CN107060928A - 一种利用工艺余热供应电能和热能的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用工艺余热供应电能和热能的系统和方法。现在还没有一种能够有效使用尿素工艺余热发电和供应生活热水从而回收工艺余热的系统和方法。本发明包括工艺冷却塔，其特点是：还包括工艺冷却水热交换器、二类热泵、小汽轮机和发电机，工艺冷却水排出管道与工艺冷却水热交换器连接以便加热中温水，工艺冷却水热交换器通过中温水进水管道与二类热泵驱动连接以便驱动二类热泵工作，二类热泵通过高品质蒸汽管道与小汽轮机连接以便驱动小汽轮机运转，小汽轮机通过传动装置与发电机连接以便驱动发电机输出电能。本发明的能源利用效率高，经济效益好，能够有效满足尿素工厂的生产生活用能需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用工艺余热供应电能和热能的系统和方法，是一种能够将低品位工艺废热用来发电的系统，属于余热发电技术领域。
背景技术
尿素生产过程中某些工艺需要进行冷却，冷却水的温度可以高达95℃左右，利用这部分废热驱动溴化锂制冷机生产冷冻水的技术手段已经在部分工厂应用，但是利用这部分热量生产更高品质蒸汽的方法还未见介绍，如公开日为2011年09月21日，公开号为CN102191957A的中国专利中，公开的联合循环热电联产设备及工艺也难以实现这样的功能。
第二类热泵又被称为升温型热泵，是回收利用低温热源的热能，制取所需要的工艺或采暖用高温热媒，实现从低温向高温输送热能的设备。热泵设备通过吸收器中的吸收放热过程对中温介质进行加热，可以制取175℃以下的高温热水或蒸汽。
小汽轮机又称为低压汽轮机，是使用压力低于1.5MPa的蒸汽作为驱动能源驱动叶片旋转的机器。在燃煤电厂中就有使用小汽轮机驱动给水泵的应用，也有厂家专门给热网循环水泵提供驱动用的小汽轮机，最低进汽参数压力可低至0.3MPa。小型汽轮机结构简单、运行可靠，将低压蒸汽通过小汽轮机转化为机械能是一个很有益的运用。
发电机是利用电磁感应原理进行发电的一种机器，能够将水轮机、汽轮机等提供的机械能转化成电能，而电能是一种品质高、适用范围广、运输距离长的能量，可广泛应用在生产生活中的各个方面。
现今工商业水处理生产环节多采用反渗透处理技术，反渗透膜的最佳工作温度为25-35℃之间，温度太低则出水率下降，温度太高则容易损坏反渗透膜，将需要处理的原水控制在适宜温度，则不仅能增加出水率，还能延长设备使用寿命。
从原料进厂至成品出厂之间存在较多的尿素生产工艺环节，需要大量的操作人员进行作业，采用专用热水燃煤锅炉或蒸汽加热的方式，既浪费能源，也会给工厂增加一笔不小的开支。
现在还没有一种结构设计合理，使用方便，能够有效使用尿素工艺余热发电和供应生活热水从而回收工艺余热的系统。
发明内容
本发明能综合现有各类有效技术，提供一种既能充分利用尿素工艺生产余热，又能提供电能和生活热水，减少热污染，提高系统稳定性，提升系统经济效益的利用工艺余热供应电能和热能的系统和方法。本发明第一充分利用了尿素工艺生产余热，减少了对环境的热污染；第二装设了冷却水旁路，对整个系统安全连续运行提供可靠保障；第三能够利用余热向外输出电能，实现了能源的低品高用；第四能够利用系统的废热供应生活热水，减少了生产成本，增加了企业效益；第五能够根据温度或液位等数据进行阀门的自动启闭作业，自动化程度高，可靠性好。本发明的利用工艺余热供应电能和热能的系统能源利用效率高，经济效益好，能够有效满足尿素工厂的生产生活用能需求。