CN112696844A - 一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统 - Google Patents

一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，该系统可分为直接利用方式和间接利用方式，其中直接利用方式下系统主要由氢气循环回路，热泵吸收回路，热量利用回路组成，氢气热量直接传递到热泵工质中，然后热量由热网或者凝结水直接进行利用；间接利用方式下系统主要由氢气循环回路、冷却水循环回路、热泵吸收回路、热量利用回路组成，间接利用方式下氢气热量先传递到冷却水中，然后从冷却水传递到热泵工质中，最后热量由热网进行利用，本发明的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统能够将氢气冷却发电机的余热进行利用，提高汽轮发电机组系统的热经济性。

Description

一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统
技术领域
本发明涉及能源技术领域，特别是一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统。
背景技术
现有技术的汽轮发电机通常采用水氢氢冷却方式，目前世界上百万千瓦级的机组的转子冷却部分采用氢气冷却的达到98％，发电机损耗的热量分别由氢气冷却器、定子内冷却水冷却器、冷油器和励磁系统冷却设施带走，其中氢气冷却器带走的热量占有较大份额，所以希望提出一种可以利用这部分热量的方法。
为了保证发电机能够良好运行，氢气的冷却温度有一定限制，以600MW机组为例其热氢侧温度为52℃左右，冷氢侧温度为40℃左右，冷却水进水温度为20℃左右，出水温度为35℃左右，该部分热量属于低品位热量利用率低，所以考虑使用热泵来使这部分热量更好利用。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明所要解决的问题在于如何解决氢冷发电机余热利用的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其包括，
氢气循环回路，包括氢源、发电机、氢气冷却器、氢冷风机，用于吸收热量，冷却发电机转子；
热泵吸收回路，包括蒸发器、压缩机、冷凝器，用于进行热量的吸收；
热量利用回路，与所述冷凝器相连，将热量进行利用。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：所述氢气循环回路经过所述发电机内部冷却所述发电机转子，所述氢冷风机出口连接所述氢气冷却器气侧，氢气在所述氢冷风机的作用下进入所述发电机吸收热量以后，经所述氢气冷却器冷却后，再次进入所述发电机完成循环。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：所述热泵吸收回路中的所述冷凝器与所述热量利用回路相连接，将热量进行利用。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：所述热量利用回路可选择去热网利用以及去低压加热前加热凝结水。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：所述氢气循环回路与所述热泵吸收回路之间还设有冷却水循环回路，包括冷却水泵、备用泵、温度传感器、节流阀；
所述冷却水泵与所述备用泵并联，入口有所述节流阀控制，所述冷却水泵出口连接所述温度传感器，所述温度传感器后为所述氢气冷却器水侧入口，所述氢气冷却器水侧出口连接所述蒸发器进行余热传递。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：所述冷却水循环回路包括补给水箱、冷却水进口、排出阀，冷却水有所述补给水箱在所述冷却水泵作用下进入所述冷却水循环回路，排出阀位于所述补给水箱底部用于水位控制，并且与循环冷却水管路相连，在非供暖季时，打开所述循环冷却水管路，冷却水中的热量通过循环冷却水带走，在供暖季时，关闭所述循环冷却水管路，冷却水热量由热泵吸收。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：当系统中无所述冷却水循环回路时，热泵内的所述蒸发器代替所述氢气冷却器，蒸发器余热利用侧连接所述氢气循环回路，所述蒸发器内热泵工质进行吸热，在所述冷凝器将热量释放给所述热量利用回路，通过热泵功率对氢气温度进行控制，且设置有备用压缩机与备用电动机，且热泵工质循环管路及各连接阀门必须采取无缝不锈钢管或铜部件，并且采取密封措施进行保护。