联合循环余热锅炉烟气热量调节系统和方法

技术领域

本发明涉及发电技术领域，具体涉及一种联合循环余热锅炉烟气热量调节系统和方法。

背景技术

燃气轮机联合循环发电是由燃气轮机燃烧天然气发电，并将燃机排出的高温烟气送入余热锅炉，利用烟气的热量，在余热锅炉中生产出高温高压的蒸汽，再去驱动汽轮发电机组，形成燃气－蒸汽联合循环。联合循环是把两个使用不同工质的独立的动力循环，通过能量交换联合在一起的循环。因此，提升机组效率的目标之一是从燃气轮机排出烟气中的热量中产生尽可能多的有用功。

目前，利用可再生能源发电能够减少碳排放，但是太阳能和风能等能源具有间歇性，联合循环发电厂为了能快速上升负荷以响应电网需求，现有技术采用余热锅炉烟道补燃的方法增大烟气的热量，从而能够实现具有更高流量、温度和更高压力的蒸汽的超临界蒸汽循环，但是传统的余热锅炉补燃普遍采用化石燃料，导致联合循环电厂排放气体中含有更多的二氧化碳，会对生态环境造成破坏。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中联合循环机组采用化石燃料为余热锅炉补燃增加烟气热量，增加了二氧化碳排放的缺陷。

为了解决上述问题，本发明提供了一种联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，包括：

燃气轮机，适于驱动发电机发电；

余热锅炉，与所述燃气轮机相连接，适于回收所述燃气轮机排放烟气中热量产生蒸汽；

补燃装置，所述补燃装置包括多个第一喷嘴和变压吸附热分离器，所述变压吸附热分离器与燃气轮机和所述第一喷嘴相连接，所述变压吸附热分离器适于分解氨并且变压吸附氮气，所述第一喷嘴设置在所述余热锅炉内，所述第一喷嘴适于调节所述余热锅炉内烟气热量。

进一步地，此联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，所述余热锅炉包括：

过渡烟道，设置在所述余热锅炉靠近所述燃气轮机的一侧，且与所述燃气轮机相连接；

主烟道，设置在所述余热锅炉内，与所述过渡烟道相连通，所述第一喷嘴分别设置在所述过渡烟道和所述主烟道内。

进一步地，此联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，所述余热锅炉还包括：

第一换热器，设置在所述主烟道内远离所述过渡烟道的一侧，所述第一喷嘴设置在所述第一换热器处；

过热器，设置在所述主烟道内靠近所述过渡烟道的一侧，所述过热器与所述第一换热器相连接，所述第一喷嘴设置在所述过热器处；

再热器，设置在所述主烟道内靠近所述过渡烟道的一侧，所述再热器与所述过热器相连接，所述第一喷嘴设置在所述再热器处。

进一步地，此联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，所述燃气轮机包括：

压气机，与所述变压吸附热分离器相连接；

燃烧室，与所述压气机相连接；

涡轮机，与所述燃烧室、所述变压吸附热分离器和所述过渡烟道相连接。

进一步地，此联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，还包括：

氨源，与所述变压吸附热分离器相连接，适于提供氨；

第二换热器，设置在所述变压吸附热分离器内，与所述外箱和所述压气机相连接。

进一步地，此联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，还包括：

储罐，与所述变压吸附热分离器相连接。

进一步地，此联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，所述余热锅炉还包括：

烟囱，与所述主烟道远离所述过渡烟道的一端相连接；

集水器，设置在所述烟囱底部，适于收集所述烟囱中的水。

进一步地，此联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，还包括：

汽轮机，与所述再热器相连接；

发电机，与所述汽轮机相连接；

凝汽器，与所述汽轮机相连接。

进一步地，此联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，还包括：

吹扫装置，设置在所述主烟道内，与所述储罐相连接，所述吹扫装置上设有多个第二喷嘴。

本发明还提供了一种联合循环余热锅炉烟气热量调节方法，采用上述的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，包括：

步骤S1、所述燃气轮机燃烧发电，并利用可再生能源电力或富余电力制氨；

步骤S2、当机组正常运行且需要升高负荷时，利用所述压气机中抽气的热量将制得的所述氨输入所述变压吸附热分离器中热分解为出氢气和氮气，然后变压吸附氮气，剩余产物为富氢氨气；

