基於變工質正逆耦合循環系統的凝汽式火力發電新技術的製作方法
2023-07-12 11:36:21 2
專利名稱：基於變工質正逆耦合循環系統的凝汽式火力發電新技術的製作方法
技術領域：
本發明涉及凝汽式火力發電機組的熱力系統集成、設計與設備改造技 術。
背景技術：
在熱能工程應用的實踐中，人們利用正循環原理設計熱機將熱能轉換 為機械能，例如燃煤發電機組、生物質發電機組、燃氣發電機組等；利用逆循環原理設計制 冷機排出低溫空間熱量維持低溫環境，例如液體汽化製冷、熱電製冷、氣體膨脹製冷等。熱 能工程是能源消耗與利用的一個重要領域，其主要設備包括燃料輸送、化學制水、鍋爐、汽 輪機、製冷及自動控制等等，因此掌握設備的基本原理及性能實現能量的梯級利用，合理利 用能源及提高效率不僅關係到節約資源和經濟發展，而且還影響到人類生存的環境。到目 前為止，80%以上的電能還是利用熱力發電技術進行能量轉換而得到，但是在該項技術規 模化發展的同時也帶來更為嚴重資源與能源的高效利用問題，尤其是在我國以煤、生物質、 燃氣等為燃料的火力發電機組的水資源利用與其提高熱效率問題就更為突出。
目前，火力發電廠的鍋爐普遍採用將燃料與吸入環境的空氣在鍋爐內燃燒加熱熱 機的循環工質(水)，燃燒後的煙氣經清潔處理後再排放到環境中去圖1 ;凝汽式機組主要 有兩種最基本的結構形式，一種是直接水冷機組如圖2，另一種是空冷機組如圖3。無論是 水冷汽輪發電機組，還是空冷式汽輪發電機組，都不影響鍋爐結構及系統設計與製造的原 理及性能，除循環工質(水)以外，其它熱力系統都是單獨運行的。顯然，圖2A閉式直接 水冷機組(有冷卻水塔)、圖2B開式直接水冷機組(無冷卻水塔)兩者都需要水資源，並 且閉式直接水冷機組水耗高，開式直接水冷機組對環境水(如江、河、湖、海等)資源又有熱 汙染；空冷式汽輪發電機組雖然能有效地解決節水的問題，但是由於空氣冷卻受環境溫度 的制約，導致的汽輪機背壓的升高直接影響汽輪機熱效率，甚至有些空冷機組在夏季不能 滿出力運行。同時火力發電機組與環境存在汽輪機排汽(凝汽器)、鍋爐排煙的兩處冷源 損失，都直接影響機組發電的循環熱效率的提高。例如一般200麗水冷、空冷機組的用水 單耗分別為4. 43kg/(kW h)和1. 643kg/(kW h)，並且空冷機組比水冷機組年平均煤耗高 12 18g/(kW h)。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有系統技術的缺點，提出一種凝汽式火 力發電機組的熱力系統集成與設計技術，即基於正逆耦合循環系統的熱力發電新技術。這 項新技術是根據熱力學第一、第二定律及能量梯級利用原理，基於變工質製冷的逆循環拓 展正循環做功的低溫邊界(汽輪機排汽溫度)，同時將汽輪機蒸汽凝結水的熱量轉換為冷 卻循環工質向冷源空氣排放的熱量，這部分空氣攜帶熱量再引入鍋爐送風機回收至鍋爐爐 膛燃燒，並且合理利用低品位能量進行熱交換器的設計與系統的集成，最終形成變工質、多 循環、單一冷源排放的熱能系統耦合的動力裝置及系統如圖4，即以水為工質的熱功轉換閉
式循環、以製冷劑為工質的製冷閉式循環以及在鍋爐中燃燒放熱與換熱空氣與燃料混合為 工質的開式循環。 本發明的核心技術是基於變工質正逆耦合循環的系統集成與能量梯級利用及熱 泵技術，充分利用汽輪機向環境排放的冷源損失，結合不同形式鍋爐、汽輪機與製冷裝置的 結構及性能特點，實現鍋爐、汽輪機與製冷裝置的高效集成及結構的一體化設計，達到熱能
3轉換動力裝置及系統合理利用水資源與節能高效的目的。
本發明的技術方案主要通過如下步驟實現 由於本技術發明適用於以煤、生物質、燃氣等為燃料的凝汽式火力發電機組的熱 力系統集成、設計與設備改造技術。因此，下面結合以生物質為燃料的鍋爐汽輪發電機組的 系統集成來形成如下的技術方案。 1.鍋爐、汽輪機主輔設備及系統是以朗肯循環為基礎，實現以水為工質的熱功轉 換裝置及系統的設計。 2.根據汽輪機排汽凝結熱量為負荷設計以製冷劑(如氨、溴化鋰等)的吸收式制 冷循環，同時利用鍋爐送風機抽取環境空氣，再通過換熱器將製冷系統的排放熱量，送入鍋 爐燃燒及燃料除溼乾燥的系統中。 3.利用能量梯級利用原理及熱泵技術，結合鍋爐、汽輪機與製冷裝置的結構及性 能特點，合理布置不同工質熱量傳遞的換熱器，完成鍋爐、汽輪機與製冷裝置的高效集成及 結構的一體化設計。 本發明的實施例按以下步驟進行 1.高過熱度低背壓凝汽式汽輪機的設計根據發電功率選擇汽輪機的進氣壓力
