CN106382161B - 一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置 - Google Patents
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Abstract
一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置，部分压缩空气和富氢燃料经过压缩机进入高压燃烧室混合燃烧，产生的高温高压气体驱动高压涡轮转动；另一部分空气和富氢燃料直接进入中压燃烧室混合燃烧，产物进入中压涡轮做功。装置中高中压缸抽出的燃气经过气体再热器后进入回热器，达到所需温度后进行统筹分配，高压缸抽出的燃气进入中压缸，中压缸抽出的燃气进入低压缸。高压转子和中压转子同轴，低压转子单独一根轴，工作时高中压转子转速比低压转子高，在高中压转子和低压转子间设置变速联轴器。最终，低压涡轮排出的工质进入蒸汽冷凝器中冷却，并输送至回热系统中循环利用。本发明具有气动效率高，多级利用燃料能量等优势，具有广阔的市场前景。
Description
技术领域：
本发明涉及一种气轮机装置，具体涉及一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置。
背景技术：
提供清洁高效的多种能源利用方式是现阶段能源行业工作者的共同努力目标，富氢燃料属于清洁能源，污染低，燃烧时火焰传播速度快，热值低，燃烧温度高，能够确保较高的燃气进口温度，提高机组效率。因此，近年来国内外已经开始研发使用富氢燃料的燃气轮机装置，通过充分利用富氢燃料，如氢气、天然气、生物质催化热解气或尾煤热解气等，可进一步提升经济效益。
中间再热技术是提高机组效率的有效方法，通过将高压工质引出进行再次加热，然后进入中压或低压缸中继续做功，从而提升工质做功能力，此技术常用于超临界火力发电机组。而中间回热循环常用于燃气轮机中，利用透平做功后的排气作为热源加热进入燃烧室的高压空气，回热循环相较简单循环排气温度下降，进气温度升高，能够获得更高的系统效率，目前已经取得广泛应用。
普通汽轮机组设置多级汽缸进行能量多级利用，各汽缸转子共轴，转速相同。然而，高中压缸在较高转速下运行时部件体积较小，且能够满足最佳速比，达到较高的高中压缸运行效率。因此，采取高压转子和中压转子同轴，低压转子单独一根轴的方案进一步提升了机组效率，具有一定的工程价值。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置，主要应用于功率等级为20-50MW、热效率高达55％的高温高效气轮机系统。装置燃烧富氢燃料，进口温度达1500℃，气动效率高，多级利用燃料能量，具有广阔的应用前景。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：
一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置，包括驱动电机、富氢燃料压缩机、空气压缩机、燃烧室、高压涡轮、中压涡轮、低压涡轮、变速联轴器、蒸汽冷凝器、再热与回热系统以及发电机；其中，
高压涡轮的高压转子与中压涡轮的中压转子同轴设置，中压涡轮的中压转子与低压涡轮的低压转子通过变速联轴器连接，工作时中压转子转速高于低压转子转速，空气压缩机和富氢燃料压缩机均由驱动电机驱动工作，空气压缩机上设有空气进气道，富氢燃料压缩机上设有富氢燃料进气道，富氢燃料和压缩空气混合燃烧后驱动高压涡轮及中压涡轮转动，该装置抽出高压涡轮及中压涡轮中的部分燃气进入再热及回热系统，然后，依次经过高、中压缸的燃气与再热及回热系统中的燃气汇合在低压缸中，驱动低压涡轮转动，排出的乏汽依次经蒸汽冷凝器、再热及回热系统、最终回到燃烧室。
本发明进一步的改进在于：富氢燃料为氢气、天然气、生物质催化热解气或尾煤热解气。
本发明进一步的改进在于：燃烧室分为富氢燃料高压燃烧室和富氢燃料中压燃烧室，富氢燃料高压燃烧室和富氢燃料中压燃烧室燃烧产生的高温高压燃气分别进入高压涡轮及中压涡轮中做功，控制高压涡轮及中压涡轮的进口温度。
