專利名稱：火電站傳統(tǒng)熱工系統(tǒng)的節(jié)能化改造(熱能的綜合利用)的制作方法
火電站傳統(tǒng)熱工系統(tǒng)的節(jié)能化改造 (熱能的綜合利用)
我國自上世紀五十年代初生產(chǎn)首套國產(chǎn)6000KW火電站設(shè)備以來，經(jīng)過半個 世紀的艱苦奮斗，現(xiàn)在全國己建成大、中型火電站數(shù)百座，總裝機容量突破3億 KW,每年消耗燃料折成標煤達7 8億噸。在電站技術(shù)方面也有長足的躍進，基 本上已經(jīng)接近或達到國際先進水平。
但是火電站熱效率不高是個典型的世界性頑疾，至今沒有得到妥善的解決， 我國也不例外。以鍋爐+汽輪發(fā)電機組+冷凝設(shè)備為代表的傳統(tǒng)火電站熱工系統(tǒng)， 其熱能利用效率只有32 40%。即使采用了極端高科技的超臨界參數(shù)機組也只能艱 難地達到40%左右，而這種機組的建設(shè)和維護費用的極度騰升也難以為我國所能大 面積采用。
.以火電站熱能利用效率40%為例進行分析，可以發(fā)現(xiàn)一次能源總,供給量60%熱 能的逸出途徑除去一些另星的不完全燃燒和跑、冒、滴、漏等損失之外，有兩條 主要損耗渠道
(1) 鍋爐煙囪排出的廢煙氣帶走了燃料熱能的6.5 7.5%，無效排向大氣。
(2) 汽輪機尾汽經(jīng)由冷凝裝置，被冷卻水(或冷卻空氣)擄走了燃料熱能的 近50%左右，無效排向自然界。
兩者疊加，總計約57%的燃料熱能是由這兩條渠道溜走的。這兩條渠道是造 成火電站熱效率低下的主要責(zé)任者。因此尋求提高火電站熱效率的不二法門在于 捉住鍋爐排煙熱損失和汽輪機尾汽熱損失，為我所用。
但是鍋爐排煙溫度已降到了 150 16(TC之間，汽輪機尾汽也只有0. 05個絕壓 和33'C左右。這種低溫和f氏壓的廢氣與尾汽已無法再由火電站直接加以利用，只 能聽其無效流失。本專利申請人由此得出一個結(jié)論出路在于鏡盒利甩。就是將 火電站按傳統(tǒng)熱工系統(tǒng)已無法利用的廢氣與尾汽經(jīng)過一番技術(shù)改造，轉(zhuǎn)換成為其 他部門可以利用的寶貴能源。這是一條綜合利用的康莊大道。
本專利申請根據(jù)以上理論提出一項以廢煙氣和尾汽聯(lián)合起來，首先將汽輪機尾
汽轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷氐倪^熱低壓蒸汽，再由高溫的低壓蒸汽生產(chǎn)高溫(&100'C)循環(huán)熱
水的設(shè)計方案。由此將傳統(tǒng)火電站只生產(chǎn)單一的電能的不變成規(guī)，變成一個既生 產(chǎn)電能，又生產(chǎn)高溫?zé)崴钠髽I(yè)。通過綜合利用的途徑可以將火電站的熱效率由
32 40%提升到70 80%，甚而至于更高。


圖1為傳統(tǒng)火電站的熱工系統(tǒng)圖。圖2為本專利提出的新熱工系統(tǒng)示意圖。不 難看出，兩者相差并不太大。即是說，本專利申請?zhí)岢龅脑O(shè)計盡量保留了有成熟 經(jīng)驗的有效成份，只是在鍋爐尾部做一些原則性的改變，增加了一些技術(shù)成份并 不太高、有成熟經(jīng)驗支撐的設(shè)備，其出發(fā)點是適應(yīng)我國國情，僅僅增加不多的設(shè) 備投資，就能將傳統(tǒng)火電站改造成為節(jié)能、環(huán)保、高效型電站，有利于大面積推 廣。
