一種零能源損耗率的熱電廠的燃蒸循環熱電冷三聯供系統的製作方法

2023-10-09 07:44:39

專利名稱：一種零能源損耗率的熱電廠的燃蒸循環熱電冷三聯供系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於燃蒸聯合循環熱電冷三聯供技術領域，特別涉及一種零能源損耗率的熱電廠的燃蒸循環熱電冷三聯供系統。
背景技術：
目前中國北方地區供暖的主要系統形式是熱電聯產、區域鍋爐房和分散採暖各佔約1/3，其中一次能源利用效率最高、減排效果最好、經濟性最合理的熱電聯產的推廣應用受到難以大規模擴展熱網規模及其供熱能力等因素的限制，亟需採取更好的技術路線與政策規劃加以推廣。清華大學江億院士和付林教授等創造性地開發了基於吸收式換熱進行乏汽餘熱回收供熱和大溫差換熱大幅降低一次網回水溫度的相關專利技術，即在熱電廠採用吸收式熱泵由中壓抽汽驅動熱泵回收汽輪機乏汽的冷凝熱，將可使熱電廠能源利用效率提高15 25% ；大幅提高供回水溫差以增大管網載熱能力達60 80%以上，在中國以燃煤熱電聯產系統為主的集中供熱領域具有突破性意義。另一方面，隨著中國對環境保護的要求日益提高，天然氣作為清潔燃料的大面積推廣並用於供熱及發電領域已經形成一個重要發展趨勢，但是與燃煤型熱電聯產系統相比，天然氣作為燃料的熱電聯產系統的一次能源利用效率及其經濟性未必顯著，甚至設計流程與熱網狀況未臻優化的情況下反而並不比天然氣直接燃燒供熱或先發電再驅動熱泵系統供熱節能、省錢，其原因包括小容量燃氣鍋爐效率很高而供熱半徑小、熱量損耗及熱網輸配電耗小；天然氣發電效率高、電力易於遠距離輸送而熱泵效率達到一定水平即可保證較好的經濟性；天然氣可遠距離輸送到用戶區域，而集中熱網的熱水或蒸汽遠距離輸送電耗及散熱損失大幅增加；燃蒸聯合循環(CCPP)的空氣過量係數比燃氣鍋爐大一倍以上導致排煙損失過大，且天然氣燃燒排煙本來就比煤燃燒排煙的潛熱損失大得多，而傳統的 CCPP流程難以回收利用該餘熱，由此導致CCPP熱力系統能量損失嚴重；汽輪機乏汽餘熱損耗巨大等。由此，與燃煤型熱電聯產相比，傳統的CCPP往往在較小區域具有較佳的一次能源利用效率，在更大區域供熱領域其綜合效益並不具有優越性。CCPP熱電廠供熱發電的通常流程中，在冬季發電率約佔天然氣低位發熱量的 20 35%，約有40 50%用於供熱，約有佔汽輪機主蒸汽15 30%以上的熱量需要通過凝汽器從冷卻塔或空冷島釋放到大氣中，其中燃機、餘熱鍋爐及發電機等的本體散熱損失、 機械損失及煙氣損失及電廠自用電等約佔25 30%，即CCPP熱電廠的一次能源熱效率通常只有約70 75%。在夏季發電率可達到35 40%以上，少量熱能通過熱力管網送往賓館酒店等某些熱用戶用於製取生活熱水等，但是大部分熱量則被白白釋放到大氣中。對於終端熱用戶，冬季通過熱力站換熱進行採暖，夏季則另設一套電製冷或吸收式製冷系統等解決空調供冷問題。聯接熱電廠(及集中鍋爐房)和終端用戶的熱力站設置有大型換熱器用於產生所需參數的供熱循環水，同時由於供回水溫差有限，需要設置大型水泵以提供動力。經估算可知，如果能有效回收汽輪機乏汽能量，可提升熱電廠一次能源利用率達10 15% ；而如果將餘熱鍋爐排煙溫度降低到20 30°C並充分回收其中的潛熱和部分顯熱，則可提升熱電廠一次能源利用率達15 20%以上。