CN106224023B - 一种联合循环间接空冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种联合循环间接空冷系统，包括空冷岛和凝汽器，空冷岛的出口端通过工质泵连接至凝汽器的工质入口端，凝汽器的工质出口端连接至工质透平，工质透平的出口端连接至空冷岛的入口端；凝汽器的蒸汽入口端连接有主汽轮机，主汽轮机的入口端连接有主蒸汽管道，主汽轮机的功率输出轴上连接有主发电机，工质透平的功率输出轴上连接有辅发电机，凝汽器的凝结水出口端通过凝结水泵连接至凝结水管道，工质透平的出口端与空冷岛的入口端之间设有工质罐。本发明能够更高效、环保、可靠地利用高寒地区的冷源优势以降低空冷机组的煤耗率。

Description

一种联合循环间接空冷系统
技术领域
本发明属于机械工程和低温余热回收领域，涉及一种新型高效空冷燃煤发电系统，具体涉及一种联合循环间接空冷系统。
背景技术
“富煤、贫油、少气”的能源特点决定了中国以煤为主的一次能源生产和消费格局在较长时间内不会改变。近年来，尽管核电、风电、太阳能发电的比重不断提高，但燃煤发电仍是我国电力生产的绝对主力。截至2015年底，其装机容量达到9.9亿千瓦，发电量占2015年总发电量的73.1％。然而，由于我国煤炭资源和水资源的分布极不均衡，在煤炭资源丰富的西北部广大地区，如内蒙古、山西、陕西、宁夏、新疆等，水资源却极其匮乏，使得更节水的空冷发电技术成为当前燃煤发电建设中的热点。据统计，截至2015年1月，空冷机组装机容量已经达到2.17亿kW，占火电装机总量的22％，是2010年1月时的2.43倍。根据中国电力中长期规划以及专家的预测，我国燃煤发电的最高装机量将达到13.6亿千瓦，其中新增部分以大型空冷机组为主。对于如此大规模且快速发展的空冷燃煤发电机组，在节能减排技术上的任何进步都将带来巨大的经济效益和社会效益。
目前国内外电站空冷系统可分为两大类：直接空冷系统和间接空冷系统；后者又分为采用混合式凝汽器的间接空冷系统(海勒式)和采用表面式凝汽器的间接空冷系统(哈蒙式)。
直接空冷系统是指直接利用机械通风使汽轮机排汽在表面式换热器内冷凝的电站系统，如附图1所示，具有设备少，系统简单，占地面积少，系统调节灵活等优点，但也存在诸多问题：第一，直接空冷机组的背压受环境温度的影响较大，约在7kPa～50kPa范围内变化；第二，为了避免冬季凝结水局部结冰，部分严寒地区甚至要求机组冬季背压在20kPa以上；第三，空冷凝汽器的性能受环境风，特别是热风回流的影响较大，可使真空降低5～20kPa；第四，空冷岛换热效果差，使直接空冷机组的运行背压高出湿冷机组3倍以上；第五，汽轮机末级变工况性能差，远离设计点的低背压运行并不能降低机组煤耗率。因此，尽管大型空冷燃煤发电机组大多工作在降水较少的高寒地区，但受上述各因素的综合影响，即使在寒冷的冬季，空冷机组仍然需要高背压运行，无法充分利用低温环境来提高机组的循环效率，导致其煤耗率比同参数、同容量湿冷机组高15～25g/kWh。
与直接空冷相比，间接空冷系统具有汽轮机排汽管路压损小、凝汽器换热端差小、无热风回流和无凝汽器管束结垢等优点，使机组年平均背压比直接空冷机组低2kPa以上，煤耗率降低约4g/kWh，但由于没有从根本上解决机组背压随环境温度波动以及为避免冷却水结冰而提高机组背压等关键问题，导致其煤耗率仍然远高于湿冷机组，并没有摆脱空冷机组“以煤换水”的物理本质。
