一种回收联合循环机组燃机TCA/FGH余热的ORC系统

技术领域

本发明属于能源系统余能回收利用技术领域，具体涉及一种回收联合循环机组燃机TCA/FGH余热的ORC系统。

背景技术

目前H级和F级燃气轮机的透平进气温度普遍高达1500℃左右，为保证燃气轮机燃烧室衬套、喷嘴和动叶片等热通道部件在高温环境能够安全可靠运行，热通道部件均设计有冷却空气通道，通道内的冷却空气通常来自燃气轮机压气机中间级抽气，为降低冷却空气用量减少压气机耗功，部分型号的燃气轮机配置了TCA/FGH系统，即透平转子冷却空气/燃料性能加热器换热系统，例如三菱的M701F型燃气轮机。在TCA/FGH系统中，引风机吸入低温空气，低温空气与TCA换热器中的压气机抽气换热形成高温空气，高温空气再与FGH换热器中的低温燃料换热排入大气。一般情况下，FGH换热器中的低温燃料只能回收TCA换热器中压气机抽气热量的60％左右，TCA/FGH系统在机组设计条件下仍会向大气排出180℃左右的废热空气，不仅造成了能源浪费，同时对环境产生了一定的热污染。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种回收联合循环机组燃机TCA/FGH余热的ORC系统，能够有效提高机组运行经济性。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种回收联合循环机组燃机TCA/FGH余热的ORC系统，包括燃机TCA/FGH系统和ORC余热利用系统；

所述ORC余热利用系统包括余热利用换热器和ORC工质循环装置，余热利用换热器的热侧进出口分别与燃机TCA/FGH系统的废热管路并联接驳，余热利用换热器的冷侧与ORC工质循环装置连接，余热利用换热器的热侧利用燃机TCA/FGH系统的废热对ORC工质循环装置冷侧的工质加热，加热后的工质驱动ORC工质循环装发电。

优选的，所述ORC工质循环装包括ORC蒸发器、ORC膨胀机、ORC冷凝器和ORC储液罐；

所述ORC储液罐通过ORC工质泵与ORC蒸发器的冷侧连接，ORC蒸发器的热侧与余热利用换热器的冷侧连接，ORC蒸发器的冷侧出口与ORC膨胀机的入口连接，ORC膨胀机的出口与ORC冷凝器连接，ORC冷凝器与ORC储液罐的入口连接。

优选的，所述ORC蒸发器的冷侧出口与ORC蒸发器的冷侧出口连接ORC过冷器的冷侧入口，ORC过冷器的冷侧出口与ORC膨胀机的入口连接；

所述ORC过热器的热侧利用吸收联合循环机组蒸汽管路的热量对工质进行再次升温。

优选的，所述ORC过热器的热侧与汽机抽汽换热器的冷侧连接并形成循环管路，汽机抽汽换热器的热侧设置在联合循环机组的蒸汽管路上。

优选的，所述ORC膨胀机的排气端与ORC回热器连接，ORC回热器的出口与ORC冷凝器的连接。

优选的，所述余热利用换热器的入口设置有余热利用控制阀组，ORC冷凝器的给水管路通过循环水控制阀组与冷却塔连接，通过余热利用控制阀组和循环水控制阀组控制ORC余热利用系统的运行状态。

优选的，所述燃机TCA/FGH系统包括热交换器罩壳，以及设置在其内部的TCA换热器和FGH换热器；

所述热交换器罩壳的底部设置有进气口并与引风机A连接，热交换器罩壳的出气口通过废热管路与余热锅炉的烟囱连接，TCA换热器的热侧进气端连接燃气轮机压气机抽气，TCA换热器的热侧出气端连接燃气轮机压气机，FGH换热器的冷侧出气端连接燃气轮机燃烧室。

优选的，所述工质为烷烃、氢氟碳化合物、碳氢化合物和氯氟烃中的至少一种。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的一种回收联合循环机组燃机TCA/FGH余热的ORC系统，将余热利用换热器与燃机TCA/FGH系统废热管道采用并联方式驳接，当燃机TCA/FGH余热利用ORC系统不工作时，燃机TCA/FGH系统废热通过烟囱正常排放。当燃机TCA/FGH余热利用ORC系统工作时，利用热能交换原理将燃机TCA/FGH系统中的废热回收，加热ORC余热利用系统的有机工质产生蒸汽，同时利用汽轮机抽汽补充加热产生过热蒸汽，推动ORC膨胀机做功，驱动发电机输出额外电能，增加联合循环机组的发电功率和发电效率，提升机组调峰性能，另一部分废热通过烟囱正常排出，有效提高机组运行经济性。

