一種高壓再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種高壓再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由燃氣輪機子系統(tǒng)和蒸汽輪機子系統(tǒng)組成，燃氣輪機子系統(tǒng)包含用于兩級空氣壓縮、兩次燃燒及高壓、中壓兩次透平做功的裝置；高溫燃氣初次做功后，進入中壓燃燒室再熱后二次做功，提高了整體循環(huán)的平均吸熱溫度；兩級壓氣機中間設置至少一級間冷器，間冷器熱流和兩級壓氣機相連。蒸汽輪機子系統(tǒng)采用三壓再熱式的鍋爐和蒸汽輪機，間冷器冷卻水和高壓水相連，高中低壓水和間冷器冷卻水多次分級吸熱，高效利用了熱能。本實用新型在最佳參數(shù)下運行時，聯(lián)合循環(huán)效率較F級燃氣輪機為主的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)提高3至5個百分點，單機輸出功率提高70%以上，達到800MW級。
【專利說明】一種高壓再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，特別涉及一種高壓再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]傳統(tǒng)的火力發(fā)電最常用的蒸汽循環(huán)方式是朗肯循環(huán)(Rankine Cycle),但是基于朗肯循環(huán)的發(fā)電技術存在發(fā)電效率低，燃煤消耗量大，污染嚴重等問題。傳統(tǒng)的蒸汽循環(huán)發(fā)電方式已無法滿足社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展需要，作為化石能源，煤炭和石油資源的不可再生性以及環(huán)境問題的日益嚴峻使研究人員將越來越多的目光投向節(jié)能、清潔的發(fā)電技術上。燃氣輪機是一種采用布雷頓循環(huán)(Brayton Cycle)，以空氣和燃氣為工質的熱動力設備，燃氣輪機及其聯(lián)合循環(huán)具有污染低、供電效率高和負荷調整范圍寬等特點，天然氣可以直接應用在燃氣輪機裝置上，而 不需要單獨的工質發(fā)生設備。世界天然氣資源充足、價格低廉，在國家經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略和國際競爭的需求推動下，許多國家都把先進的燃氣輪機技術作為本國科技優(yōu)先發(fā)展領域和關鍵技術研究開發(fā)的重點。
[0003]世界上著名的一些燃氣輪機制造商已研制成功一系列性能先進的機組。如GE公司9FA，ABB公司的GT26等。這些機組單機功率在200MW以上，燃氣初溫達到1260_1300°C以上，壓比10-30，簡單循環(huán)效率為40%左右。為了進一步提高發(fā)電設備的效率，使用一種新
的發(fā)電技術-燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)(GTCC:Gas Turbine Combined Cycle),將蒸汽輪機朗
肯循環(huán)與燃氣輪機的布雷頓循環(huán)循環(huán)結合起來，同時利用了燃氣輪機循環(huán)平均吸熱溫度高和蒸汽輪機循環(huán)平均放熱溫度低的優(yōu)點，又克服了兩者的缺點，所以循環(huán)效率大大高于單獨的燃氣輪機或蒸汽輪機發(fā)電機組。目前，燃氣輪機組成聯(lián)合循環(huán)后效率超過55%，如9FA組成的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率可達56.7%，而GT26組成的KA26聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)效率超過58%。
[0004]在F級燃氣輪機為代表的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)的基礎上，聯(lián)合循環(huán)效率還有較大幅度提升的空間。而對于GT26系統(tǒng),其采用了順序燃燒裝置(Sequential CombustionSystems)，利用了再熱循環(huán)，實現(xiàn)了較高壓比，由一組22級高效亞音速壓氣機將空氣以兩倍于常規(guī)燃機壓比的高壓壓入環(huán)形環(huán)保燃燒室，對燃機設備的工藝要求極高，造價昂貴。
