CN105840243B - 一种蒸汽发电装置及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及蒸汽发电领域，公开了一种蒸汽发电装置及系统，其中，该蒸汽发电装置包括：第一螺杆膨胀发电系统；第二螺杆膨胀发电系统，其中所述第一螺杆膨胀发电系统和所述第二螺杆膨胀发电系统中的每一螺杆膨胀发电系统均包含由蒸汽驱动的螺杆膨胀机及由该螺杆膨胀机驱动的发电机，其中所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽被输入至所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机，以驱动该螺杆膨胀机；以及蒸汽母管，用于向所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输送蒸汽。通过上述技术方案，不仅可以将蒸汽中的热能转换成电能以实现对蒸汽的再利用，还避免了将蒸汽直接排放到空气中对环境造成热污染。

Description

一种蒸汽发电装置及系统
技术领域
本发明涉及蒸汽发电领域，具体地，涉及一种蒸汽发电装置及系统。
背景技术
现代煤化工产业是煤化工领域的一个新兴领域。由于我国煤化工产业在技术和装备上不断取得突破，逐步形成了以先进煤气化技术为先导，制取以替代石油化工产品和油气产品为目的的能源化工业，即现代煤化工产业。现代煤化工产业链包括煤制天然气、煤制油、煤制乙二醇、煤制甲醇及下游烯烃产品等新型能源化工业产链。由于现代煤化工产业刚刚起步，还处于示范期，大多数的核心技术初次商业化，因此，工艺流程和技术集成尚待优化，工程问题还有待进一步解决，在能效水平和污染物排放方面仍然有进一步改进和提高的余地。
在煤化工企业的生产工艺过程中会产生大量富余低压饱和蒸汽，这些大量富余低压饱和蒸汽的来源大致有两种：一是企业热电站产生的工艺用高温高压蒸汽经过梯级利用后产生的富余低压饱和蒸汽，如热电厂汽轮发电机组抽汽、减温减压站等；二是以节能降耗为目的利用工艺介质余热而设置的废热锅炉、蒸汽发生器产出的大量富余低压饱和蒸汽，如甲醇合成装置中的废热锅炉或其他冷却件的蒸汽发生器等。
由于低压饱和蒸汽的压力和温度较低，湿度较大，长距离输送的流动阻力损失大，且因其湿度大对管道和设备的冲蚀较严重，因此，低压饱和蒸汽的有效利用的难度较高。现阶段，低压饱和蒸汽的传统利用方式主要有：作为锅炉给水除氧、工厂低压热网的热源、直接送至居民区采暖供热和通过再热变成热蒸汽再利用。因传统利用方式的局限性，大部分企业在没有合理用途时，大多选择排空，既浪费大量的能源，有造成对环境的热污染，是实现节能减排战略急需解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种蒸汽发电装置及系统，通过该蒸汽发电装置及系统可利用低压饱和蒸汽进行多次发电，从而避免将低压饱和蒸汽直接排放到对环境中以对环境造成热污染。
为了实现上述目的，本发明提供一种蒸汽发电装置，该装置包括：第一螺杆膨胀发电系统；第二螺杆膨胀发电系统，其中所述第一螺杆膨胀发电系统和所述第二螺杆膨胀发电系统中的每一螺杆膨胀发电系统均包含由蒸汽驱动的螺杆膨胀机及由该螺杆膨胀机驱动的发电机，其中所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽被输入至所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机，以驱动该螺杆膨胀机；以及蒸汽母管，用于向所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输送蒸汽。
优选地，所述蒸汽母管还用于向所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输送蒸汽。
优选地，所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机为背压式螺杆膨胀机和/或凝汽式螺杆膨胀机。
优选地，所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的发电机为无刷励磁同步发电机和/或三相异步发电机。
优选地，所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽还被用于采暖或工艺再利用。
优选地，所述装置还包括自动准同期设备，用于将所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机驱动发电机发出的电进行并网。
优选地，所述装置还包括冷凝回收设备，用于将所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽冷凝回收。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种蒸汽发电系统，该系统包括：上述的蒸汽发电装置，所述装置还包括电动调节阀，用于控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的蒸汽的进气量；以及PLC控制单元，用于通过控制所述电动调节阀的打开或关闭来控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的启动或停止。
优选地，所述PLC控制单元还用于通过控制所述电动调节阀的开度来控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机的转速。
优选地，所述PLC控制单元还用于采集以下参数中的一者或多者：所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的蒸汽温度、蒸汽压力/蒸汽差压、液位、螺杆膨胀机的转速以及发电机的发电功率。
优选地，其特征在于，所述系统还包括：报警单元；所述PLC控制单元还用于在所采集的参数超出该参数对应的预定范围时，控制所述报警单元进行报警。
优选地，所述系统还包括快速切断阀，用于切断蒸汽进入所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统；在所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的发电机的发电功率出现负值，且出现该负值的时间超过预设时间时，所述PLC控制单元还用于通过控制所述快速切断阀关闭来控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统停止运行。
