CN109488401B - 热泵式余热利用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热泵式余热利用系统，所述热泵式余热利用系统与发电系统连接，所述热泵式余热利用系统包括余热换热器、气体压缩机和气体透平。本发明一方面通过热泵式余热利用系统回收发电系统中汽轮机排放的乏汽余热，回收得到的热量经进一步升温后回用于发电系统的蒸汽发生器；另一方面，传统火电厂的高温烟气或地热资源中的地热蒸汽也通过本发明热泵式余热利用系统得到充分利用，在相同煤耗条件下，提高了系统的整体效率，进而提高了系统的整体经济性。

Description

热泵式余热利用系统
技术领域
本发明涉及一种热泵式余热利用系统。
背景技术
传统火电厂中，基于朗肯循环的汽轮机发电系统中大量热量损失在凝汽器中，因此发电效率较低。目前提高汽轮机发电效率的途径主要是不断升高新蒸汽的温度与压强，但这同时会给汽轮机的制造材料与密封工艺提出了种种困难，并且汽轮机系统发电效率的增长也逐渐趋于饱和，基于现有的技术提升系统热电转换效率通常非常困难。
如果能对汽轮机中排放的乏汽余热充分利用，将极大提高火电厂综合热效率，目前，对于乏汽的利用通常有两种方法，一种为采用有机朗肯循环回收乏汽热量再次发电，但是基于有机朗肯循环的发电系统热电转换效率过低，整体经济性过低；另外一种为使用热电联供增加能量的利用率，通过从蒸汽轮机的中压缸或低压缸抽气，对外部热网进行加热，但热电联供需要当地具有供热需求方案才可行。
与此同时，传统火电厂的高温烟气没有得到充分利用，如果排放到空气中，不仅对环境造成了危害，而且也造成了能源浪费。为了提高传统火电厂的能源利用效率，目前主要通过热电联供的方式增加整个系统的能源利用效率，但是热电联供需要当地具有供热需求方案才可行。在高温烟气利用方面，目前主要通过加入省煤器，使用高温烟气将通入锅炉中的空气进行预热减小单位发电的煤耗，但是烟气通过省煤器后温度在135℃～150℃之间，仍具有可利用的空间。
另外，中国地热资源占全球地热总资源的7.9％，目前中国地热利用大多以直接利用为主，直接利用的热功率为17870MWt，占全世界地热直接利用总份额的25.2％，但是地热发电总功率份额仅有27.78MWe，占全世界地热发电总份额的0.2％，发电利用占比很少，有较大的利用空间。
综上所述，现有的汽轮机发电系统效率低下，缺乏对汽轮机中排放的乏汽余热的有效利用，传统火电厂的高温烟气或地热资源也存在利用不合理的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是传统火电厂发电效率低的问题，提供了一种热泵式余热利用系统，本发明基于能源梯级利用降低熵增原理，通过热泵式余热利用系统，将发电系统中在凝汽器中损失的热量进行利用，并充分利用了高温烟气或地热资源，提高了系统的整体效率。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
本发明提供了一种热泵式余热利用系统，所述热泵式余热利用系统与发电系统连接，所述发电系统包括依次连接的汽轮机、凝汽器、蒸汽发生器和加热器；所述汽轮机还连接有发电机；
所述热泵式余热利用系统包括余热换热器、气体压缩机和气体透平；
所述余热换热器的热流体通道，用于流通废烟气或地热蒸汽；
所述余热换热器的冷流体通道入口与所述凝汽器的冷流体通道相连，用于对所述凝汽器中的冷流体进行加热；
所述余热换热器的冷流体通道出口与所述气体压缩机的入口相连；所述气体压缩机的出口与所述蒸汽发生器的热流体通道入口相连，经所述气体压缩机升温升压后的热流体用于对所述蒸汽发生器中的冷流体供热；
所述蒸汽发生器的热流体通道出口与所述气体透平的入口相连；所述气体透平的出口与所述凝汽器的冷流体通道入口相连；经所述气体透平降温降压后的冷流体用于与所述凝汽器中热流体进行换热。
