CN108800275B - 一种利用电厂余热的大温差集中供热系统及工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用电厂余热的大温差集中供热系统及工作方法，它是在二级网换热站内设置两级水‑水换热器和两级电力驱动热泵机组；在一级管网换热站内设置循环冷却水余热回收换热器、循环冷却水余热回收电动热泵机组、汽‑水换热器和水‑水换热器。本发明在保证二次网正常供水温度的前提下，可以大幅度降低一次热网的供水温度，从而大大减少供热系统的蒸汽耗量，大幅度提高热电厂循环水余热的利用比例。同时，能够保证二次管网具有正常的供水温度和供回水温差，即使一次热网的供水温度降至80℃，也能够使二次管网的供水温度达到70℃左右，从而保证二次管网正常的运行流量和循环水泵的节能运行。

Description

一种利用电厂余热的大温差集中供热系统及工作方法
技术领域
本发明涉及集中供热领域，尤其涉及利用电动热泵回收利用电厂余热的大温差集中供热的领域。
背景技术
热电联产技术符合“高能高用，低能低用”的能源利用原则，是集中供热系统最经济的热源形式。目前，热电联产系统多采用抽凝式供热发电机组。这种机组的特点是：电厂锅炉产生的高温高压蒸汽先进入汽轮发电机组发电，降至一定压力后，一部分从汽轮机抽出进入换热机组加热集中供热系统的循环水，作为集中供热系统的热源，剩余的蒸汽继续在汽轮机中膨胀做功变成乏汽。从汽轮机排出的乏汽则进入凝汽器，放出汽化潜热后变成冷凝水重新进入电厂锅炉循环使用，乏汽的汽化潜热则被循环冷却水带走，通过冷却塔排放到大气环境中。汽轮机的抽气在换热机组内放出汽化潜热和部分显热后，也进入电厂锅炉循环使用。
在上述热电联产系统中，集中供热一次循环系统的供回水温度一般采用90℃/60℃左右，二次循环系统的供回水温度一般采用70℃/50℃左右；电厂冷却塔的进出水温度一般35℃/20℃左右。由此可以看出上述热电联产系统存在两方面的问题：(1)供热一次循环系统的供回水温差较小，管网的供热能力难以满足供热区域不断扩大的要求；(2)汽轮机乏汽中包含的大量汽化潜热通过冷却塔排放至空气中，造成了大量低位热能浪费。
为了解决上述传统的热电联产集中供热技术的上述缺点，本发明提出了充分利用乏汽余热的常规换热设备和电动热泵相结合的大温差热电联产集中供热技术。
与本发明最相近的技术分别是中国专利申请号201110240593.5、中国专利申请号201611246667.5、李岩等在《建筑科学》第26卷第10期“电厂循环水余热利用技术综述”公开的利用热泵技术回收乏汽余热并提高集中供热管网供热能力的系统。
在中国专利申请号201110240593.5公开的技术中，二次网换热站内采用吸收式热泵和换热器组成的吸收式热泵换热机组对二次管网的循环热媒进行加热。一次供水首先进入吸收式热泵作为驱动热媒，然后进入中间换热器作为换热过程中的一次热媒；一次热媒在换热器内放出热量后进入吸收式热泵作为低温热媒，当温度降低到一定程度时(一般为20℃左右)回到一次回水管网，流回热电厂循环使用；一次回水流回热电厂后，首先进入乏汽凝汽器吸收乏汽的汽化潜热，然后进入汽-水换热器吸收汽轮机抽气的汽化潜热，温度升高至一次供水温度送出；二次网循环回水首先进入吸收式热泵换热机组的吸收式热泵部分进行一级加热，然后进入换热器部分进行二级加热，升温后作为二次循环供水供出。文献“电厂循环水余热利用技术综述”公开的技术，是在专利201110240593.5公开的技术的基础上，在热电厂内利用汽轮机抽气驱动多级蒸汽吸收式热泵，从凝汽器循环冷却水中吸收低位热量，对一次管网的回水进行逐级加热。