步骤S3、将制得的所述富氢氨气为补燃气输送至所述过渡烟道预热；

步骤S4、根据机组实际需要，控制各个所述第一喷嘴点火，对所述第一换热器、所述过热器和所述再热器加热，再利用加热后的蒸汽驱动所述汽轮机发电；

步骤S5、将分解的所述氮气输入所述吹扫装置中对所述第一换热器吹扫。

本发明具有以下优点：

1.本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，包括燃气轮机、余热锅炉和补燃装置，燃气轮机适于驱动发电机发电，余热锅炉与燃气轮机相连接，适于回收燃气轮机排放烟气中热量产生蒸汽，补燃装置包括多个第一喷嘴和变压吸附热分离器，变压吸附热分离器与燃气轮机和第一喷嘴相连接，变压吸附热分离器适于分解氨，第一喷嘴设置在余热锅炉内，第一喷嘴适于调节余热锅炉内烟气热量。

通过设置补燃装置，利用燃气轮机中的热量作为热源将变压吸附热分离器中的氨气分解，变压吸附分离氮气后的富氢氨气作为补燃气通过多个喷嘴输入至余热锅炉内，在余热锅炉的内部多区域点火引燃与烟气中的氧气燃烧反应，提高了余热锅炉内的温度，从而增加了余热锅炉产生的蒸汽量，进而可为发电机提供更多的驱动力，无需过度燃烧燃气轮机来增加驱动力，对热部件起到保护的作用，同时采用富氢氨燃料补燃不会产生碳氧化物，降低了发电过程中的碳排放，具有更好的环保效果。

2.本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，余热锅炉还包括第一换热器、过热器和再热器，第一换热器设置在主烟道内远离过渡烟道的一侧，第一喷嘴设置在第一换热器处，过热器设置在主烟道内靠近过渡烟道的一侧，过热器与第一换热器相连接，第一喷嘴设置在过热器处，再热器设置在主烟道内靠近过渡烟道的一侧，再热器与过热器相连接，第一喷嘴设置在再热器处。

通过将过热器和再热器设置在靠近过渡烟道的一侧，将第一换热器设置在远离过渡烟道的一侧，补燃时先点燃位于过渡烟道中的第一喷嘴，使余热锅炉内快速升温，高温烟气随过渡烟道输送至主烟道中，待主烟道中温度达到点火温度后关闭位于过渡烟道中的第一喷嘴，开启位于主烟道中朝向第一换热器的喷嘴，对主烟道内的第一换热器进行加热，可避免过热器和再热器超温。将补燃装置放置在余热锅炉烟道中较冷的位置，能容许补燃额外的燃料。

3.本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，燃气轮机包括压气机、燃烧室和涡轮机，压气机与变压吸附热分离器相连接，燃烧室与压气机相连接，涡轮机与燃烧室、变压吸附热分离器和过渡烟道相连接。

压气机将空气压缩后温度升高，通过将部分压气机中压缩后的高温压缩空气输入至变压吸附热分离器中换热，可为变压吸附热分离器中分解氨气提供热量，无需单独对变压吸附热分离器加热，降低了能源的消耗，换热后的压缩空气温度降低，再将换热后的压缩空气输入至涡轮机中，可对涡轮机叶片降温冷却，使压气机中部分压缩空气的热量得到有效利用。

4.本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，还包括氨源和第二换热器，氨源与变压吸附热分离器相连接，适于提供氨，第二换热器设置在变压吸附热分离器内，与外箱和压气机相连接。

由于氨具有易挥发性，低温液态氨的贮存能力较强，将燃气轮机中的热量输入至第二换热器中可对液态氨换热。

5.本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，还包括与变压吸附热分离器相连接的储罐，变压吸附热分离器将氨分解出的氮气输入至储罐中储存。

6.本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，余热锅炉还包括烟囱和集水器，烟囱与主烟道远离过渡烟道的一端相连接，集水器设置在烟囱底部，适于收集烟囱中的水。通过设置集水器，可将排出的烟气在烟囱中冷凝的水进行回收，作为余热锅炉给水，起到节约能源的作用。