本发明一方面通过热泵式余热利用系统回收发电系统中汽轮机排放的乏汽余热，回收得到的热量经进一步升温后回用于发电系统的蒸汽发生器；另一方面，传统火电厂的高温烟气或地热资源中的地热蒸汽也通过本发明热泵式余热利用系统得到充分利用。
具体地，在所述热泵式余热利用系统中循环流动的循环介质从所述凝汽器中吸收热量后经所述余热换热器加热，然后进入所述气体压缩机升温升压，升温升压后的介质进入所述蒸汽发生器进行换热，换热后的介质进入所述气体透平降温降压，降温降压后的介质返回至所述凝汽器中。
所述发电系统中，所述凝汽器的热流体通道入口与所述汽轮机的乏汽出口相连，所述凝汽器的热流体通道出口与所述蒸汽发生器的冷流体通道入口相连，所述蒸汽发生器的冷流体通道出口与所述加热器的入口相连；所述加热器的出口与所述汽轮机的入口相连。
所述发电系统中，所述凝汽器可为本领域常规的凝汽器，优选为气体冷却式凝汽器。所述凝汽器用于对汽轮机引出的乏汽进行冷凝并吸收其中释放的潜热。
所述发电系统还可包括第一水泵，所述第一水泵设置于所述凝汽器与所述蒸汽发生器之间，用于传输凝汽器内产生的凝结水，并将凝汽器中欠压状态下的凝结水进行加压。
所述发电系统还可包括除氧器，所述除氧器设置于所述凝汽器与所述蒸汽发生器之间，用于去除所述凝汽器中的热流体中的氧及其他游离的腐蚀性气体，如CO2、NH3、H2S等。
所述除氧器中，较佳地，所述除氧器的冷流体通道入口与所述凝汽器的热流体通道出口相连，所述除氧器的冷流体通道出口与所述蒸汽发生器的冷流体通道入口相连。更佳地，所述除氧器的热流体通道入口与所述蒸汽发生器的热流体通道出口相连，所述除氧器的热流体通道出口与所述气体透平的入口相连，经所述蒸汽发生器换热后的热流体用于与所述除氧器中的冷流体进行换热。
当所述发电系统包括除氧器时，所述第一水泵设置于所述凝汽器与所述除氧器之间。所述第一水泵可为传统发电系统的凝结水泵。
当所述发电系统包括除氧器时，所述除氧器和所述蒸汽发生器之间还设置有第二水泵，用于提高流体压力。所述第二水泵可为传统发电系统的高压水泵。
所述发电系统中，所述加热器的热源温度较高，并且只对饱和或过热水蒸气进行加热，使蒸汽发生器中产生的水蒸气进入该加热器进一步加热得到匹配所述汽轮机配置的过热蒸汽。
所述热泵式余热利用系统中，较佳地，当所述余热换热器的热流体通道流通废烟气时，所述余热换热器对应为烟气换热器；当所述余热换热器的热流体通道流通地热蒸汽时，所述余热换热器对应为蒸汽-气体换热器。
所述余热换热器用于回收其他工段中产生的高温低价值能源，例如高温废烟气或高温地热蒸汽，当所述余热换热器的热流体通道流通废烟气时，所述废烟气为传统火电站烟气，温度为135℃-150℃，当所述余热换热器的热流体通道流通地热蒸汽时，所述地热蒸汽来自高温地热资源，温度不低于150℃，具体可根据匹配的汽轮机入口蒸汽的运行范围决定。
所述热泵式余热利用系统中，在所述热泵式余热利用系统中循环流动的循环介质可为氦气、氩气、氮气或超临界二氧化碳。
所述热泵式余热利用系统中，较佳地，采用共传动轴装置连接所述气体压缩机和所述气体透平，通过两者之间的共传动轴装置，将高温高压气体对所述气体透平做的功传递到所述气体压缩机。
所述热泵式余热利用系统中，所述气体压缩机做功需要的额外电功可由所述发电机供给，也可由外部电网供给。
本发明中，所述气体透平指工作介质为氦气、氩气、氮气或超临界二氧化碳的透平机。所述汽轮机指工作介质为水蒸汽的透平机。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
本发明通过余热的梯级利用，耦合基于逆布雷顿循环的热泵式余热利用系统，极大提升了整个系统的热电转换效率，消耗发电系统中加热器的单位热功率，可得到单位电功率甚至更高的电功率，可明显提高目前现有的传统火电厂、光热电站、地热发电电站的整体效率。
