一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统
阅读说明：本技术 一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统 (Combined system of intercooling regenerative gas turbine and organic medium composite bottom circulation ) 是由 郭宣华 于 2020-03-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统,包括中冷回热燃气轮机、烟气换热器、有机工质透平、冷凝器和加压泵,所述烟气换热器第一与中冷回热燃气轮机的回热器连通,烟气换热器第二与有机工质透平连通,有机工质透平与冷凝器连通,冷凝器与加压泵连通,加压泵与中冷回热燃气轮机的中冷器连通,中冷器与烟气换热器连通；烟气换热器将回热器输入的烟气进行降温后排出；使用本装置,可以解决使用亚临界有机朗肯循环和卡琳娜循环存在的恒定蒸发温度导致中冷器换热不充分、火用损失大的问题,也可以使整个系统具备比中冷回热燃气轮机更高的发电效率,并且可以提高燃气轮机在炎热气候下的动力输出。(The invention discloses a combined system of an intercooling regenerative gas turbine and organic medium composite bottom circulation, which comprises an intercooling regenerative gas turbine, a flue gas heat exchanger, an organic working medium turbine, a condenser and a pressure pump, wherein the first flue gas heat exchanger is communicated with a regenerator of the intercooling regenerative gas turbine, the second flue gas heat exchanger is communicated with the organic working medium turbine, the organic working medium turbine is communicated with the condenser, the condenser is communicated with the pressure pump, the pressure pump is communicated with an intercooler of the intercooling regenerative gas turbine, and the intercooler is communicated with the flue gas heat exchanger; the flue gas heat exchanger cools the flue gas input by the heat regenerator and then discharges the cooled flue gas; by using the device, the problems of insufficient heat exchange of the intercooler and large fire loss caused by the constant evaporation temperature existing in subcritical organic Rankine cycle and kalina cycle can be solved, the whole system can have higher power generation efficiency than an intercooling regenerative gas turbine, and the power output of the gas turbine in hot weather can be improved.)
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统。
背景技术
自20世纪30年代燃气轮机发明以来，其作为重要的发动机类别在航空、船舶动力和陆地发电厂都得到了广泛应用。采用空气布雷顿循环的燃气轮机具有较高的热效率和输出功率，继续提高循环效率的措施包括提高有机工质透平进气初温，增加再热、中冷和回热设备，向有机工质透平注射蒸汽，增加蒸汽朗肯循环作为底循环等等。
就船舶燃气轮机动力而言，为提高船用燃气轮机的效率，1946年劳斯莱斯公司就与英国海军签订了生产舰用中冷回热(ICR)燃气轮机RM60的合同，但是受限于当时的换热技术条件最终导致设备过大、换热器积灰等问题而下马。随着船用燃气轮机工作参数的不断提高，简单循环的效率提升遇到瓶颈，加之近年来换热器技术的进步使中冷回热技术再度成为热点，本世纪初由英美牵头德法参与的WR-21型中冷回热船用燃气轮机获得了很大成功，列装Type45型驱逐舰等舰船之后获得了30％左右的油耗降低，引起各国海军的高度重视，我国也开始研发中冷回热船用燃气轮机。但是中冷回热燃气轮机技术也存在一个燃气轮机的通用缺陷：在非常炎热的气候下性能急剧下降，这势必影响舰船在热带海洋区域的动力表现。另外中冷回热技术本质上也属于简单循环，并没有一个底循环与之配合，因此效率虽比非中冷回热燃气轮机高但仍不如燃气-蒸汽联合循环，因此人们也曾经试图多次在船舶上使用燃气-蒸汽联合循环动力(COGAS)，但至今为止除了少数大型邮轮其余舰船都未能成功应用，甚至美国海军在万吨级军舰上的尝试也告失败。平心而论，蒸汽朗肯循环是一种效率非常优秀的底循环，但是其缺点是系统复杂体积重量庞大，也缺乏足够的响应速度，因此并不适合大部分舰船。
