雾化喷头将除盐水雾化，无需额外设置给水泵等给水设备，节省了能源的消耗、设备的采购与维护，同时对钢铁企业的锅炉进行了有效的利用。雾化后的除盐水与煤气混合后再与空气燃烧，能够降低空煤气燃烧时的温度，有利于提高煤气的燃烧量，增大对燃烧透平做功的通气量。同时，除盐水燃烧汽化后对燃烧透平也有做功的贡献，极大提高了燃气轮机的出力。

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是本发明的燃气轮机的负荷增强装置的结构示意图；

图2是图1中煤气管与喷水管连接的结构示意图；

图3是图2中喷水管与雾化喷头连接的结构示意图；

图4是本发明的燃气轮机的负荷增强方法的流程图。

图中：

1—锅炉；2—高炉；3—除尘器；4—煤压机；5—煤气冷却器；6—煤气管；7—燃烧室；8—空压机；9—燃烧透平；10—流量控制阀；11—隔离阀；12—输水管；13—环形管；14—喷水管；15—第一法兰盘；16—第二法兰盘；17—管体；18—限位盘；19—雾化喷头；20—桥管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全面的实施例。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的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1：

本发明提供一种燃气轮机的负荷增强装置，如图1与图2所示，包括输水管12以及雾化喷头19。输水管12的一端与锅炉1的给水母管连通，输水管12的另一端连通环形管13。在环形管13上连通16组喷水管14，16组喷水管14沿环形管13的环形方向均匀分布。每组喷水管14的另一端分别连接有雾化喷头19，一共16组雾化喷头19。当锅炉1的给水母管中的高温高压除盐水分别流经输水管12与喷水管14后，雾化喷头19能够将除盐水喷成雾状的除盐水雾。

如图1与图2所示，16组雾化喷头19接入煤气管6，煤气管6引入高炉2产生的煤气，在煤气管6与高炉2之间分别设置有除尘器3与煤压机4，除尘器3的输入口与煤压机4的输出口之间连接有煤气冷却器5。煤气管6的另一端连通燃气轮机的燃烧室7。16组雾化喷头19沿煤气管6的周向均匀的接入煤气管6。

可以理解的是，根据煤气管6的粗细、除盐水的压力以及场地条件等因素，本发明的环形管13也可以连通6组、10组、20组甚至更多的喷水管14。当然，也可以只连通1组喷水管14，当输水管12只连通1组喷水管14时，则可以无需设置环形管13。本发明并不对喷水管14的数量做限定。除尘器3、煤压机4以及煤气冷却器5也可以根据煤气管6的输送长度、煤气的含粉杂质量、煤气的浓度等因素选择设置或不设置。当然，还可以根据输送需要，设置相应的用于控制煤气流量、压力的控制阀等结构。

如图1与图2所示，输水管12管路上设置有流量控制阀10与隔离阀11。流量控制阀10设置于靠近锅炉1的给水母管一端，用于控制除盐水的流量。隔离阀11设置于靠近煤气管6的一端，用于防止煤气倒灌进入输水管12内。其中，隔离阀11的数量为3组。当然，根据实际输水管12的长度，还可以设置更多组数的隔离阀11。

如图2所示，环形管13的具体结构呈八边形环状结构，环形管13环绕于煤气管6的外部周围。16组喷水管14中的每2组喷水管14分别设置于八边形环形管13的同一边上，2组雾化喷头19沿煤气管6的长度方向间隔分布，2组雾化喷头19沿煤气管6的周向间隔分布，使16组雾化喷头19在煤气管6上呈梅花形布置，能够使雾化后的除盐水均匀、分层的喷向煤气管6，从而使雾状的除盐水与煤气充分的混合。

可以理解的是，环形管13的形状根据喷水管14的数量而设计，当喷水管14的数量较少时，环形管13也可以设计为三角形、四边形或者六边形等形状；当喷水管14的数量较多时，环形管13也可以设计为十边形、十二边形或者十四边形等形状。雾化喷头19在煤气管6上的布置，还可以根据实际数量设置为更多的层数。

如图2所示，喷水管14呈Z字形结构连接于环形管13与煤气管6之间。当然，根据环形管13与雾化喷头19之间的距离，喷水管14还可以设计为C字形、L形或者I字形等结构。环形管13与环形管13之间通过法兰相连接，环形管13与喷水管14之间均通过法兰相连接，能够方便环形管13与喷水管14的安装与拆卸。为了增加环形管13的稳定性，环形管13连接有用于支撑环形管13的支架。支架的结构形式包括但不限于在煤气管6上设置拉杆或者在地面上设置支撑架等结构形式。

