蒸汽压缩机在火电机组汽轮机乏汽提质供热的应用系统中的调节方法与流程

技术领域：

本发明涉及火力发电机组热电联产中蒸汽压缩机的应用，尤其是涉及一种蒸汽压缩机在火电机组汽轮机乏汽提质供热的应用系统中的调节方法。

背景技术：

随着国内能源成本的上升和环保要求的提高，高效能量回收设备成为近些年发展的新趋势。而热电联产越来越多的成为国内火力发电企业节能降耗的有效方式，在北方地区利用汽轮机抽汽或乏汽进行集中供暖是火力发电企业热电联产的重要改造途径，如何有效降低供热能耗及改造成本是当前供热技术的研究重点。

对纯凝火电机组进行采暖供热改造的主要方式有以下三种：

一、中排打孔抽汽供热技术，该改造方式是在机组的中低压联络管上进行抽汽打孔，加装抽汽管道至热网加热器，优点是改造造价低，缺点是供热蒸汽品质高，供热能耗高，节能效果差。

二、吸收式热泵供热技术，该技术在部分高品质蒸汽驱动下，通过工质提取汽轮机乏汽余热加热热网循环水，加热最高温度不超过90℃，优点是运行调节灵活，对机组本体影响较小，缺点是初期投资较大，系统寿命较短，运行维护较复杂。

三、高背压供热技术，该技术供热时需提高机组运行背压，通过热网循环水冷却汽轮机低压缸排汽，当需要较高供热温度时，需要尖峰热网加热器利用高品质蒸汽继续加热。优点是能大幅提高机组供热能力，供热能耗低，缺点是适应性有局限，对机组电负荷及供热热负荷有较高要求，不适合较小供热负荷机组改造。

申请号：cn201610454579.8中国发明专利公开了一种喷水螺杆蒸汽压缩机，压缩机工作腔与轴承腔间设有三道密封，通过向第一道和第二道密封间喷入高压液体水来实现蒸汽密封，除了通过喷水实现密封外，还可以通过吸汽腔喷水降低吸汽过热度，提高压缩蒸汽质量流量；或通过吸汽结束时刻向压缩腔喷水，有效降低压缩蒸汽温度及排汽过热度，使压缩机工作过程接近等温压缩过程，提高压缩机效率。该专利发明了一种蒸汽压缩机，但并未涉及到该蒸汽压缩机的应用以及应用系统。申请号：cn201620308496.3中国实用新型专利公开了一种用于尼龙6聚合单体回收的mvr蒸汽再压缩设备，包括第一加热器、第二加热器、第三加热器，与第一加热器配合的第一分离器、与第二加热器配合的第二分离器、与第三加热器配合的第三分离器，预热器，以及连接各个装置的管路和泵，还包括一个机械蒸汽再压缩器；该设备能耗低、运行成本低、环保减排、维护方便。该专利是应用于尼龙6聚合单体回收，不涉及火电机组乏汽提质供热，也没有相关调节方法的描述。

综上，现有技术中主要存在以下缺陷：

一、中排打孔抽汽供热技术，供热蒸汽品质高，供热能耗高，节能效果差，供热能力随机组电负荷变化波动。

二、吸收式热泵供热技术，初期投资较大，系统寿命较短，运行维护较复杂，cop偏低，cop随运行时间逐渐降低，一般吸收式热泵工质为溴化锂，应用该工质生产有安全隐患。

三、高背压供热技术，适应性差，若在湿冷机组上应用需汽轮机本体进行改造，初期投资大，对机组电负荷及供热热负荷有较高要求，无法适应电负荷及热负荷的大范围波动，不适合较小供热负荷机组改造。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种蒸汽压缩机在火电机组汽轮机乏汽提质供热的应用系统中的调节方法，所述系统主要包括蒸汽压缩机驱动小汽轮机(101)，蒸汽压缩机第一级(102)，蒸汽压缩机第二级(103)，第一级热网加热器(104)，第二级热网加热器(105)，润滑油泵(106)，径向支撑可倾瓦滑动轴承(107)，轴封(108)，轴封供汽联箱(109)，汽轮机乏汽(201)，小汽轮机驱动蒸汽(202)，热网循环水回水(203)，热网循环水供水(204)，汽轮机乏汽截止阀(301)，小汽轮机驱动蒸汽截止阀(302)，轴封供汽自力式稳压阀(303)，以及连接上述设备的阀门及管件。本发明的系统示意图为附图1。

本发明解决这样的技术问题：

1、本发明所述系统通过蒸汽压缩机提质汽轮机乏汽，使其压力温度提高适合用于采暖供热，只需少量动力蒸汽驱动背压式小汽轮机，不对汽轮机本体进行改造，对汽轮机运行不造成任何影响。

2、本发明所述系统热效率高，cop值高于常规吸收式热泵，而且cop不随运行时间降低，供热原理不利用有害工质，无工质泄露隐患。

3、本发明所述调节方法是对蒸汽压缩机乏汽提质系统的有效补充，可通过驱动小汽轮机转速与蒸汽压缩机入口挡板开度的调节采暖蒸汽量及压力温度，运行调节灵活。

4、利用本发明所述调节方法，可通过有效调节使得供热周期内系统均在高效点运行，有效提高能源利用率。

一、本专利所述系统具体配置如下：

1、系统本体配置：蒸汽压缩机驱动小汽轮机采用背压式，小汽轮机背压对应饱和温度应高于热网回水温度10-20℃，小汽轮机转速可调范围为3000-5900r/min，小汽轮机采用单轴双输出端的结构；蒸汽压缩机采用离心式，采用双级单轴的形式，汽轮机双输出端各带一级叶轮,蒸汽压缩机转速可调范围在3000-5900r/min。

蒸汽压缩机及小汽轮机系统配置约束条件：

式中：g1为驱动小汽轮机排汽量，h1为驱动小汽轮机排汽焓值，h1′为驱动小汽轮机排汽疏水焓值，g2为蒸汽压缩机出口蒸汽量，h2为蒸汽压缩机出口蒸汽焓值，h2′为蒸汽压缩机出口蒸汽疏水焓值，q为用户供暖需求热负荷，ηmax为驱动小汽轮机效率与排汽量对应效率最大值，ε为驱动小汽轮机效率，fmax为蒸汽压缩机效率最大值，pb为蒸汽压缩机出口蒸汽压力，hxmax采暖用蒸汽平均焓值最大值。

公式(501)表明热用户供热需求热负荷与小汽轮机排汽量和蒸汽压缩机出口蒸汽量之间的关系，为小汽轮机及蒸汽压缩机提供选型依据；公式(502)为驱动小汽轮机效率定义公式；公式(503)为蒸汽压缩机效率定义公式；公式(504)表明驱动小汽轮机及蒸汽压缩机选型高效点与蒸汽利用高效点重合。

2、润滑油系统配置：驱动小汽轮机与离心式蒸汽压缩机支承轴承与推力轴承共用一套润滑油系统。

3、轴封系统：轴封系统采用自密封系统，驱动小汽轮机与离心式蒸汽压缩机启动时轴封用蒸汽取自驱动小汽轮机驱动蒸汽；正常运行后采用自密封，由小机的前封轴漏汽，供给其后轴封和压缩机前后轴封。

二、系统调节方法

附图2为典型供热热负荷曲线图，可清晰看出供热期间供热负荷随供热参数的变化，供热负荷变化要求本发明系统有相应的灵活的调节方法。

系统投入运行后，需要对加热蒸汽量及其压力温度进行调整时，有两个方式可以进行调节：驱动小汽轮机转速，蒸汽压缩机入口挡板开度。

本发明系统热负荷调整方程

式中：q为用户供暖需求热负荷，qmax为热用户需求最大热负荷，tn为室内采暖温度，tw′为采暖期室外温度，tw为室外采暖计算温度，g2为蒸汽压缩机出口流量，h2为蒸汽压缩机出口蒸汽焓值，p为蒸汽压缩机出口蒸汽压力，r为驱动小汽轮机转速，k蒸汽压缩机入口挡板开度。

公式(601)为用户供热需求热负荷计算公式；公式(602)表明用户供热需求热负荷与驱动小汽轮机排汽及蒸汽压缩机出口蒸汽量之间关系；公式(603)表明蒸汽压缩机出口蒸汽焓值与蒸汽压缩机出口蒸汽压力关系；公式(604)表明蒸汽压缩机出口蒸汽流量及出口蒸汽压力与蒸汽压缩机驱动小汽轮机转速及蒸汽压缩机挡板开度之间的关系。

小汽轮机转速及蒸汽压缩机挡板开度变化对压缩蒸汽量及蒸汽压缩机出口蒸汽压力影响的性能曲线图为附图3。其中蒸汽压缩机运行典型性能为曲线(401)所示。

三、案例分析

某300mw直接空冷机组，有215万平方米供热面积，采暖热指标55w/m2,该机组中排抽汽压力0.5mpa，温度270℃，蒸汽焓值3003kj/kg，低压缸排汽压力15kpa，排汽温度54℃，乏汽焓值2452kj/kg。

就以上设计条件，采用本发明所述系统，配5200kw背压式单轴双输出汽轮机，排汽背压30kpa，配140t/h，单机压缩比为2.25的双级蒸汽压缩机，只需消耗42.3t/h中排抽汽，就可将140t/h低压缸排汽由15kpa压缩至67.5kpa进行利用，系统供热功率约为118.3mw，系统cop为3.73。