附图说明
图1为本发明实施例1的热泵式余热利用发电系统工作原理示意图；
图2为本发明实施例2的热泵式余热利用发电系统工作原理示意图；
附图标记说明：
1-汽轮机，2-凝汽器，3-第一水泵，4-蒸汽发生器，5-加热器，6-发电机；
7-余热换热器，8-气体压缩机，9-气体透平；
10-除氧器，11-第二水泵。
具体实施方式
下面通过实施例的方式并结合附图进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种热泵式余热利用系统，该热泵式余热利用系统与发电系统连接。
发电系统包括依次连接的汽轮机1、凝汽器2、第一水泵3、蒸汽发生器4和加热器5；汽轮机1还连接有发电机6。具体的，凝汽器2的热流体通道入口与汽轮机1的乏汽出口相连，凝汽器2的热流体通道出口经第一水泵3与蒸汽发生器4的冷流体通道入口相连，蒸汽发生器4的冷流体通道出口与加热器5的入口相连；加热器5的出口与汽轮机1的入口相连。
热泵式余热利用系统包括余热换热器7、气体压缩机8和气体透平9。
其中，余热换热器7的流体通道内流通废烟气，实际制作时可用于流通废烟气或地热蒸汽，可根据需求进行选择；余热换热器7的冷流体通道入口与凝汽器2的冷流体通道相连，用于对凝汽器2中的冷流体进行加热；
余热换热器7的冷流体通道出口与气体压缩机8的入口相连；气体压缩机8的出口与蒸汽发生器4的热流体通道入口相连，经气体压缩机8升温升压后的热流体用于对蒸汽发生器4中的冷流体供热；
蒸汽发生器4的热流体通道出口与气体透平9的入口相连；气体透平9的出口与凝汽器2的冷流体通道入口相连；经气体透平9降温降压后的冷流体用于与凝汽器2中热流体进行换热。
具体地，凝汽器2为气体冷却式凝汽器。
在热泵式余热利用系统中循环流动的循环介质为氦气。
气体透平9为氦气透平，即工作介质为氦气的透平机。
当余热换热器7的热流体通道流通废烟气时，余热换热器7相应地为烟气换热器，其热流体通道连接于火电厂中产生的高温废烟气，温度为135℃-150℃；
当余热换热器7的热流体通道流通地热蒸汽，该地热蒸汽来自高温地热资源，余热换热器7相应地为蒸汽-气体换热器，其热流体通道连接于高温地热蒸汽，该地热蒸汽的温度不低于150℃。
气体压缩机8和气体透平9共用传动轴。
该系统的工作过程如下：
系统正常工作时，发电系统中蒸汽经过汽轮机1做功后成为乏汽，在气体冷却式凝汽器2中凝结放热成为凝结水。凝结水首先经过第一水泵3升压，接着进入蒸汽发生器4吸热蒸发。产生的水蒸气进入加热器5进一步加热成为匹配汽轮机1配置的过热蒸汽，最后进入汽轮机1做功进而再次成为乏汽，完成发电系统的热力学循环。
从汽轮机1末级排出的乏汽经过气体冷却式凝汽器2时，将凝结时释放的潜热热量传到热泵式余热利用系统回路中的循环介质，具体而言，热泵式余热利用系统回路中的循环介质从气体冷却式凝汽器2中吸收热量后经余热换热器7加热，然后进入气体压缩机8升温升压后，接着进入蒸汽发生器4的热流体通道入口，将热量传给发电系统中的介质水，在蒸汽发生器4中经过降温的循环介质进入气体透平9降压降温，最后返回气体冷却式凝汽器2吸收凝结时释放的潜热，完成热泵式余热利用系统中的整个热力学循环。
为了保证气体透平9做的功传递到气体压缩机8上，减少热泵式余热利用系统所需要的净功，本实施例使用共传动轴装置将气体压缩机8与气体透平9进行连接。
为了保证热泵式余热利用系统回路中压强在整个热力学循环闭合，考虑到工作气体在设备与管路中的压损，气体压缩机的压缩比需要比气体透平的膨胀比略微大一些，具体数值本领域技术人员可根据设备压损与管路中的压损计算得到。
实施例2
