CN103089354B - 蒸汽朗肯-氨蒸汽朗肯联合循环发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种蒸汽朗肯-氨蒸汽朗肯联合循环发电装置，通过氨蒸汽朗肯循环中的氨汽冷却蒸汽朗肯循环中的蒸汽，回收蒸汽朗肯循环中蒸汽的汽化潜热用于氨蒸汽朗肯循环发电，从而将蒸汽朗肯-氨蒸汽朗肯循环复合在一起并形成可实施的联合循环装置，同时解决了氨蒸汽朗肯循环回收烟气余热的安全难题，有效降低排烟温度并避免烟气的低温腐蚀，蒸汽朗肯循环系统的废气、废水、废汽余热可得到有效回收利用。本发明既可用于现有机组的节能改造，也可用于新建机组的设计、建造，特别适宜于缺水地区、缺电等地区的新建、扩建、改建发电机组，经济、社会、环保效益显著。
Description
技术领域
本发明涉及一种蒸汽朗肯-氨蒸汽朗肯联合循环发电装置，具体属火力发电厂动力装置技术领域。
背景技术
以水蒸汽为工质的火力发电厂，是大规模地进行着把热能转变成机械能，并又把机械能转变为电能的工厂。发电厂应用的循环很复杂，然而究其实质，主要是由锅炉、汽轮机、凝汽器、水泵等设备所组成的朗肯循环来完成，其工作原理是：给水先经给水泵加压后送入锅炉，在锅炉中水被加热汽化、形成高温高压的过热蒸汽，过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，变为低温低压的乏汽，最后排入凝汽器凝结为冷凝水，重新经水泵将冷凝水送入锅炉进行新的循环。至于火力发电厂使用的复杂循环，只不过是在朗肯循环基础上，为了提高热效率，加以改进而形成的新的循环即回热循环，回热的介质为水。朗肯循环已成为现代蒸汽动力装置的基本循环。
现代大中型蒸汽动力装置毫无例外地全都采用抽汽加热给水回热循环，采用抽汽回热加热给水后，使给水温度提高，从而提高了加热平均温度，除了显著地提高了循环热效率以外，汽耗率虽有所增加，但由于逐级抽汽使排汽率减少，这有利于实际做功量和理论做功量之比即该循环的相对内效率ηoi的提高，同时解决了大功率汽轮机末级叶片流通能力限制的困难，凝汽器体积也可相应减少。但蒸汽在凝汽器中凝结时仍释放出大量的汽化潜热，需要大量的水或空气进行冷却，即浪费了热量、造成热污染，又浪费了电能、水资源。因此如何有效利用凝汽器中蒸汽凝结时释放的大量的汽化潜热，值得深入研究。
电站锅炉生产过程中排放出大量的烟气，其中可回收利用的热量很多。电站锅炉运行过程中还需通过连续排污和定期排污保障锅炉的水质符合安全需求，同时必须将锅炉给水中的氧气除去，以避免对锅炉系统的腐蚀。目前热力除氧器是电站锅炉的首选技术，除氧器在工作的同时，夹带大量的工作蒸汽排入大气。由于锅炉连排水和除氧器排汽中含有大量的热量及优良的水质，如果直接排放将造成极大的能源和资源浪费，而且对环境造成污染。虽然这两部分余热资源浪费巨大，但回收利用有较大的难度，其主要原因是：（1）余热的品质较低，未找到有效的利用方法；（2）回收者三部分的余热，往往对锅炉原有热力系统做出较大改动，具有一定的风险性；（3）热平衡问题难以组织，难以在工厂内部全部直接利用，往往需要向外寻找合适的热用户，而热用户的用热负荷往往会有波动，从而限制了回收方法的通用性。
