一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置及方法
阅读说明：本技术 一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置及方法 (Constant-temperature air inlet device and method for synthesis gas combustion turbine for combustion ) 是由 张波 史绍平 闫姝 陈新明 穆延非 刘鑫 郭雨桐 曾崇济 于 2019-10-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供的一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置及方法,在冬季环境温度低于10℃时,通过所述的燃气轮机恒温进气装置加热进入压气机的空气,可以避免由于环境温度降低引起进入压气机的空气质量流量增大,从而不必提高合成气热值以保持透平排气温度不变,同时可以避免燃烧室的低频振动过大,以及降低燃烧室及透平叶片过热风险；在夏季环境温度高于25℃时,通过所述的燃气轮机恒温进气装置回收进入压气机的空气的部分热量,降低进入压气机的空气温度,提高进入压气机的空气密度,从而可以增加进入压气机的空气质量流量,避免由于进入压气机的空气质量流量减少导致的夏季燃气轮机最高负荷降低的问题。(When the ambient temperature is lower than 10 ℃ in winter, the constant-temperature air inlet device of the gas turbine is used for heating air entering the air compressor, so that the increase of the mass flow of the air entering the air compressor caused by the reduction of the ambient temperature can be avoided, the heat value of the synthetic gas is not required to be improved to keep the exhaust temperature of the turbine unchanged, meanwhile, the over-high low-frequency vibration of a combustion chamber can be avoided, and the overheating risk of the combustion chamber and turbine blades can be reduced; when the ambient temperature is higher than 25 ℃ in summer, part of heat of air entering the air compressor is recovered through the constant-temperature air inlet device of the gas turbine, the temperature of the air entering the air compressor is reduced, and the density of the air entering the air compressor is improved, so that the mass flow of the air entering the air compressor can be increased, and the problem of reduction of the highest load of the gas turbine in summer due to reduction of the mass flow of the air entering the air compressor is solved.)
技术领域
本发明属于燃气轮机技术领域，特别涉及一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置及方法。
背景技术
燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动透平叶片高速旋转，将燃料的化学能转变为透平叶片机械能的一种设备。燃气轮机通常由压气机、燃烧室、透平以及连接压气机及透平的轴组成，用于发电的燃气轮机还配备有发电机，也与连接压气机和透平的轴相连。一般燃气轮机中压气机进口的空气体积流量设计为不变量，即在压气机转速保持不变的情况下，进入压气机的空气体积流量也不变。由于在不同环境温度下，空气密度不同，其差异可以导致压气机进口空气质量流量发生较大的变化。如环境温度从40℃降低至-10℃，进入压气机的空气质量流量可以增大超过18％。燃气轮机运行时，通常通过调节压气机进口导叶(Inlet guide vane，IGV)叶片角度来限制空气流量从而控制透平出口温度基本不变。对于燃用合成气的低热值燃气轮机，由于同等质量流量合成气热值低于天然气，达到同等负荷所需的合成气质量流量显著高于天然气，若保持透平进口温度不变，压气机的喘振裕度将会减少。在较低的环境温度下如冬季时，进入压气机的空气质量流量显著增多，如果保持在较高的环境温度下如夏季时的IGV开度和合成气质量流量，会引发燃烧室低频振动过大，不利于燃气轮机的安全稳定运行，需要进一步提高合成气热值来匹配增多的空气以保持透平排气温度不变。然而，随着合成气热值的增加，燃烧室内部最高温度以及进入透平第一级的烟气温度也相应增大，这对于燃烧室以及透平叶片的寿命产生了一定的不良影响，同时也会增大这些部件产生故障的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置及方法，解决了现有技术中存在的不足。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明提供的一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置，包括用于加热或降低进入燃用合成气燃气轮机的压气机的空气温度的恒温进气装置本体，所述恒温进气装置本体布置在燃用合成气燃气轮机的空气过滤器的出口连接压气机的入口之间。
优选地，包括吸收式热泵和换热器，其中，换热器的空气通道分别与在燃用合成气燃气轮机上的空气过滤器和压气机连接；换热器的工质通道与吸收式热泵的工质通道连接；吸收式热泵上设置有低压过热蒸汽的入口、低温热源入口和媒介水入口。
优选地，吸收式热泵上的低温热源入口连接有烟气换热器，其中，烟气换热器布置在余热锅炉的尾部烟气出口处。
优选地，吸收式热泵上的媒介水入口连接有给水换热器，给水换热器布置在给水泵的给水出口处。
优选地，恒温进气装置本体包括吸收式热泵、换热器、烟气换热器和给水换热器，其中，换热器的空气入口连接空气过滤器的空气出口，换热器的空气出口连接压气机的空气入口；换热器的工质出口、工质入口分别连接吸收式热泵的工质入口、工质出口；烟气换热器的工质出口、工质入口连接吸收式热泵的工质入口、工质出口；烟气换热器的烟气出口、烟气入口分别与余热锅炉的尾部烟气入口、尾部烟气出口连接；给水换热器的媒介水出口、媒介水入口连接吸收式热泵的媒介水入口、媒介水出口；给水换热器的给水入口、给水出口分别与凝汽器的给水出口、余热锅炉的给水入口连接。
优选地，吸收式热泵包括发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器，发生器上设置有低压过热蒸汽入口，低压过热蒸汽入口与余热锅炉的低压蒸汽出口连接；发生器上的制冷剂出口连接冷凝器的制冷剂入口，冷凝器的制冷剂出口连接蒸发器的制冷剂入口，蒸发器上设置有低温热源入口；蒸发器的制冷剂出口连接吸收器的制冷剂入口，吸收器上设置有媒介水入口，吸收器上的溴化锂稀溶液出口连接发生器的溴化锂稀溶液入口，发生器上的溴化锂浓溶液出口连接吸收器上的溴化锂浓溶液入口，吸收器上的媒介水出口连接冷凝器上的媒介水入口。
一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气控制方法，基于所述的一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置，包括以下步骤：
当环境温度低于10℃时，通过所述的恒温进气装置本体加热进入压气机的空气，使其温度不低于10℃；
当环境温度高于25℃时，通过所述的恒温进气装置本体回收进入压气机的空气热量，使其温度不高于25℃。
优选地，当环境温度低于10℃时，利用余热锅炉尾部烟气加热吸收式热泵的工质，加热后的工质进入换热器内与换热器内的低温空气进行热交换，以调节进入压气机的空气温度不低于10℃。
优选地，当环境温度高于25℃时，利用凝汽器的给水与给水换热器中的媒介水进行热交换，加热后的给水进入余热锅炉；降温后的媒介水进入吸收式热泵，再流经换热器与高温空气进行热交换，以调节进入压气机的空气温度不高于25℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置及方法，通过所述的燃气轮机恒温进气装置加热进入压气机的空气使其温度不低于10℃，可以避免由于环境温度降低引起进入压气机的空气质量流量增大，从而不必提高合成气热值以保持透平排气温度不变，同时可以避免燃烧室的低频振动过大，以及降低燃烧室及透平叶片过热风险；通过所述的燃气轮机恒温进气装置回收进入压气机的空气的部分热量，降低进入压气机的空气温度至25℃以下，提高进入压气机的空气密度，从而可以增加进入压气机的空气质量流量，避免由于进入压气机的空气质量流量减少导致的夏季燃气轮机最高负荷降低的问题，同时回收的热量可以加热余热锅炉给水，提高余热锅炉低压蒸汽产量，进而可以提升汽轮机低压缸出力。
附图说明
图1是一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置及燃气蒸汽联合循环系统；
图2是一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置中吸收式热泵流程示意图；