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该利用工艺余热供应电能和热能的系统包括工艺冷却塔，其结构特点在于：还包括工艺冷却水排出管道、工艺冷却水热交换器、工艺冷却水流入管道、温度测控装置、中温水进水管道、二类热泵、中温水出水管道、高品质蒸汽管道、小汽轮机、低品质蒸汽管道、传动装置、发电机、余热利用阀门、余热利用热交换器、余热废水回流管道、热泵冷却水进入管道、热泵冷却水排出管道、热泵冷却水旁通阀、净水装置、热水罐和液位测控装置，所述工艺冷却塔的冷却水出口通过工艺冷却水排出管道与工艺冷却水热交换器的高温侧进口连接，所述工艺冷却水热交换器的高温侧出口通过工艺冷却水流入管道与工艺冷却塔的冷却水进口连接，所述温度测控装置安装在工艺冷却水流入管道上，所述工艺冷却水热交换器的低温侧出口通过中温水进水管道与二类热泵的驱动热源进入端口连接，所述二类热泵的驱动热源排出端口通过中温水出水管道与工艺冷却水热交换器的低温侧进口连接，所述二类热泵的吸收器出口通过高品质蒸汽管道与小汽轮机的蒸汽入口连接，所述小汽轮机的蒸汽出口通过低品质蒸汽管道与二类热泵的吸收器进口连接；所述小汽轮机的动能出口通过传动装置与发电机连接；所述余热利用阀门的进口通过管道和工艺冷却水排出管道连接，所述余热利用阀门的出口与余热利用热交换器的高温侧进口连接，所述余热利用热交换器的高温侧出口通过余热废水回流管道与工艺冷却塔的余热废水进口连接，所述热泵冷却水进入管道与二类热泵中的冷凝器进口连接，所述二类热泵中的冷凝器出口与热泵冷却水排出管道连接，所述热泵冷却水旁通阀的进口通过管路和热泵冷却水排出管道连接，所述热泵冷却水旁通阀的出口与净水装置的进口连接，所述净水装置的出口与余热利用热交换器的低温侧进口连接，所述余热利用热交换器的低温侧出口与热水罐的进口连接，所述热水罐上安装有液位测控装置。
作为优选，本发明还包括工艺冷却水旁通阀和工艺冷却水旁通管路，所述工艺冷却水旁通阀的进口通过管路和工艺冷却水排出管道连接，所述工艺冷却水旁通阀的出口与工艺冷却水旁通管路连接。
作为优选，本发明所述工艺冷却水旁通阀为安全控制阀，能够根据温度测控装置的控制进行启闭作业。
作为优选，本发明所述余热利用阀门和冷却水旁通阀为受控电动阀，能够根据液位测控装置的指令进行自动启闭作业。
作为优选，本发明所述工艺冷却水热交换器和余热利用热交换器均为氟塑料热交换器。
作为优选，本发明所述净水装置为利用反渗透原理的净水装置。
作为优选，本发明所述热水罐为保温型热水罐。
一种使用所述的系统进行利用工艺余热供应电能和热能的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：
（1）当工艺冷却塔开始工作时，工艺冷却水流入工艺冷却水热交换器进行降温，随后返回工艺冷却塔完成冷却循环，同时在工艺冷却水热交换器中吸热后的中温水驱动二类热泵制取蒸汽，降温后的中温水流入工艺冷却水热交换器继续吸收热量完成循环，二类热泵制取的蒸汽进入小汽轮机工作后返回二类热泵继续吸热完成蒸汽工作循环，小汽轮机受蒸汽驱动对发电机输出机械能，发电机受到驱动后向外输出电能，热泵冷却水流入二类热泵后再流出，完成对二类热泵的冷却，此时工艺冷却水旁通阀、余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀均处于关闭状态；
（2）当二类热泵处于故障或需要检修时，打开工艺冷却水旁通阀，工艺冷却水进入外部系统进行冷却，保证尿素工艺不会受二类热泵的工作状态影响；当温度测控装置检测到流入工艺冷却塔的工艺冷却水温度高于上限设定值时，温度测控装置能够发出信号打开工艺冷却水旁通阀，温度低于下限设定值时，则关闭工艺冷却水旁通阀，既能保证尿素工艺系统安全可靠工作，又能保证二类热泵有合格的驱动热源；