进一步，燃机TCA/FGH余热利用ORC系统的冷端循环水可采用与联合循环机组冷端循环水并联使用的方式实现，通过循环水控制阀组配合调控即可，如此一来不仅节省了设备投资，还减少了系统占地。

附图说明

图1为本发明一种回收联合循环机组燃机TCA/FGH余热的ORC系统的示意图。

图中：1为燃气轮机；2为余热锅炉；3为气轮机；4为凝汽器；5为冷却塔；6为给水泵；7为烟囱；8为燃机TCA/FGH系统；8A为引风机；8B为TCA换热器；8C为FGH换热器；9为余热利用换热器；10为余热利用控制阀组；11为汽机抽汽换热器；12为汽机抽汽控制阀组；13为ORC蒸发器；14为ORC过热器；15为ORC膨胀机；16为ORC回热器；17为ORC冷凝器；18为ORC储液罐；19为ORC工质泵；20为循环水控制阀组。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1，一种回收联合循环机组燃机TCA/FGH余热的ORC系统，包括联合循环机组、燃机TCA/FGH系统8和ORC余热利用系统，燃机TCA/FGH系统8与联合循环机组连接，ORC余热利用系统与燃机TCA/FGH系统的废热管路并联接驳。

所述联合循环机组包括燃气轮机1、余热锅炉2、汽轮机3、凝汽器4、冷却塔5和给水泵6。

所述燃气轮机1与汽轮机3的同轴连接，汽轮机3的输出端与发电机G连接，余热锅炉2通过蒸汽管路与汽轮机3的进气端连接，汽轮机3的排气端通过凝汽器4的热侧入口连接，凝汽器4的热侧出口通过给水泵6与余热锅炉2给水管路连接，冷凝器的冷侧与冷却塔5连接。

所述蒸汽管路上设置有汽机抽汽控制阀组12，包括第一阀门和第二阀门，蒸汽管路通过第一阀门和第二阀门分为两个蒸汽支路，两个蒸汽支路分别与汽轮机3的进气端连接。

所述燃机TCA/FGH系统8包括热交换器罩壳，以及设置在其内部的TCA换热器8B和FGH换热器8C，热交换器罩壳的底部设置有进气口并与引风机8A连接，热交换器罩壳的出气口通过废热管路与余热锅炉2的烟囱连接，TCA换热器8B上设置有压缩空气进出口，FGH换热器8C上设置有燃料进出口，TCA换热器8B的热侧进气端连接燃气轮机压气机抽气，TCA换热器8B的热侧出气端连接燃气轮机2压气机，FGH换热器8C的冷侧出气端连接燃气轮机2的燃烧室。

在燃机TCA/FGH系统8中，引风机8A吸入低温空气，低温空气与TCA换热器8B热侧的压气机抽气换热形成高温空气，高温空气再与FGH换热器8C中的低温燃料换热排入大气。

所述ORC余热利用系统包括余热利用换热器9和ORC工质循环装，余热利用换热器9的热侧进出口分别与燃机TCA/FGH系统8的废热管路并联接驳，余热利用换热器9的冷侧与ORC工质循环装置连接，余热利用换热器9利用燃机TCA/FGH系统8的废热对ORC工质循环装置的工质加热，加热后的工质驱动ORC工质循环装发电，实现燃机TCA/FGH系统8的废热利用。

燃机TCA/FGH系统8的废热出口设置有余热利用控制阀组10，其包括第三阀门和第四阀门，第三阀门设置在废热管道的入口，第四阀门设置在余热利用换热器9的热侧入口，当第三阀门打开和第四阀门关闭，燃机TCA/FGH系统8的废热通过废热管路进入烟囱排向大气，当第三阀门关闭和第四阀门打开，燃机TCA/FGH系统8的废热进入余热利用换热器9对ORC工质循环装置中的工质加热。

