CN113074028B - 一种利用发电机组的烟气低温余热发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种利用发电机组的烟气低温余热发电系统，余热锅炉内部从上至下依次设置有过热器、蒸发器、旋风除尘器，余热锅炉内部的循环液体一部分来源于储水箱中的水，另一部分来源于发电机组产生的蒸汽经过冷凝器凝结出的混合液体；混合工质余热锅炉内部从上至下依次设置有混合工质蒸发器、旋风除尘器，混合工质余热锅炉内部的循环工质为七氟丙烷/五氟丙烷非共沸混合工质，控制器根据烟气温度传感器和压力传感器的感测数据，动态调整进入混合工质蒸发器的七氟丙烷/五氟丙烷的比率；所述发电机组采用双级补汽凝汽式汽轮机组,利用来自余热锅炉和混合工质余热锅炉的蒸汽做功驱动发电机产生电力。

Description

一种利用发电机组的烟气低温余热发电系统
技术领域
本发明涉及一种发电系统，具体涉及一种利用发电机组的烟气低温余热发电系统
背景技术
人类社会的存在和发展离不开能源。我国的能源生产总量中的煤炭生产量在2017年首次达到了四十亿吨，逐渐在能源方面变成世界第一消耗大国。在经济快速发展的过程中，逐渐加快对能源的需要量，这对我国存在的能源压力问题进一步加剧。
对于能源的应用领域中，转化为热能再进行应用的能源形式比重最大，占到总的能源利用方式的85％到90％。在国内工业的制造和生产过程中，能源产生的热能的利用过程中大约有17％-67％的热能以余热的形式被消耗，并且普遍存在于各高耗能行业，例如化工、热电、冶炼、水泥厂等。
按照余热的温度不同可以划分为以下三种:低温余热、中温余热和高温余热。通常情况下，定义温度低于220度的余热称之为低温余热；温度处于220度到650度的余热称之为中温余热；温度高于650度的余热称之为高温余热。在国内的工业领域内，每个单位产生的余热能源大约在7％，然而其中仅仅存在不到35％的能源可以进行回收循环利用。工业方面上，很多人称回收余热资源为“新能源”，在节能减排的的大背景下，工业余热回收是一个重要的实现方式。但是对于低温余热，由于其温度低造成了回收比较困难。但是中低温余热在工业余热中的占比又是最多的，远远高于高温余热，所以，实现节能减排以及提高能源利用率的方法中，对于低温余热的回收利用最为关键。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，包括余热锅炉、混合工质余热锅炉、控制器和发电机组；
所述余热锅炉内部从上至下依次设置有过热器、蒸发器、旋风除尘器，余热锅炉内部的循环液体一部分来源于储水箱中的水，另一部分来源于发电机组产生的蒸汽经过冷凝器凝结出的混合液体；
所述混合工质余热锅炉内部从上至下依次设置有混合工质蒸发器、旋风除尘器，混合工质余热锅炉内部的循环工质为七氟丙烷/五氟丙烷非共沸混合工质，混合工质蒸发器底部设置有烟气温度传感器，蒸发器的出汽管路中设置有压力传感器；
所述控制器根据烟气温度传感器和压力传感器的感测数据，动态调整进入混合工质蒸发器的七氟丙烷/五氟丙烷的比率；
所述发电机组采用双级补汽凝汽式汽轮机组,利用来自余热锅炉和混合工质余热锅炉的蒸汽做功驱动发电机产生电力。
进一步地，所述凝汽式汽轮机组采用DEH控制系统，包括主气压控制回路和副气压控制回路，通过所述主气压控制回路和副气压控制回路分别对余热锅炉流出的汽液两相流体和混合工质余热锅炉流出的纯汽相流体的比率进行控制。
进一步地，所述混合工质余热锅炉还包括七氟丙烷储液罐及与其连接的七氟丙烷抽取泵、五氟丙烷储液罐及与其连接的五氟丙烷抽取泵，当烟气温度传感器感测到的烟气温度低于154℃时，控制器控制七氟丙烷抽取泵的抽取速度为五氟丙烷抽取泵抽取速度的2倍，当压力传感器感测到的气体压力高于0.3MPa时，控制器控制五氟丙烷抽取泵的抽取速度为七氟丙烷抽取泵抽取速度的2倍。
