中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，包括水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環，水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環組成一個用于300℃以上的中高溫煙氣高效回收利用的雙工質聯合循環系統。本發明將水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環組成一個雙工質聯合循環，用于中高溫煙氣的高效回收利用；從余熱鍋爐汽包抽水加熱有機工質，減溫后的高壓水回到余熱鍋爐省煤器進口，使省煤器擺脫了蒸發器的限制，吸熱量根據余熱鍋爐排煙溫度設定，從而使循環裝置在任何工況下都能獲得最佳的余熱利用率。
【專利說明】中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種中高溫煙氣等余熱資源回收的高效動力裝置，具體涉及一種利用300°C以上中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，屬于流體機械領域。
【背景技術】
[0002]在工業生產過程中，存在大量300°C以上的中高溫煙氣。目前常用的煙氣余熱回收方法，例如應用比較廣泛的水泥窯余熱的回收，是通過余熱鍋爐獲得飽和或過熱水蒸汽，然后將水蒸汽注入純凝汽式汽輪機或補汽凝汽式汽輪機內膨脹做功，并拖動發電機發電。在這類裝置中，蒸汽的壓力和溫度越高，透平熱力循環的效率就越高。然而，由于余熱鍋爐中工質的質量流量主要取決于蒸發器(用于水的蒸發)的吸熱量，由于水的蒸發溫度以及節點溫差的限制，蒸汽壓力越高，余熱鍋爐蒸發器的吸熱量就越小；與蒸發器相比，省煤器(用于液態水的加熱)的吸熱量很小；因此，經過余熱利用以后的排煙溫度仍然偏高，余熱利用率很低。
[0003]通過上述分析不難發現，提高余熱鍋爐蒸發器后的低溫段吸熱量是提高余熱回收率的最有效方法，這也是目前大型燃氣-蒸汽聯合循環電站中經常采用雙壓或三壓余熱鍋爐的最主要原因。然而，對于單一參數的煙氣余熱來說，雙壓或三壓余熱鍋爐的汽水系統過于復雜，采用補汽凝汽式汽輪機后排氣容積流量非常大，比常規火電汽輪機的單位發電功率排汽量高3倍以上，導致余熱回收裝置體積龐大，投資也很高。與常規的水蒸汽朗肯循環相比，低沸點有機工質朗肯循環(ORC)在低溫余熱回收方面具有更大的優勢，不僅效率高，而且設備非常緊湊(透平排汽口的工質密度比水蒸汽密度高100被以上，意味著其排汽缸面積只需常規背壓式汽輪機的1%);但由于有機工質在高溫下化學穩定性差，易分解，本發明充分利用兩種熱力循環的優點，提出一種新的雙工質聯合循環發電裝置，用于中高溫煙氣余熱的高效回收利用。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的問題在于提供一種緊湊的、使中高溫煙氣余熱得到高效回收利用的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置。
[0005]為了解決上述問題，本發明采用以下技術方案:
一種中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，包括水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環，水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環組成一個用于300°C以上的中高溫煙氣高效回收利用的雙工質聯合循環系統。
[0006]以下是本發明對上述方案的進一步優化:水與水蒸汽循環包括余熱鍋爐、背壓式汽輪機和給水泵，低沸點有機工質循環包含有機工質透平、工質蒸發器、預熱器和有機工質栗。
[0007]水與水蒸汽循環為上位循環，以煙氣余熱做為熱源，給背壓式汽輪機提供動力，背壓式汽輪機的排汽為下位循環，即有機工質循環的熱源，給有機工質透平提供動力。[0008]所述背壓式汽輪機和機工質透平可分別拖動一個發電機或共同拖動一臺發電機。
[0009]所述余熱鍋爐包括汽包，所述汽包上分別連通有余熱鍋爐過熱器、余熱鍋爐蒸發器和余熱鍋爐省煤器，余熱鍋爐蒸發器的進出口與汽包分別連通，形成一個小循環。
[0010]所述背壓式汽輪機與汽包之間直接連通或通過余熱鍋爐過熱器連通。
