专利摘要

本发明属于燃气轮机余热利用领域，提供了一种利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统及其方法，它解决了燃气轮机余热利用率低的问题，具有燃气轮机发电功率高，充分回收燃气轮机排烟余热，保证系统经济高效运行的效果。其中，利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统包括燃气轮机子系统、超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统；所述燃气轮机子系统通过分流阀与超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统分别连通，所述超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统串联连接；所述分流阀用于根据燃气轮机子系统的负荷值来控制燃气轮机子系统的排烟通路；以LNG冷能作为跨临界CO2动力循环子系统的冷源。

权利要求

1.一种利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统，其特征在于，包括燃气轮机子系统、超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统；

所述燃气轮机子系统通过分流阀与超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统分别连通，所述超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统串联连接；所述分流阀用于根据燃气轮机子系统的负荷值来控制切换燃气轮机子系统的排烟通路；以LNG冷能作为跨临界CO2动力循环子系统的冷源；

当燃气轮机子系统的负荷小于预设负荷阈值时，分流阀控制燃气轮机子系统的排烟直接进入跨临界CO2动力循环子系统中进行回收；当燃气轮机子系统的负荷大于或等于预设负荷阈值时，分流阀控制燃气轮机子系统的排烟进入超临界CO2再压缩动力循环子系统中进行一级回收，然后再进入跨临界CO2动力循环子系统进行二级回收；

LNG经第二泵加压到适于燃气轮机燃烧的压力状态，先流经冷凝器作为跨临界CO2动力循环子系统的冷源，然后经过换热器释放冷能给常温水转变为适于燃气轮机燃烧的温度状态，同时为用户提供冷量；

所述换热器出口的天然气分为两股：一股进入燃气轮机燃烧室满足燃烧需求；一股通入其他天然气接收终端；

所述超临界CO2再压缩动力循环子系统，包括第一透平、高温回热器、低温回热器和第一加热器；

第一透平乏汽依次流经高温回热器和低温回热器释热后分为两股并进行预处理：一股先冷却为低温状态，然后压缩到预设高压状态，之后流经低温回热器吸收热量；另一股直接压缩；两股预处理后的流体混合，再通过高温回热器进一步吸收热量；高温回热器出口的高温CO2经过第一加热器吸收所述燃气轮机子系统排出的烟气余热后进一步升温，然后进入第一透平膨胀做功，产生电力；

所述超临界CO2再压缩动力循环子系统，还包括冷却器、主压缩机和再压缩机；

所述冷却器用于冷却所述第一透平乏汽依次流经高温回热器和低温回热器释热后的一股流体；

所述主压缩机，用于将冷却器冷却成低温状态的流体压缩到预设高压状态；

所述再压缩机，用于直接压缩所述第一透平乏汽依次流经高温回热器和低温回热器释热后的另一股流体。

2.如权利要求1所述的利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统，其特征在于，所述燃气轮机子系统，包括空气压缩机、燃烧室、燃气透平和发电机；

所述空气压缩机，用于将空气压缩至预设压力状态并传送至燃烧室；

所述燃烧室内通入有天然气并与压缩后的空气混合后燃烧释放热量，产生高温烟气；

所述燃气透平，用于在高温烟气的驱动作用下高速旋转并带动发电机发电。

3.如权利要求1所述的利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统，其特征在于，所述跨临界CO2动力循环子系统，包括回热器、第二透平、第二加热器和冷凝器；

饱和液态CO2压缩到高压状态，然后流经回热器吸收第二透平乏汽中的热量，之后进入第二加热器中回收所述燃气轮机子系统的烟气余热转变为高温高压状态，高温高压的CO2推动第二透平叶轮旋转，产生电力；第二透平乏汽经回热器流入冷凝器，释放热量给LNG后转变为饱和液态完成循环。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述的利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统的工作方法，其特征在于，包括：

