CN113669121B - 一种电厂凝汽系统及工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电厂凝汽系统及工艺方法。本发明包括：汽轮机、压缩机、凝汽器，所述汽轮机包括汽轮机出口，所述汽轮机出口用于排出低压热蒸汽；所述压缩机包括第一压缩机入口、压缩机出口；所述凝汽器包括凝汽器热蒸汽入口、凝汽器介质入口、凝汽器排水口、凝汽器排气口，所述热蒸汽入口与汽轮机出口相连，所述压缩机出口与凝汽器介质入口相连，所述凝汽器介质入口用于输入液态二氧化碳，所述凝汽器排气口与第一压缩机入口相连。本发明使用二氧化碳作为冷却介质，可以从根本上解决电厂循环水使用量大、防腐防垢工艺复杂、废水处理成本高、环境污染等问题，起到降耗、节能、循环废水零排放的作用。

Description

一种电厂凝汽系统及工艺方法

技术领域

本发明涉及电厂循环冷却系统节能减排技术领域，尤其是指一种电厂凝汽系统及工艺方法

背景技术

目前国家提出了火力发电厂碳减排与废水零排放的要求，燃煤电厂的碳排放和废水排放主要来自于以下方面：

一、碳排放来自于电厂锅炉烟气的排放，锅炉的烟气经过脱硫、脱硝以后，主要成分是二氧化碳、氮气及少量的水蒸气，这样的烟气外排带来二氧化碳外排的问题；

二、电厂废水排放主要来自于循环冷却水系统的排放，电厂发电的机理为从锅炉中来的高压蒸汽到达汽轮机中快速降压流动，带动汽轮高速旋转发电，而蒸汽压强的降低来自于汽轮机后面的凝汽器中蒸汽被冷凝后的体积急剧缩小造成的低压。

在凝汽器中用冷却水与蒸汽换热使蒸汽冷凝，冷却水温度升高后进入冷却塔进行冷却，在冷却的过程中会产生大量蒸发，造成较大量水资源浪费和热能浪费，污染环境；同时水分蒸发造成循环水中离子浓度升高，使循环水腐蚀性和结垢性都提高，为维持循环水的腐蚀性和结垢性在合理的范围内，每天必须外排一部分循环水，用新鲜的工业用水进行补充，造成较大的水资源消耗，同时必须配套一系列的防腐、防垢工艺措施和设备，工艺复杂，成本升高；外排水中的氟离子、氯离子及钙镁离子的浓度都偏高，需要处理达标后才能排放，而处理的成本也比较高昂；目前国家提出了电厂废水零排放的要求，这对于使用水冷法进行蒸汽冷凝的传统工艺的电厂面临着很大的循环水废水处理压力。蒸发水分消耗、外排废水处理、环境污染、新鲜补水成本、设备腐蚀和结垢这几个方面的问题都较大地压缩了电厂的利润空间，对电厂的良性运营产生了巨大的挑战。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种使用二氧化碳作为冷凝介质的新的电厂汽轮机蒸汽冷凝工艺方法，这种方法可以解决凝汽器中循环水使用量大、防腐防垢工艺复杂、废水处理成本高、环境污染等问题，而且可以从一定程度上减少电厂的碳排放，起到降耗、节能、循环废水零排放的作用。

为解决上述技术问题，本发明首先提供一种电厂凝汽系统，包括：汽轮机、压缩机、凝汽器，所述汽轮机包括汽轮机出口，所述汽轮机出口用于排出蒸汽；所述压缩机包括第一压缩机入口、压缩机出口；所述凝汽器包括凝汽器蒸汽入口、凝汽器介质入口、凝汽器排水口、凝汽器排气口，所述热蒸汽入口与汽轮机出口相连，所述凝汽器介质入口与压缩机出口相连，所述凝汽器介质入口用于输入液态二氧化碳，所述凝汽器排气口与第一压缩机入口相连；使用液态二氧化碳作为冷却介质，在凝汽器中与汽轮机排出的蒸汽换热，使蒸汽冷凝，气化后的二氧化碳进入压缩机压缩成液体以后重新作为冷却介质进入凝汽器，循环使用。