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：所述热量利用回路的热网利用方式包括热网加热器、换热站、热泵出水管路、热网回水管路，从所述换热站利用后的热网回水管路，进入热泵的所述冷凝器吸收热量后由热泵出水管路连接到热网加热器。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：所述热量利用回路还包括凝汽器、低压加热器、所述冷凝器，汽轮机乏汽经所述凝汽器冷却后成为凝结水，进入所述冷凝器吸收热量后，进入下一级所述低压加热器。
作为本发明所述氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的一种优选方案，其中：热泵运行时，水温由热泵制热量改变，循环水温度在20°～52°的范围之间，由控制器监测水温对热泵制热功率进行调节。
本发明有益效果为：本发明提供的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统利用了发电机氢气冷却中的余热，将这部分热量进行二次利用，通过控制热泵功率大小，对氢气温度进协调行控制，比传统氢气冷却器方式的温度调节范围更大，有利于改善汽轮发电机的运行温度，由热泵中的循环工质将氢气中的热量带走，减少电厂中冷却水的用量，节约厂内用水。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的结构图。
图2为氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的另一种方式的结构图。
图3为氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的另一种方式的结构图。
图4为氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的另一种方式的结构图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1
参照图1，为本发明第一个实施例，该实施例提供了一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，氢气冷却发电机余热热泵式利用系统包括氢气循环回路100、热泵吸收回路200和热量利用回路300，其中氢气循环回路100，包括氢源101、发电机102、氢气冷却器103、氢冷风机104，用于吸收热量，冷却发电机转子；
热泵吸收回路200，包括蒸发器201、压缩机202、冷凝器203，用于进行热量的吸收；
热量利用回路300，与冷凝器203相连，将热量进行利用。
基于上述，低温氢气进入发电机102吸收发电机102产生的热量后在氢冷风机104的作用下流出发电机102变为高温氢气，高温氢气进入氢气冷却器103与冷却水进行换热将热量传递给冷却水变为低温氢气，低温氢气继续在氢气循环回路100里循环，冷却水吸收高温氢气的热量后流出氢气冷却器103温度升高，温度升高的冷却水进入蒸发器201与热泵工质进行换热温度降低，工质在吸收冷却水热量后变为气态工质，流入压缩机202加压后变为高温工质，高温工质进入冷凝器203与低温热网回水管道304进行换热后变回低温工质，工质继续在热泵吸收回路200循环，低温热网回水管路304在冷凝器203吸收高温工质热量后温度升高，温度升高后的热网回水管道304进入热量利用回路300，热量得以利用。
实施例2
参照图1，为本发明第二个实施例，其不同于第一个实施例的是：氢气循环回路100经过发电机102内部冷却发电机102转子，氢冷风机104出口连接氢气冷却器103气侧，氢气在氢冷风机104的作用下进入发电机102吸收热量以后，经氢气冷却器103冷却后，再次进入发电机102完成循环。
热泵吸收回路200中的冷凝器203与热量利用回路300相连接，将热量进行利用。
所述热量利用回路300可选择去热网利用以及去低压加热前加热凝结水。
其中氢气在氢冷风机104的作用下，从发电机102的一端进入后吸收了发电机102产生的热量，从发电机102的另一端出来进入氢气冷却器103，氢气经过氢气冷却器103的冷却后由氢气循环管路
再次进入发电机102，整个循环过程中由于泄露损失的氢气由氢源101在补氢阀101a的控制下进行补充。
