CN108758584A - 一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统及其运行调控方法 - Google Patents

Abstract

一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统，其特点是：包括锅炉与汽轮机连通，汽轮机与空冷凝汽器连通，空冷凝汽器与低压加热器连通，低压加热器与除氧器连通，除氧器与高压加热器连通，高压加热器与锅炉的省煤器连通；锅炉与烟气余热交换器连通，烟气热量交换器与空气预热器连通；除氧器与除氧器排汽余热交换器连通，锅炉与排污扩容器、污水余热交换器连通，烟气余热交换器与除氧器排汽余热交换器连通，除氧器排汽余热交换器与污水余热交换器连通，污水余热交换器与储热装置、烟气余热交换器连通；储热装置与发生器、储热装置、冷凝器连通，冷凝器分别与蒸发器、吸收器连通，发生器与分别与吸收器连、发生器连通；蒸发器与空冷凝汽器连通。

Description

一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统及其运行 调控方法

技术领域

本发明涉及燃煤电站余热组合利用的空冷技术领域，是一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统及其运行调控方法。

背景技术

汽轮机的排汽采用空气冷却的燃煤机组称为空冷机组，按照直接或间接空气冷却的方式又分为直冷机组和间冷机组，其冷却系统称为直冷系统和间冷系统，其中，我国主要以直冷机组为主。直冷机组以其良好的节水性能，在我国富煤缺水的东北、华北和西北(“三北”)地区的燃煤电站获得了广泛应用，尽管其耗水率只有湿冷机组的15％～25％，但却以煤耗率比湿冷机组高出10～20g/kWh为代价。其原因之一在于空冷凝汽器气侧换热系数低，其换热面积是水冷凝汽器的几十倍，致使设计初始温差高达38℃～40℃，如此在高温时段通常直冷机组的运行背压高达30kPa以上，甚至达50kPa而逼近其低真空保护动作背压。从设计和运行考虑防冻,根据我国北方地区冬季寒冷的特点，因而无论何种空冷系统具有很高的冰冻危险，因此冬季防冻技术也不可忽略。

另外，除氧器排气是指把除氧过程中,从水中逸出的气体排入大气。实际上排入大气的是气、汽混合物,因为,排出气体的同时必然伴随有蒸汽的排出按照给水除氧的要求,为了防止水面上气体分压力升高,影响除氧效果,应当迅速地排走逸出气体。逸出气体排走的速度取决于排汽量的大小,排汽量太小,逸出气体不能迅速排出,影响除氧效果；排汽量大,逸出气体排出就快,除氧效果就好。显然为了迅速排出逸出气体,保证除氧效果,就必须排出一数量的蒸汽。因而,产生了工质和热量的损失:除氧器排出的气及蒸汽,具有一定的温度和压力,是一种带工质的余热。采取措施给予回收利用,达到节能目的,是一个节能的方法。因其温度较低，在大型电站尚无相关利用技术方案。

同时，大型电站的汽包锅炉运行中，通常采用连续排污的方式来调控锅水的品质，一方面连续排出的锅内污水量较大，4×600MW的机组连续排污可达27t/h，另一方面，经过扩容后的疏水温度较高，可高达100℃～180℃，而当前大型电站又没有相关的技术方案来利用这部分热量，现场运行中基本上是直接送入排水沟，造成的热损失较大。

最主要的排烟热损失是锅炉各项热损失中最大的一项，一般为5％～12％，占锅炉热损失的60％～70％。影响排烟热损失的主要因素是排烟温度，一般情况，电厂实际排烟温度在130～140℃之间，烟气在进入湿法脱硫塔时，温度不得超过50℃，否则将对吸收塔上部设备造成损坏，因此需要大量的水来进行冷却。如何利用烟气余热，提高能源利用效率，减少冷却烟气的耗水量，成为一个亟待解决的问题。而采用烟气余热回收系统，既能提高锅炉燃烧的热效率的利用，又能减少污染物的排放，同时还可以大大节省湿法脱硫冷却烟气的用水量，产生巨大的经济效益。