若以上同样设计条件，采用溴化锂吸收式热泵系统，需92.7t/h中排抽汽，利用低压缸排汽量约81.5t/h，供热功率约为118.3mw，热泵系统cop为1.7。

通过以上案例分析可见本发明所述系统cop明显高于吸收式热泵，能源利用效率高。

本发明所述系统蒸汽压缩机级数不仅限于两级，也可为单级或三级。

本发明所述系统蒸汽压缩机不仅限于离心式，也可为罗茨式。

相对于现有技术，本发明获得了这样的优点：

1、本发明所述系统通过蒸汽压缩机提质汽轮机乏汽，使其压力温度提高适合用于采暖供热，只需少量动力蒸汽驱动背压式小汽轮机，不对汽轮机本体进行改造，对汽轮机运行不造成任何影响。

2、本发明所述系统热效率高，cop值高于常规吸收式热泵，而且cop不随运行时间降低，供热原理不利于有害工质，无工质泄露隐患。

3、本发明所述调节方法是对蒸汽压缩机乏汽提质系统的有效补充，可通过驱动小汽轮机转速与蒸汽压缩机入口挡板开度的调节采暖蒸汽量及压力温度，运行调节灵活。

4、利用本发明所述调节方法，可通过有效调节使得供热周期内系统均在高效点运行，有效提高能源利用率。

附图说明

图1：本发明的系统配置的示意图；

图2：典型供热热负荷曲线图；

图3：小汽轮机转速及蒸汽压缩机挡板开度变化对压缩蒸汽量及蒸汽压缩机出口蒸汽压力影响的性能曲线图。

其中，蒸汽压缩机驱动小汽轮机(101)，蒸汽压缩机第一级(102)，蒸汽压缩机第二级(103)，第一级热网加热器(104)，第二级热网加热器(105)，润滑油泵(106)，径向支撑可倾瓦滑动轴承(107)，轴封(108)，轴封供汽联箱(109)，汽轮机乏汽(201)，小汽轮机驱动蒸汽(202)，热网循环水回水(203)，热网循环水供水(204)，汽轮机乏汽截止阀(301)，小汽轮机驱动蒸汽截止阀(302)，轴封供汽自力式稳压阀(303)，蒸汽压缩机系统运行典型性能曲线(401)。

具体实施方式

接下来，将结合附图1-3对本发明做进一步的描述：

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供了一种蒸汽压缩机在火电机组汽轮机乏汽提质供热的应用系统中的调节方法，所述系统主要包括蒸汽压缩机驱动小汽轮机(101)，蒸汽压缩机第一级(102)，蒸汽压缩机第二级(103)，第一级热网加热器(104)，第二级热网加热器(105)，润滑油泵(106)，径向支撑可倾瓦滑动轴承(107)，轴封(108)，轴封供汽联箱(109)，汽轮机乏汽(201)，小汽轮机驱动蒸汽(202)，热网循环水回水(203)，热网循环水供水(204)，汽轮机乏汽截止阀(301)，小汽轮机驱动蒸汽截止阀(302)，轴封供汽自力式稳压阀(303)，以及连接上述设备的阀门及管件。本发明的系统示意图为附图1。

本发明解决这样的技术问题：

1、本发明所述系统通过蒸汽压缩机提质汽轮机乏汽，使其压力温度提高适合用于采暖供热，只需少量动力蒸汽驱动背压式小汽轮机，不对汽轮机本体进行改造，对汽轮机运行不造成任何影响。

2、本发明所述系统热效率高，cop值高于常规吸收式热泵，而且cop不随运行时间降低，供热原理不利用有害工质，无工质泄露隐患。

3、本发明所述调节方法是对蒸汽压缩机乏汽提质系统的有效补充，可通过驱动小汽轮机转速与蒸汽压缩机入口挡板开度的调节采暖蒸汽量及压力温度，运行调节灵活。

4、利用本发明所述调节方法，可通过有效调节使得供热周期内系统均在高效点运行，有效提高能源利用率。

一、本专利所述系统具体配置如下：

1、系统本体配置：蒸汽压缩机驱动小汽轮机采用背压式，小汽轮机背压对应饱和温度应高于热网回水温度10-20℃，小汽轮机转速可调范围为3000-5900r/min，小汽轮机采用单轴双输出端的结构；蒸汽压缩机采用离心式，采用双级单轴的形式，汽轮机双输出端各带一级叶轮,蒸汽压缩机转速可调范围在3000-5900r/min。

蒸汽压缩机及小汽轮机系统配置约束条件：

式中：g1为驱动小汽轮机排汽量，h1为驱动小汽轮机排汽焓值，h1′为驱动小汽轮机排汽疏水焓值，g2为蒸汽压缩机出口蒸汽量，h2为蒸汽压缩机出口蒸汽焓值，h2′为蒸汽压缩机出口蒸汽疏水焓值，q为用户供暖需求热负荷，ηmax为驱动小汽轮机效率与排汽量对应效率最大值，ε为驱动小汽轮机效率，fmax为蒸汽压缩机效率最大值，pb为蒸汽压缩机出口蒸汽压力，hxmax采暖用蒸汽平均焓值最大值。

