CN207934946U - 一种提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统，该系统提高了烟气余热蒸汽锅炉所产蒸汽的参数，增加了蒸汽膨胀发电机，把蒸汽先送入蒸汽膨胀发电机发电，发电后的蒸汽再送入蒸汽热网加热器来加热供热网的回水；还增加了排烟降温除湿和升温“消白”的流程和装置；烟气降温的热量还有一部分回收用于加热供热网的回水；增加了通过蒸汽型吸收式热泵回收烟气降温除湿过程中水蒸气凝结所释放的热量的系统和装置，用来加热供热网的回水，增加对外供热量。本实用新型天然气的热能利用率可从85％提高至90％以上，提高了区域热电联供热能利用的效率，且可以有效的消除排烟中水汽含量过大造成的“白色”污染。

Description

一种提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统

技术领域

本实用新型属于能源环保工程技术领域，具体涉及一种提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统。

背景技术

热电联产是目前世界公认的最有效的能源生产供应系统之一，它的总热能利用率可达到80％以上，远高于纯凝发电系统。区域热电联产是指某一地区或区域性的热电联产系统，是分散性的、独立性的、规模相对小的热电联产系统。出自于节约一次能源，从而降低一次能量成本以及环境保护的需要，世界上越来越多的国家和地区开始开发、应用和推广区域热电联产。

当前，随着燃煤大气污染治理标准越来越严格，天然气作为一种替代燃煤的清洁能源也越来也受到重视。天然气作为一种高效清洁的能源，其最重要的利用方式就是区域热电联产，尤其是在北方寒冷地区，天然气发电后的余热用来对外供热。附图1为常规天然气区域热电联供的系统流程简图，图中1为燃气内燃发电机/燃气轮机，2为烟气余热蒸汽锅炉，3为蒸汽热网加热器。在常规的天然气区域热电联供的系统中，天然气通过燃气内燃发电机组或燃气轮机1做功后，对外输出电力，燃气内燃发电机组或燃气轮机1排放的高温烟气(一般高于450℃)进入烟气余热蒸汽锅炉2降温并产生低压蒸汽，产生的0.4～0.6MPa低压饱和蒸汽送入蒸汽热网加热器3对热网的回水进行加热升温，作为热网供水对外供热；低压饱和蒸汽放热后产生的蒸汽凝结水被回收，送入烟气余热蒸汽锅炉2进行循环利用，烟气余热蒸汽锅炉2的排烟(大约150℃左右)通过烟囱排入周围大气中。

在常规的天然气区域热电联供的系统中，虽然热能利用可以达到80％以上，但烟气余热蒸汽锅炉2的排烟(大约150℃左右)所含有的余热资源并没有回收利用。同时，由于天然气的主要成分为甲烷，通常情况下甲烷燃烧后的烟气产物主要为CO2和水蒸气，水蒸气的体积约占烟气总体积的18％，烟气的露点温度约为58℃。因此，在常规天然气区域热电联供的烟囱出口常常冒着滚滚的“白烟”，这是排烟中所含的水蒸气遇冷凝结成细小的水滴造成的，这被称为另一种“白色污染”，消除烟囱出口的“白色污染”，已经逐渐的开始引起人们的重视。

实用新型内容

为解决现有技术中存在的技术问题，本实用新型提出了一种提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统，可以在消除排烟的“白色污染”的同时还回收利用排烟中的水蒸气的凝结热。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统，其包括依次连接的燃气内燃发电机或燃气轮机、烟气余热蒸汽锅炉和所述烟气余热蒸汽锅炉引出一蒸汽管道与蒸汽膨胀发电机相连，所述蒸汽膨胀发电机引出两个蒸汽管道，分别与蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵相连，所述蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵分别引出一管道并汇合后与烟气余热蒸汽锅相连，从而使蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵的蒸汽凝结水通过管道汇合后返回至烟气余热蒸汽锅；所述蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵均设置有热网回水入口和热网供水出口。

