聯合循環熱電聯產設備及工藝的製作方法
2023-07-23 12:27:46
專利名稱：聯合循環熱電聯產設備及工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及以煤炭焦化為基礎的熱電聯產節能技術領域，尤其涉及一種以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產設備及工藝。
背景技術：
目前，與本發明相關的技術主要包括聯合循環技術和熱電聯產技術(CHP)。其各自技術的發展狀況和系統特徵如下聯合循環就是將燃氣輪機的布雷頓循環(Brayton Cycle)與蒸汽輪機的朗肯循環 (Rankine Cycle)相結合，組成的新型熱力循環，形成能源梯級利用的總能系統，達到較高的熱效率。聯合循環作為一種近代發展起來的熱力循環，具有很多種布置方式(1)注蒸汽 (STIG)循環該循環利用燃氣輪機的高溫排氣產生蒸汽，注到燃燒室，生成高溫燃氣-蒸汽混合工質，然後進入透平膨脹做功；(2)溼空氣透平(HAT)循環HAT循環利用系統內的餘熱和廢熱產生熱水，再用熱水溫化手段增加透平工質流量，相對地降低了工質壓縮耗功，且採用回熱的形式回收透平排熱；C3)增壓流化床聯合循環(PFBC) :PFBC與常規燃煤系統的差別是以PFBC的鍋爐島取代常爐，由於採用鍋爐增壓，爐體容積較小，故其燃燒效率較高；整體煤氣化聯合循環(IGCC):IGCC由煤氣化爐、淨化裝置(除塵、脫硫)、燃氣輪機發電機組、餘熱鍋爐和蒸汽輪機發電機組等系統組成，是供熱、供電、供煤氣和供化工產品的多聯供系統。聯合循環從20世紀50年代開始應用於工業發電，目前，聯合循環已經成為火電及相關用電工業的主要發展方向。常規聯合循環，由於採用結構單一的模式(一臺燃氣輪機、一臺餘熱鍋爐、一臺蒸汽輪機)，通常採用優質天然氣為燃料，可達到較高的發電效率， 然而，在供熱方面，達不到靈活調整的需求。熱電聯產(CHP)既產電又供熱，是世界各國公認的節能技術。20世紀初以來，各國相繼發展，特別是在原蘇聯、丹麥、瑞典、荷蘭、美國、日本等發達國家發展得較快。熱電聯產技術具有多種布置方式，燃料的選擇和應用也具有較大的靈活性，常規熱電聯產技術的主要優點體現在(1)蒸汽不在降壓或經減溫減壓後供熱，而是先發電，然後用抽汽或排汽滿足供熱、製冷的需要，可提高能源利用率；( 增大背壓機組負荷率，增加機組發電，減少冷凝損失，降低煤耗；C3)按照熱能的品位供能，較好地實現了熱能的梯級利用。通常的熱電聯產以蒸汽輪機為主體，採用抽凝式或背壓式，其可利用的溫差範圍有限，使其用能效率不高，並且效率提高的潛力也不大，同時供電與供熱的靈活性也受到制約。
發明內容
本發明解決的技術問題是提供一種以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產設備及工藝，以改善或克服現有技術的一項或多項缺陷。本發明的技術解決方案是一種聯合循環熱電聯產設備，其設有多個包括燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支系統，所述餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源，以向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，其中，所述分支系統中至少有一個為可調分支系統，以對其中的餘熱鍋爐進入蒸汽輪機、供熱管網的流量進行調節分配，以使產出的熱、電與實際熱、電需求相協調。