阅读说明：本技术 一种提升燃气轮机联合循环经济性的余热利用系统 (A kind of afterheat utilizing system promoting Gas Turbine Combined-cycle economy ) 是由 韩朝兵 戴坤鹏 张世东 黄素华 王健 黄伟栋 荆迪 郭赉佳 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种提升燃气轮机联合循环经济性的余热利用系统,它包括一立式管式空气预热器,以提高所述进口空气的温度；以及一设置在余热锅炉与所述立式管式空气预热器之间的主路烟道,所述主路烟道包括一进气烟道和一排气烟道,所述进气烟道设置在余热锅炉的低温省煤器烟气侧进口烟道与所述立式管式空气预热器进口之间将所述余热锅炉的烟气余热传递给所述立式管式空气预热器,所述排气烟道设置在所述立式管式空气预热器出口与所述余热锅炉低温省煤器烟气侧出口烟道之间将所述立式管式空气预热器换热后的烟气传送给所述余热锅炉。本发明采用从所述余热锅炉低温省煤器进口烟气侧抽出的部分低品位烟气来加热压气机进口空气,实现余热梯级利用,可进一步降低余热锅炉排烟温度,提高余热锅炉效率,提升联合循环机组的运行经济性。(The present invention provides a kind of afterheat utilizing system for promoting Gas Turbine Combined-cycle economy, it includes a vertical tubular air preheater, to improve the temperature of the inlet air；And one be arranged in main road flue between waste heat boiler and the vertical tubular air preheater, the main road flue includes an inlet air stack and an exhaust uptake, the inlet air stack, which is arranged between the low-level (stack-gas) economizer fume side inlet flue duct of waste heat boiler and the vertical tubular air preheater import, passes to the vertical tubular air preheater for the fume afterheat of the waste heat boiler, the exhaust uptake, which is arranged between the vertical tubular air preheater outlet and the waste heat boiler low-level (stack-gas) economizer fume side exhaust pass, sends the flue gas after vertical tubular air preheater heat exchange to the waste heat boiler.The present invention heats compressor inlet air using the part low-grade flue gas extracted out from the waste heat boiler low-level (stack-gas) economizer import fume side, realize exhaust heat stepped utilization, waste heat boiler exhaust gas temperature can be further decreased, waste heat boiler efficiency is improved, promotes the performance driving economy of combined cycle unit.)

一种提升燃气轮机联合循环经济性的余热利用系统

技术领域

本发明涉及燃气轮机联合循环机组性能优化，具体地，涉及一种采用烟气余热利用技术提升燃气轮机联合循环机组运行经济性的系统。

背景技术

燃气轮机联合循环机组不仅可以作为调峰机组也具备带动基本负荷的能力，特别是对于燃气轮机热电联产机组，其运行方式为“以热定电”，发电负荷相对于调峰机组较为稳定。而随着电力机组装机容量的不断增大，燃气机组很难保持在额定负荷下运行，在部分负荷下由于其热耗率较高，机组运行经济性较差，特别是在目前调峰辅助服务政策背景下，燃气电厂面临着进一步压降机组发电负荷的压力，使得机组经济性进一步降低。而且，对于已经投产时间较长的燃气轮机联合循环机组，由于余热锅炉换热器管壁不可避免存在结垢现象，导致排烟温度上升，余热锅炉效率下降，联合循环机组运行经济性变差。因此，如何提高燃气轮机联合循环机组在部分负荷下的运行性能是亟待解决的问题。

燃气轮机中压气机设备是旋转定容积的空气压缩装置，其运行性能受环境条件影响较大。当环境温度上升时，空气密度随之下降，导致进入压气机的空气质量流量减少。通常压气机进口装有可转导叶，通过调节进口可转导叶角度(inlet guide vanes,IGV)来改变空气流量，以提高燃气轮机联合循环机组在部分负荷下的经济性。当保持燃气轮机发电负荷不变时，随着环境温度的逐渐上升，压气机出口空气温度逐渐上升，压气机进口可转导叶角度将逐渐增大，压气机进口节流损失减小，燃气轮机运行负荷率将逐渐上升，燃机热耗率将随之下降。

