强制蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续增焓做功的方法与流程

技术领域：

本发明涉及蒸汽的应用领域，特别涉及一种强制蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续多次增焓做功的方法，该方法简称“连续增焓法”，主要用于连续多次提高蒸汽的做功能力，适用于与已知蒸汽热力范围相匹配的一切需热领域。

背景技术：
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蒸汽是最常用的清洁型热力工质，已有数百年的应用历史。蒸汽是过热蒸汽与饱和蒸汽的统称，二者之间可以通过放热或吸热而相互转化使用。本发明所述的蒸汽，即包括过热蒸汽与饱和蒸汽，其中：强制蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续多次增焓做功是指过热蒸汽，在其正循环的终端转化为饱和蒸汽使用……

正循环，是指蒸汽对外转化能量的循环做功流程，蒸汽主要做功于换热器与汽轮机，也可用于烘干器等。凡供蒸汽做功的器具统称做功器，蒸汽的做功与焓密切相关，其主要技术特征如下：

1、强制蒸汽增焓做功的意义及目的：

焓是表示蒸汽热力能量的状态函数，也是蒸汽做功过程能量转化的计算量纲。因此，焓在蒸汽的循环做功流程中，具有实际操作意义和计算意义。一定质量蒸汽的焓表示为kj/kg(千焦/千克)，焓具有广延性参数、可连续操作及可加性的技术特征……

本领域通常认为，蒸汽的焓，就是蒸汽的做功能力(不包括位置势能)，蒸汽的焓值越高，其做功能力就越强。从这个意义上来说，蒸汽在锅炉中的生产过程，实质上就是强制蒸汽在高温热源中吸热增焓而形成做功能力的过程……

锅炉产出的具有一定做功能力的蒸汽称为正循环初始蒸汽(下称初始蒸汽)，本领域现有技术规定：初始蒸汽焓值，既是从锅炉的高温热源中吸收的总热量，也是蒸汽正循环做功流程(下称循环)的初始总热量。故，初始蒸汽焓值，是计算蒸汽循环热效率的重要参数之一。

由上述可见：强制蒸汽增焓做功的意义及目的，就是为了增强蒸汽的做功能力，而只有增强蒸汽的做功能力，才能够提高蒸汽的循环热效率。本发明所述的强制蒸汽……连续多次增焓做功，就是为了连续多次增强蒸汽的做功能力，继而提高蒸汽的循环热效率。

2、技术偏见之“再吸热增焓……”：

初始蒸汽进入循环后，会因做功而使焓值(做功能力)降低。因此，为了再增蒸汽的做功能力，本领域就创造出了“再吸热增焓……”的技术方案，简介如下：

再吸热增焓，是指强制循环中的蒸汽，再次进入高温热源的再吸热增焓过程，该过程简称“再吸热增焓”。其中：“再吸热”是必需的技术步骤，而“再次增焓做功”则是期望达到的技术目的。从技术意义上来说，再吸热增焓，基本上是锅炉生产蒸汽的技术再现，不仅需要再投入高温热源成本，还需再投入蒸汽输送设备等……

在本领域的现有技术中，再吸热是强制循环中的蒸汽再次增焓做功的唯一技术方案，该方案也已逐渐成为技术偏见。由于受该技术偏见的引导，迄今为止，在本领域蒸汽循环做功的技术史上，尚无除“再吸热”之外的其他强制蒸汽再次增焓做功的技术先例出现，也无除“再吸热”之外的其他强制蒸汽连续多次增焓做功的技术先例出现……

3、技术难题：

本领域的技术理论认为，从蒸汽热力循环的效率观点出发，蒸汽做功于不同的热力工艺时，均应存在着一个最佳做功压力范围(下称最佳压力)，比如：蒸汽在换热器的最佳压力应为0.1——0.3mpa、在背压式汽轮机的最佳压力应为1.1——1.8mpa……

实践证明：对于高压状态的过热蒸汽来说，操控其以最佳压力做功犹为重要，这是因为：当过热蒸汽的做功温度处于工艺所需的一定范围时，操控其以最佳压力做功，就是操控其以最佳热力状态做功，而只有以最佳热力状态做功，才能够获得最大净功……

自从人类认知蒸汽增焓做功及最佳压力做功的意义以来，就一直渴望创造强制蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功的技术方案。但是，由于受现有蒸汽操控技术的局限，在全人类的技术史上，尚未出现强制蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功的技术方案。因此，如何才能强制蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功？是本领域急待克服的技术难题。

