一种氢燃料燃气轮机系统的制作方法

1.本技术涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种氢燃料燃气轮机系统。


背景技术：

2.当前，在“碳达峰
·
碳中和”的目标要求下，对电站的碳排放的要求越来越高。氢燃料燃气轮机具有高效、高灵活性、二氧化碳零排放的特点。这符合我国“2030碳达峰、2060碳中和”目标并满足了“以新能源为主体的新型电力系统”对未来发电燃气轮机的需求，是氢能发展的关键一环。
3.现有技术中，具有发展潜力的氢燃料燃气轮机联合循环系统大致可以分为三类，分别为常规开式燃气-蒸汽联合循环、固体氧化物燃料电池-燃气轮机联合循环以及半闭式纯氧燃烧燃气轮机联合循环。其中，常规开式燃气-蒸汽联合循环由于会产生大量的二氧化碳，需要依靠脱碳工艺以满足碳达峰
·
碳中和的目标；固体氧化物燃料电池-燃气轮机联合循环以固体氧化物燃料电池为热源，技术成熟度较低，距离实现工程大规模应用仍需一段时间。
4.半闭式纯氧燃烧燃气轮机联合循环在纯氧环境下采用氢气作为燃料，环境友好性优于上述两种系统。
5.但是半闭式纯氧燃烧燃气轮机联合循环中的燃机的循环工质为水蒸气，相比于通常的燃机工质空气，水蒸气的比热容大，导致压气机部分的温升小，因此水蒸气为工质的燃机压气机每级的压比要比空气为工质的燃机要小。同时，氢燃料纯氧燃烧燃机的压气机入口温度要在100摄氏度以上，所以入口温度比一般燃机要高的多。以上两点都造成了常规的燃机无法满足氢燃料纯氧燃烧燃气轮机的工作需求。此外，当采用常规燃气轮机燃烧氢气时，在维持燃气透平的初温恒定不变的前提下，燃料的质量流量会有一定程度的增加，致使有可能使压气机发生喘振现象，需要考虑燃机透平与压气机工质流量的匹配。
6.专利cn113202577a公开了一种氢燃料联合循环动力装置，该装置以水蒸气为循环工质，通过冷凝器和蒸发器实现对循环工质的降温和升温，并由膨胀机对压缩机和外部提供动力。本技术提出了以氢为燃料的循环系统，但是并未涉及对上述纯氧燃烧燃气轮机联合循环核心问题的解决方案。


技术实现要素：

7.本技术的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
8.为此，本实用新型的第一个目的在于提出一种氢燃料燃气轮机系统，采用水蒸气为工质，通过焊接转子接连、三段转子分设布局、热端输出的方式，基于两段压缩机结构并其间设置间冷装置，并在燃烧室采用微混的新型预混燃烧模式，有效防止了富氢燃料回火的发生，保证了氢燃料燃气轮机的稳定运作，实现了系统内联合循环的有效运作，满足了环境友好要求。
9.为达到上述目的，本技术第一方面实施例提出了一种氢燃料燃气轮机系统，包括：
10.第一压缩机、第二压缩机、燃烧室、第一透平、第二透平、第三透平以及发电装置，其中第一压缩机与第一透平同轴连接，第一透平驱动第一压缩机转动；
11.第二压缩机与第二透平同轴连接，第二透平驱动第二压缩机转动；
12.第三透平与发电装置同轴连接，第三透平驱动发电装置转动，对外输出电能；
13.第一压缩机、燃烧室以及第一透平工质流道依次连通；
14.第一透平、第二透平以及第三透平工质流道依次连通；
15.经燃烧室加热后的工质依次进入第一透平、第二透平以及第三透平，进而分别驱动第一压缩机、第二压缩机以及发电装置转动。
16.可选的，第一压缩机与第二压缩机的工质流道连通，工质经第二压缩机压缩后进入第一压缩机进一步压缩。
17.可选的，第一压缩机与第二压缩机之间设有间冷装置，
18.间冷装置用于对第二压缩机输入的工质降温降压，并向第一压缩机输出降温降压后的工质。
19.可选的，第二透平的工质流道出口与第三透平的工质流道进口同轴分布。
20.可选的，燃气轮机系统的工质为水蒸气。
21.可选的，第一透平、第二透平以及第三透平进口的压力逐级递减。
22.可选的，第一压缩机出口的压力大于第二压缩机出口的压力。
23.可选的，燃烧室包括第一进气口和第二进气口，
24.第一进气口和第二进气口均与第一压缩机连通，经第一压缩机压缩后的工质通过第一进气口和第二进气口进入燃烧室。
25.可选的，燃烧室还包括第三进气口、第四进气口以及微混通道，
26.氢气和氧气分别通过第三进气口和第四进气口进入燃烧室中的微混通道，与第一进气口和第二进气口进入的水蒸气混合。
27.可选的，第一透平与第二透平工质流道平滑过渡。