（3）当热水罐需要补水时，由人工打开余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀，工艺冷却水流入余热利用热交换器换热后返回工艺冷却塔，热泵冷却水经二类热泵吸收热量后部分进入净水装置进行水质处理，再送入余热利用热交换器继续升温，随后进入热水罐完成补水，补水完成后再关闭余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀；或者，由液位测控装置测量热水罐中的液位，当液位低于下限设定值时，打开余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀，当液位高于上限设定值时，关闭余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀，自动控制生活热水的生产。
作为优选，本发明工艺冷却水从工艺冷却塔排出，进入工艺冷却水热交换器后返回工艺冷却塔形成高品质余热利用循环通道；工艺冷却水从工艺冷却塔排出，通过工艺冷却水旁通阀流入工艺冷却水旁通管路形成工艺冷却水旁通通道；工艺冷却水从工艺冷却塔排出，通过余热利用阀门进入余热利用热交换器，随后返回工艺冷却塔形成低品质余热利用循环通道；中温水从冷却水热交换器流出后进入二类热泵，随后返回冷却水热交换器形成热泵驱动热源循环通道；蒸汽从二类热泵流出，进入小汽轮机后返回二类热泵形成蒸汽循环通道；动能从小汽轮机输出到发电机形成机械能输出通道；热泵冷却水进入二类热泵后流出形成热泵冷却水通道；热泵冷却水从二类热泵中流出后通过热泵冷却水旁通阀进入净水装置，随后进入余热利用热交换器，再进入热水罐形成生活热水制备通道。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：（1）充分利用了尿素工艺生产余热，减少了对环境的热污染；（2）装设了冷却水旁路，对整个系统安全连续运行提供可靠保障；（3）能够利用余热向外输出电能，实现了能源的低品高用；（4）能够利用系统的废热供应生活热水，减少了生产成本，增加了企业效益；（5）能够根据温度或液位等数据进行阀门的自动启闭作业，自动化程度高，可靠性好；（6）结构设计合理，构思独特，运行平稳，可靠性好。
附图说明
图1是本发明实施例中利用工艺余热供应电能和热能的系统的结构示意图。
图中：1、工艺冷却塔；2、工艺冷却水排出管道；3、工艺冷却水热交换器；4、工艺冷却水流入管道；5、温度测控装置；6、中温水进水管道；7、二类热泵；8、中温水出水管道；9、高品质蒸汽管道；10、小汽轮机；11、低品质蒸汽管道；12、传动装置；13、发电机；14、工艺冷却水旁通阀；15、工艺冷却水旁通管路；16、余热利用阀门；17、余热利用热交换器；18、余热废水回流管道；19、热泵冷却水进入管道；20、热泵冷却水排出管道；21、热泵冷却水旁通阀；22、净水装置；23、热水罐；24、液位测控装置。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例。