以上技术存在三方面的主要问题：一是由于在二次管网增设的吸收式热泵换热机组中的吸收式热泵是以一次网供水为驱动热源，其能源品位较低(其温度一般在90℃～130℃之间)，导致升温后的二次网供水温度较低(一次网供/回水温度为100℃/20℃的条件下，二次网供水温度一般不会超过45℃)，难以满足集中供热系统的要求；二是吸收式热泵的溴化锂二元溶液具有腐蚀性，机组使用寿命短，机组性能不稳定，制冷能力衰减严重；三是在一次网换热站内设置多级蒸汽型吸收式热泵对一次网循环水加热升温，蒸汽耗量大，能源效率低，且系统复杂，设备投资高。
在中国专利申请号201611246667.5公开的技术中，进入二次网换热站的一次网供水依次采用了一次热媒驱动的吸收式热泵机组、中间换热器、电动热泵机组进行降温，温度由110℃降低到5℃左右后返回一次回水管网。一次回水由一次回水管网返回热电厂后，首先进人水-水换热器吸收凝汽器循环冷却水的热量，然后进入蒸汽吸收式热泵机组继续升温至某一温度，再进入汽-水换热器升温至一次网供水温度供出；二次网的循环水则是分别并联进入电动热泵机组、中间换热器和吸收式热泵，温度由35℃升至45℃左右之后供出；该技术存在的问题与中国专利申请号201110240593.5公开的技术中存在的问题一致。
所以说，现有的利用发电厂余热集中供暖系统提供的二次水温度一般在45左右，这么低的温度根本满足不了正常供暖需求，这一因素制约着该项技术在市场上的推广。
发明内容
为了克服现有的利用发电厂余热的集中供热技术中存在的二次网供水温度较低，吸收式热泵机组效率低、机组性能不稳定，制冷能力衰减严重，设备投资高、系统复杂等技术缺陷，本发明提出一种能够满足集中供热系统参数要求，性能稳定且具有较高能效的大温差集中供热系统。
本发明同时提供该供热系统的工作方法。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种利用电厂余热的大温差集中供热系统，其特征在于，它是在二级网换热站内设置两级水-水换热器和两级电力驱动热泵机组；在一级管网换热站内设置循环冷却水余热回收换热器、循环冷却水余热回收电动热泵机组、汽-水换热器和水-水换热器；上述各部件在供热系统中的连接关系是：
一次供水管道首先与一级水-水换热器的一次水进口连接，一级水-水换热器的一次水出口通过管道与二级水-水换热器的一次水进口连接，二级水-水换热器的一次水出口与二级电动热泵的蒸发器进口连接，二级电动热泵的蒸发器出口通过管道与一级电动热泵蒸发器的进口连接，一级电动热泵蒸发器出口与一次回水管网连接；二次回水管道进入换热站后分成两路，一路与一级电动热泵的冷凝器进口连接，一级电动热泵的冷凝器出口与二级电动热泵的冷凝器进口连接；另一路直接与二级水-水换热器的二次水进口连接；二级电动热泵冷凝器出口与二级水-水换热器的二次水出口并联连接后，通过管道与一级水-水换热器的二次水进口连接，一级水-水换热器的二次水出口与二次管网供水管连接。
循环冷却水余热回收换热器的一次热媒进口与循环冷却水供水管道连接，一次热媒出口与循环冷却水回水管道连接；循环冷却水余热回收电动热泵机组蒸发器进口与循环冷却水供水管道连接，蒸发器出口与循环冷却水回水管道连接；汽-水换热器一次热媒进口与汽轮机抽气管道连接，一次热媒出口与水-水换热器的一次热媒进口连接，水-水换热器一次热媒出口通过管道与冷凝水箱连接；集中供热一次回水管道分为两个支路，一路与循环冷却水余热回收换热器的二次热媒进口连接，循环冷却水余热换热器的二次热媒出口与循环冷却水余热回收电动热泵机组的冷凝器进口连接；另一路与水-水换热器二次热媒进口连接；水-水换热器二次热媒出口与循环冷却水余热回收电动热泵机组的冷凝器出口合为一路后，通过管道与汽-水换热器的二次热媒进口连接；汽-水换热器二次热媒出口与集中供热一次供水管道连接。
