热负荷自适应燃机透平冷却空气余热回收系统及控制方法与流程

1.本发明涉及燃气轮机技术领域，具体涉及一种热负荷自适应的燃气轮机透平冷却空气余热回收系统及该系统的控制方法。


背景技术：

2.燃气轮机运行时，透平叶片长期处于高温燃气环境中，需要利用经透平空气冷却器冷却后的压缩空气对叶片进行冷却，以保证其使用寿命。透平空气冷却器中释放的大量热值可回收用于加热下游工艺凝结水，节约能耗。
3.电厂中的燃气轮机，通过"以热定电"方式来决定机组负荷；负荷受上游供应燃气量影响，导致透平空气冷却器热负荷会随之发生波动；在某些恶劣环境或工况限制下，透平空气冷却器原设计冷侧冷却能力恶化，无法满足冷却需求。上述情况均会导致透平空气冷却系统出口冷却空气温度偏离目标温度，不利于燃气轮机的安全、高效运行。同时透平空气冷却器热侧负荷的波动，也不利用下游余热回收系统回收热量的稳定，为下游供热负荷控制带来难度。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种热负荷自适应的燃气轮机透平冷却空气余热回收系统，该系统可以实现一台或多台套燃气轮机透平空气冷却机组热负荷的经济分配及余热的高效回收。
5.本发明采用了以下技术方案：
6.一种热负荷自适应燃机透平冷却空气余热回收系统，包括至少一台燃气轮机透平空气冷却机组，所述透平空气冷却机组包括冷却空气进气干路、凝结水进水干路以及用于冷却空气和凝结水间进行一次热交换的主冷却器，所述冷却空气进气干路连接主冷却器，且所述冷却空气进气干路上设置有气量分配阀，所述气量分配阀通过主冷却器旁路与所述主冷却器连接；
7.所述气量分配阀与主冷却器间的冷却空气进气干路上还设置辅冷却管连接辅冷却器，所述辅冷却器连接冷却空气出气干路；所述凝结水进水干路通过凝结水进水支路与所述主冷却器连接，辅冷却器通过连接冷却水水进水支路和冷却水回水支路使冷却水与冷却空气进行二次热交换。
8.优选的，所述辅冷却管上还设置有辅冷却器旁路直接与所述冷却空气出气干路连接。
9.优选的，所述主冷却器旁路上设置有第一气动切断阀，所述辅冷却器旁路上设置有第二气动切断阀，所述辅冷却管在辅冷却器和与所述辅冷却器旁路的连接点之间设置有第三气动切断阀。
10.优选的，所述冷却空气进气干路上设置有第一温度监控仪，所述辅冷却管上设置有第二温度监控仪，所述冷却空气出气干路设置第三温度监控仪，所述第一温度监控仪、第
二温度监控仪和第三温度监控仪均与所述气量分配阀电连接。
11.优选的，所述凝结水进水干路通过第一流量调节阀与凝结水出水干路连接，所述凝结水进水支路还包括与主凝结器相连的凝结水回水支路，所述凝结水进水支路经主冷却器与凝结水回水支路相连，所述凝结水回水支路的出水端连接所述凝结水出水干路。
12.优选的，所述凝结水进水支路设置有第二流量调节阀；所述冷却水进水支路设置有第三流量调节阀，所述冷却水回水支路设置第四温度监控仪电连接所述第三流量阀，并控制所述第三流量阀开度。
13.优选的，所述凝结水进水支路设置有第二流量调节阀，所述冷却水进水支路设置有第三流量调节阀，所述冷却水回水支路设置第四温度监控仪电连接所述第三流量阀并控制其开度。
14.优选的，所述主冷却器和辅冷却器均设置有紧急排水阀。
15.优选的，当所述燃气轮机透平空气冷却机组数量大于1时，所述凝结水进水干路设置与燃气轮机透平空气冷却机组数量相适配的凝结水支路及凝结水回水支路，各燃气轮机透平空气冷却机组通过所述凝结水支路及凝结水回水支路并联，且连接各燃气轮机透平空气冷却机组的冷却空气进气干路分别连接不同燃气轮机压气机。