作为本实用新型的进一步优化，本实用新型的提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统还增加了用于排烟降温除湿和升温“消白”的装置，且升温“消白”的热量来自于排烟自身降温除湿所放出的热量。具体地，所述热网加热器引出一烟气管道与烟气换热器连接，所述烟气换热器引出两个烟气管道，其中一个与热管烟气热交换器相连，另一个管道作为排烟管道；所述热管烟气热交换器引出三条管道，第一条管道作为低温烟气回热用管道返回至烟气换热器，第二条管道作为低温烟气输送管道连接至烟气喷淋降温脱水装置，第三条管道作为凝结水输送管道连接至烟气喷淋降温脱水装置；所述烟气喷淋降温脱水装置引出一烟气管道作为低温烟气循环管道返回至热管烟气热交换器。所述热网加热器设置有热网回水入口和热网供水出口。更具体地，烟气余热蒸汽锅炉的排烟进入热网加热器进行初步降温，用来加热供热网的回水；经过热网加热器降温后的烟气随后进入烟气换热器进行第二次降温，使其接近并略高于烟气中所含水蒸气的露点，一般约为58℃左右，同时对来自热管烟气换热器的低温烟气进行二次加热升温，经过二次升温后的烟气进入烟囱排入大气，此时排烟温度一般为大于等于70℃；经过烟气换热器降温后的烟气随后进入热管烟气换热器进行第三次降温，对来自烟气喷淋降温脱水装置的低温烟气进行第一次加热升温，在来自烟气换热器的含有近饱和蒸汽的烟气在流经热管烟气换热器进行降温的同时，部分饱和水蒸汽也随着温度的降低而进行凝结，进行初步除湿，同时释放出凝结热；经过热管烟气换热器5降温后的烟气随后进入烟气喷淋降温脱水装置进行第四次降温，使其接近环境冷却水的温度，一般在30℃左右，在烟气喷淋降温脱水装置内，随着烟气温度的降低，烟气中所含有的饱和水蒸汽也随着温度的降低而进行凝结，进行进一步深度除湿，同时释放出凝结热；经过烟气喷淋降温脱水装置降温除湿后的低温烟气随后依次进入热管烟气换热器进行第一次升温和进入烟气换热器进行第二次升温，经过两次升温后，此时烟气温度一般为大于等于70℃，然后进入烟囱排入大气；由于经过两次除湿的过程，尤其是第二次的深度除湿，通过凝结法去除了原来烟气中所含有的大部分水蒸气，因此，虽然除湿后的排烟温度相比除湿前要低很多，但在通常的环境温度下，除湿后的排烟中已经没有了冒“白烟”现象。

更近一步地，所述烟气喷淋降温脱水装置与蒸汽型吸收式供热热泵相互连接形成循环冷却水系统，从而可以利用蒸汽型吸收式供热热泵回收热管烟气换热器(凝结水管道连接烟气喷淋降温脱水装置，通过烟气喷淋降温脱水装置间接回收凝结水的热量)的凝结水所含的热量和烟气喷淋降温脱水装置中烟气水蒸气凝结所释放的热量，用来加热供热网的回水，使之达到热网的供水温度，用来对外供热。蒸汽型吸收式供热热泵的热源蒸汽来自于蒸汽膨胀机发电后的蒸汽，蒸汽凝结水被回送至烟气余热蒸汽锅炉中进行循环利用。

再进一步优选地，在所述热管烟气热交换器与蒸汽型吸收式供热热泵之间还设置有冷却塔。所述冷却塔一方面作为循环冷却水的辅助冷却温控装置，使循环冷却水的温度控制在使蒸汽型吸收式供热热泵运行在较佳工况范围内，另一方面可作为蒸汽型吸收式供热热泵的事故备用冷却装置。

本实用新型提高了烟气余热蒸汽锅炉所产蒸汽的参数，首先把蒸汽送入蒸汽膨胀发电机发电，把热能转换成电能，提高了能源转换的品质；本实用新型利用热泵技术回收天然气区域热电联供的排烟中水蒸气的凝结热，同时利用烟气再热升温装置，利用排烟自身降温和除湿过程放出的热量对除湿后的低温烟气进行升温，用来消除排烟的“白色污染”。本实用新型在消除排烟的“白色污染”的同时还回收利用排烟中的水蒸气的凝结热，可谓“一举两得”。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

(1)可以有效的消除烟囱出口冒“白烟”的现象；

(2)回收和利用烟气中部分水蒸气凝结的热量；

(3)回收和利用排烟温度降低所回收的热量；

(4)提高了热能利用效率和品质，不但增加了供热量，还增加了发电量。

附图说明

图1常规天然气区域热电联供的系统流程简图。

图2天然气区域热电联供提高热能利用率的方法和系统流程简图，图中1为燃气内燃发电机/燃气轮机，2为烟气余热蒸汽锅炉，3为热网加热器，4为烟气换热器，5为热管烟气热交换器，6为烟气喷淋降温脱水装置，7为蒸汽型吸收式供热热泵，8为冷却塔，9为蒸汽膨胀发电机，10为蒸汽热网加热器。

