一種燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用系統的製作方法

2023-07-25 15:15:46

本發明涉及能源轉換與節能減排領域，特別涉及一種燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用系統。

背景技術：

隨著世界範圍內對環境保護日益重視，對清潔能源的需求愈加迫切，為天然氣發展帶來了機遇。天然氣屬於清潔能源，在燃燒中二氧化硫、粉塵的排放量接近於零，二氧化碳和氮氧化物的排放量相較於煤炭分別降至40％和50％；天然氣對溫室效應的影響僅為石油的54％，煤炭的48％。

近年來，在中國中東部地區，京津冀地區霧霾天氣肆虐，大氣環境汙染形勢比較嚴峻，造成這種嚴重形勢的關鍵因素是煤煙型汙染，由天然氣代替燃煤，將會有效降低煙氣汙染，改善大氣環境。目前，眾多城市都在開展燃煤鍋爐「煤改氣」任務，大力推進燃氣鍋爐的建設，進一步加大了各城市對天然氣的需求。

然而，由於中東部地區資源匱乏，市內所需的天然氣主要是通過高壓管道從外地輸入。由高壓輸氣幹線輸送來的高壓天然氣，在市內的天然氣接收門站、調壓站，都需要根據下遊用戶的供氣壓力要求進行降壓，然後才能夠供應給城市燃氣用戶、工商用戶等使用。在燃氣鍋爐房中，高壓天然氣經調壓後壓力降至0.2～0.4MPa(G)的中壓標準，進入燃氣鍋爐燃燒，輸出熱水或者蒸汽供給城鎮居民使用。高壓天然氣在調壓的過程中將產生很大的壓力降，同時釋放出大量的壓力能。目前此過程多通過燃氣調壓箱實現，壓力能直接損失而沒有得到利用。同時，燃氣鍋爐排放的高溫煙氣通常由於熱量品味不高，難以利用，也白白浪費了，少量的汙染物氮氧化物也沒有得到處理。

利用透平發電機組撬塊替代傳統的燃氣調壓箱，將燃氣鍋爐房的餘壓餘熱資源綜合利用，將壓力能和熱能轉變為電能，可減小高壓燃氣節流降壓損失。然而，目前涉及燃氣壓力能利用的研究和已有專利技術多集中在天然氣門站，沒有餘熱資源可以利用，輸出的電能也不能內部消化。通常膨脹後的燃氣溫度較低，被用來製冰或者供給其他需要冷量的工藝設備。

技術實現要素：

基於上述情況，有必要提供一種將閒置的壓力能和廢棄的熱能進行綜合回收利用的燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用系統。

一種燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用系統，包括：預熱器、透平膨脹機、燃氣鍋爐和發電機，所述預熱器的預熱進氣口與高壓燃氣管道連接，所述預熱器的預熱出氣口與透平膨脹機的進氣口連接，所述透平膨脹機的出氣口與鍋爐的進氣口連接，所述鍋爐的出氣口與預熱器的加熱進氣口連接，所述預熱器的加熱出氣口與低溫煙氣管道連接；所述透平膨脹機與發電機傳動連接，所述發電機與電氣負載電性連接。

進一步的，所述預熱器預熱進氣口與高壓燃氣管道之間還設有透平調速閥，所述透平調速閥為單個節流閥或者由多個節流閥並聯。

更進一步的，所述鍋爐進氣口還直接與高壓燃氣管道連接，所述鍋爐進氣口與高壓燃氣管道之間設有燃氣調壓箱進行調壓，所述燃氣調壓箱為單路，雙路或者多路並聯。

作為一種改進，所述預熱器為一組預熱器，所述預熱器組包括至少一級預熱器，所述透平膨脹機為一組透平膨脹機，所述透平膨脹機組包括至少一級透平膨脹機；所述上一級透平膨脹機的出氣口與下一級預熱器預熱進氣口連接；所述鍋爐出氣口分別與各級預熱器加熱進氣口連接，所述各級預熱器加熱出氣口分別與低溫煙氣管道連接。

作為進一步改進，所述燃氣調壓箱與鍋爐進氣口之間還設置有渦街流量計，控制系統依據所述渦街流量計反饋的燃氣流量值，自動調節所述透平調速閥和所述燃氣調壓箱的開度。

具體的，所述預熱器組為管殼式換熱器、套管式換熱器或者板翅式換熱器中的任何一種或多種的組合；所述透平膨脹機組為多級徑軸流式膨脹機，或者多級軸流式膨脹機或者上述兩種結構的任意組合。