实用新型专利“燃气轮机压气机进气温度调节装置”(专利号ZL200520033435.2)、“用于燃气轮机进气系统压气机入口的空气加热机构(专利号ZL201721358582.6)”存在下述问题：

(1)在冬季环境温度较低时，燃气轮机运行过程中，通过调节水量来调节进气加热器后的温度时，如果水量不够；或者当进气加热器的进水切断后，进气加热器内的存水会冻裂进气加热器，使加热器管子损坏。进一步管子损坏可能使得存水带入压气机，将危害燃气轮机的安全运行。

(2)对于已经投产的燃气轮机联合循环机组，余热锅炉排烟温度受换热器管壁结垢等因素影响，使得排烟温度上升，余热锅炉传热性能下降。现有技术未提出有效的方法来进一步降低排烟温度，使得联合循环机组经济性提升效果不明显。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一套烟气余热利用系统，利用余热锅炉排烟余热来加热压气机进口空气温度，提升燃气轮机的负荷率，进一步降低余热锅炉排烟温度，提升联合循环机组部分负荷下的运行经济性。

为了实现上述目的，本发明提供一种提升燃气轮机联合循环经济性的余热利用系统，用来提升燃气轮机联合循环机组部分负荷性能，它包括:

一立式管式空气预热器，所述立式管式空气预热器设置在燃气轮机压气机进口，用于给所述燃气轮机压气机进口的进口空气换热，以提高所述进口空气的温度；以及

一设置在余热锅炉与所述立式管式空气预热器之间的主路烟道，所述主路烟道包括一进气烟道和一排气烟道，所述进气烟道设置在余热锅炉的低温省煤器烟气侧进口烟道与所述立式管式空气预热器进口之间将所述余热锅炉的烟气余热传递给所述立式管式空气预热器，所述排气烟道设置在所述立式管式空气预热器出口与所述余热锅炉低温省煤器烟气侧出口烟道之间将所述立式管式空气预热器换热后的烟气传送给所述余热锅炉。

进一步，所述还包括一旁路烟道，所述旁路烟道设置在所述进气烟道和所述排气烟道之间以便烟气进入进气烟道不经过所述立式管式空气预热器直接进入所述排气烟道而从所述低温省煤器烟气侧出口烟道排出。

进一步，在所述进气烟道设置有一进气控制阀，所述进气控制阀用来调节从所述进气烟道进入所述立式管式空气预热器的烟气量。

再进一步，所述进气控制阀在逐渐关闭所述进气烟道时会同时逐渐打开所述旁路烟道。

进一步，在所述排气烟道设置有一排气控制阀，所述排气控制阀用来调节从所述旁路烟道进入所述排气烟道的烟气量。

再进一步，所述排气控制阀在逐渐关闭所述排气烟道时会同时逐渐打开所述旁路烟道。

进一步，所述旁路烟道的一端设置在所述进气控制阀与所述余热锅炉的低温省煤器烟气侧进口烟道之间，另一端设置在所述排气控制阀与所述余热锅炉低温省煤器烟气侧出口烟道之间以便所述进气控制阀和所述排气控制阀调节从所述进气烟道进入所述排气烟道的烟气量。

进一步，所述进气控制阀采用一进气烟道挡板，所述进气烟道挡板用于调节热烟气进入所述立式管式空气预热器和所述旁路烟道中的烟气比例，其在打开所述主路烟道时则关闭所述旁路烟道。

