CN118066019A - 一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，包括基础燃气涡轮发动机，其产生的废气通过连通第一废热蒸汽发生器进行再分配，第一废热蒸汽发生器输出端分别连通废热汽轮机和燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机输出端连通第二废热蒸汽发生器输送废气和蒸汽；废热汽轮机和第二废热蒸汽发生器输出端连接冷凝器进行蒸汽的回收，冷凝器通过连通废热蒸汽发生器实现蒸汽的循环；所述基础燃气涡轮发动机、废热汽轮机和燃气涡轮发动机输出端均连接有发电机。本发明提高了部分负荷运行时的燃料能量利用效率，提高了混合接触式燃气轮机发电厂的效率。

Description

一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***

技术领域

本发明属于能源发电领域，尤其是涉及一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***。

背景技术

近年来，混合接触式燃气-蒸汽轮机技术在能源领域一直处于活跃的研究状态。通过优化燃气轮机和蒸汽轮机的性能、提高废热回收以及改进控制***，这些***使得能源利用率得到了显著提高，更高的效率意味着更少的能源浪费和更低的排放。

现有技术中，燃气轮机发动机的电厂，其特点是废气压力低于大气，通过在排气路径中放置一个扩展燃气轮机、一个冷却器和一个排气装置的顺序安排来实现废气的排放，这些装置安装在与扩展涡轮相同的轴上，这种电厂结构设计的缺点是效率提高水平相对较低；现有技术中的另一方案为：燃气轮机发电厂方案包括一个基础燃气轮机发动机和一个由废热蒸汽发生器、一个汽轮机和一个蒸汽冷凝器组成的热回收蒸汽轮机回路；这种电厂结构设计的缺点是，该方案被设计为仅在标称模式下有效运行，而在部分负荷模式下效率较低。

现有技术中接触式燃气轮机发电厂方案包括燃气轮机发动机和余热蒸汽发生器，余热蒸汽发生器产生的蒸汽供应给燃气轮机发动机的燃烧室；这种电厂结构设计的缺点是燃料在燃烧室中的非化学计量燃烧过程发生在具有高总体过剩空气比(3-5)的标称模式下，在部分负荷模式下甚至更高，使得燃料能量利用效率低。

发明内容

发明目的：本发明的目的旨在提供一种能源利用率高的基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***。

技术方案：本发明所述的基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，包括基础燃气涡轮发动机，其产生的废气通过连通第一废热蒸汽发生器进行再分配，第一废热蒸汽发生器输出端分别连通废热汽轮机和燃气涡轮发动机，燃气涡轮发动机输出端连通第二废热蒸汽发生器输送废气和蒸汽；废热汽轮机和第二废热蒸汽发生器输出端连接冷凝组件进行蒸汽的回收，冷凝组件通过连通第一废热蒸汽发生器实现蒸汽的循环；所述基础燃气涡轮发动机、废热汽轮机和燃气涡轮发动机输出端均连接有发电机。

其中，所述第一废热蒸汽发生器输出端分两路，一路通过第一阀门将蒸汽输出至废热汽轮机内，另一路通过第二阀门将蒸汽输出至燃气涡轮发动机内。

其中，所述废热汽轮机输出端连通第一蒸汽冷凝器冷凝蒸汽，第一冷凝器另一端连接第一循环水泵进行蒸汽的冷凝，第一循环水泵将冷凝水通过第一凝结水泵排入第一除氧器，第一除氧器另一端将除氧后的冷凝水通过连通第一给水泵输出至第一废热蒸汽发生器。

其中，所述第二废热蒸汽发生器输出端连通第二蒸汽冷凝器，第二蒸汽冷凝器另一端连通第二循环水泵输入冷凝蒸汽所需要的循环水，第二蒸汽冷凝器输出端将冷凝水通过连通第二凝结水泵排入第二除氧器，第二除氧器输出端一路将除氧之后的冷凝水通过连通第二给水泵输入第二废热蒸汽发生器，第二除氧器输出端另一路将除氧之后的冷凝水通过连通第一废热蒸汽发生器产生蒸汽。

