一种火电机组余热利用系统及方法与流程

1.本发明属于热电技术领域，特别涉及一种火电机组余热利用系统及方法。


背景技术：

2.火电行业对于碳减排日益关注，提升能效是降低碳排放的主要技术手段之一，特别是对于热电联产机组，既要考虑机组运行中的能耗水平，降低碳排放，同时也要提升机组运行的灵活性，为电网提供支撑和消纳新能源创造条件。随着新能源装机容量日益增大后，电网需要更多的电源支撑和转动惯量，特别需要火电机组提供该类型服务，然而，对于热电联产机组，在发电的同时还肩负着对外供热的民生责任，尤其在供暖季，供热负荷与天气情况息息相关，而新能源的发电特性也与天气相关，但是光伏发电主要在白天，阴天或者下雨天气出力受到限制，晚上零出力，而风电随着风速而发生剧烈变化，光伏和风电的发电特性存在着随机性和波动性，与供热之间没有直接的关联性，因此，需要对供热机组进行热电解耦灵活性提升改造，或者对供热和发电特性进行优化，使得供热机组在保证供热负荷的情况下，还能根据电网新能源消纳的需求，随时进行发电负荷的灵活调节。
3.对于热电联产机组，降低供热和发电能耗，提升整体能效，可以有效地降低碳排放量，因此，对供热机组进行热力系统优化升级，对汽轮机排汽进行余热回收利用是高效利用低品位热能的主要技术方向之一，在不改变汽轮机通流焓降的情况下，利用汽轮机乏汽作为加热热源，将乏汽潜热回收利用，可以大幅度降低供热和供电煤耗，减少co2排放量。
4.供热机组在深度调峰工况下运行时，对外供热抽汽参数会发生较大变化，或者需要切换蒸汽来源，不仅造成热力系统切换麻烦，而且会导致热能利用不合理的现象，产生能级损失，为了确保对外供热，导致热电联产机组的灵活性不高，不能参与深度调峰服务，也不能有效地利用机组余热对外供热，因此，供热机组的能效和灵活性均不高。
5.当前火电机组对外供热方式，主要是通过汽轮机对外抽汽，利用热网加热器对热网回水进行加热，一般热网回水温度为40-60℃，比汽轮机排汽温度稍高，因此，大量的低品位的汽轮机乏汽无法得到有效利用，只能通过凝汽器进行冷却变成凝结水。然而，对于该类型机组，当机组负荷高于设计工况点时，抽汽参数能够满足要求，并且还具有一定的调节富余量，机组对外供热能够满足要求；当机组参与深度调峰或者灵活性调节时，一旦机组负荷低于设计工况点，抽汽参数低于热网加热器要求，机组对外供热受到限制，不能达到设计要求。
6.另外一种机组的对外供热方式是采用背压机组形式，将汽轮机排汽参数设计为满足热网加热器的加热汽源参数，为了满足机组对外供热要求，背压供热机组几乎不能进行负荷调节，火电机组灵活性调节能力较差。
7.针对面临的上述技术问题，需要研究新的热能利用方式，优化供热系统，采用不同能级参数的蒸汽参与机组负荷调节，为机组有效利用乏汽余热和提升灵活性创造条件，并且要考虑深度调峰下和机组故障情况下的机组对外供热能力，需要考虑一定的蓄热手段，解决供热可靠性问题。


技术实现要素：

8.针对上述问题，本发明公开了一种火电机组余热利用系统，包括：锅炉、汽轮机、蒸汽引射器、除氧器和给水泵；
9.所述锅炉通过管道与汽轮机连接；
10.所述汽轮机乏汽出口通过管道与蒸汽引射器连接；
11.所述蒸汽引射器通过管道与除氧器连接；
12.所述除氧器通过管道与给水泵连接；
13.所述给水泵通过管道与锅炉连接。
14.更进一步地，所述系统还包括：引射蒸汽关断门、抽汽关断门和抽汽调节门；