本發明還提出一種聯合循環熱電聯產工藝，其包括多個利用燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支流程，所述餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源，以向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，其中，所述分支流程中至少有一個為可調分支流程，以對其中的餘熱鍋爐進入蒸汽輪機、供熱管網的流量進行調節分配，以使產出的熱、電與實際熱、電需求相協調。較佳地，所述的燃氣輪機包括空氣壓氣機、焦爐煤氣與壓縮後空氣的燃燒室以及燃燒後煙氣進行做功的燃氣透平，燃氣透平的主軸與發電器主軸連接實現機械能與電能的轉換，輸出電能，同時燃氣透平出口的高溫煙氣進入餘熱鍋爐，各餘熱鍋爐中產生的高溫蒸汽選擇用於推動蒸汽輪機做功或供給熱用戶用熱，蒸汽透平與發電機相連輸出電能，同時蒸汽透平出口的蒸汽輸送給熱用戶用熱。較佳地，所述可調分支系統的餘熱鍋爐為雙壓餘熱鍋爐，該雙壓餘熱鍋爐的高壓汽供給蒸汽輪機，低壓汽直接供給熱用戶。本發明的特點和優點是本發明提供了一種以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產系統，該系統包括採用煤焦化產品之一——焦爐煤氣，經過淨化處理後作為燃氣輪機的燃料；較高溫度燃氣輪機的排氣進入餘熱鍋爐，將餘熱加熱給水，提供生產用蒸汽；在餘熱鍋爐後布置功率適當的蒸汽輪機系統；在餘熱鍋爐中產生的蒸汽，一部分為化工等生產工藝供熱，另一部分為蒸汽輪機提供做功蒸汽；在蒸汽輪機中做功後的蒸汽繼續為生產工藝供熱。本發明的以焦爐煤氣作為燃料的聯合循環熱電聯產系統，不僅與化工等生產過程實現了良好的熱能匹配，而且所採用的熱電聯產系統與傳統的聯合循環及熱電聯產系統相比，能級匹配更為合理，整體效率高，熱電負荷調節靈活。該聯合循環熱電聯產系統在焦化廠的應用，能滿足化工工藝生產用電用熱的大量需求，操作靈活、生產安全易於控制，節能效益顯著，具有廣泛的推廣價值。
圖1為本發明一實施例的以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產工藝及設備的能質流動的示意圖。圖2為本發明一實施例的以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產工藝及設備的一應用實施例的流程及結構示意圖。
具體實施例方式針對我國以煤炭為主要能源方式的實際國情，考慮到相關煤化工產業的產物-焦爐煤氣的產量大、取用方便的特點，結合熱力學、傳熱學、化學動力學，以及流體科學的相關理論與技術，本發明人採用聯合循環與熱電聯產技術相結合的熱力循環方式，提出本發明的聯合循環熱電聯產工藝及設備。本發明的聯合循環熱電聯產工藝包括多個利用燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支流程， 所述餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源，以向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，其中，所述分支流程中至少有一個為可調分支流程，以對其中的餘熱鍋爐進入蒸汽輪機、供熱管網的流量進行調節分配，以使產出的熱、電與實際熱、電需求相協調。與該工藝相對應，本發明的聯合循環熱電聯產設備設有多個包括燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支系統，所述餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源，以向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，其中，所述分支系統中至少有一個為可調分支系統，以對其中的餘熱鍋爐進入蒸汽輪機、供熱管網的流量進行調節分配，以使產出的熱、電與實際熱、電需求相協調。