CN101782002A

CN101782002A - 基于变工质正逆耦合循环系统的凝汽式火力发电新技术

Info

Publication number: CN101782002A
Application number: CN200910000271A
Authority: CN
Inventors: 杨金福; 金红光; 杨善让; 韩魏; 隋军; 付经伦
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-21

Abstract

基于正逆耦合循环系统是一项热力发电的新技术。这项技术是根据热力学定律及能量梯级利用原理，将总能系统能量梯级利用原理应用到火力发电机组的系统设计与改造过程中，并且利用变工质特性有效地解决正/逆循环耦合与冷/热源匹配的问题，构建新型热力循环与制冷循环相耦合的新型耦合动力循环系统。同时结合不同形式锅炉、汽轮机与制冷装置的结构及性能特点，合理利用低品位能量进行系统集成，实现锅炉、汽轮机与制冷装置的一体化设计。这不但能够有效地解决常规水冷机组耗水严重的问题，而且还能够很好地解决常规空冷机组经济性差的问题，从而达到热能转换动力装置及系统合理利用水资源与节能高效的目的。

Description

基于变工质正逆耦合循环系统的凝汽式火力发电新技术

技术领域：本发明涉及凝汽式火力发电机组的热力系统集成、设计与设备改造技术。

背景技术：在热能工程应用的实践中，人们利用正循环原理设计热机将热能转换为机械能，例如燃煤发电机组、生物质发电机组、燃气发电机组等；利用逆循环原理设计制冷机排出低温空间热量维持低温环境，例如液体汽化制冷、热电制冷、气体膨胀制冷等。热能工程是能源消耗与利用的一个重要领域，其主要设备包括燃料输送、化学制水、锅炉、汽轮机、制冷及自动控制等等，因此掌握设备的基本原理及性能实现能量的梯级利用，合理利用能源及提高效率不仅关系到节约资源和经济发展，而且还影响到人类生存的环境。到目前为止，80％以上的电能还是利用热力发电技术进行能量转换而得到，但是在该项技术规模化发展的同时也带来更为严重资源与能源的高效利用问题，尤其是在我国以煤、生物质、燃气等为燃料的火力发电机组的水资源利用与其提高热效率问题就更为突出。

目前，火力发电厂的锅炉普遍采用将燃料与吸入环境的空气在锅炉内燃烧加热热机的循环工质(水)，燃烧后的烟气经清洁处理后再排放到环境中去图1；凝汽式机组主要有两种最基本的结构形式，一种是直接水冷机组如图2，另一种是空冷机组如图3。无论是水冷汽轮发电机组，还是空冷式汽轮发电机组，都不影响锅炉结构及系统设计与制造的原理及性能，除循环工质(水)以外，其它热力系统都是单独运行的。显然，图2A闭式直接水冷机组(有冷却水塔)、图2B开式直接水冷机组(无冷却水塔)两者都需要水资源，并且闭式直接水冷机组水耗高，开式直接水冷机组对环境水(如江、河、湖、海等)资源又有热污染；空冷式汽轮发电机组虽然能有效地解决节水的问题，但是由于空气冷却受环境温度的制约，导致的汽轮机背压的升高直接影响汽轮机热效率，甚至有些空冷机组在夏季不能满出力运行。同时火力发电机组与环境存在汽轮机排汽(凝汽器)、锅炉排烟的两处冷源损失，都直接影响机组发电的循环热效率的提高。例如：一般200MW水冷、空冷机组的用水单耗分别为4.43kg/(kW·h)和1.643kg/(kW·h)，并且空冷机组比水冷机组年平均煤耗高12～18g/(kW·h)。

发明内容：本发明的目的在于克服上述现有系统技术的缺点，提出一种凝汽式火力发电机组的热力系统集成与设计技术，即：基于正逆耦合循环系统的热力发电新技术。这项新技术是根据热力学第一、第二定律及能量梯级利用原理，基于变工质制冷的逆循环拓展正循环做功的低温边界(汽轮机排汽温度)，同时将汽轮机蒸汽凝结水的热量转换为冷却循环工质向冷源空气排放的热量，这部分空气携带热量再引入锅炉送风机回收至锅炉炉膛燃烧，并且合理利用低品位能量进行热交换器的设计与系统的集成，最终形成变工质、多循环、单一冷源排放的热能系统耦合的动力装置及系统如图4，即以水为工质的热功转换闭式循环、以制冷剂为工质的制冷闭式循环以及在锅炉中燃烧放热与换热空气与燃料混合为工质的开式循环。

本发明的核心技术是基于变工质正逆耦合循环的系统集成与能量梯级利用及热泵技术，充分利用汽轮机向环境排放的冷源损失，结合不同形式锅炉、汽轮机与制冷装置的结构及性能特点，实现锅炉、汽轮机与制冷装置的高效集成及结构的一体化设计，达到热能转换动力装置及系统合理利用水资源与节能高效的目的。