15.所述汽轮机包括第一抽汽口和第二抽汽口；
16.所述第一抽汽口通过管道顺次与抽汽关断门、抽汽调节门和除氧器连接；
17.所述第一抽汽口通过管道与引射蒸汽关断门一端连接；
18.其中，第一抽汽口处的蒸汽参数比第二抽汽口处的蒸汽参数高；蒸汽参数包括温度和压力。
19.更进一步地，所述系统还包括：热网加热器、热网疏水泵、热网抽汽关断门和热网抽汽调节门；
20.所述第二抽汽口通过管道顺次与热网抽汽关断门、热网抽汽调节门和热网加热器蒸汽入口连接；
21.所述热网加热器蒸汽冷凝后所形成的凝结水出口通过管道顺次与热网疏水泵和除氧器连接。
22.更进一步地，所述系统还包括：第二热网回水关断门和第二热网供热关断门；
23.所述热网加热器水入口通过第二热网回水关断门与热网回水管道连接；
24.所述热网加热器水出口通过第二热网供热关断门与热网供水管道连接。
25.更进一步地，所述蒸汽引射器包括高压蒸汽入口、低压蒸汽入口和中压蒸汽出口；
26.所述高压蒸汽入口通过管道与引射蒸汽关断门连接；
27.所述低压蒸汽入口通过管道与汽轮机乏汽出口连接；
28.所述中压蒸汽出口通过管道与除氧器连接。
29.更进一步地，所述系统还包括：凝汽器和凝结水泵；
30.所述凝汽器蒸汽入口通过管道与汽轮机乏汽出口连接；
31.所述凝汽器蒸汽冷凝后所形成的凝结水出口通过管道与凝结水泵连接；
32.所述凝结水泵通过管道与除氧器连接。
33.更进一步地，所述系统还包括：盘管加热器、第一热网回水关断门和第一热网供热关断门；
34.所述除氧器内部设置有盘管加热器；
35.所述盘管加热器入口顺次与第一热网回水关断门和热网回水管道连接；
36.所述盘管加热器出口顺次与第一热网供热关断门和热网供水管道连接；
37.所述盘管加热器采用水-水换热模式，利用除氧器内部的高温热水作为热源，用来加热盘管换热器内部的低温热网回水；
38.所述除氧器用于加热凝结水和低温热网回水，除氧器的热源为从汽轮机第一抽汽
口抽出的蒸汽和/或蒸汽引射器中排出的蒸汽；
39.所述除氧器还用于蓄热，当机组出现故障时，不能为除氧器和热网加热器提供蒸汽时，可以利用除氧器中存储的高温热水作为储热介质，加热低温热网回水。
40.一种火电机组余热利用方法，包括以下步骤：
41.锅炉产生的高温高压蒸汽进入汽轮机中进行膨胀做功；
42.从汽轮机排出的一路乏汽进入蒸汽引射器，并与从汽轮机引出的高压蒸汽混合，形成中压蒸汽进入除氧器；
43.中压蒸汽将除氧器中的凝结水加热成高温热水，高温热水加热低温热网回水，加热后的热网回水输送回热网中；
44.给水泵将除氧器6中的高温热水增压后输送至锅炉中。
45.更进一步地，从所述汽轮机第二抽汽口中抽出的蒸汽在热网加热器中加热低温热网回水。
46.更进一步地，采用所述汽轮机第一抽汽口中抽出的蒸汽将除氧器中的凝结水加热成高温热水，高温热水加热盘管换热器内部的低温热网回水。
47.更进一步地，所述中压蒸汽的具体混合步骤如下：
48.从汽轮机排出的一路乏汽通过低压蒸汽入口进入蒸汽引射器中，从汽轮机第一抽汽口抽出的高压蒸汽通过高压蒸汽入口进入蒸汽引射器中，并进行喷射加速，形成真空，将乏汽进行抽吸混合，混合成中压蒸汽。
49.更进一步地，所述低温热网回水的加热方式如下：
50.所述低温热网回水全部直接进入盘管加热器中，经过盘管加热器加热后，形成为高温热网供水对外供热；或，
