CN113375213B - 一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统；该系统主要包括发电系统和供热系统两个部分，通过对其中一个发电机组进行改造，使其能够提供部分低参数抽汽，再将另一个发电机组的中压汽轮机全部排汽用于供热系统所需的高参数抽汽，通过双机组发电系统与供热系统间的高效耦合，节省供热系统所需的高参数抽汽量，提高热电联产系统的热经济性。同时，该系统采用吸收式换热器实现一级热网水与二级热网水间的换热过程，并采用吸收式热泵高效回收了系统的低温余热。本发明基于能源梯级利用原理，在双机组运行模式的基础上，结合了高背压供热技术，吸收式热泵技术以及吸收式换热技术的优势，具有良好的创新性和实践性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统及方法，属于节能减排技术领域。
背景技术
热电联产(CHP)是一种建立在能源的梯级利用概念基础上，将发电及供热过程一体化的系统，目的在于提高能源利用效率，减少碳化物及有害气体的排放。随着居民生活供暖需求的不断增加，燃煤电厂为了降低供电煤耗，大都朝着热电联产的方向发展。过去我国北方很多地区冬季采暖都采用燃烧散煤的方式，效率低、污染大，热电联产机组正好可以进行集中供热，实现能源的高效清洁利用，因此热电联产在我国具有很大的发展潜力。
目前，常规热电联产方式主要利用中压汽轮机排汽通过汽-水管壳式换热器将热量传递给一级热网水，接着一级热网水通过水-水板式换热器将热量传递给二级热网水，最后二级热网水将热量提供给各个用户。
然而，常规热电联产方式也存在着诸多问题：(1)中压汽轮机排汽与一级热网水、以及一级热网水与二级热网水间存在巨大的换热温差，导致传热过程中存在巨大的可用能损失；(2)凝汽器释放的低温余热损失大，机组的能源利用效率低；(3)中压汽轮机排汽供热的方式大幅度降低了低压汽轮机的蒸汽流量，使得低压汽轮机的运行严重偏离设计工况，当低压汽轮机的入口流动面积和汽轮机转速保持一定，进入低压汽轮机的蒸汽压力随着流量降低而降低，带来了巨大的额外功量损失。
为提高热电联产机组的热经济性，诸多学者提出了优化方案，例如高背压供热技术，吸收式热泵技术以及吸收式换热技术等，但将这些优化方案有效结合的方式却报道较少；另外，我国电厂在建设规模上常采用双机组的运行模式，如2*350MW，2*660MW，2*1000MW等，若热电联产系统能结合双机组的运行模式，则必然取得进一步的节能效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统，以进一步提高热电联产的热经济性。
本发明采取的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统，其包括发电系统和供热系统两部分：
所述发电系统包括第一机组和第二机组，所述第一机组和第二机组均配备有锅炉、高压汽轮机、中压汽轮机、低压汽轮机、凝汽器、低压加热器、除氧器和高压加热器，在第一机组中，所述低压汽轮机包括第一低压汽轮机、第二低压汽轮机和第三低压汽轮机，所述中压汽轮机的排汽口分为两路，一路连接第一低压汽轮机，另一路连接第二低压汽轮机，所述第二低压汽轮机的排汽口分别连接第三低压汽轮机和第一汽-水管壳式换热器的热端入口，所述第一低压汽轮机和第三低压汽轮机的排汽口均连接至凝汽器；
所述供热系统包括一级热网系统和二级热网系统，一级热网系统主要由第一汽-水管壳式换热器、第二汽-水管壳式换热器、吸收式热泵、吸收式换热器组成；所述第一汽-水管壳式换热器的热端入口连接第一机组中第二低压汽轮机的排汽口，热端出口连接第一机组中凝汽器的出口，所述第一机组中凝汽器通过循环冷却水与吸收式热泵的蒸发器出入口连接，所述第二机组中的中压汽轮机排汽口分成两路分别连接至第二汽-水管壳式换热器的热端入口和吸收式热泵的发生器入口，所述第二汽-水管壳式换热器的热端出口和吸收式热泵的发生器出口连接至第二机组第五低压加热器的入口；
所述吸收式换热器的一级热网水入口连接第二汽-水管壳式换热器的冷端出口，吸收式换热器的一级热网水出口连接第一汽-水管壳式换热器的冷端入口，第一汽-水管壳式换热器的冷端出口连接吸收式热泵的吸收器入口，吸收式热泵的冷凝器出口连接至第二汽-水管壳式换热器的冷端入口。
