CN101769182A - 火电站传统热工系统的节能化改造(热能的综合利用) - Google Patents

Abstract

我国自上世纪五十年代初开始制造火电站成套设备以来，火电站热工系统一贯采用锅炉+汽轮发电机组+冷凝器(塔)的布局。这项布置系统用自然水将汽轮机尾汽冷凝成水，而尾汽的汽化潜热被视为“废物”排出系统之外。这是该系统热工系统热效率十分低劣(约为32-40％)的基本原因所在。这是一个世界性顽症，至今无法解决。本发明提出热能综合利用的理论和实施方法，其核心技术是开发自主创新的汽轮机尾汽过热器，以取代原锅炉的空气预热器。经过过热的汽轮机尾汽一则用来加热燃烧空气，二则用来生产大量的热水(100℃上下)，甚而至于生产低压微过热蒸汽，这项热水或微过热低压蒸汽作为火电站的第二产品，向外供应。

Description

火电站传统热工系统的节能化改造(热能的综合利用)

我国自上世纪五十年代初生产首套国产6000KW火电站设备以来，经过半个世纪的艰苦奋斗，现在全国已建成大、中型火电站数百座，总装机容量突破3亿KW，每年消耗燃料折成标煤达7～8亿吨。在电站技术方面也有长足的跃进，基本上已经接近或达到国际先进水平。

但是火电站热效率不高是个典型的世界性顽疾，至今没有得到妥善的解决，我国也不例外。以锅炉+汽轮发电机组+冷凝设备为代表的传统火电站热工系统，其热能利用效率只有32～40％。即使采用了极端高科技的超临界参数机组也只能艰难地达到45％左右，而这种机组的建设和维护费用的极度腾升也难以为我国所能大面积采用。

以火电站热能利用效率40％为例进行分析，可以发现一次能源总供给量60％热能的逸出途径除去一些另星的不完全燃烧和跑、冒、滴、漏等损失之外，有两条主要损耗渠道：

(1)锅炉烟囱排出的废烟气带走了燃料热能的6.5～7.5％，无效排向大气。

(2)汽轮机尾汽经由冷凝装置，被冷却水(或冷却空气)掳走了燃料热能的近50％左右，无效排向自然界。

两者叠加，总计约57％的燃料热能是由这两条渠道溜走的。这两条渠道是造成火电站热效率低下的主要责任者。因此寻求提高火电站热效率的不二法门在于捉住锅炉排烟热损失和汽轮机尾汽热损失，为我所用。

但是锅炉排烟温度已降到了150～160℃之间，汽轮机尾汽也只有0.05个绝压和33℃左右。这种低温和低压的废气与尾汽已无法再由火电站直接加以利用，只能听其无效流失。本专利申请人由此得出一个结论：出路在于

就是将火电站按传统热工系统已无法利用的废气与尾汽经过一番技术改造，转换成为其他部门可以利用的宝贵能源。这是一条综合利用的康庄大道。

本专利申请根据以上理论提出一项以废烟气和尾汽联合起来，首先将汽轮机尾汽转变为高温的过热低压蒸汽，再由高温的低压蒸汽生产高温(≈100℃)循环热水的设计方案。由此将传统火电站只生产单一的电能的不变成规，变成一个既生产电能，又生产高温热水的企业。通过综合利用的途径可以将火电站的热效率由32～40％提升到70～80％，甚而至于更高。

传统火电站的热工系统图和本专利提出的新热工系统示意图相比较(参见图1和图2、       )，可以看出。两者相差并不太大。即是说，本专利申请提出的设计尽量保留了有成熟经验的有效成份，只是在锅炉尾部做一些原则性的改变，增加了一些技术成份并不太高、有成熟经验支撑的设备，其出发点是适应我国国情，仅仅增加不多的设备投资，就能将传统火电站改造成为节能、环保、高效型电站，有利于大面积推广。