在本发明的一个实施例中，还包括锅炉、二氧化碳分离装置，所述汽轮机还包括汽轮机入口，所述压缩机还包括第二压缩机入口；所述锅炉包括烟气排气口和热蒸汽出口，所述热蒸汽出口与所述汽轮机入口相连，所述烟气排气口用于排出包含二氧化碳的烟气，热蒸汽通过汽轮机入口经过汽轮机并从汽轮机出口以低压蒸汽形式排出；所述二氧化碳分离装置包括二氧化碳分离入口与二氧化碳分离出口，所述二氧化碳分离入口与烟气排气口相连；所述二氧化碳分离出口排出气态或液态二氧化碳，当二氧化碳分离出口排出气态二氧化碳时，所述二氧化碳分离出口与第二压缩机入口相连，当二氧化碳分离出口排出液态二氧化碳时，所述二氧化碳分离出口与凝汽器介质入口相连。

在本发明的一个实施例中，所述凝汽器与锅炉连接回路之间还设有锅炉用水前处理设备，所述压缩机出口与凝汽器介质入口之间还设有液态二氧化碳储罐；所述凝汽器排气口和压缩机第一入口之间还设有二氧化碳储罐。

在本发明的一个实施例中，所述锅炉用水前处理设备包括前处理入口，所述凝汽器排水口与前处理入口之间设有凝结水泵。

在本发明的一个实施例中，所述锅炉用水前处理设备还包括前处理出口，所述锅炉还包括给水口，所述前处理出口与给水口之间设有给水泵。

在本发明的一个实施例中，所述压缩机为多级压缩机。

本发明还提供一种电厂凝汽工艺方法，包括如下步骤：

S1：通过凝汽器介质入口通入液态二氧化碳进入凝汽器，液态二氧化碳在凝汽器中与汽轮机排出蒸汽换热使蒸汽冷凝，所得凝结水通过凝汽器排水口排出，汽化后的二氧化碳由凝汽器排气口排出；

S2：由凝汽器排气口排出的气态二氧化碳进入压缩机进行压缩得到液态二氧化碳，所得到液态二氧化碳再次进入凝汽器进行冷却循环。

在本发明的一个实施例中，步骤S1之前，还包括以下步骤：

S11：将锅炉的烟气从烟气排气口排出至二氧化碳分离入口，在二氧化碳分离装置中进行分离，从分离出口排出二氧化碳；

S12：将分离得到的二氧化碳一部分作为副产物，另一部分作为凝汽器冷却用二氧化碳循环系统的补充送入二氧化碳循环系统。

在本发明的一个实施例中，步骤S2后，还包括S21：凝汽器排水口排出的凝结水通过凝结水泵送入锅炉用水前处理设备，通过锅炉前处理设备进行前处理。

在本发明的一个实施例中，步骤S21后，还包括S22：通过锅炉用水前处理设备处理后的凝结水，再通过给水泵送入至锅炉。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

一、本发明二氧化碳作为凝汽器的循环冷却介质，不再需要用冷却水作为凝汽器的冷却介质，不仅减少了水资源消耗，实现循环废水零排放，而且消除了循环水浓缩而带来的设备腐蚀和结垢问题，不再需要庞大、低效的冷却塔设备和防腐、除垢附属设备，工艺得到简化，设备占地面积大幅缩小，为电厂节约了宝贵的空间，同时消除了循环水冷却蒸发时带来的环境污染和浓缩水外排前的高昂的处理成本，经济效益和环保效益非常显著。