进一步，所述排气控制阀采用一出气烟道挡板，所述出气烟道挡板在打开所述主路烟道时则关闭所述旁路烟道。

进一步，在所述主路烟道内设置一引风机，用来控制烟道内的烟气流量。

进一步，在所述进气烟道上设有第一压力测量装置和第一温度测量装置。

再进一步，所述第一压力测量装置位于第一温度测量装置之前。

进一步，在所述排气烟道上设有第二压力测量装置和第二温度测量装置。

再进一步，所述第二压力测量装置位于第二温度测量装置之前。

进一步，在所述燃气轮机压气机进口通道内设置有第三压力测量装置和第三温度测量装置用于检测换热后的空气的压力和温度。

再进一步，所述第三压力测量装置位于第三温度测量装置之前。

进一步，还包括第一流量测量装置，它位于主路烟道内的所述出气烟道挡板与所述引风机之间。

进一步，还包括一运行控制器，它与所述进气烟道挡板、所述出气烟道挡板、所述引风机和所述燃气轮机的控制系统相连接，所述运行控制器采用如下工作方式：

(1)当需要投入该系统时，全关烟道挡板，所述引风机在工频方式下启动，使得从所述余热锅炉低温省煤器烟气侧进口抽出的热烟气全部从所述旁路烟道流过以便建立烟气回路；

(2)保持所述引风机为工频方式运行，逐渐开启所述烟道挡板直至全开，使得热烟气缓慢流过所述立式管式空气预热器，在该过程中，燃气轮机控制系统将在保持负荷稳定的基础上，逐渐开大IGV角度；

(3)全开所述烟道挡板，同时所述旁路烟道关闭，热烟气全部从所述立式管式空气预热器流过，此时将所述引风机从工频方式切至变频方式，通过调节热烟气流量来使得加热后的空气温度维持在设定值不变。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用所述余热锅炉低温省煤器进口烟气侧的部分旁路烟气来加热压气机进口空气，而不采用汽水工质作为热源介质，可避免冬季温度较低时因管式空气预热器内有存水导致换热器设备损坏而带来的燃气轮机运行安全性问题。

(2)采用从所述余热锅炉低温省煤器进口烟气侧抽出的部分低品位烟气来加热压气机进口空气，实现余热梯级利用，可进一步降低余热锅炉排烟温度，提高余热锅炉效率，提升联合循环机组的运行经济性。

(3)进一步，设置了旁路烟道和烟道的所述进气控制阀和/或排气控制阀，提高了投/切烟气余热利用系统的灵活性，通过设置变频引风机，调节频率实现对加热后的空气温度的精确控制，提高了控制的灵活性。

附图说明

图1为本发明的本发明提供一种提升燃气轮机联合循环经济性的余热利用系统的结构示意图。

标号说明：

余热锅炉100

低温省煤器101

燃气轮机200

压气机201

进气过滤器202

立式管式空气预热器1

主路烟道2

旁路烟道3

进气烟道21

排气烟道22

进气烟道挡板31

出气烟道挡板32

引风机4

第一压力测量装置51

第一温度测量装置52

第二压力测量装置61

第二温度测量装置62

第三压力测量装置71

第三温度测量装置72

第一流量测量装置81

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本文中可能仅为了读者的方便而使用某些用语，并且这些用语不被认为是对本发明的范围的限制。例如，“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“水平”、“垂直”、“上游”、“下游”、“前”、“后”等的措辞仅描述显示在附图中的构造。当然，本发明的一个实施例的一个或多个元件可以以任何方向定向，并且因而除非另外特别声明，否则用语应当理解为包括这些变体。

参见附图1，本发明提供的一种提升燃气轮机联合循环经济性的余热利用系统包括立式管式空气预热器1、主路烟道2和旁路烟道3。立式管式空气预热器1设置在燃气轮机200的压气机201的进口，用于给燃气轮机压气机201 进口的进口空气换热以提高该进口空气的温度。主路烟道2设置在余热锅炉 100与立式管式空气预热器1之间，主路烟道2包括进气烟道21和排气烟道 22，进气烟道21设置在余热锅炉100的低温省煤器101的烟气侧进口烟道与立式管式空气预热器1进口之间，将所述余热锅炉100的烟气余热传递给立式管式空气预热器1；排气烟道22设置在立式管式空气预热器1的出口与余热锅炉100的低温省煤器101的烟气侧出口烟道之间，将进入立式管式空气预热器1换热后的烟气传送给余热锅炉100。旁路烟道2设置在进气烟道21 和所述排气烟道22之间以便烟气进入进气烟道21不经过立式管式空气预热器1直接进入排气烟道22而从低温省煤器201烟气侧出口烟道排出。

