一种分布式能源环境下的燃气轮机联合循环发电系统及方法与流程

1.本发明属于分布式能源发电技术领域，具体涉及一种分布式能源环境下的燃气轮机联合循环发电系统及方法。


背景技术：

2.燃气轮机的作用在于能量转化，主要将燃料的化学能最终转化为机械能，和传统发电设备相比，燃气轮机有着轻便快捷的优势，因为它在设备上省去了不少麻烦，如冷凝器等。而在效率上目前已有40％的成就，联合型的有40至50％，完全不亚于大型设备的转化率。该设备凭借其便捷、灵活以及高效等特点被广泛地运用于各发电站。然而，这一设备并非是完美的，还有着很多的不足，如要求质量更加上乘的燃料、使用年限不长久等。
3.天然气是一种“零有害排放，少温室排放”的绿色能源。将其作为主要的发电燃料不但能减少对环境造成的污染，而且在利用效率上也具有较大的优势。因为和其他能源比较而言，天然气能够被转化得更加彻底。近几年我国天然气的开采量和消费量在能源份额中的比例逐年增加，西气东输工程也为天然气的大规模利用创造了有利条件，为我国大力发展燃机电厂提供了便利。但是，和未来对天然气的需求相比，我国天然气的供应还相差甚远，不能满足燃气发电的需求。在这种情况下，为提高天然气的利用率和提高燃气轮机联合循环的效率，需要挖掘更多的联合循环系统。


技术实现要素：

4.为了克服以上技术问题，本发明提供了一种分布式能源环境下的燃气轮机联合循环发电系统及方法，该系统可节能减排，充分利用燃气轮机的余热烟气，充分利用余热资源，减少能源的浪费。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种分布式能源环境下的燃气轮机联合循环发电系统，包括塔式太阳能发电系统100、燃气轮机发电系统200和kalina循环发电系统300三部分；
7.所述kalina循环发电系统300对燃气轮机排气进行余热回收，将热能转化为机械能，驱动第二发电机19发电，所述塔式太阳能发电系统100用于增加kalina循环发电系统300的热量，所述燃气轮机发电系统200用于接收的塔式太阳能发电系统100传递的热量进行发电；
8.所述塔式太阳能发电系统100、燃气轮机发电系统200和kalina循环发电系统300相互之间耦合。
9.所述塔式太阳能发电系统100包括镜场2，所述镜场2用于反射太阳能1至所述吸热器3，所述吸热器3的入口与熔融盐泵8的出口相连通；所述吸热器3的出口与第一回热器5的热源管道的入口相连通，所述第一回热器5的热源管道的入口经第二回热器6的热源管道与熔融盐罐7的入口相连通，熔融盐罐7的出口连接熔融盐泵8的入口；
10.所述燃气轮机发电系统200包括用于提供压缩空气的第一压缩机9，第一压缩机9
的压缩空气出口连接溴化锂制冷系统10，所述溴化锂制冷系统10用于对出第一压缩机9的压缩空气进行降温，溴化锂制冷系统10通过第二压气机11连接第二回热器6，第二回热器6对天然气和出第二压气机11的压缩空气进行预热，预热后的天然气和压缩空气在燃烧室12中进行燃烧，产生的烟气在燃气透平13中做工，驱动第一发电机14发电；
11.所述kalina循环发电系统300包括蒸发器15，所述蒸发器15利用燃气轮机的高温排气进行换热对经第三回热器20换热后的基本氨水溶液进行预热，蒸发器15换热后的基本氨水溶液为两相区的基本氨水溶液，并输出给分离器16，所述分离器16对两相区的基本氨水溶液进行分离，输出饱和富氨蒸汽和饱和贫氨溶液，所述饱和富氨蒸汽通过第一回热器5转变为过热蒸汽，过热蒸汽通过氨气透平18将热能转化为机械能，驱动第二发电机19发电；
