專利名稱：基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃氣輪機技術(shù)，具體涉及基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
燃氣輪機包括壓氣機、燃燒室和煙氣透平(簡稱透平)，壓氣機的壓縮空氣輸出端與燃燒室的空氣輸入端相連，燃燒室的煙氣輸出端與高壓透平的輸入端相連。壓氣機連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮(升壓同時升溫)，壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料混合后燃燒，成為高溫?zé)煔?，隨即流入透平中膨脹作功(降壓同時降溫)，透平輸出軸轉(zhuǎn)動，帶動壓氣機葉輪一起旋轉(zhuǎn)，余功作為燃氣輪機的輸出機械功并可連接發(fā)電機輸入軸而產(chǎn)生電力。為充分利用燃氣輪機的排氣余熱，一般在燃氣輪機后部設(shè)置余熱回收裝置，用于產(chǎn)生蒸汽、熱水等，最后煙氣在100°c左右被排放。由于工質(zhì)在循環(huán)過程中與外界大氣相通， 故為開式循環(huán)。一般情況下，從透平排出的煙氣的壓力只稍高于大氣壓力(高出部分僅用于克服后部余熱回收裝置等部件產(chǎn)生的排氣阻力)。此時，燃氣輪機將燃料燃燒釋放的熱能轉(zhuǎn)換為機械能，是正向(熱機)循環(huán)。當(dāng)把從透平中排出的不能轉(zhuǎn)化為機械能的熱量回收并向外供熱時，此時整個裝置即構(gòu)成基于燃氣輪機的熱電聯(lián)供系統(tǒng)。再進一步，利用燃氣輪機排氣中的熱量，亦可直接或間接驅(qū)動逆向的制冷循環(huán)(如煙氣吸收式制冷機、蒸汽吸收式制冷機等，產(chǎn)生TC左右的冷凍水用于制冷)，實現(xiàn)對外供冷，此時整個系統(tǒng)即在熱電聯(lián)供系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)成熱、冷、電三聯(lián)供系統(tǒng)，即相當(dāng)于在燃氣輪機的開式正向循環(huán)下再構(gòu)筑一個閉式逆向制冷循環(huán)，形成能源梯級利用的總能系統(tǒng)。然而，現(xiàn)有的熱、冷、電三聯(lián)供系統(tǒng)的熱、 電、冷輸出比固定不變，不夠靈活。另外，將余熱回收裝置中產(chǎn)生的蒸汽回注到燃燒室中，形成蒸汽回注循環(huán)，可使工質(zhì)增加，比功提高；且空氣加濕燃燒，降低了 NOx排放。但是，由于空氣加濕，水(蒸汽)跟隨排煙一同被排到大氣，而系統(tǒng)需要時時補充新水，需要消耗大量水，要達到回收水與耗水自平衡的投入大，難度高。同時，由于煙氣露點溫度低，水回收過程中煙氣放出的潛熱總量小，利用價值低，最終也導(dǎo)致了較低的一次能源利用率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題，就是提供一種可提高一次能源利用率、且熱、電、冷輸出比靈活可變的基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下一種基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)，包括壓氣機、燃燒室、 高壓透平和發(fā)電機，所述壓氣機的壓縮空氣輸出端與燃燒室的空氣輸入端相連，所述燃燒室的煙氣輸出端與高壓透平的輸入端相連，所述高壓透平的輸出軸分別與壓氣機的葉輪軸、發(fā)電機的輸入軸相連，其特征在于還包括余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器、煙氣冷卻器、低壓透平和制冷換熱器，所述高壓透平的煙氣輸出端與余熱鍋爐的煙氣輸入端相連；所述余熱鍋爐的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，該余熱鍋爐的