CN100340744C - 大型火电直接空冷机组乏汽热能利用的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型火电直接空冷机组乏汽热能利用的装置，包括空气输送通道，空气输送通道的端口设置换热器，换热器上连接汽轮机排汽出口，换热器上设置有空气进口，空气输送通道连接膨胀塔，膨胀塔的底部入口处配置透平，透平连与发电机相连接，膨胀塔顶部设置有空气出口。膨胀塔高度为250～1500m，直径为40.2～63.5m。本发明利用空冷机组排放的废热，达到利用能源和保护环境的目的。采用本发明，节省风机耗电量和所发的电量总和为18.55～47.64MW，占总的发电量的3.09～7.94%，年节省标准煤11500.0～29430.1t。

Description

大型火电直接空冷机组乏汽热能利用的装置

技术领域

本发明涉及热能与电能转换技术，特别涉及一种大型火电直接空冷机组乏汽热能利用的装置。

背景技术

蒸汽轮机乏汽冷却是火电厂发电过程重要的组成部分：如何冷却乏汽回收工质、如何设计制造有效的换热装置、如何利用较低品味的蒸汽放热，是关系到火电厂安全经济运行的核心问题之一。在能源短缺、水资源短缺的今天，解决这个问题迫在眉睫。

火电厂冷却蒸汽的常规方法是湿冷方式：汽机乏汽与冷却水互不接触在冷却塔中换热，形成冷凝水回收利用，换热后的冷却水形成水蒸气排放到大气中。湿冷方式的优点是：水的换热系数很大，冷却效果良好，汽机排放乏汽温度接近大气温度，热力循环效率达到极限值，乏汽的热量几乎没有利用价值；其明显的缺点是耗费大量的冷却水。我国北方有着丰富的煤炭资源，可是水资源严重缺乏，因此传统规划建造火电厂“以水定电”的思想严重阻碍了坑口电站的发展。

为了减少火力发电中水资源的消耗，空冷技术得到发展。空冷技术利用空气作为汽机乏汽的冷却工质，与湿冷方式对应，又称为干冷方式。空冷系统分为直接空冷方式和间接空冷方式，主要有以下三种：

1、直接空冷系统

直接空冷系统是指汽机的排汽直接用空气来冷却，所需冷却空气通常由机械通风方式供应，冷却空气与乏汽互不接触在换热器中换热。汽机排汽通过粗大的排汽管道送到空气凝汽器中，轴流冷却风机使空气流过散热器外表面，将排汽冷凝成水，凝结水在经泵送回汽轮机的回热系统。直接空冷系统一般与高背压汽轮机配套。

2、海勒式间接空冷系统

海勒式间接空冷系统中，高纯度的中性冷却水直接进入冷凝器与汽轮机排汽混合并将其冷凝，受热后的冷却水绝大部分由冷却水循环泵送至空冷塔散热器，经与空气对流换热后通过调压水轮机将冷却水再送至喷射式冷凝器进入下一个循环，受热的循环冷却水的极少部分经凝结水精处理装置处理后送至汽轮机回热系统。该系统可与中背压汽轮机配套。

3、哈蒙式间接空冷系统

该系统是在海勒式间接空冷系统基础上发展起来的。它由表面式凝汽器和空冷塔组成，与常规的湿冷系统相仿，只是用空冷塔代替湿冷塔，处盐水代替循环水，密闭式循环冷却水系统代替开敞式循环冷却水系统。哈蒙式间接空冷系统不用对冷却水精处理，应用于大型机组。

空冷系统对于降低冷却水消耗有着明显的效果。但是空气的冷却能力远低于水，驱动空冷系统耗费大量厂用电，并且使得汽机的排汽温度较高，约比湿冷时高20～30℃。从热力循环角度来看，这部分热能仍有一定的利用价值，况且大型火电机组废热排放量非常大，例如，600MW机组的废热排放功率在900MW左右，一直以来没人关注这部分热量的回收利用，通常直接排放到大气中，既造成能源巨大浪费，又对环境造成严重的热污染。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于，提供一种大型火电直接空冷机组乏汽热能利用的装置，利用空冷机组排放的废热，达到利用能源和保护环境的目的。

本发明技术方案是这样实现的：本发明包括空气输送通道，空气输送通道的端口设置换热器，换热器上连接汽轮机排汽出口，换热器上设置有空气进口，空气输送通道连接膨胀塔，膨胀塔的底部入口处配置透平，透平连与发电机相连接，膨胀塔顶部设置有空气出口。