12.所述贫氨溶液通过第三回热器20与第一混合器22相连，所述第一混合器22用于将氨气透平18输出的乏汽与降压后饱和贫氨溶液进行等压混合，输出基本氨水溶液混合工质，所述混合器22输出端连接冷凝器23，工质泵24用于为冷凝器23输出的基本氨水溶液增压后输入第三回热器20。
13.所述第三回热器20与第一混合器22之间设置有用于将高压的贫氨溶液节流降压的节流阀21。
14.一种分布式能源环境下的燃气轮机联合循环发电系统的运行方法，包括以下步骤：
15.空气送入第一压缩机9，输出压缩处理后的压缩空气；压缩空气进入溴化锂制冷系统10，吸收第一压缩机9出口压缩空气的热量，压缩空气在溴化锂制冷系统10中降温、降压；
16.降温后的压缩空气被送入第二压气机11，压缩成高压的空气；压缩空气与燃料共同被第二回热器6预热，预热后一同送入燃烧室12中混合燃烧，产生烟气；烟气在燃气透平13中膨胀做功，用于带动第一发电机14产生电能；
17.熔融盐在吸热器3中吸收太阳能，熔融盐温度升高，高温的熔融盐一部分进入第一回热器5，将热量传递给饱和的富氨蒸汽，产生过热蒸汽，提高了氨气透平18的进气温度；另一部分在第一调节阀4的作用下，控制熔融盐释放给燃料和压缩空气的热量，其中第一调节阀4开度越大，释放给压缩空气和天然气的热量越高；
18.燃气轮机的排气在蒸发器15中释放热量给基本氨水溶液，升温后的基本氨水溶液进入分离器16，分离成富氨蒸汽和贫氨溶液；富氨蒸汽经第一回热器5后，转变为过热蒸汽，在氨气透平18中膨胀做功，氨气透平18的排汽与贫氨溶液进行混合，产生基本氨水溶液，之后在冷凝器23中放热，冷凝器23出口的基本氨水溶液经工质泵加压，产生高压的基本氨水溶液，基本氨水溶液分别流经第三回热器20后送至蒸发器15，最终完成整个热力循环。
19.本发明的有益效果：
20.本发明的系统可节能减排，将塔式太阳能发电系统、燃气轮机发电系统和kalina循环发电系统进行耦合，充分利用了清洁的太阳能资源和成本低的氨水工质，采用kalina循环发电系统对燃气轮机排气进行余热回收，避免了高品质热能的浪费。另外，本发明的系统具有多元化形式，使得系统小而灵活，相比于传统的燃气蒸汽联合循环，本发明采用对压缩空气进行了降温，减小了压缩机的耗功。
21.本发明中，采用太阳能为燃气蒸汽联合循环提供稳定的能量输入，一方面节省燃料，另一方面实现了节能减排。具体的，本发明采用太阳能对饱和的富氨蒸汽进行加热，增
加了输入kalina循环发电系统的热量，提高了进入氨气透平的进气温度，益于提高蒸汽轮机的做功能力。除此外，采用熔融盐对燃烧室前的燃料和压缩空气进行预热，减小了燃烧室的热损失，降低了燃料的消耗量。
附图说明
22.图1是本发明实施例的一种新型燃气轮机联合循环发电系统的示意图。
23.图中，100、塔式太阳能发电系统；200、燃气轮机发电系统；300、kalina循环发电系统；
24.1、太阳；2、镜场；3、吸热器；4、第一调节阀；5、第一回热器、6、第二回热器、7、熔融盐罐；8、熔融盐泵
25.9、第一压缩机；10、溴化锂制冷系统；11、第二压气机；12、燃烧室；13、燃气透平；14、第一发电机
26.15、蒸发器；16、分离器；17、第二调节阀；18、氨气透平；19、第二发电机；20、第三回热器；21、节流阀；22、混合器；23、冷凝器；24、工质泵。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
28.参考图1，本发明的一种基于分布式能源环境下的燃气轮机kalina联合循环发电系统，包括三个部分：
