一种燃气轮机的废气循环利用系统及其作业方法
【专利摘要】本发明提供一种燃气轮机的废气循环利用系统及其作业方法，由于在压气机的吸气口和涡轮机的排气口之间设有反馈管道，反馈管道上设有流量调节阀，这样可以通过反馈管道将涡轮机排气口排出的热气体回收到压气机中并与压气机从环境吸入的空气混合在一起再利用，从而提高了压气机的气体温度，减少了燃烧室所需的燃料，从而提高了部分负荷下燃气轮机的整机效率；而且，控制装置可以根据第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器的检测信号来控制流量调节阀的大小，从而能够根据燃气轮机的实际工况及环境空气的状态对燃气轮机压气机的进气温度智能化地调节，从而提高整机效率。
【专利说明】
一种燃气轮机的废气循环利用系统及其作业方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种燃气轮机的废气循环利用系统及其作业方法。
【背景技术】
[0002]燃气轮机可以在峰值负荷下运行，也可以在基本负荷下运行。燃气轮机具有吸入流体并且压缩流体的压气机、燃烧燃料以及加热流体的燃烧室以及利用经加热的流体膨胀做功的涡轮机(涡轮机也可以称为透平)。同一环境条件下，当燃气轮机在非峰值负荷下运行时，燃气轮机的效率较低，且燃气轮机效率随着负荷的降低而降低。
[0003]另一方面，燃气轮机电厂运行性能不可避免地会受到环境温度的影响而发生变化，秋冬季节随环境温度的降低，空气的密度增大，而比容降低，压气机吸入的空气量随之增大，这使得燃气轮机的发电功率随环境温度的降低而升高。因此，随着环境温度的降低，燃气轮机的基本负荷升高，反之随着环境温度的升高，燃气轮机的基本负荷降低。
[0004]秋冬季是用电低谷，电网的用电需求低，往往燃气轮机电厂迫不得已在部分负荷的工况(即部分负荷工况)下运行。此时，环境温度较低，如果加热进入压气机的空气，就会降低燃气轮机的理论基本负荷，相应地燃气轮机的负荷率就会上升，保持透平排气温度不变，那么同样的负荷要求下，所需的燃料输入热量减少，燃料消耗量降低，整机效率升高，实现在燃气轮机出力不变满足电网供电需求的基础上，提高燃气轮机整机效率的特殊运行模式。
[0005]提高加热燃气轮机进口空气温度最常见的方法是间接加热，一般采用压气机出口抽取的热空气，或电厂其他热源如蒸汽或者热水/乙二醇混合物的加热线圈加热空气过滤器上游的环境空气，或采用燃气轮机入口空气过滤器上或邻近部件设置电阻加热元件。另一种是采用压气机出口抽取热空气的方式，空气经压气机压缩到高温高压，再循环到压气机入口。电阻加热元件采用高位能源进行电加热，相当于燃气轮机发电后部分用来加热进气，这实际上相当于降低了燃气轮机的发电效率。以上两种，都相当于从燃气轮机的产出中拿出部分能源进行进气加热，并不能真正意义上提高燃气轮机部分负荷下的性能。而电厂其他热源如蒸汽或者热水/乙二醇混合物加热的方式，适用于拥有辅助热源的大型电厂，对于配置较简单的单燃机电厂或者电站，不一定具备这些辅助热源。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种燃气轮机的废气循环利用系统及其作业方法，能够提高部分负荷工况下的燃气轮机负荷率，从而提高燃气轮机的整机效率。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种燃气轮机的废气循环利用系统，包括压气机、燃烧室和涡轮机;所述压气机的吸气口与环境空气连通，压气机的压气口与燃烧室的入口连接，燃烧室的出口与涡轮机的进气口连接，涡轮机上还设有排气口 ；所述涡轮机的排气口与压气机的吸气口之间连接有反馈管道，反馈管道上设有流量调节阀；所述流量调节阀与控制装置连接;还包括与涡轮机的排气口连接的第一温度传感器和第一压力传感器，以及用于检测环境空气温度的第二温度传感器、用于检测环境空气压力的第二压力传感器;所述第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器均与控制装置连接。
[0008]优选地，所述涡轮机的尾部设有扩散段，所述排气口设于扩散段。
[0009]优选地，如权利要求1所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:所述压气机的吸气口连接有一混合器，反馈管道连接在混合器上，混合器上还连接有与环境空气连通的吸气管道。
