一种高效节能的燃气机组及其运行方法

技术领域

本申请属于燃气机组技术领域，尤其涉及一种高效节能的燃气机组及其运行方法。

背景技术

燃气机组的灵活性改造和退役机组改造中得到广泛的进行，现有较多的燃气机组面临退役，将退役机组改造可以保留火电厂大部分设备和资产。在现有技术路线下，燃气机组的能量损失较大，因此如何通过现有的火电厂的设备，在机组80％负荷以下时，提高燃机进口温度，对联合循环效率的提升具有积极意义。

发明内容

本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本申请的目的在于提出了一种高效节能的燃气机组及其运行方法，减少了燃气机组的能量损失，在机组80％负荷以下时，提高燃气轮机组件进口空气的温度，对联合循环效率提升的幅度大于对顶循环燃机效率的提升幅度。同时为减小燃气机组冷端能量损耗，抽取温度较高的机力通风冷却塔的循环水作为中介，将燃气轮机组件产生的烟气余热最终传递给燃气轮机组件进口空气，既减小了冷端能量损失，又提高了燃气机组的整体效率。该系统具有使用可操作性强、经济性好、节能效果显著等特点。

为达到上述目的，根据本申请提出的第一个方面提出了一种高效节能的燃气机组，其包括：

热力发电组件，其包括燃气轮机组件、三压汽轮机组件、低温省煤器、凝汽器和机力通风冷却塔；空气和天然气进入所述燃气轮机组件内燃烧做功并输出高温烟气；所述高温烟气与所述三压汽轮机组件换热连接；所述三压汽轮机组件做功后的乏气在所述凝汽器中与所述机力通风冷却塔内的循环水换热后生成凝结水；所述凝结水通入所述低温省煤器内并与换热后的所述高温烟气热交换；

进气加热组件；包括空气预热器和超低温省煤器组成的空气预热通路；所述超低温省煤器的热侧通入所述低温省煤器输出的烟气；其冷侧通入与所述凝汽器换热后所述机力通风冷却塔的循环水，所述超低温省煤器输出的循环水通入所述空气预热器的热侧用于预热进入所述燃气轮机组件的空气，所述空气预热器输出的循环水回流至所述机力通风冷却塔的出水口；

冷端节能组件，包括泵组件和控制器；其中所述泵组件位于所述机力通风冷却塔的出水口和所述凝汽器的冷侧进口之间；所述控制器调控所述泵组件和所述机力通风冷却塔的风机的频率。

在一些实施例中，所述机力通风冷却塔的出水口和所述凝汽器的冷侧进口之间为循环水进水管；所述机力通风冷却塔的进水口和所述凝汽器的冷侧出口之间为循环水出水管；其中循环水出水管上设置与所述超低温省煤器的冷侧进口连通的抽水点；其中循环水进水管上设置与所述空气预热器的连通的回水点；其中根据循环水在所述循环水进水管上的流通方向，所述回水点位于所述泵组件的上游。

在一些实施例中，所述泵组件包括并联的第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵，其中所述泵组件运行时，所述第一循环泵、所述第二循环泵和所述第三循环泵满足以下其中一种情况：

(1)所述第一循环泵、所述第二循环泵和所述第三循环泵定速运行；

(2)所述第一循环泵变频运行，所述第二循环泵和所述第三循环泵均高速运行；

(3)所述第一循环泵变频运行，所述第二循环泵和所述第三循环泵中的其一为高速运行，另一个为低速运行；

(4)所述第一循环泵变频运行，所述第二循环泵和所述第三循环泵均低速运行；

(5)所述第一循环泵变频运行，所述第二循环泵或所述第三循环泵中的其一为低速运行，另一台停止运行；

(6)所述第一循环泵变频运行，所述第二循环泵和所述第三循环泵均停止运行。

在一些实施例中，所述第一循环泵、所述第二循环泵和所述第三循环泵均有与其一一对应的电动机进行驱动。

在一些实施例中，所述控制器分别与所述电动机电连接。

在一些实施例中，所述循环水出水管内抽取至少1/15体积的循环水作为换热工质通入所述超低温省煤器的冷侧。

在一些实施例中，所述超低温省煤器的冷侧出口与所述空气换热器的热侧进口之间设置增压泵和用于净化循环水的滤网。

在一些实施例中，所述高温烟气在多级换热器内与所述凝汽器产生的凝结水换热分别依次生成高压气、中压气和低压气；高压气、中压气和低压气分别进入所述三压汽轮机组件中做功发电，且做功后的乏气进入所述凝汽器，所述低温省煤器输出的温度升高的凝结水通入所述多级换热器内。