28.可选的，第一压缩机的级数为9级。
29.可选的，第一压缩机的进口导叶和前3级静叶角度可调。
30.可选的，第二压缩机的级数为17级。
31.可选的，第二压缩机的进口导叶和前3级静叶角度可调。
32.可选的，第一透平的级数为1级。
33.可选的，第二透平的级数为2级。
34.可选的，第三透平的级数为5级。
35.本技术实施例的一种氢燃料燃气轮机系统，可以达到如下的技术效果：
36.1.采用三段轴流式布局，通过提升燃机压比，连通工质流道，对系统循环热力和气动热力学进行了优化，提高了系统效率，满足了二氧化碳零排放的要求。
37.2.第一压缩机和第二压缩机共同提升氢燃料燃气轮机系统总压比，满足了燃机以水蒸气为工质时的压比要求，保证了燃机的正常运作。
38.3.在第一压缩机与第二压缩中间设计了间冷装置，降低水蒸气进入第一压缩机时的温度，减少了第一压缩机的压缩耗功，提高了整个机组的比功率。
39.4.第一压缩机和第二压缩机的进口导叶和静叶角度可调，实现了对输入工质进口
流量的调节，从而能够有效地避免压缩机发生喘振现象，保障了氢燃料的稳定性。
40.5.在燃烧室部分，通过设置微混通道，有效避免了在混合气体的流速小于火焰的速度时出现回火问题，从而保障了氢燃料整体燃烧的稳定性，减少回火和火焰震荡的发生。
41.6.采用三段透平，增加了透平的级数，保证透平高效率运行。同时，三段透平之间设计为工质流道连续，降低透平之间的流动损失。
42.7.在该系统中，通过透平驱动压缩机工作，实现了氢燃料燃气轮机系统内联合循环的有效运作。
43.本技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本技术的实践了解到。
附图说明
44.构成本实用新型的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
45.图1出示了一个实施例的一种氢燃料燃气轮机系统的总体结构图；
46.图2出示了一个实施例的第一压缩机-燃烧室-第一透平的总体结构图；
47.图3出示了一个具体实施例的燃烧室的总体结构图；
48.图4出示了一个实施例的第二压缩机-第二透平的总体结构图；
49.图5出示了一个实施例的第三透平-发电装置的总体结构图。
具体实施方式
50.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
51.以下结合具体实施例对本实用新型作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本实用新型所要求保护的范围。
52.下面参考附图描述本技术实施例的一种氢燃料燃气轮机系统。
53.图1是本技术一个实施例的一种氢燃料燃气轮机系统的总体结构图。
54.如图1所示，该氢燃料燃气轮机系统包括第一压缩机11、第二压缩机12、燃烧室20、第一透平31、第二透平32、第三透平33以及发电装置41。
55.其中，第一压缩机11与第一透平31同轴连接，第一透平31可驱动第一压缩机11转动；第二压缩机12与第二透平32同轴连接，第二透平32驱动第二压缩机12转动；第三透平33与发电装置41同轴连接，第三透平33驱动发电装置41转动，对外输出电能。
56.经燃烧室20加热后的工质依次进入第一透平31、第二透平32以及第三透平33，第一透平31、第二透平32以及第三透平33进而分别驱动第一压缩机11、第二压缩机12以及发电装置41转动。
57.第一压缩机11、燃烧室20以及第一透平31工质流道依次连通；第一透平31、第二透平32以及第三透平33工质流道依次连通。
58.从系统驱动和工质流通来看，原始工质经过第二压缩机12压缩后，进入第一压缩机11，经过两次压缩后的工质进入燃烧室20燃烧，进而驱动第一透平31运转，从第一透平31
流出的工质依次带动第二透平32和第三透平33运转，第三透平33带动发电装置41发电。
59.进一步，第一透平31可反向驱动第一压缩机11运转，第二透平32可反向驱动第二压缩机12运转，从而实现了系统动力循环，提高了系统整体效率。
60.通过采用三段轴流式布局，通过提升燃机压比，连通工质流道，对系统循环热力和气动热力学进行了优化，提高了系统效率。
61.另外，本技术中氢燃料燃气轮机系统的工质为水蒸气，实现了清洁燃烧，满足了碳中和的目标要求。
