CN103363564A - 提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统及供热方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统及供热方法，首先利用低品位（0.35～0.5MPa.a）蒸汽的低位热能做功来驱动低转速（1500r/min）工业汽轮机，代替电动机拖动热网循环水泵，其排汽（更低位热能）用于加热热网循环水，并可根据热网负荷实现两级加热，使低品位蒸汽热能得以充分、梯级利用，能源综合利用效率得到了提高，同时大大降低了供热系统的用电率，有效提高了集中供热的经济性及运行节能。

Description

提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统及供热方法

技术领域

本发明涉及一种提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统及供热方法，可广泛应用于以蒸汽为热源，以水为介质的各种大中小型城市集中供热领域。

背景技术

热网循环水泵是以水为介质的供热系统的动力来源，其常规驱动方式均为电动机，利用的是高品位的电能，耗电成本占据了生产成本的很大比重。随着供热规模的加大，相应配套电动机的功率也越来越大，耗电成本占据供热成本的比重也相应增加，而常规电能大多是由蒸汽能通过汽轮机和发电机转换而来，电能相对于蒸汽热能，始终存在转换效率。根据《城镇供热管网设计规范》，“以热电厂或大型区域锅炉房为热源时，设计供水温度可取110℃～150℃，回水温度不应高于70℃”，因此常规集中供热设计供回水温度一般取为130℃/70℃，按照传热理论，热源蒸汽参数一般取为0.35～0.5MPa.a，此参数蒸汽一般认为是低品位热能。由于集中供热基本以质调节（根据采暖室外温度调节热水供回水温度）为主，大部分时间运行供水温度均低于100℃，尤其是供热规模尚未达到设计值时，根据传热理论，此时蒸汽参数在0.15～0.2MPa.a即可满足供热要求，因此，即使是低品位热能也仍具有一定的利用空间，如能利用蒸汽动力取代热网循环水泵的驱动电动机，就能使蒸汽能量进一步充分利用，提高低品位蒸汽热能的利用效率，在有效降低供热成本的前提下，也提高了供热系统的节能减排效益。

工业汽轮机是以压力蒸汽冲动汽轮机叶轮做功的原动机，它可以代替电动机拖动水泵、油泵、风机等各种转动设备,也可以带动发电机发电。其进汽可以是新蒸汽,也可以是其它汽轮机的抽汽或背压排汽，工业汽轮机做功后的排汽,还可以用来满足用户更低品位用汽的需要,是一种蒸汽能源梯级利用的节能设备，能够实现上述供热系统的节能要求。

目前，应用于城市集中供热系统中的工业汽轮机一般利用的是较高品位的热能，进汽压力一般均大于0.8MPa.a，转速3000r/min，需配置相应转速的循环水泵，或加装减速装置后拖动1500r/min转速的循环水泵，其排汽用于热网加热器或除氧器的加热汽源，仅能适用于排汽或抽汽压力较高的锅炉和汽轮机，系统布置及运行调节较复杂。由于工业汽轮机效率始终无法与专业发电汽轮机效率相媲美，因此这种利用高品位蒸汽为热源的供热系统虽然节电，但能源利用率较低。

虽然在0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽热能利用方面也有相关介绍,如中国专利申请201010553278公开了一种《大流量、低参数、高背压膨胀动力节能系统》，但该申请所针对的只是以热力发电厂300MW机组汽轮机中压缸排汽（0.4MPa.a左右）作为供热汽源，以膨胀动力机（实际为工业汽轮机）为媒介解决热网加热器蒸汽压力与供热温度的能量梯级匹配问题，并未涉及供热系统最需要解决的动力来源—热网循环水泵的驱动方式问题，更未提及工业汽轮机的具体型式及系统运行调节方式，不够全面、明确，可操作性不强。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统及供热方法，使低品位蒸汽热能得以充分、梯级利用，能源综合利用效率得到了提高，同时大大降低了供热系统的用电率，有效提高了集中供热的经济性及运行节能。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统，包括热源，热源的一路经第一蒸汽管道和蝶阀与低转速工业汽轮机相连，另一路经第二蒸汽管道与热网二级加热器相连；低转速工业汽轮机的输出轴通过联轴器与汽动热网循环水泵相连，低转速工业汽轮机的背压排汽出口经第三蒸汽管道与热网一级加热器相连，热网一级加热器的热网回水出水口经第一热网回水管道与热网二级加热器相连，第一热网回水管道上设有旁通管，旁通管和热网二级加热器均与热网供水管道相连，热网供水管道与换热子站相连，换热子站经第二热网回水管道与汽动热网循环水泵相连，热网一级加热器和热网二级加热器的凝结水管道均与凝结水回收装置相连，凝结水回收装置连通至热源。

所述低转速工业汽轮机的转速为1500r/min。

所述低转速工业汽轮机的背压排汽出口排出的背压排汽为0.15～0.2MPa.a。

一种利用提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统的供热方法，包括蒸汽侧和水侧；

所述蒸汽侧为：

来自热源的0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽，一部分经第一蒸汽管道、蝶阀进入低转速工业汽轮机驱动汽轮机转子高速旋转，通过联轴器直接拖动汽动热网循环水泵转动，为热网循环水提供动力；

