CN203463156U - 燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及能源技术领域，提供一种燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统，包括燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮发电机组，在所述余热锅炉的尾部设置外置式热网水水换热器，该系统还包括将燃机排气的一部分作为热源应用于尿素热解系统。由此，本系统充分利用循环机组的余热，节约了能源，减少了排放，使得尿素热解系统供热系统简单、安全、且降低了运行成本。

Description

燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统

技术领域

本实用新型涉及能源技术领域，尤其涉及节能减排技术领域，特别涉及燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用技术领域。

背景技术

城市冬季采暖系统采用天燃气作为能源之后，供热能力与相同发电量的燃煤热电厂相比要小很多，且降低了排放。现有冬季供热系统通常采用燃气蒸汽联合循环供热机组，包括2台M701F4型燃气轮机，2台余热锅炉和1台可纯凝、可抽凝、可背压运行蒸汽轮发电机组。但上述燃气蒸汽联合循环供热机组存在一些缺陷，一方面在冬季供热运行工况时，烟囱排烟温度相对较高，锅炉效率下降，且排烟被排到大气中既浪费能源又影响环境；另一方面，以往余热锅炉脱硝方案确定尿素溶液采用天然气作为加热热源，通过热解炉制成氨气。但采用天然气作为加热热源需要设置燃烧器和天然气调压、加热系统，且要考虑防爆问题，运行成本也较高。此外，在非供热工况运行时，烟气热网加热器长期处于干烧状态，且烟气热网换热器的阻力较大，和热网加热器并联运行时压力不匹配，如果不设增压风机很难达到设计的预热效果。

发明内容

本实用新型为解决上述问题，一方面，针对燃气蒸汽联合循环供热机组冬季供热工况时烟囱排烟温度较高的特点，通过在余热锅炉尾部设置外置式热网水水换热器降低余热锅炉烟囱排烟温度，以增加供热量，进一步提高机组热力循环效率，且节约了能源。采用本专利的技术方案后，在按热网供回水温度130/70℃设计条件下单台余热锅炉可多增加供热22.5MW，本实用新型应用两台机组可多增加供热能力45MW。

本实用新型的技术方案在供热的同时同步实施脱硝降低烟囱出口NO_X含量，为此设置尿素热解系统，该系统采用50%浓度尿素溶液作为脱硝系统还原剂氨气的制备原料，在燃机SCR脱硝开创性地提出采用燃机排出的高温烟气直接作为尿素热解的热源。利用燃机排气作为热源后，热解系统变得比较简单，调节能力强，氨逃逸控制好，易于操作。此外，采用了燃机排气直接加热的方法，省略了电加热器等或燃烧器等大型设备，操控极为简单，节约了大量的运行成本。

本实用新型提供一种燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统，包括燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮发电机组，其特征在于，在所述余热锅炉的尾部设置外置式热网水水换热器，该系统还包括将燃机排气的一部分作为热源应用于尿素热解系统。

特别地，所述外置式热网水水换热器与凝结水加热器合作成一个受热面。

进一步地，所述余热锅炉包括凝结水加热器和再循环泵，抽取部分所述凝结水加热器出口高温凝结水间接加热热网水。

优选，所述燃气轮机包括2台M701F4型燃气轮机，所述余热锅炉为2台，所述蒸汽轮发电机组为1台可纯凝、可抽凝、可背压运行蒸汽轮发电机组。

此外，所述尿素热解系统包括计量和分配装置、热解炉、雾化喷枪、热风机和控制系统。

通过上述几方面，本实用新型一方面充分利用了燃气-蒸汽联合循环机组的余热，提高了供热效率，节约了能源；另一方面，抽取部分余热作为尿素热解系统的能源，使得尿素热解系统简单、安全、降低了运行成本。

附图说明

图1是本实用新型外置式热网水加热系统流程图；

图2是本实用新型利用燃机排气作为脱硝系统热源的尿素热解系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

附图1为本实用新型外置式热网水加热系统流程图。现有供热系统包括燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮发电机组，其中余热锅炉在冬季纯冷凝工况给水温度只有30℃左右，但是在供热工况时给水温度提高至75℃；即余热锅炉设计边界条件在两种工况下存在较大差异。如果按照纯冷凝工况确定余热锅炉方案，在供热工况时不但蒸汽参数有较大变化，最主要的是余热锅炉排烟温度126℃，大大降低了对能源的利用率。

本实用新型的技术方案借用了余热锅炉配置的凝结水加热器1及其再循环泵2，再循环泵2的作用是提高凝结水温度、防止管道低温腐蚀，需增大凝结水加热器1换热面积和再循环泵2的设计流量，每台余热锅炉增设1台外置式烟气余热利用热网水加热器3，抽取部分低压省煤器1出口高温凝结水间接加热热网水。该方案对余热锅炉正常运行影响较小，由于凝结水水质好于热网循环水，因此也不存在烟气换热器腐蚀、结垢等问题，另外解决了换热器干烧的问题，热网水侧阻力和热网加热器等其它换热设备阻力较好匹配。