进一步的，所述第一机组和第二机组中均设有三个高压加热器和四个低压加热器，分别为：第一高压加热器，第二高压加热器，第三高压加热器，第五低压加热器，第六低压加热器，第七低压加热器，第八低压加热器，所述第八低压加热器的入口连接凝汽器的出口，第八低压加热器的出口依序连接第七低压加热器、第六低压加热器、第五低压加热器、除氧器、第三高压加热器、第二高压加热器、第一高压加热器，第一高压加热器的出口连接至锅炉。
进一步的，所述锅炉的过热蒸汽出口连接高压汽轮机的进汽口，过热蒸汽经过高压汽轮机后返回至锅炉，锅炉的再热蒸汽出口连接中压汽轮机的进汽口，中压汽轮机的出汽口连接低压汽轮机。
进一步的，所述除氧器以及各个加热器从各个汽轮机中抽取适量的蒸汽对凝结水进行预热。
另一方面，本发明提供了一种基于双机组运行模式的新型热电联产方法，其特征在于，设置两组发电机组，其中第一机组中设置三个低压汽轮机，中压汽轮机的排汽分为两路进入低压汽轮机，一路进入第一低压汽轮机，另一路进入第二低压汽轮机；
当供暖系统关闭时，两个机组独立运行，系统仅发电不供热，在第一机组中，第二低压汽轮机的排汽进入第三低压汽轮机，第一低压汽轮机和第三低压汽轮机的排汽混合后进入凝汽器；
当供暖系统开启时，将第一机组中的第三低压汽轮机关闭，然后第二低压汽轮机的排汽输送至第一汽-水管壳式换热器，用于加热第一汽-水管壳式换热器中的一级热网水，第一汽-水管壳式换热器放热后形成的疏水返回至汽水系统中，并与第一机组中凝汽器排出的凝结水混合；第一机组中凝汽器排放的部分低温余热提供给吸收式热泵作为吸收式热泵的低温热源；
在第二机组中，低压汽轮机、凝汽器、第六低压加热器、第七低压加热器和第八低压加热器关闭，中压汽轮机的排汽全部送入供热系统，其中，中压汽轮机的一部分排汽提供给吸收式热泵作为吸收式热泵的高温热源，剩余的排汽用于加第二汽-水管壳式换热器中的一级热网水，吸收式热泵发生器出口的疏水与第二汽-水管壳式换热器热端出口的疏水混合后，输送给保留的第五低压加热器中，该低压加热器将疏水加热至设计温度并送入除氧器中；
在供热系统中，一级热网水与二级热网水间的传热在吸收式换热器中进行，一级热网水通过第一汽-水管壳式换热器、吸收式热泵和第二汽-水管壳式换热器吸热升温，再通过吸收式换热器将热量传递给二级热网水，进而提供给用户。
进一步的，吸收式换热器将一级热网水的温度范围从常规的55℃-130℃变为25℃-130℃，二级热网水的温度为50℃-70℃；一级热网水在第一汽-水管壳式换热器中从25℃加热至55℃，接着在吸收式热泵中从55℃加热至80℃，最后在第二汽-水管壳式换热器中从80℃加热至130℃。
本发明的有益效果是：本发明基于燃煤电厂的双机组运行模式，结合了高背压供热技术，吸收式热泵技术以及吸收式换热技术的优势，进一步提高了热电联产系统的热经济性；具体的：(1)采用吸收式换热技术，降低一级热网水与二级热网水换热过程中的可用能损失；(2)采用吸收式热泵技术降低了系统的低温余热损失，提高了系统的能源利用效率；(3)采用高背压供热技术，节省了供热所需的高参数抽汽量，提高了机组的发电效率；(4)通过双机组系统的集成优化，避免了常规热电联产系统由于大规模抽汽引起的额外功量损失。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为供暖系统开启时的汽水流程；
图2为供暖系统关闭时的汽水流程。
图中标记为：B1-第一机组的锅炉，B2-第二机组的锅炉，HP1-第一机组的高压汽轮机，HP2-第二机组的高压汽轮机，IP1-第一机组的中压汽轮机，IP2-第二机组的中压汽轮机，LP1A-第一机组的第一低压汽轮机，LP1B-第一机组的第二低压汽轮机，LP1C-第一机组的第三低压汽轮机，LP2-第二机组的低压汽轮机，CON1-第一机组的凝汽器，CON2-第二机组的凝汽器，HPH1-第一机组的高压加热器，HPH2-第二机组的高压加热器，DEA1-第一机组的除氧器，DEA2-第二机组的除氧器，LPH1-第一机组的低压加热器，LPH2-第二机组的低压加热器，HE1-第一汽-水管壳式换热器，HE2-第二汽-水管壳式换热器，AHP-吸收式热泵，AHE-吸收式换热器，G-发生器，E-蒸发器，A-吸收器，C-冷凝器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1和2所示，一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统，其包括发电系统和供热系统两部分。其中：
