专利名称：基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及凝汽式火力发电机组的热力系统集成、设计与设备改造技术领 域，尤其涉及一种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统。
技术背景在热能工程应用的实践中，人们利用正循环原理设计热机将热能转换为机械能， 例如燃煤发电机组、生物质发电机组、燃气发电机组等；利用逆循环原理设计制冷机排出低 温空间热量维持低温环境，例如液体汽化制冷、热电制冷、气体膨胀制冷等。热能工程是能 源消耗与利用的一个重要领域，其主要设备包括燃料输送、化学制水、锅炉、汽轮机、制冷及 自动控制等等，因此掌握设备的基本原理及性能实现能量的梯级利用，合理利用能源及提 高效率不仅关系到节约资源和经济发展，而且还影响到人类生存的环境。到目前为止，80% 以上的电能还是利用热力发电技术进行能量转换而得到，但是在该项技术规模化发展的同 时也带来更为严重资源与能源的高效利用问题，尤其是在我国以煤、生物质、燃气等为燃料 的火力发电机组的水资源利用与其提高热效率问题就更为突出。目前，火力发电厂的锅炉普遍采用将燃料与吸入环境的空气在锅炉内燃烧加热热 机的循环工质(水)，燃烧后的烟气经清洁处理后再排放到环境中去(如图1所示)。凝汽式机组主要有两种最基本的结构形式，一种是直接水冷机组如图2，另一种是 空冷机组如图3。无论是凝汽式汽轮发电机组，还是空冷式汽轮发电机组，都不影响锅炉 结构及系统设计与制造的原理及性能，除循环工质(水)以外，其它热力系统都是单独运 行的。显然，图2A闭式直接水冷机组(有冷却水塔)、图2B开式直接水冷机组(无冷却水 塔)两者都需要水资源，并且闭式直接水冷机组水耗高，开式直接水冷机组对环境水(如 江、河、湖、海等)资源又有热污染；空冷式汽轮发电机组虽然能有效地解决节水的问题，但 是由于空气冷却受环境温度的制约，导致的汽轮机背压的升高直接影响汽轮机热效率，甚 至有些空冷机组在夏季不能满出力运行。同时火力发电机组与环境存在汽轮机排汽(凝 汽器)、锅炉排烟的两处冷源损失，都直接影响机组发电的循环热效率的提高。例如一般 200MW水冷、空冷机组的用水单耗分别为4. 43kg/(kW · h)和1. 643k/(kW · h)，并且空冷机 组比水冷机组年平均煤耗高12 18g/(kW · h)。
实用新型内容(一)要解决的技术问题有鉴于此，本实用新型的主要目的在于克服上述现有系统技术的缺点，提出一种 凝汽式火力发电机组的热力系统集成与设计技术，即一种基于正逆耦合循环的凝汽式火力 发电系统。( 二 )技术方案为达到上述目的，本实用新型提供了一种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系 统，该系统包括粉碎机1、干燥机2、料斗3、流化床锅炉4、蒸汽轮机5、发电机6、给水泵7、送风机8、制冷机9、尾气处理设备10、引风机11和烟囱12，其中，粉碎机1、干燥机2、料斗3和流化床锅炉4依次连接，流化床锅炉4还分别连接于蒸汽轮机5、给水泵7和尾气处理 设备10，蒸汽轮机5还分别连接于发电机6和制冷机9，给水泵7还连接于制冷机9，尾气处 理设备10还通过引风机11连接于烟囱12，送风机8连接于制冷机9，制冷机9还分别连接 于干燥机2、流化床锅炉4和引风机11。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果1、本实用新型提供的这种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统，不但有效地 解决了常规水冷机组耗水严重的问题，而且还能很好地解决常规空冷机组经济性差的问 题。因此，科学地将总能系统能量梯级利用原理应用到火力发电机组的系统设计与改造过 程中，能够降低能量转换的不可逆损失，实现较高的系统循环效率，从而达到热能转换动力 装置及系统合理利用水资源与节能高效的目的。