本发明进一步的改进在于：再热及回热系统包括高压气体再热器、高压回热器、中压气体再热器和中压回热器，高压缸抽出的燃气一部分经过高压气体再热器后进入高压回热器，另一部分直接进入中压缸，进入高压气体再热器及高压回热器的燃气经过再热及回热后进入中压缸；中压缸抽出的燃气一部分经过中压气体再热器后进入中压回热器，另一部分直接进入低压缸中驱动低压涡轮转动，进入中压气体再热器及中压回热器的燃气经过再热及回热后进入低压缸。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明通过成功整合现有成熟技术的优势，针对气轮机系统进行了改进创新，提出了一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置，可采用氢气、天然气、生物质催化热解气或尾煤热解气等富氢燃料。富氢燃料属于清洁能源，污染低，燃烧时火焰传播速度快，热值低，燃烧温度高。该装置实现了燃料能量多级利用，较大程度地提高了气轮机装置效率。工作时，空气压缩机和富氢燃料压缩机上设有进气道，一部分压缩空气和富氢燃料通过进气道进入富氢燃料高压燃烧室混合燃烧，燃烧室产生的高温高压气体驱动高压涡轮转动；另一部分压缩空气和富氢燃料直接进入富氢燃料中压燃烧室混合燃烧，产物进入中压缸中驱动中压涡轮转动，燃烧室分为两部分，精准控制高压及中压涡轮的进口温度，提高热效率。装置采用类似联合循环的方式，却省去了联合循环中燃气加热蒸汽的换热损失，利用富氢燃料燃烧产生的高温蒸气直接驱动气轮机，能够保证高进口温度(达到1500℃)，因此确保更高的热效率。装置中高压缸抽出的燃气一部分经过高压气体再热器后进入高压回热器，另一部分直接进入中压缸，进入高压气体再热器及高压回热器的燃气经过再热及回热后进入中压缸；中压缸抽出的燃气一部分经过中压气体再热器后进入中压回热器，另一部分直接进入低压缸中驱动低压涡轮转动，进入中压气体再热器及中压回热器的燃气经过再热及回热后进入低压缸，两级气体再热及回热系统能够精确控制再热及回热温度，并进一步提高系统效率。由低压缸排出的工质进入蒸汽冷凝器中冷却，再由冷凝器管道输送至回热系统中循环利用。高压转子和中压转子同轴，低压转子单独一根轴，工作时高中压转子转速比低压转子高，在高中压转子和低压转子之间设置变速联轴器，实现富氢燃料的能量多级利用，并使高中压缸能够在较高转速下运行，满足最佳速比。此设计能够显著提升高中压缸运行效率，同时，高中压缸的较高转速还能够使其部件体积较小，制造安装便捷。
因此，本发明具有热效率高，多级利用燃料能量，燃料范围广等优势。该气轮机装置采用富氢燃料，体积小，成本低，功率介于20MW-50MW之间，适用于发电系统及动力循环，具有极其广阔的市场前景。
附图说明：
图1为本发明一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置的系统图。
图2为本发明一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置转子部分示意图。
图1中，1-富氢燃料进气道，2-空气进气道，3-驱动电机，4-富氢燃料压缩机，5-空气压缩机，6-富氢燃料高压燃烧室，7-富氢燃料中压燃烧室，8-高压涡轮机，9-中压涡轮，10-变速联轴器，11-低压涡轮，12-发电机，13-高压气体再热器，14-高压回热器，15-中压气体再热器，16-中压回热器，17-蒸汽冷凝器。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置，包括驱动电机3、富氢燃料压缩机4、空气压缩机5、富氢燃料高压燃烧室6、富氢燃料中压燃烧室7、高压涡轮8、中压涡轮9、低压涡轮11、变速联轴器10、蒸汽冷凝器17、高压气体再热器13、高压回热器14、中压气体再热器15、中压回热器16以及发电机12；其中，高压涡轮(8)的高压转子与中压涡轮(9)的中压转子同轴设置，中压涡轮(9)的中压转子与低压涡轮(11)的低压转子通过变速联轴器(10)连接，工作时中压转子转速高于低压转子转速，实现富氢燃料的能量多级利用，并使高中压缸能够在较高转速下运行，满足最佳速比。