二、本发明将液态二氧化碳作为冷却介质，与水作为冷却介质相比，具有诸多优势：(1)通过液态二氧化碳的汽化对排汽进行冷凝，换热器中冷热流体两侧都属于有相变的对流传热过程，有相变的传热过程的对流传热系数远高于无相变的对流传热过程，而用水作为冷却介质时的冷却过程为无相变对流传热，故用液态二氧化碳代替冷却水以后，总传热系数可以提高10倍左右，极大地降低凝汽器的传热面积，从而降低设备成本和占地面积；(2)液态二氧化碳的汽化潜热远高于冷却水的升温显热，527kPa下液态二氧化碳的汽化潜热为347.77kJ/kg，零度时的定压比热容为0.838kJ/kg℃，假设二氧化碳在常压下汽化并升温至10℃，每千克二氧化碳吸热量超过600kJ/kg，而如果用水作为制冷剂，假设水温升高15℃，则每千克水吸热量为63kJ/kg，故用二氧化碳作为冷却剂，比用水作为冷却剂，冷却介质的用量可以降低10倍左右，冷却介质用量减少，可以相应地降低管道设备的尺寸和凝汽器的空间体积，进一步降低设备成本和占地面积。(3)用二氧化碳代替水作为制冷剂，可以提高电厂的发电效率，因为二氧化碳作为冷却介质，汽化温度在-50到-70℃之间(与汽化压强有关)，如此低的冷端温度使得凝汽器的背压较低，汽轮机中的蒸汽膨胀做功功率提高，发电效率提高，可以大幅提高电厂的发电经济性，提高电厂的利润；(4)所用二氧化碳来源可以源于电厂自身的废气，不需要花成本外购，变废为宝，节省外购成本的同时减少了水资源消耗，保护了环境，具有环境友好的工艺特点。

三、本发明降低了成本：由于压缩机用电为电厂自用电，成本较低，使得二氧化碳的压缩成本较低，同时取消了循环冷却水的使用，由此消除冷却水循环带来的庞大的冷却水塔及循环系统，以及高循环水使用成本、高污染外排水处理成本、设备腐蚀维修和换热器结垢降效、清洗维护成本等；因此，本发明提出的工艺可以降低电厂的运营成本。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的凝汽系统工艺图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

参照图1所示，本实施例提供了一种电厂凝汽系统，包括：汽轮机、压缩机、凝汽器，所述汽轮机包括汽轮机出口，所述汽轮机出口用于排出蒸汽；所述压缩机包括第一压缩机入口、压缩机出口；所述凝汽器包括凝汽器蒸汽入口、凝汽器介质入口、凝汽器排水口、凝汽器排气口，所述热蒸汽入口与汽轮机出口相连，所述凝汽器介质入口与压缩机出口相连，所述凝汽器介质入口用于输入液态二氧化碳，所述凝汽器排气口与第一压缩机入口相连；使用液态二氧化碳作为冷却介质，在凝汽器中与汽轮机排出的蒸汽换热，使蒸汽冷凝，气化后的二氧化碳进入压缩机压缩成液体以后重新作为冷却介质进入凝汽器，循环使用。

本实施例利用上述系统的一种电厂凝汽工艺方法，包括如下步骤：

S1：通过凝汽器介质入口通入液态二氧化碳进入凝汽器，液态二氧化碳在凝汽器中与汽轮机排出蒸汽换热使蒸汽冷凝，所得凝结水通过凝汽器排水口排出，汽化后的二氧化碳由凝汽器排气口排出；

S2：由凝汽器排气口排出的气态二氧化碳进入压缩机进行压缩得到液态二氧化碳，所得到液态二氧化碳再次进入凝汽器进行冷却循环。

本发明将液态二氧化碳作为冷却介质，与水作为冷却介质相比，具有诸多优势：(1)二氧化碳来源源于电厂自身的废气，不需要花成本外购，变废为宝，节省外购成本的同时减少了水资源消耗，保护了环境，具有环境友好的工艺特点；(2)通过液态二氧化碳的汽化对排汽进行冷凝，换热器中冷热流体两侧都属于有相变的对流传热过程，有相变的传热过程的对流传热系数远高于无相变的对流传热过程，而用水作为冷却介质时的冷却过程为无相变对流传热，故用液态二氧化碳代替冷却水以后，总传热系数可以提高10倍左右，极大地降低凝汽器的传热面积，从而降低设备成本和占地面积；(3)液态二氧化碳的汽化潜热远高于冷却水的升温显热，常压下液态二氧化碳的汽化潜热为577.8kJ/kg，零度时的定压比热容为0.838kJ/kg℃，假设二氧化碳汽化并升温至10℃，每千克二氧化碳吸热量为636.46kJ/kg，而如果用水作为制冷剂，假设水温升高15℃，则每千克水吸热量为63kJ/kg，故用二氧化碳作为冷却剂，比用水作为冷却剂，冷却介质的用量可以降低10倍左右，冷却介质用量减少，可以相应地降低管道设备的尺寸和凝汽器的空间体积，进一步降低设备成本和占地面积。(4)用二氧化碳代替水作为制冷剂，可以提高电厂的热能经济性，因为二氧化碳作为冷却介质的温度比水低50-70℃，使得凝汽器的背压较低，汽轮机中的蒸汽膨胀做功功率提高，发掉效率提高，可以大幅提高电厂的发电经济性，提高电厂的利润。

