CN103114881A - 多工质回热型朗肯循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多工质回热型朗肯循环系统，该系统用汽轮机抽汽加热空气及锅炉给水（或包括液体、气体燃料），从而取得与抽汽加热给水回热循环同样的效果。通过取消设置于尾部烟道内的空预器，有效避免烟气-空气的短路。设置炉外的空预器及烟道内的给水加热器、给水加热器、相变换热器，在强化传热的同时，有效降低排烟温度并避免烟气的低温腐蚀。

Description

多工质回热型朗肯循环系统

技术领域

本发明涉及一种多工质回热型朗肯循环系统，具体属火力发电厂蒸汽动力装置抽汽回热循环技术领域。

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，附图1是是火力发电厂生产过程汽水系统流程图简图，附图1中：1-省煤器，2-水冷壁，3-过热器，4-汽轮机，5-发电机，6-凝汽器，7-冷却水泵，8-凝结水泵，9-低压加热器，10-除氧器，11-给水泵，12-高压加热器，13-水处理设备。采用抽汽回热加热给水后，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η_oi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。

给水回热的结果，使给水温度提高，从而提高了加热平均温度，也就提高了循环热效率。采用抽汽回热加热给水，使给水温度加热至接近或达到抽汽压力下的饱和温度，并开始逐渐增加，热量节省也相应随着增加，势必在用某一抽汽压力下的蒸汽来加热给水时，热量节省可达最大值，此时的给水温度称为最佳给水温度。再提高给水加热温度时，热量节省反而减少，热经济性就降低。这是因为给水加热温度提高后，相应的抽汽压力也提高，对该部分抽汽而言，每千克蒸汽在汽轮机中热变功的量减少了，若发电量不变，则需增加进入汽轮机的新蒸汽量，以弥补因抽汽而减少的发电量。抽汽压力愈高，增加的新蒸汽量就愈多，因而每千瓦小时所耗的蒸汽（即汽耗率）也愈多，相应地排向低温热源的热损失也就愈大。理论上，加热级数愈多，最佳给水温度愈高，但还应合理分配各级回热加热器的加热度，使各级抽汽与给水间的温差不可逆性愈小，才能使循环热效率愈高。

一般地讲，经济上最有利的给水加热温度，约等于锅炉压力下的饱和温度的0.65～0.75。国产机组采用的回热参数如下表1。

表1

循环初参数p（bar）/t（℃）	35/435	90/535	135/550/550	165/550/550
					给水温度，℃	150～170	220～230	230～250	250～270
回热级数z	3～5	5～7	6～8	7～9

但是，该蒸汽动力装置系统也存在一定的缺点：

1、由于给水温度较高，一般150℃以上，送入省煤器回收烟气余热后，考虑省煤器换热介质即烟气、给水之间的传热温差，烟气温度仍然较高，必须在尾部烟道布置空预器回收烟气余热。由于空预器是烟气-空气换热，即气-气传热，换热系数约为气-水换热系数的一半，因此吸收相同的热量，所需的空预器的换热面积与低温省煤器相比，要大得多，设备体积较大，烟气、空气的阻力降增加很多；

2、由于空预器换热面积较大且体积较大，如回转式空预器等，容易发生磨损、低温腐蚀等现象，造成漏风，形成空气短路，从而增加锅炉鼓风机、引风机等的功耗；

3、因为空预器体积大，且必须要布置在烟道中，空气、烟气风道较长，设备（如鼓风机、空预器）布置难度大，工程投资高；

4、由于给水温度及抽汽流量的限制，需要合理分配各级给水回热加热器的加热度，使各级抽汽与给水间的温差不可逆性减小，因此对汽轮机的设计要求高，不利于汽轮机采用最优化设计方法进行设计。

因此如何利用火力发电厂的热力学基本规律，即热能转变成机械能的规律和方法，保留基于朗肯循环原理的蒸汽动力装置抽汽回热循环技术的优点，找出提高蒸汽动力装置抽汽回热循环热效率的途径，并消除上述缺点，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基于朗肯循环原理的抽汽加热给水回热循环技术存在的缺点，提供一种多工质回热型朗肯循环系统，以实现提高蒸汽动力装置抽汽回热循环热效率，并优化设备布置、降低工程造价，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：