本發明利用焦爐煤氣進行燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產，是將工業煉焦爐中產生的焦爐煤氣進行有效的利用，先對其進行脫硫、洗滌、除雜等必要的淨化，使其轉化成燃氣輪機可利用的燃料，燃燒後推動燃氣透平做功發電，再將燃燒後具有一定溫度的煙氣送入餘熱鍋爐，利用煙氣的餘熱與水進行換熱，最後利用高溫高壓的蒸汽推動蒸汽輪機做功發電。本發明具體的能質流動如圖1所示。本發明的聯合循環熱電聯產工藝可以根據工業實際情況靈活配置多臺不同負荷的燃氣輪機、餘熱鍋爐以及汽輪機；同時，根據不同生產工藝的用熱、用電需要可將餘熱鍋爐產出的熱蒸汽按不同比例分別滿足工業熱用戶或蒸汽輪機，實現不同工況和不同季節的生產及運行要求。進一步地，利用本發明的聯合循環熱電聯產工藝，可以根據能量的品位高低進行靈活的配置，進而使整個動力系統對熱能的利用更為合理，提高整體系統的效率。較佳地，可調分支流程(系統)採用雙壓餘熱鍋爐，該雙壓餘熱鍋爐的高壓汽供給蒸汽輪機，低壓汽直接供給熱用戶。進一步地，分支流程(系統)中還包括至少一分支流程 (系統)的餘熱鍋爐的產汽全部用於供熱，至少一分支流程(系統)的餘熱鍋爐產汽全部供應蒸汽輪機。優選地，所述各燃氣輪機的燃料採用淨化處理後的焦爐煤氣，在進入燃氣輪機燃燒室前進行增壓處理，以與進入的空氣壓力進行匹配。進一步地，在空氣進入所述燃氣輪機前還包括對空氣進行過濾及噴霧冷卻。為了對本發明的技術方案有更充分地了解，下面結合附圖與實施例對本發明一實施例的以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產工藝及設備進行詳細說明。請參考圖2所示，為本發明一實施例的以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產工藝及設備的一應用實施例的示意圖。如圖所示，本實施例的聯合循環熱電聯產工藝包括五個利用燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支流程，各餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源，以向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，其中，五個分支流程中，第五分支流程 (對應於分支系統E)為可調分支流程，即可以對該分支流程中的餘熱鍋爐進入蒸汽輪機、 供熱管網的流量進行調節分配，以使產出的熱、電與實際熱、電需求相協調。與該工藝相對應，本實施例的聯合循環熱電聯產設備包括五個具有燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支系統A E (對應於五個分支流程)，各餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源， 從而向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，本實施例中，對應第五分支流程的分支系統E為可調分支系統。如圖所示，本實施例的燃氣輪機包括(空氣)壓氣機、用於焦爐煤氣與壓縮後空氣混合燃燒的燃燒室以及燃燒後煙氣進行做功的燃氣透平，其中，各燃氣透平的主軸與發電機主軸連接，以實現機械能與電能的轉換，並輸出電能，同時燃氣透平出口的高溫煙氣進入餘熱鍋爐，各餘熱鍋爐中產生的高溫蒸汽選擇用於推動蒸汽輪機做功或供給熱用戶用熱， 蒸汽輪機與發電機相連輸出電能，同時蒸汽輪機出口的蒸汽輸送給熱用戶用熱。