CN105804872B - 基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电方法和装置。净化后的空气进入压气机增压，压缩空气进入回热器或与饱和蒸汽混合后，进入回热器，回热器利用燃气透平的尾气对上述工质气体加热，回收部分余热。经回热器加热的工质气体再经太阳能集热器加热后，进入燃烧室，与燃料燃烧，产生的高温烟气进入燃气透平做功，尾气依次进入回热器、蒸汽发生器，后者再次回收尾气余热并产生回注用的饱和蒸汽，尾气中的蒸汽经冷凝后回收。当无太阳辐射或辐射不足时，工质气体通过旁路直接进入燃烧室。饱和蒸汽回注到燃气轮机系统，降低了压气机的耗功，提高了燃气轮机发电效率与比功；同时利用太阳能加热工质气体，减少燃料耗量。
Description
技术领域
专利内容涉及燃气轮机技术领域，特别是基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电方法和装置。
背景技术
开发利用太阳能这种清洁、无污染的可再生能源，对于减轻目前化石能源压力、环境污染压力等具有重要意义。太阳能热发电技术是将太阳能热能转变为电能，主要有碟式、塔式、槽式、菲涅尔式四种利用方式，其中对于分布式发电来说，碟式太阳能集热系统聚光性能好、系统结构简单、分布灵活、场地适应性好，有着更广阔的前景。但是太阳能直接热发电效率较低一般在20％左右，大量的光热转换能量没有得到利用。另外，单独的太阳能热发电系统在夜间或者阴雨天无法提供能量。因此，考虑到可以将太阳能集热与其他发电系统，比如燃气轮机发电系统结合起来，互为补充从而提高整体的发电能力和发电稳定性。
燃气轮机发电系统具有效率高、起动快、调峰性能好、建设周期短、占地面积小，耗水少，以及环境污染小等一系列优点，特别是小型燃气轮机发电系统(25kW-1MW)分布更灵活、可操作性更好。由于天然气原料供应问题，燃气轮机发电技术在一定程度上受到了制约。因此，在保证系统效率和功率的条件下，尽量减少燃料耗量有利于燃气轮机发电系统的更广泛的使用。因此，太阳能集热与燃气轮机发电系统结合，利用太阳辐射能代替部分需要的燃料热能，从而减少燃气轮机发电系统需要的燃料量。
此外，随着节能与环保压力日益增加，燃气轮机气汽混合工质循环成为当前研究的热点。回注蒸汽循环是混合工质循环中研究较早技术较为成熟的一种。在注蒸汽燃气轮机循坏(简称注蒸汽循环)中，燃气轮机的排气通入补燃或不补燃的余热锅炉，锅炉产生的蒸汽回注到燃气轮机的燃烧室或其它适当部位，同燃气混合加热、膨胀做功，再进入余热锅炉。这一种循环具有高效率与高比功的显著优点，并可降低NOx的排放。因此，结合太阳能集热的燃气轮机发电系统再通过蒸汽回注技术，进一步提高发电系统效率，减少燃料消耗。
发明内容
本发明提出了一种基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电方法和装置，解决了太阳能单独热发电效率低的问题，并提高燃气轮机发电效率，同时可以实现多能源综合利用。
太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电装置包括压气机、回热器、太阳能高温集热器、燃烧室、燃气透平、控制阀、蒸汽发生器、尾气冷凝器、给水混合器、给水泵；所述的太阳能高温集热器的聚焦太阳能由碟式聚光系统、塔式聚光系统、槽式聚光系统或菲涅尔式聚光系统中的一种或多种聚光系统提供，与控制阀并联。压气机、回热器空气侧、太阳能高温集热器、燃烧室、燃气透平顺次相连，燃气透平出口、回热器烟气侧、蒸汽发生器烟气侧、尾气冷凝器顺次相连，尾气冷凝器回收水侧、给水混合器、给水泵、蒸汽发生器水侧顺次相连，蒸汽发生器产生的饱和蒸汽回注于回热器空气侧进口前，或直接回注于燃烧室内。尾气冷凝器回收部分冷凝水与给水混合器相连，燃烧室燃烧燃料天然气。
