专利名称：发电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及与以往相比更活用低温热源来增加发电量的汽轮机发电系统(发电设备)。
背景技术：
在水泥窑、炼钢厂、金属精炼厂、化工厂、垃圾焚烧炉、地热发电站等、产生余热等比较低温的热的设施中，具备将排气等的热用余热锅炉等回收或用生成的蒸汽驱动汽轮机来发电的汽轮机发电设备，以实现能量资源(能源)的有效活用。在专利文献I中，记载了利用水泥烧结设备(plant)的余热的发电系统。在水泥烧结设备中，例如，从悬挂预热器(以下也简称为“预热器”或“PH”)大量放出30(T400°C的排气，另外从气淬冷却器(以下也简称为“淬火冷却器”或“AQC”)大量放出大约25(T300°C的排气。这些来自于PH的排气和来自于AQC的排气，与设备的运转状况相应地，温度和/或余热量大不相同。特别地，来自于AQC的排气温度反复发生周期性的大幅变化。在现有的水泥烧结设备余热回收发电系统中，例如，设置以PH的排气为热媒的PH锅炉和以AQC的排气为热媒的AQC锅炉，由两锅炉产生高压蒸汽并将其投入汽轮机的高压级，另外将用闪蒸器(flasher)对在AQC锅炉的加热器部得到的剩余热水进行气液分离而产生的低压蒸汽投入低压级，并驱动汽轮机。AQC锅炉的加热器部的排气出口温度约为IOO0C，而PH锅炉的排气出口温度为20(T250°C。但是，在设置AQC锅炉后的水泥烧结设备中，存在来自于AQC低温部的排气和/或余热回收后的排气等更低温的热源，但是，就来自于低温热源的低温介质而言，难以生成能够供给到汽轮机的适当级的蒸汽，没有成为热回收的对象。即使在炼钢厂的烧结冷却器中，也使用了对25(T450°C的高温排气进行余热回收的发电系统，而烧结冷却器的低温侧排气的余热仍没有成为回收对象。这样，以往，例如关于工厂中的150°C以下的低温热源，难以生成能够供给到汽轮机的蒸汽，没有成为利用对象。但是，近来还出现了环境问题、节约费用、特别是以东日本大地震为契机要求选择安全发电方法等情况，要求更高度的余热利用，期望也从在工厂等产生的更低温的排气等高效地进行热利用。作为从低温热源进行热回收而得到电力的方法，有例如如专利文献2所公开那样的双循环发电系统。双循环发电系统是闭合的兰金循环式涡轮发电系统，其以戊烷和/或三氟乙醇等沸点比水低的介质作为工作介质，使用通过来自于低温热源的热而蒸发的介质蒸汽来驱动汽轮机发电，能够从以往无法利用的低温的蒸汽和/或热水进行热回收。但是，双循环发电系统是适于低温热源的发电系统，在高温热源共存的状况下，在具备使用高温蒸汽的高效汽轮机系统的基础上还要追加使用高价的热介质的双循环用的汽轮机系统，从性价比的观点来看也不能令人满足。
现有技术文献专利文献1:特开2008 - 157183号公报专利文献2:特开2004 - 353571号公报
发明内容
因此，本发明要解决的课题是提供能够活用现有汽轮机发电设备的构成、不施以大的变化且廉价地从低温热源进行更高度的热利用的发电设备。本发明的发电设备，向汽轮机供给具有大气压以上的压力的高温水蒸汽来发电，其特征在于，还具备与汽轮机的真空级连接的真空闪蒸器，将向真空闪蒸器供给温水并进行闪蒸而生成的大气压以下的水蒸汽投入汽轮机的真空级。也可以，还具备加热器，该加热器利用设备等的低温热源供给的热媒进行加热而生成温水，并将该温水供给到真空闪蒸器。也可以，使用换热器作为加热器，将具有150°C以下常温以上的温度的水或气体等热媒作为加热侧流体供给到换热器，生成供给至真空闪蒸器的温水。只要以大气压以下的真空产生水蒸汽即可，所以供给到换热器的加热侧流体也可以是150°C以下的温度。