具体实施方式

下面通过具体的实施例来说明本实用新型。

图1为常规天然气区域热电联供的系统流程简图，图中1为燃气内燃发电机/燃气轮机，2为烟气余热蒸汽锅炉，3为蒸汽热网加热器。在常规的天然气区域热电联供的系统中，天然气通过燃气内燃发电机组或燃气轮机1做功后，对外输出电力，燃气内燃发电机组或燃气轮机1排放的高温烟气(一般高于450℃)进入烟气余热蒸汽锅炉2降温并产生低压蒸汽，产生的0.4～0.6MPa低压饱和蒸汽送入蒸汽热网加热器3对热网的回水进行加热升温，升温后的热网回水作为热网供水被送入供热管网中对外供热；低压饱和蒸汽放热后产生的蒸汽凝结水被回收，送入烟气余热蒸汽锅炉2进行循环利用，烟气余热蒸汽锅炉2的排烟(大约150℃左右)通过烟囱排入周围大气中。

为了消除现有的常规天然气区域热电联供的系统余热资源并没有回收利用，且存在“白烟”的缺陷，本实施例在现有的系统上做出了改进：使烟气余热蒸汽锅炉引出一蒸汽管道与蒸汽膨胀发电机相连，蒸汽膨胀发电机引出两个蒸汽管道，分别与蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵相连，蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵的蒸汽凝结水分别引出一管道汇合后返回至烟气余热蒸汽锅相连，蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵均设置有热网回水入口和热网供水出口。

本次改进首先提高了烟气余热蒸汽锅炉2所产蒸汽的参数，同时还增加了蒸汽膨胀发电机9。由于提高了烟气余热蒸汽锅炉2所产蒸汽的参数，把蒸汽首先送入蒸汽膨胀发电机9发电，发电后的低参数蒸汽再分别送入蒸汽热网加热器10和蒸汽型吸收式供热热泵7中来加热供热网的回水。蒸汽热网加热器10和蒸汽型吸收式供热热泵7中的蒸汽凝结水都被回送至烟气余热蒸汽锅炉2中进行循环利用。

在常规的天然气区域热电联供的系统中，烟气余热蒸汽锅炉2产生的蒸汽参数比较低，在考虑输送距离的情况下，蒸汽压力一般在0.4～0.6MPa，温度低于170℃，发电效率很低，因此主要是直接送入蒸汽热网加热器10来加热供热网的回水；而在本实用提供的如附图2所示的系统中，为了提高热能的使用效率，蒸汽压力较常规的要高，一般在2.0～2.5MPa，温度一般在250～300℃；提高蒸汽参数的目的是利用较高参数的蒸汽先进入蒸汽膨胀机9先发电，发电后降压降温的蒸汽再送入蒸汽热网加热器10来加热供热网的回水，蒸汽热网加热器10中的蒸汽凝结水被回送至烟气余热蒸汽锅炉2中进行循环利用。这样，虽然总能量没变，但由于热能转换成发电量的增加，能量转换的品质提高了，因此，能源利用的综合效率也增加了。

作为进一步的改进，本实用新型的提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统还增加了用于排烟降温除湿和升温“消白”的装置，且升温“消白”的热量来自于自身降温除湿所放出的热量。具体地，可以将热网加热器3引出一烟气管道与烟气换热器4连接，烟气换热器4引出两个烟气管道，其中一个与热管烟气热交换器5相连，另一个管道作为排烟管道；热管烟气热交换器5引出三条管道，第一条管道作为低温烟气回热用管道返回至烟气换热器4，第二条管道作为低温烟气输送管道连接至烟气喷淋降温脱水装置6，第三条管道作为凝结水输送管道连接至烟气喷淋降温脱水装置6；烟气喷淋降温脱水装置6引出一烟气管道作为低温烟气循环管道返回至热管烟气热交换器5。

