中高温烟气余热双工质联合循环发电装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，包括水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环，水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环组成一个用于300℃以上的中高温烟气高效回收利用的双工质联合循环系统。本发明将水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环组成一个双工质联合循环，用于中高温烟气的高效回收利用；从余热锅炉汽包抽水加热有机工质，减温后的高压水回到余热锅炉省煤器进口，使省煤器摆脱了蒸发器的限制，吸热量根据余热锅炉排烟温度设定，从而使循环装置在任何工况下都能获得最佳的余热利用率。
【专利说明】中高温烟气余热双工质联合循环发电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种中高温烟气等余热资源回收的高效动力装置，具体涉及一种利用300°C以上中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，属于流体机械领域。
【背景技术】
[0002]在工业生产过程中，存在大量300°C以上的中高温烟气。目前常用的烟气余热回收方法，例如应用比较广泛的水泥窑余热的回收，是通过余热锅炉获得饱和或过热水蒸汽，然后将水蒸汽注入纯凝汽式汽轮机或补汽凝汽式汽轮机内膨胀做功，并拖动发电机发电。在这类装置中，蒸汽的压力和温度越高，透平热力循环的效率就越高。然而，由于余热锅炉中工质的质量流量主要取决于蒸发器(用于水的蒸发)的吸热量，由于水的蒸发温度以及节点温差的限制，蒸汽压力越高，余热锅炉蒸发器的吸热量就越小；与蒸发器相比，省煤器(用于液态水的加热)的吸热量很小；因此，经过余热利用以后的排烟温度仍然偏高，余热利用率很低。
[0003]通过上述分析不难发现，提高余热锅炉蒸发器后的低温段吸热量是提高余热回收率的最有效方法，这也是目前大型燃气-蒸汽联合循环电站中经常采用双压或三压余热锅炉的最主要原因。然而，对于单一参数的烟气余热来说，双压或三压余热锅炉的汽水系统过于复杂，采用补汽凝汽式汽轮机后排气容积流量非常大，比常规火电汽轮机的单位发电功率排汽量高3倍以上，导致余热回收装置体积庞大，投资也很高。与常规的水蒸汽朗肯循环相比，低沸点有机工质朗肯循环(ORC)在低温余热回收方面具有更大的优势，不仅效率高，而且设备非常紧凑(透平排汽口的工质密度比水蒸汽密度高100被以上，意味着其排汽缸面积只需常规背压式汽轮机的1%);但由于有机工质在高温下化学稳定性差，易分解，本发明充分利用两种热力循环的优点，提出一种新的双工质联合循环发电装置，用于中高温烟气余热的高效回收利用。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的问题在于提供一种紧凑的、使中高温烟气余热得到高效回收利用的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置。
[0005]为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案:
一种中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，包括水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环，水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环组成一个用于300°C以上的中高温烟气高效回收利用的双工质联合循环系统。
[0006]以下是本发明对上述方案的进一步优化:水与水蒸汽循环包括余热锅炉、背压式汽轮机和给水泵，低沸点有机工质循环包含有机工质透平、工质蒸发器、预热器和有机工质栗。
[0007]水与水蒸汽循环为上位循环，以烟气余热做为热源，给背压式汽轮机提供动力，背压式汽轮机的排汽为下位循环，即有机工质循环的热源，给有机工质透平提供动力。[0008]所述背压式汽轮机和机工质透平可分别拖动一个发电机或共同拖动一台发电机。
[0009]所述余热锅炉包括汽包，所述汽包上分别连通有余热锅炉过热器、余热锅炉蒸发器和余热锅炉省煤器，余热锅炉蒸发器的进出口与汽包分别连通，形成一个小循环。
[0010]所述背压式汽轮机与汽包之间直接连通或通过余热锅炉过热器连通。