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器的熱煙氣輸入端相連；所述煙氣復(fù)熱器的煙氣輸出端與煙氣冷卻器的煙氣輸入端相連；所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端與低壓透平的輸入端相連；所述低壓透平的煙氣輸出端與制冷換熱器的煙氣輸入端相連，所述制冷換熱器的冷量輸出口輸出冷量；所述制冷換熱器的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器的冷煙氣輸入端相連。經(jīng)壓氣機壓縮后的空氣進入燃燒室形成高溫?zé)煔夂?，進入高壓透平做功并旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機發(fā)電；經(jīng)高壓透平輸出的高溫?zé)煔鈱⒂酂徨仩t的鍋爐給水加熱成過熱蒸汽，該過熱蒸汽通過余熱鍋爐的蒸汽輸出端輸出并注入燃燒室，以提高燃氣輪機的做功能力；余熱鍋爐輸出的煙氣輸入煙氣復(fù)熱器加熱制冷換熱器制冷后溫度較低的煙氣，以便排入大氣； 經(jīng)煙氣復(fù)熱器輸出的煙氣進入煙氣冷卻器冷卻，用于將煙氣冷卻到近環(huán)境溫度；經(jīng)煙氣冷卻器輸出的煙氣進入低壓透平，膨脹做功輸出低溫?zé)煔膺M入制冷換熱器，通過制冷換熱器的冷量輸出口輸出冷量。在上述基礎(chǔ)上，本發(fā)明可作如下改進本發(fā)明所述余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器、煙氣冷卻器均設(shè)有冷凝水回收裝置，以便將煙氣中的水蒸汽在余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器、煙氣冷卻器凝結(jié)成的水回收。本發(fā)明還包括冷卻水冷卻器，該冷卻水冷卻器的入口與煙氣冷卻器的冷卻水出口相連，該冷卻水冷卻器的出口與煙氣冷卻器的冷卻水入口相連，以便循環(huán)使用冷卻水。本發(fā)明還包括水汽過濾器，該水汽過濾器設(shè)于煙氣冷卻器與低壓透平之間，所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端通過水滴過濾器后與低壓透平的輸入端相連，以便過濾進入低壓透平前煙氣中的水汽，減小水汽對透平的損害。本發(fā)明所述余熱鍋爐包括依次相連的過熱器、蒸發(fā)器、省煤器，所述高壓透平的煙氣輸出端與過熱器的煙氣輸入端相連，所述過熱器的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，所述省煤器的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器的熱煙氣輸入端相連。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明可在一個燃氣輪機內(nèi)同時實現(xiàn)電、熱、冷三聯(lián)供，同時裝置提供的冷量可遠低于環(huán)境溫度，且熱、電、冷輸出比可靈活調(diào)變。由于正逆循環(huán)耦合，從煙氣中高效回收蒸汽潛熱，基于燃料高位熱值HHV的系統(tǒng)理論一次能源利用率可高于100%，回收水量亦可超過燃燒室蒸汽注入量，保證了回收水與耗水自平衡。


圖I是本發(fā)明三聯(lián)供系統(tǒng)的工作流程示意圖；圖2是本發(fā)明三聯(lián)供系統(tǒng)的連接示意圖。圖中1、壓氣機，2、燃燒室，3、高壓透平，4、過熱器，5、蒸發(fā)器，6、省煤器，7、煙氣冷卻器，8、水汽過濾器，9、低壓透平，10、制冷換熱器，11、水泵，12、冷卻水冷卻器，13、發(fā)電機，14、煙氣復(fù)熱器。
具體實施例方式如圖I所示的基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)，包括壓氣機
