一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统的制作方法

本实用新型涉及火电余热利用技术领域，尤其涉及一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统。

背景技术：

随着国民经济的发展，节能减排已成为人类社会生存和发展的基础。火电厂生产虽然给我们的生活提供了能源，但同时也增加了对火电废气的排放。虽然燃煤火电厂对于中国有着成本较低、燃料来源广泛等优势，但是燃煤火电厂存在效率较低、污染物排放较多等缺点。而在能源紧缺、传统能源使用费用持续走高的情势下，如何利用火电废气的余热已成为摆在人类社会面前的一个重要课题，一旦将工业废气利用起来就相当于提高了经济收益，同时还降低了大气的温室效应符合环保的理念。

目前，火电厂的能量利用率比较低，全厂热效率在35％～45％之间，世界上效率最高的火电厂的全厂热效率不高于46％。可见，约60％的能量被排放到环境中，没有被利用。排放到环境中的余热主要由三部分组成：(1)各种汽轮机的乏汽的能量，乏汽中含有大量的能量，主要是汽化潜能。当乏汽排入凝汽器，乏汽的能量被凝汽器的冷却水带走造成了热量的浪费。(2)锅炉排放的烟气能量，由于烟气流量大，烟气温度较高，这部分热量也相当可观。(3)燃煤系统燃烧煤炭时产生的气体，其中有二氧化碳、一氧化碳、水蒸气等大量带有热量的气体，同时其产物二氧化碳也可以循环利用到本实用新型的热泵系统中。因此，如果能够利用乏汽能量和锅炉排放的烟气能量，将对火电厂节能带来很大益处，提高火电厂的效率，降低煤耗，同时减少污染物的排放量。

本实用新型二氧化碳热泵系统对火电废气的热量进行回收，但当今的余热回收系统大多功率太小，不适用于一些大功率大规模的火电厂，鉴于此，本实用新型使用多台压缩机并联的方式使得其热泵功率达到兆瓦级，同时压缩机的工作台数也可根据工业的功率需求进行数量上的把控避免能源浪费。该实用新型利用了废气里的热量，同时使用压缩机对二氧化碳进行压缩升温，结合气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器实现二氧化碳的循环利用、锅炉的高温用水供给和冷却塔的冷却水供应，形成一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统。

技术实现要素：

为解决上述余热回收系统在火电厂中的合理应用和余热回收系统大多功率太小，不适用于一些大功率大规模的火电厂的技术问题，本实用新型采用了以下技术措施：

一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，包含：

火电余热循环模块，包含相连通的热交换室、循环热水箱，排气过滤室、燃煤室、锅炉、汽轮机、冷凝器、冷却塔和冷水箱；所述热交换室连接有热交换室第一回路和热交换室第二回路，所述热交换室第一回路的输入端与循环热水箱连接，输出端与自身连接，所述热交换室第二回路的输入端与燃煤室相连接，输出端与排气过滤室相连接；所述冷凝器连接有冷凝器第一回路和冷凝器第二回路，所述冷凝器第一回路的输入端与冷却塔相连接，输出端与循环热水箱相连接，所述冷凝器第二回路的输入端与汽轮机相连接，输出端与循环热水箱相连接；

二氧化碳换热循环模块，包含相连通的压缩机组、气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器，形成二氧化碳换热循环回路；所述压缩机组为若干台压缩机并联组成；所述回热器连接有回热器第一回路和回热器第二回路，所述回热器第一回路的输入端与气体冷却器相连通，输出端与蒸发器相连通；所述回热器第二回路的输入端与气液分离器相连通，输出端与压缩机相连通；

供水系统，包含相连通的供水水箱、工艺水泵。

作为进一步改进，所述热交换室实现循环热水箱用水与燃煤高温气体的热交换；所述冷凝器实现蒸汽与冷却水的热交换；所述的燃煤室、锅炉、汽轮机依次连接，其中所述锅炉还与所述冷却器相连接。