空气压缩机5和富氢燃料压缩机4由驱动电机3驱动，其上分别设有空气进气道2和富氢燃料进气道1，一部分压缩空气和富氢燃料通过进气道进入富氢燃料高压燃烧室6混合燃烧，燃烧室产生的高温高压气体驱动高压涡轮8转动；另一部分空气和富氢燃料直接进入富氢燃料中压燃烧室7混合燃烧，产物进入中压缸中驱动中压涡轮9转动。装置中高中压缸抽出的燃气分别经过高压气体再热器13和中压气体再热器15后进入高压回热器14和中压回热器16，达到所需温度后进行统筹分配，高压缸抽出的燃气进入中压缸，中压缸抽出的燃气进入低压缸，气体再热及回热系统进一步提高了系统效率。此设计能够显著提升高中压缸运行效率，同时，高中压缸的较高转速还能够使其部件体积较小，制造安装便捷。经过高中压缸做功后的燃气进入低压缸中，在低压缸中进一步做功驱动发电机12旋转，由低压缸排出的工质进入蒸汽冷凝器17中冷却，再由冷凝器管道输送至回热系统中循环利用。
其中，富氢燃料为氢气、天然气、生物质催化热解气或尾煤热解气。富氢燃料属于清洁能源，污染低，燃烧时火焰传播速度快，热值低，燃烧温度高，提高了运行时的经济效益。
本发明采用类似联合循环的方式，却省去了联合循环中燃气加热蒸汽的换热损失，利用富氢燃料燃烧产生的高温蒸气直接驱动气轮机，能够保证高进口温度(达到1500℃)，因此确保了更高的热效率。
参照图2，给出了采用富氢燃料的多级高效气轮机装置变速联轴器以及涡轮和电机的转子轴示意图。变速联轴器10连接了转速较高的高中压转子轴和转速较低的低压转子轴及电机轴，实现了富氢燃料的能量多级利用，并使高中压缸能够在较高转速下运行，满足最佳速比，显著提升高中压缸运行效率。同时，高中压缸的较高转速还能够使其部件体积较小，制造安装便捷。
Claims (3)
1.一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置，其特征在于：包括驱动电机(3)、富氢燃料压缩机(4)、空气压缩机(5)、燃烧室、高压涡轮(8)、中压涡轮(9)、低压涡轮(11)、变速联轴器(10)、蒸汽冷凝器(17)、再热与回热系统以及发电机(12)；其中，
高压涡轮(8)的高压转子与中压涡轮(9)的中压转子同轴设置，中压涡轮(9)的中压转子与低压涡轮(11)的低压转子通过变速联轴器(10)连接，工作时中压转子转速高于低压转子转速，空气压缩机(5)和富氢燃料压缩机(4)均由驱动电机(3)驱动工作，空气压缩机(5)上设有空气进气道(2)，富氢燃料压缩机(4)上设有富氢燃料进气道(1)，富氢燃料和压缩空气混合燃烧后驱动高压涡轮(8)及中压涡轮(9)转动，该装置抽出高压涡轮及中压涡轮中的部分燃气进入再热及回热系统，然后，依次经过高、中压缸的燃气与再热及回热系统中的燃气汇合在低压缸中，驱动低压涡轮(11)转动，排出的乏汽依次经蒸汽冷凝器(17)、再热及回热系统、最终回到燃烧室；
燃烧室分为富氢燃料高压燃烧室(6)和富氢燃料中压燃烧室(7)，富氢燃料高压燃烧室(6)和富氢燃料中压燃烧室(7)燃烧产生的高温高压燃气分别进入高压涡轮(8)及中压涡轮(9)中做功，控制高压涡轮(8)及中压涡轮(9)的进口温度。
2.根据权利要求1所述的一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置，其特征在于：富氢燃料为氢气、天然气、生物质催化热解气或尾煤热解气。
3.根据权利要求1所述的一种采用富氢燃料的多能级高效气轮机装置，其特征在于：再热及回热系统包括高压气体再热器(13)、高压回热器(14)、中压气体再热器(15)和中压回热器(16)，高压缸抽出的燃气一部分经过高压气体再热器(13)后进入高压回热器(14)，另一部分直接进入中压缸，进入高压气体再热器(13)及高压回热器(14)的燃气经过再热及回热后进入中压缸；中压缸抽出的燃气一部分经过中压气体再热器(15)后进入中压回热器(16)，另一部分直接进入低压缸中驱动低压涡轮(11)转动，进入中压气体再热器(15)及中压回热器(16)的燃气经过再热及回热后进入低压缸。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |