一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统及方法与流程

1.本发明属于天然气发电技术领域，具体涉及一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统及方法。


背景技术：

2.天然气发电启停灵活，负荷适应性强，可满足电网快速调峰调频需求，有助于改善电网的安全性。同时作为一种清洁能源，天然气发电能够有效优化和调整能源结构，在一次能源消费中的比重不断上升。以天然气发电为代表的燃气蒸汽联合循环机组具有高效、清洁、稳定、集成化程度高的特点，已经得到发电企业的重视。目前由于天然气价格普遍高居不下，严重影响到机组的发电效益。所以挖掘燃气蒸汽联合循环机组的节能技术，降低机组发电气耗，具有较大的实际意义。
3.目前从整个燃气蒸汽联合循环发电系统角度考虑，影响机组发电气耗的因素有三方面：(1)天然气供气进入燃气轮机燃烧器温度影响，由于外界供气温度偏低，冬季天然气供气温度约2～10℃，夏季15～20℃，目前为了提升燃烧温度及燃烧效率，都要将天然气温度提升到80～100℃，送入燃机轮机燃烧室燃烧，而目前都采用的方式是蒸汽伴热及电热模式对天然气进行余热升温，能量损失较大。(2)压气机入口空气温度影响。环境温度升高时，空气密度下降，质量流量下降，压气机的功耗上升，燃气排气温度升高，蒸汽侧会出现超温现象，整个联合循环系统发电量及发电效率下降，如夏季温度降低2～3℃，整体发电功率提升1.3％～1.5％，整体效率提升0.15％～0.18％。(3)余热锅炉排烟温度影响。目前燃气蒸汽联合发电机组余热锅炉排烟温度在90～110℃，直接影响到系统的热效率及发电气耗，尽可能降低排烟温度回收烟气余热及潜热是降低发电气耗的又一种节能手段。
4.综合考虑，如何利用简单、经济的节能技术路线将以上影响因素统一得到解决，是目前亟需解决的难题。


技术实现要素：

5.为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统及方法，该系统具备工艺流程简单、设备成熟、投资成本低，经济效益好等特点，兼顾了目前影响燃气蒸汽联合循环机组影响机组气耗的三大主要因素，可大大降低发电气耗实现高效运行。
6.本发明采用的技术方案如下：
7.一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统，包括天然气源、压气机、燃气轮机燃烧室、余热锅炉、冷端换热器、烟气换热器和混合调温器，冷端换热器设置于压气机的进气端，压气机的出气端与燃气轮机燃烧室连接，燃气轮机燃烧室的烟气出口与余热锅炉的进气口连接，烟气换热器设置于余热锅炉的烟气出口，天然气源出口包括第一支路和第二支路，第一支路与冷端换热器的冷进口连接，冷端换热器的冷出口与烟气换热器的冷进口连接，烟气换热器的冷出口以及第二支路均与混合调温器的入口连接，混合调温器的出口与燃气轮
机燃烧室的燃气入口连接。
8.优选的，第一支路、第二支路、冷端换热器的冷出口与烟气换热器冷进口连接的管路上、烟气换热器的冷出口与混合调温器入口连接的管路以及混合调温器与燃气轮机燃烧室燃气入口连接的管路上均设有控制阀门。
9.优选的，所述天然气源包括天然气罐，天然气罐的出口分为两路，其中一路与第一支路连通、另一路与第二支路连通。
10.优选的，天然气罐的入口设有控制阀门。
11.优选的，天然气源出口、烟气换热器的冷出口与混合调温器入口连接的管路以及混合调温器与燃气轮机燃烧室燃气入口连接的管路上均设有温度检测单元。
12.优选的，压气机的进气端在冷端换热器的上游以及下游均设有温度检测单元，余热锅炉的烟气出口在烟气换热器的上游以及下游均设有温度检测单元。
13.优选的，本发明燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统还包括烟囱，余热锅炉的烟气出口与烟囱连通。
14.本发明还提供了一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能方法，该节能方法通过本发明如上所述的燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统进行，包括如下过程：
15.天然气源的天然气经第一支路、冷端换热器和烟气换热器进入混合调温器，天然气源的天然气还经过第二支路进入混合调温器；当天然气经过冷端换热器时，冷端换热器内天然气与压气机进气端空气进行换热，使得冷端换热器中的天然气进行第一次加热，同时使得天然气与压气机进气端空气温度降低；当天然气经过烟气换热器时，烟气换热器内天然气与余热锅炉烟气出口的烟气进行换热，使得烟气换热器中的天然气进行第二次加热，同时使得余热锅炉烟气出口的烟气温度降低；在混合调温器中，经烟气换热器加热后的天然气与经过第二支路进入的天然气进行混合，使得天然气温度满足燃气轮机燃烧室的燃烧要求。
