CN102588946A - 工业循环水废热自平衡分布式蒸汽拖动方法及系统 - Google Patents

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沈新荣
麻剑锋
郁辉球
章威军
汤中彩
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Abstract

本发明涉及工业循环水废热自平衡技术，旨在提供一种工业循环水废热自平衡分布式蒸汽拖动方法及系统。该方法包括：使来自主体工艺流程中的循环水回水进入热泵系统，通过热泵系统蒸发器从循环水回水中提取热量并与锅炉给水热交换，将该热量用于提升锅炉给水的温度，然后锅炉给水与锅炉烟气进行换热；锅炉系统通过过热和再热工艺产生中压蒸汽，以驱动汽轮机的运行；汽轮机的输出端接于动力设备或驱动系统。本发明能充分将循环水低品位废热，回用于对应主体工艺流程，作为设备驱动的动力。同时，在总量平衡的原则下，避免了循环水低品位废热对环境造成的持续性热污染。

Description

工业循环水废热自平衡分布式蒸汽拖动方法及系统
技术领域
本发明涉及一种基于系统能量自平衡理念，对流程工业循环水不同品味余热进行高效回收，并具有分布式能量高效供给特征的，自平衡蒸汽拖动方法和系统。
背景技术
化工、冶金和电力等工业行业不同企业的生产，一方面面临着能源供给形势恶化和可持续性发展要求愈发严格的严峻形势，另一方面却存在着能量的严重浪费。这种能量的浪费集中体现在中低品位能量向环境的持续排放上。其中工业循环水所具有的不同品位的热能，是这种能量浪费的一种主要途径和形式。当然，按照目前所运行的基于开放式冷却塔的冷却工艺，工业循环水的缺陷还不止表现在大量低品位热的无端释放上。冷却塔运行所造成的水资源的严重浪费(在工业企业现场冷却塔所观察到的，象云雾般的大量水蒸汽飞失)，天生就是工业循环水运行的又一重大缺陷。
对于采用工业循环水流程的绝大多数企业而言，在循环水热能大量、持续向环境排放的同时，因主体工艺流程动力设备驱动的需求又大量消耗电能，这一现实状况在能源形势日趋进展的今天造成制约企业发展的瓶颈。同时，为保证不同企业的需求，电力系统需要构建大量的电力输配系统。一方面在发电的过程中，由于火力发电占据电力行业的主体，发电过程造成巨大的环境污染问题；另一方面，所产生的电能会在输配过程中产生相当份额的输配损失；最后，在用户端驱动工艺设备的过程中，又产生能源的大量损失(电机效率、运转效率、管理问题)。这种运行方式是形成电力生产、输配系统运行恶化的根本因素所在。
上述分析可知，对于应用循环水流程的绝大多数工业企业，一方面存在着低品位资源的持续大量无端排放，造成环境污染和热污染；另一方面，却由于设备驱动的需求，引发电力损耗持续居高不下的问题。这个问题主要表现为，有鉴于我国是以热电为主的，发电过程中，从煤燃烧产生蒸汽、蒸汽推动汽轮机、轮机带动发电机，最后到电力的远程输送，伴随热能到机械能、机械能到电能，以及电力输送的损耗等，两次能量转换损失以及电力输送的损失。那么如何通过企业循环水流程运行中废热的高效回用，作为企业主流程设备驱动能量的有机组成，构建一个具有能量自平衡特征的利用废热产生蒸汽直接驱动设备的高效分布式拖动系统，在提高企业核心竞争力的同时推动流程工业企业的清洁生产，显然是解决这一矛盾的根本有效途径。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种工业循环水废热自平衡分布式蒸汽拖动方法及系统。在高效回收循环水废热的同时，高效驱动主体工艺动力系统，并直接克服传统冷却循环水系统居高不下的水资源损失和对环境的热污染，促进企业的产业升级和清洁生产，从而提高相应工业企业的核心竞争力。
本发明的具体发明内容如下：
提供一种工业循环水废热自平衡分布式蒸汽拖动的方法，包括以下步骤：
(1)使来自主体工艺流程中的循环水回水进入热泵系统，通过热泵系统蒸发器从循环水回水中提取热量；
(2)将锅炉系统的锅炉给水先引入热泵系统，通过换热器的热交换过程将热泵系统蒸发器提取到的热量用于提升锅炉给水的温度；
(3)使锅炉给水进入省煤器与锅炉系统排放的锅炉烟气进行换热，换热后的锅炉给水进入锅炉系统；锅炉系统通过过热和再热工艺产生中压蒸汽，以驱动汽轮机的运行；
(4)汽轮机的输出端接于主体工艺流程中动力设备的主轴承，或通过变速箱接于驱动系统。
本发明所述步骤(1)还包括：通过压缩机对热泵系统蒸发器中的工质进行压缩，以提高热泵系统工质的热品质。
本发明还包括：使锅炉系统所使用的空气通过空气预热器，让在省煤器中完成换热的锅炉烟气再与空气进行热交换。
本发明还包括：将主体工艺流程中的余废热引入锅炉系统，作为蒸汽过热的换热能量来源。