62.此外，在一个实施例中，如图1所示，第一压缩机11与第二压缩机12之间设有间冷装置51，该装置用于对第二压缩机12输入的工质降温降压，并向第一压缩机11输出降温降压后的工质。具体地，在高、低压气机之间增加间冷装置51，降低了空气进入第一压缩机时的温度，从而降低高压压缩机的压缩耗功，提高整个机组功率。
63.在该系统中，如图2所示，第一压缩机11与第一透平31同轴连接，第一透平31驱动第一压缩机11转动。另外，本实施例中，第一压缩机11与第一透平31中的轮盘均焊接在同一转子上，这样实现了第一压缩机11和第一透平31的联动，从而使得氢燃料燃气轮机能够快速启动。
64.进一步地，第一压缩机11、燃烧室20以及第一透平31工质流道依次连通，由此能够避免工质的流动损失。
65.进一步地，第一压缩机11的进口导叶和前3级静叶角度可调。图2中所示3级静叶仅为示例，不做具体数量限定，本实施例选择3级静叶综合了具体实际应用中调节范围与调节难度的平衡。由此，实现了对输入工质进口流量的调节，从而能够有效地避免压缩机发生喘振现象，保障了氢燃料的稳定性，使得第一压缩机11排出的工质流量与燃烧室20、第一透平31实现流量的良好匹配。
66.在一个实施例中，如图3所示，燃烧室20包括第一进气口21和第二进气口22。具体地，第一进气口21和第二进气口22均与第一压缩机11连通，经第一压缩机11压缩后的工质通过第一进气口21和第二进气口22进入燃烧室20。
67.进一步地，燃烧室20还包括第三进气口23、第四进气口24以及微混通道25。具体地，氢气和氧气分别通过第三进气口23和第四进气口24进入燃烧室20中的微混通道25，与第一进气口21和第二进气口22进入的水蒸气混合。
68.在一个具体实施例中，燃烧室为环管型结构形式，其燃烧筒安装在燃压缸上，过渡段与第一透平31的第一级静子叶片连接。其中，第一进口21为水蒸气主进口，作为导流衬套入口，第二进口22为水蒸气次进口，作为导流衬套冲击冷却孔进口，两股水蒸气进入后首先进行均匀掺混，然后流向燃烧室头部。同时，氧气通过第三进口23喷入，在与水蒸气均匀混合后进入燃烧室20头部的微混通道25。氢气燃料通过第四进口24进入，然后在微混通道25中喷出后与进入的上一步混合的气体进行再一次混合，之后进入燃烧室火焰筒。由此，这使得燃烧室内的燃烧更加充分，有效避免了在保持出力不变情况下，因进入燃烧器的燃料体积流量变大而出现的混合气体的流速小于火焰的速度，以及由此造成的回火和火焰震荡问题。
69.另外，在该系统中，如图4所示，第二压缩机12与第二透平32轮盘均焊接在同一转子上，实现了同轴连接，由此，通过第二透平32驱动第二压缩机12转动，实现了第一压缩机
11和第一透平31的快速联动。
70.进一步地，为了达到更好地流量调节效果，第二压缩机12的进口导叶和前3级静叶角度可调。图4中所示3级静叶仅为示例，不做具体数量限定，本实施例选择3级静叶综合了具体实际应用中调节范围与调节难度的平衡。由此，实现了对输入工质进口流量的调节，从而能够有效地避免压缩机发生喘振现象，保障了氢燃料的稳定性，使得第二压缩机12排出的工质流量与第一透平32实现工质流量的良好匹配。
71.在一个实施例中，第一压缩机11与第二压缩机12的工质流道连通，第一压缩机11出口的压力大于第二压缩机12出口的压力，工质经第二压缩机12压缩后进入第一压缩机11进一步压缩。采用连通流道能够有效降低压缩机之间的流动损失。
72.此外，在该系统中，如图5所示，第三透平33与发电装置41同轴连接，第三透平33驱动发电装置41转动，对外输出电能。
73.另外，在该系统中，根据第一压缩机11、第二压缩机12、发电装置41不同的转速要求，本技术对应设置了三级不同透平，分别对应第一压缩机11、第二压缩机12、发电装置41，以提高系统效率。
74.进一步地，三级透平包括第一透平31、第二透平32以及第三透平33，三级透平的工质流道依次连通。其中，第一透平31、第二透平32以及第三透平33进口的压力逐级递减。其中，第二透平32的工质流道出口与第三透平33的工质流道进口同轴分布；第一透平31与第二透平32工质流道平滑过渡。通过将第一透平31、第二透平32、第三透平33工质流道连通，能够有效降低高压透平、中压透平、低压透平之间的流动损失。