本實施例中，可調分支系統E的餘熱鍋爐是採用雙壓餘熱鍋爐，該雙壓餘熱鍋爐的高壓汽供給蒸汽輪機，低壓汽直接供給熱用戶。下面結合圖2對本實施例的工藝及設備進行詳細說明，本實施例採用了五臺燃氣輪機，其中燃氣輪機有兩種型號，即分支系統A D的燃氣輪機AlOO DlOO採用T60型，分支系統E的燃氣輪機ElOO採用T130型，T130和T60型燃氣輪機為國際輕型燃機頂級生產商卡特彼勒-索拉公司的成熟產品，原主要用於天然氣等高熱值燃料；T60和T130型機組為索拉小型燃機最為成熟的兩個產品。T60燃機全稱為金牛60，額定的發電功率為5500KW。 T130燃機全稱為大力神130，額定的15000KW。各燃氣輪機100具有適於燃燒焦爐煤氣的燃燒室，焦爐煤氣作為低熱值、高氫燃料，不同於用高熱值天然氣的機組，其熱值低、易爆燃、 運行壓力高、危險性強，在安裝形式上有所不同，本發明中各燃燒室安裝有兩隻或兩隻以上焦爐煤氣的機組燃料環管，以獲得所需熱值，至於環管的規格型號選擇以及安裝可以參考現有技術，此處不再贅述。每臺燃氣輪機100後都配備一臺餘熱鍋爐300，其中餘熱鍋爐有兩種型號，即分支系統A D的餘熱鍋爐A300 D300採用單壓餘熱鍋爐；分支系統E的餘熱鍋爐E300採用雙壓餘熱鍋爐；整體上設有一臺背壓式蒸汽輪機500。餘熱鍋爐100的產汽供熱方式有三種，分支系統A的餘熱鍋爐A300產汽全部用於供熱；分支系統B D的餘熱鍋爐B300 D300產汽全部供應蒸汽輪機500 ；分支系統E的餘熱鍋爐E300產汽則有所不同，其高壓汽供給蒸汽輪機500，低壓汽直接供給熱用戶。五臺燃氣輪機的燃料供應都採用淨化處理後的焦爐煤氣，在進入各燃氣輪機的燃燒室前進行增壓處理，以與進入的空氣壓力進行匹配。所有燃氣輪機的進口都設有空氣過濾及冷卻裝置，以對進入燃氣輪機的空氣進行過濾，並採用適當的冷卻方式(如噴水霧等)進行冷卻，以降低各壓氣機的耗功。本發明的設備的工作過程如下先以分支系統A為例進行說明經過過濾、冷卻的空氣由壓氣機增壓後進入燃燒室，經過淨化處理的焦爐煤氣同時通入燃燒室，二者在燃燒室內混合、燃燒，燃燒後的煙氣進入燃氣透平進行做功，燃氣透平的主軸與發電機主軸連接，實現機械能與電能的轉換，輸出電能，同時燃氣透平出口的高溫煙氣進一步進入餘熱鍋爐工作，餘熱鍋爐為水與燃氣輪機排出的煙氣的換熱設備，其中產生的高溫蒸汽直接供給熱用戶用熱；再以分支系統B為例經過過濾、冷卻的空氣由壓氣機增壓後進入燃燒室，經過淨化處理的焦爐煤氣同時通入燃燒室，二者在燃燒室內混合、燃燒，燃燒後的煙氣進入燃氣透平進行做功，燃氣透平的主軸與發電機主軸連接，實現機械能與電能的轉換，輸出電能，同時燃氣透平出口的高溫煙氣進一步進入餘熱鍋爐B300，餘熱鍋爐為水與燃氣輪機排出的煙氣的換熱設備，其中產生的高溫蒸汽送入蒸汽輪機500，用於推動蒸汽輪機500的蒸汽透平做功，蒸汽透平與發電機相連而輸出電能，同時蒸汽透平出口的蒸汽仍具有一定可用的熱量，可將其輸送給工業用戶用熱；分支系統C、D的工作過程與分支系統B相似，此處不再贅述；