作为进一步改进，所述燃煤室与供煤装置相连接；所述冷水箱与冷却塔相连接以提供冷水；所述冷凝器第二回路的输出回路上设有一除氧器。

作为进一步改进，所述循环热水箱与供水水箱、冷凝器、热交换室相连接；所述循环热水箱输出回路经过一带有温度计的热水泵后与所述气体冷却器相连通输出第一阶段用水。

作为进一步改进，所述压缩机组由干燥二氧化碳气体充注装置提供二氧化碳气体，所述压缩机组的输入和输出回路上均设有压力表和温度计，二氧化碳通过所述压缩机组压缩升温后进入气体冷却器中进行热交换。

作为进一步改进，所述气体冷却器上连接有气体冷却器第一回路和气体冷却器第二回路；所述气体冷却器第二回路的输入端与所述循环热水箱相连通，所述气体冷却器第一回路的输入端与压缩机相连通；所述气体冷却器实现循环热水箱输出的第一阶段用水与高温二氧化碳的热交换；所述气体冷却器第二回路的输出端与锅炉相连通以供给热交换后的第二阶段高温用水，所述气体冷却器第一回路的输出端与回热器相连通输出冷却后冷凝的二氧化碳冷凝水；所述气体冷却器与所述锅炉之间设有一温度计。

作为进一步改进，所述回热器与所述气体冷却器之间设有一温度计；所述回热器与所述蒸发器之间依次设有一温度计、一节流阀、一温度计和一压力表；所述回热器将二氧化碳冷凝水过冷处理防止其在节流前汽化。

作为进一步改进，所述的蒸发器上连接有蒸发器第一回路和蒸发器第二回路；所述蒸发器第一回路的输入端与所述回热器相连通，所述蒸发器第一回路的输出端与气液分离器相连通；所述蒸发器第二回路的输入端与供水水箱相连通，所述蒸发器第二回路的输出端与冷水箱相连通且输出回路上设有一温度计。

作为进一步改进，所述气液分离器输入端与蒸发器相连通，所述气液分离器输出端与回热器第二回路的输入端相连通；所述回热器第二回路的输出端与压缩机相连通；所述回热器将二氧化碳气体进行过热处理提高气体温度使其符合压缩机工作要求。

作为进一步改进，定义所述二氧化碳换热循环模块中二氧化碳通过的线路为二氧化碳循环回路，所述二氧化碳循环回路的管道外径为89mm，厚度为6mm，其选用材料为304不锈钢。

与现有技术相比较，本实用新型具有以下优点：

1、本实用新型一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统中的压缩机组采用多台压缩机并联的结构，加大了压缩机的使用功率，使其系统适用于大功率工业生产中。

2、本实用新型一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统使用压缩机组、气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器组成的循环系统来对工业废气和二氧化碳实现循环利用。

3、本实用新型一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统设置了二氧化碳回收利用和热量循环回收装置，给火电厂中锅炉提供高温用水和冷却塔的冷却水，同时将火电厂的烟气余热和冷凝器使用后的冷却水进行二次利用和循环使用，提高经济效益的同时减少火电厂废气排放导致的环境污染问题。

附图说明

附图1是本实用新型一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统的系统示意图。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“相连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述。

本实用新型一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统，包含：火电余热循环模块10，包含相连通的热交换室11、循环热水箱12，排气过滤室13、燃煤室14、锅炉15、汽轮机16、冷凝器17、冷却塔18和冷水箱19；所述热交换室11连接有热交换室第一回路和热交换室第二回路，所述热交换室第一回路的输入端与循环热水箱12连接，输出端与自身连接，所述热交换室第二回路的输入端与燃煤室14相连接，输出端与排气过滤室13相连接；所述冷凝器17连接有冷凝器第一回路和冷凝器第二回路，所述冷凝器第一回路的输入端与冷却塔18相连接，输出端与循环热水箱12相连接，所述冷凝器第二回路的输入端与汽轮机16相连接，输出端与循环热水箱12相连接；二氧化碳换热循环模块20，包含相连通的压缩机组21、气体冷却器22、回热器23、蒸发器25和气液分离器26，形成二氧化碳换热循环回路；所述压缩机组21为若干台压缩机并联组成；所述回热器23连接有回热器第一回路和回热器第二回路，所述回热器第一回路的输入端与气体冷却器22相连通，输出端与蒸发器25相连通；所述回热器第二回路的输入端与气液分离器25相连通，输出端与压缩机21相连通；