[0011]所述有機工質透平的進氣端依次連通有蒸汽放熱有機工質蒸發器和蒸汽放熱有機工質預熱器，所述蒸汽放熱有機工質預熱器通過有機工質冷凝器和有機工質泵與有機工質透平的出氣端連通，形成一個小循環。
[0012]蒸汽放熱有機工質預熱器與余熱鍋爐省煤器通過管路連通，背壓式汽輪機的排汽端與蒸汽放熱有機工質蒸發器連通。
[0013]所述余熱鍋爐蒸發器的進口與汽包之間的連通管路和背壓式汽輪機的排汽端與蒸汽放熱有機工質蒸發器之間的連通管路之間通過水減壓裝置連通。
[0014]另一種優化:所述有機工質透平的進氣端還依次連通有熱水放熱有機工質蒸發器、熱水放熱有機工質預熱器；熱水放熱有機工質蒸發器、熱水放熱有機工質預熱器與蒸汽放熱有機工質蒸發器、蒸汽放熱有機工質預熱器并聯連接，所述熱水放熱有機工質蒸發器與余熱鍋爐蒸發器的進口和汽包之間的連通管路連通；熱水放熱有機工質預熱器與余熱鍋爐省煤器通過管路連通。
[0015]其工作原理是:水與水蒸汽循環為聯合循環的上位循環，以煙氣余熱做為熱源，采用背壓式汽輪機，其排汽為下位循環，即有機工質循環的熱源；在此基礎上，增加余熱鍋爐省煤器的換熱面積和水流量，多余的高溫熱水做為有機工質的另一個熱源。該循環裝置由于省煤器吸熱量不受蒸發器限制，可以大大降低余熱鍋爐的排煙溫度；另外，有機工質只與水或水蒸汽換熱，避免煙氣腐蝕引起的有機工質泄漏，提高系統的安全性；再者，由于水循環的吸熱溫度高且沒有冷端損失，而有機工質的相變熱和冷端損失小，使得聯合循環的效率提高。對于同樣的余熱，與單純的水蒸汽循環相比，系統凈輸出功率可增加20%左右，而與單一低沸點有機工質循環相比，系統凈輸出功率可增加40%左右。
[0016]本發明采用上述方案，將水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環組成一個雙工質聯合循環，用于中高溫煙氣的高效回收利用；從余熱鍋爐汽包抽水加熱有機工質，減溫后的高壓水回到余熱鍋爐省煤器進口，使省煤器擺脫了蒸發器的限制，吸熱量根據余熱鍋爐排煙溫度設定，從而使循環裝置在任何工況下都能獲得最佳的余熱利用率。
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]附圖1是本發明實施例1的結構示意圖；
附圖2是本發明實施例2的結構示意圖。
[0019]圖中:1-余熱鍋爐過熱器；2-汽包；3_余熱鍋爐蒸發器；4_汽包循環泵；5-余熱鍋爐省煤器；6_背壓式汽輪機；7_有機工質透平；8_熱水放熱有機工質蒸發器；9_熱水放熱有機工質預熱器；10_蒸汽放熱有機工質蒸發器；11_蒸汽放熱有機工質預熱器；12_有機工質冷凝器；13_有機工質泵；14_給水泵；15_水減壓裝置；V1-V4:控制閥；N1_N4:接點。【具體實施方式】
[0020]實施例1，如圖1所示，一種中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，包括水與水蒸氣循環和低沸點有機工質朗肯循環，所述水與水蒸氣循環和低沸點有機工質朗肯循環組成一個用于300°C以上的中高溫煙氣高效回收利用的雙工質聯合循環系統。
[0021]水與水蒸汽循環包括余熱鍋爐、背壓式汽輪機6和給水泵，低沸點有機工質循環包括機工質透平7、工質蒸發器、預熱器和有機工質泵。
[0022]水與水蒸汽循環為上位循環，以煙氣余熱做為熱源，給背壓式汽輪機6提供動力，背壓式汽輪機6的排汽為下位循環，即有機工質循環的熱源，給有機工質透平7提供動力。
[0023]所述背壓式汽輪機6和機工質透平7分別拖動一個發電機。
[0024]所述余熱鍋爐包括汽包2，所述汽包2上分別連通有余熱鍋爐過熱器1、余熱鍋爐蒸發器3和余熱鍋爐省煤器5，余熱鍋爐蒸發器3的進出口與汽包2分別連通，形成一個小循環，余熱鍋爐蒸發器3進口與汽包2連通的管路上安裝有汽包循環泵4。
[0025]所述背壓式汽輪機6與汽包2之間通過余熱鍋爐過熱器I連通。
[0026]所述有機工質透平7的進氣端依次連通有蒸汽放熱有機工質蒸發器10和蒸汽放熱有機工質預熱器11，所述蒸汽放熱有機工質預熱器11通過有機工質冷凝器12和有機工質泵13與有機工質透平7的出氣端連通，形成一個小循環。
[0027]所述有機工質透平7的進氣端還依次連通有熱水放熱有機工質蒸發器8、熱水放熱有機工質預熱器9 ;熱水放熱有機工質蒸發器8、熱水放熱有機工質預熱器9與蒸汽放熱有機工質蒸發器10、蒸汽放熱有機工質預熱器11并聯連接，所述熱水放熱有機工質蒸發器8與余熱鍋爐蒸發器3的進口和汽包2之間的連通管路連通；熱水放熱有機工質預熱器9與余熱鍋爐省煤器5通過管路連通。