最後對分支系統E的工作過程進行說明經過過濾、冷卻的空氣由壓氣機增壓後進入燃燒室，經過淨化處理的焦爐煤氣同時通入燃燒室，二者在燃燒室內混合、燃燒，燃燒後的煙氣進入燃氣透平進行做功，燃氣透平的主軸與發電機主軸連接，實現機械能與電能的轉換，輸出電能，同時燃氣透平出口的高溫煙氣進一步進入雙壓餘熱鍋爐E300，雙壓餘熱鍋爐E300產生的高壓汽送入蒸汽輪機500，用於推動蒸汽輪機500的蒸汽透平做功，蒸汽透平與發電機相連輸出電能，雙壓餘熱鍋爐E300產生的低壓汽直接供給熱用戶。其中餘熱鍋爐在產蒸汽的同時所消耗的水則是通過反滲透制水系統進行補充。在此過程中，反滲透制水系統所產除鹽水先是經過除鹽水泵供至蒸汽輪機軸封加熱器進行加熱後再通過餘熱鍋爐給水預熱器進一步加熱，使除鹽水溫度提高，然後送入除氧器進行除氧，最後再通過高低壓給水泵送入鍋爐。利用上述結構，可根據能量的品位高低，對餘熱鍋爐中產汽方式的配置進行合理匹配，有利於提供系統整體的效率。另外，由於各個餘熱鍋爐的供汽方式，既有直接供熱用戶的方式，也有直接供蒸汽輪機的方式，而所採用的蒸汽輪機是背壓式，其出汽又可作為供熱使用，從而可以實現靈活的供熱和供電需求。本發明以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產工藝系統，是參考常規聯合循環、 常規熱電聯產技術的基礎上，結合煉焦過程中焦爐煤氣的處理使用而建構實施的以多臺燃氣輪機、多臺餘熱鍋爐相互匹配的熱電聯產系統，在餘熱鍋爐中換熱產生蒸汽，進入蒸汽輪機與直接供熱的流量可隨時進行適當分配，以產出合理產量的熱與電，與實際熱、電需求相協調。本發明的突出特點是整體系統的熱效率高，供電供熱靈活，各個設備維護維修方便。 除此以外，還具有投資小、建設周期短、佔地少、節水等優點。本發明的流程的創新性，在於充分利用了煤炭焦化中的中間產氣焦爐煤氣，以其為燃料進行聯合循環熱電聯產。通過具體流程的布置，既結合了聯合循環的高效性，又擴大了熱電聯產的溫度範圍，因而整體性能高，且具有靈活的供熱供電特性，不僅滿足了整廠用熱用電的需求，而且還可以為外界提供多餘的熱或電，創造出可觀的經濟效益。下面以圖2中所示的工業實際布置方式為例，對本實施例的以焦爐煤氣為燃料的聯合循環熱電聯產裝置進行相關應用及數據的說明。其整個系統包括五個分支系統A-E以及一蒸汽輪機發電系統F。其中，分支系統A-D採用T60燃氣輪機及單壓餘熱鍋爐，分支系統E採用T130燃氣輪機及雙壓餘熱鍋爐。分支系統A不接蒸汽輪機，而是採用蒸汽直接供熱的形式；分支系統B-D及E中餘熱鍋爐300的高壓端與蒸汽輪機發電系統F的背壓式汽輪機500連接，蒸汽輪機500的出口蒸汽送入工業熱用戶供熱；分支系統E的餘熱鍋爐E300 的低壓端蒸汽直接供熱。各分支系統中的燃氣透平及蒸汽輪機均可產出電能，分支系統A 及E的低壓端產出以蒸汽為載體的熱能，分支系統A E餘熱鍋爐的排煙可直接排向環境。本發明的一具體實施例中，設計工況主要參數如表1所示。表1設計工況下系統的參數設定
權利要求
1.一種聯合循環熱電聯產設備，其設有多個包括燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支系統，所述餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源，以向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，其特徵在於，所述分支系統中至少有一個為可調分支系統，以對其中的餘熱鍋爐進入蒸汽輪機、供熱管網的流量進行調節分配，以使產出的熱、電與實際熱、電需求相協調。
2.如權利要求1所述的聯合循環熱電聯產設備，其特徵在於，所述的燃氣輪機包括空氣壓氣機、焦爐煤氣與壓縮後空氣的燃燒室以及燃燒後煙氣進行做功的燃氣透平，燃氣透平的主軸與發電器主軸連接實現機械能與電能的轉換，輸出電能，同時燃氣透平出口的高溫煙氣進入餘熱鍋爐，各餘熱鍋爐中產生的高溫蒸汽選擇用於推動蒸汽輪機做功或供給熱用戶用熱，蒸汽透平與發電機相連輸出電能，同時蒸汽透平出口的蒸汽輸送給熱用戶用熱。