参见图1，本实施例中的利用工艺余热供应电能和热能的系统包括工艺冷却塔1、工艺冷却水排出管道2、工艺冷却水热交换器3、工艺冷却水流入管道4、温度测控装置5、中温水进水管道6、二类热泵7、中温水出水管道8、高品质蒸汽管道9、小汽轮机10、低品质蒸汽管道11、传动装置12、发电机13、工艺冷却水旁通阀14、工艺冷却水旁通管路15、余热利用阀门16、余热利用热交换器17、余热废水回流管道18、热泵冷却水进入管道19、热泵冷却水排出管道20、热泵冷却水旁通阀21、净水装置22、热水罐23和液位测控装置24。其中，工艺冷却水旁通阀14、余热利用阀门16和热泵冷却水旁通阀21可以为受控电动阀，工艺冷却水热交换器3和余热利用热交换器17可以为氟塑料热交换器，净水装置22可以为利用反渗透原理的净水装置，热水罐23可以为保温型热水罐。
本实施例中工艺冷却塔1的冷却水出口通过工艺冷却水排出管道2与工艺冷却水热交换器3的高温侧进口连接，工艺冷却水热交换器3的高温侧出口通过工艺冷却水流入管道4与工艺冷却塔1的冷却水进口连接，温度测控装置5安装在工艺冷却水流入管道4上，工艺冷却水热交换器3的低温侧出口通过中温水进水管道6与二类热泵7的驱动热源进入端口连接，二类热泵7的驱动热源排出端口通过中温水出水管道8与工艺冷却水热交换器3的低温侧进口连接，二类热泵7的吸收器出口通过高品质蒸汽管道9与小汽轮机10的蒸汽入口连接，小汽轮机10的蒸汽出口通过低品质蒸汽管道11与二类热泵7的吸收器进口连接。
本实施例中小汽轮机10的动能出口通过传动装置12与发电机13连接。
本实施例中工艺冷却水排出管道2还与工艺冷却水旁通阀14的进口连接，工艺冷却水旁通阀14的出口与工艺冷却水旁通管路15连接。
本实施例中工艺冷却水排出管道2还与余热利用阀门16的进口连接，余热利用阀门16的出口与余热利用热交换器17的高温侧进口连接，余热利用热交换器17的高温侧出口通过余热废水回流管道18与工艺冷却塔1的余热废水进口连接，热泵冷却水进入管道19与二类热泵7中的冷凝器进口连接，二类热泵7中的冷凝器出口与热泵冷却水排出管道20连接，热泵冷却水排出管道20还与热泵冷却水旁通阀21的进口连接，热泵冷却水旁通阀21的出口与净水装置22的进口连接，净水装置22的出口与余热利用热交换器17的低温侧进口连接，余热利用热交换器17的低温侧出口与热水罐23进口连接，热水罐23上装设液位测控装置24。
本实施例中的利用工艺余热供应电能和热能的系统包括以下通道：工艺冷却水从工艺冷却塔1排出，进入工艺冷却水热交换器3后返回工艺冷却塔1形成高品质余热利用循环通道；工艺冷却水从工艺冷却塔1排出，通过工艺冷却水旁通阀14流入工艺冷却水旁通管路15形成工艺冷却水旁通通道；工艺冷却水从工艺冷却塔1排出，通过余热利用阀门16进入余热利用热交换器17，随后返回工艺冷却塔1形成低品质余热利用循环通道；中温水从冷却水热交换器3流出后进入二类热泵7，随后返回冷却水热交换器3形成热泵驱动热源循环通道；蒸汽从二类热泵7流出，进入小汽轮机10后返回二类热泵7形成蒸汽循环通道；动能从小汽轮机10输出到发电机13形成机械能输出通道；热泵冷却水进入二类热泵7后流出形成热泵冷却水通道；热泵冷却水从二类热泵7中流出后通过热泵冷却水旁通阀21进入净水装置22，随后进入余热利用热交换器17，再进入热水罐23形成生活热水制备通道。
本实施例中的利用工艺余热供应电能和热能的系统的运行步骤如下。
（1）当工艺冷却塔1开始工作时，工艺冷却水流入工艺冷却水热交换器3进行降温，随后返回工艺冷却塔1完成冷却循环，同时在工艺冷却水热交换器3中吸热后的中温水驱动二类热泵7制取蒸汽，降温后的中温水流入工艺冷却水热交换器3继续吸收热量完成循环，二类热泵7制取的蒸汽进入小汽轮机10工作后返回二类热泵7继续吸热完成蒸汽工作循环，小汽轮机10受蒸汽驱动对发电机13输出机械能，发电机13受到驱动后向外输出电能，热泵冷却水流入二类热泵7后再流出，完成对二类热泵7的冷却，此时工艺冷却水旁通阀14、余热利用阀门16、热泵冷却水旁通阀21均处于关闭状态。