进一步地，本发明提供了一种用于实现前述方法的工业循环水废热自平衡分布式蒸汽拖动的系统，包括热泵系统；主体工艺流程中的循环水回水管路和循环水给水管路均接于热泵系统的蒸发器，蒸发器中的工质循环管路均接于热泵系统换热器；锅炉给水管路经热泵系统换热器、省煤器接至锅炉系统的锅炉给水入口；锅炉烟气管路一端接至锅炉系统，另一端经省煤器、空气预热器后排空，空气管路经空气预热器接至锅炉系统；锅炉系统的蒸汽出口通过管路接至汽轮机。
本发明所述的蒸汽出口与汽轮机之间的管路上，还设置有蒸汽蓄热器。
本发明所述热泵系统是普通热泵，或是中高温水源热泵。
本发明所述锅炉系统是新增的锅炉系统，或者是根据主体工艺流程的构成特征所构建的废热锅炉。
本发明所述锅炉系统还通过管路连接至主体工艺流程中的余废热系统，用于引入余废热作为蒸汽过热的换热能量来源。
本发明的有益效果是：
(1)系统能量的自平衡性，即充分将循环水低品位废热，回用于对应主体工艺流程，作为设备驱动的动力。同时，在总量平衡的原则下，避免了循环水低品位废热对环境造成的持续性热污染；
(2)蒸汽拖动系统的分布特性，根据流程工业循环水和工艺驱动设备特征，就地构建基于循环水余热回用的蒸汽拖动系统。该套系统可作为独立拖动系统或者辅助拖动系统，减小系统对一次能源的依赖性，降低电力的输配损失，将传统电力驱动能源的二次损失，部分或者全面的改变为一次损失，从根本上为系统节能和清洁生产提供基础；对于蒸汽系统而言，其热源也可以最大程度利用相应工业流程的废热为前提，来设计相关的方式实现。如对于钢铁系统和化工系统中的大量反应热的应用，可以作为蒸汽再热的热源，或者直接用于产生饱和蒸汽及过热蒸汽，这则需要与具体的工艺系统相结合，可以作为本发明的衍生系统。
(3)循环水系统本身水分相变损失为零，本发明从根本上改变了原有循环水系统的冷却方式，热泵蒸发器在从循环水回水中，汲取低品位废热的同时，在无相变的前提下，确保系统循环水高效冷却；
(4)本发明在设计思路上，要求过程中的换热设备采用单元式的群控组合方式运行。通常，对于工业企业而言，其生产强度一定会受到市场需求的强烈影响，如何在多变的工况下，确保系统汲取低品位废热时的高效运行。换热单元数目的变化，需跟进生产荷载强度、环境温度、轮机效率进行优化调整，确保系统运行的良性循环。
附图说明
图1为本发明系统流程框图；
图2为本发明工艺流程框图。
具体实施方式
鉴于工业循环水的低品位特征，回水温度在10～60℃范围内波动，有别与传统通过冷却塔(机械通风和自然通风冷却塔)。利用相变潜热冷却的原理，本发明首先采用热泵系统的蒸发器直接从循环水回水中提取原来直接排放的低品位废热。同时，由于采用热泵系统蒸发器集热，直接免去了对应冷却塔相变过程水分的丧失。当然对于回水温度的差异，所采用热泵的形式可以包括普通热泵和中高温水源热泵，这种变化主要考虑不同循环水水源温度，对热泵机组运行效率的影响，系统整体应该保持在高效和较高效运行的范围内。
第二步，将热泵系统蒸发器所采集的废热部分，通过压缩机的压缩提高热泵系统工质的热品质；
第三步，则是在冷凝器内与本流程作为冷凝器冷却介质的锅炉给水进行高效热交换，使锅炉给水的温度适当提升。提升的温度，以控制循环冷却水供水温度和对应锅炉效率为界限。即所得到的锅炉给水温度的提升并不是越高越好，而是要在保证主体工艺对冷却水温度需求的同时，确保所对应锅炉的运行效率。此处所提及的对锅炉给水进行品位提升的锅炉系统，可以是新增的锅炉系统，也可以是根据主体工艺流程的构成特征所构建的废热锅炉。对于废热锅炉也可以采用部分外供燃料共同作用产生蒸汽，这个对于具体的工艺流程进行相应的调配，从整体上并不影响本发明的主体思路。总而言之，工业企业主工艺流程中高品位的废热，也应该被充分回用，整体目标是构建具有能量自平衡特征的分布式蒸汽驱动系统。
第四步，锅炉通过过热和再热工艺，产生具有相当品质的中压蒸汽，驱动汽轮机的运行。汽轮机的有效能输出端，则为通过同轴技术连接在汽轮机主轴上的企业主体工艺中各种动力设备——风机、压缩机等装置的主轴承，也可以通过变速箱技术构建驱动系统来驱动相应的装置。上述系统可以根据工业企业相应的动力流程循环水废热的特征，在于就地分布式构建，可与电力驱动系统共同作用大幅降低企业工艺流程对一次能源的依赖性。
这种分布式动力拖动的系统，优势在于大幅削减由于电力长距离输送所造成的损失，同时将传统驱动过程中蒸汽发电后电力驱动的两次能源损失，改为一次能量损失，减少了系统能量损失的环节，在提高主流程设备驱动效率的同时降低了系统运行对环境的污染，避免了传统冷却系统中水分持续大量的损失。这种蒸汽拖动系统可以充分利用汽轮机拖动的转速可调特征，与生产的波动相匹配。对于存在蒸汽过流问题的系统而言，为了避免造成能量的浪费，过多的蒸汽能可以采用蒸汽蓄热器的方法进行能量的调配。

