CN102022770B - 利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置及方法 - Google Patents

利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置及方法 Download PDF

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Abstract

利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置及方法，该装置包括汽轮机、除氧器和空冷塔，汽轮机的乏汽出口通过排汽缸与空冷塔连接，该装置还包括余热利用热水加热器，其包括吸收式热泵和换热器，吸收式热泵的蒸汽进口与汽轮机的抽汽口连接，吸收式热泵的进水端与热水管网的回水端连接；将汽轮机排入空冷塔的乏汽部分地或全部地送入吸收式热泵，吸收式热泵将乏汽凝结为水后送入空冷塔的贮水箱；换热器的蒸汽进口与汽轮机的抽汽口连接，换热器的进水端与吸收式热泵的出水端连接，换热器的出水端与热水管网的进水端连接；换热器的疏水与吸收式热泵的疏水汇合后与除氧器连接。本发明能够减少冷源损失、提高综合热效率和电热比例、降低机组发电煤耗。

Description

利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置及方法
技术领域
本发明属于能源技术领域，涉及一种利用直接空冷机组余热供热、降低机组发电煤耗的装置及其节能方法。
背景技术
2020年，我国要以能源翻一番实现经济翻二番，但如果按目前能源增长趋势，到那时我国能源消费量将高达40多亿吨标准煤，在能源供应及能源安全和环境保护等方面都会带来严重的问题。
热电联产是一种公认的节能技术，以燃煤方式的热电联产和热电分产进行比较，以产出相同数量的热力和电力，热电联产方式可以比热电分产可以节约1/3左右的燃煤。初步估计，我国目前的热电联产每年可节约能源3000万吨以上的标准煤，减少二氧化碳排放6500多万吨，减少二氧化硫排放60万吨，减少灰渣排放1300万吨。
常规电厂在发电过程中，做完功的乏汽在凝汽器中冷却，大量热量被环境带走，而作为热电联产典型的热电厂是在发电过程中将一部分热能通过管道输送到千家万户，将燃料燃烧产生的化学能转化为高品位电能，同时对于发电后剩余的低品位热能加以利用的过程。在这个过程中，热电厂供热效率远远高于常规电厂。热电联产能将不同品位的热能分级利用，即高品位的热能用于发电，低品位的热能用于集中供热。是热能和电能联合生产的一种高效能源生产方式，其热效率可达80-90％。与热电分产相比，热电联产集中供热具有能耗低，经济性好等特点，在资源配置与环境保护上都具有明显优势。实践证明，热电联产是提高能源利用率的重要措施。因此，我国政府已将热电联产列为我国十大节能工程之一，是解决城市集中供热和提高电厂能源综合利用率的有效途径。
我国水资源从地区分布来看，呈现东多西少，南多北少的局面，长江流域及其以南地区水资源约占全国的81％，而人口占全国46％的北方水资源却只占19％，随着近年来降水量的减少和水资源不合理的开发利用，缺水矛盾日益显现。根据“十二五”节水型建设的总体目标要求，到2015年，全国用水量不突破6200亿m3，万元GDP用水量下降30％，万元工业增加值用水量下降30％。如果电厂采用常规的水冷系统，该冷却系统用水量约占全厂耗水量的65％，在水资源相对匮乏的北方，就会出现与国民经济其他部门争水的现象。随着技术的不断进步，空冷技术在一定程度上缓解了上述压力。
蒸汽(乏汽)在凝汽器凝结时放出的汽化潜热，通过换热管传给冷却水或直接传给空气带走，最终排放到环境中。对于直接空冷机组，作为冷却介质的空气，依靠空冷塔塔身的高度和外界机械功驱动风机，自下而上的流动，吸收汽轮机排到空冷塔换热器内乏汽潜热，将乏汽凝结为水，没有水冷机组造成的循环水飘逸损失。但是，这部分被空气带走的乏汽热量，最终排到大气中，属于“被一直废弃的而可以利用的低位热能”。