7.本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，还包括汽轮机、发电机和凝汽器，汽轮机与再热器相连接，发电机与汽轮机相连接，凝汽器与汽轮机相连接。

再热器中输出的高温饱和蒸汽驱动汽轮机运转进行发电，将汽轮机中输出的蒸汽在凝汽器中冷却为水可循环再利用，提高了水的利用率，还节约了能源。

8.本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，还包括设置在主烟道内与储罐相连接的吹扫装置，吹扫装置上设有多个第二喷嘴，可将储罐中的高温氮气输入吹扫装置，稀释主烟道低温段的烟气，以去除残余在主烟道中的水分，避免水蒸气冷凝生成酸性硫化物腐蚀管道。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统示意图；

图2为本发明实施例2中提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统示意图。

附图标记说明：

1、燃气轮机；11、压气机；12、燃烧室；13、涡轮机；14、外箱；15、气泵；16、第一导管；2、发电机；3、余热锅炉；31、过渡烟道；32、主烟道；33、第一换热器；34、过热器；35、再热器；36、烟囱；37、集水器；4、补燃装置；41、第一喷嘴；42、变压吸附热分离器；43、吹扫装置；44、第二喷嘴；5、氨源；51、氨储罐；52、第一流量阀；6、第二换热器；7、储罐；71、第二流量阀；8、汽轮机；9、凝汽器。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，为本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，包括燃气轮机1、余热锅炉3和补燃装置4，燃气轮机1适于驱动发电机2发电，余热锅炉3与燃气轮机1相连接，适于回收燃气轮机1排放烟气中热量产生蒸汽，补燃装置4包括多个第一喷嘴41和变压吸附热分离器42，变压吸附热分离器42与燃气轮机1和第一喷嘴41相连接，变压吸附热分离器42适于分解氨，第一喷嘴41设置在余热锅炉3内，第一喷嘴41适于调节余热锅炉3内温度。

通过设置补燃装置4，利用燃气轮机1中的热量作为热源将变压吸附热分离器42中的氨气分解，产生的氢气和氨气混合为富氢氨气作为补燃气通过多个喷嘴输入至余热锅炉3内，在余热锅炉3的内部多区域点火引燃与烟气中的氧气燃烧反应，提高了余热锅炉3内的温度，从而增加了余热锅炉3产生的蒸汽量，进而可为发电机2提供更多的驱动力，无需过度燃烧燃气轮机1来增加驱动力，对热部件起到保护的作用，同时采用富氢氨燃料补燃不会产生碳氧化物，降低了发电过程中的碳排放，具有更好的环保效果。

本实施例中，补燃装置4包括输送补燃气的引气管道，在出口端装配有至少一个点火器，通过电驱动点火器产生约1000℃至1500℃的高温火焰，补燃装置4还配置有一个横向流道管，第一喷嘴41设置在流道管上，第一喷嘴41可将补燃气散布到余热锅炉中。

本实施例中，变压吸附热分离器42中氨的来源可采用可再生能源中的电力或电网中富余电力制氨，在催化作用下将空气转化为氢气、氮气、氧气，结合哈伯法(Haberprocess)合成氨工艺流程合成氨气，经过加水勾兑和加压、降温，可以生产液态氨作为储能介质，将电能转化为化学能储存在约10bar或大约-33.5℃的氨储罐51中，当电力需求增加时可将氨通过钌(Ru)的催化高温分解生成氢气和氮气，其中氢气和氨气可作为补燃剂参与发电，液氨在热分解时，可将其中的水分回收再利用。

本实施例中，余热锅炉3包括过渡烟道31和主烟道32，过渡烟道31设置在余热锅炉3靠近燃气轮机1的一侧，且与燃气轮机1相连接，主烟道32设置在余热锅炉3内，与过渡烟道31相连通，第一喷嘴41分别设置在过渡烟道31和主烟道32内。

由于氨不易燃且燃烧速度慢，将氨气和氨分解出的氢气混合为富氢氨可提高氨的易燃性，富氢氨燃料和燃气轮机1烟气进一步混合预热，达到一定温度点火和氧气反应，生成物为水和氮气，而余热锅炉3中热生成的氮氧化物可以忽略不计。