Claims (9)

1.一种工业循环水废热自平衡分布式蒸汽拖动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使来自主体工艺流程中的循环水回水进入热泵系统，通过热泵系统蒸发器从循环水回水中提取热量；
(2)将锅炉系统的锅炉给水先引入热泵系统，通过换热器的热交换过程将热泵系统蒸发器提取到的热量用于提升锅炉给水的温度；
(3)使锅炉给水进入省煤器与锅炉系统排放的锅炉烟气进行换热，换热后的锅炉给水进入锅炉系统；锅炉系统通过过热和再热工艺产生中压蒸汽，以驱动汽轮机的运行；
(4)汽轮机的输出端接于主体工艺流程中动力设备的主轴承，或通过变速箱接于驱动系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括：通过压缩机对热泵系统蒸发器中的工质进行压缩，以提高热泵系统工质的热品质。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：使锅炉系统所使用的空气通过空气预热器，让在省煤器中完成换热的锅炉烟气再与空气进行热交换。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：将主体工艺流程中的余废热引入锅炉系统，作为蒸汽过热的换热能量来源。
5.一种用于实现权利要求1所述方法的工业循环水废热自平衡分布式蒸汽拖动的系统，包括热泵系统；其特征在于，主体工艺流程中的循环水回水管路和循环水给水管路均接于热泵系统的蒸发器，蒸发器中的工质循环管路均接于热泵系统换热器；锅炉给水管路经热泵系统换热器、省煤器接至锅炉系统的锅炉给水入口；锅炉烟气管路一端接至锅炉系统，另一端经省煤器、空气预热器后排空，空气管路经空气预热器接至锅炉系统；锅炉系统的蒸汽出口通过管路接至汽轮机。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述锅炉系统的蒸汽出口与汽轮机之间的管路上，还设置有蒸汽蓄热器。
7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述热泵系统是普通热泵，或是中高温水源热泵。
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述锅炉系统是新增的锅炉系统，或者是根据主体工艺流程的构成特征所构建的废热锅炉。
9.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述锅炉系统还通过管路连接至主体工艺流程中的余废热系统，用于引入余废热作为蒸汽过热的换热能量来源。
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