[发明专利]一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统

说明书

本发明公开了一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统，包括中冷回热燃气轮机、烟气换热器、有机工质透平、冷凝器和加压泵，所述烟气换热器第一与中冷回热燃气轮机的回热器连通，烟气换热器第二与有机工质透平连通，有机工质透平与冷凝器连通，冷凝器与加压泵连通，加压泵与中冷回热燃气轮机的中冷器连通，中冷器与烟气换热器连通；烟气换热器将回热器输入的烟气进行降温后排出；使用本装置，可以解决使用亚临界有机朗肯循环和卡琳娜循环存在的恒定蒸发温度导致中冷器换热不充分、火用损失大的问题，也可以使整个系统具备比中冷回热燃气轮机更高的发电效率，并且可以提高燃气轮机在炎热气候下的动力输出。

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种中冷回热燃气轮机与有机介质复合底循环的联合系统。

背景技术

自20世纪30年代燃气轮机发明以来，其作为重要的发动机类别在航空、船舶动力和陆地发电厂都得到了广泛应用。采用空气布雷顿循环的燃气轮机具有较高的热效率和输出功率，继续提高循环效率的措施包括提高有机工质透平进气初温，增加再热、中冷和回热设备，向有机工质透平注射蒸汽，增加蒸汽朗肯循环作为底循环等等。

就船舶燃气轮机动力而言，为提高船用燃气轮机的效率，1946年劳斯莱斯公司就与英国海军签订了生产舰用中冷回热(ICR)燃气轮机RM60的合同，但是受限于当时的换热技术条件最终导致设备过大、换热器积灰等问题而下马。随着船用燃气轮机工作参数的不断提高，简单循环的效率提升遇到瓶颈，加之近年来换热器技术的进步使中冷回热技术再度成为热点，本世纪初由英美牵头德法参与的WR-21型中冷回热船用燃气轮机获得了很大成功，列装Type45型驱逐舰等舰船之后获得了30％左右的油耗降低，引起各国海军的高度重视，我国也开始研发中冷回热船用燃气轮机。但是中冷回热燃气轮机技术也存在一个燃气轮机的通用缺陷：在非常炎热的气候下性能急剧下降，这势必影响舰船在热带海洋区域的动力表现。另外中冷回热技术本质上也属于简单循环，并没有一个底循环与之配合，因此效率虽比非中冷回热燃气轮机高但仍不如燃气-蒸汽联合循环，因此人们也曾经试图多次在船舶上使用燃气-蒸汽联合循环动力(COGAS)，但至今为止除了少数大型邮轮其余舰船都未能成功应用，甚至美国海军在万吨级军舰上的尝试也告失败。平心而论，蒸汽朗肯循环是一种效率非常优秀的底循环，但是其缺点是系统复杂体积重量庞大，也缺乏足够的响应速度，因此并不适合大部分舰船。

就陆上燃气轮机发电站而言，基本是非中冷回热燃气轮机的天下，燃气-蒸汽联合循环已经获得了广泛应用，最新的H级燃气轮机配合三压再热蒸汽循环已经达到63-64％的毛效率。由于陆地上空间足够，水在很多地区又是常见的廉价介质，蒸汽朗肯循环已经被实践证明为是一种成功的底循环。但是燃气-蒸汽联合循环也不完美，首先，燃气轮机对外界大气环境特别是温度非常敏感，即使装备了喷水降温措施，在炎热潮湿的夏季联合循环的出力也会下降10-20％左右。其次，在干旱甚至沙漠地区建设燃气-蒸汽联合循环受限于水源条件变得很困难甚至不可行。

综上所述，在大部分舰船上无法使用体积重量庞大，也缺乏足够的响应速度的燃气-蒸汽联合循环，而使用中冷回热燃气轮机的效率不如燃气-蒸汽联合循环效率，且在舰船上使用中冷回热燃气轮机技术无法克服在非常炎热的气候下性能急剧下降，舰船在热带海洋区域的动力表现差的问题；在干旱或者沙漠陆地上无法使用燃气-蒸汽联合循环，同时也无法克服燃气轮机对温度变化出现效率降低的问题。

由于燃气-蒸汽联合循环存在设备大、耗水量大等技术问题，不便于在舰船和干旱沙漠等缺水地方进行使用，因此业界中对中冷回热(再热)燃气轮机(布雷顿循环)的底循环进行大量的研究，目前，业界中有人使用亚临界有机朗肯循环作为中冷回热燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机组成联合系统，也有使用卡琳娜循环(氨水)作为中冷回热燃气轮机的底循环与中冷回热燃气轮机组成联合系统，以提升中冷回热(再热)燃气轮机的效率；然而使用亚临界有机朗肯循环和卡琳娜循环(氨水)作为中冷回热燃气轮机的底循环时发电效率还是不够高，经过发明人的深入研究，发现亚临界有机朗肯循环和卡琳娜循环(氨水)作为底循环时分别会存在亚临界有机工质、氨水存在的恒定蒸发温度导致中冷器换热不充分、火用损失大的问题。