16.本发明还提供一种上述热负荷自适应燃机透平冷却空气余热回收系统的控制方法，该方法为：
17.s1.根据燃气轮机的预设发电功率确定凝结水进水支路的流量；
18.s2.根据第一温度监控仪的温度测量值，判断该系统的冷却模式：
19.模式ⅰ：若所述温度测量值超出设计温度值的120％，同时启用主冷却器和辅冷却器；
20.模式ⅱ：若所述温度测量值在设计温度值的80～120％范围内，仅启用主冷却器或仅启用辅冷却器；
21.模式ⅲ：若所述温度测量值低于设计温度值的80％，仅启用主冷却器，同时调节所述气量分配阀开度，控制所述第二温度监控仪的温度测量值在设定温度值的80～120％范围内。
22.优选的，模式ⅱ中，若第三温度监控仪的温度测量值超出设定温度值的120％，同时启用主冷却器和辅冷却器，直至第三温度监控仪的温度测量值在设定温度值的80～120％范围内。
23.本发明的有益效果在于：
24.(1)本发明的冷却系统采用两级冷却模式，以主冷却器为一级余热回收系统，承担高温压缩空气冷却的主要任务，同时针对一级余热回收系统冷却负荷调控不够灵活的问题配套二级冷却水系统即辅冷却器辅助冷却。可以在完成空气冷却主任务的目标下，既实现余热回收，又可具备冷负荷的无级快速调控能力。同时主、辅冷却器可互为备用，在冷却器设备故障维护时，可单冷却器运行，无需燃气轮机停机运行，避免了燃气轮机启停带来的巨额经济损失。
25.(2)本发明中单台套燃汽轮机抽取的高温压缩空气经气量分配阀分配后进入主冷却器进行初级冷却，随后进入辅冷却器再次冷却后，可以返回燃汽轮机透平空气叶片处冷却叶片。回收主冷却器热量后的凝结水可进入除氧器，用于加热除氧器给水，节约能源。
26.(3)本发明使用的凝结水加热系统可配套多台燃气轮机透平空气冷却机组，同时为多台套燃气轮机透平空气冷却器服务，针对单台套机组负荷波动导致余热回收量不稳定问题，起到削峰填谷作用。
27.(4)气量分配阀的设置确保进入透平冷却空气温度不会低于设定下限；选择合适cv值以保证高流通能力低压降的要求，避免了因阀门的存在而影响主抽气量。
28.(5)紧急排水阀的设置确保发生泄漏事故时，管程水能及时排净，避免水随着空气进入透平损坏设备。
附图说明
29.图1为本发明系统燃气轮机透平空气冷却机组一台时设置示意图；
30.图2为本发明实施例1中燃气轮机透平空气冷却机组一台时设置示意图；
31.图3为本发明燃气轮机透平空气冷却机组并联设置示意图。
32.图中标注符号的含义如下：
33.10-主冷却器11-主冷却器旁路
34.20-辅冷却器21-辅冷却管22-辅冷却器旁路
35.30-气量分配阀31-第一气动切断阀32-第二气动切断阀33-第三气动切断阀34-第四气动切断阀35-第五气动切断阀36-第六气动切断阀37-第七气动切断阀
36.41-冷却空气进气干路42-冷却空气出气干路
37.50a-凝结水进水干路50b-凝结水出水干路51-凝结水进水支路52-凝结水回水干路51a-第一凝结水进水支路51b-第二凝结水进水支路52a-第一凝结水回水支路52b-第二凝结水回水支路
38.61-冷却水进水支路62-冷却水回水支路
39.71-第一流量调节阀72-第二流量调节阀73-第三流量调节阀
40.81-第一温度监控仪82-第二温度监控仪83-第三温度监控仪84-第四温度监控仪85-第五温度监控仪86-第六温度监控仪87-第七温度监控仪88-第八温度监控仪
41.91-紧急排水阀92-第一流量计93-吹扫口切断阀94-安全阀95-泄露检测装置
具体实施方式
42.下面结合说明书附图和实施例对本发明的技术方案做出更为具体的说明：