29.第一部分为塔式太阳能发电系统100，包含：太阳能1、镜场2、吸热器3、第一调节阀4、第一回热器5、第二回热器6、熔融盐罐7、熔融盐泵8等部件组成。
30.所述镜场2用于反射太阳能1至所述吸热器3；
31.所述吸热器3的入口经所述熔融盐泵8与所述熔融盐罐7的出口相连通；所述吸热器3的出口与所述第一回热器5和所述第二回热器6的热源管道的入口相连通；
32.所述第一回热器5的热源管道的入口经所述第二回热器6的热源管道与所述熔融盐罐7的入口相连通；
33.第二部分为燃气轮机发电系统200，包含：第一压缩机9、溴化锂制冷系统10、第二压气机11、燃烧室12、燃气透平13、第一发电机14等部件。
34.所述第一压缩机9用于获取压缩空气；
35.所述溴化锂制冷系统10采用溴化锂作为制冷剂，对第一压缩机9出口的空气进行降温；
36.所述第二回热器6，用于高温的熔融盐释放热量给第二压气机11的压缩空气和天然气；
37.所述燃烧室12，用于预热后的天然气和压缩空气的混合燃烧，产生高温高压的烟气；
38.燃气透平13，用于输入所述燃烧室12输出的烟气并进行膨胀做功，以驱动第一发电机14发电。
39.第三部分为kalina循环发电系统300，包含：蒸发器15、分离器16、第二调节阀17、氨气透平18、第二发电机19、第三回热器20、节流阀21、混合器22、冷凝器23、工质泵24。
40.所述蒸发器15，用于在所述第三回热器20换热后的基本氨水溶液与燃气轮机的高温排气进行换热；蒸发器15换热后的基本氨水溶液为两相区的基本氨水溶液，用于输出给所述分离器16；
41.所述分离器16，用于输入两相区的基本氨水溶液并进行分离，输出饱和富氨蒸汽和饱和贫氨溶液；
42.所述第一回热器5，用于利用所述塔式太阳能系统的高温熔融盐释放热能给分离器16输出的饱和富氨蒸汽，将饱和的富氨蒸汽转变为过热蒸汽；
43.所述氨气透平18，用于将所述第一回热器5加热后的过热蒸汽的热能转化为机械能，以驱动第二发电机19发电；
44.所述第二发电机19，用于将机械能转化为电能；
45.所述节流阀21，用于将高压的贫氨溶液节流降压；
46.所述第一混合器22，用于将氨气透平18输出的乏汽与降压后饱和贫氨溶液进行等压混合，输出基本氨水溶液混合工质；
47.所述冷凝器23，用于将所述混合器22输出的基本氨水溶液混合工质凝结成过冷的基本氨水溶液；
48.所述工质泵24，用于基本氨水溶液增压；
49.所述第三回热器20中，饱和贫氨溶液用于加热过冷的基本氨水溶液，使其温度升高。
50.本发明的进一步改进在于，所述溴化锂吸收制冷系统10为压缩空气进行降温，充分利用空气的热胀冷缩原理，减小了压缩机的耗功，对压缩空气进行二次压缩，提高了压缩空气进入燃烧室的压力，使得燃气透平13进口的烟气具有更高的压力，提高了透平的膨胀做功；
51.本发明的进一步改进在于，对天然气和第二压气机11出口的压缩空气一同输入到第二回热器6中，使得高温的熔融盐对其释放热量，减小了燃烧室的热损失，并充分利用太阳能，降低了对天然气燃料的消耗，益于节能减排；
52.本发明的进一步改进在于，对于燃气轮机的高温排气，采用kalina循环作为底循环，充分利用烟气余热，kalina循环以氨水作为工质，且重复利用，成本低等优点；
53.本发明的进一步改进在于，采用塔式太阳能系统100中的高温熔融盐对分离器16出口的富氨蒸汽进行加热，提高了氨气透平18的进口温度，使得氨气透平18的做功能力增大；
54.本发明的进一步改进在于，对氨气透平18进行了中间级补汽，通过调整第二调节阀的阀门空度，控制补汽阀的进汽流量，用于调整氨气透平18的做功能力。