本发明系统的工作方法如下：
二级换热站内系统：二次热网45℃左右的回水分成两路，一路首先进入一级电动热泵的冷凝器加热至50℃左右，然后进入二级电动热泵冷凝器加热至60℃左右；另一路直接进入二级水-水换热器加热至60℃左右，然后两路重新汇合为一路，进入一级水-水换热器加热至70℃左右供出；一次热网供水首先进入水-水换热器降温至65℃左右，然后依次进入二级水-水换热器(降温至50℃左右)、二级电动热泵的蒸发器(降温至20℃左右)和一级电动热泵的蒸发器连续降温至10℃左右，返回集中供热一次回水管网。
一级管网换热站内系统：一次热网10℃左右的回水分为两路，一路首先进入循环冷却水余热回收换热器，升温至30℃左右后进入循环冷却水余热回收电动热泵机组的冷凝器，进一步升温至50℃左右；另一路直接进入水-水换热器，吸收蒸汽冷凝水的部分显热后温度升高至50℃左右后，与从循环冷却水余热回收电动热泵机组的冷凝器流出的50℃左右的热网一次水混合为一路，然后进入汽-水换热器，被汽轮机抽气加热至一次热网需要的供水温度后由一次供水管网输送至各二级换热站；来自循环冷却水供水管网的35℃左右的循环冷却水，分别进入循环冷却水余热回收换热器、循环冷却水余热回收电动热泵机组的蒸发器和冷却塔，温度降低至20℃左右后流回循环冷却水回水管网；来自汽轮机低压抽气口的蒸汽首先进入汽-水换热器，释放出汽化潜热和部分显热后，生成的冷凝水进入水-水换热器进一步降温至40℃左右，返回至冷凝水箱。
本发明的优点是：
(1)大幅降低了一次供热管网的回水温度，为充分且有效地利用了热电厂的循环冷却水余热创造了条件，大大提高了热电厂一次能源的热能利用率。
(2)大幅度提高了一次管网的供回水温差，增大了管网的热力输送能力，在不改造既有管网的条件下，供热能力增加达二倍以上，为管网和供热区域的扩容创造了条件。
(3)在保证二次网正常供水温度的前提下，可以大幅度降低一次热网的供水温度，从而大大减少供热系统的蒸汽耗量，大幅度提高热电厂循环水余热的利用比例。同时，能够保证二次管网具有正常的供水温度和供回水温差，即使一次热网的供水温度降至80℃，也能够使二次管网的供水温度达到70℃左右，从而保证二次管网正常的运行流量和循环水泵的节能运行。
(4)一次网换热站和二次网换热站内均采用电动热泵，与吸收式热泵机组相比具有技术成熟、性能稳定、体型小、寿命长、投资少等优点，能充分利用电厂的循环水余热且具有较高的性能系数(COP一般在6.0以上)，既符合国家的节能政策，又能在目前电能过剩的背景下积极合理地消纳电能。
(5)二次网换热站内采用两级电动热泵系统串联运行，可以通过合理确定两级电动热泵蒸发温度和冷凝温度，有效提高两级热泵系统的综合性能系数(若采用一级热泵，热泵机组COP只能达到4.0左右；采用两级，热泵机组COP则能达到6.0以上)。
(6)二次网回水返回二次网换热站后，分别进入串联连接的两级电动热泵支路和二级水-水换热器支路，在一次网和二次网的供回水参数保持不变的前提下，可将两级热泵机组的容量减少三分之一以上，即减少了设备投资，又减少了电能消耗。
(7)一次网回水分别进入循环冷却水余热回收换热器、循环冷却水余热回收电动热泵支路和水-水换热器支路，既能充分利用电厂余热，又能充分利用蒸汽冷凝水的显热，有利于提高能源利用效率、降低供热系统运行成本。
附图说明
图1是本系统的流程示意图。
图中：1.汽轮机；2.凝汽器；3.冷却塔；4.循环冷却水余热回收电动热泵机组；5.循环冷却水余热回收换热器；6.水-水换热器；7.汽-水换热器；8.一级水-水换热器；9.二级水-水换热器；10.二级电动热泵；11.一级电动热泵。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
