CN201650391U - 一种联合循环发电系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种联合循环发电系统，它将蒸汽动力循环部分和乏气热能再利用部分耦合在一起，乏气热能再利用部分的结构为：集热棚呈倒置的漏斗形，覆盖布置在换热器的上方，集热棚的四周作为空气的进口，集热棚中心开有圆形出口，集热棚进口的截面积大于出口的截面积，抽吸管竖直安装在集热棚的中部，且其入口与集热棚出口密封连接，涡轮设置在抽吸管的入口处，导流块安装在涡轮下方，发电机组通过连接轴直接连接或者通过变速器与涡轮连接。该系统不仅可以提高热能的利用效率，减少冷源损失，达到节能减排的效果，还可以消除空冷风机的噪声，减少噪声污染。

Description

一种联合循环发电系统
技术领域
本实用新型涉及蒸汽机装置，特别是涉及到应用从蒸汽机装置中抽出或排出的蒸汽或冷凝物的系统，该系统以交换方式回收蒸汽的能量以进行发电。
背景技术
直接空冷电站顾名思义就是采用直接空冷技术的空冷电站。在直接空冷电站的热力循环系统中，工质水在锅炉中吸收热能变成饱和蒸汽，再在过热器中变成过热蒸汽，然后进入汽轮机做功，从汽轮机流出的乏汽在空冷凝汽器中被外界空气冷却而凝结成水，乏汽与空气之间的热交换是在表面式凝汽器上完成。在直接空冷换热过程中，利用空冷凝汽器翅片管外侧流过的冷空气，将空冷凝汽器中乏汽冷凝成凝结水。最后，水泵将凝结水提高压力重新泵入锅炉。
传统的直接空冷电站效率不高(40％左右)，这是所有该类火电站的通病，至今没有有效的解决措施。据分析，该类火电站热能流失的最主要渠道是乏汽通过空冷凝汽器散热，外界冷空气掳走乏汽的热能，这部分被掳走的能量在火电站燃料燃烧放出的热能总量中所占比例近50％。这是因为虽然直接空冷电站乏汽温度比较低，但是由于乏汽要释放汽化潜热凝结成液态水，所以总热能还是非常巨大。但是要利用这部分热能还是有很大困难，由于热能温度比较低，属于低品位热能，目前运行的直接空冷电站都将这部分低品位热能当作“废热”直接排放到了大气环境当中。由于大部分热能都散失到大气环境中，不仅造成环境污染，而且还造成能源浪费。另外，现有的直接空冷电站均需要空冷风机鼓风，利用鼓风实现强制对流换热来冷却乏汽。这样鼓风机不仅消耗巨大的电能，而且保养维修成本较高，同时也发出巨大的噪声。因此，提高直接空冷电站的能量利用率是一项节约能源、保护环境的有利举措。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种联合循环发电系统，该系统可以提高整体发电效率，达到节能减排的效果。
本实用新型提供的联合循环发电系统，包括锅炉、过热器、汽轮机、换热器和给水泵，锅炉、过热器、汽轮机、换热器和给水泵通过管道依次连接，最后给水泵通过管道连接锅炉，汽轮机与电站发电机组连接，带动电站发电机组发电；其特征在于：该系统还包括集热棚、抽吸管、涡轮，发电机组和导流块；
集热棚呈倒置的漏斗形，覆盖布置在换热器的上方，集热棚的四周作为空气的进口，集热棚中部开有圆形出口，集热棚进口的截面积大于出口的截面积，抽吸管竖直安装在集热棚的中部，抽吸管入口与集热棚出口直接密封连接，涡轮设置在抽吸管的入口处或者集热棚内，导流块安装在涡轮下方，发电机组通过连接轴直接连接或者通过变速器与涡轮连接。
本实用新型充分利用了换热器，将蒸汽动力循环部分和乏气热能再利用部分耦合在一起以形成联合循环系统。本实用新型的显著优点表现为：
1、提出一种新的联合循环发电系统，蒸汽动力循环部分通过蒸汽推动汽轮机做功发电；乏气热能再利用部分能够有效利用乏汽的低品位热能产生自然通风，再通过流动的空气推动涡轮做功发电回收再利用部分以往被直接排放到大气中的乏汽的低品位热能进行发电，从而提高热能的利用效率，减少冷源损失。