空气进口形状为渐缩型，空气进口在换热器上布置或者是均匀布置，或者疏密不均。

空气出口是可旋转渐缩型管口。

所述的膨胀塔高度为250～1500m，直径为40.2～63.5m。

膨胀塔建造材料为高热阻的、常规的建筑材料：钢筋、水泥和混凝土。换热器周围的空气进口为渐缩型，数量若干，如8个，入口可以均匀分布，也可以根据当地长年风向结果布置：在较多时间为迎风的方向上多布置空气进口，背风方向少布置。迎风方向进口打开，背风方向关闭。膨胀塔顶端的空气出口是渐缩型的、可随风向旋转，空气从膨胀塔背风方向排出。

本发明换热后的热空气由管道引入膨胀塔，可以省去空气驱动风机，在自然通风条件下，空气速度较低，冷却效果比强制通风效果差的多，为了达到同样的空气冷却效果，自然通风条件下的换热面积要大大增加。强制通风条件下的驱动风机功率很大，因此耗电量很大。本发明利用膨胀塔对受热空气产生的“拔力”作用来代替风机的驱动，在自然通风条件下无需风机，也就不需消耗电功率就可以达到了强制通风条件下的冷却效果。

本发明换热后的热空气在膨胀塔中以一定速度上升，可以发电，实现废热利用，膨胀塔对热空气的“拔力”作用除了替代风机外，还能使热空气流以10～25m/s的速度推动膨胀塔入口处的透平发电，这使得湿冷和空冷方式下，一直没有引起人们重视的大量低品位热量得到了利用。虽然本发明利用废热效率很低，理论利用效率只有0.85～5.08％，但是由于乏汽携带的废热排放量非常巨大，所以总收益还是相当可观的。例如，600MW机组热效率在40％左右，排放废热功率约为900MW，采用本发明，节省风机耗电量和所发的电量总和为18.55～47.64MW，占总的发电量的3.09～7.94％，年节省标准煤11500.0～29430.1t。

本发明开放迎风方向、关闭背风方向的空气进口为渐缩型，可以更大程度利用低空风能，提高空气的初速度，强化换热效果。在膨胀塔顶端布置可以转动的渐缩型空气出口，空气出口方向随风向改变而转动，空气沿着风向流到膨胀塔的背压区，降低了空气出口阻力，从而利用了高空风能。低空高空风能的利用相当于提高了膨胀塔的高度，从而提高了废热的利用效率。

膨胀塔由高热阻的普通建筑材料建造，受热后的高温空气在其中流动，膨胀塔相当于一个高温热源，不会把热量排放到环境中，至多排放到高空，避免了空冷和湿冷都对火电厂周围环境造成热污染的问题，提高了空气的质量。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2(a)是本发明管壳式换热器结构示意图；

图2(b)是空气进口结构示意图；

图3是本发明空气循环路线示意图；

图4是本发明空气理论循环热力学温熵(简记为T-S)图；

图5是本发明空气实际循环热力学温熵T-S图。

具体实施方式

图1是本发明一种大型火电直接空冷机组乏汽热能利用的装置。空气输送通道6的端口设置换热器3，换热器3上连接汽轮机排汽出口1，换热器3上设置有空气进口5，空气输送通道6连接膨胀塔7，膨胀塔7的底部入口处配置透平8，透平8与发电机9相连接，膨胀塔7顶部设置有空气出口10。

汽轮机乏汽由空气出口1排出，经乏汽输送管道2进入管壳式换热器3，和空气进口5进入的空气进行不接触换热。乏汽在换热器3中放热后的乏汽变为冷凝水，乏汽冷凝成水经凝结水管道4排出，回收利用。受热的空气密度变小，形成具有一定速度上升的空气流，经热空气输送通道6送入膨胀塔7。空气一部分动能用于取代驱动风机，使其自身流过换热器3，另一部分动能用于推动放置在膨胀塔7底部入口处的透平8转动，透平8带动发电机9发电，实现汽机乏汽携带低品位热能的利用。做功后的热空气剩下的动能用于驱动自身在膨胀塔中上升，最后空气从可转动空气出口10排到高空大气中去。