16.优选的：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在夏季运行或环境温度在30℃以上运行时，天然气源出口的天然气温度处于15～20℃，天然气经过冷端换热器换热后，升温至25-27℃，同时压气机进气端空气温度降低到23-25℃；天然气经过烟气换热器后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉烟气出口的烟气温度降温到50-60℃；经烟气换热器加热后的80～90℃的天然气与经过第二支路进入的15～20℃的天然气在混合调温器中进行混合，使得混合调温器出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室的燃烧要求。
17.优选的：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在春秋季运行或环境温度在10～30℃运行时，天然气源出口的天然气温度处于10～15℃，天然气经过冷端换热器换热后，升温至12-13℃，同时压气机进气端空气温度降低到18-20℃；天然气经过烟气换热器后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉烟气出口的烟气温度降温到45-50℃；经烟气换热器加热后的80～90℃的天然气与经过第二支路进入的10～15℃的天然气在混合调温器中进行混合，使得混合调温器出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室的燃烧要求。
18.优选的：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在冬季运行或环境温度10℃以下运行时，天然气源出口的天然气温度处于0～5℃，天然气经过冷端换热器换热后，升温至3-7℃，同时压气机进气端空气温度降低到5-6℃；天然气经过烟气换热器后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉烟气出口的烟气温度降温到30-40℃，经烟气换热器加热后的80～
90℃的天然气与经过第二支路进入的15～20℃的天然气在混合调温器中进行混合，使得混合调温器出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室的燃烧要求。
19.本发明具有如下有益效果：
20.本发明燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统中，通过采用天然气含有的冷量、压气机空气的热量及烟气余热的热量耦合，实现系统能量的高效利用，达到降低发电气耗，提升发电效率的作用。具体的，当天然气经过冷端换热器时，冷端换热器内天然气与压气机进气端空气进行换热，使得冷端换热器中的天然气进行第一次加热，同时使得天然气与压气机进气端空气温度降低，实现了压气机高效运行的同时升高了天然气温度；当天然气经过烟气换热器时，烟气换热器内天然气与余热锅炉烟气出口的烟气进行换热，使得烟气换热器中的天然气进行第二次加热，同时使得余热锅炉烟气出口的烟气温度降低，实现了烟气余热利用的同时再次提升了天然气温度。由于天然气进行第二次加热后，温度较高，本发明设置了混合调温器，在混合调温器中将未经过加热的天然气与经过第二次加热的天然气混合并达到预设温度，使得天然气温度满足燃气轮机燃烧室的燃烧要求，很好地解决了第二次加热后，由于天然气温度较高，不满足燃气轮机燃烧室的燃烧要求的问题；混合调温器中，冷、热天然气直接进行混合、热损失非常小，因此热量被充分利用。从上述方案可以看出，本发明为了保证本发明系统能够实现所有功能，充分考虑现场实际情况，利用天然气需要升温提升燃烧效率，热量采用空气侧和烟气侧充当热源，实现高效节能。压气机入口空气温度降低，对机组发电功率及发电效率提升作用较大，充分利用天然气冷量来降低空气侧温度，实现能量的高效利用。余热锅炉排烟温度较高，对机组热效率影响较大，利用天然气冷量实现烟气余热的深度利用，实现机组节能。从整个燃气蒸汽联合循环机组考虑，本发明系统充分利用了系统冷源热源进行耦合，实现机组的高效节能。此外，从本发明燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统的结构可以看出，该系统具备工艺流程简单、设备成熟、降低了投资成本低，具有经济效益好的特点，彻底解决了目前燃气蒸汽联合循环机组发电效率低、气耗高的难题。
附图说明
21.图1为本发明一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统的结构示意图。
22.其中：1为压气机；2为燃气轮机燃烧室；3为余热锅炉；4为冷端换热器；5为烟气换热器；6为烟囱；7为天然气罐；8为混合调温器；9为第一调节阀；10为第二调节阀；11为第三调节阀；12为第四调节阀；13为第五调节阀；14为第六调节阀；15为第一支路；16为第二支路；t0为第一温度检测单元；t1为第二温度检测单元；t2为第三温度检测单元；t3为第四温度检测单元；t4为第五温度检测单元；t5为第六温度检测单元；t6为第七温度检测单元；t7为第八温度检测单元。