[0010]优选地，所述第二温度传感器和第二压力传感器连接在吸气管道上，所述吸气管道上还连接有湿度传感器，湿度传感器与控制装置连接。
[0011]优选地，所述混合器与压气机之间设有过滤器。
[0012]优选地，所述压气机的压气口与燃烧室的入口之间设有第三温度传感器和第三压力传感器，所述第三温度传感器和第三压力传感器均与控制装置连接。
[0013]进一步地，还包括由涡轮机驱动的发电机，发电机上设有用于检测发电机功率的功率传感器，发电机与压气机之间的中间轴上设有用于检测发电机转速的转速传感器，所述功率传感器和转速传感器均与控制装置连接。
[0014]进一步地，所述压气机的吸气口处设有调节吸气口开度的气流导叶，压气机的吸气口处还设有用于检测吸气口气流导叶的开度的传感器。
[0015]进一步地，所述控制装置包括输入输出接口模块、存储器和处理器，所述第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器通过输入输出接口模块与控制装置连接。
[0016]与本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统相应地，本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统的作业方法采用如下技术方案:一种燃气轮机的废气循环利用系统的作业方法，利用上述技术方案及任一优选的技术方案所述的燃气轮机的废气循环利用系统进行作业，包括如下作业步骤:
[0017]I)控制装置接收第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器传送来的检测信号；
[0018]2)控制装置根据接收到的检测信号判断燃气轮机是否处于部分负荷工况；
[0019]3)步骤2)中若判断为是，则控制装置再根据接收到的检测信号调节流量调节阀的开口大小；
[0020]4)步骤2)中若判断为否，则控制装置控制流量调节阀关闭。
[0021]如上所述，本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统及其作业方法，具有以下有益效果:由于在压气机的吸气口和涡轮机的排气口之间设有反馈管道，反馈管道上设有流量调节阀，这样可以通过反馈管道将涡轮机排气口排出的热气体回收到压气机中并与压气机从环境吸入的空气混合在一起再利用，从而提高了压气机的气体温度，减少了压气机做功和燃烧室所需的燃料，从而提高了燃气轮机的整机效率;而且，控制装置可以根据第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器的检测信号来控制流量调节阀的大小，从而能够根据燃气轮机的实际工况及环境空气的状态对燃气轮机的效率智能化地调节。
【附图说明】
[0022]图1显示为本发明实施例的一种燃气轮机的废气循环利用系统的结构示意图。
[0023]图2显示为控制装置的示意图。
[0024]图3显示为本发明实施例的一种燃气轮机的废气循环利用系统的作业流程示意图。
[0025]零件标号说明
[0026]I 压气机 14 反馈管道
[0027]2 吸气口15 流量调节阀
[0028]3 压气口 16 第一温度传感器
[0029]4 燃烧室 17 第一压力传感器
[0030]5 入口18 第二温度传感器
[0031]6 出口19 第二压力传感器
[0032]7 涡轮机 20 第三温度传感器
[0033]8 扩散段 21 第三压力传感器
[0034]9 进气口22 湿度传感器
[0035]10 排气口23 功率传感器
[0036]11 混合器 24 转速传感器
[0037]12 发电机25 气流导叶
[0038]13 吸气管道 26 控制装置
【具体实施方式】
[0039]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0040]图1显示为本发明实施例的一种燃气轮机的废气循环利用系统的结构示意图，请参见图1，本发明提供一种燃气轮机的废气循环利用系统，包括压气机1、燃烧室4和涡轮机7;所述压气机I的吸气口 2与环境空气连通，压气机I的压气口 3与燃烧室4的入口 5连接，燃烧室4的出口 6与涡轮机7的进气口 9连接，涡轮机7上还设有排气口 10 ；所述涡轮机7的排气口 10与压气机I的吸气口 2之间连接有反馈管道14，反馈管道14上设有流量调节阀15;所述流量调节阀15与控制装置26连接;还包括与涡轮机7的排气口 10连接的第一温度传感器16和第一压力传感器17，以及用于检测环境空气温度的第二温度传感器18、用于检测环境空气压力的第二压力传感器19;所述第一温度传感器16、第一压力传感器17、第二温度传感器18和第二压力传感器19均与控制装置26连接。