图2(a)(b)是管壳式换热器的结构示意图。图中单箭头为空气流动方向，双箭头为汽轮机乏汽流动方向.其中a为换热器布置图，b为渐缩型空气进口5示意图。空气从布置在换热器表面的空气进口5进入，所布置的空气进口5可以均匀布置，如每个方向2个，四面共计8个，也可以根据当地常年风向布置进口，迎风方向多布置，背风方向少布置。系统工作时，迎风方向的窗户打开，背风方向的窗户关闭，只允许迎风方向的空气进入换热器，以此提高空气的初速度，提高空气的换热效果。

图3是空气循环路线示意图。为了系统热力学分析的方便，分别把空气的各个位置规定为：空气出口10后I、高空I’、空气进口5处II、透平8之前III、透平8之后te和空气出口10之前IV。空气整个运动过程如箭头所示。II-III为换热器中空气与乏汽换热过程，受热空气形成空气流，推动te处的透平转动做功；te-IV为做功后的空气在膨胀塔中上升过程，在IV处逸出膨胀塔；IV-I以及I-I’为高空空气平流过程；I-II为高空空气下降过程。

图4是空气理论循环热力学T-S图。II-III为换热器中空气与乏汽换热过程，等压吸热温度升高；III-te为热空气流推动透平转动绝热过程，实现废热利用；te-IV空气在膨胀塔中绝热膨胀上升过程。不考虑各项实际损失。

图5是空气实际循环热力学温熵T-S图。实际循环包含三种损失：透平损失、动能损失和膨胀塔损失。实际应用中只有具体确定各项损失的数值，才能准确计算出系统对热能的利用效率。

下面就空气的热力学系统过程，对理论利用效率推导如下。

系统的发电效率：

其中，空气在换热器中吸收的热量功率P_absorb大小为：

$P_{\mathrm{absorb}}=\stackrel{\·}{m}{c}_p(T_3-T_2)=\stackrel{\·}{m}{c}_p\mathrm{\Δ}{T}_{23}....\left(2\right)$

式中，

为空气质量流量，c_p为空气定压比热容，T为各处温度，下标代表具体位置，见图4，下标为双数字表示对应的过程量(下同)。

由热力学第二定律可知，III-IV过程中，只有一部分功可以用来驱动透平转动发电，其余的能量用于驱动空气在烟囱中上升，烟囱高度为Δz：

$P_{3-4}=\stackrel{\·}{m}{c}_p(T_3-T_4),...\left(3\right)$

$P_{3\mathrm{te}-4}=\stackrel{\·}{m}{c}_p(T_{3\mathrm{te}}-T_4)=\stackrel{\·}{m}\mathrm{g\Δz};...\left(4\right)$

绝热下降过程：

$-\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dz}}=\frac{g}{c_p};...\left(5\right)$

te-IV过程焓降Δh和I-II过程相同：

$\mathrm{\Δh}=\mathrm{g\Δz}=c_p(T_2-T_{1^{\′}}),...\left(6\right)$

输出功P_absorb为：

$P_{\mathrm{absorb}}=\stackrel{\·}{m}{c}_p(T_3-T_4)-\stackrel{\·}{m}{c}_p(T_2-T_{1^{\′}}),...\left(7\right)$

把式(2)，(6)和(7)，等熵过程比率c＝T₂/T₁＝T₃/T₄，全部代入式(1)，可得系统理想效率：

$\mathrm{\η}=1-\frac{1}{c}=\frac{\mathrm{g\Δz}}{c_p{T}_2}....\left(8\right)$

算例分析

下面以600MW火电空冷机组为例进行计算。

已知条件^[1]：

(1)设计散热量 $\stackrel{\·}{Q}=900\mathrm{MW},$ 环境温度T₂＝288K，年运行时间t＝5000h；

(2)设空气换热温升ΔT＝25K，换热后的空气温度T₂′＝313K，一个标准大气压下，C_p＝1005J/(kg·K)，热空气密度ρ＝1.13kg/m³。

计算步骤：

(1)计算热空气流量

$\stackrel{\·}{Q}=\mathrm{\ρ}\stackrel{\·}{V}{C}_p\mathrm{\Δt},...\left(9\right)$

则：

$\stackrel{\·}{V}=\stackrel{\·}{Q}/\left(\mathrm{\ρ}{C}_p\mathrm{\Δt}\right)....\left(10\right)$

