CN104675463B - 一种低压水蒸汽循环利用发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压水蒸汽循环利用发电系统，包括发电机、高压透平、中压透平、锅炉，发电机、高压透平和中压透平之间通过联动轴联动连接，锅炉通过管路与高压透平连接，还包括对低压水蒸汽进行增压的联动装置，该联动装置的水蒸汽出口通过管路与中压透平连接，中压透平的出口通过管路与联动装置的水蒸汽进口连接，中压透平的出口还通过管路与锅炉连接。本发明对由中压透平排出的低压水蒸汽进行增压再送回至中压透平进行做功发电，从而提高电厂的热能利用率。

Description

一种低压水蒸汽循环利用发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统，具体地说是一种回收低压水蒸汽并进行循环利用的发电系统。

背景技术

汽轮机的出现推动了电力工业的发展，到20世纪初，电站汽轮机单机功率已达10兆瓦。随着电力应用的日益广泛，美国一些大城市的电站尖峰负荷在20年代已接近1000兆瓦，如果单机功率只有10兆瓦，则需要装机近百台，因此20年代时单机功率就已增大到60兆瓦，30年代初又出现了165兆瓦和208兆瓦的汽轮机。此后的经济衰退和第二次世界

大战期间爆发，使汽轮机单机功率的增大处于停顿状态。50年代，随着战后经济发展，电力需求突飞猛进，单机功率又开始不断增大，陆续出现了325～600兆瓦的大型汽轮机；60年代制成了1000兆瓦汽轮机；70年代，制成了1300兆瓦汽轮机。现在许多国家常用的单机功率为300～600兆瓦。

汽轮机是能将蒸汽热能转化为机械功的外燃回转式机械，来自锅炉的蒸汽进入汽轮机后，依次经过一系列环形配置的喷嘴和动叶，将蒸汽的热能转化为汽轮机转子旋转的机械能。蒸汽在汽轮机中，以不同方式进行能量转换，便构成了不同工作原理的汽轮机。汽轮机的排汽压力越低，蒸汽循环的热效率就越高。不过排汽压力主要取决凝汽器的真空度，真空度又取决于冷却水的温度和抽真空的设备，如果采用过低的排汽压力，就需要增大冷却水流量、增大凝汽器冷却水和冷却介质的换热面、降低被使用的冷却水的温度和抽真空的设备，较长的末级叶片，但同时真空太低又会导致汽轮机汽缸(低压缸)的蒸汽流速加快，使汽轮机汽缸(低压缸)差胀加剧，危及汽轮机安全运转。为了使得排出的热能能够被使用，而又不至于过多的降低热效率，一般汽轮机是排出70℃温度的水蒸汽，因为该水蒸汽所处的压力为低压，即小于一个大气压，因此，很难被直接排出，而若是通过直接用热泵将水蒸汽加温至100℃以上则需要大量的能量，可行性不高。现有的技术采用水蒸汽进入冷凝管道进行冷凝，将水蒸汽温度降下来，从而变成水排出，这种方法不但没有使用到排出的热量，而且，还额外增加了冷凝所需的设备和条件，极大的浪费了资源。

蒸汽透平的发电效率一般在30%～40%之间，透平出口蒸汽的热焓占透平入口蒸汽热焓的50%以上。目前的一般电厂具有蒸汽轮机发电系统，由锅炉或其它热源产生的高压过热水蒸汽先送入高压膨胀透平，之后高压蒸汽透平出口的中压水蒸汽被送至再热器升温，在中压蒸汽透平中，中压再热水蒸汽再次膨胀做功，有些系统还包括低压水蒸汽透平。水蒸汽透平一起联动驱动发电机发电。最终离开蒸汽透平的低压水蒸汽除了热电联供系统外，通常是将该低压水蒸汽送到相应的冷却装置中进行冷凝，低压水蒸汽潜热被冷却水蒸发带走，没有对这一部分的热能进行一个较好的利用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是低压水蒸汽循环利用发电系统，利用氨（或其它易挥发物质）作为中间介质，并利用联动装置地低压水蒸汽进行增压转换成高压水蒸汽，使其能够再次在中压透平中做工发电。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种低压水蒸汽循环利用发电系统，包括发电机、高压透平、中压透平、锅炉，发电机、高压透平和中压透平之间通过联动轴联动连接，锅炉通过管路与高压透平连接，还包括对低压水蒸汽进行增压的联动装置，该联动装置的水蒸汽出口通过管路与中压透平连接，中压透平的出口通过管路与联动装置的水蒸汽进口连接，中压透平的出口还通过管路与锅炉连接。