[0011]所述有机工质透平的进气端依次连通有蒸汽放热有机工质蒸发器和蒸汽放热有机工质预热器，所述蒸汽放热有机工质预热器通过有机工质冷凝器和有机工质泵与有机工质透平的出气端连通，形成一个小循环。
[0012]蒸汽放热有机工质预热器与余热锅炉省煤器通过管路连通，背压式汽轮机的排汽端与蒸汽放热有机工质蒸发器连通。
[0013]所述余热锅炉蒸发器的进口与汽包之间的连通管路和背压式汽轮机的排汽端与蒸汽放热有机工质蒸发器之间的连通管路之间通过水减压装置连通。
[0014]另一种优化:所述有机工质透平的进气端还依次连通有热水放热有机工质蒸发器、热水放热有机工质预热器；热水放热有机工质蒸发器、热水放热有机工质预热器与蒸汽放热有机工质蒸发器、蒸汽放热有机工质预热器并联连接，所述热水放热有机工质蒸发器与余热锅炉蒸发器的进口和汽包之间的连通管路连通；热水放热有机工质预热器与余热锅炉省煤器通过管路连通。
[0015]其工作原理是:水与水蒸汽循环为联合循环的上位循环，以烟气余热做为热源，采用背压式汽轮机，其排汽为下位循环，即有机工质循环的热源；在此基础上，增加余热锅炉省煤器的换热面积和水流量，多余的高温热水做为有机工质的另一个热源。该循环装置由于省煤器吸热量不受蒸发器限制，可以大大降低余热锅炉的排烟温度；另外，有机工质只与水或水蒸汽换热，避免烟气腐蚀引起的有机工质泄漏，提高系统的安全性；再者，由于水循环的吸热温度高且没有冷端损失，而有机工质的相变热和冷端损失小，使得联合循环的效率提高。对于同样的余热，与单纯的水蒸汽循环相比，系统净输出功率可增加20%左右，而与单一低沸点有机工质循环相比，系统净输出功率可增加40%左右。
[0016]本发明采用上述方案，将水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环组成一个双工质联合循环，用于中高温烟气的高效回收利用；从余热锅炉汽包抽水加热有机工质，减温后的高压水回到余热锅炉省煤器进口，使省煤器摆脱了蒸发器的限制，吸热量根据余热锅炉排烟温度设定，从而使循环装置在任何工况下都能获得最佳的余热利用率。
[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]附图1是本发明实施例1的结构示意图；
附图2是本发明实施例2的结构示意图。
[0019]图中:1-余热锅炉过热器；2-汽包；3_余热锅炉蒸发器；4_汽包循环泵；5-余热锅炉省煤器；6_背压式汽轮机；7_有机工质透平；8_热水放热有机工质蒸发器；9_热水放热有机工质预热器；10_蒸汽放热有机工质蒸发器；11_蒸汽放热有机工质预热器；12_有机工质冷凝器；13_有机工质泵；14_给水泵；15_水减压装置；V1-V4:控制阀；N1_N4:接点。【具体实施方式】
[0020]实施例1，如图1所示，一种中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，包括水与水蒸气循环和低沸点有机工质朗肯循环，所述水与水蒸气循环和低沸点有机工质朗肯循环组成一个用于300°C以上的中高温烟气高效回收利用的双工质联合循环系统。
[0021]水与水蒸汽循环包括余热锅炉、背压式汽轮机6和给水泵，低沸点有机工质循环包括机工质透平7、工质蒸发器、预热器和有机工质泵。
[0022]水与水蒸汽循环为上位循环，以烟气余热做为热源，给背压式汽轮机6提供动力，背压式汽轮机6的排汽为下位循环，即有机工质循环的热源，给有机工质透平7提供动力。
[0023]所述背压式汽轮机6和机工质透平7分别拖动一个发电机。
[0024]所述余热锅炉包括汽包2，所述汽包2上分别连通有余热锅炉过热器1、余热锅炉蒸发器3和余热锅炉省煤器5，余热锅炉蒸发器3的进出口与汽包2分别连通，形成一个小循环，余热锅炉蒸发器3进口与汽包2连通的管路上安装有汽包循环泵4。
[0025]所述背压式汽轮机6与汽包2之间通过余热锅炉过热器I连通。
[0026]所述有机工质透平7的进气端依次连通有蒸汽放热有机工质蒸发器10和蒸汽放热有机工质预热器11，所述蒸汽放热有机工质预热器11通过有机工质冷凝器12和有机工质泵13与有机工质透平7的出气端连通，形成一个小循环。
[0027]所述有机工质透平7的进气端还依次连通有热水放热有机工质蒸发器8、热水放热有机工质预热器9 ;热水放热有机工质蒸发器8、热水放热有机工质预热器9与蒸汽放热有机工质蒸发器10、蒸汽放热有机工质预热器11并联连接，所述热水放热有机工质蒸发器8与余热锅炉蒸发器3的进口和汽包2之间的连通管路连通；热水放热有机工质预热器9与余热锅炉省煤器5通过管路连通。
