專利名稱：中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及采用中間噴水冷卻技術和蒸汽回注技術的燃氣輪機裝置，特別是使用壓氣機級中間噴水冷卻技術、燃燒室蒸汽回注技術的燃氣輪機循環裝置。
背景技術：
在現有技術中，燃氣輪機循環裝置通常包括壓氣機，燃燒室，渦輪，動力輸出。現有的燃氣輪機使用間冷回熱循環可以具有更大的功率和更好的效率特性。然而理論上已經證明，理想燃氣輪機間冷循環可以提高裝置的功率，但是不改善效率，另外采用間冷循環需要配置龐大的間冷器，這樣使壓氣機的結構變得復雜，總體尺寸需要加長，流動阻力加大，會降低燃氣輪機的功率和效率，因此間冷方案在實際工程中應用較少。同樣的，燃氣輪機回熱，可以提高裝置的熱效率，但是需要配置龐大的回熱器，回熱器的設計制造復雜，而且回熱器換熱效率較低，冷熱流體流動阻力加大，因此回熱方案在實際工程中也不易實現。雖然間冷和回熱共同使用既可提高裝置的功率，又可提高裝置的熱效率。但是機械結構尺寸與原型機相比非常龐大、復雜，迄今為止僅有一型船用燃氣輪機成功實現間冷回熱。蒸汽回注技術起源于上世紀七十年代，主要應用于地面電站。在燃氣輪機后安裝一臺余熱鍋爐，余熱鍋爐產生的過熱蒸汽供到燃氣輪機燃燒室中去，與壓氣機供來的空氣一起被加熱到渦輪前的初溫，然后共同進入燃氣渦輪中膨脹做功，也可以把一部分低壓蒸汽不經燃燒室加熱而直接供入燃氣渦輪低壓部分膨脹做功。該項技術在電站上已被聯合循環取代，目前應用較少。
發明內容
本發明的目的是研制一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，在高壓比燃氣輪機上同時采用中間噴水霧化冷卻技術和蒸汽回注技術、不増加燃氣初溫不改變通流部分的情況下，以簡捷的措施有效地提高燃氣輪機功率及熱效率，同時降低Nox排放。為了達到本發明的上述目的，本發明提供了一種燃氣輪機循環裝置，通過在現有技術的燃氣輪機循環裝置的基礎上增加一套用于中間冷卻的噴水霧化系統和一套蒸汽回注系統實現。本發明所采用的技術方案如下
一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，包括高壓壓氣機、低壓壓氣機，高壓渦輪、低壓渦輪，燃燒室，動力渦輪，余熱回收蒸汽發生器，煙囪，還包括用于中間冷卻的噴水霧化系統、蒸汽回注系統和信號發生器，所述用于中間冷卻的噴水霧化系統包括高低壓壓氣機之間的過渡段、空氣霧化噴嘴、抽氣量調節閥、除鹽水泵、除鹽水箱、供水系統，高低壓壓氣機之間的過渡段安裝在低壓壓氣機和高壓壓氣機之間，高低壓壓氣機之間的過渡段內部上方設置有空氣霧化噴嘴，供水系統通過管道與除鹽水箱連接，除鹽水箱通過管道與除鹽水泵連接，除鹽水泵通過管道與噴水量調節閥連接，噴水量調節閥通過管道與空氣霧化噴嘴連接；來自于除鹽水箱的除鹽水通過除鹽水泵進行加壓，供到過渡段上的空氣霧化噴嘴上，同時從高壓壓氣機出口處引空氣至空氣霧化噴嘴，從高壓壓氣機出口引入的高溫空氣將除鹽水霧化后由空氣霧化噴嘴噴入過渡段；霧化后的除鹽水噴入后開始在過渡段蒸發，通過除鹽水的蒸發吸收空氣熱量，降低高壓壓氣機入口空氣溫度，未完全蒸發的水進入高壓壓氣機，形成濕壓縮效應，減少高壓壓氣機的耗功；所述蒸汽回注系統包括供蒸汽量調節閥、汽包和蒸汽減溫減壓裝置，余熱回收蒸汽發生器安裝有汽包，汽包通過管道與供蒸汽量調節閥連接，供蒸汽量調節閥通過管道與蒸汽減溫減壓裝置連接，蒸汽減溫減壓裝置通過管道與燃燒室連接；除鹽水在余熱回收蒸汽發生器中吸收動力渦輪排氣余熱變為過熱蒸汽，過熱蒸汽由汽包通過蒸汽減溫減壓裝置后回注到燃氣輪機燃燒室中，所述蒸汽與燃燒室的燃氣混合氣體進入高壓渦輪、低壓渦輪、動力渦輪膨脹作功后經余熱回收蒸汽發生器排入大氣；信號發生器通過電纜分別與供蒸汽量調節閥、噴水量調節閥、抽氣量調節閥電氣連接，信號發生器發出打開或關閉蒸汽量調節閥、噴水量調節閥和抽氣量調節閥的信號。本發明還有其他技術特征