热电联产发电供热等企业按现有工艺将这部分可利用的废弃余热白白地排放到周围环境(大气)中。通过测算，一台300MWe供热180t/h热电联产空冷供热机组，每小时排出可利用废弃热量2亿多大卡。
如何根据供热(特别是城市热网)并结合直接空冷机组的运行工况，回收这些废弃的热能满足供热的需要，达到节能之功效是本发明的目的。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置及方法，本发明能够减少冷源损失、提高综合热效率和电热比例、降低机组发电煤耗。
本发明的技术解决方案是：
本发明提供的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置，包括汽轮机、除氧器和空冷塔，所述汽轮机的乏汽出口通过排汽缸与所述空冷塔连接，该装置还包括余热利用热水加热器，所述余热利用热水加热器包括吸收式热泵和换热器，所述吸收式热泵的蒸汽进口通过管路与所述汽轮机的抽汽口连接，所述吸收式热泵的进水端通过管路与热水管网的回水端连接；将所述汽轮机排入所述空冷塔的乏汽部分地或全部地送入所述吸收式热泵，所述吸收式热泵具有凝汽器的作用，将乏汽凝结为水后送入所述空冷塔的贮水箱；所述换热器的蒸汽进口通过管路与所述汽轮机的抽汽口连接，所述换热器的进水端通过管路与所述吸收式热泵的出水端连接，所述换热器的出水端通过管路与热水管网的进水端连接；所述换热器的疏水与所述吸收式热泵的疏水汇合后与所述除氧器连接。
本发明提供的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能方法，包括以下步骤：
A、汽轮机通过排汽缸将乏汽排入空冷塔，乏汽在空冷塔内由温度较低的大气冷却，冷凝后形成凝结水送入空冷塔的贮水箱；
B、通过管路将热水管网的回水输送到所述吸收式热泵中，作为吸收式热泵的进水，所述吸收式热泵由所述汽轮机的抽汽驱动，并利用所述空冷塔送来的乏汽中的热量共同对进水加热，所述吸收式热泵具有凝汽器的作用，将乏汽凝结为水后送入所述空冷塔的贮水箱，并将加热后的热水通过管路送入换热器中进一步加热到需要的温度，所述换热器将升温后的高温热水送到热水管网的进水端；
C、所述汽轮机抽出的蒸汽分为两股，一股进入所述吸收式热泵，作为驱动蒸汽，另一股进入所述换热器，作为热水进一步升温的热源，两股蒸汽经所述吸收式热泵和所述换热器换热后凝结成疏水，两路疏水汇合后送入除氧器。
进一步地，(1)若所述换热器出水端的水温小于设定温度，则首先增加所述吸收式热泵的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量和所述吸收式热泵的乏汽进口流量，其次增加所述换热器的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量；(2)若所述换热器出水端的水温大于设定温度，则首先减少所述换热器的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量，其次减少所述吸收式热泵的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量和所述吸收式热泵的乏汽进口流量。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明由余热利用热水加热器代替现有技术中的表面式热网加热器，增加吸收式热泵与空冷塔之间的乏汽(乏汽由汽轮机排出)利用小回路，余热利用热水加热器利用汽轮机排出乏汽的热量对供热管网(也即热水管网)的回水加热，再将加热后的回水送回供热管网，进而供热管网向外供热。不但有效利用了乏汽中的热量，而且减少了加热蒸汽与供热管网中回水的温差造成的传热不可逆损失。
(2)本发明的余热利用热水加热器中的吸收式热泵由汽轮机抽出的蒸汽驱动，有效利用了乏汽的热量加热供热管网中的回水，从而减小了从汽轮机抽取的蒸汽，使得继续在汽轮机内做功的蒸汽量增加，进而增加了发电量，提高机组效率。同等热量消耗的情况下，由于发电量增加，使得机组的发电煤耗得到了降低；同样供热量的情况下，电热比例得到提高。