做功后的0.15～0.2MPa.a背压排汽经第三蒸汽管道接至热网一级加热器，作为热网回水的加热汽源，将70℃热网回水加热至100～110℃，根据热网负荷大小经旁通管直接对外供热；

另一部分热源的0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽经第二蒸汽管道和调节阀直接进入热网二级加热器，对热网回水即100～110℃的热网一级加热器出水做二次加热，达到热网所需供水温度即110～150℃要求；

进入热网一级加热器和热网二级加热器的蒸汽与热网回水换热后所产生的凝结水，经凝结水管道进入凝结水回收装置，全部回收至热源，从而实现低品位蒸汽热能的充分、梯级利用；

所述水侧为：

换热子站的70℃热网回水经第二热网回水管道由汽动热网循环水泵增压后；

首先经热网一级加热器与低转速工业汽轮机背压排汽进行换热升温至100～110℃；

然后进入热网二级加热器与来自热源的0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽再次进行换热，经两次加热后达到热网所需供水温度即110～150℃要求，

再经热网供水管道供至换热子站，与子级热力网循环水换热后温度降低至70℃，并回至城市一级热力网第一热网回水管道直至汽动热网循环水泵，完成一次循环，如此往复。

本发明具有以下技术特点：

(1)用于拖动汽动热网循环水泵的低转速（1500r/min）工业汽轮机,其进汽可以是锅炉新蒸汽,也可以是其它汽轮机的抽汽或背压排汽，即在具备0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽热源的场合，均可以此低品位蒸汽驱动低转速（1500r/min）工业汽轮机直接拖动汽动热网循环水泵，为热网循环水提供动力，不仅仅局限于300MW发电机组汽轮机抽汽。

(2)0.35～0.5MPa.a压力的低品位蒸汽同时用于驱动低转速（1500r/min）工业汽轮机拖动汽动热网循环水泵和加热热网循环水，即一部分蒸汽首先进入低转速（1500r/min）工业汽轮机做功，直接拖动汽动热网循环水泵为热网循环水提供动力，做功后的0.15～0.2MPa.a背压排汽进入热网一级加热器，将70℃热网回水加热至100～110℃，根据热网负荷大小可直接对外供热；另一部分则直接进入热网二级加热器对热网回水（即100～110℃的热网一级加热器出水）进行二次加热，达到热网所需供水温度（110～150℃）要求。热网一级加热器及热网二级加热器内蒸汽换热后的凝结水通过凝结水回收装置全部回收利用。

(3)低转速（1500r/min）工业汽轮机的应用

常规工业汽轮机其转速一般在3000r/min以上，需要配置相应转速的水泵，或加装减速装置后拖动1500r/min的水泵；本发明采用低转速（1500r/min）工业汽轮机直接拖动1500r/min的水泵，省掉中间环节，长期运行更加稳定，更有利于节能。

(4)工业汽轮机无级调速的应用

调节工业汽轮机蒸汽进汽量，可以同步无级调节其转速，以调节热网循环水量，满足供热调节需要，省掉电泵系统的调速装置（变频器或液力耦合器）。

(5)热网二级加热器进、出口水管母管之间设置旁通管

在热网二级加热器进、出口水管母管之间设置带关断阀的旁通管，可根据热网负荷大小通过旁通管直接对外供热，以减少不必要的水系统阻力及设备故障率，利于节能，也便于运行调节和检修维护。

本发明首先利用低品位（0.35～0.5MPa.a）蒸汽的低位热能（常规为低位，本系统也可称为高位）做功来驱动低转速（1500r/min）工业汽轮机，代替电动机拖动热网循环水泵，其排汽（更低位热能）用于加热热网循环水，并可根据热网负荷实现两级加热，使低品位蒸汽热能得以充分、梯级利用，能源综合利用效率得到了提高，同时大大降低了供热系统的用电率，有效提高了集中供热的经济性及运行节能。

附图说明

图1是本发明系统原理示意图；

其中1—热源（锅炉新蒸汽或汽轮机抽汽或背压排汽）；2—低转速（1500r/min）工业汽轮机；3—联轴器；4—汽动热网循环水泵；5—热网一级加热器；6—热网二级加热器；7—凝结水回收装置；8—换热子站；9—第一蒸汽管道；10—凝结水管道；11—第一热网回水管道；12—热网供水管道；13—蝶阀；14—调节阀；15—关断阀；16—旁通管，17.第二蒸汽管道，18.第三蒸汽管道，19.第二热网回水管道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统，由热源1、低转速（1500r/min）工业汽轮机2、汽动热网循环水泵4、热网一级加热器5、热网二级加热器6、凝结水回收装置7、换热子站8以及连接上述供热装置的第一蒸汽管道9、第二蒸汽管道17、第三蒸汽管道18、凝结水管道10、第一热网回水管道11、第二热网回水管道19、热网供水管道12、旁通管16和蝶阀13、调节阀14、关断阀15组成。