本发明的发电设备，将来自于低温热源的低温热媒与工作介质的水进行换热而生成100°C以下的温水，将该温水供给到真空闪蒸器在真空下闪蒸而生成水蒸汽，将该蒸汽供给到汽轮机的真空级，基于此增大汽轮机输出，因此能够有效地利用低温热源。本发明的发电设备，能够通过对现有的发电设备增设真空闪蒸器或还增设加热器来构成。作为工作介质，不是在双循环发电系统中使用的高价热介质，而能够使用廉价且具有优良热媒特性的水，因此能够抑制制造成本和运转成本。特别是在发电设备已存在的情况下，追加投资很小即可，很经济。此外，如果将换热器设置于低温热源附近并将真空闪蒸器设置于汽轮机附近，则用热输送能力高的水来传递排气等余热，在汽轮机附近成为蒸汽而进行供给，所以能够用比较细的配管来进行两者之间的热能输送，能够抑制设备费用。在将本发明的发电设备适用于水泥烧结设备的情况下，作为导入换热器的低温介质，能够利用:由水泥烧结设备中的悬挂预热器(PH)产生而由PH锅炉进行热回收后的低温排气、由气淬冷却器(AQC)产生而由AQC锅炉进行热回收后的低温排气，以及从AQC的低温部排出的排气等。根据本发明的发电设备，利用以水为工作介质的汽轮机发电装置，除来自于高温热源的热回收外、还有效地回收从低温热源放出的热能，能够经济地进行高效的热利用。
图1是本发明的一个实施例涉及的发电设备的框图。图2是表示适用本实施例的余热回收发电设备的例子的框图。图3是表示适用本实施例的水泥烧结设备的排气处理设备的框图。图4是本发明的另一实施例涉及的发电设备的框图。图5是本发明的又一实施例涉及的发电设备的框图。
具体实施例方式下面使用实施例来详细说明本发明的发电设备。实施例1图1是第一实施例的发电设备的框图，图2是适用本实施例的余热回收发电设备的框图，图3是适用本实施例的水泥烧结设备的排气处理设备的框图。此外，在附图中，有时对表示相同功能的部件标注相同的附图标记而省略说明。如图1所示，本实施例的发电设备表示将本发明的发电设备适用于图3所示的水泥烧结设备的排气处理设备的例子。在图3所示的水泥烧结设备中，从窑I的预热器(PH)2产生30(T40(TC的排气，该排气在原料粉碎工序6的原料碾磨机7中用于将原料预热后，通过电力集尘机(EP)IO从烟囱12被放出到大气中。另外，从窑I的淬火冷却器(AQC) 3开始，如果没有途中的抽取，将产生平均温度为25(T300°C的尾气。另一方面，在本实施例中，如后述那样，在AQC3产生的尾气中从高温区域抽取360°左右的气体，由AQC锅炉31热回收。而且，剩余的尾气作为110°C左右的尾气从AQC3被排出。由AQC31进行热回收后的排气和从AQC3排出的尾气合流，经由电力集尘机(EP) 16从烟囱18被放出到大气中。此外，图中，附图标记5、9、11、17表示风扇，附图标记8表示旋风分离器，附图标记14表示除尘槽。这样，从水泥烧结设备，大量的热被排气输送而被放弃。因此，以往，基于装备例如图2所示那样的余热回收发电设备，从高温的排气回收了大部分余热。图2所示的现有技术的余热回收发电设备适用于某一条件下的水泥烧结设备的排气处理设备，其具备以PH的排气为加热介质的PH锅炉21和以来自AQC的高温部的排气为加热介质的AQC锅炉31，还具备从AQC31接受温水的供给而进行气水分离的闪蒸器51。而且，使在PH锅炉21和AQC锅炉31产生的高压蒸汽投入汽轮机41的高压级、使在闪蒸器51产生的低压蒸汽投入汽轮机41的低压级而驱动汽轮机41，使用发电机42将余热的能量作为电力高效地回收。在PH锅炉21，在内部设置有过热器22和蒸发器23，在外部设置有汽水鼓24、泵25和调节阀26。将来自于PH的温度325°C、流量389000Nm3/h的排气作为加热侧流体供给到PH锅炉21。汽水鼓24的水由泵25供给到蒸发器23，并成为含有蒸汽的混合水而回到汽水鼓24、分离为蒸汽和热水。