I、燃燒室2、高壓透平3、發(fā)電機13、余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器14、煙氣冷卻器7、低壓透平9和制冷換熱器10，壓氣機I的壓縮空氣輸出端與燃燒室2的空氣輸入端相連，燃燒室2的煙氣輸出端與高壓透平3的輸入端相連，高壓透平3的輸出軸分別與壓氣機I的葉輪軸、發(fā)電機13的輸入軸相連，高壓透平3的輸出軸同時帶動壓氣機I的葉輪軸、發(fā)電機13的輸入軸旋轉(zhuǎn)，高壓透平3的煙氣輸出端與余熱鍋爐的煙氣輸入端相連；余熱鍋爐的蒸汽輸出端與燃燒室2的蒸汽輸入端相連，該余熱鍋爐的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器14的熱煙氣輸入端相連；煙氣復(fù)熱器14的煙氣輸出端與煙氣冷卻器7的煙氣輸入端相連；煙氣冷卻器7的煙氣輸出端與低壓透平9的輸入端相連；低壓透平9的煙氣輸出端與制冷換熱器10的煙氣輸入端相連，制冷換熱器10的冷量輸出口輸出冷量；制冷換熱器10的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器 14的冷煙氣輸入端相連，煙氣復(fù)熱器14用于重新加熱制冷換熱器10輸出的冷煙氣。其中，余熱鍋爐包括依次相連的過熱器4、蒸發(fā)器5、省煤器6，高壓透平3的煙氣輸出端與過熱器4的煙氣輸入端相連，過熱器4的蒸汽輸出端與燃燒室2的蒸汽輸入端相連， 省煤器6的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器14的熱煙氣輸入端相連。高壓透平3輸出的高溫?zé)煔廨斔椭劣酂徨仩t的煙氣輸入端，即過熱器4的煙氣輸入端。鍋爐給水首先進入省煤器6， 水在省煤器6內(nèi)吸收熱量升溫，形成熱水后進入蒸發(fā)器5吸收熱量開始產(chǎn)汽，在蒸發(fā)器5內(nèi)流動的汽水混合物經(jīng)汽水分離并形成飽和蒸汽后，飽和蒸汽進入過熱器4，吸收熱量使飽和蒸汽變成過熱蒸汽，過熱蒸汽用于對外供熱。在余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器14、煙氣冷卻器7中均設(shè)有冷凝水回收裝置，以便將煙氣中的水蒸汽在余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器14、煙氣冷卻器7凝結(jié)成的水回收，水蒸汽冷凝過程中同時也釋放大量潛熱。本系統(tǒng)還設(shè)置有用于冷卻冷卻水的冷卻水冷卻器12，該冷卻水冷卻器12的入口與煙氣冷卻器7的冷卻水出口相連，該冷卻水冷卻器12的出口與煙氣冷卻器7的冷卻水入口相連，以水泵11作為動力，以便循環(huán)使用冷卻水。在煙氣冷卻器7與低壓透平9之間還設(shè)置有水汽過濾器8，用于過濾煙氣中的水汽，煙氣冷卻器7的煙氣輸出端通過水滴過濾器后與低壓透平9的輸入端相連，以便過濾進入低壓透平9前煙氣中的水汽，減小水汽對透平的損害。壓氣機I連續(xù)地從大氣中吸入空氣并將其壓縮，壓縮后的空氣一方面進入燃燒室 2，與噴入的燃料混合后燃燒，形成高溫?zé)煔?，另一方面壓縮空氣進入高壓透平3中用以冷卻透平葉片；離開燃氣輪機燃燒室2的煙氣通過高壓透平3膨脹做功并旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機13 發(fā)電；高壓透平3煙氣輸出端處的煙氣達到高于大氣壓(約數(shù)個大氣壓)水平，利用高壓透平3排出的高溫?zé)煔獾臒崃?