进一步地，所述冷凝器设置在发电机组下方，做完功的蒸汽进入冷凝器被冷凝为混合液体再次进入余热锅炉进行循环。
进一步地，所述余热锅炉还包括汽包和闪蒸器，余热锅炉的蒸发器内的混合液体被加热成汽液混合物后，推动汽液混合物上升进入汽包中进行汽液分离，液体留在汽包内，饱和蒸汽沿蒸汽管进入过热器加热产生的过热蒸汽沿主管道进入闪蒸器，闪蒸器的输出端与发电机组相连接，经闪蒸器闪蒸成的蒸汽进入发电机组做功。
进一步地，所述储水箱连接有除氧器，用于在真空下低脱除混合液体中的氧气、氮气、二氧化碳。
进一步地，所述凝汽式汽轮机组还采用ETS保护系统和TSI汽轮机监视仪表系统，所述ETS保护系统用来通过关闭凝汽式汽轮机的全部进汽阀门实现紧急停机，所述TSI汽轮机监视仪表系统,用于通过DEH控制系统和ETS保护系统控制安全停机。
进一步地，所述余热锅炉的蒸发器采用翅片管,传热面积为115.8m2；过热器采用光管，光管外径为50mm，光管内径为42mm，横向管间距为78mm，错排排列。
进一步地，所述混合工质余热锅炉内部的混合工质蒸发器采用M形管束。
进一步地，所述余热锅炉和混合工质余热锅炉的烟气入口段设置有固体颗粒沉降区，提高烟气流速，实现自吹灰。
本发明能够实现如下技术效果：
(1)余热回收率以及循环效率高。由于在该系统中采用的是沸点更低的有机介质，所以就可以实现在较低温度下的蒸发过程，从而保证了在低温余热回收过程中可以实现更高的热效率。
(2)由于在该系统中采用的是沸点更低的有机介质，相比与传统的朗肯循环，更适用于对低温热能的吸收，从而完全转化为电能。
(3)基于有机工质的特性，两种甚至更多种工质可以混合应用，从而获取高于单独使用的效果。这是水介质无法实现的。
(4)通过主气压控制回路和副气压控制回路分别对余热锅炉流出的汽液两相流体和混合工质余热锅炉流出的纯汽相流体的比率进行控制，在很大程度上减小了温差，从而降低了过程中的能量损失。
(5)通过动态R227ea和R245fa的比率，很好地发挥了各个工质的优点，表现出了非共沸混合工质在调节方面的优越性。
附图说明
附图1为本发明实施例一的利用发电机组的烟气低温余热发电系统的实施例一的整体结构示意图；
附图2为本发明实施例二的利用发电机组的烟气低温余热发电系统的实施例二的整体结构示意图；
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
如图1所示为本发明的一种利用发电机组的烟气低温余热发电系统的实施例一的整体结构示意图，发电系统包括余热锅炉10、混合工质余热锅炉20、除氧器30、闪蒸器40和发电机组50。
余热锅炉10内部从上至下依次设置有过热器11、蒸发器12、旋风除尘器13，低温烟气于余热锅炉上端烟气进口进入，排气热量经炉膛内传递给循环液体。余热锅炉10内部的循环液体一部分来源于储水箱18中的水，另一部分来源于发电机组产生的蒸汽经过冷凝器52凝结出的混合液体。
储水箱18中的水混合冷凝器52凝结出的混合液体经由水管，由除氧器30进行真空除氧后，注入余热锅炉10的蒸发器12，蒸发器12根据余热资源的温度水平动态选择合理的饱和蒸汽参数，蒸发器12内的混合液体被加热成汽液混合物后，推动汽液混合物上升进入汽包14中进行汽液分离。汽液分离后，液体留在汽包14内，饱和蒸汽沿蒸汽管进入过热器11，经过热器11进一步加热产生的过热蒸汽沿主管道进入闪蒸器40，闪蒸器40的输出端与发电机组50相连接，经闪蒸器40闪蒸成的蒸汽进入发电机组50做功，通过发电机51输出电能，做功后的蒸汽变为汽液两相混合物，冷凝器52连接发电机组50的出口，冷凝器52凝结汽液两相混合物形成凝结液体，随后进入凝结水管路，循环使用。