55.本发明实施例的一种分布式能源环境下的燃气轮机联合循环发电系统，包括三个部分，分别是塔式太阳能发电系统100、燃气轮机发电系统200、kalina循环发电系统300等组成。
56.所述的塔式太阳能发电系统100，白天产生的太阳能通过镜场2的反射作用，在吸热器3中熔融盐吸收热能，熔融盐在吸热器中温度升高，高温的熔融盐一部分进入第一回热器5，在回热器中释放热量给富氨蒸汽，使其转变为过热蒸汽。塔式太阳能发电系统100采用旁路控制的方式，一部分高温的熔融盐通过第一调节阀4进入第二回热器6中，通过控制第
一调节阀4的阀门开度，控制熔融盐在第二回热器6中的放热量，当第一调节阀4开度增大时，意味着在第二回热器6中的放热量增大，从而达到控制压缩空气和天然气燃料的加热程度。
57.所述的燃气轮机发电系统200，空气首先被送入第一压缩机9，压缩机消耗功率，将常温常压的空气压缩成高压的空气；进一步地，为了将高压的空气实现进一步压缩，对高压的空气进行降温，因此，高压的空气被送入溴化锂制冷系统10，在溴化锂制冷系统10中高压的压缩空气降温，由于空气的热胀冷缩，压缩空气的温度压力均降低；进一步地，降温降压后的压缩空气被送入第二压缩机11，压缩空气的压力再次升高，压力再次升高的压缩空气与燃料被送入第二回热器6，被来自第三部分的塔式太阳能系统中高温的熔融盐加热，对压缩空气和燃料进行预热，减小了燃烧室12内部的热损失，燃烧室12中产生的高温高压烟气首先被送入燃气透平13，燃气透平中将高温高压烟气的热能转变为机械能，在第一发电机14中将机械能转变为电能。
58.所述的kalina循环发电系统300，采用多级回热的方式，在kalina循环发电系统300主要包括蒸发器15、分离器16、第二调节阀17、氨气透平18、第二发电机19、第三回热器20、节流阀21、混合器22、冷凝器23、工质泵24等几个部分；其中，燃气轮机发电系统200中燃气透平13的排气被送入蒸发器中释放热量给基本氨水溶液，基本氨水溶液进入第一蒸发器中，吸收烟气余热，从过冷区进去两相区，升温后的氨水溶液进入分离器中分离，分别分离出饱和的富氨蒸汽和贫氨溶液；饱和的富氨蒸汽进入第一回热器5中，高温的熔融盐释放热能给饱和的富氨蒸汽，使其温度再次升高，转变为过热蒸汽，过热蒸汽进入氨气透平18中膨胀做功，氨气透平采用中间级进汽的方式，通过控制第二调节阀17的开度，调节进入氨气透平的补汽流量，氨气透平18与第二发电机19采用同轴布置，高速旋转的转子带动发电机进行发电，在氨气透平18中完成膨胀做功的富氨蒸汽进入混合器22中。
59.分离器16下端出口的饱和贫氨溶液在第三回热器20中释放一部分热能；降温后的贫氨溶液在节流阀21的作用下，实现节流降压，降压至氨气透平的背压一致；与富氨蒸汽在混合器22中等压混合，产生基本氨水溶液；混合后的基本氨水溶液进入冷凝器中被冷却水冷凝成过冷液体；在工质泵24的作用下，升高压力，基本氨水溶液被送至第三回热器20中吸收高温的贫氨溶液的热能，完成整个高温kalina的热力循环。
60.综上所述，本发明公开了一种分布式能源环境下的燃气轮机联合循环发电系统，包含了塔式太阳能发电系统、燃气轮机发电系统、kalina循环发电系统等部分构成，利用太阳能发电系统对燃烧室前的燃料、压缩空气和氨气透平前的富氨蒸汽进行加热，减少了对天然气燃料的消耗，分利用了清洁的太阳能资源和成本低的氨水工质。除此外，采用kalina循环发电系统对燃气轮机排气进行余热回收，避免了高品质热能的浪费。另外，本发明的系统具有多元化形式，使得系统小而灵活。