2、在采用直接空冷技术的空冷电站上利用本实用新型能够实现自然通风冷却空冷冷凝器内的乏汽，不需要再单独设置空冷风机，从而减少火电站自身耗电量，进一步降低电厂的建设和运行成本，同时消除了空冷风机的噪声，减少噪声污染。
3、在采用直接空冷的空冷电站上利用本实用新型的联合循环发电系统，乏气热能再利用部分的发电连续性和稳定性比传统自然风发电要好，且可以不受到地域以及气候等因素对发电效率的影响，只要电站稳定工作，即可以实现整个联合循环系统的稳定工作。
4、在采用直接空冷的空冷电站上利用本实用新型的联合循环发电系统能够利用电站现有的输电设施，避免了风力发电以及太阳能烟囱发电技术需要重新建设输电设施的问题，减少建设成本。
5、克服了太阳能烟囱发电技术中的覆盖层的花费成本过高的问题、覆盖层所使用的材料使用寿命太短的问题、集热棚占地面积巨大以及受光照时间和光照强度影响较大。
附图说明
图1是本实用新型的一种实施例联合循环发电系统的原理示意图。
图2是本实用新型的实施例联合循环发电系统的T-S图。
图3、4、5、6、7、8、9、10是本实用新型的实施例中乏汽热能再利用部分的剖视图，其中此剖视图表示若干种不同的实施方式。
各图中，1-锅炉，2-过热器，3-汽轮机，4-电站发电机组，5-给水泵，6-换热器，7-集热棚，8-抽吸管，9-涡轮，10-发电机组，11-导流块，12-管道。
具体实施方式
下面通过借助实施例更加详细地说明本实用新型，但以下实施例仅是说明性的，本实用新型的保护范围并不受这些实施例的限制。
如图1所示，本实用新型提供的发电系统包括蒸汽动力循环部分和乏汽热能再利用部分。
蒸汽动力循环部分包括锅炉1、过热器2、汽轮机3、换热器6和给水泵5。锅炉1、过热器2、汽轮机3、换热器6和给水泵5通过管道12依次连接，最后给水泵5通过管道连接锅炉1，以实现工质蒸汽在其中能够进行热力循环；汽轮机3与电站发电机组4连接，带动电站发电机组4发电。
乏汽热能再利用部分包括集热棚7、抽吸管8、涡轮9，发电机组10和导流块11。
集热棚7呈倒置的漏斗形，用钢结构框架固定在换热器6的上方，并能完全覆盖布置在地面上的换热器6；集热棚7的四周作为空气的进口，集热棚7中部开有圆形出口；在换热器6安装的位置处，地面到集热棚7的距离与换热器6高度相同；集热棚7进口流通面积大于出口流通面积，使空气在流动过程逐渐加速；集热棚7由绝热性能较好的材料制成，以起到绝热的作用，所述绝热材料优选为柔性泡沫橡塑，或者在一般钢铁材料制成后在其外表面涂敷绝热材料以起到绝热的效果，所述绝热材料优选为矿物纤维、膨胀珍珠岩和多孔混凝土；抽吸管8垂直地面设在集热棚7的中心，下方设有专门的支撑固定结构，上方还设有拉索牵拉固定；抽吸管8的入口与集热棚7的出口相连，且要求密封；抽吸管8入口截面积与集热棚7出口截面积相同；抽吸管8由绝热性能较好且摩擦较小的材料制成，以起到绝热的作用，所述绝热材料优选为泡沫玻璃，或者在一般摩擦较小的钢铁材料或钢筋混泥土制成后在其外表面涂敷绝热材料以起到绝热的效果，所述绝热材料优选为矿物纤维、膨胀珍珠岩和多孔混凝土；涡轮9设在抽吸管8的入口处，可以为单级或者多级；导流块11设在涡轮9下方；所述导流块11优选为螺旋状导流结构、二次曲面形和三次曲面形；导流块11不仅用于引导空气流动，而且用于支撑涡轮9，并在其内部安装发电机组10；发电机组10通过连接轴直接连接或者通过变速器与涡轮9连接。
此实施例中所述的抽吸管8可以为圆柱形、双曲线形、渐扩形和渐缩形。圆柱形抽吸管8结构简单，稳定性稍差；双曲线形抽吸管8流动性能较好，结构更稳定。