由此，如採取合理的技術路線，可將熱電廠一次能源利用率提高25 35%左右，從而使熱電廠有效能源輸出量佔一次能源低位發熱量的比例達到95 100%甚至更高。當CCPP系統實現了 100%的一次能源利用效率時，即可認為該熱力系統實現了無能源損耗，這就是採用新型技術路線的燃蒸循環熱電冷三聯供系統實現「零能源損耗率熱電廠」的技術即節能性的涵義所在。在區域空調供冷領域，基於傳統技術路線中空調冷水的供回水溫差通常不超過 5 9°C，則要承擔較大的區域供冷負荷則其一次網循環水量極大，乃至於在距離較大時其輸送電耗過大而完全失去其節能性和經濟性，因此，從應用實踐的角度看，區域供冷仍然是一個並不成熟的技術領域，目前中國幾個有限的具有一定規模的區域供冷案例的運營維持主要是依靠具體的售熱價格等經濟因素，而非真正實現了合理的節能效果。由此，區域供冷的真正大規模應用是以必須解決大溫差遠距離供能為前提的。同時，本申請的共同發明人分別開發了採用吸收式熱泵回收汽輪機乏汽或冷卻塔循環水餘熱等用於將乏汽凝結水加熱到85 90°C後再經各級加熱器加熱後送入鍋爐的鍋爐給水預熱技術，可節省抽汽用於發電和有效降低鍋爐發電煤耗；同時開發了多種涉及供應高溫冷凍水或製取生活熱水的吸收式熱泵技術及相關系統集成技術。由此結合諸如空調用戶側的獨立調溼降溫系統技術等，即可將夏季供冷期間的熱電廠能源綜合利用效益提升到更高水平。但是，如何從進行熱力系統整體優化設計的角度出發，更有效的採用上述各項具有創新性的技術和已有傳統熱利用技術，最大程度的利用各級能量品位的能源資源驅動發電、供熱、空調供冷設備，以獲得最高一次能源利用效率、最佳環境保護效益和經濟社會效益，仍需探討關於供熱與供冷的具有整體性和實用化的解決思路、集成系統和優化設計方法。

實用新型內容本實用新型的目的是為更有效的採用上述各項具有創新性的技術和已有傳統熱利用技術，提出一種零能源損耗率的熱電廠的燃蒸循環熱電冷三聯供系統，可將天然氣熱電廠和熱網用戶作為一個整體，將其所涉及的燃料、蒸汽、電力、循環熱水、採暖、生活熱水、 供冷等的能源生產、供應、輸配、使用及其排放作為一個系統，以能源綜合梯級利用及其經濟性的整體最優為目標，採用最新技術成果為基礎集成為一個實現零能源損耗率熱電廠的發電、供熱、空調新體系，最大程度的利用各級能量品位的能源資源驅動發電、供熱、空調供冷設備，以獲得最高一次能源利用效率、最佳環境保護效益和經濟社會效益。本實用新型提出的一種零能源損耗率的熱電廠的燃蒸循環熱電冷三聯供系統， 包括燃機、餘熱鍋爐、汽輪機、發電機、鍋爐給水加熱器組、空冷或水冷凝汽器，以及與各設備相連集成為一整體系統的由包括各動力設備、電動閥件組成的能源輸配管網與包括計算機、溫度壓力及流量傳感器組成的運行控制網絡，其特徵在於，該系統還包括大溫差吸收式乏汽回收熱泵、大溫差吸收式煙氣回收熱泵、煙氣冷凝回收採集裝置、首站汽水換熱器、吸收式熱泵/製冷一體機，其中，所述餘熱鍋爐的高溫煙氣進口與燃機的高溫排煙口相連，餘熱鍋爐的高溫煙氣出口經由煙道通過煙氣冷凝回收採集裝置後與其排煙管道相通，餘熱鍋
