CN103075211A

CN103075211A - 热虹吸余热发电系统

Info

Publication number: CN103075211A
Application number: CN2013100086760A
Authority: CN
Inventors: 陈恩鉴; 徐晓丽
Original assignee: Beijing Century Benefits Co Ltd
Current assignee: Beijing Century Benefits Co Ltd
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: CN103075211B

Abstract

本发明公开了热虹吸余热发电系统，包括有一体化冷凝冷却除氧装置，一体化冷凝冷却除氧装置一端依次连接凝结水箱、给水泵、余热锅炉、汽轮机，汽轮机另一端连接回一体化冷凝冷却除氧装置,所述一体化冷凝冷却除氧装置的位置为高位竖向布置，即：一体化冷凝冷却除氧装置处于汽轮机、凝结水箱的上方且高度满足凝结水管入凝结水箱处为正压。一体化冷凝冷却除氧装置采用相变直接换热代替原有的显热间接换热，大幅度降低冷却水量，使得竖向布置成为可能。同时也有效降低了汽轮机背压。可见，该系统贴合余热电站的特点，克服现有系统的弊端。可达到系统简单干练、占地面积小、投资省、效率高、厂用电少、可靠性高、故障率低等目的。

Description

热虹吸余热发电系统

技术领域

本发明属于余热电站热力系统。

背景技术

图1为现有常规余热电站热力系统图示。主要设备包括凝汽器、凝结水泵、射水抽气器、射水泵、射水箱、射水排水泵、除氧器、给水泵、补给水泵、储水箱、循环水泵、冷却塔、余热锅炉、热源、汽轮机等。工作原理为：给水在余热锅炉内吸热生成蒸汽进入汽轮机做功。乏汽由循环水冷却变为凝结水排入热井，由凝结水泵提升至除氧器；循环水吸热后进入冷却塔放热冷却。凝结水经除氧器除氧后由给水泵送入余热锅炉，如此循环。系统补水一般设置补水箱，由补给水泵送入除氧器除氧后方可进入热力系统参与循环。为保证凝汽器、除氧器正常工作，系统配置射水抽气器抽真空。受射水泵吸入口水温限制，水箱需不断由射水排水泵排水，同时需补入循环水保证水温和水位。

显然，这种水平布置系统存在占地面积大、系统布置分散、初投资大、运行费用高等缺点。相应的也会出现运行欠稳定、热效率有待提高等诸多问题。

然而，余热电站又具有鲜明的依附性。空间布置需以满足工艺要求为前提，尤其是改造性余热利用项目，一般不属于原有厂区工艺规划范围之内。占地面积大是制约余热电站项目进行的关键因素。另外，余热电站热源品位较低，设备多、自耗电大将直接影响项目的投资回收期。

可见，场地、效益、工艺要求是决定余热电站项目可行性的关键因素。这也警示我们：余热电站热力系统不应该照搬火电的设计模式，应开发符合余热电站特点的专有热力系统。即：系统小巧精练、低成本、高效益、适应性强。

小巧精练意味着系统能删除冗余实现简单化；成本低则涵盖初投资和运行费用低两个方面；效益高则意味着发电效率高。适应性强是指主要设备需适应工艺要求和余热资源品位低的特点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有余热电站热力系统存在的问题，系统打破了现有余热电站热力系统设计照搬小火电热力系统设计的模式，根据余热电站独有特性而提出的新型热力系统，该发明提出的系统采用一体化冷凝冷却除氧装置高位竖向布置模式着力解决现有系统占地面积大、投资和运行费用高的问题。以一体化集成设备简化系统，解决效益问题，主要设备为多效型以满足工艺要求且适应余热资源的低品位特性。