所述发电系统包括第一机组和第二机组，所述第一机组和第二机组均配备有锅炉B、高压汽轮机HP、中压汽轮机IP、低压汽轮机LP、凝汽器CON、低压加热器LPH、除氧器DEA和高压加热器HPH，在第一机组中，所述低压汽轮机包括第一低压汽轮机LP1A、第二低压汽轮机LP1B和第三低压汽轮机LP1C，所述中压汽轮机IP1的排汽口分为两路，一路连接第一低压汽轮机LP1A，另一路连接第二低压汽轮机LP1B，所述第二低压汽轮机LP1B的排汽口分别连接第三低压汽轮机LP1C和第一汽-水管壳式换热器HE1的热端入口，所述第一低压汽轮机LP1A和第三低压汽轮机LP1C的排汽口均连接至第一凝汽器CON1。
所述供热系统包括一级热网系统和二级热网系统，一级热网系统主要由第一汽-水管壳式换热器HE1、第二汽-水管壳式换热器HE2、吸收式热泵AHP、吸收式换热器AHE组成；所述第一汽-水管壳式换热器HE1的热端入口连接第一机组中第二低压汽轮机LP1B的排汽口，热端出口连接第一机组中第一凝汽器CON1的出口，所述第一机组中第一凝汽器CON1通过循环冷却水与吸收式热泵AHP的蒸发器E出入口连接，所述第二机组中的中压汽轮机IP2排汽口分成两路分别连接至第二汽-水管壳式换热器HE2的热端入口和吸收式热泵AHP的发生器G入口，所述第二汽-水管壳式换热器HE2的热端出口和吸收式热泵AHP的发生器G出口连接至第二机组的第五低压加热器(即图1中的LPH2#5)的入口；所述吸收式换热器AHE的一级热网水入口连接第二汽-水管壳式换热器HE2的冷端出口，吸收式换热器AHE的一级热网水出口连接第一汽-水管壳式换热器HE1的冷端入口，第一汽-水管壳式换热器HE1的冷端出口连接吸收式热泵AHP的吸收器A入口，吸收式热泵AHP的冷凝器C出口连接至第二汽-水管壳式换热器HE2的冷端入口。
本实施例中，所述第一机组和第二机组中均设有三个高压加热器和四个低压加热器，分别为：第一高压加热器(即图2中的HPH#1)，第二高压加热器(即图2中的HPH#2)，第三高压加热器(即图2中的HPH#3)，第五低压加热器(即图2中的LPH#5)，第六低压加热器(即图2中的LPH#6)，第七低压加热器(即图2中的LPH#7)，第八低压加热器(即图2中的LPH#8)，所述第八低压加热器的入口连接凝汽器CON的出口，第八低压加热器的出口依序连接第七低压加热器、第六低压加热器、第五低压加热器、除氧器、第三高压加热器、第二高压加热器、第一高压加热器，第一高压加热器的出口连接至锅炉B。
本实施例中，所述锅炉B的过热蒸汽出口连接高压汽轮机HP的进汽口，过热蒸汽经过高压汽轮机HP后返回至锅炉B，锅炉的再热蒸汽出口连接中压汽轮机IP的进汽口，中压汽轮机IP的出汽口连接低压汽轮机LP。
本实施例中，所述除氧器DEA以及各个加热器(HPH和LPH)从各个汽轮机中抽取适量的蒸汽对凝结水进行预热。
本实施例中，所述汽-水管壳式换热器(HE1和HE2)、吸收式热泵AHP和吸收式换热器AHE均为目前现有装置。吸收式热泵AHP由发生器G、冷凝器C、蒸发器E和吸收器A组成，采用溴化锂(LiBr)溶液作为循环工质。发生器吸收高温热源，蒸发器E吸收低温热源，吸收的热量在吸收器A和冷凝器C中将热网水升温。本发明中，吸收式热泵AHP的高温热源由中压汽轮机IP的排汽提供，低温热源由凝汽器CON释放的低温余热提供，吸收式热泵AHP的热网水温度设计为55℃-80℃，吸收式热泵AHP的性能系数(总供热量与高温热源的比值)为1.73。