公式(501)表明热用户供热需求热负荷与小汽轮机排汽量和蒸汽压缩机出口蒸汽量之间的关系，为小汽轮机及蒸汽压缩机提供选型依据；公式(502)为驱动小汽轮机效率定义公式；公式(503)为蒸汽压缩机效率定义公式；公式(504)表明驱动小汽轮机及蒸汽压缩机选型高效点与蒸汽利用高效点重合。

2、润滑油系统配置：驱动小汽轮机与离心式蒸汽压缩机支承轴承与推力轴承共用一套润滑油系统。

3、轴封系统：轴封系统采用自密封系统，驱动小汽轮机与离心式蒸汽压缩机启动时轴封用蒸汽取自驱动小汽轮机驱动蒸汽；正常运行后采用自密封，由小机的前封轴漏汽，供给其后轴封和压缩机前后轴封。

二、系统调节方法

附图2为典型供热热负荷曲线图，可清晰看出供热期间供热负荷随供热参数的变化，供热负荷变化要求本发明系统有相应的灵活的调节方法。

系统投入运行后，需要对加热蒸汽量及其压力温度进行调整时，有两个方式可以进行调节：驱动小汽轮机转速，蒸汽压缩机入口挡板开度。

本发明系统热负荷调整方程

式中：q为用户供暖需求热负荷，qmax为热用户需求最大热负荷，tn为室内采暖温度，tw′为采暖期室外温度，tw为室外采暖计算温度，g2为蒸汽压缩机出口流量，h2为蒸汽压缩机出口蒸汽焓值，p为蒸汽压缩机出口蒸汽压力，r为驱动小汽轮机转速，k蒸汽压缩机入口挡板开度。

公式(601)为用户供热需求热负荷计算公式；公式(602)表明用户供热需求热负荷与驱动小汽轮机排汽及蒸汽压缩机出口蒸汽量之间关系；公式(603)表明蒸汽压缩机出口蒸汽焓值与蒸汽压缩机出口蒸汽压力关系；公式(604)表明蒸汽压缩机出口蒸汽流量及出口蒸汽压力与蒸汽压缩机驱动小汽轮机转速及蒸汽压缩机挡板开度之间的关系。

小汽轮机转速及蒸汽压缩机挡板开度变化对压缩蒸汽量及蒸汽压缩机出口蒸汽压力影响的性能曲线图为附图3。其中蒸汽压缩机运行典型性能为曲线(401)所示。

三、案例分析

某300mw直接空冷机组，有215万平方米供热面积，采暖热指标55w/m2,该机组中排抽汽压力0.5mpa，温度270℃，蒸汽焓值3003kj/kg，低压缸排汽压力15kpa，排汽温度54℃，乏汽焓值2452kj/kg。

就以上设计条件，采用本发明所述系统，配5200kw背压式单轴双输出汽轮机，排汽背压30kpa，配140t/h，单机压缩比为2.25的双级蒸汽压缩机，只需消耗42.3t/h中排抽汽，就可将140t/h低压缸排汽由15kpa压缩至67.5kpa进行利用，系统供热功率约为118.3mw，系统cop为3.73。

若以上同样设计条件，采用溴化锂吸收式热泵系统，需92.7t/h中排抽汽，利用低压缸排汽量约81.5t/h，供热功率约为118.3mw，热泵系统cop为1.7。

通过以上案例分析可见本发明所述系统cop明显高于吸收式热泵，能源利用效率高。

本发明所述系统蒸汽压缩机级数不仅限于两级，也可为单级或三级。

本发明所述系统蒸汽压缩机不仅限于离心式，也可为罗茨式。

相对于现有技术，本发明获得了这样的优点：

1、本发明所述系统通过蒸汽压缩机提质汽轮机乏汽，使其压力温度提高适合用于采暖供热，只需少量动力蒸汽驱动背压式小汽轮机，不对汽轮机本体进行改造，对汽轮机运行不造成任何影响。

2、本发明所述系统热效率高，cop值高于常规吸收式热泵，而且cop不随运行时间降低，供热原理不利于有害工质，无工质泄露隐患。

3、本发明所述调节方法是对蒸汽压缩机乏汽提质系统的有效补充，可通过驱动小汽轮机转速与蒸汽压缩机入口挡板开度的调节采暖蒸汽量及压力温度，运行调节灵活。

4、利用本发明所述调节方法，可通过有效调节使得供热周期内系统均在高效点运行，有效提高能源利用率。