为实现以上目的，本发明采取了热虹吸余热发电系统，系统包括有一体化冷凝冷却除氧装置，一体化冷凝冷却除氧装置出口端依次连接凝结水箱、给水泵、余热锅炉、汽轮机，汽轮机排汽端与一体化冷凝冷却除氧装置入口端相连,所述一体化冷凝冷却除氧装置的位置为高位竖向布置，即：一体化冷凝冷却除氧装置是处于汽轮机及凝结水箱的上方高位处且满足凝结水管入凝结水箱处为正压。系统内设储水箱，储水箱通过补给水泵与一体化冷凝冷却除氧装置连接并为其系统补水。

系统中的一体化冷凝冷却除氧装置包括乏汽联箱，以及与乏汽联箱相连的带一定弧度的高效换热管束,高效换热管束的另一端与凝结水联箱连接，凝结水联箱内部配置化学补充水管路和凝结水加热用蒸汽管路；在高效换热管束下方有循环水再冷装置、V型进风装置、循环水蓄水槽，循环水蓄水槽与冷却水循环水泵连接，冷却水循环水泵通过管道与高效换热管束上方由喷淋管驱动装置驱动的喷淋管连接，在高效换热管束上方设有水分离器、导流罩，导流罩内设引风机。为了保证水环泵在抽吸蒸汽与不凝气体混合物时能在电机功耗相对较低时仍具有较高的抽吸能力，系统配置了带前置预冷器的水环真空泵抽真空系统。

系统利用高差、压差为主要动力，充分应用热虹吸原理实现了乏汽冷凝过程，乏汽直接排入高位布置的一体化冷凝冷却除氧装置，凝结水在重力作用下进入低位布置的凝结水箱中，后经给水泵送入余热锅炉，吸热汽化后进入汽轮机做功，如此反复。竖向布置也有效防止了水泵汽蚀现象的发生。确保系统安全、稳定运行。

在该系统中，一方面，采用以紧凑式带冷凝、冷却、除氧功能的一体化装置为核心设备的竖向布置模式，乏汽直接进入换热管束故不需设置凝汽器；同时系统不需设置凝结水泵、除氧器、冷却塔，此外，本系统采用带前置冷凝的水环真空泵系统，故不需设置射水泵、射水箱、射水抽气器射水排水泵，故相比现有常规系统而言，可极大程度上降低余热电站占地面积，占地面积将减30%~50%。；另一方面，系统改变了乏汽冷却方式，乏汽冷凝由原有的冷却水间接显热温差传热冷却变为冷却水直接相变全热冷却，冷凝温度可设置为比环境湿球温度高5～10℃，不仅可有效降低背压提高机组发电量而且冷却水量和水泵扬程分别为原系统的1/10和1/5（按冷却水在冷却塔中温降为6～8℃，冷却水靠显热带走热量约为30kJ/kg,而水蒸发带走热量约为2400kJ/kg左右。从理论上讲本装置所需水量经为原系统水量的1%，但考虑到各种损失，实际中可按10%考虑；此外，原有系统循环水泵扬程计算中需计入凝汽器到冷却塔间冷却水管路的沿程、局部阻力及冷却塔喷水压力、系统高差等，一般扬程均为25米左右。本装置由于采用整体化模式，冷却水扬程仅需克服本装置集水槽到配水装置管路的阻力及高差，扬程为5米左右，为原系统的1/5。所以，理论计算循环水泵的耗功仅为原系统的1/50），故可大幅度降低运行能耗和一次性投资。

综合上述分析，本系统发电效率可提高5%~10%，厂用电减少1/3。实现了简化系统，减少投资及运行费用，提高效益等多重目的；同时，以适应余热特性为出发点，采用了个性化的余热锅炉、汽轮机组，可实现余热资源的最优规划和利用。

若热源为低品位余热且具有参数低、波动性大等特点，汽轮机可采用为适应性很强的抽汽、补汽、凝汽式饱和汽轮机（该汽轮机专利号为ZL200510034193.3）。通过机组变压运行，实现能量阶梯利用，大幅提高余热回收和发电站的经济性。为保证高效运行，机组中配置高效紧凑型级间再热装置。对间歇性热源，还配置高精度蒸汽蓄热稳流装置。