ORC工质循环装置包括ORC蒸发器13、ORC过热器14、ORC膨胀机15、ORC回热器16、ORC冷凝器17、ORC储液罐18和ORC工质泵19。

所述ORC储液罐18的出口连接ORC工质泵19的入口，ORC工质泵19的出口连接ORC蒸发器13的冷侧入口，ORC蒸发器13的热侧与余热利用换热器9的冷侧连接并形成循环管路，ORC蒸发器13的冷侧出口连接ORC过冷器14的冷侧入口，ORC过热器14的热侧与汽机抽汽换热器11的冷侧连接并形成循环管路，汽机抽汽换热器11的热侧设置在汽轮机3入口的蒸汽管路上，ORC过热器14的冷侧出口与ORC膨胀机15的进气端连接，ORC膨胀机15的排气端与ORC回热器16连接，ORC回热器16的出口与ORC冷凝器17的连接，ORC冷凝器17的出口与ORC储液罐18的入口连接，ORC冷凝器17的给水管路通过循环水控制阀组20与冷却塔连接，循环水控制阀组20包括第五阀门和第六阀门，第五阀门设置在ORC冷凝器17的进水管路上，第六阀门设置在ORC冷凝器17的回水管路上。

当ORC余热利用系统工作时，ORC工质泵19增压将ORC储液罐18中的工质增压输送至ORC蒸发器13的冷侧，ORC蒸发器13的热侧与余热利用换热器换热升温后对冷侧的工质加热使其沸腾，加热后的高温工质进入ORC过热器14的冷侧，并通过蒸气管路的热量对工质进行补充加热，然后再次升温后的工质进入ORC膨胀机做功并带动发电机工作，做功降温后的工质进入ORC回热器，然后在进入ORC冷凝器17与冷凝水换热降温凝结返回ORC储液罐，完成循环。

所述ORC余热利用系统中的工质为有机工质，不局限于烷烃、氢氟碳化合物、碳氢化合物、氯氟烃等纯工质，也可以选择非共沸点混合工质，利用蒸发及冷凝过程温度滑移的现象提高冷热源温度的匹配度，减小系统的不可逆损失。

ORC余热利用系统的余热利用换热器、汽机抽汽换热器等设备需要根据详细换热计算进行设计。同理，燃机TCA/FGH余热利用ORC系统的ORC蒸发器、ORC过热器与ORC回热器也需要根据详细换热计算进行设计。

该回收联合循环机组燃机TCA/FGH余热的ORC系统，将余热利用换热器与燃机TCA/FGH系统废热管道采用并联方式驳接，通过余热利用控制阀组10、汽机抽汽控制阀组12、循环水控制阀组配合调控。当燃机TCA/FGH余热利用ORC系统不工作时，燃机TCA/FGH系统废热通过烟囱正常排放。当燃机TCA/FGH余热利用ORC系统工作时，利用热能交换原理将燃机TCA/FGH系统中的废热回收，加热ORC余热利用系统的有机工质产生蒸汽，同时利用汽轮机抽汽补充加热产生过热蒸汽，推动ORC膨胀机做功，驱动发电机输出额外电能，增加联合循环机组的发电功率和发电效率，提升机组调峰性能，另一部分废热通过烟囱正常排出，有效提高机组运行经济性。同时，燃机TCA/FGH余热利用ORC系统的冷端循环水可采用与联合循环机组冷端循环水并联使用的方式实现，通过循环水控制阀组配合调控即可，如此一来不仅节省了设备投资，还减少了系统占地。

本发明将TCA/FGH系统余热回收合理利用，不仅可以防止环境污染，还可以有效提高机组总体发电效率。目前低温热源驱动热能转化为动能或电能的技术主要包括有机朗肯循环系统(Organic Rankine Cycle，ORC)、斯特林系统(Stirling Cycle)、卡琳娜系统(Kalina Cycle)和热电转化材料等方式。相比其他方式，ORC系统具有结构相对简单、安全稳定性高、运行成本低等优势。ORC系统的工作原理与传统的朗肯循环基本一致，也是通过绝热压缩、等熵膨胀、等压加热及做功放热四个过程构成热力循环系统，其特点在于以低沸点有机工质作为系统循环工质，在热源温度较低时即可发生沸腾产生蒸汽推动膨胀机做功，进而驱动发电机输出电能。本发明利用ORC系统合理回收燃气轮机TCA/FGH系统余热，实现联合循环机组发电效率的提升，不仅符合能源梯级利用的原则，还会提高机组运行的经济性，具有较大的节能环保意义和较高的推广价值。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。