一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统

本发明涉及湿空气透平系统领域，尤其是涉及一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统。

背景技术：

1、进入21世纪，电力需求的稳步增长促使全球加快构建清洁低碳安全高效能源体系。开发可持续发展的新能源，增加能源生产，提高传统能源的转化利用效率，降低污染排放是一项长期而艰巨的任务。构建更加清洁高效灵活的电力、蒸汽、热力生产系统，是我国的重大需求。

2、针对我国的能源消费结构，燃气轮机联合循环是目前大型燃气轮机发电的主要循环形式。一方面随着对运行灵活性、部分负荷性能、季节(环境温度)影响小的要求提高，燃气轮机联合循环的受限于其复杂配置及启动时间。另一方面，进一步提高效率需要提升材料水平，使用先进复合冷却技术，攻关难度大且周期长。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。湿空气透平循环(humid airturbine，hat循环)具有效率高、比功大、单位投资成本低、燃烧室氮氧化物排放低、输出功率受环境条件影响小以及与联合循环相比变工况性能更出色等优点。

3、如中国专利cn202310828696.6公开了一种燃气轮机回热循环改为湿化循环的方法，压气机吸入空气，增压后排出送入后冷器，空气与冷水换热，空气被冷却；在后冷器与湿化器间空气管路上设置放空路，根据湿化循环工况不同，调节空气放空量，维持压气机出口压力基本不变；湿化器中空气与热水逆流接触；来自湿化器的湿空气在回热器中与燃气轮机排烟换热后进入燃烧室；天然气与湿空气混合燃烧后进入透平做功，透平带动压气机和发电机转动，发电机产生电能；透平排烟经回热器、省煤器，分别与湿空气、水换热回收余热后排入大气。

4、但现有技术中通过添加湿化器，利用空气与热水逆流接触进行空气的湿化和加热，切湿化器仅具有湿化加热的功能，不具备空气导向功能，湿化器和加热部件结构复杂，且占据较大的体积。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在不增加结构复杂、体积庞大的饱和器和热部件的前提下，通过加湿工质的方式提高工质质量流量和比热，在有限体积下有效增加循环效率的带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，所述系统包括依次循环连接的：

4、第一压气机，用于获取系统外部的工质，并对工质进行加压加热；

5、第一冷却加湿导向叶片级，用于对第一压气机出口的工质进行扩压、冷却和加湿，增加工质流量；

6、第二压气机，用于对第一冷却加湿导向叶片级输出的工质进一步加压；

7、第二冷却加湿导向叶片级，用于对第二压气机出口的工质进一步加湿，进一步增加工质流量；

8、燃烧室，用于燃烧燃料，通过燃料燃烧释放的热量提高工质的温度；

9、涡轮，用于将工质的能量转化为涡轮的机械功，并驱动发动机发电；

10、循环水泵，用于为第一冷却加湿导向叶片级和第二冷却加湿导向叶片级提供水源。

11、优选地，所述系统还包括烟气水加热组件，所述烟气水加热组件用于回收涡轮排出气体中部分热量，并将回收的热量用于循环水泵输出水的加热。

12、优选地，所述烟气水加热组件为紧凑式换热器。

13、优选地，所述第一冷却加湿导向叶片级和第二冷却加湿导向叶片级均为亲水改性叶片结构，所述亲水改性叶片结构包括相互连接的叶片和固定壳体，所述叶片连接循环水泵，所述叶片的表面具有亲水性，用于维持叶片表面为湿润状态，对工质进行冷却和加湿。

14、优选地，所述叶片为空心结构，所述叶片的内部设有渗水孔，所述叶片的外部设有多孔亲水层，所述渗水孔的一端连接循环水泵，另一端连接多孔亲水层，用于维持多孔亲水层的表面湿润。

15、优选地，所述多孔亲水层与叶片的外轮廓相配合，所述多孔亲水层套设固定在叶片的外侧。

16、优选地，所述多孔亲水层焊接固定在叶片的外侧。

17、优选地，所述叶片的叶型具有导向和增压功能，用于整理第一压气机输出工质的流动状态并对工质进行增压。

18、优选地，所述第一冷却加湿导向叶片级包括多级亲水改性叶片结构，各级亲水改性叶片结构收尾依次连接。

19、优选地，所述第二冷却加湿导向叶片级包括多级亲水改性叶片结构，各级亲水改性叶片结构收尾依次连接。

20、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

21、(1)本方案通过第一冷却加湿导向叶片级和第二冷却加湿导向叶片级对通过第一压气机和第二压气机加热加压的气体进行导向、扩压、扩压和加湿，通过加湿工质实现hat循环提高了循环效率。通过多次对工质进行加湿、间冷和增大流量，相比于传统的加湿器加湿的方式，本方案中工质的比热更大、温度更低，降低了对涡轮材料的要求，降低了燃烧温度，节约资源，降低了成本和燃烧条件，同时降低了氮氧化物的排放量，环境友好，更好的保护了环境。