综上所述，锅炉连续排污余热、烟气余热和除氧器排汽余热组合利用驱动制冷/热泵复合循环的空冷系统，利用燃煤机组余热在高环境气温工况下降低空冷机组排汽压力提高经济效益，在低环境气温工况下提高空冷机组防冻能力提高运行安全性，具有很大的能源利用潜力。

发明内容

本发明的目的是，针对燃煤电站直接空冷系统排汽温度随环境气温的变化出现高频率、大幅度波动，环境高温时段排汽压力居高不下的特点，以及锅炉连续排污余热、烟气余热和除氧器排汽余热量大，温度较低，致使燃煤电站尚无经济可行利用技术方案的现状，通过对现有技术进行组合和创新，提出一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统，其特点是，以温度较低的烟气余热和温度较高的除氧器排汽余热、锅炉连续排污余热串接组合构成稳定的加热热源，实现连续、稳定的吸收式制冷/热，制取冷/热气调整空冷系统冷却空气温度，降低汽轮机排汽温度，提高汽轮发电机组循环热效率；并基于空冷凝汽器的结构型式和换热过程，建立科学合理、简易方便，能够调控分析空冷凝汽器入口风温的方法。

实现本发明目的所采用的技术方案之一是：一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统，其特征在于：它包括锅炉1的过热蒸汽与汽轮机2的进汽入口连通，汽轮机2与发电机3连接，汽轮机2的排汽口31与空冷凝汽器4第一输入端连通，空冷凝汽器4输出端通过凝结水泵5与低压加热器6输入端连通，低压加热器6输出与除氧器7输入端连通，除氧器7第一输出端与高压加热器8输入端连通，高压加热器8输出端与锅炉1的省煤器连通；锅炉1的烟气出口9与烟气余热交换器16高温侧输入端连通，烟气热量交换器16高温侧输出端10与空气预热器连通；除氧器7的排汽口14与除氧器排汽余热交换器17高温侧输入端连通，除氧器排汽余热交换器17的排气口15与大气相通；锅炉1的排污水口11与排污扩容器12输入端连通，排污扩容器12输出端与污水余热交换器18高温侧输入端连通，污水余热交换器18高温侧输出端与排水沟13连通；烟气余热交换器16低温侧输出端与除氧器排汽余热交换器17低温侧输入端连通，除氧器排汽余热交换器17低温侧输出端与污水余热交换器18低温侧输入端连通，污水余热交换器18低温侧输出端与储热装置19高温侧输入端连通，储热装置19高温侧输出端与第一工质循环泵20输入端连通，第一工质循环泵20输出端与烟气余热交换器16低温侧输入端连通；储热装置19低温侧输出端与第二工质循环泵21输入端连通，第二工质循环泵21输出端与发生器22高温侧输入端连通，发生器22高温侧输出端与储热装置19低温侧输入端连通；发生器22低温侧第一输出端与冷凝器23输入端连通，冷凝器23输出端通过第一节流阀24与蒸发器25输入端连通，蒸发器25输出端与吸收器26第一输入端连通，发生器22低温侧第二输出端通过第二节流阀27与吸收器26第二输入端连通，吸收器26输出端通过溶液泵28与发生器22低温侧输入端连通；空气29与蒸发器25空气输入端连通，蒸发器25空气输出端通过引风机30与空冷凝汽器4第二输入端连通。

实现本发明目的所采用的技术方案之二是：一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统运行调控方法，其特征是，实时监控环境气温数值，依据环境气温的变化来切换空冷系统的制冷循环和热泵循环，满足空冷系统低背压和防冻需求的多条件约束运行要求，整个运行调控方法建立有下述方程组定量描述：

汽轮机排汽冷凝温度：

空冷凝汽器迎面风温：

t_a＝t_e+t_d (2)

运行调节方式：

当V_NF＝V_NF,max，t_n>t_n,set，则运行制冷循环； (3)

当V_NF＝V_NF,min，t_n<t_n,set，则运行热泵循环； (4)