4、技术预言：

蒸汽循环的全流程，由具备做功能力的初始蒸汽(压力≥2.5mpa、温度≥260℃)开始，至终端失去做功能力而转化为压力0.1mpa、温度90℃的热水回流至锅炉给水时结束。该热水焓值，就是蒸汽循环全流程的终端焓值，该终端热水焓值，是计算蒸汽循环全流程总净功的重要参数之一。

净功，是指蒸汽由做功初态至做功终态的每次做功过程的焓降(蒸汽做功初、终态焓值之差，也称焓差)，凡是能够单独核算净功(焓降)的做功过程称为一个功次。净功对于换热器来说，表示换热量；而对于背压式或冷凝式汽轮机来说，表示蒸汽转化的能量。

蒸汽循环全流程的多次做功过程的累计总净功(由初始蒸汽至终端热水的总焓降)，是计算蒸汽循环热效率的重要参数之一。

为了定量地评价蒸汽循环在能量转化方面的完善性，常用的指标就是蒸汽循环热效率，通常用符号η表示，它的定义就是蒸汽循环总净功w与初始蒸汽焓值q的比值乘以100％，计算公式为：蒸汽循环热效率η＝w/q×100％。

本领域的现有技术认为：蒸汽循环热效率的值越大，蒸汽的能量转化就越完善，但是，“蒸汽循环热效率的值不可能达到100％”，这就是本领域关于“蒸汽循环热效率不可能达到100％的技术预言”。该技术预言严重束缚了人们的技术创新理念，因此，在本领域的技术史上，尚未出现蒸汽循环热效率达到100％的技术方案，也未突破“蒸汽循环热效率不可能达到100％的技术预言”……

技术实现要素：
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1、发明目的：

强制蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续多次增焓做功，突破蒸汽循环热效率不可能达到100％的技术预言，实现提高蒸汽循环热效率的节能目的。

2、发明解决的技术问题：

针对本领域现有技术中“再吸热增焓”的技术偏见，以及如何才能强制蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功的技术难题，本发明提供一种强制蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续多次增焓做功的技术方案。该方案既能够克服“再吸热增焓”的技术偏见、也能够克服如何才能强制蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功的技术难题，并且能够突破“蒸汽循环热效率不可能达到100％的技术预言”。

3.发明的技术方案：

本发明是强制蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续多次增焓做功的技术方案，该方案是依托现有蒸汽循环系统，但颠覆其现有蒸汽循环的操控技术理念，淘汰其不具备增焓功能的做功器，利用焓是蒸汽热力能量的状态函数、广延性参数、可连续操作及具有可加性的技术特征，以实现过热蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功为技术目标而设计操控参数，以强制操控过热蒸汽改变热力状态而引发增焓为技术手段，以开发专用于过热蒸汽的具有增焓功能的做功器为技术辅助，将多个具备增焓功能的做功器组合进现有蒸汽循环流程，强制操控过热蒸汽进入做功器之际，首先发生一个以改变热力状态而引发的增焓过程，增焓过程完成的同时即自动转化成参数稳定且平衡的最佳压力做功初态，由做功初态进入转化能量的做功过程，该做功过程至本做功器能够计算做功终态焓值结束，并由做功终态焓值驱动下一做功器，依次类推……这种先增焓、再做功的操控技术过程即为增焓做功，以同样的操控技术方法，去操控多个具有增焓功能且首尾相连的做功器，即可构成强制蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续多次增焓做功的技术方案，该方案主要用于多级换热器(5级及以上)的增焓做功、多台背压式汽轮机(4台及以上、末台为冷凝式汽轮机)的增焓做功，分述如下：

方案1——用于多级换热器的技术方案：

(1)颠覆现有蒸汽操控技术理念：颠覆现有技术强制蒸汽“再吸热”增焓的技术偏见及由此形成的操控技术方案，开创强制蒸汽无需“再吸热”即可以最佳压力连续多次增焓做功的技术理念，首先确定初始蒸汽的热力参数，以该参数为依据，设计强制蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功的操控参数，将操控参数与发明的换热器的自动控压、控温阀依次匹配，将多个换热器相连，组合成强制蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续多次增焓做功的操控技术方案……