就陆上燃气轮机发电站而言，基本是非中冷回热燃气轮机的天下，燃气-蒸汽联合循环已经获得了广泛应用，最新的H级燃气轮机配合三压再热蒸汽循环已经达到63-64％的毛效率。由于陆地上空间足够，水在很多地区又是常见的廉价介质，蒸汽朗肯循环已经被实践证明为是一种成功的底循环。但是燃气-蒸汽联合循环也不完美，首先，燃气轮机对外界大气环境特别是温度非常敏感，即使装备了喷水降温措施，在炎热潮湿的夏季联合循环的出力也会下降10-20％左右。其次，在干旱甚至沙漠地区建设燃气-蒸汽联合循环受限于水源条件变得很困难甚至不可行。
综上所述，在大部分舰船上无法使用体积重量庞大，也缺乏足够的响应速度的燃气-蒸汽联合循环，而使用中冷回热燃气轮机的效率不如燃气-蒸汽联合循环效率，且在舰船上使用中冷回热燃气轮机技术无法克服在非常炎热的气候下性能急剧下降，舰船在热带海洋区域的动力表现差的问题；在干旱或者沙漠陆地上无法使用燃气-蒸汽联合循环，同时也无法克服燃气轮机对温度变化出现效率降低的问题。
由于燃气-蒸汽联合循环存在设备大、耗水量大等技术问题，不便于在舰船和干旱沙漠等缺水地方进行使用，因此业界中对中冷回热(再热)燃气轮机(布雷顿循环)的底循环进行大量的研究，目前，业界中有人使用亚临界有机朗肯循环作为中冷回热燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机组成联合系统，也有使用卡琳娜循环(氨水)作为中冷回热燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机组成联合系统，以提升中冷回热(再热)燃气轮机的效率；然而使用亚临界有机朗肯循环和卡琳娜循环(氨水)作为中冷回热燃气轮机的底循环时发电效率还是不够高，经过发明人的深入研究，发现亚临界有机朗肯循环和卡琳娜循环(氨水)作为底循环时分别会存在亚临界有机工质、氨水存在的恒定蒸发温度导致中冷器换热不充分、火用损失大的问题。
同时无论是使用亚临界有机朗肯循环作为中冷回热燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机组成的联合系统、卡琳娜循环(氨水)作为中冷回热燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机组成的联合系统还是燃气-蒸汽联合循环动力(COGAS)系统均无法克服燃气轮机对外界大气环境特别是温度非常敏感，炎热潮湿的夏季会出现动力输出明显降低的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供了一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统，以解决使用亚临界有机朗肯循环和卡琳娜循环(氨水)作为中冷回热燃气轮机的底循环分别会存在亚临界有机工质、氨水存在的恒定蒸发温度导致中冷器换热不充分、火用损失大的问题。
一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统，包括中冷回热燃气轮机、烟气换热器、有机工质透平、冷凝器和加压泵，所述烟气换热器与中冷回热燃气轮机的回热器连通，烟气换热器与有机工质透平连通，有机工质透平与冷凝器连通，冷凝器与加压泵连通，加压泵与中冷回热燃气轮机的中冷器连通，中冷器与烟气换热器连通；冷凝器用于将有机工质冷却放热成液体并输送到加压泵，加压泵用于将液态有机工质加压到超过临界压力并输送到中冷器，中冷器用于对有机工质加热并输送到烟气换热器，烟气换热器用于将有机工质加热到超过临界温度并输送到有机工质透平，有机工质透平用于利用有机工质膨胀做工并输送到冷凝器；烟气换热器将回热器输入的烟气进行降温后排出。中冷回热燃气轮机(布雷顿循环)为顶循环，烟气换热器、有机工质透平、冷凝器和加压泵配合形成超临界有机朗肯循环，超临界有机朗肯循环作为联合系统的底循环，在实际使用中，冷凝器将机工质冷却放热成液体后输送到加压泵，加压泵将有机工质加压到超临界压力后输送到中冷器，有机工质进入中冷器后吸收内部的热量并降低中冷器的温度，然后进入烟气换热器内，烟气换热器将回热器输入的气体和进入的有机工质进行热交换，实现烟气气体降温后排出同时将有机工质加热到超临界温度，然后有机工质进入有机工质透平做功，有机工质透平做功后输送到冷凝器，如此实现超临界有机朗肯循环，其优势在于，超临界有机工质取代其余冷却介质直接在中冷器中与压缩空气换热获取能量，同时在烟气换热器中吸收回热器排放出的烟气热量，这些烟气热量温度在150-300度之间，恰好是有机朗肯循环对蒸气朗肯循环有优势的区间，经过加热的有机工质进入有机工质透平内做功发电，如此超临界有机朗肯循环吸收顶循环的废热并发电，并且根据中冷器和回热器烟气的温度梯度分布特点，将超临界有机工质先后经过中冷器和烟气换热器，加热到超临界温度以上从而提高了底循环发电效率；此外由于有机工质在加压泵内加压到超临界压力形成超临界流体，超临界流体没有恒定的蒸发温度，因此克服了亚临界有机工质、氨水存在的恒定蒸发温度而导致中冷器换热不充分、火用损失大的缺点。