43.实施例1
44.如图1、图2所示，一种热负荷自适应燃机透平冷却空气余热回收系统，包括至少一台燃气轮机透平空气冷却机组，透平空气冷却机组包括冷却空气进气干路41、凝结水循环系统、冷却水循环系统以及用于冷却空气和凝结水间进行一次热交换的主冷却器10和用于冷却空气和冷却水间进行二次热交换的辅冷却器20。
45.冷却空气进气干路41与主冷却器10连接用于向主冷却器10输送待冷却的高温空气，冷却空气进气干路41上设置有气量分配阀30，气量分配阀30通过主冷却器旁路11与主冷却器10连接，主冷却器10还设置排气管12连接冷却空气进气干路41。
46.凝结水循环系统包括凝结水进水干路50a和凝结水出水干路50b，凝结水进水干路50a通过凝结水进水支路51与主冷却器10连接，用于向主冷却器10输送用于与高温冷却空
气进行热交换的冷流体即凝结水，凝结水回水支路52的出水端连接凝结水出水干路50b，用于排出经热交换后的凝结水。
47.气量分配阀30与主冷却器10间的冷却空气进气干路41上还设置辅冷却管21连接辅冷却器20，辅冷却器20连接冷却空气出气干路42。辅冷却管21上还设置有辅冷却器旁路22直接与冷却空气出气干路42连接。辅冷却器20通过连接冷却水水进水支路61和冷却水回水支路62使冷却水与冷却空气进行二次热交换。
48.利用主冷却器10和辅冷却器20分配冷却空气并控制其热交换效率，在主冷却器旁路11上设置第一气动切断阀31，辅冷却器旁路22上设置第二气动切断阀32，辅冷却管21在辅冷却器20和与辅冷却器旁路22的连接点之间设置第三气动切断阀33，排气管12上设置第四气动切断阀34。
49.本发明对主冷却器10的内部构造以及热交换方式不做具体限制。上述气量分配阀30可使用气动三通分流调节阀。
50.同时，在冷却空气进气干路41上设置第一温度监控仪81作为气量分配阀30开度调节前馈信号，辅冷却管21上设置第二温度监控仪82反馈调节气量分配阀30开度，改变进入主冷却器的气量。
51.冷却空气出气干路42还设置第三温度监控仪83，用于控制第三气动切断阀33。上述第一温度监控仪81、第二温度监控仪82和第三温度监控仪83均与气量分配阀30电连接，同时气量分配阀30电连接各气动切断阀，用于控制冷却空气量的分配。
52.气量分配阀30配有手轮装置，确保在气源故障时气量分配阀30依然能够工作；气量分配阀30选择等百分比流量特性，阀门压降不大于20kpa。
53.凝结水在回收主冷却器10热量后可进入系统外除氧器，用于加热除氧器给水，节约能源。为了匹配换热系统所需凝结水流量，凝结水进水干路50a通过第一流量调节阀71与凝结水出水干路50b连接，凝结水进水支路51上还设置第二流量调节阀72。
54.本技术中可在凝结水进水支路51上设置第一流量计92作为第一流量调节阀71和第二流量调节阀72开度调节信号，控制凝结水支路流量。在凝结水回水支路52上设置第五温度监控仪85，监控凝结水回水温度，当其测量值超出系统预设报警值时作为第一流量调节阀71和第二流量调节阀72开度调节信号，增加凝结水支路流量，保证凝结水不会发生汽化。
55.冷却水进水支路61上设置第三流量调节阀73，冷却水回水支路62设置第四温度监控仪84，第四温度监控仪84电连接第三流量阀73作为其开度调节信号，保证冷却水不会发生汽化。
56.主冷却器10和辅冷却器20均设置有紧急排水阀91，紧急排水阀91可通过安全连锁阀门与主冷却器10或辅冷却器20冷侧进出口联锁，当发生事故需要启用紧急排水阀91时，安全联锁阀门关闭，切断凝结水和冷却水来源，同时开启紧急排水阀91排空主冷却器10或辅冷却器20中水。