[0041]在本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统中，由于在压气机I的吸气口2和涡轮机7的排气口 10之间设有反馈管道14，反馈管道14上设有流量调节阀15，这样可以通过反馈管道14将涡轮机7排气口 10排出的热气体回收到压气机I中并与压气机I从环境吸入的空气混合在一起再利用，从而提高了压气机I的气体温度，减少了压气机I的空气流量，并降低了燃烧室4所需的单位空气消耗燃料流量，从而提高了燃气轮机的整机效率;而且，控制装置26可以根据第一温度传感器16、第一压力传感器17、第二温度传感器18和第二压力传感器19的检测信号来控制流量调节阀15的大小，从而能够根据燃气轮机的实际工况及环境空气的状态对燃气轮机的效率智能化地调节。
[0042]在上述的本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统中，压气机I的吸气口2从外界环境中吸入环境空气，并且从反馈管道14中吸入热气体，如图1所示，为了使温度较低的环境空气和反馈管道14中的温度较高的热气体充分混合，可以在所述压气机I的吸气口 2连接有一混合器11，比如可以采用混合导管作为混合器11，将反馈管道14连接在混合器11上，混合器11上还连接有与环境空气连通的吸气管道13;这样环境空气通过吸气管道13进入混合器11，反馈管道14中的热气体也进入混合器11，温度较低的环境空气和温度较高的热气体在混合器11中充分混合之后进入到压气机I，不会导致压气机I的零件因冷热不均而造成内应力，影响压气机I的使用寿命。压气机I将混合后的气体进行压缩，然后输送到燃烧室4并在燃烧室4中被燃烧并加热到高温状态从而进一步提高气体的压力，具有高温高压的气体在进入到涡轮机7中并膨胀做功，从而推动涡轮机7旋转，膨胀做功之后的气体相对于外界空气仍然具有较高的压力，为了降低膨胀做功之后的气体的压力，在涡轮机7的尾部可以设置有扩散段8，扩散段8具有口径较大的腔体，可以使气体得以进一步的膨胀释放压力，可以将涡轮机7的排气口 10设置在涡轮机7的扩散段8，这样，经过扩散段8充分释放压力的气体通过反馈管道14进入压气机I的吸气口 2，涡轮机7的排气口 10与压气机I的吸气口 2之间不会有过大的压力差。外界的环境空气中可能有一些微粒杂质会从压气机I的吸气口 2进入压气机I并进入涡轮机7，而压气机I和涡轮机7中存在高速运动的零件，这些微粒杂质可能会与高速运动的零件(比如涡轮机7的轮叶)发生碰撞而使压气机1、涡轮机7的使用寿命降低，为了防止外界的环境空气中的微粒杂质进入压气机I，可以在混合器11与压气机I之间设置过滤器，外界环境空气经过过滤器之后才能进入压气机I，这样，外界环境空气中的微粒杂质就会被过滤器所过滤。
[0043]在上述的本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统中，所述的第一温度传感器
16、第一压力传感器17、第二温度传感器18和第二压力传感器19的将检测信号传递给控制装置26，第一温度传感器16检测涡轮机7排气口 10的气体温度、第一压力传感器17检测涡轮机7排气口 10的气体压力，第二温度传感器18检测环境空气温度，第二压力传感器19检测环境空气压力，控制装置26根据涡轮机7排气口 10的气体温度和气体压力、环境空气温度和环境空气压力来判断燃气轮机的工况状态，并对检测信号进行计算处理从而调节流量调节阀15的开口大小。为了便于第二温度传感器18和第二压力传感器19的连接，可以将第二温度传感器18和第二压力传感器19连接在吸气管道13上，还可以在吸气管道13上还连接有湿度传感器22，并将湿度传感器22与控制装置26连接，这样控制装置26能够得更详细的环境空气的信息，从而对流量调节阀15作出更精准的调节。还可以在压气机I的压气口 3与燃烧室4的入口 5之间设置第三温度传感器20和第三压力传感器21，并且第三温度传感器20和第三压力传感器21均与控制装置26连接，这样控制装置26能够对经压气机I压缩后的气体状态有更详细的了解，并综合第一温度传感器16、第一压力传感器17、第二温度传感器18、第二压力传感器19的检测信号对燃气轮机的工作状况有更准确的判断，并对流量调节阀15作出更精准的调节。