專利名稱：化學回熱循環燃氣輪機的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種動力與能源領域的燃氣輪機。
背景技術：
燃氣輪機是一種動力裝置，主要有壓氣機，燃燒室和渦輪組成。由于其單機功率大，比質量小，機動性好，振動噪聲小，壽命長，運行平穩，維護方便等優點得到了普遍地承認，得到了廣泛地應用。目前燃氣輪機研究的重點是提高循環熱效率和降低污染物排放量。燃氣輪機可分為簡單循環和復雜循環。簡單循環的燃氣輪機由壓氣機，燃燒室和渦輪等主要部件組成，提高其循環效率主要手段是提高渦輪前溫度，壓氣機壓比和部件的效率。復雜循環燃氣輪機是在簡單循環燃氣輪機的基礎上添加一些其他部件，主要是收集燃氣輪機排氣余熱，加熱燃燒室入口前工質，以此來提高循環效率。為降低污染物排放，簡單循環主要是改進燃燒室結構，提高燃燒室效率，改進燃燒室燃燒機理；復雜循環在簡單循環的基礎上可以利用其他部件改善燃料組成，燃燒室加入燃燒輔助物質，減少燃燒時產生的污染物質。當前靠提高部件效率的方法提高簡單循環整體效率的方法提升效果已經不甚明顯，復雜循環的研究越來越受到重視。當前各種復雜循環的研究已經展開，注蒸汽循環在電站已經應用，間冷回熱循環在英國艦船得到裝備，濕壓縮循環等技術也逐漸應用。復雜循環大幅提升循環效率，降低污染物排放，如何保證循環裝置的緊湊性，協調燃氣輪機變工況時的性能，這是本技術領域目前面對的首要問題。
發明內容
本發明的目的在于提供提高循環熱銷率并減低污染物排放的化學回熱循環燃氣輪機。本發明的目的是這樣實現的本發明化學回熱循環燃氣輪機，其特征是包括燃燒室、渦輪、壓氣機、裂解器、過熱器、飽和器、冷凝器、高壓閃蒸器、廢水池、排氣煙道，渦輪與壓氣機同軸，壓氣機連接燃燒室的進氣端，渦輪連接燃燒室的排氣端，裂解器連接燃燒室和油路，裂解器、過熱器、飽和器、排氣煙道依次相連，飽和器還與冷凝器和高壓閃蒸器分別相連，高壓閃蒸器還與過熱器和廢水池分別相連。本發明還可以包括1、還包括輸出功帶動負載運轉的動力渦輪，動力渦輪安裝在渦輪與裂解器之間。2、還包括低壓閃蒸器和蒸餾水箱，低壓閃蒸器安裝在高壓閃蒸器與廢水池之間，低壓閃蒸器和蒸餾水箱分別與冷凝器相連。本發明的優勢在于本發明不但能大幅提高燃氣輪機循環熱效率，并且能改善燃燒狀況，降低污染物排放，還能提供淡水供應，適用于船舶推進和沿海電場建設。
圖1為本發明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1，本發明所要解決的技術目的是，將燃氣輪機渦輪出口煙氣的高溫余熱充分回收提高循環的熱效率；并利用煙氣余熱對燃氣輪機燃料進行處理，降低污染物的排放。本發明還要解決的技術問題在于保證余熱回收系統和燃料處理系統結構緊湊。本發明另一個要解決的技術問題是保證余熱回收系統和燃料處理系統的加入不影響燃氣輪機的穩定運行，保證燃氣輪機變工況運行性能。以上技術問題的解決方案是提供一種化學回熱循環的燃氣輪機系統，它具有壓氣機，燃燒室和渦輪這些燃氣輪機的主要部件，一個利用渦輪出口高溫煙氣余熱處理燃料的裂解器和一套利用煙氣剩余余熱產生用于燃料處理所需的水蒸汽和副產品飲用水的水處理系統——水系統。燃氣輪機主要是由壓氣機，燃燒室和渦輪組成，空氣經由壓氣機提升壓力和溫度進入燃燒室；燃燒室中高壓空氣和燃料燃燒得到高溫高壓的燃氣；高溫高壓的燃氣進入渦輪并推動渦輪做功，帶動壓氣機轉動并對外輸出軸功；剩余燃氣被排放出系統，排除系統外的燃氣被稱為煙氣。高溫高壓的燃氣做后剩余煙氣仍然具有很高的溫度，一般煙氣溫度在500°C上下。