已有统计资料表明，我国大多数大型空冷燃煤电厂的非夏季平均气温在15℃以下，其中，0℃以下的天数约占30～50％，最低可达-20～-35℃。如何更高效、环保、可靠地利用高寒地区的冷源优势以降低空冷机组的煤耗率已成为热点问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种联合循环间接空冷系统，以克服上述现有技术存在的缺陷，本发明能够更高效、环保、可靠地利用高寒地区的冷源优势以降低空冷机组的煤耗率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种联合循环间接空冷系统，包括空冷岛和凝汽器，空冷岛的出口端通过工质泵连接至凝汽器的工质入口端，凝汽器的工质出口端连接至工质透平，工质透平的出口端连接至空冷岛的入口端；凝汽器的蒸汽入口端连接有主汽轮机，主汽轮机的入口端连接有主蒸汽管道，主汽轮机的功率输出轴上连接有主发电机，工质透平的功率输出轴上连接有辅发电机，凝汽器的凝结水出口端通过凝结水泵连接至凝结水管道，工质透平的出口端与空冷岛的入口端之间设有工质罐。
进一步地，工质罐的出口处连接有工质压力调节装置。
进一步地，工质罐中为液体工质，所述液体工质为CO2、NH3、R600、R600a、R134a、丙烷、异戊烷或正戊烷。
进一步地，工质透平的出口端还通过入口管路连接至低压工质透平，低压工质透平的出口端通过出口管路连接至空冷岛的入口端，低压工质透平的功率输出轴通过离合器连接至工质透平的功率输出轴，入口管路的入口端与出口管路的出口端之间设有控制阀V1，入口管路上设有控制阀V2，出口管路上设有控制阀V3。
进一步地，当环境温度大于等于预设温度A时，控制阀V1开启，控制阀V2和控制阀V3关闭；当环境温度小于预设温度A时，控制阀V1关闭，控制阀V2和控制阀V3开启。
进一步地，空冷岛的出口端与凝汽器的工质入口端之间还设有循环风机，且循环风机与工质泵并联设置，循环风机的两端分别设有控制阀V6和控制阀V8，工质泵的两端分别设有控制阀V7和控制阀V9；工质透平的两端分别设有控制阀V1和控制阀V4，且控制阀V1的出口端和控制阀V4的入口端之间连接有直流管路，直流管路上设有控制阀V5。
进一步地，当环境温度小于预设温度B时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7和控制阀V9开启，控制阀V5、控制阀V6和控制阀V8关闭；当环境温度大于等于预设温度B时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7和控制阀V9关闭，控制阀V5、控制阀V6和控制阀V8开启。
进一步地，凝汽器的工质出口端与控制阀V4的入口端之间设有换热器，换热器的入口端通过蒸汽管道连接至主汽轮机的出口端，换热器的出口端通过管道连接至凝汽器的蒸汽入口端，且蒸汽管道上设有控制阀V10。
进一步地，当环境温度小于预设温度C时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7和控制阀V9开启，控制阀V5、控制阀V6、控制阀V8和控制阀V10关闭；当环境温度大于等于预设温度C而小于等于预设温度D时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7、控制阀V9和控制阀V10开启，控制阀V5、控制阀V6和控制阀V8关闭；当环境温度大于预设温度D时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7、控制阀V9和控制阀V10关闭，控制阀V5、控制阀V6和控制阀V8开启。
进一步地，主汽轮机上还连接有供热蒸汽管道。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明针对已有研究中存在的问题，提出以高背压运行的水蒸汽朗肯循环为上位循环，以低冰点工质空冷朗肯循环为下位循环来解决空冷机组凝结水或冷却水结冰、冷端损失大等一系列问题，充分利用高寒地区的低温环境来提高空冷燃煤机组的循环效率，大幅度降低煤耗率。据分析，若空冷岛的工质冷凝温度为0℃，所述联合循环的综合煤耗率将比常规空冷机组降低22g/kWh左右，具有巨大的经济效益和广阔的应用前景。
附图说明
图1是常规空冷系统示意图；
图2是实施例一的空冷系统示意图；
图3是实施例二的空冷系统示意图；
图4是实施例三的空冷系统示意图；
