一种燃气轮机回热循环改为湿化循环的方法

本发明涉及燃气轮机领域，具体涉及一种燃气轮机回热循环改为湿化循环的方法。

背景技术：

1、燃气轮机是目前效率最高的化石能源大规模发电热功转换装置。随着经济社会的发展以及燃气轮机用途的拓展，对燃气轮机的性能要求越来越高，不但要求更高的效率和更严格的污染物排放，还对燃气轮机循环负荷调节的灵活性、部分负荷性能、受环境状态的影响等提出了更高的要求。当前发电用燃气轮机主要采用布雷登-朗肯联合循环，一方面，仅靠增加温度和压比提高循环性能的潜力越来越小，另一方面，受限于循环型式，难以满足多种类型的用户需求。

2、回热循环是燃气轮机的一种热力循环，其如图1所示，c表示压气机，cb表示燃烧室，t表示透平，re表示回热器，g表示发电机。压气机c从大气中吸入空气，增压后排出送入回热器re；空气在回热器re中与燃气轮机排烟换热后进入燃烧室cb；天然气(或其他燃料)与热空气混合燃烧后进入透平t做功，透平t通过轴带动压气机c和发电机g转动，发电机g产生电能；透平t排烟经过回热器re排入大气而回收热。

3、为更好地达到高效、低排放、低成本、高灵活性等目标，同时满足多样化的需求，人们不断提出和开发各种基于燃气轮机的新型热力循环。湿化燃气轮机循环就是其中最具代表性的一种。这类循环采用混合工质(湿空气)，并根据需要在不同位置进行热回收与空气加湿。根据技术路线的不同，空气湿化循环大致可分为三种具体形式：在气路中不同位置(压气机前/级间/后等)喷雾的循环；注蒸汽循环(steaminjectedgasturbine，stig或cheng循环)；通过湿化器回收低品位余热对空气加湿的湿空气透平循环(humidairturbine，hat循环)。与其它新型动力循环相比，湿化燃气轮机循环的共性特点为：①减少压气机耗功，或(和)借助喷雾、注蒸汽、湿化过程充分利用燃气轮机循环内部余热，提高效率；②空气加湿，工质流量增加，循环比功提高；③湿空气燃烧，有效降低系统nox排放；④省掉蒸汽底循环部件，结构更为紧凑，成本降低；⑤空气加湿增加了可调量，提高系统的运行灵活性。

4、湿化循环(hat循环)是有水回路的空气湿化循环的代表和主体，其流程如图2所示，c表示压气机，cb表示燃烧室，t表示透平，re表示回热器，g表示发电机，ac表示后冷器，ec表示省煤器，h表示湿化器，p1、p2表示水泵。压气机c从大气中吸入空气，增压后排出送入后冷器ac；在后冷器ac中空气与来自湿化器h底部的水换热，空气冷却后送入湿化器h；湿化器h中空气与热水逆流接触，空气升温增湿，水温度降低；来自湿化器h的湿空气在回热器re中与燃气轮机排烟换热后进入燃烧室cb；天然气(或其他燃料)与湿空气混合燃烧后进入透平t做功，透平t通过轴带动压气机c和发电机g转动，发电机g产生电能；透平t排烟经过回热器re、省煤器ec，分别与湿空气、水换热回收余热后排入大气；来自湿化器h的冷水与烟气在省煤器中换热，升温后水与后冷器出水混合后送入湿化器上部。湿化器h的底部经水泵p1连接至省煤器ec。水泵p2连接至湿化器h的下侧。

5、hat循环除了具有空气湿化循环的共有特点，它还具有以下独特的优势：①水在湿化器内变温蒸发，能更充分利用系统中的低品位余热，从热力学的角度看优于注蒸汽循环和联合循环，具有最高发电效率的潜力；②与用空气作为冷却介质相比，用湿空气进行透平叶片冷却可提高循环效率；③宽压比范围内都可实现高效率。

技术实现思路

1、湿化循环中压气机出口气体经湿化过程体积流量可增加20％以上，而现有已装机回热循环燃气轮机机组均按照压气机流量匹配设计透平通流能力，未考虑湿化工况，如果直接改为湿化循环会引起压气机排气压力显著升高，引起喘振。

2、为平衡压气机与透平通流量，现有回热循环燃气轮机改造为湿化循环燃气轮机可采用改造燃气轮机核心部件(压气机或透平)或在压气机排气管路设置排气放空旁路的方法实现。直接改造燃气轮机核心部件难度大、改造后燃机整体性能难保证，相当于重新设计一台燃气轮机的通流匹配，系统改造的不确定性极大。在压气机排气管路设置排气放空旁路，而无排气余温余压再利用过程，会直接显著降低系统效率，甚至造成改造后无收益。基于以上原因，现有已装机燃气轮机改为湿化循环的可行性技术缺乏、不确定性大，降低了用户改造意愿，影响湿化循环燃气轮机推广。

3、从改造难易程度考虑，在压气机排气管路设置排气放空旁路的方法是较为可行方案，但需考虑排气余温余压的回收利用，否则湿化循环提高系统效率的目标很难实现。从能源梯级利用角度考虑，膨胀机发电是排气余温余压再利用的首选。但在工业、商业备用电源、分布式供能领域中有广泛应用的中小型、微型燃气轮机，由于其结构紧凑、发电规模小，考虑经济性、改造复杂性、发电效率低等因素，排气余温余压利用可结合分布式供能特点，梯级、多用途的利用余温余压，整体能源利用率更高。