具體的，所述發電機為防爆發電機，所述防爆發電機為隔爆型結構，或者增安型結構，或者正壓型結構。

具體的，所述防爆發電機與透平膨脹機組之間還設有減速器，所述減速器為多級平行軸結構，或者多級行星齒輪結構，或者與所述各級透平膨脹機共同構成整體齒輪組裝式結構。

進一步的，所述透平調速閥，預熱器組，透平膨脹機組，減速器，防爆發電機共同構成透平發電機組撬塊，所述透平發電機組撬塊為固定式結構或者可移動式結構。

作為一種改進，所述預熱器組包括一級預熱器和二級預熱器，所述透平膨脹機組包括一級透平膨脹機和二級透平膨脹機，所述一級預熱器預熱進氣口與高壓燃氣管道連接，所述一級預熱器預熱出氣口與一級透平膨脹機進氣口連接，所述一級透平膨脹機出氣口與二級預熱器預熱進氣口連接，所述二級預熱器預熱出氣口與二級透平膨脹機進氣口連接，所述二級透平膨脹機出氣口與鍋爐進氣口連接；所述鍋爐出氣口分別與一級預熱器和二級預熱器的加熱進氣口連接，所述一級預熱器和二級預熱器的加熱出氣口分別與低溫煙氣管道連接。

本發明一種燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用系統，通過將鍋爐、預熱器和膨脹機巧妙的連接和控制，將燃氣鍋爐房的餘壓餘熱資源綜合利用，將壓力能和熱能轉變為電能，可減小高壓燃氣節流降壓損失；利用預熱器、發電機和膨脹機等組件取代了不能利用餘壓餘熱的傳統燃氣調壓箱。通過溫度較低的燃氣冷卻燃煤鍋爐排放的高溫煙氣，使水蒸氣冷凝，吸收氮氧化物，也進一步的減少了汙染物的排放。發電機輸出的電能可直接併入門站內部的微電網，供給電氣設備，照明設備等監控設備等使用。同時，和預熱器、發電機和膨脹機等組件並聯的燃氣調壓箱可有效保障波動工況和緊急故障下燃氣鍋爐的穩定運行。

附圖說明

圖1為本發明一種燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用系統結構示意圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清晰，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

本發明一種燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用系統，包括：預熱器、透平膨脹機、燃氣鍋爐和發電機，所述預熱器的預熱進氣口與高壓燃氣管道連接，所述預熱器預熱進氣口與高壓燃氣管道之間還設有透平調速閥，所述透平調速閥為單個節流閥或者由多個節流閥並聯；所述預熱器的預熱出氣口與透平膨脹機的進氣口連接，所述透平膨脹機的出氣口與鍋爐的進氣口連接，所述鍋爐的出氣口與預熱器的加熱進氣口連接，所述預熱器的加熱出氣口與低溫煙氣管道連接；所述透平膨脹機與發電機傳動連接，所述發電機與電氣負載電性連接。

鍋爐進氣口還直接與高壓燃氣管道連接，所述鍋爐進氣口與高壓燃氣管道之間設有燃氣調壓箱進行調壓，所述燃氣調壓箱為單路，雙路或者多路並聯。所述透平調速閥，預熱器，透平膨脹機，減速器，防爆發電機共同構成透平發電機組撬塊，透平發電機組撬塊與傳統燃氣調壓箱並聯，可有效保障波動工況和緊急故障下燃氣鍋爐的穩定運行；所述透平發電機組撬塊為固定式結構或者可移動式結構。

作為一種優選實施例，預熱器為一組預熱器，預熱器組包括至少一級預熱器，透平膨脹機為一組透平膨脹機，透平膨脹機組包括至少一級透平膨脹機；所述上一級透平膨脹機的出氣口與下一級預熱器預熱進氣口連接；所述鍋爐出氣口分別與各級預熱器加熱進氣口連接，所述各級預熱器加熱出氣口分別與低溫煙氣管道連接。

作為本發明的一個較佳實施例，所述預熱器組包括兩級預熱器，分別為一級預熱器和二級預熱器，所述透平膨脹機組包括兩級透平膨脹機，分別為一級透平膨脹機和二級透平膨脹機。具體如圖1所示：

本發明提供的燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用系統包括：透平調速閥1，一級預熱器2，二級預熱器3，一級透平膨脹機4，二級透平膨脹機5，減速器6，防爆發電機7，鍋爐房內部微電網8，電氣負載9，燃氣調壓箱10，渦街流量計11，燃氣鍋爐12；所述設備1～7構成透平發電機組撬塊，所述透平發電機組撬塊為固定式結構或者可移動式結構。