為了充分利用這部分煙氣所剩余的熱量，通常采用回熱器將這部分熱量利用起來，減少燃料消耗。現在的回熱循環多是利用煙氣加熱壓氣機出口高壓空氣，將熱量帶入燃燒室，稱之為簡單回熱循環；還有就是利用煙氣余熱產生水蒸汽注入燃燒室，減少燃料消耗并改善燃燒狀況。本發明采用化學反應吸收熱量的方式來吸收煙氣的余熱，并利用化學反應(本發明具體為燃油-水蒸汽裂解反應)來改善燃料成分，充分利用煙氣余熱，既提高了循環熱效率，也降低了污染物的排放量。本發明首先加入了一個裂解器，煙氣流動方向位于渦輪之后，燃料和水蒸汽在催化劑的作用下發生裂解反應，吸收煙氣余熱，并改善燃料成分。所述的裂解器基于換熱器設計，換熱器主體的一端設置燃油和水蒸汽摻混器，另一端設置催化反應裝置。摻混器設計為一種套管結構，燃油由內部管道引入，水蒸汽采用引射裝置進入外部管道，在摻混段充分混合，充分混合的摻混氣易于裂解反應的進行。摻混氣進入換熱部分的低溫側入口，換熱部分的高溫側通入渦輪出口煙氣。摻混氣被加熱后通入催化反應裝置，催化反應裝置填裝裂解反應催化劑，設計為回轉流路，延長摻混氣的停留時間，利于裂解反應充分進行。本發明中，裂解反應需要水蒸汽的參與，而且裂解器出口煙氣溫度在300°C以上。為了充分利用剩余煙氣余熱并生產裂解反應所需的水蒸汽，本發明提出了一套水系統用來利用煙氣余熱生產水蒸汽并得到副產品飲用水。所述的水系統由高壓閃蒸器HPF，低壓閃蒸器LPF，飽和器ST，冷凝器⑶和過熱器SH組成，構成煙氣流路，補給水加熱為高溫水蒸汽的流路和低溫水蒸汽冷凝為飲用水的流路；沿高溫煙氣流動方向依次設置過熱器SH，飽和器ST ；沿補給水加熱方向依次設置冷凝器CD，飽和器ST，高壓閃蒸器HPF和過熱器SH ；沿低壓水蒸汽冷凝方向依次設置低壓閃蒸器LPF和冷凝器⑶。所述的過熱器SH位于水系統煙氣流動方向的起點，位于裂解器之后，是煙氣流路和高壓水蒸汽的交匯點，將來自高壓閃蒸室HPF的水蒸汽加熱到過熱狀態。所述的飽和器ST是煙氣流動方向和補給水加熱方向的交匯點，煙氣流動方向位于過熱器SH之后，補給水加熱流動方向位于冷凝器CD之后，用來利用煙氣剩余熱量將補給水加熱至飽和狀態。所述的冷凝器CD是低壓水蒸汽冷凝方向和補給水加熱方向的交匯點，位于補給水方向的起點和低壓水蒸氣冷凝方向的末端，用來冷凝低壓水蒸氣為飲用水并預熱補給水。所述的高壓閃蒸器HPF將飽和水閃蒸成為高壓水蒸汽，飽和水來源于飽和器ST，并將得到的高壓水蒸汽通入過熱器SH。所述的低壓閃蒸器LPF將高壓閃蒸器LPF剩余的飽和水充分閃蒸得到低壓飽和水，充分利用剩余能源和水資源；低壓水蒸汽通入冷凝器CD。本發明屬于復雜循環燃氣輪機，現有復雜循環主要以提高效率為目標，但本發明不但能大幅提高燃氣輪機循環熱效率，并且能改善燃燒狀況，降低污染物排放，還能提供淡水供應，適用于艦船推進和沿海電場建設。本發明將燃氣輪機三大件壓氣機，燃燒室和渦輪與裂解器，水系統有機集合，形成燃氣輪機化學回熱循環。本發明大幅提高了燃氣輪機循環熱效率，整體循環熱效率能達到46%，并將NOx排放量降到Ippm以下。本發明的化學回熱循環燃氣輪機提高功率和熱效率的理論依據機原理是裂解器中發生的裂解反應是一種吸熱反應，吸收了渦輪出口煙氣的余熱，而且進入裂解器中的水蒸汽在汽化過程中吸收了剩余煙氣的余熱，大幅提高了循環的熱效率，并且裂解混合氣相對于燃油的長鏈分子，從理論上來說更易燃燒，可提高燃燒室的燃燒效率。因此與簡單循環相比，同樣的燃料供應可以輸出更高的功率，大幅提高循環效率。本發明的化學回熱循環燃氣輪機降低污染物主要是NOx的排放量的理論依據及原理是裂解混合氣由燃料和水蒸汽發生裂解反應生成短鏈的分子，而且含有部分水蒸汽。