图1为传统火电站的典型热工系统示意图。燃烧烟气经过蒸发系统EV、过热器SH、省煤器EC和空气预热器AH的换热过程，最终以150～160℃左右的温度经烟囱排向大气。布置在燃烧室CC周围的蒸发系统EV所产生的蒸汽经过过热器SH的加温达到520～750℃的过热温度，然后引向汽轮机，将蒸汽的高压热能转换为旋转的机械能，转动发电机产生电能。在这个转换过程中，除去抽取一定数量的中、低压蒸汽供给水系统的需要外，蒸汽的主体部份皆在汽轮机中尽量发挥其产生机械能的作用，直到达到相当低的压力区(0.05绝压左右)，此时，其温度也已降低到相应的饱和温度(33～35℃左右)。这种低压低温蒸汽已不再能为传统火电站所利用，只能通过冷凝器SC(或冷却塔CT，图中未示出)用自然水(或冷空气)将尾汽的汽化潜热抽去，以获取冷凝水(其热焓约为30大卡/公斤)，回归锅炉的给水系统。在尾汽凝结为水的过程中，自然水(或冷空气)将尾汽所含有的约600大卡/公斤的汽化潜热带走，排向自然界。这项600大卡/公斤的汽化潜热约占原始过热蒸汽热焓(818～906大卡/公斤)的41～45％左右(在这项换算中已考虑了大约20％的中间抽汽)。这笔热损失和排烟热损失叠加起来占火电站消耗原始能源(燃料)总热量的50％以上。这就是传统热电站热效力不高(只有32～40％左右)的主要原因。

本专利申请针对以上所述两项热损失，提出一项崭新的火电站热工系统，见图2改造型锅炉的结构，从燃烧室(CC)到省煤器(EC1)为止，基本上维持不变。在省煤器EC1之后，在空气预热器AH1的原处，改为布置尾汽过热器SH’，(即图2中的HE1)，其作用是将汽轮机尾汽温度由35℃左右，提升到300～450℃左右或更高。尾汽经过过热后引向一个热交换器HE2，利用尾汽过热后的高温加热循环水，由此产生了火电站的第二产品——高温水。这种高温水数量极大，携带着电站能源总消耗量约50％左右的热量，是一项十分可观的能源资源，它的利用可能派生一系列有重大开发前景的新产业链。

图2提出了改造的三个方案，对各种不同的情况，给出了相应的实施方法。方案I适用于燃料燃烧空气的温度要求不太高，原锅炉空气预热器第一级(AH1)被HE1(或称之为尾汽过热器SH’)取代后，原锅炉空气预热器第二级(AH2)即足以单独负担加热燃烧空气的任务。方案II适用于燃料燃烧空气有较高的要求，AH2已不足以单独负担燃烧空气的加热任务，此时使用HE3，以部份的过热尾汽(ES’)对燃烧空气在AH2之前进行预加热。方案III应用于完全删除原锅炉的空气预热器，由锅炉的省煤器EC和尾汽过热器SH’(即HE1)组成锅炉尾部受热面，此时汽轮机尾汽的过热温度可以达到最高值，并且单独负担起燃烧空气的加热任务。由于过热尾汽所携带的总热量十分庞大，无论是HE3抑或是HE4只消耗了过热尾汽(ES)的一部份，而其大部份则应消耗于热水发生器(HE2)。本专利申请共提出了4种热交换器(即HE1～HE4)，各司其职，但有两个共同点：

1、4种HE结构，都与超低压低温的汽轮机尾汽相关联，或为收集热能，如HE1(SH’)。或为散发热能(如HE2～HE4)。

2、HE2～HE4皆生产冷凝水，因此都合理利用了尾汽的汽化潜热。HE1虽不生产冷凝水，但它提升了尾汽(ES’)的温度，使无法利用的尾汽(ES)转变为大有可为的过热尾汽ES’，为传统锅炉系统的改造立下头功。