如图1所示，二级网换热站内设置一级水-水换热器8、二级水-水换热器9和一级电动热泵11和二级电动热泵10。一次供水管道首先与一级水-水换热器8的一次水进口连接；一级水-水换热器8的一次水出口通过管道与二级水-水换热器9的一次水进口连接；二级水-水换热器9的一次水出口与二级电动热泵10的蒸发器进口连接，二级电动热泵10的蒸发器出口通过管道与一级电动热泵11的蒸发器进口连接，一级电动热泵11的蒸发器出口与一次回水管网连接。二次回水管道进入换热站后分成两路，一路与一级电动热泵11的冷凝器进口连接，一级电动热泵11的冷凝器出口与二级电动热泵10的冷凝器进口连接；一路直接与二级水-水换热器9的二次水进口连接；二级电动热泵10的冷凝器出口与二级水-水换热器9的二次水出口并联连接后，通过管道与一级水-水换热器8的二次水进口连接，一级水-水换热器8的二次水出口与二次管网供水管连接。
一级管网换热站内设置循环冷却水余热回收换热器5、循环冷却水余热回收电动热泵机组4、汽-水换热器7和水-水换热器6。循环冷却水余热回收换热器5的一次热媒进口与循环冷却水供水管道连接，一次热媒出口与循环冷却水回水管道连接；循环冷却水余热回收电动热泵机组4的蒸发器的进口与循环冷却水供水管道连接，一次热媒出口与循环冷却水回水侧管道连接；汽-水换热器7的一次热媒进口与汽轮机抽气管道连接，一次热媒出口与水-水换热器6的一次热媒进口连接，水-水换热器6的一次热媒出口通过管道与冷凝水箱连接；集中供热一次回水管道分为两个支路，一路与循环冷却水余热回收换热器5的二次热媒进口连接，循环冷却水余热回收换热器5的二次热媒出口与循环冷却水余热回收电动热泵机组4的冷凝器进口连接；另一路与水-水换热器6的二次热媒进口连接；水-水换热器6的二次热媒出口与循环冷却水余热回收电动热泵机组4的冷凝器出口合为一路后，通过管道与汽-水换热器7的二次热媒进口连接；汽-水换热器7的二次热媒出口与集中供热一次供水管道连接。
本发明系统的工作方法如下：
二级换热站内系统：二次热网45℃左右的回水分成两路，一路首先进入一级电动热泵11的冷凝器加热至50℃左右，然后进入二级电动热泵10的冷凝器加热至60℃左右；另一路直接进入二级水-水换热器9加热至60℃左右，然后两路重新汇合为一路，进入一级水-水换热器8加热至70℃左右供出；一次热网供水首先进入水-水换热器8降温至65℃左右，然后依次进入二级水-水换热器9(降温至50℃左右)、二级电动热泵10的蒸发器(降温至20℃左右)和一级电动热泵11的蒸发器连续降温至10℃左右，返回集中供热一次回水管网。
一级管网换热站内系统：一次热网10℃左右的回水分为两路，一路首先进入循环冷却水余热回收换热器5，升温至30℃左右后进入循环冷却水余热回收电动热泵机组4的冷凝器，进一步升温至50℃左右；另一路直接进入水-水换热器6，吸收蒸汽冷凝水的部分显热后温度升高至50℃左右后，与从循环冷却水余热回收电动热泵机组4的冷凝器流出的50℃左右热网一次水混合为一路，然后进入汽-水换热器7，被汽轮机1的抽气加热至一次热网需要的供水温度后由一次供水管网输送至各二级换热站；来自凝汽器2的35℃左右的循环冷却水，经循环冷却水供水管网分别进入循环冷却水余热回收换热器5、循环冷却水余热回收电动热泵机组4的蒸发器和冷却塔3，温度降低至20℃左右后经循环冷却水回水管网返回凝汽器2；来自汽轮机1的低压抽气口的蒸汽首先进入汽-水换热器7，释放出汽化潜热和部分显热后，生成的冷凝水进入水-水换热器6进一步降温至40℃左右，返回至冷凝水箱。