优选地，在所述发电功率为正值且超过最大预设值和/或在所述发电功率为负值且超过预设停机值的情况下，所述PLC控制单元还用于控制所述电动调节阀和所述快速切断阀同时关闭，以控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统立即停止运行。
优选地，所述系统还包括上位机，用于远程控制所述PLC控制单元。
通过上述技术方案，不仅可以将蒸汽中的热能转换成电能以实现对蒸汽的再利用，还避免了将蒸汽直接排放到空气中对环境造成热污染。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明的一实施例的蒸汽发电装置示意图；
图2是根据本发明的一实施例的蒸汽发电装置示意图；
图3是根据本发明的一实施例的蒸汽发电系统示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是根据本发明的一实施例的蒸汽发电装置示意图，在该实施例中，蒸汽发电装置包括：第一螺杆膨胀发电系统；第二螺杆膨胀发电系统，其中第一螺杆膨胀发电系统和第二螺杆膨胀发电系统中的每一螺杆膨胀发电系统均包含由蒸汽驱动的螺杆膨胀机及由该螺杆膨胀机驱动的发电机，其中第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽被输入至第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机，以驱动该螺杆膨胀机；以及蒸汽母管，用于向第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输送蒸汽。通过该蒸汽发电装置，可通过第一螺杆膨胀发电系统和第二螺杆膨胀发电系统对蒸汽(如富余低压饱和蒸汽，但并不限于此)进行两次利用(即梯级利用)，实现两次发电，从而将蒸汽中所含的热能尽可能转换成电能，以实现蒸汽中所含热能的再利用，从而节约了能源，同时也避免了蒸汽排放到空气中对环境造成热污染。需要说明的是，该实施例中的第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机和/或第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机可为背压式螺杆膨胀机和/或凝汽式螺杆膨胀机，但并不限于此。该实施例中的第一螺杆膨胀发电系统的发电机和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的发电机可为无刷励磁同步发电机和/或三相异步发电机，但并不限于此。
优选地，第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽还被用于采暖或工艺再利用。在该优选方式中，第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽还可在冬季被输送至居民区以为居民供暖，或者对该蒸汽进行工艺再利用，如将该蒸汽通过再次加热进行再利用，但并不限于此。通过该优选方式可使第一螺杆膨胀发电系统具有多功能性，使该第一螺杆膨胀发电系统更具有实用性。
优选地，蒸汽发电装置还包括自动准同期设备，用于将第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机驱动发电机发出的电和/或第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机驱动发电机发出的电进行并网(如并入同电压等级局域网，但并不限于此)，以实现第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统与同电压等级局域网并网并不上网。
优选地，蒸汽发电装置还包括冷凝回收设备，用于将第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽冷凝回收。在该优选方式中，可将第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的温度较低的蒸汽进行冷凝回收，回收到的水可进入循环水系统进行再次利用。另外，由于冷凝回收的水是具有商用价值的脱盐水，因此，对蒸汽的冷凝回收也会带来一定的经济收益，从而减少企业的运营成本。
优选地，蒸汽母管还用于向第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输送蒸汽，如图2所示。在该优选方式中，当第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽不足以驱动第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机，或者虽然可以驱动第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机，但是第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机对相应的发电机的驱动力较小，使得该发电机的发电功率较小时，则可通过蒸汽母管向第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输送温度和压强较高的蒸汽，以驱动第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机进行做功进而驱动相应的发动机进行发电，或者增强第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机对相应的发电机的驱动力，以提高该发电机的发电功率。在实际情况中，蒸汽母管输入到第一螺杆膨胀发电系统和第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机中的蒸汽量可为20～40t/h，蒸汽温度可为190～300℃，蒸汽压强可为1.2～1.9MPa。根据该优选方式的一实施例中，蒸汽母管输入到第一螺杆膨胀发电系统和第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机中的蒸汽量为30t/h，蒸汽温度为220℃，蒸汽压强为1.7MPa，经过第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽量为30t/h，蒸汽压强为1.7MPa，经过第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽压强为0.053MPa，蒸汽温度为83℃。