如图2所示，烟气余热蒸汽锅炉2的排烟进入热网加热器3进行初步降温，用来加热供热网的回水；经过热网加热器3降温后的烟气随后进入烟气换热器4进行第二次降温，使其接近并略高于烟气中所含水蒸气的露点，一般约为58℃左右，同时对来自热管烟气换热器5的低温烟气进行二次加热升温，经过二次升温后的烟气进入烟囱排入大气，此时排烟温度一般为大于等于70℃；经过烟气换热器4降温后的烟气随后进入热管烟气换热器5进行第三次降温，对来自烟气喷淋降温脱水装置6的低温烟气进行第一次加热升温，在来自烟气换热器4的含有近饱和蒸汽的烟气在流经热管烟气换热器5进行降温的同时，部分饱和水蒸汽也随着温度的降低而进行凝结，进行初步除湿，同时释放出凝结热；经过热管烟气换热器5降温后的烟气随后进入烟气喷淋降温脱水装置6进行第四次降温，使其接近环境冷却水的温度，一般在30℃左右，在烟气喷淋降温脱水装置6内，随着烟气温度的降低，烟气中所含有的饱和水蒸汽也随着温度的降低而进行凝结，进行进一步深度除湿，同时释放出凝结热；经过烟气喷淋降温脱水装置6降温除湿后的低温烟气随后依次进入热管烟气换热器5进行第一次升温和进入烟气换热器4进行第二次升温，经过两次升温后，此时烟气温度一般为大于等于70℃，然后进入烟囱排入大气；由于经过两次除湿的过程，尤其是第二次的深度除湿，已经通过凝结法去除了原来烟气中所含有的大部分水蒸气，因此，虽然除湿后的排烟温度相比除湿前要低很多，但在通常的环境温度下，除湿后的排烟中已经没有了冒“白烟”现象。

在通常的环境条件下，天然气正常燃烧产生的150℃烟气中，水蒸气的体积约占总烟气体积的18％左右，此时烟气的露点温度约为58℃。随着烟气中水蒸气体积含量的降低，烟气的露点温度也随之降低。当烟气中的水蒸气的体积降至总烟气体积的4.2％左右时，烟气的露点温度约降至为30℃。因此，当烟气温度由露点温度59℃降至30℃时，将有约76.7％的水蒸气将以凝结水的形式分离下来，在此区间内，每降低1℃，冷凝率增加2.7％；当烟气温度由露点温度30℃继续降至10℃时，冷凝率将增加至95％，在此区间内，每降低1℃，冷凝率约增加0.7％。由上述数据可以看出，通过降低烟气温度，使排烟中所含的水蒸气凝结分离，是降低排烟烟气露点温度的有效办法，同时也是排烟“消白”的有效办法。

更近一步地，所述烟气喷淋降温脱水装置与蒸汽型吸收式供热热泵相互连接形成循环冷却水系统，从而可以利用蒸汽型吸收式供热热泵回收热管烟气换热器的凝结水所含的热量和烟气喷淋降温脱水装置中烟气水蒸气凝结所释放的热量，用来加热供热网的回水，使之达到热网的供水温度，用来对外供热。蒸汽型吸收式供热热泵7的热源蒸汽来自于蒸汽膨胀机9发电后的蒸汽，蒸汽凝结水被回送至烟气余热蒸汽锅炉2中进行循环利用。

还可以进一步对系统进行优化，即在热管烟气热交换器与蒸汽型吸收式供热热泵之间还设置有冷却塔。冷却塔一方面作为循环冷却水的辅助冷却温控装置，使循环冷却水的温度控制在使蒸汽型吸收式供热热泵运行在较佳工况范围内，另一方面可作为蒸汽型吸收式供热热泵的事故备用冷却装置。

具体的在应用上述系统进行热能利用时，在一个具体的实施方式中，天然气通过燃气内燃发电机组1做功后，对外输出电力，燃气内燃发电机组1排放的高温烟气，一般高于450℃，进入烟气余热蒸汽锅炉2降温放热并产生2.0MPa的低压饱和蒸汽，烟气余热蒸汽锅炉2的排烟温度约为150℃；烟气余热蒸汽锅炉2产生的低压饱和蒸汽先进入蒸汽膨胀机9先发电，发电后降压至0.5MPa的部分饱和蒸汽再送入蒸汽热网加热器10来加热供热网的50℃回水，使其温度升高至80℃，升温后的热网回水作为热网供水被送入供热管网中对外供热，蒸汽热网加热器10的蒸汽凝结水被回送至烟气余热蒸汽锅炉2中进行循环利用。