将燃气轮机子系统的负荷与预设负荷阈值比较，进而控制切换燃气轮机子系统的排烟通路：

当燃气轮机子系统的负荷小于预设负荷阈值时，燃气轮机子系统的排烟直接进入跨临界CO2动力循环子系统中进行回收；

当燃气轮机子系统的负荷大于或等于预设负荷阈值时，燃气轮机子系统的排烟进入超临界CO2再压缩动力循环子系统中进行一级回收，然后再进入跨临界CO2动力循环子系统进行二级回收。

说明书

技术领域

本发明属于燃气轮机余热利用领域，尤其涉及一种利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统及其方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

近年来，化石能源的过度开采和不合理使用造成了世界范围内的能源危机，并严重危害自然环境。构建分布式能源系统是实现资源就近高效利用是缓解能源危机的一种行之有效的方案。其中燃气轮机作为分布式能源中的重要的动力系统之一，已经被广泛推广使用。对于无回热的发电用燃气轮机而言，排烟温度一般在500℃左右，效率一般不超过40％，因此对排烟余热的高效利用成为提高燃料利用率的关键。

目前，以利用余热增加发电功率为目的的底循环主要有朗肯循环，有机工质朗肯循环，卡琳娜循环等。其中朗肯循环受限于热源温度及余热利用规模，并不能在燃机余热利用中发挥优势；有机朗肯循环受限于工质自身热物理性质，通常适用的热源温度在400℃以下；而卡琳娜循环的系统结构比较复杂且维护困难，且氨水工质具有剧毒性。

CO2作为一种稳定环保，来源广泛，廉价易得的工质，其两种动力循环—超临界CO2再压缩动力循环(Supercritical CO2 Recompression Power Cycle，SCRPC)以及跨临界CO2动力循环(Transcritical CO2 Power Cycle，TCPC)受到了世界范围内的广泛关注。对于500℃的烟气，SCRPC的循环效率能达到35％左右，但发明人发现，当燃气轮机在较低负荷运行时，其排烟温度的降低会使得SCRPC的效率大大降低，而且烟气跟CO2工质换热后的温度仍然很高，单纯靠SCRPC并不能达到对燃气轮机排烟余热的充分利用。相比SCRPC，TCPC对于较低温度的烟气利用具有效率上的优越性，但是TCPC的冷凝温度要低于CO2临界点温度(30.98℃)，所以很难在常温下进行冷却。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的第一个方面提供一种利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统，其通过耦合超临界CO2再压缩动力循环和跨临界CO2动力循环提高燃气轮机发电功率，并可根据燃气轮机负荷改变余热利用方式，使燃气轮机排烟余热得到充分回收的同时，又可以保证系统经济高效运行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统，包括燃气轮机子系统、超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统；

所述燃气轮机子系统通过分流阀与超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统分别连通，所述超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统串联连接；所述分流阀用于根据燃气轮机子系统的负荷值来控制切换燃气轮机子系统的排烟通路；以LNG冷能作为跨临界CO2动力循环子系统的冷源。

作为一种实施方式，当燃气轮机子系统的负荷小于预设负荷阈值时，分流阀控制燃气轮机子系统的排烟直接进入跨临界CO2动力循环子系统中进行回收。

作为一种实施方式，当燃气轮机子系统的负荷大于或等于预设负荷阈值时，分流阀控制燃气轮机子系统的排烟进入超临界CO2再压缩动力循环子系统中进行一级回收，然后再进入跨临界CO2动力循环子系统进行二级回收。