實用新型內容
[0005]本實用新型針對現(xiàn)有的以9FA級燃機聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)為代表的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進行改進，在燃氣循環(huán)中加入高壓再熱和中間冷卻過程，并針對間冷熱量的利用在蒸汽循環(huán)方式上進行了改進，使得該發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合循環(huán)效率比以F級燃氣輪機為主的聯(lián)合循環(huán)提高3到5個百分點，單機輸出功率提高70%以上，達到800麗級；
[0006]為實現(xiàn)以上實用新型目的，本實用新型改造現(xiàn)有的9FA燃機聯(lián)合循環(huán)，在燃氣輪機原有的簡單布雷頓循環(huán)中加入高壓再熱和中間冷卻兩項過程，形成進行復雜布雷頓循環(huán)的燃氣輪機系統(tǒng)；將蒸汽循環(huán)部分汽水系統(tǒng)進行改進，將間冷器冷卻水熱能在蒸汽循環(huán)中回收利用；本實用新型熱力循環(huán)和現(xiàn)有的9FA和GT26聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)對比見圖2，相比現(xiàn)有的系統(tǒng)，本實用新型比功明顯增加，整體循環(huán)效率也可獲得一定提升。
[0007]本實用新型的技術方案具體為:
[0008](I)本實用新型方法的發(fā)電系統(tǒng)，由燃氣輪機子系統(tǒng)和蒸汽輪機子系統(tǒng)組成，燃氣輪機子系統(tǒng)包括中壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)，中壓系統(tǒng)包括一級壓氣機、中壓燃燒室和中壓燃氣透平，高壓系統(tǒng)包括二級壓氣機、高壓燃燒室和高壓燃氣透平，一級和二級壓氣機之間設有至少一級間冷器；空氣順序通過所述一、二級壓氣機兩級壓縮后，進入高壓燃燒室燃燒加熱，高溫燃氣高壓透平后進入中壓燃燒室，再熱后中壓透平做功；中壓系統(tǒng)排氣口連通蒸汽輪機子系統(tǒng)，排氣在蒸汽輪機子系統(tǒng)回收熱量。
[0009](2)根據(jù)(I)所述的發(fā)電系統(tǒng),運行系統(tǒng)時設置空氣一級壓力為L5_2.4MPa, 二級壓力為6-20MPa ;設置一級間冷過程，間冷溫度為100-200°C。
[0010](3)根據(jù)(2)所述的發(fā)電系統(tǒng)，運行時，參數(shù)進一步設置為，所述高壓燃氣透平進氣溫度為1000-1500°C，中壓燃氣透平進氣溫度為1200-1500°C。
[0011](4)根據(jù)(I)至(3)任一項所述的發(fā)電系統(tǒng)，為進一步提高聯(lián)合循環(huán)效率，將所述間冷器的冷卻水連通蒸汽輪機子系統(tǒng)，在蒸汽循環(huán)中回收利用冷卻水冷卻壓縮空氣時交換的熱量。
[0012](5)根據(jù)(I)至(4)任一項所述的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電過程中進行蒸汽循環(huán)的蒸汽輪機子系統(tǒng)使用余熱鍋爐型，包括余熱鍋爐和蒸汽輪機；余熱鍋爐用來回收、轉換和利用燃氣輪機的排氣余熱，通常是汽包、省煤器、蒸發(fā)器、過熱器以及集箱等換熱管簇和容器等組成的。
[0013](6)根據(jù)(I)至(5)任一項所述的發(fā)電系統(tǒng)，使用三壓再熱式余熱鍋爐和蒸汽輪機；三壓式給水結構分為高、中、低壓水三路，給水在余熱鍋爐中分級吸熱，經(jīng)過了水的加熱、飽和水蒸發(fā)和飽和汽的過熱三個階段；蒸汽輪機設置有高、中、低壓三個缸，高壓缸排氣口與中壓缸進氣口之間連接余熱鍋爐中的再熱器，高壓缸排汽經(jīng)再熱器再熱后，進入中壓缸做功。
[0014](7)根據(jù)(6)所述的發(fā)電系統(tǒng)，將間冷器冷卻水流可選擇與余熱鍋爐中的高壓氣包連通，冷卻水經(jīng)間冷器吸熱后變?yōu)椴糠制母邏航o水進入高壓汽包，與另一部分直接來自蒸汽輪機子系統(tǒng)的高壓給水混合汽化，進入高壓汽水流程。由于間冷水的加入，三壓給水中的高壓給水量有很大的提高，高壓給水所占比重較一般三壓再熱給水系統(tǒng)高。