图5是实施例四的空冷系统示意图；
图6是实施例五的空冷系统示意图。
其中，1.主汽轮机；2.主发电机；3.凝汽器；4.凝结水泵；5.工质透平；6.辅发电机；7.空冷岛；8.工质泵；9.工质罐；10.工质压力调节装置；11.离合器；12.低压工质透平；13.循环风机；14.换热器，P1.主蒸汽管道；P2.凝结水管道；P3.供热蒸汽管道，V1～V10是控制阀。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图2至图6，一种用于大型燃煤电厂的联合循环间接空冷系统，所述系统是以高背压运行的水蒸汽朗肯循环为上位循环，以低冰点工质空冷朗肯循环为下位循环，组成高效联合循环系统，相当于将燃煤机组的冷源温度降低到接近环境温度，电厂的热功转换效率将大幅度提高。
所述循环系统的工作流程是：来自空冷岛7的液体工质经工质泵8增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，工质在凝汽器3内吸热后蒸发，进入特种工质透平5膨胀做功，并驱动辅发电机6发电，辅发电机产生的电能可以进入厂用电系统，也可以进入电网，其乏气进入空冷岛7对大气放热冷凝，完成一个循环。由于充分利用了低冰点工质的高密度、低流阻等特性，不仅循环系统简单、设备紧凑，而且具有非常优良的热力性能。
所述低冰点工质的熔点远低于环境温度，在极寒天气也不会自然凝固，并且满足环保性、安全性、经济性等要求。根据上述条件，筛选出以下8种工质：CO2、NH3、R600、R600a、R134a、丙烷、异戊烷和正戊烷。
所述主汽轮机高背压运行，主汽轮机的运行背压是在考虑各种因素影响的情况下对联合循环热力系统进行集成优化后确定的；一般情况下，其远高于湿冷机组的背压，甚至高于常规空冷机组的背压。另外，环境温度变化对热力系统的影响主要由下位循环承担，但主汽轮机排汽背压可以在不显著降低低压缸效率的范围内随工质透平排气压力浮动。正是由于主汽轮机排汽背压高、波动范围小，不仅降低了末级叶栅的设计难度，而且提高了机组的变工况性能。
下面对本发明的实施过程作进一步详细说明：
实施例一
一种用于大型燃煤电厂的联合循环间接空冷系统，如附图2所示。所述系统是以高背压运行的水蒸汽朗肯循环为上位循环，以低冰点工质空冷朗肯循环为下位循环，组成高效联合循环系统，相当于将燃煤机组的冷源温度降低到接近环境温度。
所述循环系统主要包括主汽轮机1、主发电机2、凝汽器3、凝结水泵4、工质透平5、辅发电机6、空冷岛7、工质泵8、工质罐9和工质压力调节装置10。
所述循环系统的工作流程是：来自空冷岛的液体工质经工质泵8增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，工质在凝汽器内吸热后蒸发，进入特种工质透平5膨胀做功，并驱动辅发电机6发电，其乏气进入空冷岛7对大气放热冷凝，完成一个循环。工质罐9和工质压力调节装置10主要用于调控下位朗肯循环系统的工质量以满足各种工况的需求。
所述联合循环系统的冷却介质可以选择临界温度高于最高环境温度的工质，以确保下位朗肯循环在夏季工况也能正常运行。
实施例二
一种用于大型燃煤电厂的联合循环间接空冷系统，如附图3所示。所述系统是以高背压运行的水蒸汽朗肯循环为上位循环，以低冰点工质空冷朗肯循环为下位循环，组成高效联合循环系统，相当于将燃煤机组的冷源温度降低到接近环境温度。
所述循环系统主要包括主汽轮机1、主发电机2、凝汽器3、凝结水泵4、工质透平5、辅发电机6、空冷岛7、工质泵8、工质罐9、工质压力调节装置10、离合器11和低压工质透平12，以及控制阀V1、V2、V3。