根据本申请提出的第二个方面提出了一种高效节能的燃气机组运行方法，对上述任一实施例中所述的燃气机组投入工作，包括；

在所述燃气机组80％负荷以下时，超低温省煤器的冷侧通入与所述凝汽器换热后所述机力通风冷却塔的循环水，所述超低温省煤器输出的升温后的循环水通入所述空气预热器的热侧，用于预热进入所述燃气轮机组件的空气，所述空气预热器输出的循环水回流至所述机力通风冷却塔的出水口；

循环水与所述空气预热器输出的循环水混合进入泵组件加压，而后与所述凝汽器中所述三压汽轮机组件做功后的乏气热交换；所述凝汽器输出的循环水部分进入所述超低温省煤器，剩余部分在所述机力通风冷却塔内循环；期间利用控制器调整所述泵组件和风机的频率。

在一些实施例中，在一定机组负荷下，固定所述机力通风冷却塔内空气相对湿度并不断改变干球温度，计算出当前条件下第一循环泵、第二循环泵和第三循环泵中任意相邻的两个运行方式对应的净收益功率为ΔP1和ΔP2，调整干球温度直至ΔP1等于ΔP2得到一个等效益点；

当相对湿度连续变化时，所述等效益点成为等效益线；所述凝汽器的冷侧进口的循环水温度变化范围内，利用凝汽器变工况特性确定所述泵组件运行方式变换的等效益点，并由此绘制出当前的所述泵组件优化运行等效益曲线，确定当前运行条件下所述泵组件的最佳运行方式。

附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请一实施例提出的高效节能的燃气机组的示意图；

图2是本申请一实施例提出的冷端节能组件的结构示意图；

图3是本申请一实施例提出的一种高效节能的燃气机组运行方法工作流程；

图中，1、高压缸；2、中压缸；3、低压缸；4、空气预热器；5、燃气轮机；6、燃机发电机；7、第二烟气-空气换热器；8、高压给水加热器；9、中压气包；10、中压给水加热器；11、第三烟气-空气换热器；12、低压气包；13、低压给水加热器；14、低温省煤器；15、增压泵；16、超低温省煤器；17、滤网；18、第一烟气-空气换热器；19、高压气包；20、除氧器；21、汽机发电机；22、凝汽器；23、凝结水泵；24、第二循环泵；25、第三循环泵；26、机力通风冷却塔；27、回水点；28、抽水点；29、控制器；30、第一循环泵。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。相反，本申请的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

为达到上述目的，根据本申请提出的第一个方面提出了一种高效节能的燃气机组，其包括：热力发电组件、进气加热组件和冷端节能组件；

热力发电组件包括燃气轮机5组件、三压汽轮机组件、低温省煤器14、凝汽器22和机力通风冷却塔26；空气和天然气进入燃气轮机5组件内燃烧做功并输出高温烟气；高温烟气与三压汽轮机组件换热连接；三压汽轮机组件做功后的乏气在凝汽器22中与机力通风冷却塔26内的循环水换热后生成凝结水；凝结水通入低温省煤器14内并与换热后的高温烟气热交换；

其中，热力发电组件为现有技术，其中燃气轮机5组件包括燃气轮机5和燃机发电机6，空气和天然气进入燃气轮机5中燃烧做功，并带动燃机发电机6发电，燃气轮机5燃烧做功并输出高温烟气，其中高温烟气与三压汽轮机组件换热连接。换言之三压汽轮机组件包括高压缸1、中压缸2和低压缸3，在多级换热器内与凝汽器22产生的凝结水换热分别依次生成高压气、中压气和低压气，依次进入高压缸1、中压缸2和低压缸3中做功，并带动汽机发电机21发电。