(2)换热器的构造及连接方式：所述的换热器，是指设计开发专用于过热蒸汽的具有增焓功能的管筒式换热器(下称换热器)，该换热器由管筒、自动控压、控温阀、蒸汽管道构成。每一个换热器为一个单独核算净功(焓降)的做功梯级，用蒸汽管道、自动控压阀、自动控温阀，将多个换热器首尾相连即可构成多级换热器的连续做功流程，现以5级换热器相连为例绘制说明书附图1。

(3)附图1图面说明：

①符号示意：图中直线表示过热蒸汽管道，箭头表示过热蒸汽循环流向，v1、v2、v3、v4、v5表示换热器，a1、a2、a3、a4、a5、a6表示自动控压阀，b1、b2、b3、b4、b5、b6表示自动控温阀，前述符号示意依次类推于后续多级换热器……

②连接方式：v1的出口端与v2的进口端，共同使用a2、b2，即：上一级换热器的出口端自动控压阀、控温阀，兼做下一级换热器的进口端自动控压阀、控温阀，依次类推至后续多级换热器……

③换热器的增焓空间：以进入v1的初始过热蒸汽压力2.5——30mpa、温度260——700℃，v1内的做功压力0.1——0.3mpa为例：vi的直径，应是b1通道直径的25——100倍；v1的容积，应是b1通道容积的100——2000倍(依据应用工艺在前述参数范围内选择定值)，将v1与b1的参数比例，依次类推于v2与b2、v3与b3等后续多级换热器……

(4)蒸汽循环流程及操控参数、方法：将v1及后续多级换热器组合进现有过热蒸汽循环系统，以v1为例：初始过热蒸汽先进入a1、后进入b1；强制操控初始过热蒸汽压力与a1、b1通道内压力相等，初始过热蒸汽温度与b1通道内及进入v1之内的初态温度均相等，初始过热蒸汽焓值即与b1通道内焓值相等。

b1通道内焓值，就是过热蒸汽进入v1做功的驱动焓值(下称驱动焓值)，依次类推于后续多级换热器，比如：b2通道内焓值是v2的驱动焓值、b3通道内焓值是v3的驱动焓值……

强制操控过热蒸汽在v1两端的a1与a2之间形成0.1mpa的压差(也可视具体应用工艺在0.1——0.3mpa范围内确定压差)，该压差就是过热蒸汽在v1内的做功压力，该做功压力与v1内的初态温度所对应的焓值，就是v1内的做功初态焓值(下称初态焓值)。

v1内的0.1mpa的做功压力符合最佳压力，将0.1mpa的做功压力(a1与a2的压差)依次类推于后续多级换热器，比如：a1高于a2的压力0.1mpa、a2高于a3的压力0.1mpa，依次类推……

强制操控过热蒸汽在v1两端的b1与b2之间形成2℃的温差，该温差即是本功次做功初、终态的温差，将该温差依次类推于后续多级换热器，比如：b1高于b2的温度2℃、b2高于b3的温度2℃，依次类推……

强制操控过热蒸汽在a2与b2通道内压力相等，v1的做功终态温度与b2通道内温度相等，则b2通道内焓值就是v1的做功终态焓值(下称终态焓值)，该终态焓值也是进入v2的驱动焓值，依次类推于后续多级换热器，比如：b2通道内焓值，既是v1的终态焓值，也是b2的驱动焓值；b3通道内焓值，既是v2的终态焓值，也是v3的驱动焓值，依次类推……

依据上述的各操控方法及参数，当已知初始过热蒸汽的压力、温度、焓值参数时，即可通过推导、查蒸汽焓值表、计算而依次得出v1及后续各级换热器的各相关操控参数……

(5)换热器的增焓功能：增焓功能是由强制过热蒸汽进入换热器之际的减压、增容而产生，以v1为例：因为v1的直径与b1的通道直径、v1的容积与b1的通道容积存在着比例关系，且强制操控v1内的做功压力是0.1mpa。所以，当压力≥2.5mpa、温度≥260℃的初始过热蒸汽，经b1进入v1之内时就具备减压、增容的空间，该空间发生的减压增容就是热力状态的改变，而热力状态的改变就能够引发增焓，将该操控方法依次类推于后续多级换热器，就能够强制操控进入换热器之际的过热蒸汽先发生增焓过程、在增焓完成的同时即自动转入做功过程，简述如下：

