燃气轮机联合循环系统的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种燃气轮机联合循环系统。


背景技术：

2.随着全球经济的高速发展，能源的需求在不断扩大，这导致了传统的化石能源过度开发利用，带来严峻的环境问题。像煤炭和石油这类传统的化石能源的过度开采容易损坏地质结构，对生态环境造成严重影响。并且通过以煤为代表的传统化石能源的燃烧产生电能量的同时会制造大量的污染物，极易造成严重的大气污染。
3.燃气轮机(gas turbine)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，是一种旋转叶轮式热力发动机，燃气轮机在工作过程中会排放大量含碳气体，不利于实现碳中和目标。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
5.为此，本发明的实施例提出一种可以实现零碳排放的燃气轮机联合循环系统。
6.本发明实施例的一种燃气轮机联合循环系统包括供氧装置、煤气化组件、碳捕集装置、顶循环组件和底循环组件，所述供氧装置用于制备氧气，所述煤气化组件与所述供氧装置相连，所述煤气化组件用于利用所述供氧装置提供的氧气制备二氧化碳和氢气，所述碳捕集装置与所述煤气化组件相连，所述碳捕集装置用于将所述煤气化组件制备的二氧化碳和氢气分离，所述顶循环组件分别与所述供氧装置和所述碳捕集组件相连，所述供氧装置可向所述顶循环组件输送氧气，所述碳捕集组件可向所述顶循环组件输送二氧化碳和氢气，所述顶循环组件以二氧化碳为循环工质并利用氧气和氢气燃烧产热做功将热能转换为机械能，所述底循环组件与所述碳捕集装置和所述顶循环组件相连，所述碳捕集组件可向所述底循环组件输送二氧化碳，所述底循环组件以二氧化碳为循环工质并利用顶循环组件的余热做功将热能转换为机械能。
7.本发明实施例的燃气轮机联合循环系统，通过设置碳捕集装置可以有效降低系统的碳排放，对实现碳中和目标起到了积极作用，同时可为顶循环和底循环提供循环工质，单一的工质可大大降低设备数量和投资，此外，还实现了能量的梯级利用，提高了能量的利用率，避免了能源浪费。
8.在一些实施例中，燃气轮机联合循环系统还包括碳封存装置，所述碳封存装置与所述碳捕集装置相连以将多余的二氧化碳进行封存。
9.在一些实施例中，所述煤气化组件包括：
10.煤气发生装置，所述煤气发生装置的输入端与所述供氧装置的输出端相连，所述煤气发生装置用于利用所述供氧装置提供的氧气制备煤气；
11.变换炉，所述煤气发生装置的输出端与所述变换炉的输入端相连，所述变换炉的输出端与所述碳捕集装置相连，所述变换炉用于利用所述煤气发生装置提供的煤气制备二
氧化碳和氢气。
12.在一些实施例中，所述顶循环组件包括：
13.第一压气机，所述第一压气机的输入端与所述碳捕集装置相连；
14.燃烧室，所述燃烧室的输入端分别与所述第一压气机的输出端、所述碳捕集装置和所述供氧装置相连；
15.第一透平，所述第一透平的输入端与所述燃烧室的输出端相连；
16.水分离器，所述透平的输出端与所述水分离器的输入端相连，所述水分离器具有水出口和二氧化碳出口，所述二氧化碳出口与所述第一压气机的输入端相连。
17.在一些实施例中，所述顶循环组件还包括第一换热器，所述第一换热器设置在所述第一透平和所述水分离器之间的连接管路上。
18.在一些实施例中，燃气轮机联合循环系统，还包括余热利用装置和第三换热器，所述第三换热器设在所述第一换热器和所述水分离器之间的连接管路上，所述余热利用装置与所述第三换热器相连。
19.在一些实施例中，所述余热利用装置为有机朗肯循环或供热系统。
20.在一些实施例中，所述底循环组件包括：
21.第二压气机，所述第二压气机的输入端与所述碳捕集装置相连；
22.第二透平，所述第二透平的输入端与所述第二压气机的输出端相连，所述第二透平的输出端与所述第二压气机的输入端相连，所述第一换热器位于所述第二压气机和所述第二透平的连接管路上，所述第二压气机产出的压缩二氧化碳与所述顶循环组件的余热通过所述第一换热器进行热交换。
23.在一些实施例中，所述底循环组件还包括第二换热器，所述第二换热器设置在所述第二透平的输出端与所述第二压气机的输入端之间的连接管路上，所述余热利用装置与所述第二换热相连。