此实施例中所述的涡轮9为单个，其级数可为单级或者多级，如图3、4。多级的涡轮9可以充分利用热空气的能量。
优选的，此实施例中所述的抽吸管8和集热棚7可以不是直接连接，而是设有过渡结构；该过渡结构与导流块11固定在一起；在过渡结构中开设至少一个通道，空气只能经其从集热棚7进入抽吸管8内；若通道是多个，则各个通道相互独立；通道的截面是先缩后扩；每个通道中设置一个涡轮9和一个发电机组10，且设置在通道截面积最小处，如图5、6；涡轮9个数和发电机组10个数都与通道个数相等，级数可为单级或者多级，且其轴垂直地面。设计这种结构的主要原因是减小涡轮9的尺寸。
优选的，用圆环形分隔板将集热棚7下方空间分成内外两个空间，圆环形分隔板内外直径之差为5～10米；在圆环形分隔板上开设通道，空气只能经其从集热棚7的外部空间进入集热棚7的内部空间；通道轴线水平，且形状为先缩后扩；通道个数多于3个，且均匀分布在圆环形分隔板上，各个通道相互独立；换热器6设在外部空间内，并被集热棚7完全罩住；涡轮9设在通道截面积最小处，其轴水平，其级数可为单级或者多级；每个通道内安装一个涡轮9和一个发电机组10，如图7、8。设计这种结构的主要原因是减小涡轮9的尺寸，降低涡轮9和发电机组10的安装高度。
优选的，用圆环形分隔板将集热棚7下方空间分成内外两个空间，圆环形分隔板内外直径之差为5～10米；在圆环形分隔板上开设通道，空气只能经其从集热棚7的外部空间进入集热棚7的内部空间；通道轴线倾斜，且倾斜度不超过集热棚的倾斜度，形状为先缩后扩；通道个数多于3个，且均匀分布在圆环形分隔板上，各个通道相互独立；换热器设在外部空间内，并被集热棚7完全罩住；涡轮9设在通道截面积最小处，其轴倾斜，且倾斜度与通道轴线倾斜度相同；涡轮9级数可为单级或者多级；每个通道内安装一个涡轮9和一个发电机组10，如图9、10。设计这种结构的主要原因是减小涡轮9的尺寸，降低涡轮9和发电机组10的安装高度。
图2是本实用新型的联合循环发电系统的热力循环过程T-S图。图中热力循环过程包括蒸汽动力循环过程和乏汽热能再利用部分的热力循环过程。
蒸汽动力循环过程如下：
蒸汽动力循环的工质是蒸汽。燃料在锅炉1燃烧，放出热能。水在锅炉1中吸热变成饱和蒸汽，饱和蒸汽再在锅炉过热器2吸热成为过热蒸汽，如过程b-e。过热蒸汽在汽轮机3中膨胀，对外做功，在汽轮机3出口蒸汽达到低压下的湿蒸汽状态(乏汽)，如过程e-f。在汽轮机3膨胀做完功后的乏汽进入换热器6，释放热能凝结成水，如过程f-a。给水泵5将凝结水提高压力重新泵入锅炉1，如过程a-b，完成一个循环。为说明问题，此处只是示意性地介绍了朗肯循环，当然为提高效率，蒸汽热力循环也可采用回热、中间再热措施。
乏汽热能再利用部分的热力循环过程如下：
乏汽热能再利用部分的热力循环过程是以大气中的空气为工质。地面空气等压吸收乏汽释放出来热能Q，做功能力增加，如过程h-i；推动涡轮9做功，如过程i-j；并克服重力流向高空，如过程j-k。做完功的低温热空气在高空散热，如过程k-g。高空的冷空气在重力作用下达到地面，压力升高，实现压缩过程，如过程g-h。在负压的作用下进入集热棚7，完成一个循环。
通过换热器将蒸汽动力循环和乏汽热能再利用部分的热力循环复合到一起，即工质为蒸汽的蒸汽动力循环和工质为空气的热力循环互相复合，将蒸汽动力循环中的换热器作为乏气热能再利用部分中的热力循环的热源
(加热空气的设备)，从而形成联合循环发电系统。
上述发明系统可应用在新设计的采用直接空冷技术的空冷电站上，其中蒸汽动力循环部分可以直接采用直接空冷电站中的锅炉、过热器、汽轮机、空冷凝汽器(相当于换热器)和给水泵。当然为提高直接空冷电站的效率，蒸汽热力循环也可采用回热、中间再热措施。最终，通过空冷凝汽器将直接空冷电站的蒸汽动力循环和乏汽热能再利用部分的热力循环复合到一起，即工质为蒸汽的蒸汽动力循环和工质为空气的热力循环互相复合，将蒸汽动力循环中的换热器作为乏气热能再利用部分中的热力循环的热源(加热空气的设备)，从而形成联合循环发电系统。