(3)本发明的余热利用热水加热器有效利用了部分或全部汽轮机排出的乏汽中的余热，减低了空冷塔的散热负荷，可以有效降低空冷塔散热风机群的负荷，减少了风机群的电耗，降低厂用电，提供了机组的供电效率。
(4)本发明增加了温度控制器和流量控制器，若余热利用热水加热器出口的回水温度小于设定温度，则首先增加吸收式热泵的蒸汽进口处汽轮机的抽汽量和吸收式热泵的乏汽进口流量，其次增加换热器的蒸汽进口处汽轮机的抽汽量；若余热利用热水加热器出口的回水温度大于设定温度，则首先减少换热器的蒸汽进口处汽轮机的抽汽量，其次减少吸收式热泵的蒸汽进口处汽轮机的抽汽量和吸收式热泵的乏汽进口流量。使得热电联产行业的自动化水平更高。
(5)本发明通过监控器，能够显示温度值和流量值，使得装置操作更加方便。
(6)本发明由于设置了换热器，使得余热利用热水加热器出水温度调节范围更宽，能适应不同场合对出水温度的要求。
附图说明
图1是现有技术的热电联产示意图。
图2是根据本发明的利用余热供热的热电联产节能装置示意图。
图中，1-余热利用热水加热器，2-吸收式热泵，3-换热器，4-汽轮机，6-除氧器，7-空冷塔，8-贮水箱，9-一次热网，10-二次热网，11-二次热网加热器，12-表面式热网加热器，13-回热系统。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。
如图1所示，现有技术的典型特点是：一次热网加热器是表面式热网加热器，利用汽轮机抽出的蒸汽对供热管网(也叫热水管网)送来的回水加热。
供热管网有两级：一次热网和二次热网。与表面式热网加热器通过管路连接的是一次热网，二次热网用于对外部供热。
如图2所示，根据本发明的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置，包括汽轮机4、除氧器6和空冷塔7，所述汽轮机4的乏汽出口通过排汽缸与所述空冷塔7连接，该装置还包括余热利用热水加热器1，所述余热利用热水加热器1包括吸收式热泵2和换热器3，所述吸收式热泵2的蒸汽进口通过管路与所述汽轮机4的抽汽口连接，所述吸收式热泵2的进水端通过管路与热水管网的回水端(供热管网有两级：一次热网和二次热网，与所述吸收式热泵通过管路连接的是一次热网，二次热网用于对外部供热)连接；将所述汽轮机4排入所述空冷塔7的乏汽部分地或全部地接入所述吸收式热泵2，所述吸收式热泵2具有凝汽器的作用，将乏汽凝结为水后送入所述空冷塔7的贮水箱8；所述换热器3的蒸汽进口通过管路与所述汽轮机4的抽汽口连接，所述换热器3的进水端通过管路与所述吸收式热泵2的出水端连接，所述换热器3的出水端通过管路与热水管网的进水端(供热管网有两级：一次热网和二次热网，与所述换热器通过管路连接的是一次热网，二次热网用于对外部供热)连接；所述换热器3的疏水与所述吸收式热泵2的疏水汇合后与所述除氧器6连接。
在所述吸收式热泵2的乏汽进口连接管路上设有流量调节阀，在所述吸收式热泵2的蒸汽进口与所述汽轮机4的抽汽口的连接管路上设有抽汽调节阀，在所述换热器3的蒸汽进口与所述汽轮机4的抽汽口的连接管路上设有抽汽调节阀。
上述连接管路上(对应进水口、出水口、进汽口、出汽口)设控制阀门，本发明采用自动调节阀门(也可以采用手动阀门)。
该装置中的自动装置包括：
第一温度控制器，安装在所述吸收式热泵的出水端管路上；
第二温度控制器，安装在所述换热器热水的出水端管路上；
第一流量控制器，安装在所述吸收式热泵与所述汽轮机抽汽口连接的抽汽管路上；
第二流量控制器，安装在所述换热器与所述汽轮机抽汽口连接的抽汽管路上；
第三流量控制器，安装在所述空冷塔与所述吸收式热泵之间的乏汽连接管路上。
监控器，与所述第一温度控制器、所述第二温度控制器、所述第一流量控制器、所述第二流量控制器和所述第三流量控制器连接，用于显示温度值和流量值。
本发明提供的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能方法，包括以下步骤：
A、汽轮机通过排汽缸将乏汽排入空冷塔，乏汽在空冷塔内由温度较低的大气冷却，冷凝后形成凝结水送入空冷塔的贮水箱；