，將鍋爐給水加熱成過熱蒸汽，同時煙氣中的部分水蒸汽在余熱鍋爐中凝結(jié)，凝結(jié)水通過冷凝水回收裝置加以回收；余熱鍋爐產(chǎn)生的過熱蒸汽通過余熱鍋爐的蒸汽輸出端輸出后一方面對外供熱，另一方面注入燃燒室2用以提高燃氣輪機的做功能力；余熱鍋爐輸出的煙氣輸入煙氣復(fù)熱器14，以重新加熱制冷換熱器10制冷后溫度較低的煙氣，使排煙(氣)溫度高于大氣溫度，用于提供足夠的煙囪驅(qū)動力，有利于煙氣擴散，達到環(huán)保要求，此外可對余熱鍋爐內(nèi)的冷凝水加以回收；經(jīng)煙氣復(fù)熱器14輸出的煙氣進入煙氣冷卻器7，用冷卻水將煙氣進一步冷卻到近環(huán)境溫度，煙氣中的水蒸汽在煙氣冷卻器7中繼續(xù)凝結(jié)，凝結(jié)水加以回收；冷卻水送往冷卻水冷卻器12，經(jīng)冷卻的冷卻水再送回?zé)煔饫鋮s器7，以循環(huán)使用冷卻水；煙氣冷卻器7輸出的煙氣經(jīng)過水汽過濾器8，除去煙氣中的水汽；經(jīng)水汽過濾器8輸出的一定壓力、經(jīng)冷卻、去除水汽的煙氣進入低壓透平9，膨脹做功，在低壓透平9的煙氣輸出端處煙氣壓力降到環(huán)境大氣壓力，溫度低于環(huán)境溫度，此低溫?zé)煔怆S即進入制冷換熱器10，該制冷換熱器10為一用于制冷的換熱器，外部較高溫度的冷凍水進入制冷換熱器10后將熱量傳遞給低溫?zé)煔?，降低冷凍水溫度，從而使冷凍水通過制冷換熱器10的冷量輸出口輸出冷量，用于對外制冷。本系統(tǒng)的工作原理是1)透平膨脹降溫?zé)煔庠谕钙街信蛎涀龉Γ殡S著壓力的下降，煙氣的溫度亦下降。當(dāng)入口煙氣參數(shù)為20°C/4atm，透平膨脹比為4，等熵效率為90% 時，低壓透平后的煙氣溫度約為_60°C。同樣條件下，入口煙氣參數(shù)為20°C /lOatm、透平膨脹比為10時，低壓透平后的煙氣溫度可達到約-100°C。2)煙氣冷凝煙氣因換熱溫度下降時，煙氣中的水蒸氣被部分冷凝，冷凝過程中釋放出大量潛熱。同時，煙氣壓力升高，露點溫度上升，煙氣露點溫度升高，冷凝放熱也可被有效利用。通過高壓透平煙氣膨脹到高于大氣壓力水平，通過低壓透平繼續(xù)膨脹到大氣壓力，同時在高壓透平后設(shè)置余熱鍋爐回收高壓透平排氣熱量用于供熱或提高燃機做功能力，并設(shè)置煙氣冷卻器使煙氣在進入低壓透平前降到近環(huán)境溫度水平，使得煙氣在通過低壓透平繼續(xù)膨脹到大氣壓力后其溫度可降到環(huán)境溫度以下，煙氣冷量可用于制冷。通過上述過程，將一般的燃氣輪機熱機循環(huán)拆分成正向熱機循環(huán)、逆向制冷循環(huán)兩個互向耦合的開式熱力循環(huán)，在一個燃氣輪機內(nèi)同時實現(xiàn)了熱、電、冷三聯(lián)供。同時，由于在高、低壓透平之間換熱時，煙氣壓力較常壓高，煙氣露點溫度上升，煙氣在較高的溫度時即開始冷凝，煙氣冷卻到同樣的溫度時水回收量大，煙氣露點溫度升高，冷凝放熱也可被有效利用。另外，可通過調(diào)整蒸汽注入量，使得其對外供熱量和發(fā)電量可相互轉(zhuǎn)換，一方多時另一方少，熱、電、冷輸出比可靈活調(diào)變，具有一定的靈活度，而通過調(diào)整燃料供給量可改變供能總量。在ISO條件下，在壓氣機壓比為30、燃燒室出口溫度為1280°C、冷卻空氣量為壓氣機總流量的12%、過熱蒸汽參數(shù)為445°C /3. 82MPa、高壓透平膨脹到4個大氣壓、將低壓透平入口煙氣冷卻到20°C的情況下，計算得出裝置水回收量都大于蒸汽注入量；低壓透平后的煙氣溫度達到約_60°C。當(dāng)過熱蒸汽全部供熱時，裝置產(chǎn)生的電、冷、熱功率與燃料輸入熱功率的比值分別達到約21%、8%、80%，即一次能源利用率可達到約109% (LHV);當(dāng)過熱蒸汽50%供熱、50%回注燃燒室時，裝置產(chǎn)生的電、冷、熱功率與燃料輸入熱功率的比值分別達到約即一次能源利用率可達到約75% (LHV)。根據(jù)燃氣輪機參數(shù)選擇的不同，本三聯(lián)供裝置中各能量的產(chǎn)出比例、一次能源利用率、低壓透平后的煙氣溫度也會不同。