本实施例中，余热锅炉3还包括第一换热器33、过热器34和再热器35，第一换热器33设置在主烟道32内远离过渡烟道31的一侧，第一喷嘴41设置在第一换热器33处，过热器34设置在主烟道32内靠近过渡烟道31的一侧，过热器34与第一换热器33相连接，第一喷嘴41设置在过热器34处，再热器35设置在主烟道32内靠近过渡烟道31的一侧，再热器35与过热器34相连接，第一喷嘴41设置在再热器35处。

本实施例对第一换热器33不做具体限定，为符合现实情况，本实施例中第一换热器33可为低压换热器或中压换热器，也可以是低压换热器与中压换热器相组合的换热器，其作用均为将工质水通过换热为高温蒸汽后进入过热器34和再热器35中继续换热为过热的饱和蒸汽。

通过将过热器34和再热器35设置在靠近过渡烟道31的一侧，将第一换热器33设置在远离过渡烟道31的一侧，补燃时先点燃位于过渡烟道31中的第一喷嘴41对过渡烟道31内烟气预热，使余热锅炉3内快速升温，高温烟气随过渡烟道31输送至主烟道32中，待主烟道32中温度达到点火温度后关闭位于过渡烟道31中的第一喷嘴41，开启位于主烟道32中朝向第一换热器33的喷嘴，使主烟道32内烟气温度升高至780℃对第一换热器33进行加热，可避免过热器34和再热器35超温。

本实施例中，燃气轮机1包括压气机11、燃烧室12和涡轮机13，压气机11与变压吸附热分离器42相连接，燃烧室12与压气机11相连接，涡轮机13与燃烧室12、变压吸附热分离器42和过渡烟道31相连接。

压气机11将空气压缩后温度升高至450℃，通过将部分压气机11中压缩后的高温压缩空气输入至变压吸附热分离器42中换热，可为变压吸附热分离器42中分解氨气提供热量，无需单独对变压吸附热分离器42加热，降低了能源的消耗，换热后的压缩空气温度降低至250℃，再将换热后的压缩空气输入至涡轮机13中，可对涡轮机13叶片降温冷却，使压气机11中部分压缩空气的热量得到有效利用。

具体来说，燃气轮机1排出的尾气中含氧量较高，燃气轮机1尾气中的氧含量按体积计为12％至15％，这是由于压气机11中的部分压缩空气未经燃烧室12燃烧，换热后用于冷却涡轮机13的叶片，因此燃气轮机1出口处剩余的氧气含量足以在主烟道32中燃烧补充的燃料并增加烟气的温度。

本实施例中，还包括氨源5和第二换热器6，氨源5与变压吸附热分离器42相连接，适于提供氨，第二换热器6与外箱14和压气机11相连接。

由于氨具有易挥发性，低温液态氨的贮存能力较强，将燃气轮机1外箱14中产生的热量通过气泵15输送至第二换热器中对液氨换热，液氨受热后析出氨气。

本实施例中，氨源5可采用可再生能源电力或电网中富余电力分离器空气中的氮气，将氮气通入盐水中电解，再将氢气和氮气催化热合成氨，加压、降温生产液氨。

本实施例中，所述变压吸附分离装置所用技术为变压吸附分离法(PSA，PressureSwing Absorption),先对氨气进行部分热分解，然后混合气体加压到5至6个大气压，利用吸附装置对氢气和氨气吸附能力强、对氮气吸附能力弱，分离出氮气，剩余富氢氨气。

本实施例中，还包括与第二换热器6、变压吸附热分离器42和压气机11相连接的储罐7，利用氢气与氮气的比重不同，将变压吸附热分离器42将氨分解出的氮气分离输入至储罐7中储存。

本实施例对储罐7不做具体限定，为符合现实情况，本实施例中储罐7采用氮气储罐，本实施例中可额外利用液化天然气(LNG)-162℃的低温和液氨换热，以维持液氨的低温液态。