51.所述低温热网回水全部直接进入热网加热器中，经过热网加热器加热后，形成为高温热网供水对外供热；或，
52.所述低温热网回水分为两路，一路低温热网回水进入盘管加热器中，经过盘管加热器加热后，形成为一路高温热网供水，另一路低温热网回水进入热网加热器中，经过热网加热器加热后，形成为一路高温热网供水，两路高温热网供水汇合后对外供热。
53.与现有技术相比，本发明的实施例至少具有以下优点：
54.1)利用汽轮机乏汽，提升压力后用作除氧器加热热源，减少汽轮机冷端热损失，充分回收汽轮机乏汽的潜热热量；
55.2)利用汽轮机供除氧器加热的抽汽作为蒸汽引射器的驱动汽源，引射部分汽轮机乏汽，升高压力后作为除氧器加热热源，过程无转动部件，可靠性高；
56.3)将盘管加热器内置于除氧器里面，采用水-水换热方式，提高了热网回水的加热效率，并且热网回水压力低于除氧器压力，避免了因盘管加热器泄露所导致的除氧器内热水水质变差；
57.4)热网回水加热采用双回路，既可以单独运行热网加热器，也可以单独运行盘管加热器，还可以两者同时运行，提高了热网回水加热的灵活性；
58.5)可以在机组深度调峰运行条件下稳定运行，并且确保对外供热的连续运行，确保热网供水温度达到预期值，并且还可以利用除氧器庞大的蓄热能力，当火电机组中断运行后，还能对外持续供热。
59.本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
60.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
61.图1示出了根据本发明实施例的火电机组余热利用系统的示意图；
62.图2示出了根据本发明实施例的蒸汽引射器的结构示意图。
63.附图标记：1、锅炉；2、汽轮机；21、第一抽汽口；22、第二抽汽口； 3、凝汽器；4、蒸汽引射器；41、高压蒸汽入口；42、低压蒸汽入口；43、中压蒸汽出口；5、凝结水泵；6、除氧器；7、盘管加热器；8、给水泵；9、热网加热器；10、热网疏水泵；11、引射蒸汽关断门；12、抽汽关断门； 13、抽汽调节门；14、热网抽汽关断门；15、热网抽汽调节门；16、第一热网回水关断门；17、第一热网供热关断门；18、第二热网回水关断门； 19、第二热网供热关断门；c1、凝汽器入口冷却水；c2、凝汽器出口冷却水； h1、热网回水；h2、热网供水。
具体实施方式
64.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
65.如图1所示，本发明提出的一种火电机组余热利用系统，包括：锅炉1、汽轮机2、蒸汽引射器4、除氧器6和给水泵8；
66.所述锅炉1通过管道与汽轮机2连接；
67.所述汽轮机2乏汽出口通过管道与蒸汽引射器4连接；
68.所述蒸汽引射器4通过管道与除氧器6连接；
69.所述除氧器6通过管道与给水泵8连接；
70.所述给水泵8通过管道与锅炉1连接。
71.锅炉1，用于产生高温高压蒸汽；
72.汽轮机2，用于将锅炉1产生的蒸汽转为电能，并将部分做功膨胀后的蒸汽通过第一抽汽口21和第二抽汽口22抽出，对除氧器6、蒸汽引射器4 和热网加热器9提供加热蒸汽；
73.给水泵8，用于将除氧器6中高温热水增压后输送至锅炉1中。
