专利名称：火电站传统热工系统的节能化改造(热能的综合利用)的制作方法
火电站传统热工系统的节能化改造 (热能的综合利用)
我国自上世纪五十年代初生产首套国产6000KW火电站设备以来，经过半个 世纪的艰苦奋斗，现在全国己建成大、中型火电站数百座，总装机容量突破3亿 KW,每年消耗燃料折成标煤达7 8亿吨。在电站技术方面也有长足的跃进，基 本上已经接近或达到国际先进水平。
但是火电站热效率不高是个典型的世界性顽疾，至今没有得到妥善的解决， 我国也不例外。以锅炉+汽轮发电机组+冷凝设备为代表的传统火电站热工系统， 其热能利用效率只有32 40%。即使采用了极端高科技的超临界参数机组也只能艰 难地达到40%左右，而这种机组的建设和维护费用的极度腾升也难以为我国所能大 面积采用。
.以火电站热能利用效率40%为例进行分析，可以发现一次能源总,供给量60%热 能的逸出途径除去一些另星的不完全燃烧和跑、冒、滴、漏等损失之外，有两条 主要损耗渠道
(1) 锅炉烟囱排出的废烟气带走了燃料热能的6.5 7.5%，无效排向大气。
(2) 汽轮机尾汽经由冷凝装置，被冷却水(或冷却空气)掳走了燃料热能的 近50%左右，无效排向自然界。
两者叠加，总计约57%的燃料热能是由这两条渠道溜走的。这两条渠道是造 成火电站热效率低下的主要责任者。因此寻求提高火电站热效率的不二法门在于 捉住锅炉排烟热损失和汽轮机尾汽热损失，为我所用。
但是锅炉排烟温度已降到了 150 16(TC之间，汽轮机尾汽也只有0. 05个绝压 和33'C左右。这种低温和f氏压的废气与尾汽已无法再由火电站直接加以利用，只 能听其无效流失。本专利申请人由此得出一个结论出路在于镜盒利甩。就是将 火电站按传统热工系统已无法利用的废气与尾汽经过一番技术改造，转换成为其 他部门可以利用的宝贵能源。这是一条综合利用的康庄大道。
本专利申请根据以上理论提出一项以废烟气和尾汽联合起来，首先将汽轮机尾
汽转变为高温的过热低压蒸汽，再由高温的低压蒸汽生产高温(&100'C)循环热
水的设计方案。由此将传统火电站只生产单一的电能的不变成规，变成一个既生 产电能，又生产高温热水的企业。通过综合利用的途径可以将火电站的热效率由
32 40%提升到70 80%，甚而至于更高。
图1为传统火电站的热工系统图。图2为本专利提出的新热工系统示意图。不 难看出，两者相差并不太大。即是说，本专利申请提出的设计尽量保留了有成熟 经验的有效成份，只是在锅炉尾部做一些原则性的改变，增加了一些技术成份并 不太高、有成熟经验支撑的设备，其出发点是适应我国国情，仅仅增加不多的设 备投资，就能将传统火电站改造成为节能、环保、高效型电站，有利于大面积推 广。
图1为传统火电站的典型热工系统示意图。燃烧烟气经过蒸发系统EV、过热 器SH、省煤器EC和空气预热器AH的换热过程，最终以150 160'C左右的温度经 烟囱排向大气。布置在燃烧室CC周围的蒸发系统EV所产生的蒸汽经过过热器SH 的加温达到520 75(TC的过热温度，然后引向汽轮机，将蒸汽的高压热能转换为 旋转的机械能，转动发电机产生电能。在这个转换过程中，除去抽取一定数量的 中、低压蒸汽供给水系统的需要外，蒸汽的主体部份皆在汽轮机中尽量发挥其产 生机械能的作用，直到达到相当低的压力区(0.05绝压左右)，此时，其温度也己 降低到相应的饱和温度(33 35'C左右)。这种低压低温蒸汽已不再能为传统火电 站所利用，只能通过冷凝器SC (或冷却塔CT，图中未示出)用自然水(或冷空气) 将尾汽的汽化潜热抽去，以获取冷凝水(其热焓约为30大卡/公斤)，回归锅炉的 给水系统。在尾汽凝结为水的过程中，自然水(或冷空气)将尾汽所含有的约600 大卡/公斤的汽化潜热带走，排向自然界。这项600大卡/公斤的汽化潜热约占原 始过热蒸汽热焓(818 906大卡/公斤)的41 45%左右(在这项换算中已考虑了 大约20%的中间抽汽)。这笔热损失和排烟热损失叠加起来占火电站消耗原始能源 (燃料)总热量的50%以上。这就是传统热电站热效力不髙(只有32 40%左右) 的主要原因。