烟气余热蒸汽锅炉2的约150℃的排烟进入热网加热器3进行初步降温，降温至90℃，放热用来加热供热网的50℃回水，使其温度升高至80℃，作为热网供水被送入供热管网中对外供热；

经过热网加热器3降温至90℃的烟气随后进入烟气换热器4进行第二次降温，降温至60℃，使其略高于58℃的烟气露点，同时对来自热管烟气换热器5的50℃低温烟气进行二次加热升温，使其升温至80℃，经过二次升温后的烟气进入烟囱排入大气；经过烟气换热器4降温至60℃的烟气随后进入热管烟气换热器5进行第三次降温，对来自烟气喷淋降温脱水装置6的30℃低温烟气进行第一次加热升温，在来自烟气换热器4的60℃烟气在流经热管烟气换热器5进行降温的同时，烟气中部分水蒸汽也随着温度的降低而进行凝结，进行初步除湿，同时释放出凝结热；经过热管烟气换热器5降温后达到露点的烟气随后进入烟气喷淋降温脱水装置6进行第四次降温，降温至30℃，使其接近环境冷却水的温度，在烟气喷淋降温脱水装置6内，随着烟气温度降温至30℃，烟气中所含有的饱和水蒸汽也随着温度的降低而进行凝结，进行进一步深度除湿，同时释放出凝结热；经过烟气喷淋降温脱水装置6降温除湿后的30℃低温烟气随后进入热管烟气换热器5进行第一次升温至50℃，随后进入烟气换热器4进行第二次升温至80℃，经过两次升温后，此时烟气温度达到80℃，然后进入烟囱排入大气；由于经过两次除湿的过程，尤其是第二次的深度除湿，已经通过凝结法去除了原来烟气中所含有的大约76％的水蒸气，因此，虽然除湿后的排烟温度相比除湿前要低很多，在通常的20℃环境温度下，经过除湿再升温后的排烟中已经没有了“白烟”现象。

通过蒸汽型吸收式供热热泵7回收热管烟气换热器5的凝结水所含的热量和烟气喷淋降温脱水装置6中烟气中水蒸气凝结所释放的热量，用来加热供热网的50℃回水，使之达到热网的供水温度80℃，用来对外供热。蒸汽型吸收式供热热泵7的热源蒸汽来自于蒸汽膨胀机9发电后的0.5MPa的饱和蒸汽，蒸汽型吸收式供热热泵7中的蒸汽凝结水被回送至烟气余热蒸汽锅炉2中进行循环利用。

在蒸汽型吸收式供热热泵7和烟气喷淋降温脱水装置6的循环冷却水系统中，设置有冷却塔。其作用一方面作为循环冷却水的辅助冷却温控装置，使循环冷却水的温度控制在使蒸汽型吸收式供热热泵7运行在较佳工况范围内，另一方面可作为蒸汽型吸收式供热热泵7的事故备用冷却装置。

相对于常规的天然气区域热电联供系统，利用本实用新型的系统经过分析和计算，其天然气的综合热能利用率可从85％提高至90％以上。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种提高天然气区域热电联供热能利用效率的系统，包括依次连接的燃气内燃发电机或燃气轮机、烟气余热蒸汽锅炉和热网加热器，其特征在于：

所述烟气余热蒸汽锅炉引出一蒸汽管道与蒸汽膨胀发电机相连，所述蒸汽膨胀发电机引出两个蒸汽管道，分别与蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵相连，所述蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵分别引出一管道并汇合后与烟气余热蒸汽锅相连；所述蒸汽热网加热器和蒸汽型吸收式供热热泵均设置有热网回水入口和热网供水出口。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述热网加热器引出一烟气管道与烟气换热器连接，所述烟气换热器引出两个烟气管道，其中一个与热管烟气热交换器相连，另一个管道作为排烟管道；所述热管烟气热交换器引出三条管道，第一条管道作为低温烟气回热用管道返回至烟气换热器，第二条管道作为低温烟气输送管道连接至烟气喷淋降温脱水装置，第三条管道作为凝结水输送管道连接至烟气喷淋降温脱水装置；所述烟气喷淋降温脱水装置引出一烟气管道作为低温烟气循环管道返回至热管烟气热交换器。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述热网加热器设置有热网回水入口和热网供水出口。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述烟气喷淋降温脱水装置与蒸汽型吸收式供热热泵相互连接形成循环冷却水系统。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，在所述热管烟气热交换器与蒸汽型吸收式供热热泵之间还设置有冷却塔。