示例的如图1所示，多级换热器分别为第一烟气-空气换热器18、第二烟气-空气换热器7和第三烟气-空气换热器11；其中燃气轮机5输出的高温烟气进入第一烟气-空气换热器18，与其中的高压气包19输出的高压气换热后，将高压气加热为高压气并进入高压缸1中做功，高压缸1做功后的乏气进入中压缸2。同理第一烟气-空气换热器18输出的换热后的烟气进入第二烟气-空气换热器7，并在第二烟气-空气换热器7中与其中的中压气包9输出的中压气换热；中压气换热后生成高压气可通入高压缸1中做功；第二烟气-空气换热器7输出的换热后的烟气进入第三烟气-空气换热器11；并在第三烟气-空气换热器11中与其中的低压气包12输出的低压气换热；低压气换热后生成中压气可通入中压缸2中做功；中压缸2做功后的乏气进入低压缸3中继续做功，低压缸3做功后的乏气进入凝汽器22，被机力通风冷却塔26的循环水冷却后变为凝结水，通过凝结水泵23依次经过低温省煤器14的冷侧，低压给水加热器13的冷侧、除氧器20、中压给水加热器10的冷侧、高压给水加热器8的冷侧，因热力发电组件为现有技术，其中低温省煤器14的布设也可参考相关技术。

本实施例特殊的是，本申请包括进气加热组件和冷端节能组件；进气加热组件包括空气预热器4和超低温省煤器16组成的空气预热通路；超低温省煤器16的热侧通入低温省煤器14输出的烟气；其冷侧通入与凝汽器22换热后机力通风冷却塔26的循环水，超低温省煤器16输出的循环水通入空气预热器4的热侧用于预热进入燃气轮机5组件的空气，空气预热器4输出的循环水回流至机力通风冷却塔26的出水口。

换言之，进气加热组件包括空气预热器4和超低温省煤器16；其中超低温省煤器16的热侧入口连接低温省煤器14的热侧出口，将低温省煤器14输出的换热后的烟气输入超低温省煤器16内，进一步回收烟气的热量后输出至下游。在此过程中超低温省煤器16的冷侧通入与凝汽器22换热后机力通风冷却塔26的循环水；循环水经过升温后经过超低温省煤器16的冷侧出口输出，超低温省煤器16的冷侧出口连通空气预热器4的热侧入口，同时在空气预热器4的冷侧通入空气，预热后的空气进入燃气轮机5组件，用于提高燃气轮机5组件的做功效率，同时空气预热器4输出的循环水回流至机力通风冷却塔26的出水口。

可知的现有的燃气机组余热锅炉尾部烟道基本都设置了低温省煤器14，低温省煤器14的排烟温度范围为80℃-90℃，取排烟温度为90℃进行改造计算。如图1所示，在低温省煤器14排烟下游添加超低温省煤器16，将排烟温度余热利用至50℃，计算得到超低温省煤器16的传热面积为28461m

其中需要解释的，机力通风冷却塔26为本领域常用的设备，其中开设有进水口和出水口、进风口和出风口，其中进风口中通入空气，进水口中通入循环水，利用风机的转速控制其中的空气流通速度和流量，其中机力通风冷却塔26的出水口和凝汽器22的冷侧进口之间为循环水进水管；机力通风冷却塔26的进水口和凝汽器22的冷侧出口之间为循环水出水管；因此循环水在循环水进水管、凝汽器22的冷侧、循环水出水管、机力通风冷却塔26之间循环。本实施例特殊的是循环水出水管上设置与超低温省煤器16的冷侧进口连通的抽水点28；其中循环水进水管上设置与空气预热器4的连通的回水点27；其中根据循环水在循环水进水管上的流通方向，回水点27位于泵组件的上游。

循环水的取水点对最终效果具有决定性影响，经过核算，从循环水进水管内抽水，水温为30℃-40℃，以35℃计算，循环水出水管内的水温为15℃-25℃，这样效果明显且降低了机力通风冷却塔26的热负荷，减小燃气轮机5机力通风冷却塔26轴流风机的功耗，节能效益明显。

冷端节能组件包括泵组件和控制器29；其中泵组件位于机力通风冷却塔26的出水口和凝汽器22的冷侧进口之间；控制器29调控泵组件和机力通风冷却塔26的风机的频率。

其中冷端节能组件包括泵组件和控制器29，其中泵组件位于机力通风冷却塔26的出水口和凝汽器22的冷侧进口之间，换言之，泵组件位于循环水进水管上，控制器29调控泵组件的泵送频率和调节机力通风冷却塔26的风机的频率。

可知的，进气加热组件和冷端节能组件相互关联，在燃气机组80％负荷以下时，提高燃气轮机5组件的进口空气温度，对联合循环效率的提升具有积极意义。燃气轮机5组件的进口空气进气加热后，其输出的高温烟气温度提高，余热锅炉凝结水流量增大，凝汽器22热负荷也随之改变，同时凝汽器22输出的部分循环水又被抽取，机力通风冷却塔26功耗降低，被抽取的循环水经超低温省煤器16加热后经增压泵15送至空气预热器4预热空气。这些因素的影响关系错综复杂，因此当燃气轮机5组件的进口空气温度改变后，需要实时调节泵组件的运行方式使汽机发电机21达到最佳出力。