本发明的技术方案主要通过如下步骤实现：

由于本技术发明适用于以煤、生物质、燃气等为燃料的凝汽式火力发电机组的热力系统集成、设计与设备改造技术。因此，下面结合以生物质为燃料的锅炉汽轮发电机组的系统集成来形成如下的技术方案。

1.锅炉、汽轮机主辅设备及系统是以朗肯循环为基础，实现以水为工质的热功转换装置及系统的设计。

2.根据汽轮机排汽凝结热量为负荷设计以制冷剂(如氨、溴化锂等)的吸收式制冷循环，同时利用锅炉送风机抽取环境空气，再通过换热器将制冷系统的排放热量，送入锅炉燃烧及燃料除湿干燥的系统中。

3.利用能量梯级利用原理及热泵技术，结合锅炉、汽轮机与制冷装置的结构及性能特点，合理布置不同工质热量传递的换热器，完成锅炉、汽轮机与制冷装置的高效集成及结构的一体化设计。

本发明的实施例按以下步骤进行：

1.高过热度低背压凝汽式汽轮机的设计：根据发电功率选择汽轮机的进气压力及过热度与排汽压力及蒸汽湿度，并进行汽轮机的通流设计与结构设计。

2.生物质锅炉的设计；根据生物制燃料特性与汽轮机耗汽量、锅炉过热器出口烟气温度与烟气露点温度等参数，完成锅炉燃烧与各受热面布置的结构及系统设计。

3.吸收式制冷循环装置及系统的设计：根据汽轮机排汽凝结热量为负荷，结合双相变换热器(水蒸汽凝结与制冷剂蒸发)的结构特点进行制冷循环设计(如制冷剂为氨、溴化锂的吸收式等)，同时利用锅炉送风机抽取环境空气，通过换热器将制冷系统的排放热量，再送入锅炉燃烧及燃料除湿干燥的系统进行余热回收及利用，从而达到提高锅炉效率的目的。

4.系统集成的热力系统设计，结合锅炉、汽轮机与制冷装置的结构及性能特点，采用锅炉烟气携带热量或汽轮机低参数抽汽热量为吸收式制冷循环提供热量，并进行系统参数匹配的优化，合理布置不同工质热量传递的换热器，完成锅炉、汽轮机与制冷装置的主设备及系统的有效集成及一体化设计。

附图说明

图1是生物质秸秆锅炉的燃烧系统示意图。

图2是凝汽式直接水冷(间接空冷)汽轮机的循环水系统。

图2A闭式水冷系统，图2B开式水冷系统

1---锅炉；2---过热器；3---汽轮机；4---表面式凝汽器；5---凝结水泵；6---低压疏水泵；7---低压加热器；8---除氧器；9---给水泵；10---高压加热器；11---循环水泵；12---补给水泵；13---水塔填料；14---空冷塔；15---发电机

图3是凝汽式直接空冷汽轮机的排汽冷却系统。

1---锅炉；2---过热器；3---汽轮机；16---空冷凝汽器；5---凝结水泵；17---凝结水精处理装置；18---凝结水生压泵；7---低压加热器；8---除氧器；9---给水泵；10---高压加热器；19---汽轮机排气管道；20---轴流冷却风机；21---立式电动机；22---凝结水箱；15---发电机

图4是凝汽式(间接空冷)变工质正逆耦合循环的原则性热力发电系统。

Claims

1.基于变工质正逆耦合循环系统的凝汽式火力发电新技术，其特征是，以常规火力发电朗肯循环(正循环)与汽轮机凝汽器冷却为负荷的制冷循环(逆循环)为基础，利用不同工质的热力特性构建正逆耦合循环的系统集成，并且采用能量梯级利用技术进行系统集成与参数优化，充分利用汽轮机向环境排放的冷源损失，实现锅炉、汽轮机与制冷装置的高效集成与结构的一体化设计，达到凝汽式火力发电机组节能减排的目的。

2.根据权利1要求所述的构建正逆耦合循环的系统集成，其特征是，针对汽轮机排汽凝结热量为负荷进行制冷循环设计(如制冷剂为氨、溴化锂的吸收式制冷循环等)，采用能量梯级利用及热泵等技术，并且优先利用锅炉尾部烟气热量和汽轮机匹配的抵压抽汽热量作为制冷循环的动力热源，同时利用锅炉送风机抽取环境空气，通过换热器吸收制冷循环系统排放的热量，再送入锅炉燃烧及燃料除湿干燥的系统进行余热、废水回收及利用，从而达到提高热力系统循环效率的目的。

3.根据权利1要求所述的采用能量梯级利用技术进行系统集成与参数优化，其特征是，结合锅炉、汽轮机与制冷装置的结构及性能特点，合理布置不同工质热量传递的换热器，完成锅炉、汽轮机与制冷装置的高效集成及结构的一体化设计。