上述技术方案的优点在于，根据燃气轮机负荷改变余热利用方式，使燃气轮机排烟余热得到充分回收的同时，又可以保证系统经济高效运行。

作为一种实施方式，所述燃气轮机子系统，包括空气压缩机、燃烧室、燃气透平和发电机；

所述空气压缩机，用于将空气压缩至预设压力状态并传送至燃烧室；

所述燃烧室内通入有天然气并与压缩后的空气混合后燃烧释放热量，产生高温烟气；

所述燃气透平，用于在高温烟气的驱动作用下高速旋转并带动发电机发电。

作为一种实施方式，所述超临界CO2再压缩动力循环子系统，包括第一透平、高温回热器、低温回热器和第一加热器；

第一透平乏汽依次流经高温回热器和低温回热器释热后分为两股并进行预处理：一股先冷却为低温状态，然后压缩到预设高压状态，之后流经低温回热器吸收热量；另一股直接压缩；两股预处理后的流体混合，再通过高温回热器进一步吸收热量；高温回热器出口的高温CO2经过第一加热器吸收所述燃气轮机子系统排出的烟气余热后进一步升温，然后进入第一透平膨胀做功，产生电力。

作为一种实施方式，所述超临界CO2再压缩动力循环子系统，还包括冷却器、主压缩机和再压缩机；

所述冷却器用于冷却所述第一透平乏汽依次流经高温回热器和低温回热器释热后的一股流体；

所述主压缩机，用于将冷却器冷却成低温状态的流体压缩到预设高压状态；

所述再压缩机，用于直接压缩所述第一透平乏汽依次流经高温回热器和低温回热器释热后的另一股流体。

作为一种实施方式，所述跨临界CO2动力循环子系统，包括回热器、第二透平、第二加热器和冷凝器；

饱和液态CO2压缩到高压状态，然后流经回热器吸收第二透平乏汽中的热量，之后进入第二加热器中回收所述燃气轮机子系统的烟气余热转变为高温高压状态，高温高压的CO2推动第二透平叶轮旋转，产生电力；第二透平乏汽经回热器流入冷凝器，释放热量给LNG后转变为饱和液态完成循环。

上述技术方案的优点在于，底循环采用CO2为工质，安全稳定，廉价易得，且由于CO2与烟气比热变化近似，换热过程将实现良好的匹配，从而可以降低传热温差造成的系统 损，提升系统效率。

作为一种实施方式，LNG经第二泵加压到适于燃气轮机燃烧的压力状态，先流经冷凝器作为跨临界CO2动力循环子系统的冷源，然后经过换热器释放冷能给常温水转变为适于燃气轮机燃烧的温度状态，同时为用户提供冷量。

上述技术方案的优点在于，利用LNG作为冷源，极大的降低了跨临界CO2动力循环的冷凝温度，这既解决了CO2在常温下冷凝困难的问题，又可以极大的增加系统功率输出，同时仍可以为用户提供部分冷量输出，对LNG冷能实现了高效利用。

作为一种实施方式，所述换热器出口的天然气分为两股：一股进入燃气轮机燃烧室满足燃烧需求；一股通入其他天然气接收终端。

为了解决上述问题，本发明的第二个方面提供一种利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统的工作方法，其通过耦合超临界CO2再压缩动力循环和跨临界CO2动力循环提高燃气轮机发电功率，并可根据燃气轮机负荷改变余热利用方式，使燃气轮机排烟余热得到充分回收的同时，又可以保证系统经济高效运行。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统的工作方法，包括：

将燃气轮机子系统的负荷与预设负荷阈值比较，进而控制切换燃气轮机子系统的排烟通路：

当燃气轮机子系统的负荷小于预设负荷阈值时，燃气轮机子系统的排烟直接进入跨临界CO2动力循环子系统中进行回收。

当燃气轮机子系统的负荷大于或等于预设负荷阈值时，燃气轮机子系统的排烟进入超临界CO2再压缩动力循环子系统中进行一级回收，然后再进入跨临界CO2动力循环子系统进行二级回收。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过耦合超临界CO2再压缩动力循环和跨临界CO2动力循环提高燃气轮机发电功率，根据燃气轮机负荷改变余热利用方式，使燃气轮机排烟余热得到充分回收的同时，又保证了系统经济高效运行。

(2)本发明的底循环采用CO2为工质，安全稳定，廉价易得，且由于CO2与烟气比热变化近似，换热过程将实现良好的匹配，从而可以降低传热温差造成的系统 损，提升系统效率。