具体实施方式
23.下面结合附图和实施例来对本发明做进一步的说明。
24.参照图1，本发明燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统包括天然气源、压气机1、燃气轮机燃烧室2、余热锅炉3、冷端换热器4、烟气换热器5和混合调温器8，冷端换热器4设置于压气机1的进气端，压气机1的出气端与燃气轮机燃烧室2连接，燃气轮机燃烧室2的烟气
出口与余热锅炉3的进气口连接，烟气换热器5设置于余热锅炉3的烟气出口，天然气源出口包括第一支路15和第二支路16，第一支路与冷端换热器4的冷进口连接，冷端换热器4的冷出口与烟气换热器5的冷进口连接，烟气换热器5的冷出口以及第二支路均与混合调温器8的入口连接，混合调温器8的出口与燃气轮机燃烧室2的燃气入口连接。
25.参见图1，上述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统的工作原理及过程如下：
26.天然气源的天然气经第一支路15、冷端换热器4和烟气换热器5进入混合调温器8，天然气源的天然气还经过第二支路16进入混合调温器8；当天然气经过冷端换热器4时，冷端换热器4内天然气与压气机1进气端空气进行换热，使得冷端换热器4中的天然气进行第一次加热，同时使得天然气与压气机1进气端空气温度降低；当天然气经过烟气换热器5时，烟气换热器5内天然气与余热锅炉3烟气出口的烟气进行换热，使得烟气换热器5中的天然气进行第二次加热，可使得天然气的温度达到80～90℃，同时使得余热锅炉3烟气出口的烟气温度降低；在混合调温器8中，经烟气换热器5加热后的天然气与经过第二支路进入的天然气进行混合，使得天然气温度满足燃气轮机燃烧室2的燃烧要求。
27.具体的：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在夏季运行或环境温度在30℃以上运行时，天然气源出口的天然气温度处于15～20℃，天然气经过冷端换热器4换热后，升温至25-27℃，同时压气机1进气端空气温度降低到23-25℃，实现了压气机高效运行的同时升高了天然气温度；天然气经过烟气换热器5后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉3烟气出口的烟气温度降温到50-60℃，实现了烟气余热利用的同时再次提升了天然气温度；经烟气换热器5加热后的80～90℃的天然气与经过第二支路进入的15～20℃的天然气在混合调温器8中进行混合，使得混合调温器8出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室2的燃烧要求。
28.具体的：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在春秋季运行或环境温度在10～30℃运行时，天然气源出口的天然气温度处于10～15℃，天然气经过冷端换热器4换热后，升温至12-13℃，同时压气机1进气端空气温度降低到18-20℃，实现了压气机高效运行的同时升高了天然气温度；天然气经过烟气换热器5后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉3烟气出口的烟气温度降温到45-50℃，实现了烟气余热利用的同时再次提升了天然气温度；经烟气换热器5加热后的80～90℃的天然气与经过第二支路进入的10～15℃的天然气在混合调温器8中进行混合，使得混合调温器8出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室2的燃烧要求。
29.具体的：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在冬季运行或环境温度10℃以下运行时，天然气源出口的天然气温度处于0～5℃，天然气经过冷端换热器4换热后，升温至3-7℃，同时压气机1进气端空气温度降低到5-6℃，实现了压气机高效运行的同时升高了天然气温度；天然气经过烟气换热器5后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉3烟气出口的烟气温度降温到30-40℃，实现了烟气余热利用的同时再次提升了天然气温度；经烟气换热器5加热后的80～90℃的天然气与经过第二支路进入的15～20℃的天然气在混合调温器8中进行混合，使得混合调温器8出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室2的燃烧要求。
30.本发明的上述方案中，可以在第二支路16上设置第一调节阀9，第一支路15上设置第二调节阀10、冷端换热器4的冷出口与烟气换热器5冷进口连接的管路上设置第三调节阀11，烟气换热器5的冷出口与混合调温器8入口连接的管路上设置第四调节阀12，混合调温