75.此外，在该系统中，经燃烧室20加热后的工质依次进入第一透平31、第二透平32以及第三透平33，进而分别驱动第一压缩机11、第二压缩机12以及发电装置41转动，实现了氢燃料燃气轮机系统内联合循环的有效运作。同时，该系统具有高效性、灵活性的特点，能够将自身整体加入多种使用场景，满足该场景下对联合循环功效的需求。
76.本技术中的系统以水蒸气为工质，考虑到水蒸气的比热容大，导致压缩机部分的温升小，造成了水蒸气为工质的燃机压缩机每级的压比要比空气为工质的燃机要小。同时，该燃机的压缩机入口温度要在100摄氏度以上，其所需入口温度比一般燃机要高的多。由此，需要提升以水蒸气为工质的压缩机压比。
77.基于此，本技术第一压缩机11采用了压比为2.7的9级高压压气机，第二压缩机采用压比为14.8的17级低压压缩机，这种组合方式提高了压缩机的总体压比，使得系统内总压比达到了40，可满足压缩机的总体压比的需求，同时能够更好地匹配燃烧室20中氢燃料和氧气的输入量。
78.进一步地，针对上述采用的9级第一压缩机11和17级第二压缩机12，以及发电装置41，将第一透平31的级数设为1级、第二透平32的级数设为2级、第三透平33的级数设为5级，保障了各装置之间联动配合的流畅性和稳定性，并且提高了系统效率。
79.从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：
80.1.采用三段轴流式布局，通过提升燃机压比，连通工质流道，对系统循环热力和气动热力学进行了优化，提高了系统效率，满足了二氧化碳零排放的要求。
81.2.第一压缩机和第二压缩机共同提升氢燃料燃气轮机系统总压比，满足了燃机以水蒸气为工质时的压比要求，保证了燃机的正常运作。
82.3.在第一压缩机与第二压缩中间设计了间冷装置，降低水蒸气进入第一压缩机时的温度，减少了第一压缩机的压缩耗功，提高了整个机组的比功率。
83.4.第一压缩机和第二压缩机的进口导叶和静叶角度可调，实现了对输入工质进口流量的调节，从而能够有效地避免压缩机发生喘振现象，保障了氢燃料的稳定性。
84.5.在燃烧室部分，通过设置微混通道，有效避免了在混合气体的流速小于火焰的速度时出现回火问题，从而保障了氢燃料整体燃烧的稳定性，减少回火和火焰震荡的发生。
85.6.采用三段透平，增加了透平的级数，保证透平高效率运行。同时，三段透平之间设计为工质流道连续，降低透平之间的流动损失。
86.7.在该系统中，通过透平驱动压缩机工作，实现了氢燃料燃气轮机系统内联合循环的有效运作。
87.以上，仅为本实用新型的多个具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
88.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
89.需要说明的是，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本技术的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

技术特征：
1.一种氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，包括第一压缩机(11)、第二压缩机(12)、燃烧室(20)、第一透平(31)、第二透平(32)、第三透平(33)以及发电装置(41)，其中所述第一压缩机(11)与所述第一透平(31)同轴连接，所述第一透平(31)驱动所述第一压缩机(11)转动；所述第二压缩机(12)与所述第二透平(32)同轴连接，所述第二透平(32)驱动所述第二压缩机(12)转动；所述第三透平(33)与所述发电装置(41)同轴连接，所述第三透平(33)驱动所述发电装置(41)转动，对外输出电能；所述第一压缩机(11)、所述燃烧室(20)以及所述第一透平(31)工质流道依次连通；所述第一透平(31)、所述第二透平(32)以及所述第三透平(33)工质流道依次连通；经所述燃烧室(20)加热后的工质依次进入所述第一透平(31)、所述第二透平(32)以及所述第三透平(33)，进而分别驱动第一压缩机(11)、第二压缩机(12)以及所述发电装置(41)转动。2.根据权利要求1所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第一压缩机(11)与所述第二压缩机(12)的工质流道连通，工质经所述第二压缩机(12)压缩后进入所述第一压缩机(11)进一步压缩。