a、增焓过程：增焓，是指强制换热器的初态焓值大于驱动焓值的操控技术过程，即强制过热蒸汽进入换热器之际先发生一个增焓过程，该增焓过程是由强制过热蒸汽减压、增容的热力状态变化而带动发生。这是因为：焓是过热蒸汽热力能量的状态函数，一定质量的过热蒸汽，在一定温度下，由一种高压状态变为一种低压状态时，会使焓值增加(压力能转化为热能)，焓的增量便等于在此过程中吸入的热量，这即是本发明所述的强制蒸汽无需再吸热即可增焓做功的“增焓过程”。将此操控方法依次类推于后续换热器，则能够强制过热蒸汽无需再吸热即可连续发生增焓过程，这就是本发明强制过热蒸汽无需再吸热即可连续多次增焓做功的理论依据及技术手段。

b、做功过程：做功，是指过热蒸汽进入换热器增焓过程完成的同时，即被换热器两端的自动控压、控温阀，强制操控成热力参数稳定的平衡做功状态。在该平衡做功状态下，过热蒸汽与外界交换热量时，其平衡做功状态的各热力操控参数保持不变，则其各自所对应的焓值就处于唯一定值。换热器两端所形成的压差，就是该功次的做功压力。换热器进口端自动控温阀的控制温度，就是该功次的做功初态温度。做功压力与做功初态温度所对应的焓值，就是该功次的初态焓值。换热器出口端自动控压阀的控制压力，就是该功次的做功终态压力，该终态压力与出口端自动控温阀内压力相等。换热器出口端自动控温阀的控制温度，就是该功次的做功终态温度。终态压力与终态温度所对应的焓值，就是该功次的终态焓值。由初态焓值降至终态焓值的过程，就是该功次对外转换热量的做功过程，初、终态之间的焓降，就是该功次的净功(换热量)，该过程即是本发明所述的增焓做功的“做功过程”。

将上述强制过热蒸汽增焓做功的方法，重复而连续地操控于后续多个换热器，则可构成强制过热蒸汽无需再吸热即可以最佳压力连续多次增焓做功的技术方案……

(6)方案1的具体实施方式：现将发明技术应用于某需热温度390℃的换热工艺，实施例如下：

①淘汰原有不具备增焓功能的大型换热器：用20个发明的具有增焓功能的换热器，置换不具增焓功能的原换热器并组合进原蒸汽循环流程，保持与原换热面积不变、换热器成本不变或略低，发明的换热器由v1——v20依次编号，其配套的自动控压阀(a1——a21)、控温阀(b1——b21)也随之编号……

②选择参数：

a、选择初始蒸汽压力4.5mpa、温度430℃、焓值3274kj/kg。

所选择的初始蒸汽温度430℃，与需热工艺温度390℃的换热温差为40℃，符合换热工艺的技术要求。

b、选择0.1mpa作为各级换热器的做功压力，该做功压力符合最佳压力。选择2℃作为各换热器(末级换热器除外)两端自动控温阀的控制温差，依次类推即可得出各级换热器的相关操控参数……

③对应匹配：将上述初始蒸汽相关参数、换热器做功压力、温差，与发明的操控技术方案及说明书附图1示意依次对应匹配，即可推导计算出每千克(kg)蒸汽在v1——v20循环做功流程的增焓及焓变数据，参见说明书附图3——“方案1每千克蒸汽增焓效果数据表”，该数据即可表明本发明技术方案的增焓做功效果。

方案2——用于多台背压式汽轮机(末台为冷凝式汽轮机)的技术方案：

(1)利用现有蒸汽发电系统，改进现有多台背压式汽轮机汽缸的容积空间，使之具备减压增焓的功能。汽缸与汽缸之间用蒸汽管道连通，在汽缸的进口端与出口端的蒸汽管道上设置自动控压、控温阀，现以5台汽轮机汽缸为例，绘制说明书附图2，

(2)附图2图面说明：

①符号示意：图中直线表示蒸汽管道，箭头表示蒸汽循环流向，v1、v2、v3、v4、v5表示汽轮机汽缸(下称汽缸)，每台汽缸为一个能够单独核算净功的做功梯级。a1、a2、a3、a4、a5、a6表示自动控压阀，b1、b2、b3、b4、b5、b6表示自动控温阀，前述符号示意依次类推于后续多台汽轮机……