器8与燃气轮机燃烧室2燃气入口连接的管路上设置第五调节阀13，通过第一调节阀9、第二调节阀10、第三调节阀11、第四调节阀12和第五调节阀13这些控制阀可以控制各对应管路上天然气的流量，进而使得混合调温器8出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室2的燃烧要求，上述各调节阀的控制方法本发明不进行赘述，本领域技术人员可根据现场的事情情况进行调节。
31.本发明天然气源包括天然气罐7，天然气罐7的出口分为两路，其中一路与第一支路15连通、另一路与第二支路16连通，通过设置天然气罐7能够保证天然气源输送给第一支路15和第二支路16的流量较为稳定，保证了本发明系统的稳定运行。
32.本发明可在天然气罐7的入口设置第六调节阀14作为控制阀门，通过第六调节阀14可以控制天然气罐7内的压力。
33.本发明还可以在天然气源出口(如上述天然气罐7的出口)、烟气换热器5的冷出口与混合调温器8入口连接的管路以及混合调温器8与燃气轮机燃烧室2燃气入口连接的管路上均设有温度检测单元，具体的，天然气源出口设置第三温度检测单元t2，通过第三温度检测单元t2可得到第二支路16中未加热时的天然气的温度；烟气换热器5的冷出口与混合调温器8入口连接的管路上设置第五温度检测单元t4，通过第三温度检测单元t2可得到混合调温器8入口的天然气的温度；这样通过第三温度检测单元t2以及第五温度检测单元t4的检测值可以控制进入混合调温器8中冷、热天然气的比例，进而控制混合调温器8混合的天然气的温度；混合调温器8与燃气轮机燃烧室2燃气入口连接的管路上设置第六温度检测单元t5，通过第六温度检测单元t5能够检测进入燃气轮机燃烧室2燃气入口的天然气的温度，如果该处天然气温度超出预设范围，可通过再通过控制进入混合调温器8中冷、热天然气的比例对混合调温器8中天然气的温度进行微调。
34.本发明还在冷端换热器4的冷出口与烟气换热器5冷进口连接的管路上、压气机1的进气端在冷端换热器4的上游以及下游均设有温度检测单元，余热锅炉3的烟气出口在烟气换热器5的上游以及下游均设有温度检测单元，具体的，在冷端换热器4的冷出口与烟气换热器5冷进口连接的管路上设置第四温度检测单元t3，压气机1的进气端在冷端换热器4的上游以及下游分别设置第一温度检测单元t0和第二温度检测单元t1，余热锅炉3的烟气出口在烟气换热器5的上游以及下游分别设置第七温度检测单元t6和第八温度检测单元t7。利用这些温度检测单元能够实时掌握各处的温度，以检测本发明燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统运行过程中的稳定性。
35.本发明燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统还包括烟囱6，余热锅炉3的烟气出口与烟囱6连通，余热锅炉3烟气出口被冷却的烟气通过烟囱6进行排放。

技术特征：
1.一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统，其特征在于，包括天然气源、压气机(1)、燃气轮机燃烧室(2)、余热锅炉(3)、冷端换热器(4)、烟气换热器(5)和混合调温器(8)，冷端换热器(4)设置于压气机(1)的进气端，压气机(1)的出气端与燃气轮机燃烧室(2)连接，燃气轮机燃烧室(2)的烟气出口与余热锅炉(3)的进气口连接，烟气换热器(5)设置于余热锅炉(3)的烟气出口，天然气源出口包括第一支路和第二支路，第一支路与冷端换热器(4)的冷进口连接，冷端换热器(4)的冷出口与烟气换热器(5)的冷进口连接，烟气换热器(5)的冷出口以及第二支路均与混合调温器(8)的入口连接，混合调温器(8)的出口与燃气轮机燃烧室(2)的燃气入口连接。2.根据权利要求1所述的一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统，其特征在于，第一支路、第二支路、冷端换热器(4)的冷出口与烟气换热器(5)冷进口连接的管路上、烟气换热器(5)的冷出口与混合调温器(8)入口连接的管路以及混合调温器(8)与燃气轮机燃烧室(2)燃气入口连接的管路上均设有控制阀门。3.根据权利要求1所述的一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统，其特征在于，所述天然气源包括天然气罐(7)，天然气罐(7)的出口分为两路，其中一路与第一支路连通、另一路与第二支路连通。4.根据权利要求3所述的一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统，其特征在于，天然气罐(7)的入口设有控制阀门。5.根据权利要求1所述的一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统，其特征在于，天然气源出口、烟气换热器(5)的冷出口与混合调温器(8)入口连接的管路以及混合调温器(8)与燃气轮机燃烧室(2)燃气入口连接的管路上均设有温度检测单元。6.根据权利要求1所述的一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统，其特征在于，压气机(1)的进气端在冷端换热器(4)的上游以及下游均设有温度检测单元，余热锅炉(3)的烟气出口在烟气换热器(5)的上游以及下游均设有温度检测单元。