一种多工质回热型朗肯循环系统，该系统包括锅炉本体受热面1、燃烧设备23、烟道21、锅炉本体附加受热面及辅助设备，其特征在于：烟道21内设置有锅炉本体附加受热面过热器3、给水加热器14、相变换热器8，烟道外设置有汽轮机4、发电机5、凝汽器6、凝结水泵7、相变换热器8、低压加热器11、除氧器12、给水泵13，以及增压机16、异工质回热器17。其中相变换热器8包括蒸发器9、冷凝器10，相变工质在蒸发器9中吸收烟气的热量，蒸发产生蒸汽，蒸汽进入冷凝器10中冷凝，形成饱和液再回到蒸发器，吸收烟气热量产生蒸汽，从而形成相变工质循环回路。其中，汽水系统流程如下：由锅炉本体受热面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带动发电机5，将热能转换成机械能，再转换成电能；汽轮机出来的乏汽在凝汽器6中由冷却水移走热量，形成凝结水。凝结水经凝结水泵7直接送入低压加热器11；或者先送入相变换热器8的冷凝器10，再进入低压加热器11,用汽轮机抽汽加热后，进入除氧器12，经除氧的给水由给水泵13送入给水加热器14，吸收烟气热量后送入锅炉本体受热面1，锅炉本体受热面1再产生饱和蒸汽，从而形成汽水循环回路。

所述的低压加热器11设置在给水泵13和给水加热器14之间。

采用其他型式的采用间接换热方式的换热器替换相变换热器8时，即凝结水经凝结水泵送入换热器8，再送入低压加热器11，为防止换热器8发生低温腐蚀和有效降低烟气温度，换热器和凝结水泵之间可设置给水预热器。

所述的多工质回热型朗肯循环系统中，多工质是指锅炉给水及回热介质，回热工质是指送入燃烧设备的空气及液体或气体燃料，在整个动力循环设备系统形成内循环回路。所述的异质是指除锅炉给水外的空气、液体或气体燃料。

所述的多工质回热型朗肯循环，是指采用从汽轮机4中抽出的作过部分功的多级蒸汽，通过设置于烟道外的低压加热器11、异工质回热器17，用于加热锅炉给水以及从增压机16送来的回热介质，加热后的回热介质22送入燃烧设备23作为助燃空气或和燃料使用。经低压加热器11加热的锅炉给水形成传统的抽汽回热型朗肯循环。

所述的增压机16，回热介质为空气时，为鼓风机；回热介质为液体燃料时，为燃料加压泵；回热介质为气体燃料时，为气体压缩机。

所述的异工质回热器17，回热介质为空气时，相当于设置于锅炉烟道外的空气预热器；回热介质为液体或气体燃料时，为燃料预热器。

所述的凝结水泵7送出的凝结水经冷凝器10预热后，再送至低压加热器11，增压机16送出的回热介质直接送至异质回热器17；或增压机16送出的回热工质经冷凝器10预热后，再送至异质回热器17，凝结水泵7送出的凝结水直接送至低压加热器11；或增压机16送出的回热工质及凝结水泵7送出的凝结水送入冷凝器10后，再分别送至异质回热器17、低压加热器11。

回热介质为空气时，经增压机16加压后的空气，送入异工质回热器17（或经过相变换热器8的冷凝器10预热后，再送入异工质回热器17），经异工质回热器17加热后的热空气直接送入燃烧设备23，或经高温空预器15继续加热后再送入燃烧设备23作为助燃空气使用。燃烧设备中的燃料燃烧后，形成高温烟气，将热量传递给水，产生过热蒸汽，送入汽轮机4中做功后，抽汽再用于加热低压加热器的给水、异工质回热器17中的回热介质，从而形成多工质回热型朗肯循环回路。

所述的抽汽经低压加热器11、异工质回热器17冷却后形成冷凝水，再送至除氧器12或疏水箱循环使用。

所述的过热器3采用间接换热方式，可设置一个或多个，采用串并联或混联方式进行连接。

所述的给水加热器14采用间接换热方式，可设置一个或多个，采用串并联或混联方式进行连接。

所述的异工质回热器17采用间接换热方式，可设置一个或多个，采用串并联或混联方式进行连接。

所述的相变换热器8的冷凝器采用凝结水、空气或其他介质作为冷却介质。

所述相变换热器8的相变工质采用水或其他适宜的工质。

所述的除氧器9设置于凝结水泵7和给水泵13之间连接的管道上。

所述的低压加热器11设置于凝结水泵7和除氧器12之间，或者给水泵13和给水加热器14之间连接的管道上。

所述的凝汽器6通过循环冷却水泵19采用冷却水20，移走汽轮机乏汽的废热。

所述的异质回热器17与汽轮机抽汽采用间接换热方式，经回热器加热后的回热介质22送入燃烧设备23作为助燃空气、燃料使用。

根据燃烧方式不同，燃烧挥发物少或水分较多的煤（如无烟煤及褐煤）或采用液态排渣燃烧室时，预热空气温度必须采用得比较高些，如350℃～420℃，则可在过热器3与给水加热器14之间设置高温空预器15，回热介质热空气22经高温空预器15继续加热后，再送入燃烧设备23作为助燃空气使用。