利用提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统的供热方法，包括：

蒸汽侧：图1中，来自热源1的0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽，一部分经第一蒸汽管道9、蝶阀13进入低转速（1500r/min）工业汽轮机2驱动汽轮机转子高速旋转，通过联轴器3直接拖动汽动热网循环水泵4转动，为热网循环水提供动力，做功后的0.15～0.2MPa.a背压排汽经第三蒸汽管道18接至热网一级加热器5，作为热网回水的加热汽源，将70℃热网回水加热至100～110℃，根据热网负荷大小可经旁通管16直接对外供热；热网一级加热器5的热网回水出水口经第一热网回水管道11与热网二级加热6器相连，第一热网回水管道11上设有旁通管16，旁通管16和热网二级加热器6均与热网供水管道12相连，热网供水管道12与换热子站8相连，换热子站8经第二热网回水管道19与汽动热网循环水泵4相连，

另一部分则经第二蒸汽管道17、调节阀14（根据热网所需供水温度要求来调节蒸汽量）直接进入热网二级加热器6，对热网回水（即100～110℃的热网一级加热器5出水）进行二次加热，达到热网所需供水温度（110～150℃）要求。进入热网一级加热器5和热网二级加热器6的蒸汽与热网回水换热后所产生的凝结水，经凝结水管道10进入凝结水回收装置7，全部回收至热源1，从而实现低品位蒸汽热能的充分、梯级利用。

通过调节蝶阀13的开度来控制低转速（1500r/min）工业汽轮机的进汽量，可以同步无级调节汽动热网循环水泵4的转速，以调节热网循环水量，满足供热调节需要，从而省掉电泵系统的调速装置（变频器或液力耦合器）。

水侧：图1中，70℃热网回水经第二热网回水管道19由汽动热网循环水泵4增压后，首先经热网一级加热器5与低转速（1500r/min）工业汽轮机2背压排汽（0.15～0.2MPa.a）进行换热升温至100～110℃，然后进入热网二级加热器6与来自热源1的低品位蒸汽（0.35～0.5MPa.a）再次进行换热，经两次加热后达到热网所需供水温度（110～150℃）要求，然后经热网供水管道12供至换热子站8，与子级热力网循环水换热后温度降低至70℃，并回至城市一级热力网第一热网回水管道11直至汽动热网循环水泵4，完成一次循环，如此往复。

此外，在热网二级加热器6进、出口水管母管之间设置带关断阀15的旁通管16，可根据热网负荷大小通过旁通管16直接对外供热，以减少不必要的水系统阻力及设备故障率，利于节能，也便于运行调节和检修维护。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1.一种提高低品位蒸汽热能利用效率的节能供热系统，其特征是，包括热源，热源的一路经第一蒸汽管道和蝶阀与低转速工业汽轮机相连，另一路经第二蒸汽管道与热网二级加热器相连；低转速工业汽轮机的输出轴通过联轴器与汽动热网循环水泵相连，低转速工业汽轮机的背压排汽出口经第三蒸汽管道与热网一级加热器相连，热网一级加热器的热网回水出水口经第一热网回水管道与热网二级加热器相连，第一热网回水管道上设有旁通管，旁通管和热网二级加热器均与热网供水管道相连，热网供水管道与换热子站相连，换热子站经第二热网回水管道与汽动热网循环水泵相连，热网一级加热器和热网二级加热器的凝结水管道均与凝结水回收装置相连，凝结水回收装置连通至热源。

2.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述低转速工业汽轮机的转速为1500r/min。

3.如权利要求1所述的系统，其特征是，所述低转速工业汽轮机的背压排汽出口排出的背压排汽为0.15～0.2MPa.a。

4.一种利用权利要求1所述系统的供热方法，其特征是，包括蒸汽侧和水侧；

所述蒸汽侧为：

来自热源的0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽，一部分经第一蒸汽管道、蝶阀进入低转速工业汽轮机驱动汽轮机转子高速旋转，通过联轴器直接拖动汽动热网循环水泵转动，为热网循环水提供动力；

做功后的0.15～0.2MPa.a背压排汽经第三蒸汽管道接至热网一级加热器，作为热网回水的加热汽源，将70℃热网回水加热至100～110℃，根据热网负荷大小经旁通管直接对外供热；

另一部分热源的0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽经第二蒸汽管道和调节阀直接进入热网二级加热器，对热网回水即100～110℃的热网一级加热器出水做二次加热，达到热网所需供水温度即110～150℃要求；

进入热网一级加热器和热网二级加热器的蒸汽与热网回水换热后所产生的凝结水，经凝结水管道进入凝结水回收装置，全部回收至热源，从而实现低品位蒸汽热能的充分、梯级利用；

所述水侧为：

换热子站的70℃热网回水经第二热网回水管道由汽动热网循环水泵增压后；

首先经热网一级加热器与低转速工业汽轮机背压排汽进行换热升温至100～110℃；

然后进入热网二级加热器与来自热源的0.35～0.5MPa.a低品位蒸汽再次进行换热，经两次加热后达到热网所需供水温度即110～150℃要求，

再经热网供水管道供至换热子站，与子级热力网循环水换热后温度降低至70℃，并回至城市一级热力网第一热网回水管道直至汽动热网循环水泵，完成一次循环，如此往复。

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