(3)本发明利用LNG作为冷源，极大的降低了跨临界CO2动力循环的冷凝温度，这既解决了CO2在常温下冷凝困难的问题，又极大增加了系统功率输出，同时仍可以为用户提供部分冷量输出，对LNG冷能实现了高效利用。

(4)本发明的该系统各动力及换热设备均比较小巧紧凑，系统占地面积小，安装灵活性强。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例的利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统结构示意图。

其中，AC—空气压缩机；C—冷却器；Comb—燃烧室；Cond—冷凝器；G—发电机；GT—燃气透平；H1—第一加热器；H2—第二加热器；HEX—换热器；HTR—高温回热器；LTR—低温回热器；MC—主压缩机；P1—第一泵；P2—第二泵；R—回热器；RC—再压缩机；S—分流阀；T1—第一透平；T2—第二透平。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本实施例的利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统，包括燃气轮机子系统、超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统；

所述燃气轮机子系统通过分流阀S与超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统分别连通，所述超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统串联连接；所述分流阀S用于根据燃气轮机子系统的负荷值来控制切换燃气轮机子系统的排烟通路；以LNG冷能作为跨临界CO2动力循环子系统的冷源。

具体地，当燃气轮机子系统的负荷小于预设负荷阈值时，分流阀控制燃气轮机子系统的排烟直接进入跨临界CO2动力循环子系统中进行回收。

当燃气轮机子系统的负荷大于或等于预设负荷阈值时，分流阀控制燃气轮机子系统的排烟进入超临界CO2再压缩动力循环子系统中进行一级回收，然后再进入跨临界CO2动力循环子系统进行二级回收。

上述技术方案的优点在于，根据燃气轮机负荷改变余热利用方式，使燃气轮机排烟余热得到充分回收的同时，又可以保证系统经济高效运行。

在具体实施中，所述燃气轮机子系统，包括空气压缩机AC、燃烧室Comb、燃气透平GT和发电机G；

所述空气压缩机AC，用于将空气压缩至预设压力状态并传送至燃烧室Comb；

所述燃烧室Comb内通入有天然气并与压缩后的空气混合后燃烧释放热量，产生高温烟气；

所述燃气透平GT，用于在高温烟气的驱动作用下高速旋转并带动发电机G发电。

作为一种实施方式，所述超临界CO2再压缩动力循环子系统，包括第一透平T1、高温回热器HTR、低温回热器LTR和第一加热器H1；

第一透平T1乏汽依次流经高温回热器HTR和低温回热器LTR释热后分为两股并进行预处理：一股先冷却为低温状态，然后压缩到预设高压状态，之后流经低温回热器LTR吸收热量；另一股直接压缩；两股预处理后的流体混合，再通过高温回热器HTR进一步吸收热量；高温回热器HTR出口的高温CO2经过第一加热器H1吸收所述燃气轮机子系统排出的烟气余热后进一步升温，然后进入第一透平膨胀T1做功，产生电力。

具体地，所述超临界CO2再压缩动力循环子系统，还包括冷却器C、主压缩机MC和再压缩机RC；

所述冷却器C用于冷却所述第一透平T1乏汽依次流经高温回热器HTR和低温回热器LTR释热后的一股流体；

所述主压缩机MC，用于将冷却器C冷却成低温状态的流体压缩到预设高压状态；

所述再压缩机RC，用于直接压缩所述第一透平T1乏汽依次流经高温回热器HTR和低温回热器LTR释热后的另一股流体。

作为一种实施方式，所述跨临界CO2动力循环子系统，包括回热器R、第二透平T2、第二加热器H2和冷凝器Cond；

饱和液态CO2压缩到高压状态，然后流经回热器R吸收第二透平T2乏汽中的热量，之后进入第二加热器H2中回收所述燃气轮机子系统的烟气余热转变为高温高压状态，高温高压的CO2推动第二透平T2叶轮旋转，产生电力；第二透平T2乏汽经回热器流入冷凝器Cond，释放热量给LNG后转变为饱和液态完成循环。