B、通过管路将热水管网的回水输送到所述吸收式热泵中，作为吸收式热泵的进水，所述吸收式热泵由所述汽轮机的抽汽驱动，并利用所述空冷塔送来的乏汽中的热量共同对进水加热，所述吸收式热泵具有凝汽器的作用，将乏汽凝结为水后送入所述空冷塔的贮水箱，并将加热后的热水通过管路送入换热器中进一步加热到需要的温度，所述换热器将升温后的高温热水送到热水管网的进水端；
C、所述汽轮机抽出的蒸汽分为两股，一股进入所述吸收式热泵，作为驱动蒸汽，另一股进入所述换热器，作为热水进一步升温的热源，两股蒸汽经所述吸收式热泵和所述换热器换热后凝结成疏水，两路疏水汇合后送入除氧器。
余热利用热水加热器中进水吸收的热量相当于两股蒸汽凝结水放热与小回路中乏汽放热的总和。
由于有效利用了汽轮机排出乏汽中的热量加热进水，减小了从汽轮机抽取的蒸汽，本发明使得继续在汽轮机内做功的蒸汽量增加，增加了发电量，提高了机组效率，同样供热量的情况下，电热比例得到提高，机组的发电煤耗得到下降；另外，由于收回了汽轮机排出乏汽中的热量，空冷塔实际散热负荷减少，所需冷却空气量相应减少，本发明减少了冷却风机的运行台数，或将冷却风机改为调速电机(变频)减少风机的用电量，节约用电。
工作过程中，
(1)若余热利用热水加热器中换热器出水端的水温小于设定温度，如90-130℃内的某一数值(随气候温度自动优化设定)，则有两种情况，可能是吸收式热泵的蒸汽进口处抽汽量少了(随之带来的可能是进入吸收式热泵的乏汽少了)，也可能是换热器的蒸汽进口处抽汽量少了；这时首先增加吸收式热泵的蒸汽进口处汽轮机的抽汽量，同时增加吸收式热泵的乏汽进口流量，其次增加换热器的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量；
(2)若余热利用热水加热器中换热器出水端的水温大于设定值，如90-130℃内的某一数值(随气候温度自动优化设定)，则有两种情况，可能是吸收式热泵的蒸汽进口处抽汽量多了(随之带来的可能是进入吸收式热泵的乏汽多了)，也可能是换热器的蒸汽进口处抽汽量多了；这时首先减少换热器的蒸汽进口处汽轮机的抽汽量，其次减少吸收式热泵的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量，同时减少吸收式热泵的乏汽进口流量。
本发明主要是采用汽轮机抽汽驱动吸收式热泵回收空冷汽轮发电机组各系统在热功转换过程中所排放的余热，加热热网回水，改变一直沿用的以汽轮机抽汽作为单一热源的换热模式，降低了机组热耗，减少了空冷塔散热负荷，减少冷却空气量，进而减少空冷塔冷却风机群功率，减少厂用电。在同等汽机入口蒸汽量时增加发电量或在汽轮发电机额定功率下，减少锅炉供汽量节约烧煤量，提高全厂综合热效率，降低机组供电煤耗，达到节能减排和提高经济效益的目的。
以一台300MWe设计供热550t/h的亚临界空冷汽轮发电机组为例，年供热季节按照利用小时按2880-4320小时计算。
(1)本发明年节约标煤约6000-20000吨，减少二氧化碳排放15000-40000多吨，减少二氧化硫排放50-200吨，减少氮氧化物排放50-200吨。
(2)本发明利用余热供热，降低了机组的发电煤耗，增加了机组的发电能力，一个供热季节可多发电3000-8000万KWh。
(3)本发明空冷凝汽器的冷却负荷将降低8-40％，由于散热负荷下降，实际运行的风机电耗将降低8-40％。按风机群功率3MW计算，每个供暖季节将减少风机耗电100-500万kWh。
(4)本发明在设计工况下余热供热后将降低机组发电煤耗5-20g/kWh。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。