本专利申请针对以上所述两项热损失，提出一项崭新的火电站热工系统，见图
2所示。图2和图1相比较，可见锅炉的结构从燃烧室(CC)到省煤器(EC1)为 止，基本上维持不变，而在省煤器EC1之后，在空气预热器AH1的原处，改为布 置尾汽过热器SH'，其作用是将汽轮机尾汽温度由35'C左右，提升到130 15(TC 左右或更高。尾汽经过过热后引向一个热交换器HE，利用尾汽过热后的高温加热 循环水，由此产生了火电站的第二产品一一高温水。这种高温水数量极大，携带 着电站能源总消耗量约50%左右的热量，是一项十分可观的能源资源，它的利用可 能派生一系列有重大开发前景的新产业链。
图2所示的两项新设备(尾汽过热器SH'和热交换器HE)是单纯的换热设备， 前者将尾汽加温，而后者则负担过热尾汽的减温，以产生高温循环水和冷凝水。
可是这两项新设备的设计却遇到了同一个棘手的难题，那就是尾汽物理性能资 料的缺失。本专利申请人遍査国内、外资料不能找到如此低压蒸汽的相关物理数 据(例如低压过热蒸汽的热焓，比容等等)。本专利申请人要求有意实施本专利技 术的企业，必须具有勇闯前人所未曾涉足的新领域的精神和能力，敢于在实施中 抱着"在实践中求真知"的态度，创造自己的数据。这些数据的缺失，也在一个 方面佐证了国内、外科技界根本没有接触过这种低压低温的蒸汽，更不要说是加 以利用了。
图3示尾汽过热器SH'的结构示意。换热面为水平布置的管束，尾汽由下方引 入、上方排出。蒸汽流向与烟气流向呈正交逆向流动，以求获得蒸汽的最高过热 温度和烟气的最低排出温度。因低压尾汽的体积十分庞大，所以管束采用较大口 径的钢管。既可以采用传统过热器和省煤器通常采用的蛇形管形(如图6所示)， 也可以采用直管+管板的形式(如图5所示)。 如果尾汽过热器SH'完全替代了原空气预热器预热器第一级(AH1)的位置， 仍不能满足热水用户对热水温度的要求时，尾汽过热器SH'尚可以"侵入"省煤器 (EC1)的部份地位。如果尾汽过热器SH'取代了原空气预热器(AH1)而导致空气
预热温度不能满足某些燃料对空气温度的要求时，则可以用部份过热尾汽通过备 用管道加热进口空气(空气预加热装置的结构类似于图5、图6所示，不赘述。) 图4示过热尾汽和循环水的热交换器(HE)，其结构与上述尾汽过热器(SH')
相类似，如果采用以上措施仍不能满足热水用户对热水温度的要求时，还可以考 虑适当提升汽轮机的尾汽压力(至0.5个绝压左右)，其办法是删除汽轮机尾部叶 片1 2排。过热尾汽由上方引入，冷凝水由下方排出。循环水由下方引入，上方 排出。也是呈正交逆向流动，以求获得最高的热水温度和尽早形成冷凝水。
图5示直管管板型管束的结构示意。直管与管板的连接可以是涨接或是焊接。 图6示蛇形管束型的结构示意，类似于通常的过热器与省煤器的形式。因本专 利要求较大口径的钢管(4)40 50或更大)，管距也要求相当密集，蛇形管的弯头 就不能采用通常的弯管工艺。本专利申请建议采用图6附详图的焊接弯头的方式， 其中弯头部份可以采用锻压工艺生产。
总之，本专利申请提出的先过热尾汽，然后利用它加热循环水，生产出大量的 高温热水，这是"捕捉"电站逸出热能的有效途径，而实施这项技术既不牵涉到 不可克服的技术难题，也不牵涉到过大的设备投资，而其结果确是十分显著地提 高能源的利用率，经济效益十分显著，请业界重视。
特别提示
