CN102191957A - 联合循环热电联产设备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合循环热电联产设备及工艺，该设备设有多个包括燃气轮机和余热锅炉的分支系统，所述余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，以向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，其中，所述分支系统中至少有一个为可调分支系统，以对其中的余热锅炉进入蒸汽轮机、供热管网的流量进行调节分配，以使产出的热、电与实际热、电需求相协调。本发明以焦炉煤气作为燃料，不仅与化工等生产过程实现了良好的热能匹配，而且能级匹配更为合理，整体效率高，热电负荷调节灵活。

Description

联合循环热电联产设备及工艺

技术领域

本发明涉及以煤炭焦化为基础的热电联产节能技术领域，尤其涉及一种以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产设备及工艺。

背景技术

目前，与本发明相关的技术主要包括联合循环技术和热电联产技术(CHP)。其各自技术的发展状况和系统特征如下：

联合循环就是将燃气轮机的布雷顿循环(Brayton Cycle)与蒸汽轮机的朗肯循环(Rankine Cycle)相结合，组成的新型热力循环，形成能源梯级利用的总能系统，达到较高的热效率。

联合循环作为一种近代发展起来的热力循环，具有很多种布置方式：(1)注蒸汽(STIG)循环：该循环利用燃气轮机的高温排气产生蒸汽，注到燃烧室，生成高温燃气-蒸汽混合工质，然后进入透平膨胀做功；(2)湿空气透平(HAT)循环：HAT循环利用系统内的余热和废热产生热水，再用热水温化手段增加透平工质流量，相对地降低了工质压缩耗功，且采用回热的形式回收透平排热；(3)增压流化床联合循环(PFBC)：PFBC与常规燃煤系统的差别是以PFBC的锅炉岛取代常炉，由于采用锅炉增压，炉体容积较小，故其燃烧效率较高；(4)整体煤气化联合循环(IGCC)：IGCC由煤气化炉、净化装置(除尘、脱硫)、燃气轮机发电机组、余热锅炉和蒸汽轮机发电机组等系统组成，是供热、供电、供煤气和供化工产品的多联供系统。

联合循环从20世纪50年代开始应用于工业发电，目前，联合循环已经成为火电及相关用电工业的主要发展方向。常规联合循环，由于采用结构单一的模式(一台燃气轮机、一台余热锅炉、一台蒸汽轮机)，通常采用优质天然气为燃料，可达到较高的发电效率，然而，在供热方面，达不到灵活调整的需求。

热电联产(CHP)既产电又供热，是世界各国公认的节能技术。20世纪初以来，各国相继发展，特别是在原苏联、丹麦、瑞典、荷兰、美国、日本等发达国家发展得较快。

热电联产技术具有多种布置方式，燃料的选择和应用也具有较大的灵活性，常规热电联产技术的主要优点体现在：(1)蒸汽不在降压或经减温减压后供热，而是先发电，然后用抽汽或排汽满足供热、制冷的需要，可提高能源利用率；(2)增大背压机组负荷率，增加机组发电，减少冷凝损失，降低煤耗；(3)按照热能的品位供能，较好地实现了热能的梯级利用。

通常的热电联产以蒸汽轮机为主体，采用抽凝式或背压式，其可利用的温差范围有限，使其用能效率不高，并且效率提高的潜力也不大，同时供电与供热的灵活性也受到制约。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产设备及工艺，以改善或克服现有技术的一项或多项缺陷。

本发明的技术解决方案是：一种联合循环热电联产设备，其设有多个包括燃气轮机和余热锅炉的分支系统，所述余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，以向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，其中，所述分支系统中至少有一个为可调分支系统，以对其中的余热锅炉进入蒸汽轮机、供热管网的流量进行调节分配，以使产出的热、电与实际热、电需求相协调。

本发明还提出一种联合循环热电联产工艺，其包括多个利用燃气轮机和余热锅炉的分支流程，所述余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，以向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，其中，所述分支流程中至少有一个为可调分支流程，以对其中的余热锅炉进入蒸汽轮机、供热管网的流量进行调节分配，以使产出的热、电与实际热、电需求相协调。

较佳地，所述的燃气轮机包括空气压气机、焦炉煤气与压缩后空气的燃烧室以及燃烧后烟气进行做功的燃气透平，燃气透平的主轴与发电器主轴连接实现机械能与电能的转换，输出电能，同时燃气透平出口的高温烟气进入余热锅炉，各余热锅炉中产生的高温蒸汽选择用于推动蒸汽轮机做功或供给热用户用热，蒸汽透平与发电机相连输出电能，同时蒸汽透平出口的蒸汽输送给热用户用热。