可是这两项新设备的设计却遇到了同一个棘手的难题，那就是尾汽物理性能资料的缺失。本专利申请人遍查国内、外资料不能找到如此低压蒸汽的相关物理数据(例如低压过热蒸汽的热焓，比容等等)。本专利申请人要求有意实施本专利技术的企业，必须具有勇闯前人所未曾涉足的新领域的精神和能力，敢于在实施中抱着“在实践中求真知”的态度，创造自己的数据。这些数据的缺失，也在一个方面佐证了国内、外科技界根本没有接触过这种低压低温的蒸汽，更不要说是加以利用了。

图3示尾汽过热器SH’的结构示意。换热面为水平布置的管束，尾汽由下方引入、上方排出。蒸汽流向与烟气流向呈正交逆向流动，以求获得蒸汽的最高过热温度和烟气的最低排出温度。因低压尾汽的体积十分庞大，所以管束采用较大口径的钢管。既可以采用传统过热器和省煤器通常采用的蛇形管形(如图6所示)，也可以采用直管+管板的形式(如图5所示)。

如果尾汽过热器SH’完全替代了原空气预热器预热器第一级(AH1)的位置，仍不能满足热水用户对热水温度的要求时，尾汽过热器SH’尚可以“侵入”省煤器(EC1)的部份地位。如果尾汽过热器SH’取代了原空气预热器(AH1)而导致空气预热温度不能满足某些燃料对空气温度的要求时，则可以用部份过热尾汽通过备用管道加热进口空气(空气预加热装置的结构类似于图5、图6所示，不赘述。)

图4示过热尾汽和循环水的热交换器(HE)，其结构与上述尾汽过热器(SH’)相类似，如果采用以上措施仍不能满足热水用户对热水温度的要求时，还可以考虑适当提升汽轮机的尾汽压力(至0.5个绝压左右)，其办法是删除汽轮机尾部叶片1～2排。过热尾汽由上方引入，冷凝水由下方排出。循环水由下方引入，上方排出。也是呈正交逆向流动，以求获得最高的热水温度和尽早形成冷凝水。

图5示直管管板型管束的结构示意。直管与管板的连接可以是涨接或是焊接。

图6示蛇形管束型的结构示意，类似于通常的过热器与省煤器的形式。因本专利要求较大口径的钢管(φ40～50或更大)，管距也要求相当密集，蛇形管的弯头就不能采用通常的弯管工艺。本专利申请建议采用图6附详图的焊接弯头的方式其中弯头部份可以采用锻压工艺生产。

总之，本专利申请提出的先过热尾汽，然后利用它加热循环水，生产出大量的高温热水，这是“捕捉”电站逸出热能的有效途径，而实施这项技术既不牵涉到不可克服的技术难题，也不牵涉到过大的设备投资，而其结果确是十分显著地提高能源的利用率，经济效益十分显著，请业界重视。

特别提示

①采用本专利技术后，原锅炉的热平衡可能受到一定的干扰，其极限也不过是要求增加一些燃料用量(估计不会增加超过1～2％)，而其效果则可将尾汽的汽化潜热(大约为600大卡/公斤)牢牢捉住，也就是将燃料热能的50％左右原先无效逸出的热能牢牢捉住，其利益是十分明显的。

②本专利的采用将大辐提升火电站的热效率，不再要求一味追求超高压甚至超临界参数设备那种不惜以巨资和技术风险以换取热效率提升2-3％的不切合我国国情的办法，请我国业界关注。

③本专利申请实施后将大量生产热水，其合理利用问题是一个十分值得关注的课题。本专利申请人提出以下建议：

1、如电站附近地区有密集的城镇居民区，在北方各省，电站热水可作为生活取暖之用，以取代为数众多的炉灶等低效高污染设备。

2、有不少生产企业需要大量的热水供生产之用，十分欢迎这种价廉而又无污染的热源，甚而至于在电站附近会吸引这些企业形成一个新的工业生产区。

3、在电站附近可以大规模进行温室种植事业。在北方地区可开辟大规模的温室种植区，用高科技工艺(温度调控、大气成份调控、光照调控、优质错季节、错地区品种栽培、无土栽培等等)以工厂化方式生产无公害、低能耗、低水耗优质蔬菜、水果和花卉，供应附近地区，以至远销海内、外，是一项有十分广阔前景的产业链，值得关注。