混合工质余热锅炉20内部从上至下依次设置有混合工质蒸发器23、旋风除尘器24，低温烟气于混合工质余热锅炉上端烟气进口进入，排气热量经炉膛内传递给循环循环工质。混合工质余热锅炉20内部的循环工质采用以R227ea/R245fa，即七氟丙烷/五氟丙烷为非共沸混合工质，非共沸混合工质来源于储液罐28。储液罐28中的非共沸混合工质经抽取泵21进入混合工质余热锅炉20内部的混合工质蒸发器23入口。
当低温烟气具有的温度处于较低温度范围时，非共沸混合工质R227ea/R245fa所表现出的性能最理想。非共沸混合工质与水相比，非共沸混合工质的沸点低，在压力为0.15～0.5MPa左右，温度60～70℃、甚至40～50℃左右，就可以汽化为蒸汽，从而可以利用低温余热的热能，将这些能源再生后以电能的形式输出。因此，混合工质蒸发器23内的非共沸混合工质被加热成蒸汽后，直接进入发电机组50做功，通过发电机51输出电能，做功后的蒸汽经过冷凝器52凝结为液体。
为了解决发电系统中的锅炉中烟气的积灰和磨损，本发明还分别在每个锅炉的烟气入口段设置固体颗粒沉降区16和22，同时提高烟气或排气的流速,增大其自吹灰能力；为了清除排气中的粉尘,在每个锅炉底部的处分别设置旋风除尘器13和24。
余热锅炉10和混合工质余热锅炉20的放置形式可根据载热体的流动方向和现场情况而定:若载热体是从上而下冲刷,或从下而上流动,则锅炉就应顺势而行,立式安置；若载热体是在水平流道中流动,则锅炉的本体也应水平放置。
本发明根据锅炉内部各段的换热特点,采用不同的换热表面作为增强传热效果的手段，在优选实施例中，余热锅炉100内部的蒸发器12的管内液体的蒸发或沸腾,其换热系数远远大于管外气体侧的换热系数,当传热温差很大时,蒸发器12可采用翅片管,传热面积为115.8m2，以防止热流密度过高,管内产沸腾；过热器11的管内是蒸汽的被加热过程,管外是烟气或排气的对流换热,两侧的换热系数都较低,可采用光管作为替代，光管外径为50mm，光管内径为42mm，横向管间距为78mm，错排排列。过热器11在高温条件下的热流密度不宜过高,而且管材需采用高强度和耐高温腐蚀材料。为了便于蒸汽的排出和流动,混合工质余热锅炉20内部的混合工质蒸发器23采用M形管束。
混合工质余热锅炉20中的循环工质采用以R227ea/R245fa，即七氟丙烷/五氟丙烷为非共沸混合工质，如图1所示，储存在储液罐28中的非共沸混合工质被抽取泵21抽出进入混合工质余热锅炉20的混合工质蒸发器23，在混合工质蒸发器23内被烟气加热变为过热蒸气，有机过热蒸气随后进入发电机组50做功，发电机组50驱动发电机产生电力，做完功的蒸汽进入冷凝器52被冷凝为过冷液体再进入余热锅炉10进行循环。本实施例中的非共沸混合工质R227ea/R245fa的质量配比范围在0.86-0.48。
在优选实施例中，本发明的发电机组配置为凝汽式汽轮机组，凝汽式汽轮机组采用DEH控制系统，DEH控制系统的主要目的是控制汽轮发电机组的转速和功率,从而满足供电的要求,DEH控制系统还可以控制供热压力或流量。
具体地，DEH控制系统具有转速控制回路,电功率控制回路,主气压控制回路,副气压控制回路，超速保护回路，基本控制回路以及同期、调频限制、解耦运算、信号选择、判断等逻辑回路。
其中，主气压控制回路和副气压控制回路的控制作用尤为重要，由于本发明的锅炉由余热锅炉10和混合工质余热锅炉20共同组成，循环液体也分别为余热锅炉10中循环的水与非共沸混合工质组成的混合液体以及混合工质余热锅炉20中循环的非共沸混合工质，因此，由于循环液体的沸点不同，导致进入凝汽式汽轮机组的物质包括汽液两相流体与纯汽相流体，为了减小进汽时的节流损失以及减少汽相的泄露量，则需要通过主气压控制回路和副气压控制回路分别对余热锅炉10流出的汽液两相流体和混合工质余热锅炉20流出的纯汽相流体的比率进行控制，在优选实施例中，当汽液两相流体和纯汽相流体的比率为0.7。