7.一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能方法，其特征在于，该节能方法通过权利要求1-6任意一项所述的燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统进行，包括如下过程：天然气源的天然气经第一支路、冷端换热器(4)和烟气换热器(5)进入混合调温器(8)，天然气源的天然气还经过第二支路进入混合调温器(8)；当天然气经过冷端换热器(4)时，冷端换热器(4)内天然气与压气机(1)进气端空气进行换热，使得冷端换热器(4)中的天然气进行第一次加热，同时使得天然气与压气机(1)进气端空气温度降低；当天然气经过烟气换热器(5)时，烟气换热器(5)内天然气与余热锅炉(3)烟气出口的烟气进行换热，使得烟气换热器(5)中的天然气进行第二次加热，同时使得余热锅炉(3)烟气出口的烟气温度降低；在混合调温器(8)中，经烟气换热器(5)加热后的天然气与经过第二支路进入的天然气进行混合，使得天然气温度满足燃气轮机燃烧室(2)的燃烧要求。8.根据权利要求7所述的一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能方法，其特征在于：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在夏季运行或环境温度在30℃以上运行时，天然气源出口的天然气温度处于15～20℃，天然气经过冷端换热器(4)换热后，升温至25-27℃，同时压气机(1)进气端空气温度降低到23-25℃；天然气经过烟气换热器(5)后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉(3)烟气出口的烟气温度降温到50-60℃；经烟气换热器(5)加热后的80～90℃的天然气与经过第二支路进入的15～20℃的天然气在混合调温器
(8)中进行混合，使得混合调温器(8)出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室(2)的燃烧要求。9.根据权利要求7所述的一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能方法，其特征在于：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在春秋季运行或环境温度在10～30℃运行时，天然气源出口的天然气温度处于10～15℃，天然气经过冷端换热器(4)换热后，升温至12-13℃，同时压气机(1)进气端空气温度降低到18-20℃；天然气经过烟气换热器(5)后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉(3)烟气出口的烟气温度降温到45-50℃；经烟气换热器(5)加热后的80～90℃的天然气与经过第二支路进入的10～15℃的天然气在混合调温器(8)中进行混合，使得混合调温器(8)出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室(2)的燃烧要求。10.根据权利要求7所述的一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能方法，其特征在于：当所述燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统在冬季运行或环境温度10℃以下运行时，天然气源出口的天然气温度处于0～5℃，天然气经过冷端换热器(4)换热后，升温至3-7℃，同时压气机(1)进气端空气温度降低到5-6℃；天然气经过烟气换热器(5)后，升温至80～90℃，同时使得余热锅炉(3)烟气出口的烟气温度降温到30-40℃，经烟气换热器(5)加热后的80～90℃的天然气与经过第二支路进入的15～20℃的天然气在混合调温器(8)中进行混合，使得混合调温器(8)出口的天然气温度满足燃气轮机燃烧室(2)的燃烧要求。

技术总结
本发明公开了一种燃气蒸汽联合循环机组深度节能系统及方法，冷端换热器设置于压气机的进气端，压气机的出气端与燃气轮机燃烧室连接，燃气轮机燃烧室的烟气出口与余热锅炉的进气口连接，烟气换热器设置于余热锅炉的烟气出口，天然气源出口包括第一支路和第二支路，第一支路与冷端换热器的冷进口连接，冷端换热器的冷出口与烟气换热器的冷进口连接，烟气换热器的冷出口以及第二支路均与混合调温器的入口连接，混合调温器的出口与燃气轮机燃烧室的燃气入口连接。本发明具备工艺流程简单、设备成熟、投资成本低，经济效益好等特点，兼顾了目前影响燃气蒸汽联合循环机组影响机组气耗的三大主要因素，可大大降低发电气耗实现高效运行。行。行。


技术研发人员：姬海民 敬小磊 李宇航 薛宁 张知翔 徐党旗
受保护的技术使用者：西安热工研究院有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/10/6