事实上，为了降低排烟温度，在余热锅炉末级受热面的出口增加了烟气热网水加热器，但是单纯地增加烟气热网水加热器存在诸多问题：

首先流经烟气热网水加热器内的工质为未经处理热网水回水，完全不能达到锅炉给水标准的要求，对烟气热网水加热器受热面内壁的将产生非常严重腐蚀，大大降低了受热面的使用寿命；而且余热锅炉受热面更换非常困难，在以后的运行中会给用户造成很大的维护工作量。

其次，凝结水加热器和烟气热网水加热器受热面利用率低，造成受热面的大量浪费。由于纯冷凝工况时入口给水温度只有30℃左右，凝结水加热器受热面积的设计必须按照纯凝工况进行设计；但到了供热工况，余热锅炉给水温度达到75℃时，凝结水加热器的受热面积就明显偏大，通过凝结水加热器旁路调节其出口的工质温度，实际上也就降低了该受热面的利用率。对于新增加的烟气热网水加热器，只在供热时投入使用，而在纯冷凝工况时完全处于干烧状态。没有被利用的受热面布置在烟道内，无谓地增加了余热锅炉的烟气阻力，提高了燃机背压，降低了燃机出力，造成较大的损失。

再者，单独的烟气热网水系统需要另设一套泵系统和给水系统，使系统变得复杂。增加初投资和维护成本。

由此对烟气热网水加热器系统进行了优化设计，即与原有的凝结水加热器合并成一个受热面，即烟气热网水加热器。烟气热网水加热器同时兼顾了原有凝结水加热器的作用。纯冷凝工况时，所有冷凝水经过烟气热网水加热器后全部进入低压汽包，通过烟气热网水加热器旁路控制出口工质的温度，以防止烟气热网水加热器内汽化；通过烟气热网水加热器再循环系统控制烟气热网水加热器进口给水温度，使其高于露点温度，从而防止低温腐蚀。在冬季供热工况时，锅炉给水温度提高到75℃左右，不存在低温腐蚀问题，冷凝水经过烟气热网水加热器后一部分进入低压汽包，作为锅炉给水，另一部分热水通过切换进入外置热网水加热器，通过外置热网水加热器内水水热交换后回到烟气热网水加热器再循环系统，最后回到余热锅炉入口。冬季供热工况同样利用了原先为防止凝结水加热器低温腐蚀所设置的再循环系统。

余热锅炉同步实施脱硝降低烟囱出口NOx含量。脱硝工艺采用SCR法，NOx脱除率按不小于85%设计，烟囱出口的排放小于燃机排放的15%。燃机正常运行排气温度在550-600℃，适合作为尿素热解的热源。由于采暖系统采用天然气作为燃料，以前余热锅炉脱硝方案确定尿素溶液采用天然气作为加热热源，通过热解炉制成氨气。但采用天然气作为加热热源需要设置燃烧器和天然气调压、加热系统，且要考虑防爆问题，运行成本也较高。目前通常的尿素热解技术均采用燃油、燃气或者是电加热器加热锅炉一、二次风等工艺，系统复杂，操控困难，且运行费用较大。本实用新型提出采用燃机排气高温烟气作为加热热源，尿素溶液热解热源选用燃机排入余热锅炉的热烟气作为加热热源，大大简化了系统配置，且大幅降低运行成本。

附图2为本实用新型的利用燃机排气作为脱硝系统热源的尿素热解系统，本新型选用尿素热解工艺。尿素粉末储存于储仓，由称重给料机输送到溶解罐里，用除盐水将固体尿素溶解成50%的尿素溶液，通过尿素溶液混合泵输送到尿素溶液储罐；尿素溶液经由给料泵、计量与分配装置、尿素喷枪等进入热解炉，燃机排气也进入热解炉。雾化后的尿素液滴在热解炉内分解，生成的分解产物为NH₃、H₂O和CO₂，分解产物经由氨喷射系统进入余热锅炉烟道。

热解炉利用燃机排气作为热源，来完全分解尿素。在所要求的温度下，热解炉提供了足够的停留时间以确保尿素到氨的100%转化率。热解炉的容积是依据尿素分解所需的体积来确定。系统将在热解炉出口处提供氨气混合物。

每台锅炉烟气脱硝系统采用1套尿素热解制氨系统，主要包括：计量和分配装置（MDM）13、热解炉(DC)15、雾化喷枪（INJ）16、热风机（FAN）7及控制系统（DCS）等，此外还包括卸料机4、尿素输送车5、尿素储料箱6、溶解罐9、输送泵10、溶液储罐11、循环泵12等，附图标记14中为氨气混合物，8表示热量输入。整套系统考虑夏天防晒，冬天防冻措施。尿素粉末，经计量到溶解罐9里，用去离子水将干尿素溶解成50%质量浓度的尿素溶液，通过尿素输送泵10输送到储罐11；尿素溶液经由循环泵12、计量与分配装置13、雾化喷枪16等进入热解炉15内分解，生成NH₃、H₂O和CO₂，分解产物经由氨喷射系统进入脱硝系统。所设计的尿素制氨工艺满足：还原剂的供应量能满足锅炉不同负荷的要求，调节方便、灵活、可靠；尿素制氨工艺配有良好的控制系统。