顾伟等（低温热能发电的研究现状和发展趋势[J].热能动力工程.2007.03.Vol.22，No.2.）介绍了国内外低温热能发电技术的研究现状和发展趋势。从近几年低温热能发电技术研究的发展情况来看，研究工作主要集中在对动力循环工质的研究和循环过程的改进和最优控制等方面。Kalina循环、氨吸收式动力制冷复合循环等在理论上可以达到比简单循环更高的能量利用率。基于有限时间热力学的低温热能发电在考虑时变因素对系统的影响时具有重要意义，可能实现系统的能量利用的最大化。提高发电效率和环保是低温热电技术的核心内容。文中提及的Kalina循环、氨吸收式动力制冷复合循环等理论值得关注。
上述提及卡琳娜循环发电技术还有其固有的缺点：如氨具有易燃、易爆有毒等特点，在锅炉或工业炉窑尾部烟道利用烟气余热组织卡琳娜循环发电时，必须要考虑烟气中粉尘等对布置于烟道中的换热器的磨损、腐蚀等引起的泄漏，必须要考虑由此引出的爆炸防护以及环境与工作地点的防护等；以氨水混合物为工作介质的卡琳娜循环，氨水中的氨是易燃、易爆、有毒的介质。这是卡琳娜循环发电技术在电站系统中回收含尘、有腐蚀物质的烟气余热时必须要解决的难题。
因此如何利用蒸汽朗肯循环火力发电厂的热力学基本规律，借鉴复式朗肯循环组织思路及朗肯-Kalina等复合循环等理论的创新方法，保留基于朗肯循环原理的动力装置技术的优点,探讨新的复合循环理论，真正找到大幅度提高热力循环动力装置热效率的新途径，成为该领域研究的难点。
发明内容
本发明的目的为解决上述蒸汽朗肯循环以及卡琳娜循环等技术存在的缺点，提出一种蒸汽朗肯-氨蒸汽朗肯联合循环发电装置，能够替代传统的蒸汽朗肯循环机组，同时解决了氨蒸汽朗肯循环机组安全运行的关键问题及凝汽器中蒸汽凝结时释放的大量的汽化潜热回收的难题，采用凝汽器正压运行方式，回收蒸汽朗肯循环中蒸汽凝结时的汽化潜热用于低温端氨蒸汽朗肯循环发电，从而实现有效提高整个联合循环机组的热效率，最终达到节能降耗、提高系统热效率的目的。
本发明的目的是通过以下措施实现的：
一种蒸汽朗肯-氨蒸汽朗肯联合循环发电装置，该装置包括蒸汽朗肯循环、氨蒸汽朗肯循环，其特征在于：
所述的蒸汽朗肯循环，是指由锅炉本体1出来的饱和蒸汽2，经过热器3形成过热蒸汽3-1，送入汽轮机4带动蒸汽发电机21发电；汽轮机4出来的乏汽5经过热器9、冷凝蒸发器10形成凝结水6，凝结水6经给水泵7、给水加热器8、锅炉本体1，再产生饱和蒸汽，从而形成蒸汽朗肯循环回路。
所述的氨蒸汽朗肯循环，是指氨液11经氨液循环泵12分别或依次送入冷凝蒸发器10、冷却蒸发器13、氨蒸发器14，产生的氨蒸汽经过热器9形成氨过热蒸汽16，再进入氨汽轮机17，拖动氨发电机20发电，从氨汽轮机17排出的乏汽经氨冷凝器18冷却形成氨液11，再进入氨液循环泵12，从而形成氨蒸汽朗肯循环回路。
所述的氨液11为单一组分的氨，或以氨为低沸点组分、高沸点组分为吸收剂的混合溶液如氨-水溶液、氨-硫氰酸氨溶液或氨-氯化钙溶液等。
所述的氨液采用多组分溶液时，氨液11经氨液循环泵12、或和回热器15依次或分别送入冷凝蒸发器10、冷却蒸发器13、氨蒸发器14，形成的贫液经回热器15、返流管线19返回氨冷凝器18，产生的氨蒸汽经过热器9、氨汽轮机17、氨蒸发器14、氨冷凝器18形成氨液11，再回到氨液循环泵12，从而形成氨蒸汽朗肯循环回路。
所述的汽轮机4排出的乏汽5的压力高于大气压力。
所述的蒸汽朗肯循环回路与氨蒸汽朗肯循环回路通过过热器9、冷凝蒸发器10、或和冷却蒸发器13、或和氨蒸发器14，将高温端蒸汽朗肯循环和低温端氨蒸汽朗肯循环有机复合在一起，高效回收高温端蒸汽朗肯循环的蒸汽冷凝时释放的汽化潜热用于低温端氨蒸汽朗肯循环发电。