4、本发明提出一种现有燃气轮机回热循环改为湿化循环的方法，所述方法为压气机放空排气带余温余压利用的湿化燃气轮机循环工艺，用于将现有已装机的燃气轮机回热循环机组改造成湿化燃气轮机循环，提升系统能源利用率。基于能源梯级利用思路，设置压气机放空排气余温余压工艺，先回收排气高品位余热，用于湿化燃气轮机循环加湿水的加热，提高湿化循环效率；再将余压工艺分为夏季、冬季和春秋季三种运行模式，冬季模式回收排气低品位余热用于供热，余压驱动气动水泵，用于燃气轮机循环加湿水的增压；夏季模式将排气低品位余热直接散热到大气，降温后的压缩空气在绝热膨胀机做功，做功膨胀后空气迅速降温，冷空气直接用于楼宇新风供冷；春秋季模式将排气低品位余热直接散热到大气，直接利用排气余压驱动气动水泵。

5、本发明采用如下技术方案：

6、一种燃气轮机回热循环改为湿化循环的方法，压气机c从大气中吸入空气，增压后排出送入后冷器ac；在后冷器ac中，空气与冷水换热，空气被冷却；在后冷器ac与湿化器h间空气管路上设置放空路，部分空气由该放空路引出，根据湿化循环工况不同，通过阀调节空气放空量，维持压气机c出口压力数值变化量不超过3％；湿化器h中空气与热水逆流接触，空气升温增湿，水温度降低；来自湿化器h的湿空气在回热器re中与燃气轮机排烟换热后进入燃烧室cb；天然气或其他燃料与湿空气混合燃烧后进入透平做功，透平t通过轴带动压气机c和发电机g转动，发电机g产生电能；透平排烟经过回热器re、省煤器ec，分别与湿空气、水换热回收余热后排入大气；

7、湿化器h出口水经热网换热器wc后分为两路分别进入后冷器ac和省煤器ec，水升温后混合送回湿化器h。

8、本发明中，维持压气机c出口压力数值变化量不超过3％是指维持压气机c出口压力数值变化量在-3％～3％范围内。

9、进一步地，所述燃气轮机回热循环改为湿化循环的方法使用压气机放空排气带余温余压利用的湿化燃气轮机循环系统，所述循环系统包括压气机c、燃烧室cb、透平t、回热器re、发电机g、后冷器ac、省煤器ec、湿化器h、热网换热器wc、冷却换热器ct、绝热膨胀机ep、第一电动水泵p1、气动水泵p3、第一阀v1和第二阀v2；

10、压气机c气体入口与大气相连通，压气机c气体出口与后冷器ac气体入口相连通，后冷器ac气体出口分为两路，一路与冷却换热器ct气体进口相连通，另一路与湿化器h的气体入口相连；湿化器h的气体出口与回热器re的空气入口相连通，回热器re的空气出口与燃烧室cb的空气入口相连通，燃烧室cb的燃料入口与天然气气源相连通，燃烧室cb的气体出口与透平t的气体入口相连通，透平t的排烟口与回热器re的烟气入口相连通，回热器re的烟气出口与省煤器ec的烟气入口相连通，省煤器ec的烟气出口与大气相连通；冷却换热器ct气体出口分为两路：一路依次连接第一阀v1和气动水泵p3驱动气源入口，气动水泵p3的驱动气源出口与大气相连通；另一路依次连接第二阀v2和绝热膨胀机ep气体入口，绝热膨胀机ep的气体出口与楼宇空调风道相连通；

11、湿化器h底部的水路分为两路：一路与第一电动水泵p1的入口相连通，另一路与气动水泵p3的入口相连通，第一电动水泵p1的出口与气动水泵p3的出口管路汇合后与热网换热器wc的加湿水入口相连通；热网换热器wc的加湿水出口分为两路：一路与后冷器ac的水入口相连通，另一路与省煤器ec的水入口相连通；后冷器ac的水出口与省煤器ec的水出口管路汇合后与湿化器h的加湿水入口相连通；

12、发电机g与压气机c、透平t通过同一轴相互联结。

13、进一步地，所述方法包括夏季模式、冬季模式和春秋季模式。

14、进一步地，夏季模式：第一阀v1关闭，第二阀v2调节放空路空气量，空气在冷却换热器ct中与冷却水(通常来自冷却塔)换热降温，利用空气余压在绝热膨胀机ep中做功进一步降温变为冷空气，冷空气直接接入楼宇空调风道，作为供冷新风；热网换热器wc处，停止热网水循环。

15、进一步地，冬季模式：第二阀v2关闭，第一阀v1调节放空路空气量；热网回热器wc处，湿化器出水与热网水(楼宇空调热网回水)换热，降低了后冷器和省煤器进水温度，进而降低放空路空气温度和最终排烟温度，回收放空路空气余热；电动水泵和气动水泵同时工作，空气利用余压驱动气动水泵全负荷工作，通过变频调节电动水泵，维持进入后冷器ac与省煤器ec的水流量恒定；冷却换热器ct处，停止冷却水循环。

16、进一步地，春秋季模式：第二阀v2关闭，第一阀v1调节放空路空气量；空气在冷却换热器ct中与冷却水(通常来自冷却塔)换热降温，利用冷却后的空气余压驱动气动水泵全负荷工作，通过变频调节电动水泵，维持进入后冷器ac与省煤器ec的水流量恒定；热网换热器wc处，停止热网水循环。

17、有益效果：

18、本发明提出一种燃气轮机回热循环改为湿化循环的方法，采用本发明技术方案，无需改动燃气轮机的核心部件(压气机、透平)即可实现两者的通流匹配，极大的降低了现有燃气轮机机组改为湿化循环的改造难度，并保持较高的系统能源利用率。为现有已装机燃气轮机回热循环机组改为湿化循环提供了一条有效技术路径。