在一些实施例中，如图2所示泵组件包括并联的第一循环泵30、第二循环泵24和第三循环泵25，其中泵组件运行时，第一循环泵30、第二循环泵24和第三循环泵25满足以下其中一种情况：

(1)第一循环泵30、第二循环泵24和第三循环泵25定速运行；

(2)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24和第三循环泵25均高速运行；

(3)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24和第三循环泵25中的其一为高速运行，另一个为低速运行；

(4)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24和第三循环泵25均低速运行；

(5)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24或第三循环泵25中的其一为低速运行，另一台停止运行；

(6)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24和第三循环泵25均停止运行。

其中，在循环水进水管道上并列设置有第一循环泵30、第二循环泵24和第三循环泵25，示例的，第一循环泵30与第二循环泵24相邻、第二循环泵24与第三循环泵25相邻。其中第一循环泵30、第二循环泵24和第三循环泵25均有与其一一对应的电动机进行驱动；例如第一循环泵30对应第一电动机；其中第二循环泵24和第三循环泵25分别对应第二电动机和第三电动机；第一电动机、第二电动机和第三电动机分别与控制器29电连接。

由上述可知，循环水在机力通风冷却塔26冷却后与回水点27通入的由空气预热器4输出的回液混合后进入泵组件加压，然后进入凝汽器22的冷侧用于冷却低压缸3输出的乏气，凝汽器22内换热后的循环水在抽水点28分离一股进入超低温省煤器16的冷侧；由于循环水量随着循环水温、燃气机组负荷、凝汽器22的乏气加热效果等因素在不断变化，因此需要通过控制器29不断调节泵组件和风机的频率。

其中第一循环泵30、第二循环泵24和第三循环泵25满足以下其中一种情况：

(1)第一循环泵30、第二循环泵24和第三循环泵25定速运行；

(2)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24和第三循环泵25均高速运行；

(3)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24和第三循环泵25中的其一为高速运行，另一个为低速运行；

(4)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24和第三循环泵25均低速运行；

(5)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24或第三循环泵25中的其一为低速运行，另一台停止运行；

(6)第一循环泵30变频运行，第二循环泵24和第三循环泵25均停止运行。

在一些实施例中，超低温省煤器16的冷侧出口与空气换热器的热侧进口之间设置增压泵15和用于净化循环水的滤网17。

由于循环水压力较低，超低温省煤器16的冷侧出口与空气换热器的热侧进口之间需要增设一台增压泵15，由于循环水的水质较差，还需要增加滤网17对循环水进行处理。

根据本申请提出的第二个方面提出了一种高效节能的燃气机组运行方法，如图3所示，对上述任一实施例中的燃气机组投入工作，包括；

S1:在燃气机组80％负荷以下时，超低温省煤器16的冷侧通入与凝汽器22换热后机力通风冷却塔26的循环水，超低温省煤器16输出的升温后的循环水通入空气预热器4的热侧，用于预热进入燃气轮机5组件的空气，空气预热器4输出的循环水回流至机力通风冷却塔26的出水口；

S2:循环水与空气预热器4输出的循环水混合进入泵组件加压，而后与凝汽器22中三压汽轮机组件做功后的乏气热交换；凝汽器22输出的循环水部分进入超低温省煤器16，剩余部分在机力通风冷却塔26内循环；期间利用控制器29调整泵组件和风机的频率。

其中，S2中利用控制器29调整泵组件和风机的频率的调节方法为；在一定机组负荷下，固定机力通风冷却塔26内空气相对湿度并不断改变干球温度，计算出当前条件下第一循环泵30、第二循环泵24和第三循环泵25中任意相邻的两个运行方式对应的净收益功率为ΔP1和ΔP2，调整干球温度直至ΔP1等于ΔP2得到一个等效益点；当相对湿度连续变化时，等效益点成为等效益线；凝汽器22的冷侧进口的循环水温度变化范围内，利用凝汽器22变工况特性确定泵组件运行方式变换的等效益点，并由此绘制出当前的泵组件优化运行等效益曲线，确定当前运行条件下泵组件的最佳运行方式。

示例的，空气预热器4面积为18520m

需要说明的是，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。