②连接方式：v1的出口端与v2的进口端共同使用a2、b2，即上一台汽缸出口端的自动控压阀、控温阀，兼做下一台汽缸进口端的自动控压阀、控温阀，依次类推至后续多台汽轮机汽缸……

(3)设计汽缸的增焓空间及功能：以进入v1的过热蒸汽压力≥5mpa、温度≥450℃，v1内的做功压力1.4mpa为例：v1的直径应是b1通道直径的50——2000倍，v1的容积应是b1通道容积的500——10000倍，前述参数比例依次类推于后续多台背压式汽轮机汽缸……

(4)将改进汽缸后的5至20台背压式汽轮机(末台为冷凝式)，组合进现有过热蒸汽循环发电系统，操控每台汽轮机均是能够独立核算净功(焓降)的做功功次。

(5)以背压式汽轮机的最佳压力1.4mpa做功为技术目标，设计过热蒸汽进、出汽缸的热力参数。利用自动控压阀，强制过热蒸汽在汽缸的两端形成1.4mpa的压差，该压差就是过热蒸汽在汽缸内的做功压力，该做功压力符合最佳压力，依次累推于后续多台背压式汽轮机……

(6)利用自动控温阀，强制操控过热蒸汽在汽缸两端形成20℃的温差，依次类推于后续多台背压式汽轮机……

(7)利用汽缸内能够减压、增容的空间，强制操控进入汽缸的过热蒸汽先发生增焓过程，再发生做功过程。

(8)方案2的其它操控方法、各相关参数的对应及对等关系，均与方案1有类同之处，比如：驱动焓值、做功初态焓值、做功终态焓值的相互关系，增焓过程、做功过程，以及当已知初始蒸汽压力、温度、焓值参数时，即可推导计算出后续各做功器的对应参数等，故在此不作重复叙述……

(9)方案2的具体实施例：

①将10台具备增焓功能的背压式汽轮机(末台为冷凝式汽轮机)，按照说明书附图2所示，组合进现有蒸汽循环发电流程，置换淘汰原有不具备增焓功能的汽轮机，保持与原汽轮机成本不变或略低。将汽轮机依次编号为v1——v10，配套的自动控压、控温阀，分别依次编号为a1——a11，b1——b11。

②选择参数：选择初始过热蒸汽压力19mpa、温度570℃、焓值3461kj/kg，背压式汽轮机汽缸内做功压力1.4mpa(符合最佳压力)、两端自动控温阀控制温差20℃。

③对应匹配：将上述蒸汽参数、汽缸做功压力、温差，与发明的技术方案及说明书附图2示意依次对应匹配。即可推导计算出每千克(kg)蒸汽，在v1至v10的循环做功流程的增焓与焓变数据，参见说明书附图4——方案2每千克蒸汽增焓效果数据表，该数据表即可表明本发明技术方案的增焓做功效果。

附图说明

“图1”是发明技术方案1的示意图，“图2”是发明技术方案2的示意图，“图3”是发明技术方案1的每千克蒸汽增焓效果数据表，“图4”是发明技术方案2的每千克蒸汽增焓效果数据表。

5、有益效果：

本发明是针对蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功而提出的全新的技术解决方案，实施本发明能够获得以下有益效果：

(1)克服了现有技术“再吸热增焓”的技术偏见，省略了“再吸热”的技术步骤，实现了“再次增焓做功”进而多次增焓做功的技术目的。

(2)克服了本领域“如何才能强制蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功”的技术难题，实现了强制过热蒸汽以最佳压力连续多次增焓做功，而连续多次增焓做功，就是节能意义上的连续多次增效用能。

(3)突破了“蒸汽循环热效率不可能大于100％”的技术预言，发明技术“方案1“和“方案2”的蒸汽循环热效率，分别达到了119.24％和125.68％，均已大于了100％。如果再增加过热蒸汽的做功梯级，则会更大幅度地提高蒸汽热效率，而提高蒸汽热效率，可以显著地提高能量利用率，有效解决能源危机，降低环境污染。

6、能够实现：

本发明是将具有增焓功能的换热器、背压式汽轮机，组合进现有过热蒸汽循环流程而构成的技术方案，所涉及的具有增焓功能的换热器、汽缸、自动控压阀、控温阀，以及操控压差、温差等相关参数，均是现有技术的变形或转用。本领域的技术人员，按照说明书给出的相关参数流程进行操控，无需创造性劳动就能够实现本发明。