[0028]蒸汽放熱有機工質預熱器11通過給水泵14與余熱鍋爐省煤器5連通，背壓式汽輪機6的排汽端與蒸汽放熱有機工質蒸發器10連通。
[0029]本發明的裝置分為三個循環，包括煙氣(開式)循環、水循環和低沸點有機工質循環。
[0030]煙氣循環:中高溫煙氣進入余熱鍋爐后，先后與余熱鍋爐過熱器1、余熱鍋爐蒸發器3和余熱鍋爐省煤器5中的汽、水進行熱交換，煙氣溫度逐漸降低，乏氣直接排入大氣。
[0031]水循環:高壓低溫水進入余熱鍋爐后，首先在余熱鍋爐省煤器5中被煙氣預熱，溫度升高到接近飽和溫度，然后進入汽包2。
[0032]汽包2下半的飽和水經汽包循環泵4后在接點NI處分為兩路:一路經余熱鍋爐蒸發器3吸熱蒸發后回到汽包2，產生的飽和蒸汽在余熱鍋爐過熱器I進一步加熱獲得過熱蒸汽，經由控制閥V2進入背壓式汽輪機膨脹做功，并驅動發電機發電。
[0033]透平排汽仍為過熱蒸汽，其溫度接近汽包溫度，先后進入蒸汽放熱有機工質蒸發器10和蒸汽放熱有機工質預熱器11與有機工質換熱并凝結成水，然后由給水泵14加壓后進入鍋爐，形成一個循環。
[0034]另一路經由控制閥Vl后依次進入熱水放熱有機工質蒸發器8和熱水放熱有機工質預熱器9，與有機工質進行熱交換后溫度降低，在接點N2處與經過給水泵14加壓后的第一路水混合，共同進入余熱鍋爐省煤器5。控制閥Vl和控制V2用于兩路流量的調節和分配，由于蒸發器采用強制循環，因此既可以用于臥式鍋爐，也可以用于立式鍋爐。[0035]有機工質循環:低沸點有機工質經工質泵13增壓后分為兩路。一路經由控制閥V3后依次進入熱水放熱有機工質預熱器9和熱水放熱有機工質蒸發器8，吸收熱水的熱能產生有機工質蒸汽，然后注入有機工質透平7膨脹做功；另一路經由控制閥V4后依次進入蒸汽放熱有機工質預熱器11和蒸汽放熱有機工質蒸發器10，吸收背壓式汽輪機排汽余熱產生有機工質蒸汽，也注入有機工質透平7膨脹做功。有機工質透平排汽直接進入有機工質冷凝器12，獲得液態工質，然后進入工質泵13，形成一個循環。控制閥V3和控制閥V3用于兩路工質流量的調節和分配。
[0036]實施例2:如圖2所示，一種中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，包括水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環，水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環組成一個用于300 °C以上的中高溫煙氣高效回收利用的雙工質聯合循環系統。
[0037]水與水蒸汽循環包括余熱鍋爐、背壓式汽輪機6和給水泵，低沸點有機工質循環包括機工質透平7、工質蒸發器、預熱器和有機工質泵。
[0038]水與水蒸汽循環為上位循環，以煙氣余熱做為熱源，給背壓式汽輪機6提供動力，背壓式汽輪機6的排汽為下位循環，即有機工質循環的熱源，給有機工質透平7提供動力。
[0039]所述背壓式汽輪機6和有機工質透平7可分別拖動一個發電機。
[0040]所述余熱鍋爐包括汽包2，所述汽包2上分別連通有余熱鍋爐過熱器1、余熱鍋爐蒸發器3和余熱鍋爐省煤器5，余熱鍋爐蒸發器3的進出口與汽包2分別連通，形成一個小循環。
[0041]所述背壓式汽輪機6與汽包2之間通過余熱鍋爐過熱器I連通。
[0042]所述有機工質透平7的進氣端依次連通有蒸汽放熱有機工質蒸發器10和蒸汽放熱有機工質預熱器11，所述蒸汽放熱有機工質預熱器11通過有機工質冷凝器12和有機工質泵13與有機工質透平7的出氣端連通，形成一個小循環。
[0043]蒸汽放熱有機工質預熱器11通過給水泵14與余熱鍋爐省煤器5連通，背壓式汽輪機6的排汽端與蒸汽放熱有機工質蒸發器10連通。
[0044]所述余熱鍋爐蒸發器3的進口與汽包2之間的連通管路和背壓式汽輪機6的排汽端與蒸汽放熱有機工質蒸發器10之間的連通管路之間通過水減壓裝置15連通。
[0045]本實施例與實施例1的主要區別是:去掉了汽包循環泵4、熱水放熱有機工質蒸發器8和熱水放熱有機工質預熱器9，增加了水減壓裝置15，
經由控制閥Vl的熱水通過水減壓裝置15減壓后與背壓式汽輪機排汽在接點N3混合，形成汽水混合物，然后共同進入有機工質蒸發器10和有機工質預熱器11與有機工質發生熱交換，有機工質由液體變為蒸汽，汽水混合物凝結為水，共同進入給水泵14加壓后回到余熱鍋爐。
[0046]與實施例1相比，省掉兩個換熱器，系統更簡單，但由于采用減壓裝置將高壓水直接變為低壓水，循環效率低于實施例1。