发电方法是：利用太阳能高温集热器对进入到燃烧室的空气(或空气与饱和蒸汽的混合气体)加热，太阳能高温集热器出口工质的温度达到700℃以上，降低了燃烧室的燃料消耗量。进入蒸汽发生器中的水是由给水泵提供的，水的压力为2—30bar左右，利用从回热器烟气侧出口排出的温度为270℃左右的高温烟气对进入蒸汽发生器中的水进行加热，使之达到饱和蒸汽温度100—250℃左右，从而充分利用了烟气余热，大大降低了烟气的排烟温度和余热损失，被吸收余热后的烟气经过尾气冷凝器回收部分水后排入大气。蒸汽发生器产生的饱和蒸汽通到回热器空气侧进口前，或通到燃烧室，通过回注蒸汽可以在保证输出功率的情况下，减少压气机的进气量，进而减少压气机的耗功，提高燃气轮机的发电效率和比功。当太阳辐射无太阳辐射或辐射不足时，通过控制阀调节通过太阳能高温集热器的工质流量或者直接进入燃烧室，以实现24小时不间断发电。
与现有技术相比，本专利提出的系统优点在于：
1、通过增加太阳能高温集热器，提高进入燃烧室空气(或空气与饱和蒸汽的混合气体)温度，减少燃料用量；
2、通过回注蒸汽降低燃烧室过高温度，可减少过量空气量，减少燃烧室的排放，减少压气机耗功，提高系统比功率；
3、通过利用回注蒸汽进行烟气余热再次回收，在保证系统电功率条件下，提高系统整体发电效率。
附图说明
图1是一种太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电的具体方案；
图2是另一种太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电的具体方案；
图中，1-压气机、2-回热器、3-太阳能高温集热器、4-燃烧室、5-燃气透平、6-控制阀、7-蒸汽发生器、8-尾气冷凝器、9-给水混合器、10-给水泵。
具体实施方式
下面将结合附图，对设计的两种方案进行清楚，完整的描述。
如图1所示，一种基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电具体方案，该方案包括压气机1、回热器2、太阳能高温集热器3、燃烧室4、燃气透平5、控制阀6、蒸汽发生器7、尾气冷凝器8、给水混合器9、给水泵10。空气由压气机1吸入增压后，与蒸汽发生器7水侧出口的蒸汽一起进入回热器2空气侧进口。燃气透平5排烟进入回热器2烟气侧进口，加热空气蒸汽混合气体，温度降低，再进入上述蒸汽发生器7的烟气侧进口加热给水。经回热器2预热的空气蒸汽混合气体，再进入太阳能高温集热器3，通过太阳能聚光系统(碟式聚光系统、塔式聚光系统、槽式聚光系统或菲涅尔式聚光系统中的一种或多种聚光系统)加热至700℃以上，之后再进入燃烧室4。燃料(天然气)由燃烧室4的喷口喷入，与过量空气蒸汽混合反应，产生950℃以上高温燃气，进入燃气透平5作功，部分功率被压气机1消耗。燃气透平5的排烟如上述，依次进入回热器2、蒸汽发生器7回收余热，最后经过尾气冷凝器8冷凝后排入大气，同时回收部分给水。给水由给水泵10增压至5bar，进入蒸汽发生器7，回热器2烟气侧出口的排烟进入蒸汽发生器7，进一步放热加热一定量的给水至一定压力下的饱和蒸汽。以此循环。当太阳辐射无太阳辐射或辐射不足时，通过控制阀调节通过太阳能高温集热器的工质流量或直接进入燃烧室，以实现24小时不间断发电。在满足系统净输出功率和燃烧室出口烟气温度基本相同的条件下，相比于无太阳集热、无回注蒸汽的燃气轮机发电系统，该发电方法减少燃料耗量约50％；由于饱和蒸汽回注降低了燃烧室过高温度，因此减少了燃烧所需的过量空气耗量，从而减少压气机耗功，系统比功率提高27.7％；太阳能集热器输入热功率169.4kW；通过余热回收，系统排烟温度降低至100℃；系统发电效率提高4个百分点。