所述的冷却蒸发器13的换热介质氨液与烟气采用分离式换热方式，冷却蒸发器13包括蒸发器13-1、冷凝器13-2，其中蒸发器13-1布置于烟道23中，冷凝器13-2布置于烟道23外，其中的相变工质采用水或其他适宜的物质；相变工质在蒸发器13-1中吸收烟气的热量产生饱和蒸汽，饱和蒸汽作为氨液的热源，通过冷凝器13-2与氨液11间壁式换热，冷却后形成凝结液再由蒸发器13-1吸收烟气的热量再产生蒸汽，从而形成相变工质的内循环回路；相变工质采用自然循环或强制循环方式。
设有乏汽回热器22：氨蒸发器14产生的氨蒸汽经乏汽回热器22、过热器9、氨汽轮机17、乏汽回热器22、氨蒸发器14、氨冷凝器18、氨液循环泵12回到氨蒸发器14，从而形成氨蒸汽朗肯循环回路。
设有与蒸汽朗肯循环系统配套的补给水系统：蒸馏水箱25中的蒸馏水24，经补水泵26、常温除氧器27除氧、混合床28除盐后补入蒸汽朗肯循环系统。
所述的给水加热器8、氨过热器9、冷凝蒸发器10、冷却蒸发器13、氨蒸发器14、乏汽回热器22可分别设置一个或多个，采用串联、并联或混联方式连接。
送风机31送来的空气30进入空气预热器32，形成热空气33，进入燃烧设备34参与燃烧，生成的高温烟气经锅炉本体1、过热器2、给水加热器8、空气预热器32、蒸发器13-1降低温度后排出。
所述的氨冷凝器18按照常规技术进行设置，采用水或空气等作为冷却介质。
本发明中所提及的前述设备的换热元件可采用列管、翅片管、蛇形管或螺旋槽管，或采用其他强化传热措施的管子或其他型式的中空腔体换热元件。
控制蒸发器13-1换热面的壁面温度稍高于烟气酸露点温度，或采用耐腐蚀的材料有效减轻烟气的低温腐蚀，能够有效降低排烟温度、避免烟气低温腐蚀的同时，高效回收烟气余热。
本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
设有与本发明系统配套的调控装置，采用现有蒸汽朗肯循环发电厂、程氏循环发电厂或燃气-蒸汽联合循环发电厂的公知的成熟调控技术进行配套，使蒸汽朗肯-卡琳娜联合循环发电装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗的目的。
本发明相比现有技术具有如下优点：
1、节能效果显著：本发明设计的蒸汽朗肯-卡琳娜联合循环发电装置，有别于传统的基于朗肯循环原理的蒸汽朗肯循环和利用烟道气作为热源的卡琳娜循环的联合循环系统，采用凝汽器正压运行方式，将汽轮机排汽作为卡琳娜循环的热源，利用卡琳娜循环系统对中低温热源的利用有更高效率的特点，将凝汽器和卡琳娜循环中的蒸发器巧妙复合在一起，蒸汽的汽化潜热得到有效利用，除了蒸汽显热利用等较之蒸汽朗肯循环有更高的效率外， 仅利用蒸汽的汽化潜热发电这块就多达50度/吨蒸汽以上，整个系统的绝对热效率因此提高2%以上；因背压采用正压方式运行，汽轮机出口乏汽能保证一定的过热度，新建机组的蒸汽初压可采用超临界或超超临界压力，进一步提高发电循环热效率。
2、设备投资省、运行费用大幅度下降：
（1）消除了传统凝汽器负压运行技术不可避免的漏气、漏水现象，无需在朗肯循环回路中设置除氧器、抽气器，避免了传统除氧器、抽气器等运行造成的汽水损失；避免了传统技术回收凝结水的污染及汽水损失，仅需补充极少量的汽轮机轴封漏汽造成的水损失，可通过外购或自制蒸馏水补入系统；
（2）因正压、封闭运行，避免了传统朗肯循环锅炉系统的氧腐蚀、结水垢现象，系统汽水损失大幅度下降，无需配备庞大、复杂的化学水处理系统，水处理系统的运行费用大幅度下降，绝对值可降低90%；