1、所述低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、動力渦輪與負荷是三軸形式。2、所述低壓壓氣機、高壓壓氣機、高壓渦輪、低壓渦輪、動力渦輪和負荷在一根共同的軸上連接。3、所述低壓壓氣機1、高壓壓氣機2和低壓渦輪4、高壓渦輪5在同一根軸而與動力渦輪6分軸。4、所述的空氣霧化噴嘴的霧化液滴平均直徑為25 -150 μ m。5、所述噴水量調節閥的液滴量為空氣流量的0. 2%—2%;蒸汽量調節閥控制蒸汽量為空氣流量的0. 5%—10%，以上為質量分數。優點。本發明較大幅度提高了燃氣輪機的工作效率和總輸出功率，適用于多種氣候條件，并在炎熱的環境條件下改善燃氣輪機的性能效果更為顯著。
圖1本發明的中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置原理圖其中1-低壓壓氣機，2-高壓壓氣機，3-燃燒室，4-高壓渦輪，5-低壓渦輪，6-動力渦輪，7-負荷，8-高低壓壓氣機之間的過渡段，9-抽氣量調節閥，10-噴水量調節閥，11-除鹽水泵，12-除鹽水箱，13-供水系統，14-供蒸汽量調節閥，15-汽包，16-余熱回收蒸汽發生器，17-煙囪，18-信號發生器，19-廢氣，20-蒸汽減溫減壓裝置，21-信號電纜；
TO-環境大氣溫度，Tl-低壓壓氣機出口溫度，T2-高壓壓氣機入口溫度，T3-高壓壓氣機出口溫度，T4-高壓渦輪入口溫度，T5-低壓渦輪入口溫度，T6-動力渦輪入口溫度，T6-動力渦輪出口溫度，T7-動力渦輪出口溫度。圖2本發明的中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置焓熵3本發明的中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置功率曲線圖4本發明的中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置效率曲線
圖5本發明的中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置高壓壓氣機出口溫度曲線
具體實施例方式
圖1是中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置原理圖。如圖所示，本發明的燃氣輪機循環裝置包括用來壓縮和排出氣體的壓氣機低壓壓氣機1和高壓壓氣機2 ；供入由壓氣機1、2壓縮的氣體的燃燒室3 ；由來自燃燒室3的燃氣驅動的高壓渦輪4、低壓渦輪5、動力渦輪6 ；與動力渦輪6的軸相連接的負荷7 ；從燃氣輪機排出的廢氣19通過余熱回收蒸汽發生器16和煙囪17排到大氣中；同時，為了更好的提高燃氣輪機功率及熱效率，本發明的燃氣輪機循環裝置還包括一套用于中間冷卻的噴水霧化系統和一套蒸汽回注系統。所述用于中間冷卻的噴水霧化系統包括高低壓壓氣機之間的過渡段8、除鹽水泵11、除鹽水箱12、供水系統13，過渡段8安裝在低壓壓氣機1和高壓壓氣機2之間，內部上方設置有空氣霧化噴嘴，來自于除鹽水箱12的除鹽水通過除鹽水泵11進行加壓，供到過渡段8上的空氣霧化噴嘴(圖1中未示出)上，同時從高壓壓氣機2 出口處引空氣至空氣霧化噴嘴，從高壓壓氣機2出口引入的高溫空氣將除鹽水霧化后由空氣霧化噴嘴噴入過渡段8;霧化后的除鹽水噴入后開始在過渡段8蒸發，通過除鹽水的蒸發吸收空氣熱量，降低高壓壓氣機2入口空氣溫度T2，未完全蒸發的水進入高壓壓氣機2，形成濕壓縮效應，減少高壓壓氣機2的耗功。