燃气轮机还包括由涡轮机7驱动的发电机12，为了进一步提高控制装置26对流量调节阀15调节的准确性，还可以在发电机12上设置用于检测发电机12功率的功率传感器23，发电机与压气机之间的中间轴上设有用于检测发电机12转速的转速传感器24，所述功率传感器23和转速传感器24均与控制装置26连接，在压气机I的吸气口 2处设有调节吸气口 2开度的气流导叶25，压气机I的吸气口 2处还设有用于检测吸气口 2气流导叶25的开度的传感器，所述的用于检测吸气口 2开度的传感器也与控制装置26连接，控制装置26可以根据所接收的检测信号而控制气流导叶25旋转，从而控制吸气口 2开度的大小。本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统中，所述的控制装置26要能够接收各传感器的检测信号并对检测信号进行处理，如图2所示，控制装置26包括输入输出接口模块、存储器和处理器，所述第一温度传感器16、第一压力传感器17、第二温度传感器18和第二压力传感器19通过输入输出接口模块与控制装置26连接。
[0044]图3显示为本发明实施例的一种燃气轮机的废气循环利用系统的作业流程示意图，以下结合图3对本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统的作业方法作以说明，本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统的作业方法，利用上述技术方案及任一优选的技术方案所述的燃气轮机的废气循环利用系统进行作业，包括如下作业步骤:
[0045]I)控制装置26接收第一温度传感器16、第一压力传感器17、第二温度传感器18和第二压力传感器19传送来的检测信号；
[0046]2)控制装置26根据接收到的检测信号判断燃气轮机是否处于部分负荷工况；
[0047]3)步骤2)中若判断为是，则控制装置26再根据接收到的检测信号调节流量调节阀15的开口大小；
[0048]4)步骤2)中若判断为否，则控制装置26控制流量调节阀15关闭。
[0049]作为一种优选的方式，在上述的步骤I)和步骤2)之间还包括步骤:控制装置26根据接收到的检测信号计算基本负荷并检测燃气轮机的负荷工况模式，并以计算的基本负荷与检测的负荷工况模式来进一步进行步骤2)中的部分工况的判断。
[0050]作为另一种优选的方式，在上述步骤2)和步骤3)之间还包括步骤:
[0051]a)控制装置26根据接收到的检测信号计算优化进气温度；
[0052]b)然后在根据计算优化的进气温度进一步进行阀门开度大小的计算。
[0053]需要说明的是，上述的检测信号包括第一温度传感器16、第一压力传感器17、第二温度传感器18和第二压力传感器19的检测信号，还可以包括第三温度传感器20、第三压力传感器21、湿度传感器22以及其他与控制装置26连接的传感器的信号。
[0054]在上述的本发明的一种燃气轮机的废气循环利用系统及其作业方法的技术方案中，控制装置26根据燃气轮机的工况调节流量调节阀15的开口大小，若流量调节阀15关闭，则涡轮机7的排气口 10所排出的气体均通过扩散段8排到外界的大气环境中去。
[0055]燃气轮机在部分负荷工况运行时，如果处于低温环境，控制装置26计算燃气轮机的整机性能，计算燃气轮机的压气机I吸气口 2的优化温度，并根据计算结果调节流量调节阀15的开口大小，从而调节从涡轮机7的排气口 10通过反馈管道14进入到压气的热气体流量，使热气体与从压气机I吸气口 2吸入的环境空气的混合气体的温度达到优化温度。
[0056]燃气轮机运行过程中，控制装置26通过输入输出接口模块收集来自于各传感器的检测信号，并将检测信号存储在存储器中，并将这些信号传输给处理器，处理器计算当前工况是否处于部分负荷工况、是否处于低温工况、是否具有提高整个燃气轮机性能的可行性，并与保存在存储器中的优化数据(优化数据包括但不限于压气机I吸气口 2的优化温度、压气机I吸气口2的开度大小等)进行对比，得到压气机I吸气口2吸入的空气所需要的温度，控制装置26根据需要调节流量调节阀15的开口大小，以及保证涡轮机7排气口 10的气体温度不变的情况下压气机I吸气口 2的开度，并且，控制装置26通过输入输出接口模块将驱动信号传递给流量调节阀15和气流导叶25的驱动机构。
[0057]上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