吸收式换热器AHE用于实现一级热网水与二级热网水间的换热，其主要由一个吸收式热泵和一个水-水板式换热器组成，其工作原理是将一级热网水130℃-85℃和55℃-25℃的热量分别用于提供吸收式热泵的高温热源和低温热源，而85℃-55℃的热量用于提供水-水板式换热器的热源，二级热网水在吸收式换热器中分为两路，一路在吸收式热泵中从50℃加热至68℃，另一路在水-水板式换热器中从50℃加热至80℃，最后混合为70℃。吸收式换热器AHE可将一级热网水的温度范围从常规的55℃-130℃变为25℃-130℃。
本发明具体应用过程如下：
本发明选取2*350MWe双机组运行模式的燃煤电厂作为研究对象。当供暖系统关闭时，如图2，两个机组独立运行，系统仅发电不供热，以第一机组为例，给水在锅炉B1内被加热至过热蒸汽，过热蒸汽进入高压汽轮机HP1内做功后，返回锅炉B1进行再热，再热后的蒸汽进入中压汽轮机IP1内做功，中压汽轮机IP1排汽进入低压汽轮机LP1内做功，做功后的乏汽进入第一凝汽器CON1降温至凝结水；凝结水经过低压加热器LPH1、除氧器DEA1和高压加热器HPH1被加热至锅炉给水温度，重新返回至锅炉B1；
第一机组中的低压汽轮机LP1设置三个，分别为LP1A、LP1B和LP1C，中压汽轮机的排汽分为两路进入低压汽轮机，一路(238.20t/h)进入LP1A，另一路(342.00t/h)进入LP1B，LP1B的排汽进入LP1C，LP1C的排汽和LP1A的排汽混合后进入第一凝汽器CON1，LP1A和LP1C的排汽压力(4.9kPa)与第一凝汽器CON1工作压力相同，LP1B的排汽压力(23kPa)与第八级低压加热器LPH1#8抽汽压力相同。
当供暖系统开启时，如图1，在机组1中，低压汽轮机LP1C关闭，LP1B的排汽(23kPa，62.7℃，342.00t/h)用于加热第一汽-水管壳式换热器HE1中的一级热网水，放热后形成的疏水返回至汽水系统中，与第一凝汽器CON1出口的凝结水混合；第一凝汽器CON1排放的部分低温余热提供吸收式热泵AHP所需的低温热源。
在第二机组中，中压汽轮机IP2的排汽(0.463MPa，275.1℃)全部送入供热系统，低压汽轮机LP2、第二凝汽器CON2、第六低压加热器LPH2#6、第七低压加热器LPH2#7和第八低压加热器LPH2#8关闭，其中，154.87t/h的排汽提供吸收式热泵AHP所需的高温热源，剩余的535.88t/h的排汽用于加热第二汽-水管壳式换热器HE2中的一级热网水，吸收式热泵发生器G出口的疏水与第二汽-水管壳式换热器HE2热端出口的疏水混合后，温度达到149.1℃，保留的第五级低压加热器LPH2#5将疏水加热至设计温度并送入除氧器DEA2中。
对于供热系统，一级热网水与二级热网水间的传热在吸收式换热器AHE中进行，吸收式换热器AHE将一级热网水的温度范围从常规的55℃-130℃变为25℃-130℃，二级热网水的设计温度为50℃-70℃。一级热网水(6150.0t/h)在汽-水管壳式换热器HE1中从25℃加热至55℃，接着在吸收式热泵AHP中从55℃加热至80℃，最后在汽-水管壳式换热器HE2中从80℃加热至130℃；
热力学分析结果表明，与常规热电联产系统相比，本发明所涉及的新型热电联产系统发电量和供暖量分别提高了25.84MWe和212.57MWth；经济学分析结果表明，尽管新型联产系统的成本比常规热电联产系统高出19.75M$，但多投入部分的投资回收期仅为1.92年，且新型系统25年的利润比常规系统高出123.12M$。因此，本发明所涉及的新型热电联产系统不仅取得了显著的节能效果，还带来了系统巨大的经济效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统，其特征在于，包括发电系统和供热系统两部分：
所述发电系统包括第一机组和第二机组，所述第一机组和第二机组均配备有锅炉、高压汽轮机、中压汽轮机、低压汽轮机、凝汽器、低压加热器、除氧器和高压加热器，在第一机组中，所述低压汽轮机包括第一低压汽轮机、第二低压汽轮机和第三低压汽轮机，所述中压汽轮机的排汽口分为两路，一路连接第一低压汽轮机，另一路连接第二低压汽轮机，所述第二低压汽轮机的排汽口分别连接第三低压汽轮机和第一汽-水管壳式换热器的热端入口，所述第一低压汽轮机和第三低压汽轮机的排汽口均连接至凝汽器；