其中，一級預熱器2預熱進氣口與高壓燃氣管道連接，所述一級預熱器2預熱出氣口與一級透平膨脹機4進氣口連接，所述一級透平膨脹機4出氣口與二級預熱器3預熱進氣口連接，所述二級預熱器3預熱出氣口與二級透平膨脹機5進氣口連接，所述二級透平膨脹機5出氣口與鍋爐12進氣口連接；所述鍋爐12出氣口分別與一級預熱器2和二級預熱器3的加熱進氣口連接，所述一級預熱器2和二級預熱器3的加熱出氣口分別與低溫煙氣管道連接。

作為較佳實施例，所述燃氣調壓箱10與鍋爐12進氣口之間還設置有渦街流量計11，所述燃氣調壓箱10和透平發電機組撬塊並聯運行，控制系統依據所述渦街流量計11反饋的燃氣流量值，自動調節所述透平調速閥1和所述燃氣調壓箱10的開度。

隨著季節性的變化，用戶對供熱的需求會有變化，因此也會引起燃氣鍋爐房12燃燒所需的燃氣流量。為了實現在波動的燃氣流量工況下，透平發電機組撬塊能夠安全穩定的運行，需配置燃氣調壓箱10和透平發電機組撬塊並聯運行。在設定好需求燃氣流量值下，控制系統通過渦街流量計11反饋的實際燃氣流量值，自動調節透平調速閥1和燃氣調壓箱10的開度。當燃氣流量正常時，透平調速閥1工作，控制一級透平膨脹機4和二級透平膨脹機5的轉速恆定，燃氣調壓箱10閉合不工作。當燃氣流量需求增大時，控制透平調速閥1開度不變，逐漸增大燃氣調壓箱10的開度，使增多的燃氣量通過燃氣調壓箱10節流減壓進入燃氣鍋爐12。當燃氣流量需求減小時，燃氣調壓箱10閉合不工作，控制透平調速閥1逐漸減小開度，使通過透平發電機組撬塊減壓後進入燃氣鍋爐12的燃氣量減小。

作為一種優選，所述預熱器組為管殼式換熱器、套管式換熱器或者板翅式換熱器中的任何一種或多種的組合；所述透平膨脹機組為多級徑軸流式膨脹機，或者多級軸流式膨脹機或者上述兩種結構的任意組合。

具體的，所述發電機為防爆發電機，所述防爆發電機為隔爆型結構，或者增安型結構，或者正壓型結構。所述防爆發電機與透平膨脹機組之間還設有減速器，所述減速器為多級平行軸結構，或者多級行星齒輪結構，或者與所述各級透平膨脹機共同構成整體齒輪組裝式結構。

高壓燃氣經過所述透平發電機組撬塊和所述燃氣調壓箱10減壓後進入所述燃氣鍋爐12燃燒，對外輸出熱量，同時產生高溫煙氣進入所述一級預熱器2和二級預熱器3，預熱高壓燃氣後降溫排出。所述透平發電機組撬塊輸出電能進入所述鍋爐房內部微電網8，供所述電氣負載9使用。

優選地，高壓燃氣的進氣壓力為0.5～3MPa，進氣流量為5000～100000Nm3/h，所述一級透平膨脹機4和二級透平膨脹機5的進氣溫度為50～100℃，所述燃氣鍋爐12的排氣溫度為10～30℃；所述透平發電機組撬塊裝機發電量為0.1～2MW。

可以理解，上述燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用裝置運行過程中，當高壓燃氣經過透平調速閥1達到設定入口壓力和流量後，再經過一級預熱器2預熱，進入一級透平膨脹機4入口，在一級噴嘴和工作輪中膨脹，隨後進入二級預熱器3預熱，再次進入二級膨脹機5膨脹，推動透平膨脹機轉子旋轉做功。由於轉子轉速較高，需通過減速器6將轉速降至放防爆發電機7的額定轉速，進而驅動防爆發電機7發電，輸出電能併入鍋爐房內部微電網8供廠內電氣負載9使用。膨脹後的低壓燃氣進入燃氣鍋爐12燃燒，對外輸出熱能供城鎮用戶使用，同時產生高溫煙氣進入一級預熱器2和二級預熱器3，高溫煙氣在每一級預熱器中與燃氣進行充分的換熱，提高溫度和焓值，進而增大每一級透平膨脹機的輸出功。高溫煙氣被燃氣冷卻後，所含的水蒸氣逐漸冷凝，冷凝水吸收了大量的有害氮氧化物，隨後排入專用廢氣管道。

本發明提供的燃氣鍋爐房餘壓餘熱綜合利用裝置具有結構緊湊，佔地小、運行穩定，可靠性高的特點。其可將燃氣鍋爐房的餘壓餘熱資源綜合利用，將壓力能和熱能轉變為電能，減小高壓燃氣節流降壓損失，同時減少氮氧化物的排放，實現了節能和減排的雙重功效。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。