（3）因汽轮机的乏汽比容比传统凝汽器的小得多，汽轮机的体积可以大幅度减小，凝汽器体积比传统技术的小得多，因而汽轮机、冷凝器设备的相对价格降低很多。
3、电厂的三废实现集成利用：尾部烟道设置的热交换器采用相变换热器时，可以高效回收烟气的余热，排烟温度可降低至120℃左右，相变换热器蒸发器采用耐腐蚀材料时，排烟温度能降低更多，达到85℃左右，对脱硫脱硝系统的运行极为有利，有效避免烟气低温腐蚀的同时，回收的热量用于卡琳娜循环系统高效发电，更符合能量梯级利用原理。蒸汽朗肯循环系统产生的废水、废汽等余热均可纳入卡琳娜循环系统回收利用。从根本上消除了其他废气、废水、废汽余热回收装置对整个机组热力循环系统的影响，实现整个电厂系统余热的真正意义的集成利用，节水、节汽、节电等效果明显。
4、运行安全性明显提高：
（1）因蒸汽朗肯循环中汽轮机的背压采用正压方式运行，汽轮机出口乏汽能保证一定的过热度，克服了传统朗肯循环机组汽轮机末级叶片因湿蒸汽而带来的设计、运行及安全问题，蒸汽轮机背压正压运行，出口蒸汽为过热蒸汽，从根本上消除了传统蒸汽朗肯循环中汽轮机末级叶片因湿蒸汽带来的问题设计、制造及运行问题，蒸汽轮机的运行工况得到优化，蒸汽轮机发电机组的振动较之前明显改善；
（2）蒸汽锅炉系统的氧腐蚀安全性能明显改善，避免了传统蒸汽朗肯循环发电机组因凝汽器负压运行，空气不可避免漏入而对系统系统造成的氧腐蚀危害；
（3）蒸汽朗肯循环系统的水垢危害得以消除，有效减轻了受热面过热爆管等事故的发生，过热器的运行工况明显改善，安全性明显提高；
（4）相比于传统的卡琳娜循环技术，采用优选方案时，无需在烟道中设置间壁式的热交换器，代之采用安全性更好的分体式的相变换热器冷凝器分离式回收烟气的热量，因烟气中的粉尘、腐蚀介质等引起的磨损、腐蚀导致氨水混合物跟烟气接触而引起的众多安全问题得到根本解决；氨水混合物在相变换热器冷凝器中进行间壁式换热，因为水蒸气的无毒、非助燃物质、非可燃、阻燃等优良的特点，即使发生泄漏，事故也容易得到处理、控制，卡琳娜循环中的蒸发器或和过热器的运行工况明显改善；
（5）由于蒸汽朗肯循环排汽采用正压，因此可以通过管道引到采用可靠防护措施的安全处所，卡琳娜循环系统（包括相变换热器冷凝器）可以独立设置在安全可靠的防护空间内并配备可靠的安全设施，避免跟蒸汽朗肯循环系统直接交错在一起而引发的诸多问题，卡琳娜循环系统的安全性得到可靠保证，为其工业化应用进一步消除安全隐患。
附图说明
图1是本发明的一种蒸汽朗肯-氨蒸汽朗肯联合循环发电装置流程示意图。
图1中：1-锅炉本体，2-饱和蒸汽，3-过热器，3-1-过热蒸汽，4-汽轮机，5-乏汽，6-凝结水，7-给水泵，8-给水加热器，9-过热器，10-冷凝蒸发器，11-氨液，12-氨液循环泵，13-冷却蒸发器，13-1-蒸发器，13-2-冷凝器，14-氨蒸发器，15-回热器，16-氨过热蒸汽，17-氨汽轮机，18-氨冷凝器，19-返流液体，20-氨发电机，21-蒸汽发电机，22-乏汽回热器，23-烟道，24-蒸馏水，25-蒸馏水箱，26-补水泵，27-除氧器，28-混合床，29-返流水管线，30-空气，31-送风机，32-空气预热器，33-燃烧设备。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1。
如图1所示，一种蒸汽朗肯-氨蒸汽朗肯联合循环发电装置，该装置包括蒸汽朗肯循环、氨蒸汽朗肯循环系统，具体实施例如下：