图3是根据本发明的一实施例的蒸汽发电系统示意图，在该实施例中，蒸汽发电系统除了包括上述的蒸汽发电装置外，还包括PLC控制单元。其中，蒸汽发电装置还包括电动调节阀，用于控制第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的蒸汽的进气量，PLC控制单元通过控制上述电动调节阀的打开或关闭来控制第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的启动或停止。
优选地，PLC控制单元还用于通过控制电动调节阀的开度来控制第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机的转速。由于螺杆膨胀机的转速与进入该螺杆膨胀机的蒸汽量相关，因此，可通过控制电动调节阀的开度来控制进入第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机的蒸汽量，进而控制上述螺杆膨胀机的转速。由于发电机的发电功率与驱动该发电机的螺杆膨胀机的转速相关，因此，通过控制螺杆膨胀机的转速可控制相应的发电机的发电功率。由此可知，通过该优选方式，可通过控制电动调节阀的开度来控制第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机的转速进而达到调节与螺杆膨胀机对应的发电机的发电功率的目的。
优选地，PLC控制单元还用于采集以下参数中的一者或多者：第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的蒸汽温度、蒸汽压力/蒸汽差压、液位、螺杆膨胀机的转速以及发电机的发电功率。在该优选方式中，可选用进口或者国内引进技术生产的优质的检测元件，如压力/差压、温度、液位、转速等编码器，以检测第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的蒸汽温度、蒸汽压力/蒸汽差压、液位、螺杆膨胀机的转速，并将上述检测到的参数发送到PLC控制单元，以实现对第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的工作状态的监测。为了便于观察采集的参数，PLC控制单元还可包含触摸屏，以显示上述采集的参数。此外，该触摸屏还可用于显示第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的开启和停止的状态。另外，为了监测发电机的工作状态，PLC控制单元还用于采集第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的发电机的发电功率，触摸屏还用于显示采集到的发电功率。
优选地，蒸汽发电系统还包括报警单元；PLC控制单元还用于在所采集的参数超出该参数对应的预定范围时，控制报警单元进行报警。在该优选方式中，当采集的上述参数超过预设范围时，则PLC控制单元会控制报警单元进行报警，以提醒工作人员第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统出现了异常状态，需要工作人员采取相应的措施以防止第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统发生更严重的故障。触摸屏显示装置可显示与上述参数对应的报警信号。
优选地，蒸汽发电系统还包括快速切断阀，用于切断蒸汽进入第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统；在第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的发电机的发电功率出现负值，且出现该负值的时间超过预设时间时，PLC控制单元还用于通过控制快速切断阀关闭来控制第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统停止运行。在该优选方式中，若第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的发电机的发电功率出现负值，且出现该负值的时间超过预设时间时，PLC控制单元可通过关闭快速切断阀来使第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的发电机的转速下降至同步转速以下，使该发电机自动解列，并最终停止运行，以防止第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统对同电压等级局域网产生影响。
优选地，在发电功率为正值且超过最大预设值和/或在发电功率为负值且超过预设停机值的情况下，PLC控制单元还用于控制电动调节阀和快速切断阀同时关闭，以控制第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统立即停止运行。在该优选方式中，发电功率的最大预设值和预设停机值是第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统所能承受的极限值，当发电功率超过最大预设值和预设停机值时，第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统会发生故障，此时，需要第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统进行急停操作，以使第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统立即停止运行。该急停操作包括PLC控制单元控制电动调节阀和快速切断阀同时关闭。
优选地，蒸汽发电系统还包括上位机，用于远程控制PLC控制单元。在该优选方式中，可通过上位机对PLC控制单元进行远程操控，以达到远程控制蒸汽发电系统的目的。此外，上位机还可对PLC控制单元采集的数据进行统计并存储，存储的目的是供工作人员随时进行查询。上位机还具有打印报表的功能。
需要注意的是，在本发明中，对第一螺杆膨胀发电系统和/或第二螺杆膨胀发电系统的控制方式有两种，一种是通过PLC控制系统进行的自动控制方式，一种是通过手动控制电动调节阀和/或快速切断阀等进行的手动控制方式，其中，自动控制方式与手动控制方式可进行无扰动切换。