优选地，还包括节流阀和压缩机，所述节流阀也与冷凝器连通，节流阀与中冷回热燃气轮机的进气冷却器连通，进气冷却器与压缩机连通，压缩机与冷凝器连通；冷凝器排出的有机工质部分进入节流阀内，节流阀对进入的有机工质进行降温后排入进气冷却器，进入进气冷却器的有机工质吸收热量后进入压缩机内经过压缩机升压后进入冷凝器内。无论是使用亚临界有机朗肯循环作为中冷回热燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机组成的联合系统还是卡琳娜循环(氨水)作为中冷回热燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机组成的联合系统还是燃气-蒸汽联合循环动力(COGAS)系统均无法克服燃气轮机对外界大气环境特别是温度非常敏感，炎热潮湿的夏季会出现效率降低的问题。本技术方案中设置节流阀和压缩机，节流阀与冷凝器也连通，从冷凝器输出的有机工质分成两路，一路进入加压泵加压进行超临界有机朗肯循环，另一路进入节流阀内产生明显的温降，然后进入进气冷却器内吸收热量，升温后进入压缩机内经过升压后进入冷凝器，如此形成制冷循环，低温有机工质进入进气冷却器后使进气冷却器和进入进气冷却器的气体温度降低，为顶循环提供冷量，同时配合燃气轮机的入口加热功能，能够保证在-40℃到40℃的外界大气温度变化范围内进入燃气轮机的气体温度始终在设计点附近，从而保证整个系统在极端气候条件下维持相当稳定的出力和效率，改善炎热气候下的动力输出，这无论对陆地燃气轮机发电站和船用燃气轮机都具备重大意义，特别是对军舰而言大大降低了红外信号。
优选地，还包括换热器，所述换热器的一个输入端与加压泵连通，与该输入端对应的输出端与中冷器连通；换热器的另一个输入端与节流阀的输出端连通，与该输入端对应的输出端与压缩机的输入端连通，换热器对加压泵输入的有机工质和节流阀输入有机工质进行热交换。从节流阀输出有机工质也分为两路，其中一路进入进气冷却器内，另一路进行换热器内，从加压泵输出的有机工质也进入换热器内，由于从节流阀输出的有机工质温度低，在换热器内两路有机工质进行热交换，使进入中冷器的有机工质温度进一步降低，对中冷器的降温效果更好。
优选地，所述有机工质采用R123。
优选地，所述有机工质采用R514A。
本发明的有益效果体现在：
1.本技术方案中利用超临界有机朗肯循环作为燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机配合形成联合系统，克服了亚临界有机朗肯循环和卡琳娜循环中存在的亚临界有机工质、氨水存在的恒定蒸发温度导致中冷器换热不充分、火用损失大的问题，进而使超临界有机朗肯循环作为底循环时联合系统的发电效率更高，媲美同级燃气-蒸汽联合循环。
2.本技术方案中超临界有机朗肯循环彻底摆脱了对水工质的依赖，节约大量水资源，使干旱地区兴建高效率联合发电厂变得可行。
3.本技术方案中超临界有机朗肯循环进一步与制冷循环级联在一起，制冷循环提供低温有机工质调节中冷回热燃气轮机入口进气的温度以及中冷器的的温度，从而实现进入中冷回热燃气轮机的气体始终处于设计点附近，使中冷回热燃气轮机始终运行在大致相同的外界环境中，使燃气轮机受外界温度变化的影响小，从而保证整个系统在极端气候条件下维持相当稳定的出力和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明
具体实施方式
或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为本发明的整体结构示意图。
附图中，1-中冷回热燃气轮机，2-烟气换热器，3-有机工质透平，4-冷凝器，5-加压泵，6-节流阀，7-压缩机，8-换热器，11-进气冷却器，12-中冷器，13-回热器。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
实施例
如图1所示，本实施例中包括中冷回热燃气轮机1、烟气换热器2、有机工质透平3、冷凝器4和加压泵5，所述烟气换热器2与中冷回热燃气轮机1的回热器13连通，烟气换热器2与有机工质透平3连通，有机工质透平3与冷凝器4连通，冷凝器4与加压泵5连通，加压泵5与中冷回热燃气轮机1的中冷器12连通，中冷器12与烟气换热器2连通；冷凝器4用于将有机工质冷却放热成液体并输送到加压泵5，加压泵用于将液态有机工质加压到超过临界压力并输送到中冷器12，中冷器12用于对有机工质加热并输送到烟气换热器2，烟气换热器2用于将有机工质加热到超过临界温度并输送到有机工质透平3，有机工质透平3用于利用有机工质膨胀做工并输送到冷凝器4；烟气换热器2将回热器13输入的烟气进行降温后排出。
本实施例中还包括节流阀6和压缩机7，所述节流阀6也与冷凝器4连通，节流阀6与中冷回热燃气轮机1的进气冷却器11连通，进气冷却器11与压缩机7连通，压缩机7与冷凝器4连通；冷凝器4排出的有机工质部分进入节流阀6内，节流阀6对进入的有机工质进行降温后排入进气冷却器11，进入进气冷却器11的有机工质吸收热量后进入压缩机7内经过压缩机7升压后进入冷凝器4内。
为了对中冷器12降温效果更好，本实施例中还包括换热器8，所述换热器8的一个输入端与加压泵5连通，与该输入端对应的输出端与中冷器12连通；换热器8的另一个输入端与节流阀6的输出端连通，与该输入端对应的输出端与压缩机7的输入端连通，换热器8对加压泵5输入的有机工质和节流阀6输入有机工质进行热交换。
本实施例中所述有机工质采用R123，本实施例中所述有机工质也可以采用R514A或者其他的有机工质也可以。
本实施例中根据中冷回热燃气轮机1的压气机中间级的空气参数和尾部烟气参数确定超临界有机工质的流量和换热温差，保证既充分吸收中冷器12的废热又能在烟气换热器2内将有机工质加热到临界温度以上。根据整个系统的极限气候条件确定制冷循环的工作压力和温度，从而确定换热器8和烟气换热器2的换热强度和面积，本实施例中中冷回热燃气轮机1采用的是空气布雷顿循环，也可采用开式或者闭式的空气或者其他气体介质的布雷顿循环。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。