所述联动装置包括水蒸汽压缩气缸和氨蒸气膨胀气缸，该氨蒸气膨胀气缸内的活塞与水蒸汽压缩气缸内的活塞通过连杆相连接，水蒸汽压缩气缸内的活塞将该水蒸汽压缩气缸的内部空间分成上水蒸汽腔室和下水蒸汽腔室，该上水蒸汽腔室装接有上水蒸汽进口管路和上水蒸汽出口管路，下水蒸汽腔室装接有下水蒸汽进口管路和下水蒸汽出口管路，该上水蒸汽进口管路与下水蒸汽进口管路相连接后再通过管路与中压透平的出口连接，上水蒸汽出口管路与下水蒸汽出口管路相连接后再通过管路与中压透平的进口连接。

所述氨蒸气膨胀气缸内的活塞将该氨蒸气膨胀气缸的内部空间分成上氨蒸气腔室和下氨蒸气腔室，该上氨蒸气腔室装接有上氨蒸气进口管路和上氨蒸气出口管路，下氨蒸气腔室装接有下氨蒸气进口管路和下氨蒸气出口管路，上氨蒸气出口管路与下氨蒸气出口管路相连接后再通过管路与冷却器连接，该冷却器通过管路与氨循环泵连接，上氨蒸气进口管路与下氨蒸气进口管路相连接后再通过管路经过氨蒸发器后与氨循环泵连接，中压透平与锅炉间的连接管路还经过氨蒸发器。

所述上水蒸汽进口管路、上水蒸汽出口管路、下水蒸汽进口管路和下水蒸汽出口管路上均设有单向止回阀。

所述上氨蒸气进口管路、上氨蒸气出口管路、下氨蒸气进口管路和下氨蒸气出口管路上均设有开关控制阀。

所述冷却器为水冷却器或风冷却器。

所述高压透平和中压透平之间设有再热器，且该再热器一端与高压透平的出口连接、另一端与中压透平的进口连接。

本发明利用氨（或其它易挥发物质）作为中间介质，把低压水蒸汽的潜热热焓转化为可以压缩低压水蒸汽的动力，将低压水蒸汽增压成高压过热水蒸汽，该高压水蒸汽输入至中压透平用于再次做功发电，从而提高电厂的热能利用率。

附图说明

图1为本发明管路连接原理示意图；

图2为本发明联动装置的结构示意图；

图3为本发明设置有多级联动装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1和2所示，本发明揭示了一种低压水蒸汽循环利用发电系统，包括发电机2、高压透平3、中压透平5和锅炉1，发电机2、高压透平3和中压透平5之间通过联动轴联动连接，锅炉1通过管路与高压透平3连接，还包括对低压水蒸汽进行增压的联动装置，该联动装置的水蒸汽出口通过管路与中压透平5连接，中压透平5的出口通过管路与联动装置的水蒸汽进口连接，中压透平5的出口还通过管路与锅炉1连接。高压透平3和中压透平5均可以做功带动发电机1发电。所述高压透平3和中压透平5之间设有再热器4，且该再热器4一端与高压透平3的出口连接、另一端与中压透平5的进口连接，从高压透平出来的水蒸汽经过再热器升温后再进入到中压透平中做功发电。