本发明所述的异工质回热器17、高温空预器15的换热管可采用列管、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。

本发明中的异工质回热器17采用间接换热方式，可以为列管式换热器、板式换热器或其他型式的换热器。

所述的相变换热器8采用成熟的公知技术，控制蒸发器末级换热面的壁面温度高于烟气酸露点温度且不发生低温腐蚀，或采用耐腐蚀的材料有效减轻烟气的低温腐蚀。

本发明中未说明的设备、管道、仪表、阀门、保温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，使蒸汽动力装置能经济、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、本发明设计了一个多工质回热型朗肯循环系统，结合传统的基于朗肯循环原理的汽轮机抽汽加热给水的回热循环技术的优点，通过设置于烟道外的回热器，采用汽轮机抽汽加热回热介质及给水，从而取得与抽汽加热给水回热循环技术同样的效果，并提高了加热平均温度，使系统热效率得到有效提高。通过统一分配加热负荷，达到整个蒸汽动力循环系统（包括锅炉、汽轮机）热能利用的优化效果。

2、通过取消设置于尾部烟道内的体积庞大的空预器，利用烟道内烟气-水换热系数高于烟气-空气换热系数近一倍的优点，采用相变换热器、给水加热器等，可强化传热，有效降低烟气的沿程阻力损失、避免低温腐蚀，有效降低排烟温度，同时避免了因末端空预器磨损、低温腐蚀等导致的空气、烟气短路现象。

3、烟道内设备可紧凑布置；炉外空预器换热高效，换热系数大大高于烟气-空气之间的数值，可因地制宜加以布置，灵活方便。能有效降低工程造价。

4、采用煤粉燃烧时，磨制煤粉需要热空气来烘干原煤和煤粉，在燃烧过程中也要预热空气使点燃稳定，燃烧快、燃烧完成。将烟道尾部的空预器利用空气回热型朗肯循环技术，移至炉外，在提高系统热效率的同时，满足了燃料燃烧的要求。采用液体或气体燃料时，可对燃料采用抽汽加热构成回热循环，进一步提高系统的热效率。

5、由于给水温度及抽汽流量的限制，需要合理分配各级给水回热加热器的加热度，使各级抽汽与给水间的温差不可逆性减小，因此对汽轮机的设计要求高，不利于汽轮机采用最优化设计方法进行设计。采用本发明的系统，可以用于优化汽轮机的设计。

6、采用本发明的方案，既可用于新建动力装置系统的设计、建造，也可用于对现有的抽汽加热给水的回热循环系统进行节能改造，即取消原有抽汽加热给水回热循环系统中的高压加热器，增加异工质回热器、相变换热器等，从而有效提高系统的热效率。

烟道内、外设备可因地制宜加以布置，灵活方便，能有效降低工程造价。本发明既可用于现有的抽汽加热给水回热循环机组的节能改造，也可用于新建机组的设计、建造，从而有效提高整个系统的热效率。

附图说明

图1是现有技术的汽水系统流程图简图。

图1中：1-省煤器，2-水冷壁，3-过热器，4-汽轮机，5-发电机，6-凝汽器，7-冷却水泵，8-凝结水泵，9-低压加热器，10-除氧器，11-给水泵，12-高压加热器，13-水处理设备。

图2是本发明的一种多工质回热型朗肯循环系统流程示意图。

图2中：1-锅炉本体受热面，2-饱和蒸汽，3-过热器，3-1-过热蒸汽，4-汽轮机，5-发电机，6-凝汽器，7-凝结水泵，8-相变换热器，9-蒸发器，10-冷凝器，11-低压加热器，12-除氧器，13-给水泵，14-给水加热器，15-高温空预器，16-增压机，17-异工质回热器，18-凝结水，19-循环水泵，20-冷却水，21-烟道，22-回热介质，23-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2所示，一种多工质回热型朗肯循环系统，该系统包括锅炉本体受热面1、燃烧设备23、烟道21及辅助设备，烟道21内设置有过热器3、给水加热器14、相变换热器8，烟道外设置有汽轮机4、发电机5、凝汽器6、凝结水泵7、相变换热器8、低压加热器11、除氧器12、给水泵13，以及增压机16、异工质回热器17。其中相变换热器8包括蒸发器9、冷凝器10，相变工质采用水，在蒸发器9中吸收烟气的热量，蒸发产生蒸汽，蒸汽进入冷凝器10中冷凝，形成饱和液再回到蒸发器，吸收烟气热量产生蒸汽，从而形成相变工质循环回路。