图3是一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置在冬季(环境温度低于10℃)时的工作方式；
图4是一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置在夏季(环境温度高于25℃)时的工作方式；
图5是一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置在不同工作方式下的切换逻辑；
其中，1-空气过滤器；2-压气机；3-燃烧室；4-透平；5-发电机；6-轴；11-空气；12-恒温空气；13-压缩空气；14-合成气；15-燃烧室排气；16-透平排气；17-余热锅炉排气；31-余热锅炉；32-汽轮机；33-发电机；34-联轴器；35-凝汽器；36-给水泵；41-给水；42-过热蒸汽；43-乏汽；44-凝结水；51-吸收式热泵；52-换热器；53-烟气换热器；54-给水换热器；61-第一三通阀；62-第二三通阀；63-三第三通阀；64-第四三通阀；65-第五三通阀；66-第六三通阀；71-工质管路入口；72-工质管路出口；73-工质管路出口；74-工质管路入口；79-低压过热蒸汽；81-发生器；82-冷凝器；83-蒸发器；84-吸收器；91-制冷剂；92-制冷剂；93-制冷剂；94-溴化锂稀溶液；95-溴化锂浓溶液；102-低温热源；103-媒介水。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进一步详细说明。
如图1至图5所示，本发明提供的一种用于燃用合成气燃气轮机的恒温进气装置，其中，燃用合成气燃气轮机包括空气过滤器1、压气机2、燃烧室3、透平4、发电机5、轴6、余热锅炉31、汽轮机32、发电机33、联轴器34、凝汽器35和给水泵36，其中，空气过滤器1上设置有空气进口，空气过滤器1的出口连接压气机2的入口，压气机2的高压气体出口连接燃烧室3的入口，燃烧室3上设置有合成气入口，合成气和高压气体在燃烧室3内进行混合燃烧，燃烧室3的出口连接透平4的入口，高温高压气体驱动透平4的叶片进行旋转做功，透平4的尾气出口连接余热锅炉31的烟气入口，透平4通过轴6依次与压气机2和发电机5连接，叶片的旋转做功，带动发电机5发电做功。
燃烧后的高温气体推动透平4叶片旋转，叶片连接与轴6，即轴6跟着旋转，轴6连着压气机2，压气机2的叶片也连接与轴6，这样就能保持压气机2和透平6同步转动，透平6气体膨胀输出功，压气机2气体压缩消耗功，这之间的差值就是通过同样连接与轴6的发电机5输出为电能。
余热锅炉31的过热蒸汽出口连接汽轮机32的入口，汽轮机32利用过热蒸汽驱动叶片旋转做功，汽轮机32的乏汽出口连接凝汽器35。
汽轮机32通过联轴器34与发电机33连接，带动发电机33发电。
凝汽器35的凝结水出口连接给水泵36，通过给水泵36将凝结水加压输送至余热锅炉31的给水入口。
恒温进气装置包括吸收式热泵51、换热器52、烟气换热器53、给水换热器54、第一三通阀61、第二三通阀62、第三三通阀63、第四三通阀64、第五三通阀65和第六三通阀66，其中，换热器52布置在空气过滤器1和压气机2之间；烟气换热器53布置在余热锅炉31的尾气出口处；给水换热器54布置在给水泵36和余热锅炉31之间。
换热器52、烟气换热器53和给水换热器54均与以溴化锂-水溶液为工质的吸收式热泵51连接。
具体地：换热器52的空气入口连接空气过滤器1的空气出口，换热器52的空气出口连接压气机2的空气入口，换热器52的工质出口连接吸收式热泵51的工质入口或者媒介水入口，换热器52的工质入口连接吸收式热泵51的工质出口或者媒介水出口，通过工质对空气的加热或者冷却，以保持进入压气机2中的空气温度基本恒定。
换热器52的工质出口通过第六三通阀66连接吸收式热泵51的工质入口或者媒介水入口。
换热器52的工质入口通过第五三通阀65连接吸收式热泵51的工质出口或者媒介水出口。
烟气换热器53的工质入口连接吸收式热泵51的工质出口72；烟气换热器53的工质出口连接吸收式热泵51的工质入口71。
烟气换热器53的工质入口与吸收式热泵51的工质出口72之间设置有第二三通阀62。
烟气换热器53的工质出口与吸收式热泵51的工质入口71之间设置有第一三通阀61。
第一三通阀61和第二三通阀62的自由端分别与吸收式热泵51的工质入口、出口连接。
其中，换热器53仅在冬季工作，其利用余热锅炉31尾部烟气加热工质作为吸收式热泵51的低温热源102，余热锅炉31尾部烟气经烟气通道降温后排出。
给水换热器54的媒介水入口连接吸收式热泵51的媒介水出口73；
给水换热器54的媒介水出口连接吸收式热泵51的媒介水入口74。
给水换热器54的媒介水入口与吸收式热泵51的媒介水出口73之间设置有第三三通阀63。
给水换热器54的媒介水出口与吸收式热泵51的媒介水入口74之间设置有第四三通阀64。
第三三通阀63和第四三通阀64的自由端分别与吸收式热泵51的媒介水出入口连接。
其中，给水换热器54仅在夏季工作，其利用吸收式热泵51中的媒介水加热余热锅炉31中的给水。