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化和替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种利用电厂余热的大温差集中供热系统，其特征在于，它是在二级网换热站内设置两级水-水换热器和两级电力驱动热泵机组；在一级管网换热站内设置循环冷却水余热回收换热器、循环冷却水余热回收电动热泵机组、汽-水换热器和水-水换热器；上述各部件在供热系统中的连接关系是：
一次供水管道首先与一级水-水换热器的一次水进口连接，一级水-水换热器的一次水出口通过管道与二级水-水换热器的一次水进口连接，二级水-水换热器的一次水出口与二级电动热泵的蒸发器进口连接，二级电动热泵的蒸发器出口通过管道与一级电动热泵蒸发器的进口连接，一级电动热泵蒸发器出口与一次回水管网连接；二次回水管道进入换热站后分成两路，一路与一级电动热泵的冷凝器进口连接，一级电动热泵的冷凝器出口与二级电动热泵的冷凝器进口连接；另一路直接与二级水-水换热器的二次水进口连接；二级电动热泵冷凝器出口与二级水-水换热器的二次水出口并联连接后，通过管道与一级水-水换热器的二次水进口连接，一级水-水换热器的二次水出口与二次管网供水管连接；
循环冷却水余热回收换热器的一次热媒进口与循环冷却水供水管道连接，一次热媒出口与循环冷却水回水管道连接；循环冷却水余热回收电动热泵机组蒸发器进口与循环冷却水供水管道连接，蒸发器出口与循环冷却水回水管道连接；汽-水换热器一次热媒进口与汽轮机抽气管道连接，一次热媒出口与水-水换热器的一次热媒进口连接，水-水换热器一次热媒出口通过管道与冷凝水箱连接；集中供热一次回水管道分为两个支路，一路与循环冷却水余热回收换热器的二次热媒进口连接，循环冷却水余热换热器的二次热媒出口与循环冷却水余热回收电动热泵机组的冷凝器进口连接；另一路与水-水换热器二次热媒进口连接；水-水换热器二次热媒出口与循环冷却水余热回收电动热泵机组的冷凝器出口合为一路后，通过管道与汽-水换热器的二次热媒进口连接；汽-水换热器二次热媒出口与集中供热一次供水管道连接。
2.一种如权利要求1所述的利用电厂余热的大温差集中供热系统的工作方法，其特征在于，它包括二级换热站内系统工作方法和一级管网换热站内系统工作方法，其中：
二级换热站内系统工作方法：二次热网的回水分成两路，一路首先进入一级电动热泵的冷凝器加热，然后进入二级电动热泵冷凝器加热；另一路直接进入二级水-水换热器加热，然后两路重新汇合为一路，进入一级水-水换热器加热供出；一次热网供水首先进入水-水换热器降温，然后依次进入二级水-水换热器、二级电动热泵的蒸发器和一级电动热泵的蒸发器连续降温至，返回集中供热一次回水管网；
一级管网换热站内系统工作方法：一次热网的回水分为两路，一路首先进入循环冷却水余热回收换热器，升温后进入循环冷却水余热回收电动热泵机组的冷凝器，进一步升温；另一路直接进入水-水换热器，吸收蒸汽冷凝水的部分显热后温度升高，与从循环冷却水余热回收电动热泵机组的冷凝器流出的热网一次水混合为一路，然后进入汽-水换热器，被汽轮机抽气加热至一次热网需要的供水温度后由一次供水管网输送至各二级换热站；来自循环冷却水供水管网的循环冷却水，分别进入循环冷却水余热回收换热器、循环冷却水余热回收电动热泵机组的蒸发器和冷却塔，温度降低后流回循环冷却水回水管网；来自汽轮机低压抽气口的蒸汽首先进入汽-水换热器，释放出汽化潜热和部分显热后，生成的冷凝水进入水-水换热器进一步降温，返回至冷凝水箱。
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