较佳地，所述可调分支系统的余热锅炉为双压余热锅炉，该双压余热锅炉的高压汽供给蒸汽轮机，低压汽直接供给热用户。

本发明的特点和优点是：本发明提供了一种以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产系统，该系统包括：采用煤焦化产品之一——焦炉煤气，经过净化处理后作为燃气轮机的燃料；较高温度燃气轮机的排气进入余热锅炉，将余热加热给水，提供生产用蒸汽；在余热锅炉后布置功率适当的蒸汽轮机系统；在余热锅炉中产生的蒸汽，一部分为化工等生产工艺供热，另一部分为蒸汽轮机提供做功蒸汽；在蒸汽轮机中做功后的蒸汽继续为生产工艺供热。本发明的以焦炉煤气作为燃料的联合循环热电联产系统，不仅与化工等生产过程实现了良好的热能匹配，而且所采用的热电联产系统与传统的联合循环及热电联产系统相比，能级匹配更为合理，整体效率高，热电负荷调节灵活。该联合循环热电联产系统在焦化厂的应用，能满足化工工艺生产用电用热的大量需求，操作灵活、生产安全易于控制，节能效益显著，具有广泛的推广价值。

附图说明

图1为本发明一实施例的以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产工艺及设备的能质流动的示意图。

图2为本发明一实施例的以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产工艺及设备的一应用实施例的流程及结构示意图。

具体实施方式

针对我国以煤炭为主要能源方式的实际国情，考虑到相关煤化工产业的产物-焦炉煤气的产量大、取用方便的特点，结合热力学、传热学、化学动力学，以及流体科学的相关理论与技术，本发明人采用联合循环与热电联产技术相结合的热力循环方式，提出本发明的联合循环热电联产工艺及设备。

本发明的联合循环热电联产工艺包括多个利用燃气轮机和余热锅炉的分支流程，所述余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，以向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，其中，所述分支流程中至少有一个为可调分支流程，以对其中的余热锅炉进入蒸汽轮机、供热管网的流量进行调节分配，以使产出的热、电与实际热、电需求相协调。与该工艺相对应，本发明的联合循环热电联产设备设有多个包括燃气轮机和余热锅炉的分支系统，所述余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，以向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，其中，所述分支系统中至少有一个为可调分支系统，以对其中的余热锅炉进入蒸汽轮机、供热管网的流量进行调节分配，以使产出的热、电与实际热、电需求相协调。

本发明利用焦炉煤气进行燃气-蒸汽联合循环热电联产，是将工业炼焦炉中产生的焦炉煤气进行有效的利用，先对其进行脱硫、洗涤、除杂等必要的净化，使其转化成燃气轮机可利用的燃料，燃烧后推动燃气透平做功发电，再将燃烧后具有一定温度的烟气送入余热锅炉，利用烟气的余热与水进行换热，最后利用高温高压的蒸汽推动蒸汽轮机做功发电。本发明具体的能质流动如图1所示。

本发明的联合循环热电联产工艺可以根据工业实际情况灵活配置多台不同负荷的燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机；同时，根据不同生产工艺的用热、用电需要可将余热锅炉产出的热蒸汽按不同比例分别满足工业热用户或蒸汽轮机，实现不同工况和不同季节的生产及运行要求。进一步地，利用本发明的联合循环热电联产工艺，可以根据能量的品位高低进行灵活的配置，进而使整个动力系统对热能的利用更为合理，提高整体系统的效率。

较佳地，可调分支流程(系统)采用双压余热锅炉，该双压余热锅炉的高压汽供给蒸汽轮机，低压汽直接供给热用户。进一步地，分支流程(系统)中还包括至少一分支流程(系统)的余热锅炉的产汽全部用于供热，至少一分支流程(系统)的余热锅炉产汽全部供应蒸汽轮机。

优选地，所述各燃气轮机的燃料采用净化处理后的焦炉煤气，在进入燃气轮机燃烧室前进行增压处理，以与进入的空气压力进行匹配。进一步地，在空气进入所述燃气轮机前还包括对空气进行过滤及喷雾冷却。

为了对本发明的技术方案有更充分地了解，下面结合附图与实施例对本发明一实施例的以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产工艺及设备进行详细说明。

请参考图2所示，为本发明一实施例的以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产工艺及设备的一应用实施例的示意图。如图所示，本实施例的联合循环热电联产工艺包括五个利用燃气轮机和余热锅炉的分支流程，各余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，以向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，其中，五个分支流程中，第五分支流程(对应于分支系统E)为可调分支流程，即可以对该分支流程中的余热锅炉进入蒸汽轮机、供热管网的流量进行调节分配，以使产出的热、电与实际热、电需求相协调。与该工艺相对应，本实施例的联合循环热电联产设备包括五个具有燃气轮机和余热锅炉的分支系统A～E(对应于五个分支流程)，各余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，从而向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，本实施例中，对应第五分支流程的分支系统E为可调分支系统。