本發(fā)明的實施方式不限于此，按照本發(fā)明的上述內(nèi)容，利用本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，本發(fā)明還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更，均落在本發(fā)明權(quán)利保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)，包括壓氣機、燃燒室、高壓透平和發(fā)電機，所述壓氣機的壓縮空氣輸出端與燃燒室的空氣輸入端相連，所述燃燒室的煙氣輸出端與高壓透平的輸入端相連，所述高壓透平的輸出軸分別與壓氣機的葉輪軸、 發(fā)電機的輸入軸相連，其特征在于還包括余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器、煙氣冷卻器、低壓透平和制冷換熱器，所述高壓透平的煙氣輸出端與余熱鍋爐的煙氣輸入端相連；所述余熱鍋爐的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，該余熱鍋爐的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器的熱煙氣輸入端相連；所述煙氣復(fù)熱器的煙氣輸出端與煙氣冷卻器的煙氣輸入端相連；所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端與低壓透平的輸入端相連；所述低壓透平的煙氣輸出端與制冷換熱器的煙氣輸入端相連，所述制冷換熱器的冷量輸出口輸出冷量，所述制冷換熱器的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器的冷煙氣輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器、煙氣冷卻器均設(shè)有冷凝水回收裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于還包括冷卻水冷卻器，該冷卻水冷卻器的入口與煙氣冷卻器的冷卻水出口相連，該冷卻水冷卻器的出口與煙氣冷卻器的冷卻水入口相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于還包括水汽過濾器，該水汽過濾器設(shè)于煙氣冷卻器與低壓透平之間，所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端通過水滴過濾器后與低壓透平的輸入端相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)，其特征在于所述余熱鍋爐包括依次相連的過熱器、蒸發(fā)器、省煤器，所述高壓透平的煙氣輸出端與過熱器的煙氣輸入端相連，所述過熱器的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，所述省煤器的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器的熱煙氣輸入端相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于燃氣輪機的開式正逆循環(huán)耦合電熱冷三聯(lián)供系統(tǒng)，包括壓氣機、燃燒室、高壓透平和發(fā)電機，還包括余熱鍋爐、煙氣復(fù)熱器、煙氣冷卻器、低壓透平和制冷換熱器，所述高壓透平的煙氣輸出端與余熱鍋爐的煙氣輸入端相連；所述余熱鍋爐的蒸汽輸出端與燃燒室的蒸汽輸入端相連，該余熱鍋爐的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器的熱煙氣輸入端相連；所述煙氣復(fù)熱器的煙氣輸出端與煙氣冷卻器的煙氣輸入端相連；所述煙氣冷卻器的煙氣輸出端與低壓透平的輸入端相連；所述低壓透平的煙氣輸出端與制冷換熱器的煙氣輸入端相連；所述制冷換熱器的煙氣輸出端與煙氣復(fù)熱器的冷煙氣輸入端相連。本發(fā)明可提高一次能源率用率，并保證回收水與耗水的自平衡。
文檔編號F22B1/18GK102606237SQ20121005695
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6日
發(fā)明者張士杰, 肖云漢, 肖小清, 闞偉民 申請人:中國科學(xué)院工程熱物理研究所, 廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院