22、(2)本方案中燃烧室内部高温高压空气的相对湿度大，燃料燃烧产生的污染物排放低，且燃料的燃烧效率高。涡轮内部的高温高压工质具有较高的相对湿度，而且工质流量较压气机内空气流量更大，能输出更多功率。

23、(3)本方案通过设置烟气水加热组件，对系统产生的尾气中的热量进行部分回收，用回收的热量对循环水泵输出的水进行加热，加热后的水分别输送至第一冷却加湿导向叶片级和第二冷却加湿导向叶片级，完成能源的回收利用，提高能源的利用率，降低了成本，经济性更高。且烟气水加热组件为紧凑式高效换热器，可以回收排气中部分余热，并加热补水，提升了发电系统的效率。

24、(4)本方案中第一冷却加湿导向叶片级和第二冷却加湿导向叶片级体积小，与压气机、涡轮同轴易于安装，便于应用于舰船等对缩小动力系统体积有需求的场合，能够在不增设过多组件的前提下，有效提高了循环效率和循环比功。

技术特征：

1.一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述系统包括依次循环连接的：

2.根据权利要求1所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述系统还包括烟气水加热组件(7)，所述烟气水加热组件(7)用于回收涡轮(6)排出气体中部分热量，并将回收的热量用于循环水泵(8)输出水的加热。

3.根据权利要求2所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述烟气水加热组件(7)为紧凑式换热器。

4.根据权利要求1所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述第一冷却加湿导向叶片级(2)和第二冷却加湿导向叶片级(4)均为亲水改性叶片结构(9)，所述亲水改性叶片结构包括相互连接的叶片(91)和固定壳体(92)，所述叶片(91)连接循环水泵(8)，所述叶片(91)的表面具有亲水性，用于维持叶片(91)表面为湿润状态，对工质进行冷却和加湿。

5.根据权利要求4所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述叶片(91)为空心结构，所述叶片(91)的内部设有渗水孔，所述叶片(91)的外部设有多孔亲水层，所述渗水孔的一端连接循环水泵(8)，另一端连接多孔亲水层，用于维持多孔亲水层的表面湿润。

6.根据权利要求5所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述多孔亲水层与叶片(91)的外轮廓相配合，所述多孔亲水层套设固定在叶片(91)的外侧。

7.根据权利要求6所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述多孔亲水层焊接固定在叶片(91)的外侧。

8.根据权利要求4所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述叶片(91)的叶型具有导向和增压功能，用于整理第一压气机(1)输出工质的流动状态并对工质进行增压。

9.根据权利要求4所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述第一冷却加湿导向叶片级(2)包括多级亲水改性叶片结构(9)，各级亲水改性叶片结构(9)收尾依次连接。

10.根据权利要求4所述的一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，其特征在于，所述第二冷却加湿导向叶片级(4)包括多级亲水改性叶片结构(9)，各级亲水改性叶片结构(9)收尾依次连接。

技术总结
本发明涉及一种带冷却加湿级的湿空气燃气轮机循环发电系统，所述系统包括依次循环连接的：第一压气机，用于获取系统外部的工质，并对工质进行加压加热；第一冷却加湿导向叶片级，用于对第一压气机出口的工质进行扩压、冷却和加湿；第二压气机，用于对第一冷却加湿导向叶片级输出的工质进一步加压；第二冷却加湿导向叶片级，用于对第二压气机出口的工质进一步加湿；燃烧室，用于燃烧燃料，通过燃料燃烧释放的热量提高工质的温度；涡轮，用于将工质的能量转化为涡轮的机械功，并驱动发动机发电；循环水泵，用于为第一冷却加湿导向叶片级和第二冷却加湿导向叶片级提供水源。与现有技术相比，本发明具有循环效率高、环境友好等优点。

技术研发人员：王玉璋,王躍衡,张鲲羽,刘竹柠,程侃如,杨超然
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17