汽水鼓24的蒸汽在过热器22成为过热蒸汽，被供给到配管27。调节阀26调节供给水量以确保汽水鼓24的水头。如图3所示，从PH锅炉21排出的排气用作在原料粉碎工序6中预热原料的热源之后，通过电力集尘机10从烟囱12被放出到大气中。在AQC锅炉31，在内部设有过热器32、蒸发器33、预热器34，在外部设有汽水鼓35和调节阀36。在AQC产生的尾气中从高温区域以206250Nm3/h抽取平均360°C的排气，将其作为加热侧流体供给到AQC锅炉31。从锅炉供水泵38供给到AQC锅炉31的温水由预热器34加热，从而生成热水。由预热器34生成的热水的一部分经由调节阀36被供给到汽水鼓35，经由蒸发器33和过热器32而成为过热蒸汽，被供给到配管37。此外，由预热器34生成的热水的剩余部分，一部分被供给到PH锅炉21，其剩余部分被供给到闪蒸器51。配管27的过热蒸汽和配管37的过热蒸汽在蒸汽配管28合流，被供给到汽轮机41的闻压级。
闪蒸器51具备调节阀52，经由配管53对汽轮机41的低压级供给将用从AQC锅炉31供给的热水在槽内闪蒸使其气液分离而产生的大气压以上的蒸汽，将分离出的温水经由配管54与汽轮机41的回水合流，用锅炉供水泵38使其返回到AQC锅炉31。汽轮发电机以汽轮机41和发电机42为主机而构成。汽轮机41由被投入高压级的高压蒸汽和被投入低压级的低压蒸汽驱动，驱动旋转轴彼此经由变速机构相连的发电机42而使其产生电力。在该条件下，能够从发电机42得到9IOOkW的电力。汽轮机41的末端连接于回水器43。汽轮机41的蒸汽由回水器43冷却、凝结而成为低温的回水，因此汽轮机41的末端部减压而成为真空状态，关于从汽轮机41的最末级到上游侧的几级，成为真空状态的真空级。此外，汽轮机41的末端部的真空度越高汽轮机输出越大。在回水器43的冷却中，使用由冷却塔46制造且由冷水泵47供给的冷却水。此外，将取出一部分冷却水在汽轮机和/或发电机等的辅机48中使用。使用回水泵44将由回水器43生成的回水经由基础蒸汽回水器45送水至AQC锅炉31的预热器34。汽轮机41的轴封部密封用蒸汽在基础蒸汽回水器45与汽轮机41的回水换热而凝结并被返回到回水器43。另外，补给水能够从补给水箱49补给到回水器43。但是，如图3所示，在水泥烧结设备中，除了以往也实现了有效回收的从PH2或从AQC3的高温部放出的比较高温的排气之外，还存在难以热回收的150°C以下的低温热源。例如，使用现有方法从PH2的排气热回收后的气体在通过电力集尘机10前后保持100°C的温度，另外，从AQC3的高温区域抽取后剩余的排气的平均温度也为110°C左右，另外在从来自于AQC3高温部的排气进行热回收后的气体合流后、通过电力集尘机16前后的排气也为90。。。图1所示的本实施例的发电设备是为了进一步回收上述那样的150°C以下的低温热源的热而对图2所示的现有技术涉及的余热回收发电设备附加必要的部件而构成的。本发明的发电设备，着眼于在汽轮机存在真空级，基于从温水生成与该真空相对应的水蒸汽而将其投入真空级以助力汽轮机的旋转，能够不使用高价热介质地增加发电机输出。本实施例的上述附加部件，在图1中如粗线所示，是PH换热器61、AQC换热器62、真空闪蒸器63、换热供水泵64及这些部件所附带的配管。如图3所示，PH换热器61设置于悬挂预热器(PH) 2的排气处理设备中的电力集尘机10与烟囱12之间，接受100°C的排气的供给。而且，PH换热器61将汽轮机41的回水的一部分加热，由此回收PH2的排气的热。另外，AQC换热器62设置于气淬冷却器(AQC) 3的排气处理设备中的电力集尘机16与烟囱18之间，接受90°C的排气的供给。而且，AQC换热器62将汽轮机41的回水的一部分加热，由此回收AQC3的排气的热。