（2）当二类热泵7处于故障或需要检修时，打开工艺冷却水旁通阀14，工艺冷却水进入外部系统进行冷却，保证尿素工艺不会受二类热泵7的工作状态影响；当温度测控装置5检测到流入工艺冷却塔1的工艺冷却水温度高于上限设定值时，温度测控装置5能够发出信号打开工艺冷却水旁通阀14，温度低于下限设定值时，则关闭工艺冷却水旁通阀14，既能保证尿素工艺系统安全可靠工作，又能保证二类热泵有合格的驱动热源。
（3）当热水罐需要补水时，可以人工打开余热利用阀门16和热泵冷却水旁通阀21，工艺冷却水流入余热利用热交换器17换热后返回工艺冷却塔1，热泵冷却水经二类热泵7吸收热量后部分进入净水装置22进行水质处理，再送入余热利用热交换器17继续升温，随后进入热水罐23完成补水，补水完成后再关闭余热利用阀门16和热泵冷却水旁通阀21；也可以由液位测控装置24测量热水罐23中的液位，当液位低于下限设定值时，打开余热利用阀门16和热泵冷却水旁通阀21，当液位高于上限设定值时，关闭余热利用阀门16和热泵冷却水旁通阀21，自动控制生活热水的生产。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种利用工艺余热供应电能和热能的系统，包括工艺冷却塔，其特征在于：还包括工艺冷却水排出管道、工艺冷却水热交换器、工艺冷却水流入管道、温度测控装置、中温水进水管道、二类热泵、中温水出水管道、高品质蒸汽管道、小汽轮机、低品质蒸汽管道、传动装置、发电机、余热利用阀门、余热利用热交换器、余热废水回流管道、热泵冷却水进入管道、热泵冷却水排出管道、热泵冷却水旁通阀、净水装置、热水罐和液位测控装置，所述工艺冷却塔的冷却水出口通过工艺冷却水排出管道与工艺冷却水热交换器的高温侧进口连接，所述工艺冷却水热交换器的高温侧出口通过工艺冷却水流入管道与工艺冷却塔的冷却水进口连接，所述温度测控装置安装在工艺冷却水流入管道上，所述工艺冷却水热交换器的低温侧出口通过中温水进水管道与二类热泵的驱动热源进入端口连接，所述二类热泵的驱动热源排出端口通过中温水出水管道与工艺冷却水热交换器的低温侧进口连接，所述二类热泵的吸收器出口通过高品质蒸汽管道与小汽轮机的蒸汽入口连接，所述小汽轮机的蒸汽出口通过低品质蒸汽管道与二类热泵的吸收器进口连接；所述小汽轮机的动能出口通过传动装置与发电机连接；所述余热利用阀门的进口通过管道和工艺冷却水排出管道连接，所述余热利用阀门的出口与余热利用热交换器的高温侧进口连接，所述余热利用热交换器的高温侧出口通过余热废水回流管道与工艺冷却塔的余热废水进口连接，所述热泵冷却水进入管道与二类热泵中的冷凝器进口连接，所述二类热泵中的冷凝器出口与热泵冷却水排出管道连接，所述热泵冷却水旁通阀的进口通过管路和热泵冷却水排出管道连接，所述热泵冷却水旁通阀的出口与净水装置的进口连接，所述净水装置的出口与余热利用热交换器的低温侧进口连接，所述余热利用热交换器的低温侧出口与热水罐的进口连接，所述热水罐上安装有液位测控装置。
2.根据权利要求1所述的利用工艺余热供应电能和热能的系统，其特征在于：还包括工艺冷却水旁通阀和工艺冷却水旁通管路，所述工艺冷却水旁通阀的进口通过管路和工艺冷却水排出管道连接，所述工艺冷却水旁通阀的出口与工艺冷却水旁通管路连接。
3.根据权利要求1所述的利用工艺余热供应电能和热能的系统，其特征在于：所述工艺冷却水旁通阀为安全控制阀。
4.根据权利要求1所述的利用工艺余热供应电能和热能的系统，其特征在于：所述余热利用阀门和冷却水旁通阀为受控电动阀。