5爐的高壓蒸汽出口通過高壓蒸汽管道與汽輪機的主蒸汽進口相連，餘熱鍋爐的中壓蒸汽出口通過中壓蒸汽管道與汽輪機的中壓抽汽出口相連後，並分別與大溫差吸收式乏汽回收熱泵的發生器進口、大溫差吸收式煙氣回收熱泵的發生器進口和首站汽水換熱器的高溫側進口相連，經大溫差吸收式乏汽回收熱泵的發生器回水口、大溫差吸收式煙氣回收熱泵的發生器回水口和首站汽水換熱器的低溫側回水口與鍋爐給水加熱器組的高溫側進口相連，餘熱鍋爐的排煙出口與煙氣冷凝回收採集裝置的高溫煙氣側進口相連，煙氣冷凝回收採集裝置的載熱介質通過動力設備與大溫差吸收式煙氣回收熱泵的蒸發器相連，煙氣冷凝回收採集裝置的低溫煙氣側出口通過冷凝煙囪排向大氣，汽輪機的乏汽同時與空冷或水冷凝汽器的乏汽側進口和吸收式乏汽餘熱回收熱泵的蒸發器的熱源側進口相連，空冷或水冷凝汽器的凝結水出口與吸收式乏汽餘熱回收熱泵的蒸發器的熱源側出口相連後經增壓泵與大溫差吸收式乏汽回收熱泵的吸收器或冷凝器的冷卻側進口相連，並經閥門後與大溫差吸收式乏汽回收熱泵的吸收器或冷凝器的冷卻側出口和餘熱鍋爐的鍋爐給水加熱器組的低溫進口相連，大溫差吸收式乏汽回收熱泵和大溫差吸收式煙氣回收熱泵中包括冷凝器和吸收器的一次網回水加熱側的進出口通過閥門組件相連，再通過串聯閥門與首站汽水換熱器的一次網回水加熱側的進口相連，並通過旁通閥門與首站汽水換熱器的一次網回水加熱側的出口相連後，通過一次網循環泵與用戶熱力站的吸收式熱泵/製冷一體機的熱源側相連。本實用新型的技術特點及有益效果本實用新型系統應用了清華大學江億院士、付林教授和本專利發明者等的最新專利技術成果，如燃蒸聯合循環技術、熱電廠採用吸收式熱泵回收乏汽熱量、深度回收煙氣餘熱、熱力站採用吸收式熱泵代替超過換熱器以大幅提升熱網供回水溫差、吸收式熱泵吸收乏汽餘熱提高鍋爐給水溫度、多種專用吸收式熱泵及系統集成技術等；本實用新型的創新點在於，以上述技術措施為基礎建立了可實際應用於整個燃蒸聯合循環熱電冷聯產熱力系統的集成技術體系，其中熱力站採用的吸收式熱泵集冬季制熱與夏季製冷於一體，其工況不同於常規的單獨吸收式熱泵或吸收式制冷機，從而其功能為可承擔全年的供熱、供冷需要，並依據專利號為200620012010. 8,200720310540. 5等的關於節能建築聯合能源系統優化設計方法對整個熱力系統進行系統規劃和優化設計。本實用新型系統並非具體產品層面的創新，而是旨在針對CCPP的具體特點及熱用戶需求而由熱電廠到熱用戶的熱力系統整體的層面上提出了完整的工程實用解決方案， 並採用熱力系統聯合能源系統規劃技術對能源系統及其運行調節進行優化設計。該系統實現了回收汽輪機乏汽冷凝熱、餘熱鍋爐煙氣冷凝熱及部分顯熱以提高熱電廠能源利用效率 25 35%、增加熱力系統供熱面積40 50%、降低熱力系統循環水流量及泵耗30 40%、 夏季採用廉價的熱電廠低品位熱能驅動吸收式制冷機承擔用戶空調供冷功能並由於實現了大溫差輸送驅動能源而在技術經濟合理範圍內增加數倍以上的供冷麵積等目的，最大程度地提高系統整體的能源綜合利用效益，具有工程指導價值。

圖1是本實用新型系統結構原理圖。圖1中各部件編號與名稱如下餘熱鍋爐1、燃機2、鍋爐給水加熱器組3、汽輪機4、發電機5、空冷或水冷凝汽器6、大溫差吸收式乏汽回收熱泵7、吸收式熱泵/製冷一體機8、首站汽水換熱器9、大溫差吸收式煙氣回收熱泵10、煙氣冷凝回收採集裝置11、輸送動力設備PF、增壓泵P1、一次網循環泵P2、閥門Fl、閥門組件(F2、F3、F4)、串聯閥門F5、旁通閥門F6。