实施例2

本实施例将液态二氧化碳冷却介质通过锅炉烟气分离并压缩得到，继续参照图1，在实施例1所述系统的基础上，还设有锅炉、二氧化碳分离装置，所述汽轮机还包括汽轮机入口，所述压缩机还包括第二压缩机入口；所述锅炉包括烟气排气口和热蒸汽出口，所述热蒸汽出口与所述汽轮机入口相连，所述烟气排气口用于排出包含二氧化碳的烟气，热蒸汽通过汽轮机入口经过汽轮机并从汽轮机出口以低压蒸汽形式排出；所述二氧化碳分离装置包括二氧化碳分离入口与二氧化碳分离出口，所述二氧化碳分离入口与烟气排气口相连；所述二氧化碳分离出口排出气态或液态二氧化碳，当二氧化碳分离出口排出气态二氧化碳时，所述二氧化碳分离出口与第二压缩机入口相连，当二氧化碳分离出口排出液态二氧化碳时，所述二氧化碳分离出口与凝汽器介质入口相连。

进一步地，所述凝汽器与锅炉连接回路之间还设有锅炉用水前处理设备，所述压缩机出口与凝汽器介质入口之间还设有液态二氧化碳储罐；所述凝汽器排气口和压缩机第一入口之间还设有二氧化碳储罐；所述锅炉用水前处理设备包括前处理入口，所述凝汽器排水口与前处理入口之间设有凝结水泵；所述锅炉用水前处理设备还包括前处理出口，所述锅炉还包括给水口，所述前处理出口与给水口之间设有给水泵；所述压缩机优选为多级压缩机，能对气态二氧化碳更好地进行压缩。

上述设置使得本发明无需设置冷却塔(凉水塔)，同时消除了冷却塔带来的附属设备、庞大的占地面积、水汽蒸发污染、循环水浓缩导致的设备腐蚀、换热器结垢、外排水处理等一系列高消耗、高污染的问题。

进一步地，本实施例还提供利用上述系统的工艺方法，包括以下步骤：

步骤S1：将锅炉的烟气从烟气排气口排出至二氧化碳分离入口，在二氧化碳分离装置中进行分离，从分离出口排出二氧化碳；

步骤S2：将分离得到的二氧化碳一部分作为副产物，另一部分作为凝汽器用二氧化碳循环系统的补充送入二氧化碳循环系统；

步骤S3：通过凝汽器介质入口通入液态二氧化碳(由步骤S2中产生)进入凝汽器，液态二氧化碳在凝汽器中与汽轮机的热蒸汽换热使蒸汽冷凝，所得凝结水通过凝汽器排水口排出，汽化后的二氧化碳由凝汽器排气口排出；

步骤S4：由凝汽器排气口排出的气态二氧化碳进入压缩机进行压缩得到液态二氧化碳，所得到液态二氧化碳再次进入凝汽器进行冷却循环；

步骤S5：凝汽器排水口排出的凝结水通过凝结水泵送入锅炉用水前处理设备，通过锅炉前处理设备进行前处理；

步骤S6：通过锅炉用水前处理设备处理后的凝结水，再通过给水泵送入至锅炉。

本实施例中，若步骤S2中从分离出口排出二氧化碳为气体，则先将分离得到的气态二氧化碳一部分作为副产物，另一部分从第二压缩机入口通入压缩机进行压缩，得到液态二氧化碳，将液态二氧化碳通过凝汽器介质入口通入凝汽器。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种电厂凝汽系统，其特征在于，包括：