进一步，在进气烟道21设置有一进气控制阀，所述进气控制阀用来调节从所述进气烟道进入所述立式管式空气预热器的烟气量。该进气控制阀在逐渐关闭进气烟道21时会同时逐渐打开旁路烟道3。在本实施例中进气控制阀采用进气烟道挡板31。所述进气烟道挡板31用于调节热烟气进入立式管式空气预热器1和旁路烟道3中的烟气比例。其中，它在打开主路烟道2时则关闭所述旁路烟道3。

进一步，在排气烟道22设置有一排气控制阀，所述排气控制阀用来调节从旁路烟道3进入排气烟道22的烟气量。所述排气控制阀在逐渐关闭排气烟道时会同时逐渐打开旁路烟道3。在本实施例中排气控制阀采用出气烟道挡板32。出气烟道挡板32可进一步控制进入排气烟道22的烟气比例。在打开所述旁路烟道3时则关闭主路烟道2的排气烟道22。

旁路烟道3的一端设置在进气烟道挡板31与余热锅炉100的低温省煤器101的烟气侧进口烟道之间，另一端设置在出气烟道挡板32与余热锅炉100 的低温省煤器101的烟气侧出口烟道之间，以便进气烟道挡板31和出气烟道挡板32能够调节从进气烟道21进入排气烟道22的烟气量。

在所述主路烟道内设置一引风机4，用来控制主路烟道2内的烟气流量。在该实施例中，引风机4设置在主路烟道2的排气烟道22内。引风机可在工频或变频方式下运行。

另外，在进气烟道21上设有第一压力测量装置51和第一温度测量装置 52。第一压力测量装置51位于第一温度测量装置52之前。在排气烟道22 上设有第二压力测量装置61和第二温度测量装置62。第二压力测量装置61 位于第二温度测量装置62之前。

在燃气轮机200的压气机201的进口通道内设置有第三压力测量装置71 和第三温度测量装置72用于检测换热后的进口空气的压力和温度。第三压力测量装置71位于第三温度测量装置72之前。

第一流量测量装置81，位于主路烟道2内，在出气烟道挡板32与引风机 4之间，用来测量排气烟道22的烟气流量。

从图中可以看出，本发明的进气烟道挡板31和出气烟道挡板32设计比较巧妙，通过打开的比例度可以方便地实现可进一步控制进入排气烟道22的烟气比例，结构简单又实用。

在本发明的一种提升燃气轮机联合循环经济性的余热利用系统还可包括一运行控制器，以便进一步提高本发明的一种提升燃气轮机联合循环经济性的余热利用系统的余热利用效率。该运行控制器与进气烟道挡板31、出气烟道挡板32、引风机4、燃气轮机200的控制系统(图中未示意出)相连接，它采用如下工作方式：

(1)当需要投入该系统时，全关进气烟道挡板31和出气烟道挡板32，引风机4在工频方式下启动，使得余热锅炉低温省煤器101的烟气侧进口抽出的热烟气全部从旁路烟道3流过以便建立一烟气回路；

(2)保持引风机4为工频方式运行，逐渐开启进气烟道挡板31和出气烟道挡板32，使得热烟气缓慢流过立式管式空气预热器1，在该过程中，燃气轮机200的控制系统将在保持负荷稳定的基础上，逐渐开大IGV角度；

(3)全开进气烟道挡板31和出气烟道挡板32，同时旁路烟道3关闭，热烟气全部从立式管式空气预热器1流过，此时将引风机4从工频方式切至变频方式，通过调节热烟气流量来使得加热后的空气温度维持在设定值不变。