所述循环系统的工作流程是：来自空冷岛7的液体工质经工质泵8增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，工质在凝汽器内吸热后蒸发；在环境温度高于或等于设定温度A时，打开控制阀V1，关闭控制阀V2、V3，离合器11处于分离状态，高压工质蒸汽进入特种工质透平5膨胀做功，并驱动辅发电机6发电，其乏气进入空冷岛7对大气放热冷凝，完成一个循环；在环境温度低于设定温度A时，关闭控制阀V1，打开控制阀V2、V3，离合器11处于接合状态，高压工质蒸汽依次进入特种工质透平5和低压工质透平12膨胀做功，共同驱动辅发电机6发电，其乏气进入空冷岛对大气放热冷凝，完成一个循环。工质罐9和工质压力调节装置10主要用于调控下位朗肯循环系统的工质量以满足各种工况的需求。
所述设定温度A是指经过联合循环热力系统集成优化后的仅采用工质透平5与同时采用工质透平5和低压工质透平12的最佳切换温度，其值主要受所选工质、环境温度的变化规律、工质透平的设计点参数等因素的影响。
所述联合循环系统的冷却介质可以选择临界温度高于最高环境温度的工质，以确保下位朗肯循环在夏季工况也能正常运行。由于本实施例的下位循环系统采用单透平-双透平两种运行模式，其变工况性能优于实施例一，但结构比实施例一复杂。另外，本实施例的单透平-双透平两种模式同样适用于其它实施例，任何未脱离本发明特征与思路的等效实施或者变更，均属于本发明专利的权利要求范围。
实施例三
一种用于大型燃煤电厂的联合循环间接空冷系统，如附图4所示。所述系统是以高背压运行的水蒸汽朗肯循环为上位循环，以低冰点工质空冷朗肯循环为下位循环，组成高效联合循环系统，相当于将燃煤机组的冷源温度降低到接近环境温度。
所述循环系统主要包括主汽轮机1、主发电机2、凝汽器3、凝结水泵4、特种工质透平5、辅发电机6、空冷岛7、工质泵8、工质罐9、工质压力调节装置10和循环风机13，以及控制阀V1、V4、V5、V6、V7、V8、V9。
所述循环系统的工作流程是：在环境温度低于设定温度B时，打开控制阀V1、V4、V7、V9，关闭控制阀V5、V6、V8，来自空冷岛的液体工质经工质泵8增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，工质在凝汽器内吸热后蒸发，高压工质蒸汽进入特种工质透平5膨胀做功，并驱动辅发电机6发电，其乏气进入空冷岛对大气放热冷凝，完成一个朗肯循环。在环境温度高于或等于设定温度B时，关闭控制阀V1、V4、V7、V9，打开控制阀V5、V6、V8，来自空冷岛的工质经循环风机13增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，吸热升温后的工质直接进入空冷岛对大气放热，完成一个纯间冷循环。工质罐9和工质压力调节装置10主要用于调控下位朗肯循环系统的工质量以满足各种工况的需求。
所述设定温度B是指经过联合循环热力系统集成优化后的朗肯循环-纯间冷循环两种运行模式最佳切换温度，其值主要受所选工质、环境温度的变化规律、工质透平的设计点参数等因素的影响。
所述联合循环系统冷却介质的选择不受工质临界温度的限制，但设定温度应低于工质临界温度，以确保下位朗肯循环的正常运行。本实施例的朗肯循环-纯间冷循环两种模式同样适用于其它实施例，任何未脱离本发明特征与思路的等效实施或者变更，均属于本发明专利的权利要求范围。
实施例四
一种用于大型燃煤电厂的联合循环间接空冷系统，如附图5所示。所述系统是以高背压运行的水蒸汽朗肯循环为上位循环，以低冰点工质空冷朗肯循环为下位循环，组成高效联合循环系统，相当于将燃煤机组的冷源温度降低到接近环境温度。
所述循环系统主要包括主汽轮机1、主发电机2、凝汽器3、凝结水泵4、特种工质透平5、辅发电机6、空冷岛7、工质泵8、工质罐9、工质压力调节装置10、循环风机13和换热器14，以及控制阀V1、V4、V5、V6、V7、V8、V9、V10。