(2)计算烟囱内径D：假设烟囱中热空气流速分别为v，

由 $\stackrel{\·}{V}=\frac{\mathrm{\π}}{4}{D}^{2}v,...\left(11\right)$

得： $D=\sqrt{\frac{4\stackrel{\·}{V}}{\mathrm{\πv}}}....\left(12\right)$

(3)计算输出功率P：

假设烟囱高度为Δz，由公式(8)计算对应的理论效率η_t。

设机电效率：η_wt＝0.8，空气流沿程损失：η_y＝0.05。

(4)实际可用效率：

               η＝η_tη_wt(1-η_y)。                (13)

(5)实际发电功率：

$P=\stackrel{\·}{Q}\mathrm{\η}....\left(14\right)$

(6)烟囱替代风机节省的厂用电：

轴流式冷却风机数目：n＝48台，每台功率：P_f＝270kW，风机效率η_f＝55％，则总的风机消耗功率：P_fj＝48×0.27＝12.9MW；

只要烟囱对空气产生的“拔力”效果达到风机实际驱动功率的作用效果，就可以省去风机：

$\stackrel{\·}{Q}{\mathrm{\η}}_t(1-{\mathrm{\η}}_y)>P{\mathrm{\η}}_f,...\left(15\right)$

则Δz＞245.1m，只要烟囱高度超过245.1m就可以省去风机。同时，多余的空气动能可以用来发电。

(7)总共能源节约：

与常规空冷机组相比，总共节省功率：

            P_z＝P+P_fj，                            (16)

占发电功率的比例：

每年节约电量：

            E＝P_zt。                            (18)

上面计算所得结构尺寸和经济性分析汇总如下：

                        表1  烟囱尺寸

	对应尺寸
					空气流速v(m/s)	10	15	20	25
烟囱直径D(m)	63.5	51.9	44.9	40.2

                                            表2  经济性分析

项目	各项对应关系
								烟囱高度Δz(m)	250	400	600	800	1000	1200	1500
理论效率ηt(％)	0.85	1.35	2.03	2.71	3.39	4.06	5.08
								实际效率η(％)	0.65	1.03	1.54	2.06	2.58	3.09	3.86
风机功耗Pfj(MW)	12.9	12.9	12.9	12.9	12.9	12.9	12.9
								发电功率P(MW)	5.85	9.27	13.86	18.54	23.22	27.81	34.74
节省总功率P(MW)	18.55	22.17	26.76	31.44	36.12	40.71	47.64
								占发电功率(％)	3.09	3.70	4.46	5.24	6.02	6.79	7.94
年节省电量E(×108kW·h/a)	0.93	1.10	1.39	1.57	1.81	2.04	2.38
								年节省标煤m(t)	11500.0	13602.2	17188.2	19414.0	22381.7	25225.8	29430.1

由表得出的结论：

本发明的装置，既可以不消耗冷却水，用空气直接冷却汽轮机排放乏汽，又可以省却驱动冷却空气的风机，节省了风机造价和厂用电，还可以发电，同时保护了环境。利用热力循环原理分析得出结论：系统发电所利用的低品味热能理论效率与烟囱高度成正比。当烟囱高度设计为250～1500m时，热能利用效率0.85～5.08％，对于600MW机组，年节省标煤11500.0～29430.1t。

虽然本发电系统能量利用很低，但是热源本身属于废弃热，通常情况都是直接排放到大气中，既造成能量浪费，又对环境造成热污染。从能源的供给角度来讲，是没有成本的，因此不能仅仅通过热能利用率来衡量系统的优劣，可以通过系统的造价、收益以及环境保护多方面综合来衡量系统性能的好坏。

Claims (1)

1.一种大型火电直接空冷机组乏汽热能利用的装置，包括，空气输送通道(6)，其端口设置换热器(3)，其特征在于，换热器(3)上连接汽轮机排汽出口(1)，换热器(3)上设置有空气进口(5)，空气输送通道(6)连接膨胀塔(7)，膨胀塔(7)的底部入口处配置透平(8)，透平(8)与发电机(9)相连接，膨胀塔(7)顶部设置有空气出口(10)，空气进口(5)形状为渐缩型，空气进口(5)在换热器(3)上或者是均匀布置，或者是疏密不均布置，空气出口(10)是可旋转渐缩型管口，所述的膨胀塔(7)高度为250～1500m，直径为40.2～63.5m。

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