所述供热系统包括一级热网系统和二级热网系统，一级热网系统主要由第一汽-水管壳式换热器、第二汽-水管壳式换热器、吸收式热泵、吸收式换热器组成；所述第一汽-水管壳式换热器的热端入口连接第一机组中第二低压汽轮机的排汽口，热端出口连接第一机组中凝汽器的出口，所述第一机组中的凝汽器通过循环冷却水与吸收式热泵的蒸发器出入口连接，所述第二机组中的中压汽轮机排汽口分成两路分别连接至第二汽-水管壳式换热器的热端入口和吸收式热泵的发生器入口，所述第二汽-水管壳式换热器的热端出口和吸收式热泵的发生器出口连接至第二机组第五低压加热器的入口；
所述吸收式换热器的一级热网水入口连接第二汽-水管壳式换热器的冷端出口，吸收式换热器的一级热网水出口连接第一汽-水管壳式换热器的冷端入口，第一汽-水管壳式换热器的冷端出口连接吸收式热泵的吸收器入口，吸收式热泵的冷凝器出口连接至第二汽-水管壳式换热器的冷端入口。
2.根据权利要求1所述的一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统，其特征在于，所述第一机组和第二机组中均设有三个高压加热器和四个低压加热器，分别为：第一高压加热器，第二高压加热器，第三高压加热器，第五低压加热器，第六低压加热器，第七低压加热器，第八低压加热器，所述第八低压加热器的入口连接凝汽器的出口，第八低压加热器的出口依序连接第七低压加热器、第六低压加热器、第五低压加热器、除氧器、第三高压加热器、第二高压加热器、第一高压加热器，第一高压加热器的出口连接至锅炉。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统，其特征在于，所述锅炉的过热蒸汽出口连接高压汽轮机的进汽口，过热蒸汽经过高压汽轮机后返回至锅炉，锅炉的再热蒸汽出口连接中压汽轮机的进汽口，中压汽轮机的出汽口连接低压汽轮机。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于双机组运行模式的新型热电联产系统，其特征在于，所述除氧器以及各个加热器从各个汽轮机中抽取适量的蒸汽对凝结水进行预热。
5.一种基于双机组运行模式的新型热电联产方法 ，其特征在于，设置两组发电机组，其中第一机组中设置三个低压汽轮机，中压汽轮机的排汽分为两路进入低压汽轮机，一路进入第一低压汽轮机，另一路进入第二低压汽轮机；
当供暖系统关闭时，两个机组独立运行，系统仅发电不供热，在第一机组中，第二低压汽轮机的排汽进入第三低压汽轮机，第一低压汽轮机和第三低压汽轮机的排汽混合后进入凝汽器；
当供暖系统开启时，将第一机组中的第三低压汽轮机关闭，然后第二低压汽轮机的排汽输送至第一汽-水管壳式换热器，用于加热第一汽-水管壳式换热器中的一级热网水，第一汽-水管壳式换热器放热后形成的疏水返回至汽水系统中，并与第一机组中凝汽器排出的凝结水混合；第一机组中凝汽器排放的部分低温余热提供给吸收式热泵作为吸收式热泵的低温热源；
在第二机组中，低压汽轮机、凝汽器、第六低压加热器、第七低压加热器和第八低压加热器关闭，中压汽轮机的排汽全部送入供热系统，其中，中压汽轮机的一部分排汽提供给吸收式热泵作为吸收式热泵的高温热源，剩余的排汽用于加第二汽-水管壳式换热器中的一级热网水，吸收式热泵发生器出口的疏水与第二汽-水管壳式换热器热端出口的疏水混合后，输送给保留的第五低压加热器中，该低压加热器将疏水加热至设计温度并送入除氧器中；
在供热系统中，一级热网水与二级热网水间的传热在吸收式换热器中进行，一级热网水通过第一汽-水管壳式换热器、吸收式热泵和第二汽-水管壳式换热器吸热升温，再通过吸收式换热器将热量传递给二级热网水，进而提供给用户。
6.根据权利要求5所述的一种基于双机组运行模式的新型热电联产方法，其特征在于，吸收式换热器将一级热网水的温度范围从常规的55°C-130°C变为25°C-130°C，二级热网水的温度为50°C-70°C；一级热网水在第一汽-水管壳式换热器中从25°C加热至55°C，接着在吸收式热泵中从55°C加热至80°C，最后在第二汽-水管壳式换热器中从80°C加热至130°C。
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