其它，则调节V_NF，维持t_n＝t_n,set (5)

其中，p_n为汽轮机排汽压力，t_n为汽轮机排汽温度，Q_e为汽轮机排汽热负荷，NTU为传热单元数，t_a为空冷凝汽器迎面风温，S_F为空冷凝汽器迎风面积，v_NF为空冷凝汽器迎面风速，ρ为冷却空气密度，C_p为冷却空气定压比热容，t_e为环境气温，t_d为空冷凝汽器迎面风温调节值，V_NF,max为迎面风速最大值，V_NF,min为迎面风速最小值，t_n,set为汽轮机排汽温度设定值。高环境气温工况下，联立式(1)、式(2)和式(3)，首先将V_NF上调至当最大值V_NF,max，如果t_n高于t_n,set时，运行余热组合驱动的制冷循环；低环境气温工况下，联立式(1)、式(2)和式(4)，首先将V_NF下调至当最小值V_NF,min，如果t_n低于t_n,set时，运行余热组合驱动的热泵循环；其他工况下，调节V_NF，维持t_n在设定值t_n,set。

本发明的一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统及其运行调控方法的优点体现在：

1)依据能源梯级利用原则，采用温度较低的锅炉烟气和温度较高的除氧器排汽、锅炉连续排污余热串接耦合加热传热工质，通过传热工质将这部分的废弃余热送入储热装置存储并加以利用，提高了能源的利用率；

2)在高环境气温工况下，储热装置存储的热能作为吸收式制冷机组发生器的热源，实施制冷循环制取冷气，送往空冷凝汽器气侧入口，并与冷却空气混合，在高环境气温工况下降低空冷凝汽器迎面风温，进而降低空冷凝汽器内排汽冷凝温度，降低汽轮机排汽温度和压力，在同样的热耗量条件下提高机组发电量，降低燃煤机组热耗率和煤耗；

3)在低环境气温工况下，储热装置存储的热能作为吸收式制冷机组发生器的热源，实施热泵循环制取暖气，送往空冷凝汽器气侧入口，并与冷却空气混合，在低环境气温工况下提高空冷凝汽器迎面风温，一方面防止空冷凝汽器低温结冻，提高空冷机组运行安全性；另一方面，可最大限度降低空冷机组运行背压，提高空冷机组运行经济性；

4)余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统运行调控方法，依据运行工况汽轮机排汽压力或温度的要求和环境气温的变化，首先调节响应速度快的空冷风机转速来调节空冷凝汽器迎面风速；其次再运行制冷循环或热泵循环来调节汽轮机排汽压力，该空冷系统及其运行调控方法将传统空冷系统仅仅依靠空冷风机转速单一的调节手段，提升为空冷风机转速和迎面风温组合的两级调节方法，对环境气温和机组负荷变化的适应能力更强，节能效果显著，机组安全性能更佳；

5)系统无需进行主机组的改造，结构简单、合理，造价低廉，无特殊要求设备，可实施性好，更重要的是提高了汽轮发电机组发电效率，节能、环保效果显著。

附图说明

图1为一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统结构示意图。

图中：1锅炉，2汽轮机，3发电机，4空冷凝汽器，5凝结水泵，6低压加热器，7除氧器，8高压加热器，9烟气出口，10排空气预热器，11锅炉排污水口，12排污扩容器，13排水沟，14除氧器排汽口，15排气口，16烟气余热交换器，17除氧器排汽余热交换器，18污水余热交换器，19储热装置，20第一工质循环泵，21第二工质循环泵，22发生器，23冷凝器，24第一节流阀，25蒸发器，26吸收器，27第二节流阀，28溶液泵，29空气入口，30引风机，31汽轮机排汽口。