所述联动装置包括水蒸汽压缩气缸6和氨蒸气膨胀气缸8，该氨蒸气膨胀气缸8内的活塞与水蒸汽压缩气缸6内的活塞通过连杆7相连接，实现氨蒸气膨胀气缸8内活塞与水蒸汽压缩气缸6内活塞的同步运动，水蒸汽压缩气缸6内的活塞将该水蒸汽压缩气缸6的内部空间分成上水蒸汽腔室65和下水蒸汽腔室66，该上水蒸汽腔室65装接有上水蒸汽进口管路61和上水蒸汽出口管路62，下水蒸汽腔室66装接有下水蒸汽进口管路63和下水蒸汽出口管路64，该上水蒸汽进口管路61与下水蒸汽进口管路63相连接后再通过管路与中压透平5的出口连接，上水蒸汽出口管路62与下水蒸汽出口管路64相连接后再通过管路与中压透平5的进口连接。氨蒸气膨胀气缸8内的活塞将该氨蒸气膨胀气缸8的内部空间分成上氨蒸气腔室85和下氨蒸气腔室86，该上氨蒸气腔室85装接有上氨蒸气进口管路81和上氨蒸气出口管路82，下氨蒸气腔室86装接有下氨蒸气进口管路83和下氨蒸气出口管路84，上氨蒸气出口管路82与下氨蒸气出口管路84相连接后再通过管路与冷却器9连接，该冷却器9通过管路与氨循环泵10连接，上氨蒸气进口管路81与下氨蒸气进口管路83相连接后再通过管路经过氨蒸发器11后与氨循环泵连接，中压透平5与锅炉1间的连接管路还经过氨蒸发器11，即氨蒸气膨胀机8、冷却器9、氨循环泵10、氨蒸发器11之间形成一相对封闭的循环回路。冷却器优选为水冷却器或风冷却器，或者还可以是其他形式的冷却器，只要能够满足将氨蒸气进行冷却即可。本实施例中选取水冷却器，通过一循环进出冷却水管，提供源源不断的冷却水，对由氨蒸气膨胀机排出的低压氨蒸气进行冷却冷凝使其成为液氨。水蒸汽压缩气缸的活塞为被动运动，氨蒸气膨胀气缸的活塞为主动运动，即水蒸汽压缩气缸的活塞由氨蒸气膨胀气缸的活塞带动移动，实现对水蒸汽压缩气缸内的水蒸汽的压缩。

此外，上水蒸汽进口管路61、上水蒸汽出口管路62、下水蒸汽进口管路63和下水蒸汽出口管路64上均设有单向止回阀12。进口管路上的单向止回阀使得水蒸汽只能从外部流进上水蒸汽腔室或者下水蒸汽腔室，而上水蒸汽腔室或下水蒸汽腔室内的水蒸汽无法回流到进口管路中；出口管路上的单向止回阀只允许水蒸汽从上水蒸汽腔室或者下水蒸汽腔室中流出，而出口管路内的水蒸汽无法流向上水蒸汽腔室或者下水蒸汽腔室内。上氨蒸气进口管路81、上氨蒸气出口管路82、下氨蒸气进口管路83和下氨蒸气出口管路84上均设有开关控制阀13，该开关控制阀13可选择自动开关控制阀，由编程好的程序进行控制，根据自身需求实现自动开启和关闭。