3.如權利要求2所述的聯合循環熱電聯產設備，其特徵在於，所述可調分支系統的餘熱鍋爐為雙壓餘熱鍋爐，該雙壓餘熱鍋爐的高壓汽供給蒸汽輪機，低壓汽直接供給熱用戶。
4.如權利要求1所述的聯合循環熱電聯產設備，其特徵在於，所述分支系統中，至少一分支系統的餘熱鍋爐的產汽全部用於供熱，至少另一分支系統的餘熱鍋爐產汽全部供應蒸汽輪機。
5.如權利要求1所述的聯合循環熱電聯產設備，其特徵在於，所述各燃氣輪機的燃料是採用淨化處理後的焦爐煤氣，在進入燃氣輪機燃燒室前利用燃氣壓縮機進行增壓處理， 以與進入的空氣壓力進行匹配。
6.如權利要求3所述的聯合循環熱電聯產設備，其特徵在於，所述設備中，所述可調分支系統中與所述雙壓鍋爐連接的燃氣輪機採用T130型，其它分支系統的燃氣輪機採用T60 型。
7.如權利要求1至6任一項所述的聯合循環熱電聯產設備，其特徵在於，所述的燃氣輪機的入口端設有空氣的進氣過濾及冷卻設備。
8.一種聯合循環熱電聯產工藝，其包括多個利用燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支流程，所述餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源，以向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，其特徵在於，所述分支流程中至少有一個為可調分支流程，以對其中的餘熱鍋爐進入蒸汽輪機、供熱管網的流量進行調節分配，以使產出的熱、電與實際熱、電需求相協調。
9.如權利要求8所述的聯合循環熱電聯產工藝，其特徵在於，所述聯合循環熱電聯產工藝根據能量的品位高低進行靈活的配置，進而使整個動力系統對熱能的利用更為合理， 提高整體系統的效率。
10.如權利要求8所述的聯合循環熱電聯產工藝，其特徵在於，所述聯合循環熱電聯產工藝根據工業實際情況靈活配置多臺不同負荷的燃氣輪機、餘熱鍋爐以及汽輪機；同時，根據不同生產工藝的用熱、用電需要可將餘熱鍋爐產出的熱蒸汽按不同比例分別滿足工業熱用戶或蒸汽輪機，實現不同工況和不同季節的生產及運行要求。
11.如權利要求8所述的聯合循環熱電聯產工藝，其特徵在於，所述可調分支流程採用雙壓餘熱鍋爐，該雙壓餘熱鍋爐的高壓汽供給蒸汽輪機，低壓汽直接供給熱用戶。
12.如權利要求8所述的聯合循環熱電聯產工藝，其特徵在於，所述多個分支流程中， 至少一分支流程的餘熱鍋爐的產汽全部用於供熱，至少另一分支流程的餘熱鍋爐產汽全部供應蒸汽輪機。
13.如權利要求8所述的聯合循環熱電聯產工藝，其特徵在於，在空氣進入所述燃氣輪機前還包括對空氣進行過濾及噴霧冷卻。
14.如權利要求8至13任一項所述的聯合循環熱電聯產工藝，其特徵在於，所述各燃氣輪機的燃料採用淨化處理後的焦爐煤氣，在進入燃氣輪機燃燒室前進行增壓處理，以與進入的空氣壓力進行匹配。
全文摘要
本發明公開了一種聯合循環熱電聯產設備及工藝，該設備設有多個包括燃氣輪機和餘熱鍋爐的分支系統，所述餘熱鍋爐利用對應的燃氣輪機排出的高溫煙氣為換熱熱源，以向蒸汽輪機和熱用戶提供所需蒸汽，其中，所述分支系統中至少有一個為可調分支系統，以對其中的餘熱鍋爐進入蒸汽輪機、供熱管網的流量進行調節分配，以使產出的熱、電與實際熱、電需求相協調。本發明以焦爐煤氣作為燃料，不僅與化工等生產過程實現了良好的熱能匹配，而且能級匹配更為合理，整體效率高，熱電負荷調節靈活。
文檔編號F01K11/02GK102191957SQ20111011280
公開日2011年9月21日 申請日期2011年5月3日 優先權日2011年5月3日
發明者劉暢, 張耀東, 秦慶平, 趙洪濱, 趙愛民 申請人:中國石油大學(北京), 山東瑞普生化有限公司, 金能科技有限責任公司