如图所示，本实施例的燃气轮机包括(空气)压气机、用于焦炉煤气与压缩后空气混合燃烧的燃烧室以及燃烧后烟气进行做功的燃气透平，其中，各燃气透平的主轴与发电机主轴连接，以实现机械能与电能的转换，并输出电能，同时燃气透平出口的高温烟气进入余热锅炉，各余热锅炉中产生的高温蒸汽选择用于推动蒸汽轮机做功或供给热用户用热，蒸汽轮机与发电机相连输出电能，同时蒸汽轮机出口的蒸汽输送给热用户用热。

本实施例中，可调分支系统E的余热锅炉是采用双压余热锅炉，该双压余热锅炉的高压汽供给蒸汽轮机，低压汽直接供给热用户。

下面结合图2对本实施例的工艺及设备进行详细说明，本实施例采用了五台燃气轮机，其中燃气轮机有两种型号，即分支系统A～D的燃气轮机A100～D100采用T60型，分支系统E的燃气轮机E100采用T130型，T130和T60型燃气轮机为国际轻型燃机顶级生产商卡特彼勒-索拉公司的成熟产品，原主要用于天然气等高热值燃料；T60和T130型机组为索拉小型燃机最为成熟的两个产品。T60燃机全称为金牛60，额定的发电功率为5500KW。T130燃机全称为大力神130，额定的15000KW。各燃气轮机100具有适于燃烧焦炉煤气的燃烧室，焦炉煤气作为低热值、高氢燃料，不同于用高热值天然气的机组，其热值低、易爆燃、运行压力高、危险性强，在安装形式上有所不同，本发明中各燃烧室安装有两只或两只以上焦炉煤气的机组燃料环管，以获得所需热值，至于环管的规格型号选择以及安装可以参考现有技术，此处不再赘述。每台燃气轮机100后都配备一台余热锅炉300，其中余热锅炉有两种型号，即分支系统A～D的余热锅炉A300～D300采用单压余热锅炉；分支系统E的余热锅炉E300采用双压余热锅炉；整体上设有一台背压式蒸汽轮机500。余热锅炉100的产汽供热方式有三种，分支系统A的余热锅炉A300产汽全部用于供热；分支系统B～D的余热锅炉B300～D300产汽全部供应蒸汽轮机500；分支系统E的余热锅炉E300产汽则有所不同，其高压汽供给蒸汽轮机500，低压汽直接供给热用户。

五台燃气轮机的燃料供应都采用净化处理后的焦炉煤气，在进入各燃气轮机的燃烧室前进行增压处理，以与进入的空气压力进行匹配。

所有燃气轮机的进口都设有空气过滤及冷却装置，以对进入燃气轮机的空气进行过滤，并采用适当的冷却方式(如喷水雾等)进行冷却，以降低各压气机的耗功。

本发明的设备的工作过程如下：

先以分支系统A为例进行说明：经过过滤、冷却的空气由压气机增压后进入燃烧室，经过净化处理的焦炉煤气同时通入燃烧室，二者在燃烧室内混合、燃烧，燃烧后的烟气进入燃气透平进行做功，燃气透平的主轴与发电机主轴连接，实现机械能与电能的转换，输出电能，同时燃气透平出口的高温烟气进一步进入余热锅炉工作，余热锅炉为水与燃气轮机排出的烟气的换热设备，其中产生的高温蒸汽直接供给热用户用热；

再以分支系统B为例：经过过滤、冷却的空气由压气机增压后进入燃烧室，经过净化处理的焦炉煤气同时通入燃烧室，二者在燃烧室内混合、燃烧，燃烧后的烟气进入燃气透平进行做功，燃气透平的主轴与发电机主轴连接，实现机械能与电能的转换，输出电能，同时燃气透平出口的高温烟气进一步进入余热锅炉B300，余热锅炉为水与燃气轮机排出的烟气的换热设备，其中产生的高温蒸汽送入蒸汽轮机500，用于推动蒸汽轮机500的蒸汽透平做功，蒸汽透平与发电机相连而输出电能，同时蒸汽透平出口的蒸汽仍具有一定可用的热量，可将其输送给工业用户用热；