[0028]蒸汽放热有机工质预热器11通过给水泵14与余热锅炉省煤器5连通，背压式汽轮机6的排汽端与蒸汽放热有机工质蒸发器10连通。
[0029]本发明的装置分为三个循环，包括烟气(开式)循环、水循环和低沸点有机工质循环。
[0030]烟气循环:中高温烟气进入余热锅炉后，先后与余热锅炉过热器1、余热锅炉蒸发器3和余热锅炉省煤器5中的汽、水进行热交换，烟气温度逐渐降低，乏气直接排入大气。
[0031]水循环:高压低温水进入余热锅炉后，首先在余热锅炉省煤器5中被烟气预热，温度升高到接近饱和温度，然后进入汽包2。
[0032]汽包2下半的饱和水经汽包循环泵4后在接点NI处分为两路:一路经余热锅炉蒸发器3吸热蒸发后回到汽包2，产生的饱和蒸汽在余热锅炉过热器I进一步加热获得过热蒸汽，经由控制阀V2进入背压式汽轮机膨胀做功，并驱动发电机发电。
[0033]透平排汽仍为过热蒸汽，其温度接近汽包温度，先后进入蒸汽放热有机工质蒸发器10和蒸汽放热有机工质预热器11与有机工质换热并凝结成水，然后由给水泵14加压后进入锅炉，形成一个循环。
[0034]另一路经由控制阀Vl后依次进入热水放热有机工质蒸发器8和热水放热有机工质预热器9，与有机工质进行热交换后温度降低，在接点N2处与经过给水泵14加压后的第一路水混合，共同进入余热锅炉省煤器5。控制阀Vl和控制V2用于两路流量的调节和分配，由于蒸发器采用强制循环，因此既可以用于卧式锅炉，也可以用于立式锅炉。[0035]有机工质循环:低沸点有机工质经工质泵13增压后分为两路。一路经由控制阀V3后依次进入热水放热有机工质预热器9和热水放热有机工质蒸发器8，吸收热水的热能产生有机工质蒸汽，然后注入有机工质透平7膨胀做功；另一路经由控制阀V4后依次进入蒸汽放热有机工质预热器11和蒸汽放热有机工质蒸发器10，吸收背压式汽轮机排汽余热产生有机工质蒸汽，也注入有机工质透平7膨胀做功。有机工质透平排汽直接进入有机工质冷凝器12，获得液态工质，然后进入工质泵13，形成一个循环。控制阀V3和控制阀V3用于两路工质流量的调节和分配。
[0036]实施例2:如图2所示，一种中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，包括水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环，水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环组成一个用于300 °C以上的中高温烟气高效回收利用的双工质联合循环系统。
[0037]水与水蒸汽循环包括余热锅炉、背压式汽轮机6和给水泵，低沸点有机工质循环包括机工质透平7、工质蒸发器、预热器和有机工质泵。
[0038]水与水蒸汽循环为上位循环，以烟气余热做为热源，给背压式汽轮机6提供动力，背压式汽轮机6的排汽为下位循环，即有机工质循环的热源，给有机工质透平7提供动力。
[0039]所述背压式汽轮机6和有机工质透平7可分别拖动一个发电机。
[0040]所述余热锅炉包括汽包2，所述汽包2上分别连通有余热锅炉过热器1、余热锅炉蒸发器3和余热锅炉省煤器5，余热锅炉蒸发器3的进出口与汽包2分别连通，形成一个小循环。
[0041]所述背压式汽轮机6与汽包2之间通过余热锅炉过热器I连通。
[0042]所述有机工质透平7的进气端依次连通有蒸汽放热有机工质蒸发器10和蒸汽放热有机工质预热器11，所述蒸汽放热有机工质预热器11通过有机工质冷凝器12和有机工质泵13与有机工质透平7的出气端连通，形成一个小循环。
[0043]蒸汽放热有机工质预热器11通过给水泵14与余热锅炉省煤器5连通，背压式汽轮机6的排汽端与蒸汽放热有机工质蒸发器10连通。
[0044]所述余热锅炉蒸发器3的进口与汽包2之间的连通管路和背压式汽轮机6的排汽端与蒸汽放热有机工质蒸发器10之间的连通管路之间通过水减压装置15连通。
[0045]本实施例与实施例1的主要区别是:去掉了汽包循环泵4、热水放热有机工质蒸发器8和热水放热有机工质预热器9，增加了水减压装置15，
经由控制阀Vl的热水通过水减压装置15减压后与背压式汽轮机排汽在接点N3混合，形成汽水混合物，然后共同进入有机工质蒸发器10和有机工质预热器11与有机工质发生热交换，有机工质由液体变为蒸汽，汽水混合物凝结为水，共同进入给水泵14加压后回到余热锅炉。
[0046]与实施例1相比，省掉两个换热器，系统更简单，但由于采用减压装置将高压水直接变为低压水，循环效率低于实施例1。
