[发明专利]一种双燃料注蒸汽正逆燃气轮机联合循环

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，特别是一种双燃料注蒸汽正逆燃气轮机联合循环。

背景技术

简单循环燃气轮机由压气机、燃烧室和燃气透平(简称透平)组成。压气机连续地从大气中吸入空气并将其压缩。压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料混合后燃烧，成为高温燃气，随即流入透平中膨胀作功，推动透平叶轮带着压气机叶轮一起旋转，余功作为燃气轮机的输出机械功并可产生电力。透平进口前的燃气温度称为燃气初温。为充分利用燃气轮机的排气余热，一般在燃气轮机后部设置余热锅炉，用于产生蒸汽并在汽轮机中做功，由此即构成了燃气-蒸汽联合循环。

当将锅炉产生的蒸汽回注到燃气轮机的燃烧室，同燃气混合加热、膨胀做功，即构成注蒸汽循环。同联合循环相比，注蒸汽循环的特点和优势亦十分突出：注蒸汽循环的效率稍低，但比功高；由于蒸汽回注抑制了燃烧过程氮氧化物的生成，污染物排放降低；省去了蒸汽轮机及冷凝器等，系统结构简单，造价下降；当将余热锅炉产生的蒸汽对外供热时，即可实现热电联供，且热电调节范围大；启动关停快速，操作简单、易维护；部分负荷性能好、对负荷的快速跟踪能力强；占地面积小。另一方面，由于空气加湿，水(蒸汽)跟随排烟一同被排到大气，而系统需要时时补充新水，需要消耗大量水，要达到回收水与耗水自平衡的投入大，难度高。这在一定程度上阻碍了注蒸汽循环的发展。

一般情况下，从透平排出的烟气的压力只稍高于大气压力，其中高出部分仅用于克服后部余热回收装置等部件产生的排气阻力。此时，燃气轮机循环是正向(热机)循环。当将燃气轮机透平排出的烟气的压力故意设置为大气压力以下，之后再跟随一个烟气的等压冷却过程及一个压缩过程时，由上部的燃气轮机正向循环和逆压缩过程即构成了所谓的正逆燃气轮机联合循环。由于烟气再压缩前的等压冷却过程的存在，烟气中的水份凝结，烟气流量下降，烟气从低于大气压再压缩到大气压的耗功远小于烟气在透平中从大气压膨胀到低于大气压的膨胀功；由于存在逆循环，循环的优化压比下降；由于压比下降，燃料的压缩功减少。由于这些因素的存在，同等条件下，可使得整个联合循环效率较单纯的正向循环提高约1～2个百分点，对烟气中蒸汽含量高的循环，如各类注水循环、注蒸汽循环等尤其有效。同时，烟气中凝结的水亦可补充于循环，大大克服需消耗水的循环的天然缺陷。

生物质燃料的能源利用一般有燃烧、气化两种方式。气化产生的气体可直接在燃气轮机或内燃机的燃烧室中使用，但目前尚存在气化后的气体净化困难，整个气化发电系统投资大、效率低的问题。比如，对生物质而言，目前已存在建设MW级生物质气化发电项目的能力，但系统供电效率仅为15％左右，且气化技术对各种类型生物质的适用性不强。在生物质燃料的燃烧利用方式方面，流化床或循环流化床锅炉由于燃料适应性广、燃烧效率高、环保性能突出(得益于相对低温的燃烧、分级送风和炉内脱硫等措施)、调峰能力强、运行经济性高等特点而具有独特的优势。但是，受制于生物质燃料特性、燃烧温度，以及受制于收集半径等因素的较小系统规模，以循环流化床锅炉为核心的生物质蒸汽发电系统也存在发电效率低下的缺点。目前，最大的生物质循环流化床燃烧发电系统规模约为130t/h，其供电效率不超过32％。

将生物质燃烧与高效洁净的燃气轮机结合起来，是生物质利用的一个新途径。其中，研究的重点是生物质外燃式燃气轮机循环，其集成方式一般为：燃气轮机透平排气进入生物质锅炉，在生物质锅炉中生物质和燃气轮机排气燃烧产生的高温烟气进入一个高温气-气换热器，加热燃气轮机循环中从压气机中排出将进入燃烧室的空气，实质是以生物质代替燃气轮机原来的清洁燃料。但是，受限于高温气-气换热器的材料，经加热后的换热器空气出口温度一般不能超900℃，导致在目前的技术水平下，外燃式燃气-蒸汽联合循环的供电效率也不会超过32％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可大幅提高生物质燃料的能源利用效率的双燃料注蒸汽正逆燃气轮机联合循环，并实现循环中注蒸汽耗水和回收水的自平衡。

为实现上述目的，本发明提供的双燃料注蒸汽正逆燃气轮机联合循环，包括：

空气由压气机的空气输入端进入；

压气机的输出端与燃气回热器的空气输入端和透平的冷却空气输入端相连；

燃气回热器的空气输出端与锅炉气-气换热器的空气输入端相连；

锅炉气-气换热器的空气输出端与燃烧室的空气输入端相连，用于加热空气的清洁燃料由燃烧室的燃料输入端进入；

燃烧室的烟气输出端与透平的烟气输入端相连；

透平的烟气输出端与燃气回热器的烟气输入端相连；