凝汽式汽轮机组还采用ETS保护系统，ETS保护系统即汽轮机紧急跳闸保护系统,用来监视对机组安全有重大影响的某些参数,以便在这些参数超过安全限制值时,通过该系统去关闭汽轮机的全部进汽阀门,实现紧急停机。该系统具有各种保护投切、自动跳闸保护、输出原因记忆等功能。
凝汽式汽轮机组采用TSI汽轮机监视仪表系统,用来在线监测对机组安全有重大影响的参数,主要是汽轮机的转速、振动、轴向位移等参数,以便在这些参数超过安全限值时,通过DEH控制系统和ETS保护系统控制安全停机。
在优选实施例中，针对低温余热、流量大的特点,为充分利用余热热能,凝汽式汽轮机组采用双级补汽凝汽式汽轮机组,利用压力参数较低的混合工质副蒸汽和来自闪蒸器的饱和蒸汽导入汽轮机做功。另外,发电机为三相交流同步发电机,采用同轴交流无刷励磁或静止可控硅励磁方式。
在优选实施例中，本发明采用真空除氧器，真空除氧器是一种使液体在真空下低温沸腾,脱除液体中的氧气、氮气、二氧化碳等气体的设备。一般在30℃～60℃温度下进行,可实现液面低温状态下除氧(60℃或常温),对热力锅炉和负荷波动大而热力除氧效果不佳的蒸汽锅炉,均可用真空除氧而获得较佳的除氧效果。
真空除氧能利用低温余热,既可用射气抽气器加热软化水,又能分级及低位安装,除氧可靠,运行稳定,操作简单,适应性强。当负荷在40％～120％范围内变化时,除氧效果都能达标。对于低压蒸汽锅炉,其给水含氧量≤0.05mg/L即可符合要求。
实施例二
参考附图2，为本发明实施例二中发电系统的整体结构示意图，实施例二在实施例一的整体技术方案的基础上，实施例二进一步地进行如下改进，混合工质余热锅炉20中的循环工质采用R227ea和R245fa的质量配比在范围0.86-0.48内，通过控制器而实现动态调节。
如图2所示，储液罐28进一步地分为七氟丙烷储液罐281和五氟丙烷储液罐282，分别存储七氟丙烷和五氟丙烷，七氟丙烷储液罐281中的工质七氟丙烷被七氟丙烷抽取泵211抽出，五氟丙烷储液罐282中的工质五氟丙烷被五氟丙烷抽取泵212抽出，同时混合工质蒸发器23底部设置有烟气温度传感器231，用于检测换热后的烟气温度，在混合工质蒸发器23的出汽管路中设置有压力传感器232，用于检测出汽管路中的蒸汽压力。七氟丙烷抽取泵211、五氟丙烷抽取泵212、压力传感器232以及烟气温度传感器231分别连接控制器25，控制器25根据烟气温度传感器231和压力传感器232的感测数据，动态调整七氟丙烷抽取泵211和五氟丙烷抽取泵212抽取速度，从而动态调整进入混合工质蒸发器23的非共沸混合工质的质量配比。
由于在相同条件下，R245fa的临界温度为154℃，临界压力为3.651MPa，R227ea的临界温度为102.8℃，临界压力同样为3.651MPa，因此，当烟气温度传感器231感测到的烟气温度低于R245fa的临界温度为154℃时，控制器则控制七氟丙烷抽取泵211的抽取速度为五氟丙烷抽取泵212抽取速度的2倍，但是当压力传感器232感测到的汽体压力高于0.3MPa时，控制器则控制五氟丙烷抽取泵212的抽取速度为七氟丙烷抽取泵211抽取速度的2倍。
本发明实施例二中通过动态R227ea和R245fa的质量配比，很好地发挥了各个工质的优点，表现出了非共沸混合工质在调节方面的优越性。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请实施例进行各种改动和变型而不脱离本申请实施例的精神和范围。这样，倘若本申请实施例的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，包括余热锅炉、混合工质余热锅炉、控制器和发电机组；