上述技术方案的优点在于，底循环采用CO2为工质，安全稳定，廉价易得，且由于CO2与烟气比热变化近似，换热过程将实现良好的匹配，从而可以降低传热温差造成的系统 损，提升系统效率。

在具体实施中，LNG经第二泵加压到适于燃气轮机燃烧的压力状态，先流经冷凝器Cond作为跨临界CO2动力循环子系统的冷源，然后经过换热器HEX释放冷能给常温水转变为适于燃气轮机燃烧的温度状态，同时为用户提供冷量。

上述技术方案的优点在于，利用LNG作为冷源，极大的降低了跨临界CO2动力循环的冷凝温度，这既解决了CO2在常温下冷凝困难的问题，又可以极大的增加系统功率输出，同时仍可以为用户提供部分冷量输出，对LNG冷能实现了高效利用。

其中，所述换热器HEX出口的天然气分为两股：一股进入燃气轮机燃烧室满足燃烧需求；一股通入其他天然气接收终端。

本实施例的利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统的工作方法，包括：

将燃气轮机子系统的负荷与预设负荷阈值比较，进而控制切换燃气轮机子系统的排烟通路：

当燃气轮机子系统的负荷小于预设负荷阈值时，燃气轮机子系统的排烟直接进入跨临界CO2动力循环子系统中进行回收。

当燃气轮机子系统的负荷大于或等于预设负荷阈值时，燃气轮机子系统的排烟进入超临界CO2再压缩动力循环子系统中进行一级回收，然后再进入跨临界CO2动力循环子系统进行二级回收。

下面结合实例，对本实施例的该系统性能做进一步说明：系统初始输入参数值如表1所示。

表1系统初始输入参数

本实施例运用MATLAB及EES软件协同仿真，建立该利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统热力学模型，输入初始参数并调用相关工质物性参数进行运算，所得该系统额定状态工作条件下热力性能计算结果如表2所示。

表2系统额定工作性能计算结果

计算结果表明，当在额定状态下工作时，系统总净电功率达到3103kW，制冷功率为490.4kW，系统热效率达到52.18％， 效率达到31.73％。另通过计算可得，单独的燃气轮机布雷顿循环额定净电功率为1909kW，热效率为27.72％，因此通过底循环对余热烟气的回收利用，额定净电功率和热效率分别提高了1194kW和24.46％。

当燃气轮机在部分负荷条件下工作时，计算结果表明当燃气轮机负荷小于额定负荷的74.4％时，余热烟气直接经跨临界CO2动力循环子系统回收时总净电功率更高，当燃气轮机负荷大于额定负荷的74.4％时，余热烟气先后经超临界CO2再压缩动力循环子系统和跨临界CO2动力循环子系统两级利用时总净电功率更高。因此燃气轮机额定负荷的74.4％为调整其余热利用方式的参考工况点。

本实施例通过耦合超临界CO2再压缩动力循环和跨临界CO2动力循环提高燃气轮机发电功率，根据燃气轮机负荷改变余热利用方式，使燃气轮机排烟余热得到充分回收的同时，又保证了系统经济高效运行。

本实施例的底循环采用CO2为工质，安全稳定，廉价易得，且由于CO2与烟气比热变化近似，换热过程将实现良好的匹配，从而可以降低传热温差造成的系统 损，提升系统效率。

本实施例利用LNG作为冷源，极大的降低了跨临界CO2动力循环的冷凝温度，这既解决了CO2在常温下冷凝困难的问题，又极大增加了系统功率输出，同时仍可以为用户提供部分冷量输出，对LNG冷能实现了高效利用。

本实施例的该系统各动力及换热设备均比较小巧紧凑，系统占地面积小，安装灵活性强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种利用LNG冷能的燃气轮机余热利用系统及其方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。