2、本实用新型提供的这种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统，以常规火力 发电朗肯循环，即正循环，与汽轮机凝汽器冷却为负荷的制冷循环，即逆循环为基础，利用 不同工质的热力特性构建正逆耦合循环的系统集成，并且采用能量梯级利用技术进行系统 集成与参数优化，充分利用汽轮机向环境排放的冷源损失，实现锅炉、汽轮机与制冷装置的 主辅设备及系统的高效集成与结构的一体化设计，达到凝汽式火力发电机组节能减排的目 的。3、本实用新型提供的这种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统，针对汽轮机 排汽凝结热量为负荷进行制冷循环设计，采用能量梯级利用及热泵等技术，并且优先利用 锅炉尾部烟气热量和汽轮机匹配的抵压抽汽热量作为制冷循环的动力热源，同时利用锅炉 送风机抽取环境空气，通过换热器吸收制冷循环系统排放的热量，再送入锅炉燃烧及燃料 除湿干燥的系统进行余热回收及利用，从而达到提高锅炉效率的目的。4、本实用新型提供的这种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统，结合锅炉、 汽轮机与制冷装置的结构及性能特点，合理布置不同工质热量传递的换热器，完成锅炉、汽 轮机与制冷装置的主设备及系统有效集成及结构的一体化设计。5、本实用新型提供的这种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统，制冷循环是 以氨_水或溴化锂_水为工质对的吸收式制冷循环。
图1是生物质秸秆锅炉的燃烧系统示意图；其中1废热回收装置2粉碎机3干燥器4料斗5流化床燃烧室6送灰器7流化床热 交换器8旋风分离器9尾部受热面10除尘器11引风机12烟囱13汽轮机14发电机 15生物质燃料16烟气17水18—次风19粗灰20空气21细灰22空气23给水24蒸汽。图2A和图2B是凝汽式直接水冷(间接空冷)汽轮机的闭式和开式循环水冷系统； 其中1—锅炉；2---锅热器；3---汽轮机；4---表面式凝汽器；5---凝结水泵； 6—低加疏水泵；7—抵压加热器；8—除氧器；9—给水泵；10—高压加热器；11---循环水泵；12---补给水泵；13---水塔填料；14---空冷塔；15—发电机。图3是凝汽式直接空冷汽轮机的排汽冷却系统；其中 1---锅炉；2—过热器；3—汽轮机；4—空冷凝汽器；5—凝结水泵；6—凝 结水精处理装置；7—凝结水生压泵；8—低压加热器；9—除氧器；10—给水泵； 11—高压加热器；12—汽轮机排气管道；13—轴流冷却风机；14—立式电动机； 15—凝结水箱；16—发电机。图4是本实用新型提供的基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统的示意图；其 中1-粉碎机2—干燥器3—料斗4一锅炉5—蒸汽轮机6—发电机7—给水泵 8—鼓风机9一吸收式制冷机10-尾气处理设备11--引风机12-烟囱。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并 参照附图，对本实用新型进一步详细说明。本实用新型提供的这种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统，是根据热力学 第一、第二定律及能量梯级利用原理，基于变工质制冷的逆循环拓展正循环做功的低温边 界(汽轮机排汽温度)，同时将汽轮机蒸汽凝结水的热量转换为制冷循环中制冷工质向冷 源空气排放的热量，这部分空气携带热量再引入锅炉送风机回收至锅炉炉膛燃烧，并且合 理利用低品位能量进行热交换器的设计与系统的集成，最终形成变工质、多循环、单一冷源 排放的热能系统耦合的动力装置及系统，即以水为工质的热功转换闭式循环、以制冷剂为 工质的制冷闭式循环以及在锅炉中燃烧放热与换热空气与燃料混合为工质的开式循环。