3.根据权利要求1所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第一压缩机(11)与所述第二压缩机(12)之间设有间冷装置(51)，所述间冷装置(51)用于对所述第二压缩机(12)输入的工质降温降压，并向所述第一压缩机(11)输出降温降压后的工质。4.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第二透平(32)的工质流道出口与所述第三透平(33)的工质流道进口同轴分布。5.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述燃气轮机系统的工质为水蒸气。6.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第一透平(31)、所述第二透平(32)以及所述第三透平(33)进口的压力逐级递减。7.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第一压缩机(11)出口的压力大于所述第二压缩机(12)出口的压力。8.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述燃烧室(20)包括第一进气口(21)和第二进气口(22)，所述第一进气口(21)和所述第二进气口(22)均与所述第一压缩机(11)连通，经所述第一压缩机(11)压缩后的工质通过所述第一进气口(21)和所述第二进气口(22)进入所述燃烧室(20)。9.根据权利要求8所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述燃烧室(20)还包括第三进气口(23)、第四进气口(24)以及微混通道(25)，氢气和氧气分别通过所述第三进气口(23)和所述第四进气口(24)进入所述燃烧室(20)中的微混通道(25)，与所述第一进气口(21)和所述第二进气口(22)进入的水蒸气混合。10.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第一透平(31)与所述第二透平(32)工质流道平滑过渡。11.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第一压缩机(11)的级数为9级。
12.根据权利要求11所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第一压缩机(11)的进口导叶和前3级静叶角度可调。13.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第二压缩机(12)的级数为17级。14.根据权利要求13所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第二压缩机(12)的进口导叶和前3级静叶角度可调。15.根据权利要求1-3任一项所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第一透平(31)的级数为1级。16.根据权利要求15所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第二透平(32)的级数为2级。17.根据权利要求16所述的氢燃料燃气轮机系统，其特征在于，所述第三透平(33)的级数为5级。

技术总结
本申请公开了一种氢燃料燃气轮机系统，包括：第一压缩机、第二压缩机、燃烧室、第一透平、第二透平、第三透平以及发电装置。其中，第一压缩机与第一透平同轴连接，第二压缩机与第二透平同轴连接，第三透平与发电装置同轴连接。经燃烧室加热后的工质依次进入第一透平、第二透平以及第三透平，进而分别驱动第一压缩机、第二压缩机以及发电装置转动。本申请提出的氢燃料燃气轮机系统，采用三段轴流式布局，通过提升燃机压比，连通工质流道，对系统循环热力学和气动热力学进行了优化，提高了系统效率，满足了二氧化碳零排放的要求。足了二氧化碳零排放的要求。足了二氧化碳零排放的要求。


技术研发人员：谢意 周国宇 静大亮 高维彤 高磊 李艳
受保护的技术使用者：中国联合重型燃气轮机技术有限公司
技术研发日：2022.09.27
技术公布日：2023/5/24