汽轮机，所述汽轮机包括汽轮机出口，所述汽轮机出口用于排出蒸汽；

压缩机，所述压缩机包括第一压缩机入口、压缩机出口；

凝汽器，所述凝汽器包括凝汽器蒸汽入口、凝汽器介质入口、凝汽器排水口、凝汽器排气口，所述凝汽器蒸汽入口与汽轮机出口相连，所述凝汽器介质入口与压缩机出口相连，所述凝汽器介质入口用于输入液态二氧化碳，所述凝汽器排气口与第一压缩机入口相连；

使用液态二氧化碳作为冷却介质，在凝汽器中与汽轮机排出的蒸汽换热，使蒸汽冷凝，气化后的二氧化碳进入压缩机压缩成液体以后重新作为冷却介质进入凝汽器，循环使用；

还包括锅炉、二氧化碳分离装置，所述汽轮机还包括汽轮机入口，所述压缩机还包括第二压缩机入口；所述锅炉包括烟气排气口和热蒸汽出口，所述热蒸汽出口与所述汽轮机入口相连，所述烟气排气口用于排出包含二氧化碳的烟气，热蒸汽通过汽轮机入口经过汽轮机并从汽轮机出口以低压蒸汽形式排出；所述二氧化碳分离装置包括二氧化碳分离入口与二氧化碳分离出口，所述二氧化碳分离入口与烟气排气口相连；所述二氧化碳分离出口排出气态或液态二氧化碳，当二氧化碳分离出口排出气态二氧化碳时，所述二氧化碳分离出口与第二压缩机入口相连，当二氧化碳分离出口排出液态二氧化碳时，所述二氧化碳分离出口与凝汽器介质入口相连。

2.根据权利要求1所述的一种电厂凝汽系统，其特征在于，所述凝汽器与锅炉连接回路之间还设有锅炉用水前处理设备，所述压缩机出口与凝汽器介质入口之间还设有液态二氧化碳储罐；所述凝汽器排气口和压缩机第一入口之间还设有二氧化碳储罐。

3.根据权利要求2所述的一种电厂凝汽系统，其特征在于，所述锅炉用水前处理设备包括前处理入口，所述凝汽器排水口与前处理入口之间设有凝结水泵。

4.根据权利要求3所述的一种电厂凝汽系统，其特征在于， 所述锅炉用水前处理设备还包括前处理出口，所述锅炉还包括给水口，所述前处理出口与给水口之间设有给水泵。

5.根据权利要求4所述的一种电厂凝汽系统，其特征在于，所述压缩机为多级压缩机。

6.一种电厂凝汽工艺方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将锅炉的烟气从烟气排气口排出至二氧化碳分离入口，在二氧化碳分离装置中进行分离，从分离出口排出二氧化碳；

将分离得到的二氧化碳一部分作为副产物，另一部分作为凝汽器冷却用二氧化碳循环系统的补充送入二氧化碳循环系统；

通过凝汽器介质入口通入液态二氧化碳进入凝汽器，液态二氧化碳在凝汽器中与汽轮机排出蒸汽换热使蒸汽冷凝，所得凝结水通过凝汽器排水口排出，汽化后的二氧化碳由凝汽器排气口排出；

S2：由凝汽器排气口排出的气态二氧化碳进入压缩机进行压缩得到液态二氧化碳，所得到液态二氧化碳再次进入凝汽器进行冷却循环。

7.根据权利要求6所述的一种电厂凝汽工艺方法，其特征在于，步骤S2后，还包括S21：凝汽器排水口排出的凝结水通过凝结水泵送入锅炉用水前处理设备，通过锅炉前处理设备进行前处理。

8.根据权利要求7所述的一种电厂凝汽工艺方法，其特征在于，步骤S21后，还包括S22：通过锅炉用水前处理设备处理后的凝结水，再通过给水泵送入至锅炉。

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