[0047]實施例3，在實施例1或實施例2的基礎上去掉余熱鍋爐過熱器1，所述背壓式汽輪機6與汽包2之間直接連通，適用于溫度較低的煙氣余熱回收，圖略。
[0048]實施例4，在實施例1-3基礎上，將背壓式汽輪機和有機工質透平分別拖動一個發電機改為所述有機工質透平7和背壓式汽輪機6共同拖動一臺發電機。以及背壓式汽輪機與有機工質透平共同或分別拖動其它設備，或經減速箱拖動發電機或其它設備。圖略。[0049]上述詳細說明是針對本發明可行實施例的具體說明，該實施例并非限制本發明的專利范圍，凡未脫離本發明創新點的等效實施或者變更，均應包含在專利范圍內。
【權利要求】
1.一種中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，包括水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環，其特征在于:水與水蒸汽循環和低沸點有機工質朗肯循環組成一個用于300°C以上的中高溫煙氣高效回收利用的雙工質聯合循環系統。
2.根據權利要求1所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于:水與水蒸汽循環包括余熱鍋爐、背壓式汽輪機(6)和給水泵，低沸點有機工質循環包括機工質透平(7)、工質蒸發器、預熱器和有機工質泵。
3.根據權利要求2所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于: 水與水蒸汽循環為上位循環，以煙氣余熱做為熱源，給背壓式汽輪機(6)提供動力，背壓式汽輪機(6)的排汽為下位循環，即有機工質循環的熱源，給有機工質透平(7)提供動力。
4.根據權利要求3所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于: 所述背壓式汽輪機(6)和機工質透平(7)可分別拖動一個發電機或共同拖動一臺發電機。
5.根據權利要求4所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于:所述余熱鍋爐包括汽包(2)，所述汽包(2)上分別連通有余熱鍋爐過熱器(I)、余熱鍋爐蒸發器(3)和余熱鍋爐省煤器(5)，余熱鍋爐蒸發器(3)的進出口與汽包(2)分別連通，形成一個小循環。
6.根據權利要求5所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于:所述背壓式汽輪機(6 )與汽包(2 )之間直接連通或通過余熱鍋爐過熱器(I)連通。
7.根據權利要求6所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于:所述有機工質透平(7)的進氣端依次連通有蒸汽放熱有機工質蒸發器(10)和蒸汽放熱有機工質預熱器(11)，所述蒸汽放熱有機工質預熱器(11)通過有機工質冷凝器(12 )和有機工質泵(13)與有機工質透平(7 )的出氣端連通，形成一個小循環。
8.根據權利要求7所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于:蒸汽放熱有機工質預熱器(11)與余熱鍋爐省煤器(5 )通過管路連通，背壓式汽輪機(6 )的排汽端與蒸汽放熱有機工質蒸發器(10)連通。
9.根據權利要求8所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于:所述余熱鍋爐蒸發器(3)的進口與汽包(2)之間的連通管路和背壓式汽輪機(6)的排汽端與蒸汽放熱有機工質蒸發器(10)之間的連通管路之間通過水減壓裝置(15)連通。
10.根據權利要求8所述的中高溫煙氣余熱雙工質聯合循環發電裝置，其特征在于:所述有機工質透平(7)的進氣端還依次連通有熱水放熱有機工質蒸發器(8)、熱水放熱有機工質預熱器(9);熱水放熱有機工質蒸發器(8)、熱水放熱有機工質預熱器(9)與蒸汽放熱有機工質蒸發器(10 )、蒸汽放熱有機工質預熱器(11)并聯連接，所述熱水放熱有機工質蒸發器(8 )與余熱鍋爐蒸發器(3 )的進口和汽包(2 )之間的連通管路連通；熱水放熱有機工質預熱器(9)與余熱鍋爐省煤器(5)通過管路連通。
【文檔編號】F02G5/02GK103790732SQ201410056112
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年2月19日 優先權日:2014年2月19日
【發明者】李春國, 竇春燕, 史正武, 董漢杰 申請人:山東青能動力股份有限公司