如图3所示，喷水管14在雾化喷头19一端连接有第一法兰盘15，煤气管6上设置有用于安装雾化喷头19的孔洞，在孔洞位置焊接有桥管20，桥管20连接有第二法兰盘16。雾化喷头19具有管体17，在管体17上设置有限位盘18，限位盘18的直径与第一法兰盘15和第二法兰盘16的直径相同。第一法兰盘15与第二法兰盘16通过螺栓连接固定，雾化喷头19通过限位盘18螺纹连接于第一法兰盘15与第二法兰盘16之间，使雾化喷头19保持相对固定的位置。喷水管14中的除盐水通过管体17输入雾化喷头19，雾化喷头19伸入煤气管6，使雾化后的除盐水与煤气充分的混合。当然，雾化喷头19还可以通过管体17与喷水管14焊接或者过盈连接的方式与喷水管14相连接。

当大气密度降低时，特别是在夏季，锅炉1给水母管内的高压除盐水通过输水管12、环形管13以及喷水管14输入雾化喷头19。雾化喷头19将除盐水雾化后喷入煤气管6，使雾化除盐水与煤气充分混合后经过煤气管6输送至燃气轮机的燃烧室7。同时，空压机8向燃烧室7内输入空气，空气与煤气燃烧后对燃气轮机的燃烧透平9做功。

正常情况下，燃烧室7内的空气气量大于煤气气量。当大气密度降低时，空气的气量减少，导致煤气的气量相对较高。此时，若空气与煤气继续燃烧，则燃烧的温度会超过燃烧室7设定的温度上限，只能选择降低煤气的输入气量。一方面空燃比的降低导致燃烧透平9的通气量降低，降低了燃气轮机的出力。另一方面，燃烧室7的温度上限限制了燃气轮机的出力。

本发明通过除盐水的汽化吸收热量，能够降低煤气的温度，降低燃烧室7内空气与煤气燃烧的温度。一方面避免了燃烧室7内温度突破温度上限，另一方面，无需降低煤气的输入气量。同时，除盐水汽化后对燃气轮机的燃烧透平9也有额外的做功贡献，极大提升了夏季燃气轮机机组的出力。

本发明通过引入锅炉1给水母管中的除盐水，充分利用了锅炉1给水母管中除盐水的余量以及高压力，避免了由于额外增设给水泵等设备而导致的能源消耗大、设备采购与维护成本高的问题。同时，引入高炉2副产品中的煤气，充分利用了高炉2生产的煤气资源，减少了煤气向大气中的发散。不仅解决了燃气轮机在夏季高温时机组负荷受限的问题，还结合钢铁企业自身的优势条件，充分利用了钢铁企业的现有能源，同时避免了环境的污染。

实施例2：

本发明还提供一种CCPP，包括锅炉1、汽轮机、燃气轮机以及上述的燃气轮机的负荷增强装置。其中，锅炉1采用余热锅炉，锅炉1的给水母管通过雾化喷头19将雾化除盐水输送至煤气管6。煤气管6引入高炉2产生的煤气，煤气管6与高炉2之间分别设置有除尘器3与煤压机4，用于对高炉2产生的煤气进行除尘和压送。在除尘器3的输入口与煤压机4的输出口之间连接有煤气冷却器5，用于煤气的回流。燃气轮机的废气输出口通过耐磨耐高温的管道与锅炉1的废气输入口相连接，锅炉1的蒸汽输出口通过耐高温的管道与汽轮机的蒸汽输入口相连接。

本发明将高炉2产生的煤气引入燃气轮机中作为燃料，充分利用了钢铁企业的煤气资源，避免煤气向空气中扩散。煤气与空气燃烧后对燃气轮机的透平做功，使燃气轮机对发电机组输入动力。同时，燃气轮机产生的高温废气通过耐磨耐高温的管道输送至锅炉1，使锅炉1产生高温的蒸汽。高温蒸汽通过耐高温的管道输送至汽轮机，使汽轮机对发电机组输入动力。整个过程，既驱动了燃气轮机与汽轮机同时对发电机组出力，又使得高炉2的煤气与燃气轮机的废气得到了充分的利用，保护了环境。

实施例3：

本发明还提供一种燃气轮机的负荷增强方法，如图4所示，使用上述的燃气轮机的负荷增强装置。将高炉2生产的煤气通过除尘、冷却等工艺步骤后，输入煤气管6。将锅炉1给水母管中的除盐水通过输水管12引入喷水管14，除盐水经过雾化喷头19雾化后喷入煤气管6。雾化除盐水与煤气在煤气管6内充分混合后输送至燃气轮机的燃烧室7。燃烧室7通过空压机8输入空气，煤气与空气在燃烧室7内燃烧后对燃气轮机的燃烧透平9做功。