供水系统30，包含相连通的供水水箱31、工艺水泵32。

请参考图1，所述供水系统30中的供水水箱31用于向整个系统提供用水，所述供水水箱31后设有工艺水泵32用于对源头用水进行升压处理便于后续使用，所述供水水箱31的供水对象有循环热水箱12及蒸发器25。与所述供水水箱31相连接的线路使用外径108mm，厚度4mm，材质为20不锈钢的钢管。利用这样的结构可对系统中的用水进行循环利用最后重新由供水水箱供给整个系统使用，同时对供水系统的路线采用大口径的管路可保证供水稳定。

请参考图1，实施例中，所述的燃煤室14、锅炉15、汽轮机16依次连接，所述的燃煤室14燃烧供煤装置提供的煤炭后输出热能至锅炉15中，同时排放出高温废气，所述的热交换室11收集燃煤室14排放的高温废气并利用其热量与循环热水箱12供给的经过热交换室11的循环用水进行热交换以达到初步加热锅炉15用水的温度。进行热交换后的废气经过排放过滤室13后进行净化排放。所述锅炉15加热用水产生蒸汽使得汽轮机16做功发电，所述冷却塔18向冷凝器17提供冷却水，未利用到汽轮机17中的蒸汽通过所述冷凝器17进行冷却液化与冷却水实现热交换最后输出用水至所述循环热水箱12进行用水二次利用，同时冷凝器17中流动的冷却水在与蒸汽进行热交换后也输出至循环热水箱12中实现用水的二次利用。所述冷凝器第二回路的输出回路上设有一除氧器20用于将冷凝水中的氧气去除防止其对管道发生氧化。所述供水水箱31与循环热水箱12相连接以供给用水，同时还与冷凝器17、热交换室11相连接供给使用过后的用水实现用水的循环利用；所述循环热水箱12输出回路经过一带有温度计的热水泵，温度计测量水温合格后向所述气体冷却器22输出第一阶段用水。对废气、蒸汽冷凝后的冷凝水以及冷却水的再利用，以及对废气进行净化处理再排放不仅提高了经济效益，也保护了大气环境；所述火电余热循环模块中的热交换室与冷凝器采用两进两出的回路设置同时实现了水源的供给、废气与用水的热交换以及水资源的再利用。

请参考图1，实施例中，所述压缩机组21由若干台德国博客设计制造的HGX46/345-4S CO2T型跨临界CO₂压缩机并联组成，其中所述每台压缩机的最大工作电流为90.9A，最大功率消耗为53.4kW，定义其压缩机的台数数量为n，其中n的范围为4～6，优选的，因本实用新型所述的系统要求的功率为兆瓦级，而实现兆瓦级的压缩机最低标配为4台故选用n为4。所述压缩机组21由一干燥二氧化碳气体充注装置27提供二氧化碳气体，所述压缩机组21的输入和输出回路上均设有压力表和温度计用于测量二氧化碳的气温和气压，二氧化碳通过所述压缩机组21压缩升温后进入气体冷却器中进行热交换。所述压缩机组采用多台并联的形式不仅实现了兆瓦级功率的需求，同时压缩机组的并联台数可根据功率需求自行决定并联的压缩机是否全开和是否增加并联压缩机的台数，可选的功率范围不仅节约了能源，而且能够适用于很多大功率的工业生产。

请参考图1，实施例中，所述气体冷却器22上连接有气体冷却器第一回路和气体冷却器第二回路；所述气体冷却器第二回路的输入端与所述循环热水箱13相连通以提供用水，所述气体冷却器第一回路的输入端与压缩机组21相连通用于输入升温升压后的二氧化碳；所述气体冷却器22实现循环热水箱输出的用水与高温二氧化碳的热交换；所述气体冷却器第二回路的输出端与锅炉15相连通以供给热交换后的第二阶段高温用水，此高温用水相比于上述循环热水箱12输出给气体冷却器的第一阶段用水温度更高以减小锅炉13加热过程中消耗的热能，所述气体冷却器第一回路的输出端与回热器相连通输出冷却后冷凝的二氧化碳冷凝水；所述气体冷却器22与所述锅炉15的之间设有一温度计用于测量第二阶段高温用水的温度，所述气体冷却器22与回热器23之间设有一温度计用于测量二氧化碳冷凝水的温度是否符合要求。采用气体冷却器能够将实现液体和气体之间的热交换从而使锅炉用水达到更高温度以提高锅炉用水初始温度，减小热能的损失和煤炭的损耗。