此外，氨蒸气膨胀气缸的各个进口管路和出口管路上的开关控制阀的开启和关闭具有关联性。具体为：上氨蒸气进口管路81上的开关控制阀13打开时，下氨蒸气进口管路83上和上氨蒸气出口管路82上的开关控制阀13均关闭，下氨蒸气出口管路84上的开关控制阀开启，此种情况下，外界的高压氨蒸气只能从上氨蒸气进口管路81进入到上氨蒸气腔室85内，上氨蒸气腔室85不断的充满高压氨蒸气，氨蒸气膨胀气缸8内的活塞受到上氨蒸气腔室85内的高压氨气的压力而被向下推动并直至最低部，原本处于下氨蒸气腔室86内的氨气则经下氨蒸气出口管路84排出。然后切换，则下氨蒸气进口管路83和上氨蒸气出口管路82上的开关控制阀13均开启，而上氨蒸气进口管路81和下氨蒸气出口管路84上的开关控制阀13均关闭，氨蒸气膨胀气缸8内的活塞由下往上运动。而当氨蒸气膨胀气缸8内的活塞由上往下运动时，则带动水蒸汽压缩气缸内的活塞由上往下运动；当氨蒸气膨胀气缸内的活塞由下往下运动时，水蒸汽压缩气缸内的活塞也由下往上运动，实现同步运动。

本发明非常适合于具有蒸汽轮机的发电厂，由锅炉或者其他热源产生的高压过热水蒸汽先直接送入高压透平中做功带动发电机发电。高压过热水蒸汽经过高压透平后成为中压水蒸汽，该中压水蒸汽经过再热器提升温度。升温后的中压水蒸汽送入到中压透平进行做功并带动发电机发电。中压水蒸汽经过中压透平之后成为低压水蒸汽，该低压水蒸汽的温度依然在100℃左右，该低压水蒸汽从中压透平出口出来后分成两路，一路经管路进入到氨蒸发器中，另一路则进入到水蒸汽压缩气缸内。

氨蒸气膨胀机8由外部高压氨蒸气源提供高压氨蒸气，该高压氨蒸气由氨蒸气进口管路进入。首先往上氨蒸气腔室85和下氨蒸气腔室86充满高压氨气，而由中压透平5出来的低压水蒸汽则进入到上水蒸汽腔室65和下水蒸汽腔室66内。先将上氨蒸气进口管路81和下氨蒸气出口管路84上的开关控制阀13都打开，则相应的下氨蒸气进口管路83和上氨气出口管路82上的开关控制阀13都关闭。由于上氨蒸气腔室85内充满高压氨蒸气，而下氨蒸气出口管路84是开通的，其他进口管路和出口管路都处于关闭状态，因此，氨蒸气膨胀气缸8内的活塞受到上氨蒸气腔室85内的高压氨蒸气的压力的推动而由上往下移动直至最底部，下氨蒸气腔室86内的高压氨蒸气则被推出并经下氨蒸气出口管路84排出后成为低压氨蒸气。与此同时，在氨蒸气膨胀气缸8的活塞由上往下运动时，同步带动水蒸汽压缩气缸6的活塞也由上往下移动，此时，上水蒸汽腔室65则处于低压和吸入状态，外界低压水蒸汽源源不断的经上水蒸汽进口管路61上的单向止回阀12进入到上水蒸汽腔室65内，而活塞下压的过程中，下水蒸汽腔室66内的水蒸汽被压缩增压，当下水蒸汽腔室66内的水蒸汽压力高于下水蒸汽出口管路64的压力时，水蒸汽就从下水蒸汽腔室66、下水蒸汽出口管路64及其上的单向止回阀排出，经增压排出后的水蒸汽则经管路与来自高压透平出口后又经再热器升温后的中压水蒸汽合并，然后再送入中压透平内进行做功并带动发电机发电，实现对低压水蒸汽的回收循环利用。