[0047]实施例3，在实施例1或实施例2的基础上去掉余热锅炉过热器1，所述背压式汽轮机6与汽包2之间直接连通，适用于温度较低的烟气余热回收，图略。
[0048]实施例4，在实施例1-3基础上，将背压式汽轮机和有机工质透平分别拖动一个发电机改为所述有机工质透平7和背压式汽轮机6共同拖动一台发电机。以及背压式汽轮机与有机工质透平共同或分别拖动其它设备，或经减速箱拖动发电机或其它设备。图略。[0049]上述详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明创新点的等效实施或者变更，均应包含在专利范围内。
【权利要求】
1.一种中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，包括水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环，其特征在于:水与水蒸汽循环和低沸点有机工质朗肯循环组成一个用于300°C以上的中高温烟气高效回收利用的双工质联合循环系统。
2.根据权利要求1所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于:水与水蒸汽循环包括余热锅炉、背压式汽轮机(6)和给水泵，低沸点有机工质循环包括机工质透平(7)、工质蒸发器、预热器和有机工质泵。
3.根据权利要求2所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于: 水与水蒸汽循环为上位循环，以烟气余热做为热源，给背压式汽轮机(6)提供动力，背压式汽轮机(6)的排汽为下位循环，即有机工质循环的热源，给有机工质透平(7)提供动力。
4.根据权利要求3所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于: 所述背压式汽轮机(6)和机工质透平(7)可分别拖动一个发电机或共同拖动一台发电机。
5.根据权利要求4所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于:所述余热锅炉包括汽包(2)，所述汽包(2)上分别连通有余热锅炉过热器(I)、余热锅炉蒸发器(3)和余热锅炉省煤器(5)，余热锅炉蒸发器(3)的进出口与汽包(2)分别连通，形成一个小循环。
6.根据权利要求5所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于:所述背压式汽轮机(6 )与汽包(2 )之间直接连通或通过余热锅炉过热器(I)连通。
7.根据权利要求6所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于:所述有机工质透平(7)的进气端依次连通有蒸汽放热有机工质蒸发器(10)和蒸汽放热有机工质预热器(11)，所述蒸汽放热有机工质预热器(11)通过有机工质冷凝器(12 )和有机工质泵(13)与有机工质透平(7 )的出气端连通，形成一个小循环。
8.根据权利要求7所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于:蒸汽放热有机工质预热器(11)与余热锅炉省煤器(5 )通过管路连通，背压式汽轮机(6 )的排汽端与蒸汽放热有机工质蒸发器(10)连通。
9.根据权利要求8所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于:所述余热锅炉蒸发器(3)的进口与汽包(2)之间的连通管路和背压式汽轮机(6)的排汽端与蒸汽放热有机工质蒸发器(10)之间的连通管路之间通过水减压装置(15)连通。
10.根据权利要求8所述的中高温烟气余热双工质联合循环发电装置，其特征在于:所述有机工质透平(7)的进气端还依次连通有热水放热有机工质蒸发器(8)、热水放热有机工质预热器(9);热水放热有机工质蒸发器(8)、热水放热有机工质预热器(9)与蒸汽放热有机工质蒸发器(10 )、蒸汽放热有机工质预热器(11)并联连接，所述热水放热有机工质蒸发器(8 )与余热锅炉蒸发器(3 )的进口和汽包(2 )之间的连通管路连通；热水放热有机工质预热器(9)与余热锅炉省煤器(5)通过管路连通。
【文档编号】F02G5/02GK103790732SQ201410056112
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年2月19日 优先权日:2014年2月19日
【发明者】李春国, 窦春燕, 史正武, 董汉杰 申请人:山东青能动力股份有限公司