其工作过程为直接空冷电站运行时，水在锅炉中吸收热能变成饱和蒸汽，再在过热器中变成过热蒸汽，然后进入汽轮机做功，在汽轮机做完功以后流出的乏汽通过空冷凝汽器将热能释放到外界的冷空气中，冷凝成液态水。给水泵再将凝结水提高压力重新泵入锅炉，完成一个空冷电厂热力循环。外界的冷空气(此处是相对概念，指集热棚7内部的冷空气)吸收热量，温度升高，密度降低。在密度差的作用下，热空气汇聚到集热棚的出口。抽吸管的巨大抽吸作用将集热棚出口的大量热空气抽吸到高空中，从而形成强烈的空气流动。集热棚内热空气被抽吸到高空后，在集热棚内形成一定的负压。地面上外界的冷空气(指集热棚外面的冷空气)在压差的作用下，流经空冷凝汽器，与其换热使乏汽被冷却，温度升高，并再次汇集到集热棚的出口，完成一个循环。当热空气以较大的速度运动时，强烈的热气流将推动安装在抽吸管底部或集热棚内的涡轮做功，将热气流的动能和势能转换为机械能。若将涡轮与发电机组相连，则可实现利用乏汽的热能发电，实现联合循环发电。

Claims (6)

1.一种联合循环发电系统，包括锅炉(1)、过热器(2)、汽轮机(3)、换热器(6)和给水泵(5)，锅炉(1)、过热器(2)、汽轮机(3)、换热器(6)和给水泵(5)通过管道依次连接，最后给水泵(5)通过管道连接锅炉(1)，汽轮机(3)与电站发电机组(4)连接，带动电站发电机组(4)发电；其特征在于：该系统还包括集热棚(7)、抽吸管(8)、涡轮(9)，发电机组(10)和导流块(11)；
集热棚(7)呈倒置的漏斗形，覆盖布置在换热器(6)的上方，集热棚(7)的四周作为空气的进口，集热棚(7)中部开有圆形出口，集热棚(7)进口的截面积大于出口的截面积，抽吸管(8)竖直安装在集热棚(7)的中部，抽吸管(8)入口与集热棚(7)出口直接密封连接，涡轮(9)设置在抽吸管(8)的入口处或者集热棚内，导流块(11)安装在涡轮(9)下方，发电机组(10)通过连接轴直接连接或者通过变速器与涡轮(9)连接。
2.根据权利要求1所述的联合循环发电系统，其特征在于：所述导流块(11)为螺旋状导流结构、二次曲面形或三次曲面形。
3.根据权利要求1或2所述的联合循环发电系统，其特征在于：抽吸管(8)为圆柱形、双曲线形、渐扩形或渐缩形。
4.根据权利要求1或2所述的联合循环发电系统，其特征在于：抽吸管(8)通过过渡结构与集热棚(7)连接，该过渡结构中开设有一个通道或相互独立的二个以上的通道，通道的形状是先缩后扩；涡轮(9)、发电机组(10)、与通道的个数均相等，且安装在通道截面最小处。
5.根据权利要求1或2所述的联合循环发电系统，其特征在于：集热棚(7)由圆环形分隔板将下方空间分成内、外部空间，换热器(6)设置在外部空间内，圆环形分隔板内外直径之差为5～10米；在圆环形分隔板上开设均匀分布的通道，各通道的轴线水平，且形状为先缩后扩，涡轮(9)设在圆环形分隔板上的通道截面积最小处，且涡轮轴水平。
6.根据权利要求1或2所述的联合循环发电系统，其特征在于：集热棚(7)由圆环形分隔板将下方空间分成内、外部空间，换热器(6)设置在外部空间内，圆环形分隔板内外直径之差为5～10米；在圆环形分隔板上开设均匀分布的通道，通道轴线倾斜，且倾斜度小于等于集热棚的倾斜度，涡轮(9)设在圆环形分隔板的通道截面积最小处，其涡轮轴倾斜，且倾斜度与通道轴线倾斜度相同。
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