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参照图1，实施例的一种燃煤电站余热制冷热泵复合循环空冷系统及其运行方法，其特征在于：它包括锅炉1的过热蒸汽与汽轮机2的进汽入口连通，汽轮机2与发电机3连接，汽轮机2的排汽口31与空冷凝汽器4第一输入端连通，空冷凝汽器4输出端通过凝结水泵5与低压加热器6输入端连通，低压加热器6输出与除氧器7输入端连通，除氧器7第一输出端与高压加热器8输入端连通，高压加热器8输出端与锅炉1的省煤器连通；锅炉1的烟气出口9与烟气余热交换器16高温侧输入端连通，即传热工质通过烟气余热交换器16低温侧输入端进入烟气余热交换器16内，烟气热量交换器16高温侧输出端10与空气预热器连通；除氧器7的排汽口14与除氧器排汽余热交换器17高温侧输入端连通，除氧器排汽余热交换器17的排气口15与大气相通；锅炉1的排污水口11与排污扩容器12输入端连通，排污扩容器12输出端与污水余热交换器18高温侧输入端连通，污水余热交换器18高温侧输出端与排水沟13连通；烟气余热交换器16低温侧输出端与除氧器排汽余热交换器17低温侧输入端连通，除氧器排汽余热交换器17低温侧输出端与污水余热交换器18低温侧输入端连通，污水余热交换器18低温侧输出端与储热装置19高温侧输入端连通，储热装置19高温侧输出端与第一工质循环泵20输入端连通，第一工质循环泵20输出端与烟气余热交换器16低温侧输入端连通；储热装置19低温侧输出端与第二工质循环泵21输入端连通，第二工质循环泵21输出端与发生器22高温侧输入端连通，发生器22高温侧输出端与储热装置19低温侧输入端连通；发生器22低温侧第一输出端与冷凝器23输入端连通，冷凝器23输出端通过第一节流阀24与蒸发器25输入端连通，蒸发器25输出端与吸收器26第一输入端连通，发生器22低温侧第二输出端通过第二节流阀27与吸收器26第二输入端连通，吸收器26输出端通过溶液泵28与发生器22低温侧输入端连通；空气29与蒸发器25空气输入端连通，蒸发器25空气输出端通过引风机30与空冷凝汽器4第二输入端连通。

本发明的余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统运行调控方法是，实时监控环境气温数值，依据环境气温的变化来切换空冷系统的制冷循环和热泵循环，满足空冷系统低背压和防冻需求的多条件约束运行要求，整个运行调控方法建立有下述方程组定量描述：

汽轮机排汽冷凝温度：

空冷凝汽器迎面风温：

t_a＝t_e+t_d (2)

运行调节方式：

当V_NF＝V_NF,max，t_n>t_n,set，则运行制冷循环； (3)

当V_NF＝V_NF,min，t_n<t_n,set，则运行热泵循环； (4)

其它，则调节V_NF，维持t_n＝t_n,set (5)

其中，p_n为汽轮机排汽压力，t_n为汽轮机排汽温度，Q_e为汽轮机排汽热负荷，NTU为传热单元数，t_a为空冷凝汽器迎面风温，S_F为空冷凝汽器迎风面积，v_NF为空冷凝汽器迎面风速，ρ为冷却空气密度，C_p为冷却空气定压比热容，t_e为环境气温，t_d为空冷凝汽器迎面风温调节值，V_NF,max为迎面风速最大值，V_NF,min为迎面风速最小值，t_n,set为汽轮机排汽温度设定值。高环境气温工况下，联立式(1)、式(2)和式(3)，首先将V_NF上调至当最大值V_NF,max，如果t_n高于t_n,set时，运行余热组合驱动的制冷循环；低环境气温工况下，联立式(1)、式(2)和式(4)，首先将V_NF下调至当最小值V_NF,min，如果t_n低于t_n,set时，运行余热组合驱动的热泵循环；其他工况下，调节V_NF，维持t_n在设定值t_n,set。