本发明不局限于权利要求和上述实施例所述及的内容，只要是根据本发明的构思所创作出来的任何发明，都应归属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置，包括汽轮机、除氧器和空冷塔，所述汽轮机的乏汽出口通过排汽缸与所述空冷塔连接，其特征在于，该装置还包括余热利用热水加热器，所述余热利用热水加热器包括吸收式热泵和换热器，所述吸收式热泵的蒸汽进口通过管路与所述汽轮机的抽汽口连接，所述吸收式热泵的进水端通过管路与热水管网的回水端连接；将所述汽轮机排入所述空冷塔的乏汽部分地或全部地送入所述吸收式热泵，所述吸收式热泵具有凝汽器的作用，将乏汽凝结为水后送入所述空冷塔的贮水箱；所述换热器的蒸汽进口通过管路与所述汽轮机的抽汽口连接，所述换热器的进水端通过管路与所述吸收式热泵的出水端连接，所述换热器的出水端通过管路与热水管网的进水端连接；所述换热器的疏水与所述吸收式热泵的疏水汇合后与所述除氧器连接。
2.根据权利要求1所述的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置，其特征在于，在所述吸收式热泵的乏汽进口连接管路上设有流量调节阀。
3.根据权利要求1所述的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置，其特征在于，在所述吸收式热泵的蒸汽进口与所述汽轮机的抽汽口的连接管路上设有抽汽调节阀。
4.根据权利要求1所述的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置，其特征在于，在所述换热器的蒸汽进口与所述汽轮机的抽汽口的连接管路上设有抽汽调节阀。
5.根据权利要求1所述的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置，其特征在于，该装置还包括
第一温度控制器，安装在所述吸收式热泵的出水端管路上；
第二温度控制器，安装在所述换热器热水的出水端管路上；
第一流量控制器，安装在所述吸收式热泵与所述汽轮机抽汽口连接的抽汽管路上；
第二流量控制器，安装在所述换热器与所述汽轮机抽汽口连接的抽汽管路上；
第三流量控制器，安装在所述空冷塔与所述吸收式热泵之间的乏汽连接管路上。
6.根据权利要求5所述的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能装置，其特征在于，该装置还包括用于显示温度值和流量值的监控器，所述监控器与所述第一温度控制器、所述第二温度控制器、所述第一流量控制器、所述第二流量控制器和所述第三流量控制器连接。
7.利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、汽轮机通过排汽缸将乏汽排入空冷塔，空冷塔内的乏汽部分地或全部地送入吸收式热泵，剩余的乏汽在空冷塔内由温度较低的大气冷却，冷凝后形成凝结水送入空冷塔的贮水箱；
B、通过管路将热水管网的回水输送到所述吸收式热泵中，作为吸收式热泵的进水，所述吸收式热泵由所述汽轮机的抽汽驱动，并利用所述空冷塔送来的乏汽中的热量共同对进水加热，所述吸收式热泵具有凝汽器的作用，将乏汽凝结为水后送入所述空冷塔的贮水箱，并将加热后的热水通过管路送入换热器中进一步加热到需要的温度，所述换热器将升温后的高温热水送到热水管网的进水端；
C、所述汽轮机抽出的蒸汽分为两股，一股进入所述吸收式热泵，作为驱动蒸汽，另一股进入所述换热器，作为热水进一步升温的热源，两股蒸汽经所述吸收式热泵和所述换热器换热后凝结成疏水，两路疏水汇合后送入除氧器。
8.根据权利要求7所述的利用直接空冷机组余热供热的热电联产节能方法，其特征在于，
(1)若所述换热器出水端的水温小于设定温度，则首先增加所述吸收式热泵的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量和所述吸收式热泵的乏汽进口流量，其次增加所述换热器的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量；
(2)若所述换热器出水端的水温大于设定温度，则首先减少所述换热器的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量，其次减少所述吸收式热泵的蒸汽进口处所述汽轮机的抽汽量和所述吸收式热泵的乏汽进口流量。
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