同上，当氨蒸气膨胀气缸8的上氨蒸气进口管路81和下氨蒸气出口管路84上的开关控制阀13都关闭，而下氨蒸气进口管路83和上氨蒸气出口管路82上的开关控制阀13都开启时，氨蒸气膨胀气缸8内的活塞则会因受到下氨蒸气腔室内的高压氨蒸气的压力而由下往上运动。与此同时，水蒸汽压缩气缸6的活塞也会同步由下往上运动。此时，下水蒸汽腔室66内处于低压和吸入状态，低压水蒸汽不断进入到下水蒸汽腔室66内，而上水蒸汽腔室65内的低压水蒸汽则被压缩增压，并当其压力大于上水蒸汽出口管路的压力时，经从上水蒸汽腔室65、上水蒸汽出口管路62及其上的单向止回阀排出，该增压后的水蒸汽与来自高压透平出口后又经再热器升温后的中压水蒸汽合并，然后送入中压透平中做功并带动发电机发电。在氨蒸气膨胀气缸8的活塞上下往复运动的过程中，排出的低压氨蒸气先进入到冷却器9中冷却成为液氨，然后该液氨再经氨循环泵10后会成为高压液氨，该高压液氨再经过氨蒸气器11，与经过氨蒸发器11的低压水蒸汽进行换热，吸收低压水蒸汽（该低压水蒸汽的温度在100℃左右）的热量转换为高压氨蒸气，该高压氨蒸气再经氨蒸气膨胀机的进口管路进入到该氨蒸气膨胀气缸内，再次带动氨蒸气膨胀气缸的活塞运动，从而实现氨蒸气的循环利用，同时又很好的利用了中压透平排出的低压水蒸汽。低压水蒸汽在加热氨时自身冷却为冷凝水，送锅炉再次产生蒸汽重复使用。

如此，通过水蒸汽压缩气缸活塞的上下移动，上水蒸汽腔室和下水蒸汽腔室分别进行水蒸汽的吸入和压缩，整体时间上除短暂的切换过渡时间外，表现为有连续低压水蒸汽吸入和增压水蒸汽流出。增压水蒸汽的压力可至4.0MPa或以上。

此外，由水蒸汽压缩气缸排出的水蒸汽压力大小，取决于送入氨蒸气膨胀气缸的氨蒸气的压力和氨蒸气膨胀气缸与水蒸汽压缩气缸的截面积的相对大小。当氨蒸气膨胀气缸与水蒸汽压缩气缸的截面积相同时，排出的水蒸汽增压后的最高压力则略低于氨蒸气的最高压力。但当水蒸汽压缩气缸的截面积小于氨蒸气膨胀气缸的截面积时，则排出的水蒸汽最终出口压力可以高于氨蒸气的最高压力。由于两个气缸的行程一直保持一致，截面积的大小决定了被压缩水蒸汽体积与氨蒸气体积的相对大小。因此在当水蒸汽压缩气缸的截面积小于氨蒸气膨胀气缸的截面积时，被压缩的水蒸汽的相对体积较小。与此相反，当水蒸汽压缩气缸的截面积大于氨蒸气膨胀气缸的截面积时，一般情况下，排出的水蒸汽压力明显低于氨蒸气压力，但被压缩的水蒸汽体积可明显高于氨蒸气体积。

此外，本发明中的方案是只用一级联动装置即一个氨蒸气膨胀气缸和水蒸汽压缩气缸，而在实际使用中，还可以多个联动装置串联使用，形成多级逐步加压。如附图3所示，共设有8个联动装置，分别为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7和P8共8级加压，相邻联动装置之间可通过一个水蒸汽缓冲器15进行连接。一个较为典型的压力等级可为，水蒸汽压缩气缸的水蒸汽出口压力依次设定为0.2、0.5、1.0、1.75、2.75、4.0、5.5Mpa。多级相互串联，前一级增压后的水蒸汽再在下一级中进一步增压，使水蒸汽压力逐步提高。直至最后水蒸汽压力达到一个极限而停止。

由于低压时水蒸汽体积大于高压时的体积，低压级的联动机需要相应的尺寸和容积大于高压时的联动机尺寸和容积，所以联动机的尺寸从大到小排列。也可采取梯级布置的方案，即在低阶压力时采用多个平行的联动机，随着水蒸汽压力提高，联动机的数量递减。此时每一压力等级的联动机尺寸可相同或相近。采用模块组合方式实现水蒸汽增压，并平行安排多组系列，以增加水蒸汽的处理能力。