4、本专利说明书的叙述着重阐明已建火电站采用本专利的理论与技术进行节能化改造所遵循的途径。本专利申请人需要特别提出，如果拟建火电站采用本专利申请的理论与技术实施设计与建设，可以获得更优化的节能效果，因为此时可以考虑完全放弃传统空气

的使用，

加本专利的杰出理论与技术发

Claims (1)

1.本专利申请提出传统热工系统节能化改造的理论和实施方法，其标的是将火电站热利用效率由40％上下提升到70～80％或更高。

本发明专利申请“火电站热工系统的节能化改造”有以下技术特征：

①废除传统火电站中传统的锅炉空气预热器和冷凝器的采用；

②更改汽轮机尾汽(ES)的行走路线，原来是走向冷凝器的，更改为走向置于原空气预热器(AH)位置的创新型尾汽过热器(HE1或称为SH′)使原为含有水份的饱和尾汽(ES)变成过热的汽轮机尾汽(ES′)；

③过热的汽轮机尾汽(ES′)，作以下两宗用途：

其一，作为燃烧用空气的加热源，在空气加热器(HE3、HE4)中，一方面冷的空气(CA)被加热成为热的空气(HA)以适应燃料燃烧的需求，另一方面过热的汽轮机尾汽(ES′)则被空气所冷却，生成冷凝水，作为锅炉补给水(FW)的一部份，因此HE3和HE4的作用既取代了原空气预热器的作用，同时又副产了冷凝水；

其二，利用热交换器(HE2)使过热的汽轮机尾汽(ES′)通过HE2被循环水所冷却，化作冷凝水，作为锅炉给水的另一部份，同时又加热了冷的循环水(CW)，产生热的循环水(CW′)或过热的低压蒸汽，向外供应，作为电站的第二产品，因此HE2的作用取代了原冷凝器的作用，但两者的不同之处，原冷凝器所产生的CW′(见图1所示)，由于温度较低(不超过20℃左右)，是向大自然无效排放的，而热交换器HE2所产生的CW′，由于温度较高，可以利用，向热水用户供应，作为电站的第二产品；

④本专利申请除了采用上述尾汽过热器(HE1)，作为本专利技术的核心之外，又为实施本专利技术，提出了三个具体改造方案，其中：

方案I：图中HE1占用了原AH1的位置，适用于燃料燃烧空气的温度不太高，原空气预热器第1级(AH1)被HE1(或称之为尾汽过热器SH′)所取代后，原空气预热器(AH2)(在图2方案I中为AH)已足以单独承担加热燃烧空气的任务；

方案II：适用于燃烧空气有较高的温度要求，原AH2已不足以单独负担燃烧空气的加热任务，此时使用HE3，以部份的过热尾汽(ES′)对燃烧空气在AH以前进行预加热；

方案III：应用于完全删除原空气预热器的使用，由锅炉的原省煤器EC和尾汽过热器SH′(HE1)组成新的锅炉尾部受部面，此时汽轮机尾汽(ES′)的温度可以达到最高，而燃烧空气的加热任务则由HE4单独承担；

⑤如果电站的燃料或有供应上的原因有经常变化的可能、燃料的最佳空气温度不能预作规定时，可以考虑一律采用方案III为电站的改造实施方案，此时燃烧空气温度可以用HE4前的ES′管道上设置的调节阀门(图中未示出)以控制ES′的流量以达到调节HA温度的目的；

⑥上述原理也可以为新建火电站所采用；

⑦本专利技术的实施方在进行工作图设计时，可以自由发挥设计师的聪明才智，开发出形形式式的实用型热交换器，只要是能满足本专利申请所规定的各项热交换器的任务，皆为本专利申请技术所包容，本专利申请所提出的热交换器的主体结构和细节构造，只是起到示范的性质，不拟作为技术上的界定。

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