57.主冷却器10和辅冷却器20还设置有吹扫口以及对应的吹扫口切断阀93，在设备启动阶段，开启吹扫口，排出主冷却器10和辅冷却器20的水分及残余锈渍。
58.进一步的，在主冷却器旁路11上设置第六温度监控仪86，在排气管12上设置第七温度监控仪87，在凝结水进水支路51设置第八温度监控仪88，实时监控系统运行参数，在测
值异常偏离系统预设温度范围时及时报警。在辅冷却器20与冷却空气出气干路42的连接段设置第七气动切断阀37，辅冷却器20检修时自动切断；系统根据选择运行工况控制气路各气动切断阀启闭，以提高气路和水路的运行安全性。
59.凝结水回水支路52上安装有安全阀94，当因凝结水汽化等原因造成主冷却器10水侧系统超压后，安全阀94阀门起跳，保证凝结水管路系统安全。凝结水回水支路52上还设置泄露检测装置95，当主冷却器10内部换热管存在细微蚀孔时，若冷却空气进入凝结水侧，泄漏监测装置液位将下降以预警泄露问题。
60.实施例2
61.当燃气轮机透平空气冷却机组数量大于1时，凝结水进水干路50a设置与燃气轮机透平空气冷却机组数量相适配的凝结水进水支路51及凝结水回水支路52，各燃气轮机透平空气冷却机组通过凝结水进水支路51及凝结水回水支路52并联，且连接各燃气轮机透平空气冷却机组的气测仍独立运行，各冷却空气进气干路41分别连接不同燃气轮机压气机。
62.如图3所示，当燃气轮机透平空气冷却机组数量为2时，凝结水进水干路50a设置第一凝结水进水支路51a和第二凝结水进水支路51b，对应的第一凝结水回水支路52a和第二凝结水回水支路52b连接同一凝结水进水干路50a。第二凝结水进水支路51b和第二凝结水回水支路52b均连接第二台套燃气轮机透平空气冷却机组的主冷却器10。
63.实施例3
64.实施例1中燃气轮机透平冷却空气负荷分配及余热回收系统的控制方法，该方法为：
65.s1.根据燃气轮机的预设发电功率，确定凝结水进水支路51的流量；
66.其中燃气轮机发电功率与主冷却器10热负荷正相关、主冷却器10热负荷与凝结水进水支路51流量正相关。系统在工艺设计及机组调试过程中形成功率-水量性能曲线。后期机组运行期间按功率-水量性能曲线匹配相关设定值。
67.s2.根据第一温度监控仪81的温度测量值，判断该系统的冷却模式：
68.模式ⅰ：若温度测量值超出设计温度值的120％，同时启用主冷却器10和辅冷却器20。
69.该模式ⅰ下冷却空气的具体流动路径如下：来自冷却空气进气干路41的单台套燃气轮机压气机的高温压缩空气在气量分配阀30控制下，全部经主冷却器旁路11上的第一气动切断阀31进入主冷却器10与凝结水进行一次热交换；一级冷却后的高温压缩空气经排气管12上的第四气动切断阀34、辅冷却管21上的第三气动切断阀33进入辅冷却器20，此时辅冷却器旁路22上的第二气动切断阀32处于关闭状态，辅冷却器旁路22内无空气流通；经辅冷却器20二次冷却后的高温压缩空气进入冷却空气出气干路42,完成整个冷却过程。
70.对应的，来自凝结水加热系统的凝结水进水干路50a中的待加热凝结水经各凝结水进水支路51进入燃气轮机透平空气冷却机组回收热量；其中凝结水进水支路51来流凝结水经第二流量调节阀72、第五气动切断阀35后进入主冷却器10冷侧回收热量；加热后凝结水沿凝结水回水支路52流至凝结水出水干路50b，完成整个余热回收过程。
71.辅冷却器20中，对应的来自冷却水系统的冷却水进水支路61的冷却水，经第三流量调节阀73进入辅冷却器20冷却高温压缩空气；加热后冷却水沿冷却水回水支路62返回冷却水系统。