如图2所示，本实施例热泵式余热利用系统与实施例1相比，发电系统还包括除氧器10，该除氧器10设置于凝汽器2与蒸汽发生器4之间，此时，第一水泵3设置于凝汽器2和除氧器10之间，除氧器10和蒸汽发生器4之间还设有第二水泵11。
具体地，第一水泵3为凝结水泵，第二水泵11为高压水泵。
除氧器10的冷流体通道入口与凝汽器2的热流体通道出口相连，除氧器10的冷流体通道出口与蒸汽发生器4的冷流体通道入口相连；除氧器10的热流体通道入口与蒸汽发生器4的热流体通道出口相连，除氧器10的热流体通道出口与气体透平9的入口相连。由此，气体冷却式凝汽器2中凝结的凝结水首先经过第一水泵3进入除氧器10进行除氧并预热，然后经过再第二水泵11升压，进入蒸汽发生器4中吸热蒸发。
凝汽器中的热量与余热换热器中的热量通过热泵式余热利用发电系统重新引入发电系统回路中，减少了化石能源燃烧提供的热量，提高了整体效率。

Claims (8)

1.一种热泵式余热利用系统，所述热泵式余热利用系统与发电系统连接，所述发电系统包括依次连接的汽轮机、凝汽器、蒸汽发生器和加热器；所述汽轮机还连接有发电机；其特征在于，
所述热泵式余热利用系统包括余热换热器、气体压缩机和气体透平；
所述余热换热器的热流体通道，用于流通废烟气或地热蒸汽；所述废烟气的温度为135℃-150℃；所述地热蒸汽的温度不低于150℃；
所述余热换热器的冷流体通道入口与所述凝汽器的冷流体通道相连，用于对所述凝汽器中的冷流体进行加热；
所述余热换热器的冷流体通道出口与所述气体压缩机的入口相连；所述气体压缩机的出口与所述蒸汽发生器的热流体通道入口相连，经所述气体压缩机升温升压后的热流体用于对所述蒸汽发生器中的冷流体供热；
所述蒸汽发生器的热流体通道出口与所述气体透平的入口相连；所述气体透平的出口与所述凝汽器的冷流体通道入口相连；经所述气体透平降温降压后的冷流体用于与所述凝汽器中热流体进行换热；
所述发电系统还包括除氧器，所述除氧器设置于所述凝汽器与所述蒸汽发生器之间；所述除氧器的冷流体通道入口与所述凝汽器的热流体通道出口相连，所述除氧器的冷流体通道出口与所述蒸汽发生器的冷流体通道入口相连；
所述除氧器的热流体通道入口与所述蒸汽发生器的热流体通道出口相连，所述除氧器的热流体通道出口与所述气体透平的入口相连，经所述蒸汽发生器换热后的热流体用于与所述除氧器中的冷流体进行换热。
2.如权利要求1所述的热泵式余热利用系统，其特征在于，所述发电系统中，所述凝汽器的热流体通道入口与所述汽轮机的乏汽出口相连，所述凝汽器的热流体通道出口与所述蒸汽发生器的冷流体通道入口相连，所述蒸汽发生器的冷流体通道出口与所述加热器的入口相连；所述加热器的出口与所述汽轮机的入口相连。
3.如权利要求1所述的热泵式余热利用系统，其特征在于，所述发电系统还包括第一水泵，所述第一水泵设置于所述凝汽器与所述蒸汽发生器之间。
4.如权利要求1所述的热泵式余热利用系统，其特征在于，当所述余热换热器的热流体通道流通废烟气时，所述余热换热器对应为烟气换热器；
当所述余热换热器的热流体通道流通地热蒸汽时，所述余热换热器对应为蒸汽-气体换热器。
5.如权利要求1所述的热泵式余热利用系统，其特征在于，所述发电系统还包括第一水泵和第二水泵，
所述第一水泵为凝结水泵，设置于所述凝汽器与所述除氧器之间；
所述第二水泵为高压水泵，设置于所述除氧器和所述蒸汽发生器之间。
6.如权利要求1所述的热泵式余热利用系统，其特征在于，在所述热泵式余热利用系统中循环流动的循环介质为氦气、氩气、氮气或超临界二氧化碳。
7.如权利要求1所述的热泵式余热利用系统，其特征在于，采用共传动轴装置连接所述气体压缩机和所述气体透平。
8.如权利要求1所述的热泵式余热利用系统，其特征在于，所述气体压缩机做功需要的额外电功由所述发电机供给。
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