[0015](8)根據(jù)根據(jù)(6)至(7)任一項所述的發(fā)電系統(tǒng)，所述蒸氣循環(huán)中高、中、低三路壓力分別設置為 9.63MPa、2.16MPa 和 0.367MPa。
[0016](9)根據(jù)(8)所述的發(fā)電系統(tǒng)，設置一級壓力1.54MPa，二級壓力14MPa，間冷溫度100°C，高壓燃氣透平進氣溫度和中壓燃氣透平進氣溫度均為1325°C。此時，所述發(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)效率最聞。
[0017](10)根據(jù)(I)至(9)任一項所述的發(fā)電系統(tǒng)，將屬于中壓系統(tǒng)的中壓燃氣透平與一級壓氣機同軸布置，屬于高壓系統(tǒng)的高壓燃氣透平與二級壓氣機同軸布置，燃氣透平與發(fā)電機采用離合器或其它常用方式連軸。高壓系統(tǒng)和中壓系統(tǒng)可全部同軸設置，使高壓、中壓燃氣透平和兩級壓氣機全部同軸；也可以分軸設置，一級壓氣機與二機壓氣機分布在不同軸上，各自分別與中壓燃氣透平和高壓燃氣透平同軸，形成獨立的高壓系統(tǒng)和中壓系統(tǒng)，分軸設置時，系統(tǒng)運行時可按負荷靈活選擇是否啟動高壓系統(tǒng)，同時可避免壓氣機放到同一根軸上導致燃氣輪機無法拖動的狀況，減少啟動難度。[0018]對于所述蒸汽循環(huán)子系統(tǒng)的具體選擇，一般的，當燃氣輪機在額定功率下排氣溫度低于538°C時，則多采用單壓或多壓無再熱的汽水系統(tǒng)；當燃氣輪機排氣溫度高于538°C時，則可以采用有再熱循環(huán)的汽水系統(tǒng)；當燃氣輪機排氣溫度高于593 °C時，則可以采用三壓再熱循環(huán)的汽水系統(tǒng)。本實用新型使用9FA級燃氣輪機作為基準，排氣溫度為650°C，因此選用了三壓再熱式蒸汽循環(huán)系統(tǒng)。
[0019]對于本實用新型所述的發(fā)電系統(tǒng)的運行參數(shù)，本實用新型針對高壓再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)進行參數(shù)尋優(yōu)，找到基于本實用新型系統(tǒng)運行的優(yōu)化的參數(shù)，達成最佳的聯(lián)合循環(huán)效率。
[0020]本實用新型使用aspen plus軟件對目前的9FA級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組、GT26機組和本實用新型發(fā)電系統(tǒng)進行建模，通過計算分析對本實用新型發(fā)電系統(tǒng)進行參數(shù)尋優(yōu)，確定最佳的工況。
[0021]對本實用新型系統(tǒng)模擬計算之前，先對現(xiàn)有的9FA級燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組、GT26機組進行建模。
[0022]系統(tǒng)模擬時采用ISO工況，環(huán)境溫度15°C、大氣壓力0.10135MPa、大氣相對濕度60%。參照9FA系統(tǒng)公布的運行參數(shù)，確定進口空氣參數(shù)為0.1MPa/150C /678.5kg/s，壓縮機壓縮后燃氣參數(shù)是 1.54MPa/404.5°C /678.5kg/s，入口燃氣參數(shù)為 1.54MPa/15°C /16.8kg/s ;燃燒生成高溫燃氣參數(shù)是1.54MPa/1325°C /695.3kg/s，燃氣透平做完功的尾氣參數(shù)是0.105MPa/650°C /695.3kg。燃機做功為314MW。蒸汽部分為三壓再熱結構，三種壓力級別分別是 9.63MPa、2.16MPa、0.367MPa。高壓缸進汽參數(shù)為 9.63MPa/540°C /90.8kg/s ;高壓缸排汽參數(shù) 2.16MPa/321°C /90.8kg/s ;中壓缸進汽參數(shù) 2.16MPa/540°C /104.2kg/s ;低壓缸進汽參數(shù) 0.367MPa/300.3 °C /121.5kg/s ;排汽參數(shù) 0.00484MPa/35.5 °C /121.5kg/s。蒸汽輪機總輸出功為160.7MW。