所述循环系统的工作流程是：在环境温度低于设定温度C时，打开控制阀V1、V4、V7、V9，关闭控制阀V5、V6、V8、V10，来自空冷岛的液体工质经工质泵8增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，工质在凝汽器内吸热后蒸发，高压工质蒸汽进入特种工质透平5膨胀做功，并驱动辅发电机6发电，其乏气进入空冷岛对大气放热冷凝，完成一个无回热抽汽辅助加热的朗肯循环。在环境温度高于或等于设定温度C但低于或等于设定温度D时，打开控制阀V1、V4、V7、V9、V10，关闭控制阀V5、V6、V8，来自空冷岛的液体工质经工质泵8增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，工质在凝汽器内吸热后蒸发，并进一步在换热器14内吸热升温，然后进入特种工质透平5膨胀做功，并驱动辅发电机6发电，其乏气进入空冷岛对大气放热冷凝，完成一个带回热抽汽辅助加热的朗肯循环。在环境温度高于设定温度D时，关闭控制阀V1、V4、V7、V9、V10，打开控制阀V5、V6、V8，来自空冷岛的工质经循环风机13增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，吸热升温后的工质直接进入空冷岛对大气放热，完成一个纯间冷循环。工质罐9和工质压力调节装置10主要用于调控下位朗肯循环系统的工质量以满足各种工况的需求。
所述设定温度C是指经过联合循环热力系统集成优化后的有/无回热抽汽辅助加热的最佳切换温度，设定温度D是指经过联合循环热力系统集成优化后朗肯循环-纯间冷循环两种运行模式的最佳切换温度，其值主要受所选工质、环境温度的变化规律、工质透平的设计点参数等因素的影响。
所述联合循环系统冷却介质的选择不受工质临界温度的限制，但设定温度2应低于工质临界温度，以确保下位朗肯循环的正常运行。本实施例的有/无回热抽汽辅助加热两种模式以及朗肯循环-纯间冷循环两种模式同样适用于其它实施例，也可以利用锅炉烟气直接或通过中间介质辅助加热工质，任何未脱离本发明特征与思路的等效实施或者变更，均属于本发明专利的权利要求范围。
实施例五
一种用于大型燃煤电厂的联合循环间接空冷系统，如附图6所示。所述系统是以高背压运行的水蒸汽朗肯循环为上位循环，以低冰点工质空冷朗肯循环为下位循环，组成高效联合循环系统，相当于将燃煤机组的冷源温度降低到接近环境温度。
所述循环系统主要包括主汽轮机1、主发电机2、凝汽器3、凝结水泵4、特种工质透平5、辅发电机6、空冷岛7、工质泵8、工质罐9和工质压力调节装置10。
所述循环系统的工作流程是：主汽轮机排汽压力(温度)由供热蒸汽管道P3的供热参数决定，来自空冷岛的液体工质经工质泵8增压后进入凝汽器3，用于冷凝主汽轮机1的乏汽，工质在凝汽器内吸热后蒸发，进入特种工质透平5膨胀做功，并驱动辅发电机6发电，其乏气进入空冷岛对大气放热冷凝，完成一个朗肯循环。工质罐9和工质压力调节装置10主要用于调控下位朗肯循环系统的工质量以满足各种工况的需求。
所述联合循环系统的冷却介质可以选择临界温度高于最高环境温度的工质，以确保下位朗肯循环在夏季工况也能正常运行。
所述联合循环系统在冬季供热时主汽轮机排入凝汽器3的乏汽量和下位循环的工质量同步减少，空冷岛7的冷凝压力也随环境温度的降低而降低，因此参数匹配性优于实施例一。本实施例的相关特征与思路同样适用于其它实施例，仍然属于本发明专利的等效实施或者变更。

Claims (9)

1.一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，包括空冷岛(7)和凝汽器(3)，空冷岛(7)的出口端通过工质泵(8)连接至凝汽器(3)的工质入口端，凝汽器(3)的工质出口端连接至工质透平(5)，工质透平(5)的出口端连接至空冷岛(7)的入口端；凝汽器(3)的蒸汽入口端连接有主汽轮机(1)，主汽轮机(1)的入口端连接有主蒸汽管道(P1)，主汽轮机(1)的功率输出轴上连接有主发电机(2)，工质透平(5)的功率输出轴上连接有辅发电机(6)，凝汽器(3)的凝结水出口端通过凝结水泵(4)连接至凝结水管道(P2)，工质透平(5)的出口端与空冷岛(7)的入口端之间设有工质罐(9)，工质罐(9)的出口处连接有工质压力调节装置(10)。