74.本发明通过设置蒸汽引射器4，将汽轮机2排出的低压蒸汽抽吸，升高压力后，与高压蒸汽一起混合形成中压蒸汽，然后用来加热除氧器6内部的凝结水，其驱动汽源来自于汽轮机2抽汽，从第一抽汽口21抽出，该抽汽也可用作除氧器6加热汽源，分流一部分用来作为蒸汽引射器4的驱动汽源，利用高压蒸汽在蒸汽引射器4内部的高速流动形成的真空环境，将汽轮机2部分乏汽抽吸到蒸汽引射器4内部，进行物质和能量交换，从而实现机组余热的
高效利用。
75.火电机组余热利用系统，还包括：引射蒸汽关断门11、抽汽关断门12 和抽汽调节门13；
76.汽轮机2包括第一抽汽口21和第二抽汽口22；
77.所述第一抽汽口21通过管道顺次与抽汽关断门12、抽汽调节门13和除氧器6连接；
78.所述第一抽汽口21通过管道与引射蒸汽关断门11一端连接；
79.其中，第一抽汽口21处的蒸汽参数(压力和温度)比第二抽汽口22 处的蒸汽参数(压力和温度)高。
80.抽汽调节门13用来调节送入除氧器6的蒸汽流量，实现对除氧器6加热负荷的调节，通过控制除氧器6内的高温热水温度进行调节进入除氧器6 内的抽汽流量。
81.火电机组余热利用系统，还包括：热网加热器9、热网疏水泵10、热网抽汽关断门14和热网抽汽调节门15；
82.第二抽汽口22通过管道顺次与热网抽汽关断门14、热网抽汽调节门 15和热网加热器9蒸汽入口连接；
83.所述热网加热器9蒸汽冷凝后所形成的凝结水出口通过管道顺次与热网疏水泵10和除氧器6连接。
84.热网加热器9内的加热蒸汽经过冷凝后生成凝结水，经热网疏水泵10 增压后，被输送至除氧器6中加热。
85.热网抽汽调节门15用来调节送入热网加热器9的蒸汽流量，实现对热网加热器9的加热负荷调节，通过控制热网加热器9出口的热网供水温度进行抽汽流量调节。
86.火电机组余热利用系统，还包括：第二热网回水关断门18和第二热网供热关断门19；
87.热网加热器9水入口通过第二热网回水关断门18与热网回水管道连接；
88.所述热网加热器9水出口通过第二热网供热关断门19与热网供水管道连接。
89.热网循环水既可以通过盘管加热器7加热，也可以经过热网加热器9 加热，还可以利用两者同时加热，运行中根据机组负荷情况和外界供热需求进行灵活调节，优先采用盘管加热器7作为热源，这样可优先利用汽轮机2乏汽余热。
90.当机组负荷较高时，如大于50％负荷时，优先投入盘管加热器7，用来加热热网回水，当外界供热负荷需求不能满足时，同时投入热网加热器9，利用汽轮机2抽汽作为汽源加热热网回水；当机组处于中低负荷，如30-50％之间负荷时，优先投入盘管加热器7，供热负荷不足部分，还需要投入热网加热器9加热热网回水；当机组负荷低于30％时，投入盘管加热器7对外供热，不足部分通过调节除氧器6内部热水温度进行调节对外供热能力，此时热网加热器9受制于抽汽能力不足，无法对外供热。
91.运行中，一旦机组出现故障，汽轮机2停运或者抽汽不足时，利用除氧器6内部高温热水的蓄热能力，加热盘管加热器7内部的热网回水，实现在机组故障时的持续对外供热。
92.如图2所示，蒸汽引射器4包括高压蒸汽入口41、低压蒸汽入口42和中压蒸汽出口43；
93.所述高压蒸汽入口41通过管道与引射蒸汽关断门11连接；
94.所述低压蒸汽入口42通过管道与汽轮机2乏汽出口连接；
95.所述中压蒸汽出口43通过管道与除氧器6连接。