例如，正常情况下，空压机8输入的空气气量为3万方，煤压机4输入的煤气气量为1万方，燃烧室7内空气和煤气燃烧的温度为1200℃。夏季气温高时，空压机8在额定功率下只能输入2.5万方的气量，此时煤气的气量相对较高。如果继续燃烧会导致燃烧室7的温度超过1200℃，此时需要降低煤气的气量输入为0.8万方。这样就导致了空气与煤气燃烧的通气量降低，造成了燃气轮机的机组负荷减小。

本发明通过在煤气中输入雾化除盐水，当空气与煤气燃烧时，除盐水汽化吸热，能够有效降低燃烧的温度，使燃烧室7的温度低于1200℃。此时煤气的气量输入至少可以维持在1万方，甚至还能继续提高。使燃烧透平9的通气量有所增加，从而提高了燃气轮机的机组负荷。此外，汽化后的除盐水对燃烧透平9的通气量也有贡献，进一步提高了燃气轮机在夏季时的机组负荷。

本发明将锅炉1、高炉2以及燃气轮机通过管路连接，充分利用了锅炉1与高炉2的余量资源回收利用于燃气轮机，使得燃气轮机在夏季高温低气压工况下的机组负荷得到有效的提高。同时，避免了锅炉1除盐水余量的浪费，避免了高炉2煤气向大气散发。在提高生产能力的同时，也保护了环境，到达了节能减排的目的。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种燃气轮机的负荷增强装置，其特征在于，包括输水管(12)以及至少1组雾化喷头(19)，其中：

所述输水管(12)的一端与锅炉(1)的给水母管连通，所述输水管(12)的另一端连通有环形管(13)，所述环形管(13)连通有至少1组喷水管(14)，每组所述雾化喷头(19)分别安装于所述喷水管(14)；

至少1组所述雾化喷头(19)与煤气管(6)连通，所述煤气管(6)连通燃气轮机的燃烧室(7)；

其中，所述喷水管(14)连接有第一法兰盘(15)，所述煤气管(6)连接有第二法兰盘(16)，所述煤气管(6)与第二法兰盘(16)之间连接有桥管(20)，所述第一法兰盘(15)与第二法兰盘(16)通过螺栓连接固定，所述雾化喷头(19)具有管体(17)，所述管体(17)连接于第一法兰盘(15)与第二法兰盘(16)之间，所述雾化喷头(19)伸入煤气管(6)。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机的负荷增强装置，其特征在于，所述环形管(13)环绕于煤气管(6)的外部周围，所述环形管(13)上连通有16组喷水管(14)，16组所述喷水管(14)沿环形管(13)的环形方向均匀分布。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机的负荷增强装置，其特征在于，所述环形管(13)呈八边形结构，16组所述喷水管(14)中每2组喷水管(14)分别设置于环形管(13)的同一边上，所述环形管(13)之间以及环形管(13)与喷水管(14)之间均通过法兰相连接。

4.根据权利要求3所述的燃气轮机的负荷增强装置，其特征在于，2组所述雾化喷头(19)沿煤气管(6)的长度方向间隔分布，2组所述雾化喷头(19)沿煤气管(6)的周向间隔分布，16组所述雾化喷头(19)在煤气管(6)上呈梅花形布置。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机的负荷增强装置，其特征在于，所述喷水管(14)呈Z字形结构连接于环形管(13)与煤气管(6)之间，所述环形管(13)连接有用于支撑环形管(13)的支架。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机的负荷增强装置，其特征在于，所述管体(17)上设置有限位盘(18)，所述限位盘(18)的直径与第一法兰盘(15)和第二法兰盘(16)的直径相同，所述雾化喷头(19)通过限位盘(18)螺纹连接于第一法兰盘(15)与第二法兰盘(16)之间，使所述雾化喷头(19)保持相对固定的位置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃气轮机的负荷增强装置，其特征在于，所述输水管(12)靠近锅炉(1)的给水母管一端设置有用于控制除盐水流量的流量控制阀(10)，所述输水管(12)靠近煤气管(6)一端设置有防止煤气倒灌的隔离阀(11)。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的燃气轮机的负荷增强装置，其特征在于，所述煤气管(6)引入高炉(2)产生的煤气，所述煤气管(6)与高炉(2)之间分别设置有除尘器(3)与煤压机(4)，所述除尘器(3)的输入口与煤压机(4)的输出口之间连接有煤气冷却器(5)。

9.一种燃气轮机的负荷增强方法，其特征在于，使用权利要求1至8中任一项所述的燃气轮机的负荷增强装置，所述锅炉(1)的给水母管通过输水管(12)将除盐水从雾化喷头(19)喷入煤气管(6)，经过所述雾化喷头(19)雾化的除盐水与煤气管(6)内的煤气混合后输送至燃气轮机的燃烧室(7)，所述燃烧室(7)通过空压机(8)输入空气，使煤气与空气在所述燃烧室(7)内燃烧后对燃气轮机的燃烧透平(9)做功。

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