分支系统C、D的工作过程与分支系统B相似，此处不再赘述；

最后对分支系统E的工作过程进行说明：经过过滤、冷却的空气由压气机增压后进入燃烧室，经过净化处理的焦炉煤气同时通入燃烧室，二者在燃烧室内混合、燃烧，燃烧后的烟气进入燃气透平进行做功，燃气透平的主轴与发电机主轴连接，实现机械能与电能的转换，输出电能，同时燃气透平出口的高温烟气进一步进入双压余热锅炉E300，双压余热锅炉E300产生的高压汽送入蒸汽轮机500，用于推动蒸汽轮机500的蒸汽透平做功，蒸汽透平与发电机相连输出电能，双压余热锅炉E300产生的低压汽直接供给热用户。

其中余热锅炉在产蒸汽的同时所消耗的水则是通过反渗透制水系统进行补充。在此过程中，反渗透制水系统所产除盐水先是经过除盐水泵供至蒸汽轮机轴封加热器进行加热后再通过余热锅炉给水预热器进一步加热，使除盐水温度提高，然后送入除氧器进行除氧，最后再通过高低压给水泵送入锅炉。

利用上述结构，可根据能量的品位高低，对余热锅炉中产汽方式的配置进行合理匹配，有利于提供系统整体的效率。另外，由于各个余热锅炉的供汽方式，既有直接供热用户的方式，也有直接供蒸汽轮机的方式，而所采用的蒸汽轮机是背压式，其出汽又可作为供热使用，从而可以实现灵活的供热和供电需求。

本发明以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产工艺系统，是参考常规联合循环、常规热电联产技术的基础上，结合炼焦过程中焦炉煤气的处理使用而建构实施的以多台燃气轮机、多台余热锅炉相互匹配的热电联产系统，在余热锅炉中换热产生蒸汽，进入蒸汽轮机与直接供热的流量可随时进行适当分配，以产出合理产量的热与电，与实际热、电需求相协调。本发明的突出特点是整体系统的热效率高，供电供热灵活，各个设备维护维修方便。除此以外，还具有投资小、建设周期短、占地少、节水等优点。

本发明的流程的创新性，在于充分利用了煤炭焦化中的中间产气焦炉煤气，以其为燃料进行联合循环热电联产。通过具体流程的布置，既结合了联合循环的高效性，又扩大了热电联产的温度范围，因而整体性能高，且具有灵活的供热供电特性，不仅满足了整厂用热用电的需求，而且还可以为外界提供多余的热或电，创造出可观的经济效益。

下面以图2中所示的工业实际布置方式为例，对本实施例的以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产装置进行相关应用及数据的说明。其整个系统包括五个分支系统A-E以及一蒸汽轮机发电系统F。其中，分支系统A-D采用T60燃气轮机及单压余热锅炉，分支系统E采用T130燃气轮机及双压余热锅炉。分支系统A不接蒸汽轮机，而是采用蒸汽直接供热的形式；分支系统B-D及E中余热锅炉300的高压端与蒸汽轮机发电系统F的背压式汽轮机500连接，蒸汽轮机500的出口蒸汽送入工业热用户供热；分支系统E的余热锅炉E300的低压端蒸汽直接供热。各分支系统中的燃气透平及蒸汽轮机均可产出电能，分支系统A及E的低压端产出以蒸汽为载体的热能，分支系统A～E余热锅炉的排烟可直接排向环境。

本发明的一具体实施例中，设计工况主要参数如表1所示。

表1设计工况下系统的参数设定

针对前述设计工况，通过详细计算得到的系统中各流程设备的性能如表2所示。

表2A-E流程火用分析

针对设计工况参数及各流程设备性能，系统的整体性能参见表3所示。而常规热电联产系统的性能根据目前相关资料，在压比为10～30之间，简单理想循环的热效率为33％～38％，联合循环的热效率为55％～60％，燃煤的汽轮机电厂的热效率为35％～42％，而以燃气轮机系统为核心的IGCC的热效率为45％～55％。而本发明的系统整体热效率达到了71.42％，火用效率也达到了62.46％。从而可以看出本发明的设备布置方式及用能形式较常规的热电联产与联合循环相比，在效率和热、电联供的灵活性方面具有一定的优势。

表3系统整体性能

如表3所示，以焦炉煤气为燃料的联合循环热电联产系统的整体热效率为71.42％，火用效率为62.46％。由于涉及的计算方法忽略了工业热用户用能过程的火用损失，所以可以推断实际生产中联合循环系统的火用效率将略低于62.46％。通过对工业副产燃气-焦炉煤气的有效利用的联合循环热电联产装置，既实现了热能与电能的联合产出，又达到了较高的系统效率；由于结合了联合循环与热电联产的优点，从而使系统效率提升潜力大为增加；同时可根据不同的用热及用电需求，合理的分配余热锅炉换热后的高温蒸汽供热与进入汽轮机发电的比例，从而灵活的分配供热与产电量，实现热电协调适当的产出，具有很好的工业利用价值。