实施例的一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统运行调控方法，具体工作过程为：锅炉1过热蒸汽进入汽轮机2膨胀做功，进而带动发电机3发电，汽轮机2排汽口31的排汽进入空冷凝汽器4内冷凝成凝结水，空冷凝汽器4出口的凝结水通过凝结水泵5升压后送入低压加热器6，低压加热器6加热凝结水送入除氧器7，除氧器7对凝结水除氧后送入高压加热器8，高压加热器8对凝结水继续加热后送入锅炉1省煤器内继续加热，完成凝结水循环过程；锅炉1烟气出口9通过烟气余热交换器16热交换后通过排气口10排至空气预热器，锅炉1的排污水11排至排污扩容器12降压扩容后通过污水余热换热器18热交换后排至排水沟13，除氧器7通过排气口14排汽，通过除氧器排汽余热换热器17热交换后通过排气口15排向大气；工质通过第一工质循环泵20经过烟气余热交换器16、除氧器排汽余热换热器17、污水余热换热器18、三级热交换后通过储热装置19中储蓄能量；储热装置19低温侧输出端加热工质通过第二工质循环泵21进入发生器22，发生器22高温侧输出端与储热装置19低温侧输入端连通。储热装置热量经发生器22低温侧出口进入冷凝器23，经过第一节流阀24节流后送入蒸发器25与空气进行热交换，完成电站空冷系统预热空气过程；发生器22低温侧出口的高压气态制冷剂进入冷凝器23冷凝，冷凝器23出口的高压液态制冷剂经过第一节流阀24节流为低压液态制冷剂后送入蒸发器25低温侧蒸发，蒸发器25低温侧出口的低压气态制冷剂进入吸收器29第一入口，发生器27低温侧第二出口的吸收剂溶液通过第二节流阀28节流后进入吸收器26第二入口，低温气态制冷剂与吸收剂溶液在吸收器26内吸收混合为制冷剂—吸收剂溶液，吸收器26出口的制冷剂—吸收剂溶液通过溶液泵28升压后送入发生器22低温侧，空气29进入蒸发器25高温侧放热，被冷却的蒸发器25高温侧出口的冷空气通过引风机30升压后送入空冷凝汽器4，完成电站空冷系统制冷过程。

本发明一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统及其运行调控方法，联合利用除氧器排汽和锅炉烟气、锅炉连续排污余热为蓄能热源，直接预热空冷凝汽器入口空气或吸收式制冷热源，再以吸收式制冷机组所产冷气降低空冷凝汽器冷却空气温度，降低汽轮机排汽压力和温度，增加汽轮机做功能力，如此可克服的缺点如下：①除氧器排汽余热与锅炉烟气、锅炉连续排污余热温度较低，大型电站无经济可行利用方法；②高温时段排汽压力高，甚至逼近空冷机组低真空保护动作背压，危害机组安全运行；③低温时段热气可以防止冬季北方地区空冷器结冰危险。④空冷凝汽器积灰严重，堵塞翅片通道导致排汽冷凝温度快速升高，降低机组运行经济性；⑤运行工况除氧器排汽、锅炉烟气、锅炉连续排污余热联合利用来实现吸收式制冷，既降低了汽轮机排汽温度，提高了空冷机组运行安全性和经济性，又减少了废热排放，减少了环境热污染。

本发明的一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统及其运行调控方法，采用锅炉烟气一级加热冷却介质，除氧器排汽二级加热冷却介质，锅炉连续排污余热三级加热冷却介质，冷却介质热能作为吸收式制冷机组热源，制取冷/热气以降低/提高空冷系统空冷凝汽器的冷却空气温度。除氧器排汽和锅炉烟气、锅炉连续排污余热依据其温度的高低串接耦合加热冷却介质，实现电站汽轮机余热和锅炉余热的梯级利用；吸收式制冷机组所产冷气可降低同环境气温下冷却空气温度，降低汽轮机排汽参数，增大汽轮机焓降，提高发电效率；热空气可以防止冬季北方地区空冷器结冰危险。

Claims (2)