吸收式热泵51包括发生器81、冷凝器82、蒸发器83和吸收器84，发生器81上设置有低压过热蒸汽入口，低压过热蒸汽入口与余热锅炉31的低压蒸汽出口连接；发生器81上的制冷剂出口连接冷凝器82的制冷剂入口，冷凝器82的制冷剂出口连接蒸发器83的制冷剂入口，蒸发器83上设置有低温热源入口，蒸发器83的制冷剂出口连接吸收器84的制冷剂入口，吸收器84上设置有媒介水入口，吸收器84上的溴化锂稀溶液出口连接发生器81的溴化锂稀溶液入口，发生器81上的溴化锂浓溶液出口连接吸收器84上的溴化锂浓溶液入口，吸收器84上的媒介水出口连接冷凝器82上的媒介水入口。
吸收式热泵51利用不高于0.5MPa的低压过热蒸汽79加热发生器81溴化锂-水溶液工质产生制冷剂91，溴化锂-水溶液成为溴化锂浓溶液95进入吸收器84。制冷剂91经冷凝器82冷凝再节流后进入蒸发器83由低温热源102提供热量蒸发，最后进入吸收器84，稀释溴化锂浓溶液95成为溴化锂稀溶液94返回发生器81。媒介水在吸收器84和冷凝器82分别吸收热量，用于给其他过程提供热量完成循环。
在环境温度低于10℃时，吸收式热泵51的低温热源102为来自换热器53内经余热锅炉31尾部烟气加热后的工质水，其最高温度不超过70℃；在环境温度高于25℃时，吸收式热泵51的低温热源102为来自换热器52内经空气加热后的工质水，其最低温度不低于50℃。媒介水103自吸收器84进入吸收式热泵51，经吸收器84和冷凝器82吸收热量后循环出吸收式热泵51。在环境温度低于10℃时，加热后的媒介水103进入换热器52加热空气，使其温度不低于10℃；在环境温度高于25℃时，加热后的媒介水103进入换热器54加热余热锅炉给水41，可以将给水温度提升不高于10℃，同时，压气机2出口空气温度可以降至25℃以下。
在冬季，当环境温度低于10℃时，所述的燃气轮机恒温进气装置工作方式如图3所示，工质水在烟气换热器53内由余热锅炉31尾部烟气加热，作为吸收式热泵51蒸发器83的低温热源102，经冷却后回到烟气换热器53完成循环。
媒介水分别在吸收器84和冷凝器82吸收热量后进入换热器52，再加热进入换热器52的空气，以调节进入压气机2的空气温度不低于10℃，最后回到吸收器84完成循环。
在夏季，当环境温度高于25℃，所述的燃气轮机恒温进气装置工作方式如图4所示，工质水在换热器52内由进入压气机2的空气加热，这样可以调节进入压气机2的空气温度不高于25℃，加热后的工质水作为蒸发器83的低温热源102，经冷却后回到换热器52完成循环。
媒介水分别在吸收器84和冷凝器82吸收热量后进入给水换热器54加热进入余热锅炉31的给水，再循环至吸收器84完成循环。
工作流程：
空气11经空气过滤器1滤除颗粒物，进入换热器52，在环境温度低于10℃或者高于25℃时，换热器52将空气加热或者冷却至10℃-25℃之间，基本保持恒温。基本恒温的空气12进入压气机2经压缩成为高压空气13，其质量流量在任何环境温度下波动不大于±5％。压缩空气13进入燃烧室3，与合成气14在燃烧室3内混合燃烧产生高温高压排气15，推动透平4叶片旋转经轴6输出机械功，发电机5将轴6输出的机械功转化为电能。透平4排气16进入余热锅炉31加热给水41产生过热蒸汽42，过热蒸汽42再进入汽轮机32驱动叶片旋转，将过热蒸汽42的热能转化为机械能，通过联轴器34带动发电机33转子旋转，将机械能转化为电能输出。汽轮机32排出的乏汽43在凝汽器35内部凝结成为冷凝水44，再由给水泵36加压经换热器54输送至余热锅炉31完成蒸汽循环。余热锅炉排气17经换热器53进入大气。
在环境温度低于10℃时，第一三通阀61切至吸收式热泵51的工质入口71通道，第二三通阀62切至吸收式热泵51的工质出口72通道，第三三通阀63切至第五三通阀65通道，第四三通阀64切至第六三通阀66通道，第五三通阀65切至第三三通阀63通道，第六三通阀66切至第四三通阀64通道，投入吸收式热泵51，换热器52，烟气换热器53，不投入给水换热器54；在环境温度高于25℃时，第一三通阀61切至第六三通阀66通道，第二三通阀62切至第五三通阀65通道，第三三通阀63切至73通道，第四三通阀64切至74通道，第五三通阀65切至第二三通阀62通道，第六三通阀66切至第一三通阀61通道，投入吸收式热泵51，换热器52，给水换热器54，不投入烟气换热器53；当环境温度在10℃到25℃之间，则关闭全部三通阀61-66，吸收式热泵51，换热器52-54均不投入工作。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：在冬季环境温度低于10℃时，通过所述的燃气轮机恒温进气装置加热进入压气机的空气使其温度不低于10℃，可以避免由于环境温度降低引起进入压气机的空气质量流量增大，从而不必提高合成气热值以保持透平排气温度不变，同时可以避免燃烧室的低频振动过大，以及降低燃烧室及透平叶片过热风险；在夏季环境温度高于25℃时，通过所述的燃气轮机恒温进气装置回收进入压气机的空气的部分热量，降低进入压气机的空气温度至25℃以下，提高进入压气机的空气密度，从而可以增加进入压气机的空气质量流量，避免由于进入压气机的空气质量流量减少导致的夏季燃气轮机最高负荷降低的问题，同时回收的热量可以加热余热锅炉给水，提高余热锅炉低压蒸汽产量，进而可以提升汽轮机低压缸出力。