由PH换热器61和AQC换热器62得到的温水，被输送到真空闪蒸器63，在这里以低真空被闪蒸而成为水蒸汽。水蒸汽经由蒸汽配管65被投入汽轮机41的真空级，由此使发电机42的输出增大。之后，水蒸汽在回水器43回水。回水在通过了基础蒸汽回水器45后，其一部分回到PH换热器61与AQC换热器62的换热回路，剩余部分被供给到AQC锅炉31。换热供水泵64具有使由真空闪蒸器63分离出的温水和经由基础蒸汽回水器45返回的温水在换热回路中循环的功能。由真空闪蒸器63产生的真空下的蒸汽，相对于汽轮机41的投入级的真空气氛没有大的压力差，因此要求输送蒸汽的蒸汽配管65是具有大管径的、尽可能短的配管。另外，作为输送能量的介质，液体比蒸汽优良，因此即使延长从PH换热器61和AQC换热器62到真空闪蒸器63的温水配管，通过缩短蒸汽配管65、效率仍会变高。因此，优选，真空产生器63配置于汽轮机41的机侧。当用与图2所示的运转条件相同的条件来研究时，在PH换热器61中，从电力集尘机10的下游以340000Nm3/h取得100°C的排气，利用换热将其冷却到82°C后使其从烟囱12放出。另一方面，PH换热器61使从换热供水泵64供给的73°C的温水升温到85°C以供给到真空闪蒸器63。另外，在AQC换热器62中，从电力集尘机16的下游以200000Nm3/h取得90°C的排气，利用换热将其冷却到82°C而从烟囱18放出。在AQC换热器62中，能够使73°C的温水升温到80°C以供给到真空闪蒸器63。在真空闪蒸器63，能够从温水以4.37t/h生成0.35barA的真空蒸汽，通过蒸汽配管65将其投入到汽轮机41的真空级。这样，基于使用本实施例的发电设备，能够从现有技术中无法利用的低温热源回收热能，增加260kW的电力，使余热回收设备的输出变为9360kW。本实施例的发电设备，不使用戊烷和/或三氟乙醇等高价低沸点热介质，而原样地活用一直以来使用的用水蒸汽的汽轮发电机的构成，利用真空闪蒸器从低温热源产生低压蒸汽并将其投入到适当的真空级以增加发电量，回收热能，因此还能够节约设备费用和运转费用，能够进行性价比优良的余热回收发电。此外，在已设置有余热回收汽轮机发电装置的情况下，通过施以微小的改造就能够从更低温的热源进行热回收。实施例2图4是本发明的第二实施例涉及的发电设备的框图。图中的粗线部分表示与图2所示的现有技术的余热回收发电设备不同的部分。在本实施例中，使用与第一实施例的构成设备相同的设备，但是连接设备彼此的配管不同。即，当将本实施例的发电设备与第一实施例进行对比时，从PH的低温热源进行热回收的PH换热器61与真空闪蒸器63的关系没有变化，但是，从AQC的低温热源进行热回收的AQC换热器62涉及的配管及真空闪蒸器63涉及的配管不同，因此下面主要对不同点详细地进行说明。在第一实施例中，回水直接被供给至对高温热源进行热回收的AQC锅炉31的预热器34。而在本实施例的发电设备中，如图4所示，回水是经由AQC换热器62被供给至AQC锅炉31的预热器34的。并且，在本实施例的发电设备中，闪蒸器51的分离水被供给至真空闪蒸器63。S卩，汽轮机41的回水的全部被供给到PH换热器61及AQC换热器62，通过用AQC换热器62加热回水而生成的温水被供给到AQC锅炉31的预热器34而不是真空闪蒸器63，进而，闪蒸器51的分离水被供给到真空闪蒸器63，没有直接返回预热器34。真空闪蒸器63的分离水在与在回水器43生成的低温回水合流后、被分配到PH换热器61和AQC换热器62。根据本实施例的构成，供给到PH换热器61和AQC换热器62的水介质的温度低温化，换热器的热媒入口与热媒出口的温度差变大，因此来自于低温热源的热回收效率提高。