如图4所示，图4是本实用新型提供的基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统 的示意图，该系统包括粉碎机1、干燥机2、料斗3、流化床锅炉4、蒸汽轮机5、发电机6、给 水泵7、送风机8、制冷机9、尾气处理设备10、引风机11和烟囱12，其中粉碎机1、干燥机2、 料斗3和流化床锅炉4依次连接，流化床锅炉4还分别连接于蒸汽轮机5、给水泵7和尾气 处理设备10，蒸汽轮机5还分别连接于发电机6和制冷机9，给水泵7还连接于制冷机9，尾 气处理设备10还通过连接引风机11连接于烟@ 12，送风机8连接于制冷机9，制冷机9还 分别连接于干燥机2、流化床锅炉4和引风机11。生物质燃料Sl依次经过粉碎机1、干燥机2后进入料斗3，再进入流化床锅炉4，与 空气混合后燃烧，释放热量，加热流化床锅炉4给水产生过热蒸汽S4进入蒸汽轮机5，锅炉 排烟S14经过尾气处理设备10后由引风机11送入烟囱12排入大气。过热蒸汽S4进入蒸汽轮机5膨胀做功带动发电机6发电，透平排汽S5不是进入 常规的凝汽器，而是进入吸收式制冷机9，利用制冷机制得的冷量来冷凝透平乏汽，使其成 为乏汽凝结水S6，或者吸收式制冷机9可以采用透平的低压抽汽S7为驱动热源，冷凝的水 S8与乏汽凝结水S6混合后再通过给水泵7回到流化床锅炉4的水循环中；吸收式制冷机 9也可以从流化床锅炉4的排烟S14中抽取一部分S9为驱动热源，在吸收式制冷机9里放 热后的烟气SlO由引风机11送入烟囱12排空。制冷系统的蒸发器中通过制冷剂的蒸发吸热将汽轮机排汽冷凝所放出的热量带 走。制冷循环采用空气冷却，送风机8从大气中抽取空气Sll进入吸收式制冷机9，利用空气将制冷循环所释放的热量全部回收，这部分携带着回收热量的空气S12被分为两股，即第一股S2和第二股S13，第一股S2被送入流化床锅炉4，第二股S13被送入燃料干燥器2， 进行余热利用。因此，正逆耦合循环通过吸收式制冷循环的制冷剂作为透平排汽的冷却介质，拓 展了动力循环的低温边界，使排汽压力、温度得到降低，提高出功效率；同时，利用空气作为 制冷循环的冷却介质，来回收制冷循环所排放的热量，并送入锅炉系统中进行充分利用。本实用新型的核心技术是基于变工质正逆耦合循环的系统集成与能量梯级利用 及热泵技术，充分利用汽轮机向环境排放的冷源损失，结合不同形式锅炉、汽轮机与制冷装 置的结构及性能特点，实现锅炉、汽轮机与制冷装置的主设备及系统有效集成及结构的一 体化设计，达到热能转换动力装置及系统合理利用水资源与节能高效的目的。本实用新型的技术方案主要通过如下步骤实现由于本技术实用新型适用于以煤、生物质、燃气等为燃料的凝汽式火力发电机组 的热力系统集成、设计与设备改造技术。因此，下面结合以生物质为燃料的锅炉汽轮发电机 组的系统集成来形成如下的技术方案。1)、锅炉、汽轮机主辅设备及系统是以朗肯循环为基础，实现以水为工质的热功转 换装置及系统的设计。2)、根据汽轮机排汽凝结热量为负荷设计的以氨_水或溴化锂_水为工质对的吸 收式制冷循环，同时利用锅炉送风机抽取环境空气，通过换热器回收制冷系统排放的热量 后，再送入锅炉燃烧室或燃料干燥器中。3)、利用能量梯级利用原理及热泵技术，结合锅炉、汽轮机与制冷装置的结构及性 能特点，合理布置不同工质热量传递的换热器，完成锅炉、汽轮机与制冷装置的主设备及系 统有效集成及结构的一体化设计。本实用新型的实施例按以下步骤进行1)、高过热度低背压凝汽式汽轮机的设计根据发电功率选择汽轮机的进气压力 及过热度与排汽压力及蒸汽湿度，并进行汽轮机的通流设计与结构设计。2)、生物质锅炉的设计；根据生物制燃料特性与汽轮机耗汽量、锅炉过热器出口烟 气温度与烟气露点温度等参数，完成锅炉燃烧与各受热面布置的结构及系统设计。3)、吸收式制冷循环装置及系统的设计以汽轮机排汽凝结热量为负荷，结合双相 变换热器(水蒸汽凝结与制冷剂蒸发)的结构特点进行制冷循环设计(如以氨-水或溴化 锂_水为工质对的吸收式制冷循环)，同时利用锅炉送风机抽取环境空气，通过换热器回收 制冷系统排放的热量后，再送入锅炉燃烧室或燃料干燥器中进行余热回收利用，从而达到 提高锅炉效率的目的。