其中，所述基础燃气涡轮发动机输出端同轴连接第一发电机。

其中，所述废热汽轮机输出端同轴连接第二发电机。

其中，所述燃气涡轮发动机输出端同轴连接第三发电机，还包括用于燃气涡轮发动机的排气器，排气器通过连接第三发电机进行供电。

其中，所述燃气涡轮发动机压气机压比为12-16，排气机压比为2.2-3.0。

其中，所述燃气涡轮发动机燃烧室的中空气过剩比为1.3-1.8。

其中，所述热蒸汽发生器40-60％的蒸汽由基础热回收回路供给燃气轮机燃烧室。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著的进步：

(1)本发明包括两台燃气轮机发动机，燃气轮机用于直接驱动发电机，而其废热被用于产生蒸汽，再通过蒸汽轮机产生额外的电力，这种联合循环能够实现高达60％以上的总体热效率；相对于现有技术中的接触式燃气轮机发电厂热废气的热量浪费，本发明将热废气进行收集重分配，热废气产生的蒸汽一部分通过蒸汽涡轮机进行发电，另一部分协助另一台燃气轮机做功发电，蒸汽的热量在被利用完后通过冷凝重新回到蒸汽发生器准备下一个热能的循环，提高能源的利用率；

(2)混合接触式燃气-蒸汽轮机装置具有很高的运行灵活性，能够快速启动和停止，以满足电力需求的波动，是适应电力市场需求和可再生能源波动的理想选择；相对于传统燃煤发电厂，混合接触式燃气-蒸汽轮机具有更低的二氧化碳和其他污染物排放水平，这有助于减少对环境的不利影响；混合接触式燃气-蒸汽轮机可以使用多种不同类型的燃料，包括天然气、石油、生物质和煤等这种燃料多样性有助于应对能源市场波动和供应问题。

(3)本发明通过额外设置排气器将废气降低到与大气压同一水平进行排放，避免现有扩展燃气轮机、冷却器和排气装置同轴运作带来的不必要的能源浪费。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明中基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，包括基础燃气涡轮发动机1、第一发电机2、第一废热蒸汽发生器3、废热汽轮机4、第二发电机5、第一蒸汽冷凝器6、第一阀门7、第二阀门8、燃气涡轮发动机9、排气器10、第三发电机11、第二废热蒸汽发生器12、第二蒸汽冷凝器13、第二循环水泵14、第二凝结水泵15、第二除氧器16、第二给水泵17、第一给水泵18、第一除氧器19、第一循环水泵20、第一凝结水泵21；其中，由基础燃气涡轮发动机1排出的废气进入第一废热蒸汽发生器3，基础燃气涡轮发动机1在第一发电机2上运行；根据第一阀门7、第二阀门8在***中的位置，将蒸汽流量调整到在第二发电机5上运行的废热汽轮机4和燃气涡轮发动机9的燃烧室；废热汽轮机4通过蒸汽进行驱动，带动第二发电机5发电，同时排出废气进入第一蒸汽冷凝器6，废气在第一蒸汽冷凝器6冷凝经第一循环水泵20工作冷凝，并通过第一凝结水泵21排入第一除氧器19，除氧后的冷凝水经第一给水泵18输入第一废热蒸汽发生器3，实现冷凝水的再循环。

燃气涡轮发动机9通过第一废热蒸汽发生器3输入的废气进行预热，做功后将动力传递给第三发电机11进行发电，部分废气通过排气器10进行膨胀排气；燃气涡轮发动机9排出的废气-蒸汽混合物通过第二废热蒸汽发生器12到达接触式的第二蒸汽冷凝器13，第二蒸汽冷凝器13另一端连通第二循环水泵14输入冷凝蒸汽所需要的循环水，第二蒸汽冷凝器13输出端将冷凝水通过连通第二凝结水泵15排入第二除氧器16，第二除氧器16输出端一路将除氧之后的冷凝水通过连通第二给水泵17输入第二废热蒸汽发生器12，第二除氧器16输出端另一路将除氧之后的冷凝水通过连通第一废热蒸汽发生器3产生蒸汽实现水的再循环；注入燃气轮机发动机9燃烧室的大部分蒸汽冷凝并返回循环回到第一废热蒸汽发生器3；在第二蒸汽冷凝器13输出端，将含有少量水蒸气的燃烧产物进入排气器10，在那里被压缩到大气压力并排放到大气中。