应用中，可结合工艺和余热资源的特点，余热锅炉可采用能实现烟气综合利用的余热锅炉（专利号200910036973.X）。该余热锅炉可将蒸汽、热水、风（烟气）按能源规划要求合理分配，可实现热电联供的多种模型。同时，对换热元件、锅炉内截面参数优化设计以期提高热效率。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：一体化冷凝冷却除氧装置采用相变直接换热代替原有的显热间接换热，大幅度降低冷却水量，使得竖向布置成为可能。同时也有效降低了汽轮机背压。同时，一体化装置中配置了真空泵抽真空，并实现了凝结水、补充给水的真空除氧，保证系统稳定、高效运行。可见，该系统贴合余热电站的特点，克服现有系统的弊端。可达到系统简单干练、占地面积小、投资省、效率高、厂用电少、可靠性高、故障率低等目的。

附图说明

图1为现有常规余热电站热力系统图示

图2为本发明所提出的热虹吸余热发电热力系统图示；

图3为一体化冷凝冷却除氧装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

如阅图2所示：热虹吸余热发电系统，包括有一体化冷凝冷却除氧装置21，一体化冷凝冷却除氧装置21出口端依次连接凝结水箱22、给水泵23、余热锅炉24、汽轮机25，汽轮机25排汽端与一体化冷凝冷却除氧装置21入口端相连,所述一体化冷凝冷却除氧装置21的位置为高位竖向布置，所述高位竖向布置为：相对于汽轮机25、凝结水箱22，一体化冷凝冷却除氧装置21是处于汽轮机25及凝结水箱22的上方高位处且满足凝结水管入凝结水箱处为正压，系统内设储水箱26，储水箱26通过补给水泵27与一体化冷凝冷却除氧装置21连接并为其系统补水。系统包括带前置预冷器14的水环真空泵13抽真空系统。

系统中的一体化冷凝冷却除氧装置21包括乏汽联箱17，以及与乏汽联箱17相连的带一定弧度的高效换热管束5,高效换热管束5的另一端与凝结水联箱8连接，凝结水联箱8内部配置化学补充水管路6和凝结水加热用蒸汽管路7；在高效换热管束5下方有循环水再冷装置、V型进风装置10、循环水蓄水槽12，循环水蓄水槽12与冷却水循环水泵11连接，冷却水循环水泵11通过管道与高效换热管束5上方由喷淋管驱动装置4驱动的喷淋管18连接，在高效换热管束5上方设有水分离器3、导流罩2，导流罩2内设引风机1。

其工作过程如下：乏汽进入乏汽联箱17后均匀分配至具有一定弧度的高效换热管束5中。管束5采用部分并、串联布置，有效实现蒸汽冷凝和不凝气体分离和排放。冷却循环水由循环水蓄水槽12经冷却水循环水泵11打入由喷淋管驱动装置4驱动的可控转动频率的摇摆式带有非等距离小孔的喷淋管中18后洒至高效换热管束5表面形成水膜层。水膜层相变吸热使管内蒸汽冷凝，同时，外界空气由下部V型进风装置10引入换热管束间，经热质交换焓值增加的空气经水分离器3和导流罩2由引风机1排入大气，为了降低循环水温度，在本装置内加设了一段由填料构建的循环水再冷却器9，热湿交换后的循环水汇集至底部循环水蓄水槽12，重复循环；冷凝后的凝结水与化学补充水利用本装置的真空环境进行除氧处理后进入热力系统；凝结水联箱8内部配置化学补充水管路6、凝结水加热用蒸汽管路7；此外，为了保证水环泵在抽吸蒸汽与不凝气体混合物时能在电机功耗相对较低时仍具有较高的抽吸能力，本装置配置了带抽真空前置预冷器14的水环真空泵13，通过预冷大幅度降低混合气体中蒸汽的体积流量，保证不凝结气体有效排除。同时，装置还配有保证冷凝、冷却、除氧系统正常运行的控制器15和必要的信号输入输出端16。