在根据本发明的一实施例中，一甲醇厂富余低压饱和蒸汽发电系统的总投资为1582万元。目前该厂的富余低压饱和蒸汽条件为蒸汽量25-35t/h，蒸汽压强2.5MPa，蒸汽温度220℃，使用时间330天。假设第一螺杆膨胀发电系统发电功率为1500kW，自耗电功率为150kW，年平均运行时间为7920小时，第二螺杆膨胀发电系统发电功率为1500kW，自耗电功率为150kW，年平均运行时间为4320小时，电价为0.406元/度，则发电效益为：(1500-150)×7920×0.406+(1500-150)×4320×0.406≈670.874(万元)。假设减排蒸汽量为30t/h、蒸汽压强为2.5MPa的低压饱和蒸汽，蒸汽回收成脱盐水的时间与第二螺杆膨胀发电系统的年平均运行时间一致，脱盐水的价格为4.51元/t，则资源回收产生的效益为：30×4.51×4320≈58.450(万元)。综上所述，该实施例所创造的效益总共为670.874+58.450＝729.324(万元)。由此可知，通过本发明提供的技术方案，不仅减少了蒸汽排放到环境中对环境造成的热污染，实现了能源的再利用，更可以带来可观的经济效益，从而节约了生产成本。
本发明提供的蒸汽发电装置及系统不仅适用于利用工业余热进行发电，还适用于利用地热、太阳能、生物能等进行发电。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种蒸汽发电装置，其特征在于，该装置包括：
第一螺杆膨胀发电系统；
第二螺杆膨胀发电系统，
其中所述第一螺杆膨胀发电系统和所述第二螺杆膨胀发电系统中的每一螺杆膨胀发电系统均包含由蒸汽驱动的螺杆膨胀机及由该螺杆膨胀机驱动的发电机，其中所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽被输入至所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机，以驱动该螺杆膨胀机；以及
蒸汽母管，用于向所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输送蒸汽，
当所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽不足以驱动所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机，或者虽然所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽可以驱动所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机，但该第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机对相应的发电机的驱动力较小时，所述蒸汽母管还用于向所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输送蒸汽。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机为背压式螺杆膨胀机和/或凝汽式螺杆膨胀机。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的发电机为无刷励磁同步发电机和/或三相异步发电机。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽还被用于采暖或工艺再利用。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括自动准同期设备，用于将所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机驱动发电机发出的电进行并网。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括冷凝回收设备，用于将所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机输出的蒸汽冷凝回收。
7.一种蒸汽发电系统，其特征在于，该系统包括：
权利要求1-6中任一项所述的装置，所述装置还包括电动调节阀，用于控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的蒸汽的进气量；以及
PLC控制单元，用于通过控制所述电动调节阀的打开或关闭来控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的启动或停止。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述PLC控制单元还用于通过控制所述电动调节阀的开度来控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的螺杆膨胀机的转速。
9.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述PLC控制单元还用于采集以下参数中的一者或多者：所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的蒸汽温度、蒸汽压力/蒸汽差压、液位、螺杆膨胀机的转速以及发电机的发电功率。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
报警单元；
所述PLC控制单元还用于在所采集的参数超出该参数对应的预定范围时，控制所述报警单元进行报警。
11.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，
所述系统还包括快速切断阀，用于切断蒸汽进入所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统；
在所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统的发电机的发电功率出现负值，且出现该负值的时间超过预设时间时，所述PLC控制单元还用于通过控制所述快速切断阀关闭来控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统停止运行。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在所述发电功率为正值且超过最大预设值和/或在所述发电功率为负值且超过预设停机值的情况下，所述PLC控制单元还用于控制所述电动调节阀和所述快速切断阀同时关闭，以控制所述第一螺杆膨胀发电系统和/或所述第二螺杆膨胀发电系统立即停止运行。
13.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括上位机，用于远程控制所述PLC控制单元。
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