本发明已以前述实施例详细解释，以便充分地理解用于提供这些加强的特征以及操作上的改进。此外，还可以理解这些附加的构造特征以及操作改进可以单独使用或者相互结合使用，而且单独或者结合上述所有的特征和元件以及附图中示出的实施方式的说明。因此，应该理解本发明不限于任何具体的特征或元件的结合，并且在此描述的任何期望的特征组合都能被实施而不偏离本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种联合循环热电联产设备，其设有多个包括燃气轮机和余热锅炉的分支系统，所述余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，以向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，其特征在于，所述分支系统中至少有一个为可调分支系统，以对其中的余热锅炉进入蒸汽轮机、供热管网的流量进行调节分配，以使产出的热、电与实际热、电需求相协调。

2.如权利要求1所述的联合循环热电联产设备，其特征在于，所述的燃气轮机包括空气压气机、焦炉煤气与压缩后空气的燃烧室以及燃烧后烟气进行做功的燃气透平，燃气透平的主轴与发电器主轴连接实现机械能与电能的转换，输出电能，同时燃气透平出口的高温烟气进入余热锅炉，各余热锅炉中产生的高温蒸汽选择用于推动蒸汽轮机做功或供给热用户用热，蒸汽透平与发电机相连输出电能，同时蒸汽透平出口的蒸汽输送给热用户用热。

3.如权利要求2所述的联合循环热电联产设备，其特征在于，所述可调分支系统的余热锅炉为双压余热锅炉，该双压余热锅炉的高压汽供给蒸汽轮机，低压汽直接供给热用户。

4.如权利要求1所述的联合循环热电联产设备，其特征在于，所述分支系统中，至少一分支系统的余热锅炉的产汽全部用于供热，至少另一分支系统的余热锅炉产汽全部供应蒸汽轮机。

5.如权利要求1所述的联合循环热电联产设备，其特征在于，所述各燃气轮机的燃料是采用净化处理后的焦炉煤气，在进入燃气轮机燃烧室前利用燃气压缩机进行增压处理，以与进入的空气压力进行匹配。

6.如权利要求3所述的联合循环热电联产设备，其特征在于，所述设备中，所述可调分支系统中与所述双压锅炉连接的燃气轮机采用T130型，其它分支系统的燃气轮机采用T60型。

7.如权利要求1至6任一项所述的联合循环热电联产设备，其特征在于，所述的燃气轮机的入口端设有空气的进气过滤及冷却设备。

8.一种联合循环热电联产工艺，其包括多个利用燃气轮机和余热锅炉的分支流程，所述余热锅炉利用对应的燃气轮机排出的高温烟气为换热热源，以向蒸汽轮机和热用户提供所需蒸汽，其特征在于，所述分支流程中至少有一个为可调分支流程，以对其中的余热锅炉进入蒸汽轮机、供热管网的流量进行调节分配，以使产出的热、电与实际热、电需求相协调。

9.如权利要求8所述的联合循环热电联产工艺，其特征在于，所述联合循环热电联产工艺根据能量的品位高低进行灵活的配置，进而使整个动力系统对热能的利用更为合理，提高整体系统的效率。

10.如权利要求8所述的联合循环热电联产工艺，其特征在于，所述联合循环热电联产工艺根据工业实际情况灵活配置多台不同负荷的燃气轮机、余热锅炉以及汽轮机；同时，根据不同生产工艺的用热、用电需要可将余热锅炉产出的热蒸汽按不同比例分别满足工业热用户或蒸汽轮机，实现不同工况和不同季节的生产及运行要求。

11.如权利要求8所述的联合循环热电联产工艺，其特征在于，所述可调分支流程采用双压余热锅炉，该双压余热锅炉的高压汽供给蒸汽轮机，低压汽直接供给热用户。

12.如权利要求8所述的联合循环热电联产工艺，其特征在于，所述多个分支流程中，至少一分支流程的余热锅炉的产汽全部用于供热，至少另一分支流程的余热锅炉产汽全部供应蒸汽轮机。

13.如权利要求8所述的联合循环热电联产工艺，其特征在于，在空气进入所述燃气轮机前还包括对空气进行过滤及喷雾冷却。

14.如权利要求8至13任一项所述的联合循环热电联产工艺，其特征在于，所述各燃气轮机的燃料采用净化处理后的焦炉煤气，在进入燃气轮机燃烧室前进行增压处理，以与进入的空气压力进行匹配。

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