其中冷却水从补给水箱24进入，在冷却水泵401的作用，经过温度传感器403监测分别经过入口调节阀500所在的回路进入氢气冷却器103，在与氢气交换热量后经过出口调节阀600所在的回路流出氢气冷却器103，进入蒸发器201与有机工质换热后流出蒸发器201，最后流入补给水箱405，循环过程中损失的冷却水由化学处理水700补充。
在夏季无供热需求时，热泵处于停机状态，此时冷却水中的热量通过循环冷却水回路400在空冷岛800中进行散热，冬季时，热泵处于运行状态，可以关闭循环冷却水回路400所在的回路，由热泵吸收冷却水热量。
其中热泵的循环工质选择R134a，但不限于该工质，R134a在蒸发器201从冷却水吸收热量后，经过由电动机510带动的压缩机202加压，在冷凝器203与热网回水管路304换热后放出热量，流入蒸发器201进行下一次循环。
其中热网水经过热网加热器301加热后，经过热网供水管路520在换热站302进行换热，热网回水管路304在冷凝器203中与R134a进行换热后，从热泵出水管路303进入热网加热器301进行下次循环。
实施例3
参照图2，为本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：本实施例为另一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的工作流程，包括
氢气在氢冷风机104的作用下，从发电机102的一端进入后吸收了发电机102产生的热量，从发电机102的另一端出来进入氢气冷却器103，氢气经过氢气冷却器103的冷却后由氢气循环回路100再次进入发电机102，整个循环过程中由于泄露损失的氢气由氢源101在补氢阀101a的控制下进行补充。
进一步的，其中冷却水从补给水箱405进入，在冷却水泵401的作用，经过温度传感器403监测分别经过入口调节阀500所在的回路进入氢气冷却器103，在与氢气交换热量后经过出口调节阀600所在的回路流出氢气冷却器103，进入蒸发器201与有机工质换热后流出蒸发器201，最后流入补给水箱405，循环过程中损失的冷却水由化学处理水700补充。
在夏季无供热需求时，热泵处于停机状态，此时冷却水中的热量通过循环冷却水回路400在空冷岛800中进行散热，冬季时，热泵处于运行状态，可以关闭循环冷却水回路400所在的回路，由热泵吸收冷却水热量。
基于上述，热泵的循环工质选择R134a，但不限于该工质，R134a在蒸发器201从冷却水吸收热量后，经过由电动机510带动的压缩机202加压，在冷凝器203与热网回水管路304换热后放出热量，流入蒸发器201进行下一次循环。
热网水经过热网加热器301加热后，经过热网供水管路520在换热站302进行换热，热网回水管路304在冷凝器203中与R134a进行换热后，从热泵出水管路303进入热网加热器301进行下次循环。
基于上述，低温氢气进入发电机102吸收发电机产生的热量后在氢冷风机104的作用下流出发电机变为高温氢气，高温氢气进入氢气冷却器103与冷却水进行换热将热量传递给冷却水变为低温氢气，低温氢气继续在氢气循环回路里循环，冷却水吸收高温氢气的热量后流出氢气冷却器103温度升高，温度升高的冷却水进入蒸发器201与热泵循环工质R134a进行换热温度降低，R134a在吸收冷却水热量后变为气态R134a，气态R134a流入压缩机202加压后变为高温R134a，高温R134a进入冷凝器203与低温热网回水进行换热后变回低温R134a，R134a继续在热泵吸收回路200循环，低温热网回水吸收R134a热量后温度升高，温度升高后的热网回水经过热泵出水回路13进入热网回路，热量得到利用。
实施例4
参照图3，为本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：本实施例为另一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的工作流程，包括，
氢气在氢冷风机104的作用下，从发电机102的一端进入后吸收了发电机产生的热量，从发电机102的另一端出来进入蒸发器201，氢气经过蒸发器201的冷却后由氢气循环回路100再次进入发电机102，整个循环过程中由于泄露损失的氢气由氢源101在补氢阀101a的控制下进行补充。
进一步的，热泵的循环工质选择R134a，但不限于该工质，R134a在蒸发器201从氢气吸收热量后，经过由电动机510带动的压缩机202加压，在冷凝器203与热网回水管路304换热后放出热量，流入蒸发器201进行下一次循环。
考虑到运行的安全性，保证发电机中的热量可以及时排出，在系统中增加了一台备用压缩机202a与备用电动机408，正常运行时只有一台压缩机202与电动机510投运，另外一台备用，当压缩机202或电动机510事故时，投运备用压缩机202a或备用电动机408。