具體實施方式
本實用新型的系統結合附圖及實施例詳細說明如下本實用新型提出的零能源損耗率的熱電廠的燃蒸循環熱電冷三聯供系統，結構如圖1所示，包括燃機2、餘熱鍋爐1、汽輪機4、發電機5、鍋爐給水加熱器組3、空冷或水冷凝汽器6，以及與各設備相連集成為一整體系統的由包括各動力設備、電動閥件組成的能源輸配管網與包括計算機、溫度壓力及流量傳感器組成的運行控制網絡(圖中未示出的部件屬於已有技術)，其特徵在於，該系統還包括大溫差吸收式乏汽回收熱泵7、大溫差吸收式煙氣回收熱泵10、煙氣冷凝回收採集裝置11、首站汽水換熱器9、吸收式熱泵/製冷一體機8， 其中，所述餘熱鍋爐1的高溫煙氣進口與燃機2的高溫排煙口相連，餘熱鍋爐1的高溫煙氣出口經由煙道通過煙氣冷凝回收採集裝置11後與其排煙管道A相通，餘熱鍋爐1的高壓蒸汽出口通過高壓蒸汽管道D與汽輪機4的主蒸汽進口相連，餘熱鍋爐1的中壓蒸汽出口通過中壓蒸汽管道C與汽輪機4的中壓抽汽出口相連後，並分別與大溫差吸收式乏汽回收熱泵7的發生器進口、大溫差吸收式煙氣回收熱泵10的發生器進口和首站汽水換熱器9的高溫側進口相連，經大溫差吸收式乏汽回收熱泵7的發生器回水口、大溫差吸收式煙氣回收熱泵10的發生器回水口和首站汽水換熱器9的低溫側回水口與鍋爐給水加熱器組3的高溫側進口相連，餘熱鍋爐1的排煙出口與煙氣冷凝回收採集裝置11的高溫煙氣側進口相連，煙氣冷凝回收採集裝置11的載熱介質通過輸送動力設備PF與大溫差吸收式煙氣回收熱泵10的蒸發器相連，煙氣冷凝回收採集裝置11的低溫煙氣側出口通過冷凝煙囪排向大氣，汽輪機4的乏汽同時與空冷或水冷凝汽器6的乏汽側進口和吸收式乏汽餘熱回收熱泵7 的蒸發器的熱源側進口相連，空冷或水冷凝汽器6的凝結水出口與吸收式乏汽餘熱回收熱泵7的蒸發器的熱源側出口相連後經增壓泵Pl與大溫差吸收式乏汽回收熱泵7的吸收器或冷凝器的冷卻側進口相連，並經閥門Fl後與大溫差吸收式乏汽回收熱泵7的吸收器或冷凝器的冷卻側出口和餘熱鍋爐1的鍋爐給水加熱器組3的低溫進口相連，大溫差吸收式乏汽回收熱泵7和大溫差吸收式煙氣回收熱泵10中包括冷凝器和吸收器的一次網回水加熱側的進出口通過閥門組件(F2、F3、F4)相連，再通過串聯閥門F5與首站汽水換熱器9的一次網回水加熱側的進口相連，並通過旁通閥門F6與首站汽水換熱器9的一次網回水加熱側的出口相連後，通過一次網循環泵P2與用戶熱力站的吸收式熱泵/製冷一體機8的熱源側相連。上述主要設備的功能及實現方式說明如下大溫差吸收式煙氣回收熱泵10為多工況溴化鋰吸收式熱泵機組，其中進入其蒸發器的低溫熱源類型包括煙氣冷凝回收採集裝置11的冷卻循環水或煙氣，進入其吸收器和冷凝器的冷卻水包括大溫差工況的20 35°C的一次網回水、常規溫差工況的40 70°C 的一次網回水、25 45°C的空冷或水冷凝汽器6的凝結水或由大溫差吸收式乏汽回收熱泵 7的吸收器和冷凝器出來的40 70°C的一次網加熱水，進入其發生器的驅動熱源為0. 2 1. OMPa的中壓蒸汽、80 170°C的熱水或400 200°C的高溫煙氣。[0021]大溫差吸收式乏汽回收熱泵7為多工況溴化鋰吸收式熱泵機組，其中進入其蒸發器的低溫熱源類型包括汽輪機乏汽和水冷凝汽器6的冷卻循環水，進入其吸收器和冷凝器的冷卻水包括大溫差工況的20 35°C的一次網回水、常規溫差工況的40 70°C的一次網回水或25 45°C的空冷或水冷凝汽器6的凝結水，進入其發生器的驅動熱源為0. 