请参考图1，实施例中，所述回热器23连接有回热器第一回路和回热器第二回路，所述回热器第一回路的输入端与气体冷却器第一回路的输出端相连通用于传输二氧化碳冷凝水，输出端与蒸发器25相连通用于将过冷后的冷凝水传输至蒸发器中；所述回热器第二回路的输入端与气液分离器的输出端相连通用于传输气液分离后的二氧化碳气体，输出端与压缩机21的输入端相连通；所述回热器23与所述蒸发器25之间依次设有一温度计、一节流阀24、一温度计和一压力表，第一个温度计用于测量通过回热器后二氧化碳冷凝水的温度以满足后方的节流阀24工作要求、后方的温度计和压力表用于测量节流后的二氧化碳冷凝水的温度和水压以满足蒸发器25工作要求；所述回热器在第一回路上用于将二氧化碳冷凝水过冷处理防止其在节流前汽化，所述回热器23在第二回路上用于将二氧化碳气体过热处理以便满足压缩机21工作要求。采用回热器装置作为气体冷却器-蒸发器，气液分离器-压缩机之间的连接对二氧化碳可以起到过冷过热的作用并使整个循环过程顺利进行。

请参考图1，实施例中，所述的蒸发器25上连接有蒸发器第一回路和蒸发器第二回路；所述蒸发器第一回路的输入端与所述回热器第一回路的输出端相连通，所述蒸发器第一回路的输出端与气液分离器25的输入端相连通；所述蒸发器第二回路的输入端与供水水箱31相连通，所述蒸发器第二回路的输出端与冷水箱19相连通且输出回路上设有一温度计；所述蒸发器25加热从回热器23传输过来的二氧化碳冷凝水，使其沸腾气化，二氧化碳在气化的同时吸热并对所述供水水箱31提供的供应用水进行降温，最终向气液分离器26输出二氧化碳气体、向冷水箱19输出冷却后的用水。但由于蒸发器25在蒸发过程中容易产生水气并与二氧化碳气体一并输出故在蒸发器25后方设有一气液分离器26。所述气液分离器26输入端与蒸发器25相连通，所述气液分离器26输出端与回热器第二回路的输入端相连通；所述回热器第二回路的输出端与压缩机21的输入端相连通；所述气液分离器26将输送过来的气液混合体进行气液分离器并输出二氧化碳气体至回热器进行过热处理，提高二氧化碳气体温度使其符合压缩机工作要求。所述冷水箱19与冷却塔18相连接以供给冷却水。采用这样的结构不仅实现了二氧化碳的循环利用，同时还能将冷水利用到冷却塔中以供冷凝器使用，最后输出使用过后的用水以供循环热水箱使用，大大节省了能源。

请参考图1，实施例中，定义所述二氧化碳换热循环模块20中二氧化碳通过的线路为二氧化碳循环回路，所述二氧化碳循环回路的管道外径为89mm，厚度为6mm，其选用材料为304不锈钢。所述二氧化碳循环回路连接压缩机、气体冷却器、回热器、蒸发器和气液分离器并使其形成一个二氧化碳的循环回路，二氧化碳在这个回路中实现了气态-液态-气态的转化以满足各个设备的工作要求和冷热交换，最终输出热水和冷水以供生产使用。

请参考图1，上述实施例中，所述除尘室12、供水水箱31、工艺水泵32和冷水箱19均为旧设备重复使用，设备的利旧使用不仅可以节省和节约工业机械成本，同时也避开了场地受限等影响。本实用新型一种应用在火电领域中的兆瓦级二氧化碳热泵系统中的火电废气热量回收和除尘处理、水资源循环使用、大气资源循环使用以及各个设备的利旧使用都本着节能环保的绿色理念进行设计，顺应当今工业发展的趋势，同时贯彻国家对工业化建设的愿景。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型保护的范围之内。