主要设备如下：

（1）计量分配装置(MDM)13

尿素溶液的计量分配装置13能精确地测量和控制输送到热解室的尿素溶液流量。每台炉设置1套计量分配装置13，用于控制每只尿素溶液喷枪16的流量及雾化空气的压力和流量。

（2）热解炉（DC）15

每台锅炉设一套尿素溶液热解炉15。尿素溶液由316L不锈钢制造的喷射枪（每台炉设3支）雾化后喷入分解室，在600℃的高温热风/烟气条件下，尿素液滴分解成NH3、H2O、CO2。尿素热解采用热机出口，风量设计值为1610Nm3/Hr，最大值为1700Nm3/Hr。

热解炉尾部部分钢材材质为16Mn，最高允许温度值为500℃。

（3）热风机7

本风机系双级，单吸入双支承结构，电动机直联驱动，由电动机端看，转子为逆时针方向旋转。效率高、噪声低、运行平稳。机壳：采用304不锈钢，转子为双支承式。叶轮材质为310S（0Cr25Ni20）不锈钢，本风机专用于输送介质温度在500℃-600℃，也可用于输送类似工况的其它无腐蚀性混合气体。

（4）伴热系统

对尿素溶液输送管道，配置伴热系统。热解炉后的氨气输送管道合理保温，保证氨喷射系统前的温度不低于300℃。

（5）泵、管道、阀门等与尿素接触的设备的材料均为不锈钢。

（6）水冲洗系统

在尿素溶液管道上设置完善的水冲洗系统，消除尿素溶液结晶的影响。

工艺原理

尿素热解反应方程式如下：

该工艺将首先将尿素溶于水制成水溶液，然后进入热解室分解为氨(NH₃)并通过SCR系统中氨气喷射格栅(AIG)提供脱硝系统所需的还原剂(NH₃)。

工艺流程

尿素颗粒与去离子水配制成50%浓度溶液后输送至尿素溶液储罐储存，配制好的尿素溶液通过高流量循环模块(HFD)输送到计量分配模块(MDM)，该计量模块能根据系统氨需量自动控制尿素溶液进入流量，并利用压缩空气将尿素溶液雾化并通过喷头喷入热解室(DC)内，与经由热风机、换热器和电加热器输送过来的高温空气混合热解，生成NH₃、H₂O和CO₂，分解产物与稀释空气混合均匀并喷入脱硝系统。

通过增加烟气热网水加热器，并对烟气热网水加热器系统进行优化，使得冬季供热燃机满负荷工况时烟气热网水加热器出口多抽出约220t/h左右的热水，热水温度达到160℃，对外总供热量在原来不增加烟气热网水加热器基础上增加约22.5MW左右；同时使余热锅炉在冬季供热工况时排烟温度由不增加烟气热网水加热器时的126℃降低到增加烟气热网水加热器时的95℃以下，大大提高了余热锅炉的热效率，从而大大增加能源的利用效率；余热锅炉各项指标均达到国际先进水平。

该系统设计在国内尚属首次，其成功投运为同类型供热机组在节能降耗的措施提供了成功典范，具有较高的社会效率和经济效益。

本实用新型针对燃气蒸汽联合循环供热机组冬季供热工况时烟囱排烟温度较高的特点，通过设置外置式热网水水换热器降低余热锅炉烟囱排烟温度，节约能源，进一步提高机组的供热量。该系统设计在国际国内尚属首次，根据实际运行数据，余热锅炉排烟温度降低到90℃以下，达到国际先进水平。

由于尿素和液氨相比具有独特的安全性，尿素作为锅炉烟气脱硝还原剂将被大量推广。采用燃机排气作为尿素热解热源可以大量减少脱硝的运行成本，尿素热解技术相比尿素水解技术具有反应速度快，初期投资小，对系统腐蚀小等优点。尿素热解技术还将被越来越多的用户应用。利用燃机排气作为脱硝系统尿素热解热源在国际上首次应用，近期国内建设大量的燃机电厂，推广前景极大。

值得注意的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并非因此限定本专利的专利保护范围，本专利还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本专利的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本专利所涵盖的范围内。

Claims (5)

1.一种燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统，包括燃气轮机、余热锅炉、蒸汽轮发电机组，其特征在于，在所述余热锅炉的尾部设置外置式热网水水换热器，该系统还包括将燃机排气的一部分作为热源应用于尿素热解系统。

2.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统，其特征在于，所述外置式热网水水换热器与凝结水加热器合并成一个受热面。

3.根据权利要求2所述的燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统，其特征在于，所述余热锅炉包括凝结水加热器和再循环泵，抽取部分所述凝结水加热器出口高温凝结水间接加热热网水。

4.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统，其特征在于所述燃气轮机包括2台M701F4型燃气轮机，所述余热锅炉为2台，所述蒸汽轮发电机组为1台可纯凝、可抽凝、可背压运行蒸汽轮发电机组。

5.根据权利要求1所述的燃气-蒸汽联合循环机组余热综合利用系统，其特征在于，所述尿素热解系统包括计量和分配装置、热解炉、雾化喷枪、热风机和控制系统。

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