24.在一些实施例中，所述供氧装置为空分制氧设备或电解水装置。
附图说明
25.图1是本发明实施例的燃气轮机联合循环系统的示意图。
26.附图标记：
27.1、供氧装置；2、煤气发生装置；3、变换炉；4、碳捕集装置；5、碳封存装置；6、第一压气机；7、燃烧室；8、第一透平；9、第一换热器；10、第三换热器；11、水分离器；12、第二压气机；13、第二透平；14、第二换热器；15、余热利用装置。
具体实施方式
28.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
29.下面结合附图描述本发明实施例的燃气轮机联合循环系统。
30.如图1所示，本发明实施例的燃气轮机联合循环系统包括供氧装置1、煤气化组件、碳捕集装置4、顶循环组件和底循环组件。
31.其中，供氧装置1用于制备氧气，煤气化组件与供氧装置1相连，煤气化组件用于利
用供氧装置1提供的氧气制备二氧化碳和氢气，碳捕集装置4与煤气化组件相连，碳捕集装置4用于将煤气化组件制备的二氧化碳和氢气分离。
32.本发明实施例的燃气轮机联合循环系统包括顶循环和底循环双重循环，顶循环为主要做功循环，将燃料内储存的能量转换为机械能，底循环可利用顶循环的余热再次转换为机械能，实现余热的利用。
33.具体地，顶循环组件分别与供氧装置1和碳捕集组件相连，供氧装置1可向顶循环组件输送氧气，碳捕集组件可向顶循环组件输送二氧化碳和氢气，顶循环组件以二氧化碳为循环工质并利用氧气和氢气燃烧产热做功将热能转换为机械能。
34.底循环组件与碳捕集装置4和顶循环组件相连，碳捕集组件可向底循环组件输送二氧化碳，底循环组件以二氧化碳为循环工质并利用顶循环组件的余热做功将热能转换为机械能。
35.本发明实施例的燃气轮机联合循环系统，通过设置碳捕集装置4可以有效降低系统的碳排放，对实现碳中和目标起到了积极作用，同时可为顶循环和底循环提供循环工质，单一的工质可大大降低设备数量和投资，此外，还实现了能量的梯级利用，提高了能量的利用率，避免了能源浪费。
36.在一些实施例中，燃气轮机联合循环系统还包括碳封存装置5，碳捕集装置4分离出的二氧化碳的一部分分别进入到顶循环和底循环作为循环工质，还有一部分二氧化碳未被利用，此部分二氧化碳通过碳封存技术进行封存，不会直接排放至大气。
37.常见的碳封存方法包括地质封存、海洋封存和化学封存，三种碳封存方法所采用的装置不同，设计人员可根据实际情况选择采用何种碳封存技术，碳封存装置5为现有技术，对其具体结构不再赘述。
38.在一些实施例中，煤气化组件包括煤气发生装置2和变换炉3，煤气发生装置2的输入端与供氧装置1的输出端相连，煤气发生装置2用于利用供氧装置1提供的氧气制备煤气，煤气的主要成分为一氧化碳和氢气，煤气发生装置2的输出端与变换炉3的输入端相连，变换炉3的输出端与碳捕集装置4相连，变换炉3用于利用煤气发生装置2提供的煤气制备二氧化碳和氢气。
39.本发明实施例的燃气轮机联合循环系统通过煤气化为顶循环和底循环提供清洁能源，可以进一步减少煤炭燃料本身带来的高碳排放问题，并且将煤气发生装置2与碳捕集技术和碳封存技术相结合，为之后的循环系统提供循环工质，实现了零碳排放及二氧化碳资源的循环利用。
40.顶循环组件包括依次相连的第一压气机6、燃烧室7、第一透平8和水分离器11，第一压气机6的输入端与碳捕集装置4相连，燃烧室7的输入端分别与第一压气机6的输出端、碳捕集装置4和供氧装置1相连，第一透平8的输入端与燃烧室7的输出端相连，透平的输出端与水分离器11的输入端相连，水分离器11具有水出口和二氧化碳出口，二氧化碳出口与第一压气机6的输入端相连。
41.碳捕集装置4分离出的一部分二氧化碳作为循环工质进入第一压气机6内，碳捕集装置4分离的氢气和供氧装置1提供的氧气进入到燃烧室7内燃烧提供热能，热能经过第一透平8膨胀做功转换为机械能，机械能可用于发电，透平排出的二氧化碳和水经过水分离装置进行分离，二氧化碳回到第一压气机6内完成循环，水利用收集装置进行收集，可以作为
供氧装置1的原料制备氧气。
42.顶循环组件还包括第一换热器9，第一换热器9设置在第一透平8和水分离器11之间的连接管路上，底循环可通过第一换热器9与透平排出的水和二氧化碳进行热交换，从而对顶循环的余热进行利用。