2 1. OMPa的中壓蒸汽或80 170°C的熱水。吸收式熱泵/製冷一體機8為冬季運行於第一種吸收式熱泵工況和夏季運行於採用80 130°C熱水驅動、冷凍水出口溫度達到7 20°C以上的高溫型吸收式制冷機工況的大溫差雙工況型溴化鋰吸收式熱泵機組。煙氣冷凝回收採集裝置11採用高耐腐蝕性煙氣-水型大溫差換熱裝置，與其相連的輸送動力設備PF採用水泵，大溫差吸收式煙氣回收熱泵10的蒸發器採用循環水與吸收式熱泵冷劑水間壁式換熱結構。煙氣冷凝回收採集裝置11採用煙氣導流與煙量控制結構，與其相連的輸送動力設備PF採用煙氣通風機結構，大溫差吸收式煙氣回收熱泵10的蒸發器採用高耐腐蝕性煙氣與吸收式熱泵冷劑水間壁式換熱結構。閥門組件(F2、F3、F4)可將大溫差吸收式乏汽回收熱泵7和大溫差吸收式煙氣回收熱泵10的一次網回水加熱側的進出口管路連接為串聯方式、並聯方式或者串並聯混合方式並根據室外天氣及各熱力站用戶逐時熱負荷需要調節一次網供回水溫度和流量時進行連接方式的轉換。餘熱鍋爐1設置有熱水出水管道B，該熱水管道可直接連接於一次網供水管，也可在中壓蒸汽管道C的中壓蒸汽量不足時替代一部分或全部中壓蒸汽送入後者所需驅動的吸收式熱泵主機或首站汽水換熱器中進行放熱。該設計特別針對某些具有較多蒸汽需求的工業或商業用戶，其蒸汽量不足時，可改為生產部分高溫熱水作為驅動熱源，此時餘熱鍋爐的總出力比只生產蒸汽為高。
權利要求1.一種零能源損耗率的熱電廠的燃蒸循環熱電冷三聯供系統，包括燃機、餘熱鍋爐、 汽輪機、發電機、鍋爐給水加熱器組、空冷或水冷凝汽器，以及與各設備相連集成為一整體系統的由包括各動力設備、電動閥件組成的能源輸配管網與包括計算機、溫度壓力及流量傳感器組成的運行控制網絡，其特徵在於，該系統還包括大溫差吸收式乏汽回收熱泵、大溫差吸收式煙氣回收熱泵、煙氣冷凝回收採集裝置、首站汽水換熱器、吸收式熱泵/製冷一體機，其中，所述餘熱鍋爐的高溫煙氣進口與燃機的高溫排煙口相連，餘熱鍋爐的高溫煙氣出口經由煙道通過煙氣冷凝回收採集裝置後與其排煙管道相通，餘熱鍋爐的高壓蒸汽出口通過高壓蒸汽管道與汽輪機的主蒸汽進口相連，餘熱鍋爐的中壓蒸汽出口通過中壓蒸汽管道與汽輪機的中壓抽汽出口相連後，並分別與大溫差吸收式乏汽回收熱泵的發生器進口、大溫差吸收式煙氣回收熱泵的發生器進口和首站汽水換熱器的高溫側進口相連，經大溫差吸收式乏汽回收熱泵的發生器回水口、大溫差吸收式煙氣回收熱泵的發生器回水口和首站汽水換熱器的低溫側回水口與鍋爐給水加熱器組的高溫側進口相連，餘熱鍋爐的排煙出口與煙氣冷凝回收採集裝置的高溫煙氣側進口相連，煙氣冷凝回收採集裝置的載熱介質通過動力設備與大溫差吸收式煙氣回收熱泵的蒸發器相連，煙氣冷凝回收採集裝置的低溫煙氣側出口通過冷凝煙囪排向大氣，汽輪機的乏汽同時與空冷或水冷凝汽器的乏汽側進口和吸收式乏汽餘熱回收熱泵的蒸發器的熱源側進口相連，空冷或水冷凝汽器的凝結水出口與吸收式乏汽餘熱回收熱泵的蒸發器的熱源側出口相連後經增壓泵與大溫差吸收式乏汽回收熱泵的吸收器或冷凝器的冷卻側進口相連，並經閥門後與大溫差吸收式乏汽回收熱泵的吸收器或冷凝器的冷卻側出口和餘熱鍋爐的鍋爐給水加熱器組的低溫進口相連，大溫差吸收式乏汽回收熱泵和大溫差吸收式煙氣回收熱泵中包括冷凝器和吸收器的一次網回水加熱側的進出口通過閥門組件相連，再通過串聯閥門與首站汽水換熱器的一次網回水加熱側的進口相連，並通過旁通閥門與首站汽水換熱器的一次網回水加熱側的出口相連後，通過一次網循環泵與用戶熱力站的吸收式熱泵/製冷一體機的熱源側相連。