如图2所示，另一种基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电具体方案，该方案包括压气机1、回热器2、太阳能高温集热器3、燃烧室4、燃气透平5、控制阀6、蒸汽发生器7、尾气冷凝器8、给水混合器9、给水泵10。空气由压气机1吸入，增压后进入回热器2空气侧进口，在回热器2中被燃气透平5高温排气预热。预热后的空气进入集热器3，通过太阳能聚光系统(碟式聚光系统、塔式聚光系统、槽式聚光系统或菲涅尔式聚光系统中的一种或多种聚光系统)被进一步加热至700℃以上，进入燃烧室4。燃料(天然气)由燃烧室3的喷口喷入，与过量空气混合反应，产生950℃左右高温燃气，进入燃气透平5做功，部分功率被压气机1消耗。燃气透平5排烟进入回热器2放热，预热压气机1出口的空气，温度降低后再进入蒸汽发生器7进一步放热，加热一定量的给水至一定压力下的饱和蒸汽，饱和蒸汽直接注入燃烧室4内，烟气最后经过尾气冷凝器8冷凝后排入大气，同时回收部分给水。给水由水泵10增压至5bar，进入蒸汽发生器7吸收排烟余热，成为饱和蒸汽。以此循环。当太阳辐射无太阳辐射或辐射不足时，通过控制阀调节通过太阳能高温集热器的工质流量或者直接进入燃烧室，以实现24小时不间断发电。在满足系统净输出功率和燃烧室出口烟气温度基本相同的条件下，相比于无太阳集热、无回注蒸汽的燃气轮机发电系统，该发电方法减少燃料耗量约50％；系统比功率提高16.2％；太阳能集热器输入热功率160.6kW；通过余热回收，系统排烟温度降低至186℃；系统发电效率提高0.7个百分点。
Claims (5)
1.一种基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电方法，其特征在于：压气机（1）产生高压空气，给水泵（10）用于提高给水压力，蒸汽发生器（7）利用高温排气余热加热给水产生饱和蒸汽，饱和蒸汽通到回热器（2）空气侧进口，回热器（2）利用燃气透平（5）的高温排气余热预热空气与饱和水蒸汽的混合气体，太阳能高温集热器（3）对进入到燃烧室（4）的空气与饱和蒸汽的混合气体进行预热，燃烧后产生的高温燃气进入燃气透平（5）对外做功，经回热器（2）和蒸汽发生器（7）回收余热后的燃气透平排气经过尾气冷凝器（8）回收部分水后排入大气，回收的水通过给水混合器（9）与外界补充给水混合后进入给水泵（10），提高给水压力；所述太阳能高温集热器（3）的太阳能由碟式聚光系统、塔式聚光系统、槽式聚光系统或菲涅尔式聚光系统中的一种或多种聚光系统提供；增加控制阀（6）与所述的太阳能高温集热器（3）并联，当无太阳辐射或辐射不足时，工质气体通过所述的控制阀（6）旁路直接进入燃烧室（4）。
2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电方法，其特征在于所述的太阳能高温集热器（3）为管式集热器或容积式集热器中的一种或者两者的组合。
3.根据权利要求1所述的一种基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电方法，其特征在于从所述的蒸汽发生器（7）烟气侧的尾气出口排出的尾气进入尾气冷凝器（8），回收冷凝水，冷凝水通入给水混合器（9）再次利用。
4.根据权利要求1所述的一种基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电方法，其特征在于所述的给水泵（10）提供给水，蒸汽发生器（7）产生饱和蒸汽。
5.一种实施如权利要求1所述方法的基于太阳能和余热回收的蒸汽回注式燃气轮机发电装置，其特征在于包括压气机（1）、回热器（2）、太阳能高温集热器（3）、燃烧室（4）、燃气透平（5）、控制阀（6）、蒸汽发生器（7）、尾气冷凝器（8）、给水混合器（9）、给水泵（10），压气机（1）、回热器（2）空气侧、太阳能高温集热器（3）、燃烧室（4）、燃气透平（5）顺次相连，燃气透平（5）、回热器（2）烟气侧、蒸汽发生器（7）烟气侧、尾气冷凝器（8）顺次相连，尾气冷凝器（8）回收水侧、给水混合器（9）、给水泵（10）、蒸汽发生器（7）水侧顺次相连，蒸汽发生器水侧出口管路与压气机（1）出口管路相连。
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