燃燒反應時，短鏈分子易于反應，燃燒完全，減少CO生成；而且燃燒時由于水蒸汽的加入，降低了燃燒反應核心區的溫度，大幅降低了 NOx的排放量。 化學回熱循環燃氣輪機由壓氣機CP，燃燒室CB，高壓渦輪HT，動力渦輪PT，裂解器RF和水系統組成。水系統又由高壓閃蒸器HPF，低壓閃蒸器LPF，飽和器ST，冷凝器⑶和過熱器SH組成。整套系統有三種物料的供入，分別是燃油f，空氣a和水w，分別按三種物料的路徑進行詳細描述。空氣a經由壓氣機CP，壓力增加；進入燃燒室CB，在燃燒室CB中，高壓空氣和裂解器RF產生的裂解氣rf燃燒反應生成燃氣，燃氣進入高壓渦輪HT ；高壓渦輪產生的功用于壓氣機CP壓縮空氣；高壓渦輪出口燃氣g進入動力渦輪PT，動力渦輪輸出功帶動負載運轉；動力渦輪出口煙氣進入裂解器RF，作為高溫側工質提供熱量；裂解器出口煙氣進入水系統，水系統中，煙氣首先進入過熱器加熱水蒸汽，然后進入飽和器加熱預熱水，最后排入煙道EH。燃油f供入裂解器RF，在裂解器RF中與來自過熱器的水蒸汽s混合，然后作為低溫側工質吸收煙氣余熱，在裂解器催化劑區域進行裂解反應，產生裂解混合氣rf ；裂解混合氣rf在燃燒室CB中燃燒產生燃氣。水w被引入冷凝器CD，在冷凝器CD中被預熱，并將冷凝器高溫側的水蒸汽冷凝為水；被預熱的水進入飽和器ST，作為低溫側工質吸收高溫側煙氣余熱并達到飽和狀態；飽和水進入高壓閃蒸室HPF，在其中閃蒸，產生高壓水蒸汽進入過熱器SH，剩余飽和水進入低壓閃蒸室LPF ；進入低壓閃蒸室的飽和水繼續閃蒸得到低壓水蒸氣進入冷凝器被冷凝為飲用淡水儲存在蒸餾水箱DW，并預熱給水，剩余濃鹽水排入廢水箱WW ；高壓閃蒸室出口的高壓水蒸汽進入過熱器SH作為低溫側吸收高溫側煙氣的余熱，被加熱到過熱狀態后進入裂解器RF，在其中和燃油f混合吸熱并發生裂解反應。本發明中水系統還能獨立為水處理單元，利用多種熱源進行水處理，特別是可以接入多種動力設備用來收集煙氣余熱并生產飲用水。
權利要求
1.化學回熱循環燃氣輪機，其特征是包括燃燒室、渦輪、壓氣機、裂解器、過熱器、飽和器、冷凝器、高壓閃蒸器、廢水池、排氣煙道，渦輪與壓氣機同軸，壓氣機連接燃燒室的進氣端，渦輪連接燃燒室的排氣端，裂解器連接燃燒室和油路，裂解器、過熱器、飽和器、排氣煙道依次相連，飽和器還與冷凝器和高壓閃蒸器分別相連，高壓閃蒸器還與過熱器和廢水池分別相連。
2.根據權利要求1所述的化學回熱循環燃氣輪機，其特征是還包括輸出功帶動負載運轉的動力渦輪，動力渦輪安裝在渦輪與裂解器之間。
3.根據權利要求1或2所述的化學回熱循環燃氣輪機，其特征是還包括低壓閃蒸器和蒸餾水箱，低壓閃蒸器安裝在高壓閃蒸器與廢水池之間，低壓閃蒸器和蒸餾水箱分別與冷凝器相連。
全文摘要
本發明的目的在于提供化學回熱循環燃氣輪機，包括燃燒室、渦輪、壓氣機、裂解器、過熱器、飽和器、冷凝器、高壓閃蒸器、廢水池、排氣煙道，渦輪與壓氣機同軸，壓氣機連接燃燒室的進氣端，渦輪連接燃燒室的排氣端，裂解器連接燃燒室和油路，裂解器、過熱器、飽和器、排氣煙道依次相連，飽和器還與冷凝器和高壓閃蒸器分別相連，高壓閃蒸器還與過熱器和廢水池分別相連。本發明不但能大幅提高燃氣輪機循環熱效率，并且能改善燃燒狀況，降低污染物排放，還能提供淡水供應，適用于船舶推進和沿海電場建設。
文檔編號F02C7/22GK102562313SQ20121000709
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者劉倩, 張智博, 李智明, 楊仁, 楊洪磊, 潘褔敏, 鄭洪濤 申請人:哈爾濱工程大學