5.根据权利要求1所述的利用工艺余热供应电能和热能的系统，其特征在于：所述工艺冷却水热交换器和余热利用热交换器均为氟塑料热交换器。
6.根据权利要求1所述的利用工艺余热供应电能和热能的系统，其特征在于：所述净水装置为利用反渗透原理的净水装置。
7.根据权利要求1所述的利用工艺余热供应电能和热能的系统，其特征在于：所述热水罐为保温型热水罐。
8.一种使用如权利要求1～7任一权利要求所述的系统进行利用工艺余热供应电能和热能的方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：
（1）当工艺冷却塔开始工作时，工艺冷却水流入工艺冷却水热交换器进行降温，随后返回工艺冷却塔完成冷却循环，同时在工艺冷却水热交换器中吸热后的中温水驱动二类热泵制取蒸汽，降温后的中温水流入工艺冷却水热交换器继续吸收热量完成循环，二类热泵制取的蒸汽进入小汽轮机工作后返回二类热泵继续吸热完成蒸汽工作循环，小汽轮机受蒸汽驱动对发电机输出机械能，发电机受到驱动后向外输出电能，热泵冷却水流入二类热泵后再流出，完成对二类热泵的冷却，此时工艺冷却水旁通阀、余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀均处于关闭状态；
（2）当二类热泵处于故障或需要检修时，打开工艺冷却水旁通阀，工艺冷却水进入外部系统进行冷却，保证尿素工艺不会受二类热泵的工作状态影响；当温度测控装置检测到流入工艺冷却塔的工艺冷却水温度高于上限设定值时，温度测控装置能够发出信号打开工艺冷却水旁通阀，温度低于下限设定值时，则关闭工艺冷却水旁通阀，既能保证尿素工艺系统安全可靠工作，又能保证二类热泵有合格的驱动热源；
（3）当热水罐需要补水时，由人工打开余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀，工艺冷却水流入余热利用热交换器换热后返回工艺冷却塔，热泵冷却水经二类热泵吸收热量后部分进入净水装置进行水质处理，再送入余热利用热交换器继续升温，随后进入热水罐完成补水，补水完成后再关闭余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀；或者，由液位测控装置测量热水罐中的液位，当液位低于下限设定值时，打开余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀，当液位高于上限设定值时，关闭余热利用阀门和热泵冷却水旁通阀，自动控制生活热水的生产。
9.根据权利要求8所述的利用工艺余热供应电能和热能的方法，其特征在于：工艺冷却水从工艺冷却塔排出，进入工艺冷却水热交换器后返回工艺冷却塔形成高品质余热利用循环通道；工艺冷却水从工艺冷却塔排出，通过工艺冷却水旁通阀流入工艺冷却水旁通管路形成工艺冷却水旁通通道；工艺冷却水从工艺冷却塔排出，通过余热利用阀门进入余热利用热交换器，随后返回工艺冷却塔形成低品质余热利用循环通道；中温水从冷却水热交换器流出后进入二类热泵，随后返回冷却水热交换器形成热泵驱动热源循环通道；蒸汽从二类热泵流出，进入小汽轮机后返回二类热泵形成蒸汽循环通道；动能从小汽轮机输出到发电机形成机械能输出通道；热泵冷却水进入二类热泵后流出形成热泵冷却水通道；热泵冷却水从二类热泵中流出后通过热泵冷却水旁通阀进入净水装置，随后进入余热利用热交换器，再进入热水罐形成生活热水制备通道。
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