SP，在第一实施例的条件下换热器61、62的水的入口温度为73°C，但是，在本实施例中在相同条件下为55°C。因此，发电机42的输出也将增加。此外，在上述实施例1、2中，示出了 PH锅炉及AQC锅炉回收来自于PH及AQC的排气的热而生成蒸汽及热水、所生成的蒸汽被供给到汽轮机的例子。但是，只要PH锅炉及AQC锅炉回收来自于PH及AQC的排气的热而实施加热，在PH锅炉及AQC锅炉中生成的不限于蒸汽及热水。例如，PH锅炉及AQC锅炉也可以回收来自于PH及AQC的排气的热而仅生成热水。实施例3图5是本发明的第三实施例涉及的发电设备的框图。本实施例基于在现有发电设备附设真空闪蒸器，从以往无法利用的系统内的低温热源进行热回收以提高效率。在本实施例的发电设备中，由锅炉等热源71生成热水及蒸汽并将它们供给到气水分离器72，将在气水分离器72生成的高压蒸汽送入汽轮机75的高压级。另外，由气水分离器72分离出的水被供给到闪蒸器73进行闪蒸以生成低压蒸汽和温水，低压蒸汽被送入汽轮机75的低压级。汽轮机75驱动发电机76使其发电。汽轮机75的最末级与回水器77相连，使其中的水蒸汽由冷水冷却、凝结而减压为真空。在回水器77凝结出的回水，由回水泵送至热源71并成为热水，作为汽轮机75的工作介质而被再次利用。在闪蒸器73生成的温水，以往由于低温而被认为是难以热回收的，因此，原样地作为工作介质进行循环，接着再次由锅炉等热源71加热。另一方面，在本实施例中，被供给到在真空下进行闪蒸的真空闪蒸器74。由真空闪蒸器74分离出的温水与从汽轮机75的回水器77回流的回水混合，作为工作介质由热源71再次加热而被利用。真空闪蒸器74的蒸汽配管与汽轮机75的真空级相连，将在真空闪蒸器74产生的真空蒸汽供给到真空级，以增大发电机76的输出。在本实施例的发电设备中，着眼于在大气压以下的真空状态下沸点比100°C低，设置真空闪蒸器74利用在对象设施内存在的低温热源，能够增大发电能力。此外，本实施例的热源71也可以是在发电设备外部存在的各种热源自身，另外也可以是从自外部热源供给的热介质被赋予热而产生热水的加热器和/或换热器等。另外，例如，也可以是在地下存在的热水源等。在本发明的发电设备中，利用汽轮机的真空级，投入在真空闪蒸器生成的低温水蒸汽以增大发电量，因此能够从以往无法利用尽的各种设备的低温余热和/或来自自然界的低温热源进行热回收。
在上述实施例中，主要说明了适用于水泥烧结设备的悬挂预热器和气淬冷却器而从通过排气处理装置的电力集尘机后的、比较低温的排气进行热回收的情况，但是，当然并不限于这些。例如，也能够从自气淬冷却器的低温部排出的排气直接进行热回收。另外，根据情况，还能够适用于悬挂预热器和气淬冷却器中的任一个。另外，相同的技术思想还能够适用于例如以垃圾焚烧厂的焚烧炉和/或炼钢厂的烧结冷却器等其他设备中的、更低温的余热源为对象的情况。进而，在地热发电设备等中，也能够适用于活用以往难以利用的低温热源。本发明的发电设备在各种设备或自然界中，能够从以前难以利用的低温热源进行热回收而使其电力化。
权利要求
1.一种发电设备，向汽轮机供给具有大气压以上的压力的高温水蒸汽来发电，其特征在于， 还具备与该汽轮机的真空级连接的真空闪蒸器， 将向该真空闪蒸器供给温水进行闪蒸而生成的大气压以下的水蒸汽投入所述汽轮机的真空级。
2.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于， 还具备加热器， 该加热器利用低温热源供给的热媒进行加热，生成供给至所述真空闪蒸器的温水。
3.根据权利要求2所述的发电设备，其特征在于， 所述加热器是换热器， 所述换热器将从所述低温热源供给的、具有150°C以下常温以上的温度的热媒用作加热侧流体，生成供给至所述真空闪蒸器的温水。