在本发明的系统与传统的发电系统相结合时，由锅炉产生的高压水蒸汽质量流量，在进入高压透平和中压透平后将全部经过氨蒸发器换热冷却冷凝为冷凝水，而经增压后再次参加中压透平循环发电的水蒸汽流量是一个独立的闭路循环，增加了中压透平的水蒸汽质量流量，但不影响外部回路中经过锅炉的冷凝水/高压透平水蒸汽质量流量。闭路循环的水蒸汽流量由氨蒸气膨胀气缸-水蒸汽压缩气缸构成的联动装置的处理能力和效果所决定。所有在闭路循环中的增压水蒸汽流量直接贡献于能源再利用和发电效率的提高。闭路循环的水蒸汽流量越大，提高发电效率越明显。

本发明的氨蒸气膨胀气缸-水蒸汽压缩气缸构成的联动装置也可以利用氨之外的其它高挥发性中间介质，同时也可以用于压缩其它气体，如空气或其它多种流体等。

此外，对于低压水蒸汽、高压水蒸汽、高压氨蒸气、低压氨蒸气、高压透平、中压透平等，为本领域技术人员所公知的常识，在此不再详细赘述。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明技术方案的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低压水蒸汽循环利用发电系统，包括发电机、高压透平、中压透平、锅炉，发电机、高压透平和中压透平之间通过联动轴联动连接，锅炉通过管路与高压透平连接，其特征在于，还包括对低压水蒸汽进行增压的联动装置，该联动装置的水蒸汽出口通过管路与中压透平连接，中压透平的出口通过管路与联动装置的水蒸汽进口连接，中压透平的出口还通过管路与锅炉连接；

所述联动装置包括水蒸汽压缩气缸和氨蒸气膨胀气缸，该氨蒸气膨胀气缸内的活塞与水蒸汽压缩气缸内的活塞通过连杆相连接，水蒸汽压缩气缸内的活塞将该水蒸汽压缩气缸的内部空间分成上水蒸汽腔室和下水蒸汽腔室，该上水蒸汽腔室装接有上水蒸汽进口管路和上水蒸汽出口管路，下水蒸汽腔室装接有下水蒸汽进口管路和下水蒸汽出口管路，该上水蒸汽进口管路与下水蒸汽进口管路相连接后再通过管路与中压透平的出口连接，上水蒸汽出口管路与下水蒸汽出口管路相连接后再通过管路与中压透平的进口连接。

2.根据权利要求1所述的低压水蒸汽循环利用发电系统，其特征在于，所述氨蒸气膨胀气缸内的活塞将该氨蒸气膨胀气缸的内部空间分成上氨蒸气腔室和下氨蒸气腔室，该上氨蒸气腔室装接有上氨蒸气进口管路和上氨蒸气出口管路，下氨蒸气腔室装接有下氨蒸气进口管路和下氨蒸气出口管路，上氨蒸气出口管路与下氨蒸气出口管路相连接后再通过管路与冷却器连接，该冷却器通过管路与氨循环泵连接，上氨蒸气进口管路与下氨蒸气进口管路相连接后再通过管路经过氨蒸发器后与氨循环泵连接，中压透平与锅炉间的连接管路还经过氨蒸发器。

3.根据权利要求2所述的低压水蒸汽循环利用发电系统，其特征在于，所述上水蒸汽进口管路、上水蒸汽出口管路、下水蒸汽进口管路和下水蒸汽出口管路上均设有单向止回阀。

4.根据权利要求3所述的低压水蒸汽循环利用发电系统，其特征在于，所述上氨蒸气进口管路、上氨蒸气出口管路、下氨蒸气进口管路和下氨蒸气出口管路上均设有开关控制阀。

5.根据权利要求4所述的低压水蒸汽循环利用发电系统，其特征在于，所述冷却器为水冷却器或风冷却器。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的低压水蒸汽循环利用发电系统，其特征在于，所述高压透平和中压透平之间设有再热器，且该再热器一端与高压透平的出口连接、另一端与中压透平的进口连接。