本实施例中两台燃气轮机发动机组成，一台为基础燃气涡轮发动机1，另一台为燃气涡轮发动机9。基础燃气涡轮发动机1与第一废热蒸汽发生器3回路有热力学连接，而另一台为燃气涡轮发动机9与第二废热蒸汽发生器12有热力学连接。基础燃气涡轮发动机1和燃气涡轮发动机9上都采用接触式设计，并配备发电机安装在同一轴上。基础燃气涡轮发动机1在第一发电机2上运行；基础热回收回路，包括第一废热蒸汽发生器3、废热汽轮机4，运行在第二发电机5、第一蒸汽冷凝器6和用于蒸汽供应调节的第一阀门7和第二阀门8上；燃气涡轮发动机9，采用接触式设计，并配备排气器10，与燃气涡轮发动机9的涡轮压缩机组安装在同一轴上，由第三发电机11驱动；燃气涡轮发动机9的热回收回路，包括第二废热蒸汽发生器12和接触式第二蒸汽冷凝器13。

接触式燃气涡轮发动机燃烧室的工作条件中，空气过剩比为1.3-1.8，40-60％的蒸汽由基础热回收回路的余热蒸汽发生器供给接触式燃气轮机燃烧室。接触式燃气轮机在压气机最佳压比为12-16、排气机10最佳压比为2.2-3.0范围。

工作原理：基础燃气涡轮发动机1和燃气涡轮发动机9开始运行，基础燃气涡轮发动机1和燃气涡轮发动机9运行带动各自同轴连接的发电机；基础燃气涡轮发动机1与第一废热蒸汽发生器3之间有热力学连接，第一废热蒸汽发生器3产生蒸汽供应给燃气涡轮发动机9的燃烧室和废热汽轮机4；废热蒸汽轮机4运行其自身的第二发电机5并排出废气进入第一蒸汽冷凝器6，第一蒸汽冷凝器6产生的冷凝水经第一循环水泵20工作，将冷凝通过第一凝结水泵21排入第一除氧器19，除氧后的冷凝水经第一给水泵18输入第一废热蒸汽发生器3；燃气涡轮发动机9排出的废气-蒸汽混合物进入第二废热蒸汽发生器12；通过第二废热蒸汽发生器12到达接第二蒸汽冷凝器13，冷凝水进入第二循环水泵14，将冷凝水通过第二凝结水泵15排入第二除氧器16，除氧之后的冷凝水经第二给水泵17输入第二废热蒸汽发生器12，并且注入燃气轮机发动机9燃烧室的大部分蒸汽冷凝并返回循环回到第一废热蒸汽发生器3；含有少量水蒸气的燃烧产物进入排气器10，在排气器10内被压缩到大气压力并排放到大气中。