96.蒸汽引射器4采用文丘里结构方式，用于混合高压蒸汽和低压蒸汽，来自于汽轮机2第一抽汽口21的高压蒸汽从高压蒸汽入口41进入蒸汽引射器4，作为驱动蒸汽，通过喷嘴喷射，形成高速流动，在蒸汽引射器4的端部形成高度真空，将从汽轮机2排出的一路乏汽(低压蒸汽)通过低压蒸汽入口42引射到蒸汽引射器4内部与驱动蒸汽进行混合，经过物质和能量交换后，再次经过蒸汽引射器4出口的扩压段，降速增压后，形成中压蒸汽，经过中压蒸汽出口43排出。
97.火电机组余热利用系统还包括：凝汽器3和凝结水泵5；
98.所述凝汽器3蒸汽入口通过管道与汽轮机2乏汽出口连接；
99.所述凝汽器3蒸汽冷凝后所形成的凝结水出口通过管道与凝结水泵5 连接；
100.所述凝结水泵5通过管道与除氧器6连接。
101.凝汽器3用来冷却汽轮机2排出的一路乏汽，利用外部的冷却水进行冷却，凝汽器入口冷却水c1进入凝汽器3的换热管内侧，吸收热量升高温度后，凝汽器出口冷却水c2从凝汽器3排出。乏汽被冷却成凝结水，在凝结水泵5的增压后被输送至除氧器6中。
102.火电机组余热利用系统还包括：盘管加热器7、第一热网回水关断门 16和第一热网供热关断门17；
103.除氧器6内部设置有盘管加热器7；
104.所述盘管加热器7入口顺次与第一热网回水关断门16和热网回水管道连接；
105.所述盘管加热器7出口顺次与第一热网供热关断门17和热网供水管道连接。
106.除氧器6用来加热凝结水和热网循环水，其热源有两种方式，第一种直接利用汽轮机2抽汽来作为除氧器6热源，第二方式将汽轮机2抽汽作为驱动汽源，利用蒸汽引射器4，引射汽轮机2乏汽升高压力后，与驱动汽源混合形成中压蒸汽作为除氧器6热源。运行中，根据除氧器6的加热凝结水热负荷和盘管加热器7的热负荷大小，确定除氧器6的加热热源和组合方式，具体地，当除氧器6给水温度不能达到设计值时，需要投入两种加热方式；当给水温度能够满足设计值，优先投入第二方式的加热热源，不足部分由第一种方式进行补充；当投入两种加热方式后，除氧器6温度还是不能满足设计值要求时，减小盘管加热器7的加热功率，也即减少进入盘管加热器7中热网回水流量。
107.除氧器6兼做蓄热装置功能，当机组出现故障，无法通过抽汽方式加热除氧器6和热网加热器9时，可利用除氧器6内部存储的高温热水作为蓄热介质，用来加热热网循环水，作为对外供热的应急备用热源。当热网热负荷需求增加时，可以通过除氧器6内的高温热水温度进行调整，也可以通过调整增加热网循环水流量，还可以增加汽轮机2到热网加热器9的抽汽量。
108.在除氧器6内部设置盘管换热器7，采用水-水换热模式，利用除氧器6 内部的高温热水作为热源，用来加热盘管换热器7内部的低温热网回水，从而实现利用除氧器6加热热网回水，而除氧器6内的部分热源来自于汽轮机2乏汽，间接实现机组余热用来加热热网回水的目的，从而实现了能级提升和能量的高效利用。
109.本发明的火电机组余热利用系统对热网循环水的加热方式，根据热负荷需求情况，可以分为三种运行方式，低温热网回水全部直接进入盘管加热器7加热，然后对外供热；第二方式将低温热网回水全部送入到热网加热器9中加热，然后对外供热；第三种方式将低
温热网回水分为两路，分别进入到盘管加热器7和热网加热器9进行加热，加热后的热网回水汇合形成热网供水，然后对外供热。