所述蒸汽回注系統包括汽包15、蒸汽減溫減壓裝置20，除鹽水在余熱回收蒸汽發生器16中吸收動力渦輪6排氣余熱變為過熱蒸汽，過熱蒸汽由汽包15通過蒸汽減溫減壓裝置20后回注到燃氣輪機燃燒室3中，所述蒸汽與燃燒室3的燃氣混合氣體進入高壓渦輪4、低壓渦輪5、動力渦輪6膨脹作功后經余熱回收蒸汽發生器16排入大氣。雖然圖1示出的低壓壓氣機1、高壓壓氣機2、燃燒室3、高壓渦輪4、低壓渦輪5、動力渦輪6和負荷7是三軸形式，但是，低壓壓氣機1、高壓壓氣機2、高壓渦輪4、低壓渦輪5、 動力渦輪6和負荷7也可在一根共同的軸上連接，或者低壓壓氣機1、高壓壓氣機2和低壓渦輪4、高壓渦輪5在同一根軸而與動力渦輪6分軸的形式。為了控制流量，在過渡段8和除鹽水泵11之間設置噴水量調節閥10、在過渡段8 和高壓壓氣機2之間設置抽氣量調節閥9、在汽包15和蒸汽減溫減壓裝置20之間設置回注蒸汽量調節閥14。上述三個控制閥，即供蒸汽量調節閥14、噴水量調節閥10、抽氣量調節閥9、、與信號發生器18形成電氣連接，負荷7功率輸出方面的信號和載荷指令信號輸入到上述信號發生器18中，而信號發生器18則發出打開/關閉控制閥信號和其他指令，控制閥9、10、14與信號發生器18通過例如信號電纜21等互相連通。圖2是中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置焓熵圖，包括燃氣循環和蒸汽循環量部分，左側部分是中間噴水冷卻的燃氣循環，右側部分為回注蒸汽的循環。曲線abed-給水在余熱回收蒸汽發生器里至過熱狀態，曲線dT4T7-回注蒸汽在燃氣輪機中加熱及膨脹做功過程。曲線T7ea_是-燃氣排氣中的水蒸汽的凝結過程。圖3、圖4和圖5分別是中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置功率曲線、 效率曲線和高壓壓氣機出口溫度曲線，圖中所示的值在如下計算條件得出，例如環境溫度 27°C，相對溫度60%，壓氣機空氣流量為85kg/s，壓氣機的多變效率為0. 88，渦輪的絕熱效率為0. 89，燃燒溫度為1270°C，壓氣機抽氣量為20%，壓氣機排氣壓力為2MPa，中冷噴水溫度27°C，回注蒸汽溫度410°C。
使用向壓氣機中間級噴水的方法降低壓氣機中空氣溫度，達到事實上的中冷效果，無需龐大的間冷器，噴注除鹽水用到的壓力氣體入可以通過引自壓氣機出口處的高壓空氣，無需額外的壓縮空氣源，壓縮空氣可以將水霧化為索特平均直徑為25 -150 μ m液滴。
權利要求
1.一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，包括高壓壓氣機、低壓壓氣機， 高壓渦輪、低壓渦輪，燃燒室，動力渦輪，余熱回收蒸汽發生器，煙囪，其特征在于，還包括用于中間冷卻的噴水霧化系統、蒸汽回注系統和信號發生器，所述用于中間冷卻的噴水霧化系統包括高低壓壓氣機之間的過渡段、空氣霧化噴嘴、抽氣量調節閥、除鹽水泵、除鹽水箱、供水系統，高低壓壓氣機之間的過渡段安裝在低壓壓氣機和高壓壓氣機之間，高低壓壓氣機之間的過渡段內部上方設置有空氣霧化噴嘴，供水系統通過管道與除鹽水箱連接，除鹽水箱通過管道與除鹽水泵連接，除鹽水泵通過管道與噴水量調節閥連接，噴水量調節閥通過管道與空氣霧化噴嘴連接；來自于除鹽水箱的除鹽水通過除鹽水泵進行加壓，供到過渡段上的空氣霧化噴嘴上，同時從高壓壓氣機出口處引空氣至空氣霧化噴嘴，從高壓壓氣機出口引入的高溫空氣將除鹽水霧化后由空氣霧化噴嘴噴入過渡段；霧化后的除鹽水噴入后開始在過渡段蒸發，通過除鹽水的蒸發吸收空氣熱量，降低高壓壓氣機入口空氣溫度，未完全蒸發的水進入高壓壓氣機，形成濕壓縮效應，減少高壓壓氣機的耗功；所述蒸汽回注系統包括供蒸汽量調節閥、汽包和蒸汽減溫減壓裝置，余熱回收蒸汽發生器安裝有汽包，汽包通過管道與供蒸汽量調節閥連接，供蒸汽量調節閥通過管道與蒸汽減溫減壓裝置連接， 