所述余热锅炉内部从上至下依次设置有过热器、蒸发器、旋风除尘器，余热锅炉内部的循环液体为由储水箱中的水和发电机组产生的蒸汽经过冷凝器凝结出的凝结液体组成的混合液体；
所述混合工质余热锅炉内部从上至下依次设置有混合工质蒸发器、旋风除尘器，混合工质余热锅炉内部的循环工质为七氟丙烷/五氟丙烷非共沸混合工质，混合工质蒸发器底部设置有烟气温度传感器，混合工质蒸发器的出汽管路中设置有压力传感器；
所述控制器根据烟气温度传感器和压力传感器的感测数据，动态调整进入混合工质蒸发器的七氟丙烷/五氟丙烷的比率；
所述发电机组采用双级补汽凝汽式汽轮机组,利用来自余热锅炉和混合工质余热锅炉的蒸汽做功共同驱动发电机产生电力。
2.根据权利要求1所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述双级补汽凝汽式汽轮机组采用DEH控制系统，所述DEH控制系统包括主气压控制回路和副气压控制回路，通过所述主气压控制回路和副气压控制回路分别对余热锅炉流出的汽液两相流体和混合工质余热锅炉流出的纯汽相流体的比率进行控制。
3.根据权利要求1所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述混合工质余热锅炉还包括七氟丙烷储液罐及与其连接的七氟丙烷抽取泵、五氟丙烷储液罐及与其连接的五氟丙烷抽取泵，当烟气温度传感器感测到的烟气温度低于154℃时，控制器控制七氟丙烷抽取泵抽取速度为五氟丙烷抽取泵抽取速度的2倍，当压力传感器感测到的气体压力高于0.3MPa时，控制器控制五氟丙烷抽取泵抽取速度为七氟丙烷抽取泵抽取速度的2倍。
4.根据权利要求1所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述冷凝器设置在发电机组下方，做完功的蒸汽进入冷凝器被冷凝为凝结液体再次进入余热锅炉进行循环。
5.根据权利要求1所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述余热锅炉还包括汽包和闪蒸器，余热锅炉的蒸发器内的混合液体被加热成汽液混合物后，推动汽液混合物上升进入汽包中进行汽液分离，液体留在汽包内，饱和蒸汽沿蒸汽管进入过热器加热产生的过热蒸汽沿主管道进入闪蒸器，闪蒸器的输出端与发电机组相连接，经闪蒸器闪蒸成的蒸汽进入发电机组做功。
6.根据权利要求1所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述储水箱连接有除氧器，用于在真空下低脱除混合液体中的氧气、氮气、二氧化碳。
7.根据权利要求2所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述双级补汽凝汽式汽轮机组还采用ETS保护系统和TSI汽轮机监视仪表系统，所述ETS保护系统用来通过关闭凝汽式汽轮机的全部进汽阀门实现紧急停机，所述TSI汽轮机监视仪表系统,用于通过DEH控制系统和ETS保护系统控制安全停机。
8.根据权利要求1所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述余热锅炉的蒸发器采用翅片管,传热面积为115.8m2；过热器采用光管，光管外径为50mm，光管内径为42mm，横向管间距为78mm，错排排列。
9.根据权利要求1所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述混合工质余热锅炉内部的混合工质蒸发器采用M形管束。
10.根据权利要求1所述的利用发电机组的烟气低温余热发电系统，其特征在于，所述余热锅炉和混合工质余热锅炉的烟气入口段设置有固体颗粒沉降区，提高烟气流速，实现自吹灰。
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