【主权项】
1.一种燃气轮机的废气循环利用系统，包括压气机(I)、燃烧室(4)和涡轮机(7);所述压气机(I)的吸气口(2)与环境空气连通，压气机(I)的压气口(3)与燃烧室(4)的入口(5)连接，燃烧室(4)的出口(6)与涡轮机(7)的进气口(9)连接，涡轮机(7)上还设有排气口(1);其特征是: 所述涡轮机(7)的排气口(1)与压气机(I)的吸气口(2)之间连接有反馈管道(14)，反馈管道(14)上设有流量调节阀(15);所述流量调节阀(15)与控制装置(26)连接； 还包括与涡轮机(7)的排气口(10)连接的第一温度传感器(16)和第一压力传感器(17)，以及用于检测环境空气温度的第二温度传感器(18)、用于检测环境空气压力的第二压力传感器(19);所述第一温度传感器(16)、第一压力传感器(17)、第二温度传感器(18)和第二压力传感器(19)均与控制装置(26)连接。2.如权利要求1所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:所述涡轮机(7)的尾部设有扩散段(8)，所述排气口( 1)设于扩散段(8)。3.如权利要求1所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:所述压气机(I)的吸气口(2)连接有一混合器(11)，反馈管道(14)连接在混合器(11)上，混合器(11)上还连接有与环境空气连通的吸气管道(13)。4.如权利要求3所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:所述第二温度传感器(18)和第二压力传感器(19)连接在吸气管道(13)上，所述吸气管道(13)上还连接有湿度传感器(22)，湿度传感器(22)与控制装置(26)连接。5.如权利要求3所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:所述混合器(II)与压气机(I)之间设有过滤器。6.如权利要求1所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:所述压气机(I)的压气口( 3)与燃烧室(4)的入口( 5)之间设有第三温度传感器(20)和第三压力传感器(21)，所述第三温度传感器(20)和第三压力传感器(21)均与控制装置(26)连接。7.如权利要求1所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:还包括由涡轮机(7)驱动的发电机(12)，发电机(12)上设有用于检测发电机(12)功率的功率传感器(23)，发电机(12)与压气机(I)之间的中间轴上设有用于检测发电机(12)转速的转速传感器(24)，所述功率传感器(23)和转速传感器(24)均与控制装置(26)连接。8.如权利要求1所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:所述压气机(I)的吸气口(2)处设有调节吸气口(2)开度的气流导叶(25)，压气机(I)的吸气口(2)处还设有用于检测吸气口(2)气流导叶的开度的传感器。9.如权利要求1所述的燃气轮机的废气循环利用系统，其特征是:所述控制装置(26)包括输入输出接口模块、存储器和处理器，所述第一温度传感器(16)、第一压力传感器(17)、第二温度传感器(18)和第二压力传感器(19)通过输入输出接口模块与控制装置(26)连接。10.—种燃气轮机的废气循环利用系统的作业方法，利用权利要求1至9任一项所述的燃气轮机的废气循环利用系统进行作业，其特征是，包括如下作业步骤: 1)控制装置(26)接收第一温度传感器(16)、第一压力传感器(17)、第二温度传感器(18)和第二压力传感器(19)传送来的检测信号； 2)控制装置(26)根据接收到的检测信号判断燃气轮机是否处于部分负荷工况； 3)步骤2)中若判断为是，则控制装置(26)再根据接收到的检测信号调节流量调节阀(15)的开口大小;4)步骤2)中若判断为否，则控制装置(26)控制流量调节阀(15)关闭。
【文档编号】F02C3/34GK106050418SQ201610549830
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月13日
【发明人】彭淑宏, 孙博, 何磊
【申请人】上海电气燃气轮机有限公司