其中，汽水系统流程如下：由锅炉本体受热面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带动发电机5，将热能转换成电能；汽轮机出来的乏汽在凝汽器6中由冷却水移走热量，形成凝结水，凝结水经凝结水泵7送入相变换热器8的冷凝器10，再进入低压加热器11用汽轮机抽汽加热后，进入除氧器12，经除氧的给水由给水泵13送入给水加热器14，吸收烟气热量后送入锅炉本体受热面1，锅炉本体受热面1再产生饱和蒸汽，从而形成汽水循环回路。

所述的多工质是指锅炉给水及空气，回热工质是指送入燃烧设备的空气（也可包括液体或气体燃料），在整个动力循环设备系统形成内循环回路。

所述的多工质回热型朗肯循环，是指采用从汽轮机4中抽出的作过部分功的多级蒸汽，通过设置于烟道外的低压加热器11、异工质回热器17，用于加热锅炉给水以及从鼓风机16送来的空气，加热后的热空气22送入燃烧设备23作为助燃空气使用。经低压加热器11的锅炉给水形成传统的抽汽回热循环系统。

所述的异工质回热器17，回热介质为空气时，相当于设置于锅炉烟道外的空气预热器。

经增压机16即鼓风机加压后的空气，经过相变换热器8的冷凝器10预热后，再送入异工质回热器17，经异工质回热器17加热后的热空气直接送入燃烧设备23，或经高温空预器15继续加热后再送入燃烧设备23作为助燃空气使用。燃烧设备中的燃料燃烧后，形成高温烟气，将热量传递给水，产生过热蒸汽，送入汽轮机4中做功后，抽汽再用于加热低压加热器的给水、异工质回热器17中的回热介质，从而形成多工质回热型朗肯循环回路。

抽汽经低压加热器11、异工质回热器17冷却后形成冷凝水，再送至除氧器12或疏水箱循环使用。

实施例2：

增压机16（即鼓风机）鼓出的空气经相变换热器8的冷凝器10预热后，送至异工质回热器17继续加热后送入锅炉燃烧设备。经凝结水泵加压后的凝结水送入低压加热器11，采用汽轮机抽汽加热，再送入除氧器。其余类同实施例1。

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，如还可以将相变换热器更换为其他型式的换热器，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 (9)

1.一种多工质回热型朗肯循环系统，该系统包括朗肯循环回路，即依次经管路连接的锅炉（1）、过热器（3）、汽轮机（4）、凝汽器（6）、凝结水泵（7）、除氧器（12）、给水泵（13）和加热器（14），其中过热器（3）和加热器（14）设置于锅炉的烟道内，汽轮机（4）还连接发电机（5），其特征在于：

该系统设有异质回热循环回路：该回路由增压机（16）、异工质回热器（17）、汽轮机（4）的抽汽和锅炉（1）的燃烧设备（23）组成；增压机（16）送出的回热工质，经异工质回热器（17）被汽轮机（4）的抽汽加热后，回热介质再送入燃烧设备（23）参与燃烧，形成异工质回热循环回路；抽汽经异工质回热器（17）后形成冷凝水，再送到除氧器（12）或疏水箱；

所述的异工质为空气。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征是：

所述的朗肯循环回路中汽轮机（4）排出的乏汽，在凝汽器（6）中形成凝结水，经凝结水泵（7）、除氧器（12）及给水泵（13）送至加热器（14），再经锅炉本体受热面（1）产生饱和蒸汽（2），送入过热器（3）形成过热蒸汽（3-1），再送入汽轮机（4）做功后，出来的乏汽再送入凝汽器（6）形成凝结水，形成朗肯循环回路。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征是：

所述朗肯循环回路还包括低压加热器（11），它设置于凝结水泵（7）和除氧器（12）之间的连接管道上；或者设于给水泵（13）和加热器（14）之间的连接管道上。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征是：

该系统还包括给水回热循环回路：该回路由汽轮机（4）抽汽经低压加热器（11）形成冷凝水，再送到除氧器（12）或疏水箱。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征是：

所述朗肯循环回路中还设有相变换热器（8），该相变换热器的冷凝器(10)设置于凝结水泵（7）和低压加热器（11）之间的连接管路上，该相变换热器的蒸发器（9）设置于烟道（21）内。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述的异工质还包括锅炉燃料，所述的锅炉燃料为液体或气体；

所述的增压机（16）中，回热介质为空气时，为鼓风机；回热介质为液体燃料时，为燃料加压泵；回热介质为气体燃料时，为气体压缩机。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述的过热器(3)、高温空预器(15)、给水加热器（14）、异质回热器（17）分别采用一个或多个，采用串并联或混联方式连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述的过热器(3)、高温空预器(15)、给水加热器(14)、异质回热器(17)采用间接换热方式，采用管式换热器或板式换热器。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述的换热器采用的换热元件为圆管、翅片管、蛇形管或螺旋槽管的中空腔体换热元件。

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