氨蒸汽朗肯循环采用氨水混合物。
所述的蒸汽朗肯循环，是指由锅炉本体1出来的饱和蒸汽2，经过热器3形成过热蒸汽3-1，送入汽轮机4带动蒸汽发电机21发电；汽轮机4出来的乏汽5经过热器9、冷凝蒸发器10形成凝结水6，凝结水6经给水泵7、给水加热器8、锅炉本体1，再产生饱和蒸汽，从而形成蒸汽朗肯循环回路。
所述的氨蒸汽朗肯循环回路中，冷凝蒸发器10、冷却蒸发器12、氨蒸发器14采用并联运行方式，氨液11经氨液循环泵12、回热器15、冷凝蒸发器10，氨液循环泵12、氨蒸发器14、乏汽回热器22，以及氨液循环泵12、、冷凝蒸发器10，产生的氨蒸汽经过热器9、氨汽轮机17、乏汽回热器22、氨蒸发器14、氨冷凝器18形成氨液11，再进入氨液循环泵12，从而形成氨蒸汽朗肯循环回路。
所述的汽轮机4排出的乏汽5的压力高于大气压力。
所述的冷却蒸发器13的换热介质氨液与烟气采用分离式换热方式，冷却蒸发器13包括蒸发器13-1、冷凝器13-2，其中蒸发器13-1布置于烟道23中，冷凝器13-2布置于烟道23外，其中的相变工质采用水；相变工质在蒸发器13-1中吸收烟气的热量产生饱和蒸汽，饱和蒸汽在冷凝器13-2中作为氨液的热源，通过冷凝器13-2与氨液11间壁式换热，冷却后形成凝结液再由蒸发器13-1，吸收烟气的热量再产生蒸汽，从而形成相变工质的内循环回路；相变工质采用自然循环。
设有与蒸汽朗肯循环系统配套的补给水系统：蒸馏水箱25中的蒸馏水24，经补水泵26、常温除氧器27除氧、混合床28除盐后补入蒸汽朗肯循环系统。
送风机31送来的空气30进入空气预热器32，形成热空气33，进入燃烧设备34参与燃烧，生成的高温烟气经锅炉本体1、过热器2、给水加热器8、空气预热器32、蒸发器13-1降低温度后排出。
所述的给水加热器8、过热器9、冷凝蒸发器10、冷却蒸发器13、氨蒸发器14、乏汽回热器22可分别设置一个或多个，采用串联、并联或混联方式连接。
所述的氨冷凝器18按照常规技术进行设置，采用水或空气等作为冷却介质。
本发明中所提及的前述设备的换热元件可采用列管、翅片管、蛇形管或螺旋槽管，或采用其他强化传热措施的管子或其他型式的中空腔体换热元件。
控制蒸发器13-1换热面的壁面温度稍高于烟气酸露点温度，或采用耐腐蚀的材料有效减轻烟气的低温腐蚀，能够有效降低排烟温度、避免烟气低温腐蚀的同时，高效回收烟气余热。
本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保温、具有调节功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。
设有与本发明系统配套的调控装置，采用现有蒸汽朗肯循环发电厂、程氏循环发电厂或燃气-蒸汽联合循环发电厂的公知的成熟调控技术进行配套，使蒸汽朗肯-卡琳娜联合循环发电装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗的目的。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。
Claims (4)
1.一种蒸汽朗肯- 氨蒸汽朗肯联合循环发电装置，该装置包括蒸汽朗肯循环和氨蒸汽朗肯循环系统，其特征在于：
所述蒸汽朗肯循环中汽轮机（4）排出的乏汽（5）的压力高于大气压力；