及過熱度與排汽壓力及蒸汽溼度，並進行汽輪機的通流設計與結構設計。 2.生物質鍋爐的設計；根據生物制燃料特性與汽輪機耗汽量、鍋爐過熱器出口煙
氣溫度與煙氣露點溫度等參數，完成鍋爐燃燒與各受熱面布置的結構及系統設計。
3.吸收式製冷循環裝置及系統的設計根據汽輪機排汽凝結熱量為負荷，結合雙
相變換熱器(水蒸汽凝結與製冷劑蒸發)的結構特點進行製冷循環設計(如製冷劑為氨、
溴化鋰的吸收式等)，同時利用鍋爐送風機抽取環境空氣，通過換熱器將製冷系統的排放熱
量，再送入鍋爐燃燒及燃料除溼乾燥的系統進行餘熱回收及利用，從而達到提高鍋爐效率
的目的。 4.系統集成的熱力系統設計，結合鍋爐、汽輪機與製冷裝置的結構及性能特點，採 用鍋爐煙氣攜帶熱量或汽輪機低參數抽汽熱量為吸收式製冷循環提供熱量，並進行系統參 數匹配的優化，合理布置不同工質熱量傳遞的換熱器，完成鍋爐、汽輪機與製冷裝置的主設 備及系統的有效集成及一體化設計。
圖1是生物質秸稈鍋爐的燃燒系統示意圖。 圖2是凝汽式直接水冷(間接空冷)汽輪機的循環水系統。 圖2A閉式水冷系統，圖2B開式水冷系統 1-—鍋爐；2-—過熱器；3-—汽輪機；4-一表面式凝汽器；5_—凝結水泵； 6-—低壓疏水泵；7-—低壓加熱器；8-—除氧器；9_一給水泵；10_—高壓加熱器； 11-一循環水泵；12-—補給水泵；13-—水塔填料；14-一空冷塔；15-—發電機
圖3是凝汽式直接空冷汽輪機的排汽冷卻系統。 1-—鍋爐；2-—過熱器；3-—汽輪機；16-—空冷凝汽器；5_—凝結水泵； 17—-凝結水精處理裝置；18-—凝結水生壓泵；7-—低壓加熱器；8-—除氧器；9一_給水 泵；10-—高壓加熱器；19-一汽輪機排氣管道；20—_軸流冷卻風機；21_—立式電動機；
422-—凝結水箱；15-—發電機 圖4是凝汽式(間接空冷)變工質正逆耦合循環的原則性熱力發電系統。
權利要求
基於變工質正逆耦合循環系統的凝汽式火力發電新技術，其特徵是，以常規火力發電朗肯循環(正循環)與汽輪機凝汽器冷卻為負荷的製冷循環(逆循環)為基礎，利用不同工質的熱力特性構建正逆耦合循環的系統集成，並且採用能量梯級利用技術進行系統集成與參數優化，充分利用汽輪機向環境排放的冷源損失，實現鍋爐、汽輪機與製冷裝置的高效集成與結構的一體化設計，達到凝汽式火力發電機組節能減排的目的。
2. 根據權利1要求所述的構建正逆耦合循環的系統集成，其特徵是，針對汽輪機排汽 凝結熱量為負荷進行製冷循環設計(如製冷劑為氨、溴化鋰的吸收式製冷循環等)，採用能 量梯級利用及熱泵等技術，並且優先利用鍋爐尾部煙氣熱量和汽輪機匹配的抵壓抽汽熱量 作為製冷循環的動力熱源，同時利用鍋爐送風機抽取環境空氣，通過換熱器吸收製冷循環 系統排放的熱量，再送入鍋爐燃燒及燃料除溼乾燥的系統進行餘熱、廢水回收及利用，從而 達到提高熱力系統循環效率的目的。
3. 根據權利1要求所述的採用能量梯級利用技術進行系統集成與參數優化，其特徵 是，結合鍋爐、汽輪機與製冷裝置的結構及性能特點，合理布置不同工質熱量傳遞的換熱 器，完成鍋爐、汽輪機與製冷裝置的高效集成及結構的一體化設計。
全文摘要
基於正逆耦合循環系統是一項熱力發電的新技術。這項技術是根據熱力學定律及能量梯級利用原理，將總能系統能量梯級利用原理應用到火力發電機組的系統設計與改造過程中，並且利用變工質特性有效地解決正/逆循環耦合與冷/熱源匹配的問題，構建新型熱力循環與製冷循環相耦合的新型耦合動力循環系統。同時結合不同形式鍋爐、汽輪機與製冷裝置的結構及性能特點，合理利用低品位能量進行系統集成，實現鍋爐、汽輪機與製冷裝置的一體化設計。這不但能夠有效地解決常規水冷機組耗水嚴重的問題，而且還能夠很好地解決常規空冷機組經濟性差的問題，從而達到熱能轉換動力裝置及系統合理利用水資源與節能高效的目的。
文檔編號F01K11/02GK101782002SQ20091000027
公開日2010年7月21日 申請日期2009年1月15日 優先權日2009年1月15日
發明者付經倫, 楊善讓, 楊金福, 金紅光, 隋軍, 韓魏 申請人:中國科學院工程熱物理研究所;楊金福;金紅光