[0023]將模擬結果匯總并與現(xiàn)有9FA級聯(lián)合系統(tǒng)參數(shù)進行對比，如表1所示。
[0024]表1:現(xiàn)有9FA系統(tǒng)與aspen模擬參數(shù)對比
[0025]
【權利要求】
1.一種高壓再熱燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，由燃氣輪機子系統(tǒng)和蒸汽輪機子系統(tǒng)組成，其特征在于:燃氣輪機子系統(tǒng)包括中壓系統(tǒng)和高壓系統(tǒng)，中壓系統(tǒng)包括一級壓氣機、中壓燃燒室和中壓燃氣透平，高壓系統(tǒng)包括二級壓氣機、高壓燃燒室和高壓燃氣透平，一級和二級壓氣機之間設有至少一級間冷器；運行時過量空氣通過所述一、二級壓氣機兩級壓縮后，進入高壓燃燒室燃燒加熱，產(chǎn)生的高溫燃氣經(jīng)高壓燃氣透平后進入中壓燃燒室，再熱后經(jīng)中壓燃氣透平做功；中壓系統(tǒng)排氣口連通蒸汽輪機子系統(tǒng)，排氣在蒸汽輪機子系統(tǒng)回收熱量。
2.根據(jù)權利要求1所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)設置為，中壓系統(tǒng)中，一級壓縮后的空氣一級壓力為1.5-2.4MPa ;高壓系統(tǒng)中，二級壓縮后的空氣二級壓力為6-20MPa ;設置一級間冷器，空氣的間冷溫度為100-200°C。
3.根據(jù)權利要求2所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:高壓燃氣透平進氣溫度為1000-1500°C，中壓燃氣透平進氣溫度為1200-1500°C。
4.根據(jù)I至3任一權利要求所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述間冷器的冷卻水連通所述蒸汽輪機子系統(tǒng)，回收冷卻水的熱量。
5.根據(jù)權利要求4所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述蒸汽輪機子系統(tǒng)包括余熱鍋爐和蒸汽輪機，所述中壓系統(tǒng)排氣口連接余熱鍋爐煙氣入口。
6.根據(jù)權利要求5所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述余熱鍋爐和蒸汽輪機為三壓再熱式；給水結構分為高、中、低壓三路，給水可在余熱鍋爐中多次分級吸熱；所述蒸汽輪機設置有高、中、低壓缸，高壓缸與中壓缸之間連接再熱器，高壓缸排汽進入再熱器再熱后，進入中壓缸做功。
7.根據(jù)權利要求6所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述間冷器的冷卻水流接入所述蒸汽輪機子系統(tǒng)的高壓水路。
8.根據(jù)權利要求7所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述蒸氣輪機子系統(tǒng)高、中、低三路壓力分別為 9.63MPa、2.16MPa 和 0.367MPa。
9.根據(jù)權利要求8所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)設置為，一級壓力1.54MPa，二級壓力14MPa，間冷溫度100°C，高壓燃氣透平進氣溫度和中壓燃氣透平進氣溫度均為1325°C。
10.根據(jù)I至3任一權利要求所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述中壓燃氣透平與一級壓氣機同軸，所述高壓燃氣透平與二級壓氣機同軸，燃氣透平與發(fā)電機連軸。
11.根據(jù)權利要求10所述的發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于:所述高壓系統(tǒng)和中壓系統(tǒng)采用同軸布置或分軸布置，分軸時，一級壓氣機與二級壓氣機分布在不同軸上。
【文檔編號】F02C6/00GK203614227SQ201320858694
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權日:2013年12月24日
【發(fā)明者】郭樺, 付忠廣, 楊天亮, 盧可, 賈金祥 申請人:國電新能源技術研究院