4)、系统集成的热力系统设计，结合锅炉、汽轮机与制冷装置的结构及性能特点， 采用锅炉烟气携带热量或汽轮机低参数抽汽热量为吸收式制冷循环提供热量，并进行系统 参数匹配的优化，合理布置不同工质热量传递的换热器，完成锅炉、汽轮机与制冷装置的主 设备及系统的有效集成及一体化设计。本实用新型基于变工质正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统是基于变工质构建 新型耦合动力循环系统的思想，根据热力学第一、第二定律及能量梯级利用原理，利用变工 质特性拓展热力循环的低温边界，同时有效地解决正/逆循环耦合与冷/热源匹配的问题，构建新型热力循环与制冷循环相耦合的变工质热力循环装置及系统。应用这项技术形成 的变工质、多循环的热能系统耦合的热能转换动力装置及系统，能够充分利用汽轮机向环 境排放的冷源损失，将汽轮机蒸汽凝结水的热量转换为冷却循环工质向冷源空气排放的热 量，再将携带这部分热量的空气送入锅炉燃烧室或燃料干燥器进性余热回收利用，并且结 合不同形式锅炉、汽轮机与制冷装置的结构及性能特点，合理利用低品位能量进行热交换 器设计与系统集成，实现锅炉、汽轮机与制冷装置的主辅设备及系统的有效集成及结构的 一体化设计。这不但有效地解决了常规水冷机组耗水严重的问题，而且还能很好地解决常 规空冷机组经济性差的问题。因此，科学地将总能系统能量梯级利用原理应用到火力发电 机组的系统设计与改造过程中，能够降低能量转换的不可逆损失，实现较高的系统循环效 率，从而达 到热能转换动力装置及系统合理利用水资源与节能高效的目的。 以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一 步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本 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 含在本实用新型的保护范围之内。
权利要求一种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统，其特征在于，该系统包括粉碎机(1)、干燥机(2)、料斗(3)、流化床锅炉(4)、蒸汽轮机(5)、发电机(6)、给水泵(7)、送风机(8)、制冷机(9)、尾气处理设备(10)、引风机(11)和烟囱(12)，其中，粉碎机(1)、干燥机(2)、料斗(3)和流化床锅炉(4)依次连接，流化床锅炉(4)还分别连接于蒸汽轮机(5)、给水泵(7)和尾气处理设备(10)，蒸汽轮机(5)还分别连接于发电机(6)和制冷机(9)，给水泵(7)还连接于制冷机(9)，尾气处理设备(10)还通过引风机(11)连接于烟囱(12)，送风机(8)连接于制冷机(9)，制冷机(9)还分别连接于干燥机(2)、流化床锅炉(4)和引风机(11)。
专利摘要本实用新型公开了一种基于正逆耦合循环的凝汽式火力发电系统，包括粉碎机、干燥机、料斗、流化床锅炉、蒸汽轮机、发电机、给水泵、送风机、制冷机、尾气处理设备、引风机和烟囱，其中，粉碎机、干燥机、料斗和流化床锅炉依次连接，流化床锅炉还分别连接于蒸汽轮机、给水泵和尾气处理设备，蒸汽轮机还分别连接于发电机和制冷机，给水泵还连接于制冷机，尾气处理设备还通过引风机连接于烟囱，送风机连接于制冷机，制冷机还分别连接于干燥机、流化床锅炉和引风机。利用本实用新型，不但有效地解决了常规水冷机组耗水严重的问题，而且还能很好地解决常规空冷机组经济性差的问题，达到热能转换动力装置及系统合理利用水资源与节能高效的目的。
文档编号F01K11/02GK201610772SQ20102004697
公开日2010年10月20日 申请日期2010年1月20日 优先权日2010年1月20日
发明者付经伦, 杨善让, 杨金福, 金红光, 隋军, 韩巍 申请人:中国科学院工程热物理研究所