110.本发明的火电机组余热利用系统的具体工艺流程为：
111.锅炉1产生的高温高压蒸汽进入汽轮机2中进行膨胀做功，从汽轮机2 排出的乏汽分为两路，一路进入到凝汽器3中，被冷却水进行冷却后，乏汽变成凝结水，在凝结水泵5的增压下被送入到除氧器6中，被蒸汽加热变成高温热水，然后在给水泵8增压后送入到锅炉1中进行循环，另一路被抽吸进入到蒸汽引射器4中，与从汽轮机2第一抽汽口21抽出的高压蒸汽混合，然后形成中压蒸汽进入到除氧器6中。
112.根据抽汽口压力高低从汽轮机2上引出两个抽汽口，第一抽汽口21压力高压高于第二抽汽口22，其中第一抽汽口21所抽出的蒸汽分为两路，一路蒸汽通过抽汽关断门12和抽汽调节门13后进入到除氧器6中，可以直接利用该抽汽对除氧器6中的凝结水加热成高温热水，通过抽汽调节门13 的调节，实现对其蒸汽流量和压力进行调节，满足除氧器6加热需求，从而实现除氧器6内部高温热水温度的调节和控制；第二路蒸汽经过引射蒸汽关断门11后通过高压蒸汽入口41进入到蒸汽引射器4中，用作蒸汽引射器4的驱动蒸汽(高压蒸汽)，进入蒸汽引射器4内部，进行喷射加速，形成真空，将汽轮机2排出的部分乏汽(低压蒸汽，低压蒸汽通过低压蒸汽入口42进入蒸汽引射器4)进行抽吸混合，形成中压蒸汽，从蒸汽引射器4中压蒸汽出口43出来的中压蒸汽送入到除氧器6中，作为除氧器6的加热汽源，将除氧器6中的凝结水加热成高温热水。
113.从汽轮机2上的第二抽汽口22抽出的蒸汽用来加热热网加热器9，作为对外供热的热源，抽出的蒸汽经过热网抽汽关断门14和热网抽汽调节门 15后，进入到热网加热器9中，对热网回水进行加热。
114.降低温度后的热网回水h1，分为两路，一路经过第一热网回水关断门 16进入到盘管加热器7，经过除氧器6内部的高温热水加热后，经过第一热网供热关断门17后对外供热，除氧器6中的高温热水经给水泵8增压后输送回锅炉1；第二路经过第二热网回水关断门18后，热网回水进入到热网加热器9中，被汽轮机2抽汽加热变成较高温度的热网供水，经过第二热网供热关断门19后，与第一路的热网供水汇合后形成热网供水h2，对外进行供热，加热蒸汽经过冷凝后生成凝结水，在热网疏水泵10的增压后，输送至除氧器6中。
115.本发明中提出的火电机组余热利用系统及方法，具有至少以下优点：
116.1)利用汽轮机2乏汽，提升压力后用作除氧器6加热热源，减少汽轮机2冷端热损失，充分回收汽轮机2乏汽的潜热热量；
117.2)利用汽轮机供除氧器加热的抽汽作为蒸汽引射器4的驱动汽源，引射部分汽轮机2乏汽，升高压力后作为除氧器6加热热源，过程无转动部件，可靠性高；
118.3)将盘管加热器7内置于除氧器6里面，采用水-水换热方式，提高了热网回水的加热效率，并且热网回水压力低于除氧器6压力，避免了因盘管加热器7泄露所导致的除氧器内热水水质变差；
119.4)热网回水加热采用双回路，既可以单独运行热网加热器9，也可以单独运行盘管加热器7，还可以两者同时运行，提高了热网回水加热的灵活性；
120.5)可以在机组深度调峰运行条件下稳定运行，并且确保对外供热的连续运行，确保热网供水温度达到预期值，并且还可以利用除氧器6庞大的蓄热能力，当火电机组中断运
行后，还能对外持续供热。
121.尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。