本实施例中，布置在燃气轮机周围的外箱14，设置有与外箱14连通的第一导管16，第一导管16可排放与第二换热器6换热后的热通风空气。

本实施例中，第二换热器6与变压吸附热分离器42之间设置有第一流量阀52，用于控制液氨的流量。

本实施例中，余热锅炉3还包括烟囱36和集水器37，烟囱36与主烟道32远离过渡烟道31的一端相连接，集水器37设置在烟囱36底部，适于收集烟囱36中的水。通过设置集水器37，可将排出的烟气在烟囱36中冷凝的水进行回收，作为余热锅炉3给水，起到节约能源的作用。

本实施例中，还包括汽轮机8、发电机2和凝汽器9，汽轮机8与再热器35相连接，发电机2与汽轮机8相连接，凝汽器9与汽轮机8相连接。

本实施例中，当电网中电力需求大幅增加会导致电厂供电“频率不足”，在电网频率降低的欠频期间，联合循环功率输出相应地降低，对应的做法涉及提高补燃的燃料流量以补充烟气热量，以维持预定水平的输出功率，

联合循环发电中过热和再热蒸汽的热力参数可能需要独立于其他生产的发电工质而变化，在这种情况下，补燃可以控制余热锅炉3产生的蒸汽量，再热器35中输出的高温饱和蒸汽驱动汽轮机8运转进行发电，再将汽轮机8中输出的蒸汽在凝汽器9中冷却为水可循环再利用，提高了水的利用率，还节约了能源。

综上所述，本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统通过将富氢氨引入余热锅炉3的不同区域，提升余热锅炉3中的烟气温度，提升了过热蒸汽、再热蒸汽、以及中压蒸汽的温度，从而增加了汽轮机8的输出功率，达到了拓展整体机组出力调峰范围的效果，可还实现对过热蒸汽、再热蒸汽、以及中压蒸汽的升温程度的精准控制，同时从燃气轮机外箱14和压气机11抽取的部分高温压缩空气与变压吸附热分离器42中的液氨换热后可对涡轮机13叶片降温，还利用液化天然气管线的低温给液氨储罐持续降温保持储能效果。

本发明在相同机组负荷条件下，可以减少天然气燃料的使用，达到了减碳的效果。

实施例2

如图2所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中还包括设置在主烟道32内与储罐7相连接的吹扫装置43，吹扫装置43上设有多个第二喷嘴44，可将储罐中的高温氮气输入吹扫装置，稀释主烟道低温段的烟气，以去除残余在主烟道中的水分，避免水蒸气冷凝生成酸性硫化物腐蚀管道。

本实施例中，储罐7与吹扫装置43之间设置有第二流量71阀，用于空气氮气输出的流量。

实施例3

本实施例提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节方法，采用实施例2中的联合循环余热锅炉烟气热量调节系统，包括：

步骤S1、燃气轮机1燃烧发电，并利用可再生能源电力或富余电力制氨；

步骤S2、当机组正常运行且需要升高负荷时，利用压气机11中抽气的热量将制得的氨输入变压吸附热分离器42中热分解为出氢气和氮气，然后变压吸附氮气，剩余产物为富氢氨气；

步骤S3、将制得的氢气与氨混合为补燃气输送至过渡烟道31预热；

步骤S4、根据机组实际需要，控制各个第一喷嘴41点火，对第一换热器33、过热器34和再热器35加热，再利用加热后的蒸汽驱动汽轮机8发电，当过热器34的温度没有达到预期温度时，则增加在过热器34前的补燃气流量；

步骤S5、将分解的氮气输入吹扫装置43中对第一换热器33吹扫。

本发明提供的联合循环余热锅炉烟气热量调节方法通过将富氢氨引入余热锅炉3的不同区域，提升余热锅炉3中的烟气温度，提升了过热蒸汽、再热蒸汽、以及中压蒸汽的温度，从而增加了汽轮机8的输出功率，达到了拓展整体机组出力调峰范围的效果，可还实现对过热蒸汽、再热蒸汽、以及中压蒸汽的升温程度的精准控制，同时从压气机11抽取的部分高温压缩空气与变压吸附热分离器42中的液氨换热后可对涡轮机13叶片降温，还利用液化天然气管线的低温给液氨储罐持续降温保持储能效果。

本发明在相同机组负荷条件下，可以减少天然气燃料的使用，达到了减碳的效果。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。