所述蒸汽朗肯循环，是指由锅炉本体（1）出来的饱和蒸汽（2），经过热器（3）形成过热蒸汽（3-1），送入汽轮机（4）带动蒸汽发电机（21）发电；汽轮机（4）出来的乏汽（5）经过热器（9）和冷凝蒸发器(10)，由氨蒸汽朗肯循环的氨冷却形成凝结水(6)，凝结水(6) 经给水泵(7)、给水加热器（8）、锅炉本体(1)，再产生饱和蒸汽，从而形成蒸汽朗肯循环回路；
所述氨蒸汽朗肯循环回路设有过热器(9) ：氨液(11) 经氨液循环泵(12)、冷凝蒸发器（10），产生的氨蒸汽经过热器（9）形成氨过热蒸汽（16），再进入氨汽轮机（17），拖动氨发电机（20）发电，从氨汽轮机（17）排出的乏汽经氨冷凝器（18）冷却形成氨液（11），再进入氨液循环泵（12），从而形成氨蒸汽朗肯循环回路；或氨液（11）经氨液循环泵（12）、氨蒸发器（14），产生的氨蒸汽经过热器（9）形成氨过热蒸汽（16），再进入氨汽轮机（17），拖动氨发电机（20）发电，从氨汽轮机（17）排出的乏汽经氨冷凝器（18）冷却形成氨液（11），再进入氨液循环泵（12），从而形成氨蒸汽朗肯循环回路；或氨液（11）经氨液循环泵（12）、冷却蒸发器（13），产生的氨蒸汽经过热器（9）形成氨过热蒸汽（16），再进入氨汽轮机（17），拖动氨发电机（20）发电，从氨汽轮机（17）排出的乏汽经氨冷凝器（18）冷却形成氨液（11），再进入氨液循环泵（12），从而形成氨蒸汽朗肯循环回路；
设有常温除氧器(27)：蒸馏水箱(25)中的蒸馏水(24)，经补水泵(26)、常温除氧器(27)、混合床(28)补入蒸汽朗肯循环系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
设有回热器（15）：冷凝蒸发器（10）、氨蒸发器（14）、冷却蒸发器（13）的部分或全部蒸发器产生的贫液经回热器（15）、返流管线（19），回到氨冷凝器（18）；氨液（11）经氨液循环泵（12）、回热器（15）、或和冷凝蒸发器（10）、或和氨蒸发器（14）、或和冷却蒸发器（13）的部分或全部产生氨蒸汽。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：
设有乏汽回热器（22）：氨液（11）经氨液循环泵（12）、氨蒸发器（14）产生的氨蒸汽经乏汽回热器（22）、过热器（9）、氨汽轮机（17）、乏汽回热器（22）、氨蒸发器（14）、氨冷凝器（18）形成氨液（11），再进入氨液循环泵（12），从而形成氨蒸汽朗肯循环回路；或氨液（11）经氨液循环泵（12）、冷凝蒸发器（10）产生的氨蒸汽经乏汽回热器（22）、过热器（9）、氨汽轮机（17）、乏汽回热器（22）、冷凝蒸发器（10）、氨冷凝器（18）形成氨液（11），再进入氨液循环泵（12），从而形成氨蒸汽朗肯循环回路。
4.根据权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于：
所述冷却蒸发器（13）中的烟气跟氨液（11）采用分离式换热方式：冷却蒸发器（13）包括蒸发器（13-1）、冷凝器（13-2），其中蒸发器（13-1）布置于烟道（23）中，冷凝器（13-2）布置于烟道（23）外；相变工质在蒸发器（13-1）中吸收烟气的热量产生饱和蒸汽，饱和蒸汽在冷凝器（13-2）中作为氨液的热源，通过冷凝器(13-2)与氨液(11)间壁式换热，冷却后形成凝结液再由蒸发器(13-1)吸收烟气的热量再产生蒸汽，从而形成相变工质的内循环回路。
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