蒸汽減溫減壓裝置通過管道與燃燒室連接；除鹽水在余熱回收蒸汽發生器中吸收動力渦輪排氣余熱變為過熱蒸汽，過熱蒸汽由汽包通過蒸汽減溫減壓裝置后回注到燃氣輪機燃燒室中，所述蒸汽與燃燒室的燃氣混合氣體進入高壓渦輪、低壓渦輪、動力渦輪膨脹作功后經余熱回收蒸汽發生器排入大氣；信號發生器通過電纜分別與供蒸汽量調節閥、噴水量調節閥、 抽氣量調節閥電氣連接，信號發生器發出打開或關閉蒸汽量調節閥、噴水量調節閥和抽氣量調節閥的信號。
2.根據權利要求1所述的一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，其特征在于所述低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、高壓渦輪、低壓渦輪、動力渦輪與負荷是三軸形式。
3.根據權利要求1所述的一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，其特征在于所述低壓壓氣機、高壓壓氣機、高壓渦輪、低壓渦輪、動力渦輪和負荷在一根共同的軸上連接。
4.根據權利要求1所述的一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，其特征在于所述低壓壓氣機1、高壓壓氣機2和低壓渦輪4、高壓渦輪5在同一根軸而與動力渦輪6 分軸。
5.根據權利要求1所述的一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，其特征在于所述的空氣霧化噴嘴的霧化液滴平均直徑為25 -150 μ m。
6.根據權利要求1所述的一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，其特征在于所述噴水量調節閥的液滴量為空氣流量的0. 2%—2%;蒸汽量調節閥控制蒸汽量為空氣流量的0. 5% —10%，以上為質量分數。
全文摘要
一種中間噴水冷卻與蒸汽回注燃氣輪機循環裝置，通過在現有技術的燃氣輪機循環裝置的基礎上增加一套用于中間冷卻的噴水霧化系統和一套蒸汽回注系統實現；所述用于中間冷卻的噴水霧化系統包括高低壓壓氣機之間的過渡段、空氣霧化噴嘴、抽氣量調節閥、除鹽水泵、除鹽水箱、供水系統，高低壓壓氣機之間的過渡段安裝在低壓壓氣機和高壓壓氣機之間，高低壓壓氣機之間的過渡段內部上方設置有空氣霧化噴嘴，所述蒸汽回注系統包括供蒸汽量調節閥、汽包和蒸汽減溫減壓裝置，蒸汽減溫減壓裝置與燃燒室連接。本發明較大幅度提高了燃氣輪機的工作效率和總輸出功率，適用于多種氣候條件，并在炎熱的環境條件下改善燃氣輪機的性能效果更為顯著。
文檔編號F02C7/141GK102434282SQ20111043773
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者何彬, 俞世康, 劉偉, 劉文文, 劉雪彬, 孫鵬, 崔寶, 常春輝, 李東明, 李卓, 林楓, 欒永軍, 肖東明, 荀柏秋, 董斌, 聞雪友, 馬正軍 申請人:中國船舶重工集團公司第七○三研究所