72.上述整个冷却负荷分配及余热回收过程中，气量分配阀30开度受第二温度监控仪82信号值反馈控制，受第一温度监控仪81信号值前馈控制；第二流量调节阀72开度受流量测量仪表91信号值反馈控制；第三流量调节阀73开度受第四温度监控仪84信号值反馈控制；凝结水进水干路第一流量调节阀71开度受多台套燃气轮机透平空气冷却器累积需求凝结水量控制，凝结水需求量越大第一流量调节阀71开度越小。
73.模式ⅱ：若温度测量值在设计温度值的80～120％范围内，仅启用主冷却器10或仅启用辅冷却器20。
74.仅启用主冷却器10时，该模式ⅱ下冷却空气的具体流动路径如下：来自冷却空气进气干路41的单台套燃气轮机压气机的高温压缩空气经气量分配阀30，部分经主冷却器旁路11上的第一气动切断阀31进入主冷却器10与凝结水进行一次热交换；冷却后的高温压缩空气经排气管12上的第四气动切断阀34与部分未经冷却空气混合后，经辅冷却器旁路22上的第二气动切断阀32进入冷却空气出气干路42，完成整个冷却过程。
75.此过程中第三气动切断阀33、第七气动切断阀37处于关闭状态，辅冷却器20内无空气流通。
76.对应的，来自凝结水加热系统凝结水进水干路50a的待加热凝结水经凝结水进水支路51进入燃气轮机透平空气冷却系统回收热量；其中凝结水进水支路51来流凝结水经第二流量调节阀72、第五气动切断阀35后进入主冷却器10冷侧回收热量；加热后凝结水沿凝结水回水支路52流至凝结水出水干路50b，完成整个余热回收过程。此时对应的冷却水系统未启用。
77.上述运行过程中，若第三温度监控仪83的温度测量值超出设定温度值的20％，则开启第三气动切断阀33、第七气动切断阀37，启用辅冷却器20进行二次冷却，直至第三温度监控仪83的温度测量值低于设定温度值的20％。
78.当主冷却器10故障或其他情况无法使用时，仅启用辅冷却器10，该模式ⅱ下冷却空气的具体流动路径如下：来自冷却空气进气干路41的单台套燃气轮机压气机的高温压缩空气经气量分配阀30，全部经辅冷却管21上的第三气动切断阀33进入辅冷却器20，此时第一气动切断阀31、第二气动切断阀32、第四气动切断阀34均处于关闭状态，主冷却器10及主冷却器旁路11内无空气流通；经辅冷却器30冷却后的高温压缩空气经第七气动切断阀37进入冷却空气出气干路42,完成整个冷却过程。
79.对应的，对应的来自冷却水系统的冷却水进水支路61的冷却水，经第三流量调节阀73进入辅冷却器20冷却高温压缩空气；加热后冷却水沿冷却水回水支路62返回冷却水系统。凝结水加热系统未启用。
80.模式ⅲ：若温度测量值低于设计温度值的80％，仅启用主冷却器10，同时调节气量分配阀30开度，控制第二温度监控仪82的温度测量值在设定温度值的80～120％范围内。
81.此模式下冷却空气的具体流动路径基本同模式ⅰ，不再赘述。
82.当燃气轮机透平冷却空气负荷分配及余热回收系统中燃气轮机透平空气冷却机组数量大于1时，各燃气轮机透平空气冷却机组连接一台套燃气轮机，同时对凝结水进水干路50a的凝结水按冷却机组的总负荷进行分配即可。
83.以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而并非对本发明的限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：凡在本发明
创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。