2.根据权利要求1所述的一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，工质罐(9)中为液体工质，所述液体工质为CO2、NH3、R600、R600a、R134a、丙烷、异戊烷或正戊烷。
3.根据权利要求1所述的一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，工质透平(5)的出口端还通过入口管路连接至低压工质透平(12)，低压工质透平(12)的出口端通过出口管路连接至空冷岛(7)的入口端，低压工质透平(12)的功率输出轴通过离合器(11)连接至工质透平(5)的功率输出轴，入口管路的入口端与出口管路的出口端之间设有控制阀V1，入口管路上设有控制阀V2，出口管路上设有控制阀V3。
4.根据权利要求3所述的一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，当环境温度大于等于预设温度A时，控制阀V1开启，控制阀V2和控制阀V3关闭；当环境温度小于预设温度A时，控制阀V1关闭，控制阀V2和控制阀V3开启。
5.根据权利要求1所述的一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，空冷岛(7)的出口端与凝汽器(3)的工质入口端之间还设有循环风机(13)，且循环风机(13)与工质泵(8)并联设置，循环风机(13)的两端分别设有控制阀V6和控制阀V8，工质泵(8)的两端分别设有控制阀V7和控制阀V9；工质透平(5)的两端分别设有控制阀V1和控制阀V4，且控制阀V1的出口端和控制阀V4的入口端之间连接有直流管路，直流管路上设有控制阀V5。
6.根据权利要求5所述的一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，当环境温度小于预设温度B时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7和控制阀V9开启，控制阀V5、控制阀V6和控制阀V8关闭；当环境温度大于等于预设温度B时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7和控制阀V9关闭，控制阀V5、控制阀V6和控制阀V8开启。
7.根据权利要求5所述的一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，凝汽器(3)的工质出口端与控制阀V4的入口端之间设有换热器(14)，换热器(14)的入口端通过蒸汽管道连接至主汽轮机(1)的出口端，换热器(14)的出口端通过管道连接至凝汽器(3)的蒸汽入口端，且蒸汽管道上设有控制阀V10。
8.根据权利要求7所述的一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，当环境温度小于预设温度C时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7和控制阀V9开启，控制阀V5、控制阀V6、控制阀V8和控制阀V10关闭；当环境温度大于等于预设温度C而小于等于预设温度D时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7、控制阀V9和控制阀V10开启，控制阀V5、控制阀V6和控制阀V8关闭；当环境温度大于预设温度D时，控制阀V1、控制阀V4、控制阀V7、控制阀V9和控制阀V10关闭，控制阀V5、控制阀V6和控制阀V8开启。
9.根据权利要求1所述的一种联合循环间接空冷系统，其特征在于，主汽轮机(1)上还连接有供热蒸汽管道(P3)。
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