其中热网水经过热网加热器301加热后，经过热网供水管路520在换热站302进行换热，热网回水管路304在冷凝器203中与R134a进行换热后，从热泵出水管路303进入热网加热器301进行下次循环。
在冬季时，三通阀530切换至热网侧通过热网水带走热泵吸收的热量，在夏季时，三通阀530切换至循环冷却水回路400侧，由循环冷却水回路400经过空冷岛800进行散热。
基于上述，低温氢气进入发电机102吸收发电机产生的热量后在氢冷风机104作用下流出发电机变为高温氢气，高温氢气进入蒸发器201与R134a进行换热变回低温氢气，R134a在蒸发器201吸收热氢热量后变为气态R134a，气态R134a流入压缩机202，在加压后变为热R134a，热R134a进入冷凝器203与热网回水管路304进行换热后变回冷R134a，R134a继续在热泵吸收回路200循环，低温热网回水吸收R134a热量后温度升高，升温后的热网回水经过热泵出水回路13进入热网回路，热量得到利用。
实施例5
参照图4，为本发明第三个实施例，其不同于前两个实施例的是：本实施例为另一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统的工作流程，包括，
氢气在氢冷风机104的作用下，从发电机102的一端进入后吸收了发电机产生的热量，从发电机102的另一端出来进入蒸发器201，氢气经过蒸发器201的冷却后由氢气循环回路100再次进入发电机102，整个循环过程中由于泄露损失的氢气由氢源101在补氢阀101a的控制下进行补充。
其中热泵的循环工质选择R134a，但不限于该工质，R134a在蒸发器201从氢气吸收热量后，经过由电动机510带动的压缩机202加压，在冷凝器203加热凝结水管路307的凝结水后放出热量，流入蒸发器201进行下一次循环。
考虑到运行的安全性，保证发电机中的热量可以及时排除，在系统中增加了一台备用压缩机202a与备用电动机408，正常运行时只有一台压缩机202与电动机510投运，另外一台备用，当压缩机202或电动机510事故时，投运备用压缩机202a或备用电动机408。
进一步的，其中汽轮机乏汽经过凝汽器305后，经过凝结水管路307在冷凝器203中与R134a进行换热后，从热泵出水管路303进入低压加热器306，在经过汽水系统流程后进行下次循环。
基于上述，低温氢气进入发电机102吸收发电机产生的热量后在氢冷风机104作用下流出发电机变为高温氢气，高温氢气进入蒸发器201与R134a进行换热变回低温氢气，R134a在吸收高温氢气热量后变为气态R134a，气态R134a流入压缩机202，在加压后变为高温R134a，高温R134a进入冷凝器203与凝结水进行换热后变回低温R134a，R134a继续在热泵吸收回路200循环，凝结水吸收R134a热量后温度升高，热量得到利用。
重要的是，应注意，在多个不同示例性实施方案中示出的本申请的构造和布置仅是例示性的。尽管在此公开内容中仅详细描述了几个实施方案，但参阅此公开内容的人员应容易理解，在实质上不偏离该申请中所描述的主题的新颖教导和优点的前提下，许多改型是可能的(例如，各种元件的尺寸、尺度、结构、形状和比例、以及参数值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、定向的变化等)。例如，示出为整体成形的元件可以由多个部分或元件构成，元件的位置可被倒置或以其它方式改变，并且分立元件的性质或数目或位置可被更改或改变。因此，所有这样的改型旨在被包含在本发明的范围内。可以根据替代的实施方案改变或重新排序任何过程或方法步骤的次序或顺序。在权利要求中，任何“装置加功能”的条款都旨在覆盖在本文中所描述的执行所述功能的结构，且不仅是结构等同而且还是等同结构。在不背离本发明的范围的前提下，可以在示例性实施方案的设计、运行状况和布置中做出其他替换、改型、改变和省略。因此，本发明不限制于特定的实施方案，而是扩展至仍落在所附的权利要求书的范围内的多种改型。
此外，为了提供示例性实施方案的简练描述，可以不描述实际实施方案的所有特征(即，与当前考虑的执行本发明的最佳模式不相关的那些特征，或于实现本发明不相关的那些特征)。
应理解的是，在任何实际实施方式的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施方式决定。这样的开发努力可能是复杂的且耗时的，但对于那些得益于此公开内容的普通技术人员来说，不需要过多实验，所述开发努力将是一个设计、制造和生产的常规工作。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：包括，