本发明基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***的联合循环关键优势是其较高的总体发电效率，充分利用了燃气轮机和蒸汽轮机的能量转换能力，并且通过废热回收和再利用来提高能源利用效率。燃气轮机利用燃气燃烧产生高温高压的燃气驱动涡轮发电机产生电力，然后利用废热产生蒸汽驱动蒸汽轮机，使***获得额外的能量转换。这种级联效应使得联合循环***能够更有效地利用燃料的能量，达到更高的发电效率。传统的燃煤或燃气发电***的效率通常在30％到40％之间，而联合循环***的效率可以达到50％以上。同时本发明接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***将燃气轮机和蒸汽轮机结合在一起，可实现灵活的负荷调节能力。燃气轮机的快速启停能力和蒸汽轮机的稳定运行特性相结合，使***能够快速响应电力需求的变化，并实现更高程度的负荷调节，提高电力网的可靠性和稳定性。另外本发明接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***相对于传统发电***可以显著减少碳排放量，通过高效能利用和废热回收利用，***可以减少燃料消耗和二氧化碳的排放量，有助于应对气候变化和减少环境影响。一般情况下，与传统燃煤或燃气发电相比，联合循环***的碳排放可以减少约30％至40％。最后本发明接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***相对于传统发电***能够更充分地利用废热，提高能量的利用效率。在联合循环***中，燃气轮机产生的高温废气被有效回收利用，以产生高温高压的蒸汽来驱动蒸汽轮机，从而提高***的能量转换效率。废热回收在联合循环***中的应用有助于减少燃料的消耗量，以及燃料燃烧产生的大气污染物和温室气体的排放。同时，通过废热回收利用，联合循环***还能够为其他用途，如供暖、工业生产或其他加热需求，提供额外的热能。废热回收利用在接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***中通常可以提高20％至30％以上。

Claims (10)

1.一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，包括基础燃气涡轮发动机(1)，其产生的废气通过连通第一废热蒸汽发生器(3)进行再分配，第一废热蒸汽发生器(3)输出端分别连通废热汽轮机(4)和燃气涡轮发动机(9)，燃气涡轮发动机(9)输出端连通第二废热蒸汽发生器(12)输送废气和蒸汽；废热汽轮机(4)和第二废热蒸汽发生器(12)输出端连接冷凝组件进行蒸汽的回收，冷凝组件通过连通第一废热蒸汽发生器(3)实现蒸汽的循环；所述基础燃气涡轮发动机(1)、废热汽轮机(4)和燃气涡轮发动机(9)输出端均连接有发电机。

2.根据权利要求1所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述第一废热蒸汽发生器(3)输出端分两路，一路通过第一阀门(7)将蒸汽输出至废热汽轮机(4)内，另一路通过第二阀门(8)将蒸汽输出至燃气涡轮发动机(9)内。

3.根据权利要求2所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述废热汽轮机(4)输出端连通第一蒸汽冷凝器(6)冷凝蒸汽，第一冷凝器(6)另一端连接第一循环水泵(20)进行蒸汽的冷凝，第一循环水泵(20)将冷凝水通过第一凝结水泵(21)排入第一除氧器(19)，第一除氧器(19)另一端将除氧后的冷凝水通过连通第一给水泵(18)输出至第一废热蒸汽发生器(3)。

4.根据权利要求1所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述第二废热蒸汽发生器(12)输出端连通第二蒸汽冷凝器(13)，第二蒸汽冷凝器(13)另一端连通第二循环水泵(14)输入冷凝蒸汽所需要的循环水，第二蒸汽冷凝器(13)输出端将冷凝水通过连通第二凝结水泵(15)排入第二除氧器(16)，第二除氧器(16)输出端一路将除氧之后的冷凝水通过连通第二给水泵(17)输入第二废热蒸汽发生器(12)，第二除氧器(16)输出端另一路将除氧之后的冷凝水通过连通第一废热蒸汽发生器(3)产生蒸汽。

5.根据权利要求1所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述基础燃气涡轮发动机(1)输出端同轴连接第一发电机(2)。

6.根据权利要求1所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述废热汽轮机(4)输出端同轴连接第二发电机(5)。

7.根据权利要求1所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(9)输出端同轴连接第三发电机(11)，还包括用于燃气涡轮发动机(9)的排气器(10)，排气器(10)通过连接第三发电机(11)进行供电。

8.根据权利要求7所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述燃气涡轮发动机(9)压气机压比为12-16，排气机压比为2.2-3.0。

9.根据权利要求1所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述燃气涡轮发动机燃烧室的中空气过剩比为1.3-1.8。

10.根据权利要求9所述的一种基于接触式燃气轮机和蒸汽轮机的发电***，其特征在于，所述热蒸汽发生器40-60％的蒸汽由基础热回收回路供给燃气轮机燃烧室。