2.如權利要求1所述系統，其特徵在於，所述大溫差吸收式煙氣回收熱泵為多工況溴化鋰吸收式熱泵機組，其中進入其蒸發器的低溫熱源類型包括煙氣冷凝回收採集裝置的冷卻循環水或煙氣，進入其吸收器和冷凝器的冷卻水包括大溫差工況的20 35°C的一次網回水、常規溫差工況的40 70°C的一次網回水、25 45°C的空冷或水冷凝汽器的凝結水或由大溫差吸收式乏汽回收熱泵的吸收器和冷凝器出來的40 70°C的一次網加熱水，進入其發生器的驅動熱源為0. 2 1. OMPa的中壓蒸汽、80 170°C的熱水或400 200°C的高溫煙氣。
3.如權利要求1所述系統，其特徵在於，所述大溫差吸收式乏汽回收熱泵為多工況溴化鋰吸收式熱泵機組，其中進入其蒸發器的低溫熱源類型包括汽輪機乏汽和水冷凝汽器的冷卻循環水，進入其吸收器和冷凝器的冷卻水包括大溫差工況的20 35°C的一次網回水、常規溫差工況的40 70°C的一次網回水或25 45°C的空冷或水冷凝汽器6的凝結水， 進入其發生器的驅動熱源為0. 2 1. OMPa的中壓蒸汽或80 170°C的熱水。
4.如權利要求1所述系統，其特徵在於，所述吸收式熱泵/製冷一體機為冬季運行於第一種吸收式熱泵工和夏季運行於採用80 130°C熱水驅動、冷凍水出口溫度達到7 20°C 以上的高溫型吸收式制冷機工況的大溫差雙工況型溴化鋰吸收式熱泵機組。
5.如權利要求1所述系統，其特徵在於，所述煙氣冷凝回收採集裝置採用高耐腐蝕性煙氣-水型大溫差換熱裝置，連接該裝置的輸送動力設備採用水泵，大溫差吸收式煙氣回收熱泵的蒸發器採用循環水與吸收式熱泵冷劑水間壁式換熱結構。
6.如權利要求1所述系統，其特徵在於，所述煙氣冷凝回收採集裝置採用煙氣導流與煙量控制結構，連接該裝置的輸送動力設備採用煙氣通風機結構，大溫差吸收式煙氣回收熱泵的蒸發器採用高耐腐蝕性煙氣與吸收式熱泵冷劑水間壁式換熱結構。
專利摘要本實用新型涉及一種零能源損耗率的熱電廠的燃蒸循環熱電冷三聯供系統，屬於燃蒸聯合循環熱電冷三聯供技術領域，除了包括由燃機、餘熱鍋爐、汽輪機、發電機等組成的熱電聯合循環外，還包括大溫差吸收式乏汽回收熱泵、大溫差吸收式煙氣回收熱泵、煙氣冷凝回收採集裝置、首站汽水換熱器、吸收式熱泵/製冷一體機等，運行調節方法採用基於吸收式換熱餘熱回收與大溫差供熱技術並結合氣候補償技術的整個熱力系統聯合能源優化運行調節方法，由此針對燃蒸聯合循環系統特點實現了熱電廠一次能源利用效率接近乃至超過100％。本實用新型利用各級能量品位的能源資源驅動發電、供熱、空調供冷設備，達到了有效能量輸出與燃氣低位發熱量相比無能源損耗的節能效果。
文檔編號F25B30/06GK202267113SQ20112034346
公開日2012年6月6日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者張軍, 張茂勇 申請人:北京中科華譽能源技術發展有限責任公司