再参见图1，管式空气预热器1的烟气侧进口通过上管板与主路烟道2 的进气烟道21相连，烟道中的烟气从余热锅炉100的低温省煤器101的进口烟气侧抽出，作为换热器的热源流体。立式管式空气预热器1的烟气侧出口通过下管板与主路烟道的排气烟道22相连，换热后的烟气汇流到余热锅炉 100的低温省煤器101的烟气侧出口，与排烟一同排入烟囱。

在一个实施例中，当需要投入本发明的烟气余热利用系统时，首先全关上述烟道挡板，引风机在工频方式下启动，热烟气全部通过旁路烟道3构成循环回路。当烟气回路建立完成后，逐渐开启上述烟道挡板，使得热烟气逐步流过立式管式空气预热器1，直至烟道挡板全开为止，此时热烟气全部通过立式管式空气预热器1。此时，可将引风机4运行方式从工频切至变频，通过调节频率来改变从余热锅炉100中抽出的热烟气流量，实现对加热后空气温度的精准控制。

从余热锅炉100的低温省煤器101的进口烟气侧抽出的部分烟气经过第一压力测量装置51和第一温度测量装置52，分别测出从余热锅炉100中抽出的热烟气的压力和温度，热烟气通过立式管式空气预热器1将热量传热给空气后，通过主路烟道2进入引风机4进行升压，在引风机之前设置有第二压力测量装置61、第二温度测量装置62和第一流量测量装置81，用于测量换热后的烟气的温度、压力和流量。通过第一压力测量装置51和第二压力测量装置61，可以测得出热烟气在立式管式空气预热器中的压降，通过第一温度测量装置52和第二温度测量装置62，可以得出热烟气在立式管式空气预热器中的温降。

另外，压气机201进口进气过滤器202之前、立式管式空气预热器1之后安装有第三压力测量装置71和第三温度量装置72。通过将大气压力与压力测量装置71测量值进行比较，可以得知进口空气在流过立式管式空气预热器1时的压降，通过第三温度量装置72测量的温度与环境温度进行比较，可以得知进口空气的温升情况，以实现对本发明的烟气余热利用系统换热性能的实时监测。

在一个实施例中，采用Apros软件建立了某PG9351FA型燃气轮机联合循环机组仿真系统，该9F级燃气轮机进行了先进热通道(advanced gas path,AGP)升级改造。在春或秋季和冬季工况下以及燃气轮机不同负荷下，计算投/切烟气余热利用系统后联合循环机组经济性的变化情况。

实验一

春或秋季工况，环境参数为：环境温度15.6℃，大气压力101.58kPa，相对湿度为82％。分别在燃气轮机负荷为240MW和220MW下，计算投/切烟气余热利用系统前后联合循环机组的经济性对比，结果如表1所示。

表1春或秋季投/切烟气余热利用系统联合循环机组性能对比

实验二

冬季工况，环境参数为：环境温度3.6℃，大气压力102.59kPa，相对湿度为78％。分别在燃气轮机负荷为240MW和220MW下，计算投/切烟气余热利用系统前后联合循环机组的经济性对比，结果如表2所示。

表2冬季投/切烟气余热利用系统联合循环机组性能对比

从上述表1、2可以看出，本发明的烟气余热利用系统后，压气机201 进口空气温度可上升4.3～5.8℃，余热锅炉100排烟温度下降3.8～5.8℃，余热锅炉100效率可上升约1％，燃机热耗率下降34.2～85.8kJ/(kW·h)，联合循环热耗率可下降33.9～70.9kJ/(kW·h)，折合成发电煤耗率为1.16～2.42 g/(kW·h)。虽然投入该烟气余热利用系统会增加厂用电率，但从计算分析来看，其对厂用电率的影响仅使得厂用电率增加约0.10％。从综合效果来看，采用本发明的烟气余热利用系统，能够很好地提升燃气轮机联合循环机组在部分负荷的运行经济性，所以本发明具有实质性的特点的显著的技术进步。

最后所要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。