① 采用本专利技术后，原锅炉的热平衡可能受到一定的干扰，其极限也不过是 要求增加一些燃料用量(估计不会增加超过1 2%)，而其效果则可将尾汽的汽化 潜热(大约为600大卡/公斤)牢牢捉住，也就是将燃料热能的50%左右原先无效 逸出的热能牢牢捉住，其利益是十分明显的。
② 本专利的采用将大辐提升火电站的热效率，不再要求一味追求超高压甚至超 临界参数设备那种不惜以巨资和技术风险以换取热效率提升2-3%的不切合我国国 情的办法，请我国业界关注。
③ 本专利申请实施后将大量生产热水，其合理利用问题是一个十分值得关注的
课题。本专利申请人提出以下建议
①如电站附近地区有密集的城镇居民区，在北方各省，电站热水可作为生活取 暖之用，以取代为数众多的炉灶等低效高污染设备。
② 有不少生产企业需要大量的热水供生产之用，十分欢迎这种价廉而又无污染 的热源，甚而至于在电站附近会吸引这些企业形成一个新的工业生产区。
③ 在电站附近可以大规模进行温室种植事业。在北方地区可开辟大规模的温室 种植区，用高科技工艺(温度调控、大气成份调控、光照调控、优质错季节、错 地区品种栽培、无土栽培等等)以工厂化方式生产无公害、低能耗、低水耗优质 蔬菜、水果和花卉，供应附近地区，以至远销海内、夕卜，是一项有十分广阔前景 的产业链，值得关注。
④ 本专利说明书的叙述着重阐明已建火电站采用本专利的理论与技术进行节 能化改造所遵循的途径。本专利申请人需要特别提出，如果拟建火电站采用本专 利申请的理论与技术实施设计与建设，可以获得更优化的节能效果，因为此时可 以考虑息舍.旌表传.统.￡.^4题热.蒂的您履.， .念金蒸風汰热属^来.如.热燃燒烹.1:...您
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权利要求
1.本专利申请提出以锅炉尾气加热汽轮机尾汽以获得过热尾汽，再以过热尾汽加热循环水，达到火电站除第一产品(电能)外，又新增加一项第二产品(高温热水)，实现热能的综合利用，以大幅度提升火电站热能利用效率是本专利的核心理论和基本技术，从未见之于国内、外理论刊物和媒体的介绍，是一项崭新的理论和技术。
2、 本专利申请提出尾汽过热器SH'的崭新设计，替代空气预热器第一级AH1 (甚而至于再进而替代省煤器第一级EC1的一部份)是本专利申请的一项全新设计创意，从未见之于理论刊物和媒体的介绍，是一项全新的设计创意。
3、 沐专利申请提出了如果由于尾汽过热器SH'替代了空气预热器第一级AH1 而导致热空气温度达不到某些燃料对热空气温度的要求时，可以用部分过热尾汽 加热进口冷空气的设计，是一项全新的设计创意，从未见之于理论刊物和媒体的 介組4;本专利申请提出过热尾汽与循环水的热交换器HE的崭新设计，以获得冷 凝水和高温循环水，是一项全新的设计创意，从未见之于理论刊物和媒体的介绍。
全文摘要
我国自上世纪五十年代初开始制造火电站成套设备以来，火电站热工系统一贯采用锅炉+汽轮发电机组+冷凝器(塔)的布局。这项布置系统用自然水将汽轮机尾汽冷凝成水，而尾汽的汽化潜热被视为“废物”排出系统之外。这是该系统热工系统热效率十分低劣(约为32-40％)的基本原因所在。这是一个世界性顽症，至今无法解决。本发明提出热能综合利用的理论和实施方法，其核心技术是开发自主创新的汽轮机尾汽过热器，以取代原锅炉的空气预热器。经过过热的汽轮机尾汽一则用来加热燃烧空气，二则用来生产大量的热水(100℃上下)，甚至于生产低压微过热蒸汽，这项热水或微过热低压蒸汽作为火电站的第二产品，向外供应。
文档编号F01K7/00GK101372905SQ200610135889
公开日2009年2月25日 申请日期2006年10月14日 优先权日2006年10月14日
发明者戴克发 申请人:戴克发