4.根据权利要求3所述的发电设备，其特征在于， 作为所述换热器的加热侧流体使用的热媒包括:由水泥烧结设备中的悬挂预热器(PH)产生而由PH锅炉进行热回收后的排气、由气淬冷却器(AQC)产生而由AQC锅炉进行热回收后的排气或由AQC的低温部产生的排气中的任一种。
5.根据权利要求2所述的发电设备，其特征在于， 所述发电设备还具备:PH锅炉，其利用由水泥烧结设备中的悬挂预热器(PH)产生的排气生成高压蒸汽；和AQC锅炉，其利用由水泥烧结设备中的气淬冷却器(AQC)产生的排气生成高压蒸汽， 所述汽轮机还具有高压级，该高压级被供给由所述PH锅炉生成的高压蒸汽及由所述AQC锅炉生成的高压蒸汽， 所述加热器包括:PH换热器，其将由所述PH锅炉进行热回收后的排气作为加热侧流体使用而生成供给至所述真空闪蒸器的温水；和AQC换热器，其将由所述AQC锅炉进行热回收后的排气作为加热侧流体使用而生成供给至所述真空闪蒸器的温水。
6.根据权利要求5所述的发电设备，其特征在于， 从所述真空闪蒸器到所述汽轮机的配管，比从所述PH换热器到所述真空闪蒸器的配管、以及从所述AQC换热器到所述真空闪蒸器的配管短。
7.根据权利要求5所述的发电设备，其特征在于， 由所述AQC锅炉生成的热水的至少一部分被供给到所述PH锅炉。
8.根据权利要求2所述的发电设备，其特征在于， 所述发电设备还具备:PH锅炉，其利用由水泥烧结设备中的悬挂预热器(PH)产生的排气生成高压蒸汽；AQC锅炉，其利用由水泥烧结设备中的气淬冷却器(AQC)产生的排气生成高压蒸汽及热水；和闪蒸器，其闪蒸由所述AQC锅炉生成的热水而生成低压蒸汽及温水，所述汽轮机还具有:被供给由所述PH锅炉生成的高压蒸汽及由所述AQC锅炉生成的高压蒸汽的高压级；和被供给由所述闪蒸器生成的低压蒸汽的低压级， 除由所述加热器生成的温水外，由所述闪蒸器生成的温水也被供给到所述真空闪蒸器。
9.根据权利要求8所述的发电设备，其特征在于，所述加热器包括PH换热器，该PH换热器将由所述PH锅炉进行热回收后的排气作为加热侧流体使用而生成供给至所述真空闪蒸器的温水。
10.根据权利要求9所述的发电设备，其特征在于， 所述发电设备还具备AQC加热器，该AQC加热器将由所述AQC锅炉进行热回收后的排气作为加热侧流体使用进行加热所述汽轮机的回水， 由所述AQC加热器加热了的回水被供给到所述AQC锅炉。
11.根据权利要求10所述的发电设备，其特征在于， 由所述AQC锅炉生成的热水的一部分被供给到所述PH锅炉。
12.根据权利要求1所述的发电设备，其特征在于， 所述发电设备还具备:气水分离器，其将利用来自于高温热源的热媒生成的热水及蒸汽分离为高压蒸汽和热水；和闪蒸器，其闪蒸由所述气水分离器分离出的热水而生成低压蒸汽及温水， 所述汽轮机还具有:被供给由所述气水分离器分离出的高压蒸汽的高压级；和被供给由所述闪蒸器生成的低压蒸汽的低压级， 由所述闪蒸器生成 的温水被供给到所述真空闪蒸器。
全文摘要
本发明提供从150℃以下的低温排气回收利用热，用于增加汽轮机发电来提高热利用效率的发电设备。在发电设备中，具备通过热介质和水进行换热的换热器(61、62)和对汽轮机(41)的真空级供给蒸汽的真空闪蒸器(63)，向换热器(61、62)供给热介质而生成具有超过真空级的真空下的水沸点温度的水流体，将其供给到真空闪蒸器(63)在真空级的真空下产生蒸汽，并将该蒸气投入汽轮机(41)的真空级，基于此来增加发电量。
文档编号F22D1/00GK103089341SQ20121041308
公开日2013年5月8日 申请日期2012年10月25日 优先权日2011年10月28日
发明者反田克史, 井野辰夫, 高桥良寿 申请人:川崎重工业株式会社