43.底循环采用超临界二氧化碳闭式循环，回收顶循环未利用的余热，具体地，底循环组件包括第二压气机12、第二透平13和第二换热器14，第二压气机12的输入端与碳捕集装置4相连，第二透平13的输入端与第二压气机12的输出端相连，第二透平13的输出端与第二压气机12的输入端相连，第一换热器9位于第二压气机12和第二透平13的连接管路上，第二压气机12产出的压缩二氧化碳与顶循环组件的余热通过第一换热器9进行热交换，第二换热器14设置在第二透平13的输出端与第二压气机12的输入端之间的连接管路上。
44.碳捕集装置4分离出的一部分二氧化碳和底循环本身的二氧化碳一起进入第二压气机12进行压缩，后经过第一换热器9吸收顶循环的余热升温，进入第二透平13膨胀做功，第二透平13排出的二氧化碳再次回到第二压气机12。
45.燃气轮机联合循环系统还包括余热利用装置15和第三换热器10，第三换热器10设在第一换热器9和水分离器11之间的连接管路上，余热利用装置15分别与第二换热器14和第三换热器10相连，余热利用装置15可以通过第二换热器14与底循环的余热进行换热，还可以通过第三换热器10与顶循环的余热进行换热，同时将顶循环和底循环的余热进行回收利用，进一步提高能量的利用率。
46.可选地，余热利用装置15为有机朗肯循环或供热系统，也可以为其他可以利用余热的装置。
47.当余热利用装置15为机朗肯循环时，可以对中低品味的余热进行回收利用，提高循环系统效率；当余热利用装置15为供热系统时，可以与产业园区、大型社区等供热系统集成，形成稳定、简约化的分布式能源系统。
48.可选地，供氧装置1为空分制氧设备或电解水装置，也可以为其他可以制备氧气的装置。
49.以下对本发明实施例的燃气轮机联合循环系统的具体工作过程进行描述。
50.在顶循环之前，首先利用供氧装置1制备纯氧，一部分纯氧与煤炭进入煤气发生装置2，转化为一氧化碳和氢气，后经过变换炉3将一氧化碳和水转换为二氧化碳和氢气；
51.变换炉3产生的气体进入到碳捕集装置4分离，分离后的二氧化碳分为三部分，第一部分进入到第一压气机6内作为循环工质，第二部分进入第二压气机12作为循环工质，第三部分进入碳封存装置5进行碳封存，碳捕集分离的氢气和供氧装置1制备的另一部分纯氧作为顶循环的燃料和助燃剂进入燃烧室7，为循环装置提供能量；
52.进入第一压气机6的二氧化碳和顶循环本身的二氧化碳工质一起经过压缩后，进入燃烧室7，由进入燃烧室7的氢气和氧气燃烧提供能量，后经过第一透平8膨胀做功，经过第一透平8膨胀做功后的气体进入第一换热器9，为超临界二氧化碳底循环提供能量，换热后气体剩余余热经过第三换热器10提供给余热利用装置15，换热后的二氧化碳气体经过水分离器11将水分离出去，再次回到第一压气机6进行压缩；
53.碳捕集装置4分离出的一部分二氧化碳和底循环本身的二氧化碳一起进入第二压气机12进行压缩，后经过第一换热器9吸收顶循环的余热升温，进入第二透平13膨胀做功，
做功后的气体通过第二换热器14将底循环的余热提供给余热利用装置15，充分利用余热。
54.本发明通过将多种先进技术结合，降低碳排放的同时提高系统循环效率。通过对常规能源清洁处理后进行碳捕集碳封存技术，解决了现有技术向环境中碳排放高的问题；同时将捕获的二氧化碳作为循环工质，有效利用了煤气化产物；采用双循环可以充分利用循环产生的热量；最终通过余热利用装置15收集中低品味余热，进一步提高系统循环效率。
55.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
56.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。
57.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
58.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
59.在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
60.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。