1.一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统，其特征在于：它包括锅炉(1)的过热蒸汽与汽轮机(2)的进汽入口连通，汽轮机(2)与发电机(3)连接，汽轮机(2)的排汽口(31)与空冷凝汽器(4)第一输入端连通，空冷凝汽器(4)输出端通过凝结水泵(5)与低压加热器(6)输入端连通，低压加热器(6)输出与除氧器(7)输入端连通，除氧器(7)第一输出端与高压加热器(8)输入端连通，高压加热器(8)输出端与锅炉(1)的省煤器连通；锅炉(1)的烟气出口(9)与烟气余热交换器(16)高温侧输入端连通，烟气热量交换器(16)高温侧输出端(10)与空气预热器连通；除氧器(7)的排汽口(14)与除氧器排汽余热交换器(17)高温侧输入端连通，除氧器排汽余热交换器(17)的排气口(15)与大气相通；锅炉(1)的排污水口(11)与排污扩容器(12)输入端连通，排污扩容器(12)输出端与污水余热交换器(18)高温侧输入端连通，污水余热交换器(18)高温侧输出端与排水沟(13)连通；烟气余热交换器(16)低温侧输出端与除氧器排汽余热交换器(17)低温侧输入端连通，除氧器排汽余热交换器(17)低温侧输出端与污水余热交换器(18)低温侧输入端连通，污水余热交换器(18)低温侧输出端与储热装置(19)高温侧输入端连通，储热装置(19)高温侧输出端与第一工质循环泵(20)输入端连通，第一工质循环泵(20)输出端与烟气余热交换器(16)低温侧输入端连通；蓄热器(19)低温侧输出端与第二工质循环泵(21)输入端连通，第二工质循环泵(21)输出端与发生器(22)高温侧输入端连通，发生器(22)高温侧输出端与蓄热器(19)低温侧输入端连通；发生器(22)低温侧第一输出端与冷凝器(23)输入端连通，冷凝器(23)输出端通过第一节流阀(24)与蒸发器(25)输入端连通，蒸发器(25)输出端与吸收器(26)第一输入端连通，发生器(22)低温侧第二输出端通过第二节流阀(27)与吸收器(26)第二输入端连通，吸收器(26)输出端通过溶液泵(28)与发生器(22)低温侧输入端连通；空气(29)与蒸发器(25)空气输入端连通，蒸发器(25)空气输出端通过引风机(30)与空冷凝汽器(4)第二输入端连通。

2.根据权利要求1所述的一种余热组合驱动的冷热储联供燃煤电站空冷系统的运行调控方法是，实时监控环境气温数值，依据环境气温的变化来切换空冷系统的制冷循环和热泵循环，满足空冷系统低背压和防冻需求的多条件约束运行要求，整个运行调控方法建立有下述方程组定量描述：

汽轮机排汽冷凝温度：

空冷凝汽器迎面风温：

t_a＝t_e+t_d (2)

运行调节方式：

当V_NF＝V_NF,max，t_n>t_n,set，则运行制冷循环； (3)

当V_NF＝V_NF,min，t_n<t_n,set，则运行热泵循环； (4)

其它，则调节V_NF，维持t_n＝t_n,set (5)

其中，p_n为汽轮机排汽压力，t_n为汽轮机排汽温度，Q_e为汽轮机排汽热负荷，NTU为传热单元数，t_a为空冷凝汽器迎面风温，S_F为空冷凝汽器迎风面积，v_NF为空冷凝汽器迎面风速，ρ为冷却空气密度，C_p为冷却空气定压比热容，t_e为环境气温，t_d为空冷凝汽器迎面风温调节值，V_NF,max为迎面风速最大值，V_NF,min为迎面风速最小值，t_n,set为汽轮机排汽温度设定值。高环境气温工况下，联立式(1)、式(2)和式(3)，首先将V_NF上调至当最大值V_NF,max，如果t_n高于t_n,set时，运行余热组合驱动的制冷循环；低环境气温工况下，联立式(1)、式(2)和式(4)，首先将V_NF下调至当最小值V_NF,min，如果t_n低于t_n,set时，运行余热组合驱动的热泵循环；其他工况下，调节V_NF，维持t_n在设定值t_n,set。