氢气循环回路(100)，包括氢源(101)、发电机(102)、氢气冷却器(103)、氢冷风机(104)，用于吸收热量，冷却发电机转子；
热泵吸收回路(200)，包括蒸发器(201)、压缩机(202)、冷凝器(203)，用于进行热量的吸收；
热量利用回路(300)，与所述冷凝器(203)相连，将热量进行利用。
2.如权利要求1所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：所述氢气循环回路(100)经过所述发电机(102)内部冷却所述发电机(102)转子，所述氢冷风机(104)出口连接所述氢气冷却器(103)气侧，氢气在所述氢冷风机(104)的作用下进入所述发电机(102)吸收热量以后，经所述氢气冷却器(103)冷却后，再次进入所述发电机(102)完成循环。
3.如权利要求2所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：所述热泵吸收回路(200)中的所述冷凝器(203)与所述热量利用回路(300)相连接，将热量进行利用。
4.如权利要求3所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：所述热量利用回路(300)可选择去热网利用以及去低压加热前加热凝结水。
5.如权利要求4所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：所述氢气循环回路(100)与所述热泵吸收回路(200)之间还设有冷却水循环回路(400)，包括冷却水泵(401)、备用泵(402)、温度传感器(403)、节流阀(404)；
所述冷却水泵(401)与所述备用泵(402)并联，入口有所述节流阀(404)控制，所述冷却水泵(401)出口连接所述温度传感器(403)，所述温度传感器(403)后为所述氢气冷却器(103)水侧入口，所述氢气冷却器(103)水侧出口连接所述蒸发器(201)进行余热传递。
6.如权利要求5所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：所述冷却水循环回路(400)包括补给水箱(405)、冷却水进口(406)、排出阀，冷却水有所述补给水箱(405)在所述冷却水泵(401)作用下进入所述冷却水循环回路(400)，排出阀位于所述补给水箱(405)底部用于水位控制，并且与循环冷却水管路(407)相连，在非供暖季时，打开所述循环冷却水管路(407)，冷却水中的热量通过循环冷却水带走，在供暖季时，关闭所述循环冷却水管路(407)，冷却水热量由热泵吸收。
7.如权利要求6所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：当系统中无所述冷却水循环回路(400)时，热泵内的所述蒸发器(201)代替所述氢气冷却器(103)，蒸发器(201)余热利用侧连接所述氢气循环回路(100)，所述蒸发器(201)内热泵工质进行吸热，在所述冷凝器(203)将热量释放给所述热量利用回路(300)，通过热泵功率对氢气温度进行控制，且设置有备用压缩机(202a)与备用电动机(408)，且热泵工质循环管路及各连接阀门必须采取无缝不锈钢管或铜部件，并且采取密封措施进行保护。
8.如权利要求7所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：所述热量利用回路(300)的热网利用方式包括热网加热器(301)、换热站(302)、热泵出水管路(303)、热网回水管路(304)，从所述换热站(302)利用后的热网回水管路(304)，进入热泵的所述冷凝器(203)吸收热量后由热泵出水管路(303)连接到热网加热器(301)。
9.如权利要求8所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：所述热量利用回路(300)还包括凝汽器(305)、低压加热器(306)、所述冷凝器(203)，汽轮机乏汽经所述凝汽器(305)冷却后成为凝结水，进入所述冷凝器(203)吸收热量后，进入下一级所述低压加热器(306)。
10.如权利要求9所述的氢气冷却发电机余热热泵式利用系统，其特征在于：热泵运行时，水温由热泵制热量改变，循环水温度在20°～52°的范围之间，由控制器监测水温对热泵制热功率进行调节。
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