该系统中，给水在余热锅炉内吸热汽化，（对间歇性不稳定热源，气流还需经过蓄热稳流装置稳流）之后进入汽轮机中做功带动发电机发电；系统充分利用了热虹吸原理，做功后具有一定余速的乏汽在压差作用下进入竖向高位布置的具有一定真空度的一体化冷凝冷却换热装置中，凝结后的冷凝水依靠重力作用进入低位布置的凝水箱，后经给水泵送入锅炉，形成一个完整的热力循环。装置中设真空泵抽吸系统内的不凝气体，保证装置具有一定的真空度。真空除氧处理后的凝结水进入凝结水箱，经给水泵打入锅炉内，如此连续循环。此外，余热锅炉、热源、汽轮机可根据实际情况灵活组合实现多种热电联供模式。

系统补给水由补水泵将储水箱中蓄存的是经化水处理后的软水打入一体化冷凝冷却除氧装置中冷却混合气体以提高真空泵的效率降低功耗，换热后进入凝结联箱，经除氧处理后进入凝结水箱。

本系统提及的一体化冷凝冷却换热装置是鉴于现有冷凝、冷却系统庞大，如果直接采用竖向布置，将带来基础结构等等变动，存在投资过高且具有安全隐患等诸多问题而引入的。该装置集冷凝、冷却、抽真空、除氧为一体，实现了热力系统的革新和升级。

该系统的应用将使余热发电热力系统构建于新的贴合其特性的平台，从根本上提高余热利用率，进而提升余热利用技术水准。系统紧凑干练，占地面积小、成本低、收益高、可靠性强。实现了效益最大化和余热资源回收利用最大化的双重目的。以一装机为5000KW的余热电站为例，仅去掉冷却塔及循环管路系统一项，一次性投资费用将至少节约250万。可见，该发明具有巨大的社会和经济效益。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims

1.热虹吸余热发电系统，其特征在于：包括有一体化冷凝冷却除氧装置（21），一体化冷凝冷却除氧装置（21）出口端依次连接凝结水箱（22）、给水泵（23）、余热锅炉（24）、汽轮机（25），汽轮机（25）排汽端与一体化冷凝冷却除氧装置（21）入口端相连,所述一体化冷凝冷却除氧装置（21）的位置为高位竖向布置，所述高位竖向布置为：相对于汽轮机（25）、凝结水箱（22），一体化冷凝冷却除氧装置（21）是处于汽轮机（25）及凝结水箱（22）的上方且高度满足凝结水管入凝结水箱处为正压。

2.如权利要求1所述的热虹吸余热发电系统，其特征在于：还包括有储水箱（26），储水箱（26）通过补给水泵（27）与一体化冷凝冷却除氧装置（21）连接并为热力系统补水。

3.如权利要求1所述的热虹吸余热发电系统，其特征在于：所述一体化冷凝冷却除氧装置（21）包括乏汽联箱（17），以及与乏汽联箱（17）相连的带一定弧度的高效换热管束（5）,高效换热管束（5）的另一端与凝结水联箱（8）连接，凝结水联箱（8）内部配置化学补充水管路（6）和凝结水加热用蒸汽管路（7）；在高效换热管束（5）下方有循环水再冷装置、V型进风装置（10）、循环水蓄水槽（12），循环水蓄水槽（12）与冷却水循环水泵（11）连接，冷却水循环水泵（11）通过管道与高效换热管束（5）上方由喷淋管驱动装置（4）驱动的喷淋管（18）连接，在高效换热管束（5）上方设有水分离器（3）、导流罩（2），导流罩（2）内设引风机（1）。

4.如权利要求3所述的热虹吸余热发电系统，其特征在于：包括带前置预冷器（14）的水环真空泵（13）抽真空系统。