圖1為傳統(tǒng)火電站的典型熱工系統(tǒng)示意圖。燃燒煙氣經(jīng)過蒸發(fā)系統(tǒng)EV、過熱 器SH、省煤器EC和空氣預(yù)熱器AH的換熱過程，最終以150 160'C左右的溫度經(jīng) 煙囪排向大氣。布置在燃燒室CC周圍的蒸發(fā)系統(tǒng)EV所產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)過過熱器SH 的加溫達到520 75(TC的過熱溫度，然后引向汽輪機，將蒸汽的高壓熱能轉(zhuǎn)換為 旋轉(zhuǎn)的機械能，轉(zhuǎn)動發(fā)電機產(chǎn)生電能。在這個轉(zhuǎn)換過程中，除去抽取一定數(shù)量的 中、低壓蒸汽供給水系統(tǒng)的需要外，蒸汽的主體部份皆在汽輪機中盡量發(fā)揮其產(chǎn) 生機械能的作用，直到達到相當(dāng)?shù)偷膲毫^(qū)(0.05絕壓左右)，此時，其溫度也己 降低到相應(yīng)的飽和溫度(33 35'C左右)。這種低壓低溫蒸汽已不再能為傳統(tǒng)火電 站所利用，只能通過冷凝器SC (或冷卻塔CT，圖中未示出)用自然水(或冷空氣) 將尾汽的汽化潛熱抽去，以獲取冷凝水(其熱焓約為30大卡/公斤)，回歸鍋爐的 給水系統(tǒng)。在尾汽凝結(jié)為水的過程中，自然水(或冷空氣)將尾汽所含有的約600 大卡/公斤的汽化潛熱帶走，排向自然界。這項600大卡/公斤的汽化潛熱約占原 始過熱蒸汽熱焓(818 906大卡/公斤)的41 45%左右(在這項換算中已考慮了 大約20%的中間抽汽)。這筆熱損失和排煙熱損失疊加起來占火電站消耗原始能源 (燃料)總熱量的50%以上。這就是傳統(tǒng)熱電站熱效力不髙(只有32 40%左右) 的主要原因。
本專利申請針對以上所述兩項熱損失，提出一項嶄新的火電站熱工系統(tǒng)，見圖
2所示。圖2和圖1相比較，可見鍋爐的結(jié)構(gòu)從燃燒室(CC)到省煤器(EC1)為 止，基本上維持不變，而在省煤器EC1之后，在空氣預(yù)熱器AH1的原處，改為布 置尾汽過熱器SH'，其作用是將汽輪機尾汽溫度由35'C左右，提升到130 15(TC 左右或更高。尾汽經(jīng)過過熱后引向一個熱交換器HE，利用尾汽過熱后的高溫加熱 循環(huán)水，由此產(chǎn)生了火電站的第二產(chǎn)品一一高溫水。這種高溫水?dāng)?shù)量極大，攜帶 著電站能源總消耗量約50%左右的熱量，是一項十分可觀的能源資源，它的利用可 能派生一系列有重大開發(fā)前景的新產(chǎn)業(yè)鏈。
圖2所示的兩項新設(shè)備(尾汽過熱器SH'和熱交換器HE)是單純的換熱設(shè)備， 前者將尾汽加溫，而后者則負擔(dān)過熱尾汽的減溫，以產(chǎn)生高溫循環(huán)水和冷凝水。
可是這兩項新設(shè)備的設(shè)計卻遇到了同一個棘手的難題，那就是尾汽物理性能資 料的缺失。本專利申請人遍査國內(nèi)、外資料不能找到如此低壓蒸汽的相關(guān)物理數(shù) 據(jù)(例如低壓過熱蒸汽的熱焓，比容等等)。本專利申請人要求有意實施本專利技 術(shù)的企業(yè)，必須具有勇闖前人所未曾涉足的新領(lǐng)域的精神和能力，敢于在實施中 抱著"在實踐中求真知"的態(tài)度，創(chuàng)造自己的數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的缺失，也在一個 方面佐證了國內(nèi)、外科技界根本沒有接觸過這種低壓低溫的蒸汽，更不要說是加 以利用了。
圖3示尾汽過熱器SH'的結(jié)構(gòu)示意。換熱面為水平布置的管束，尾汽由下方引 入、上方排出。蒸汽流向與煙氣流向呈正交逆向流動，以求獲得蒸汽的最高過熱 溫度和煙氣的最低排出溫度。因低壓尾汽的體積十分龐大，所以管束采用較大口 徑的鋼管。既可以采用傳統(tǒng)過熱器和省煤器通常采用的蛇形管形(如圖6所示)， 也可以采用直管+管板的形式(如圖5所示)。 如果尾汽過熱器SH'完全替代了原空氣預(yù)熱器預(yù)熱器第一級(AH1)的位置， 仍不能滿足熱水用戶對熱水溫度的要求時，尾汽過熱器SH'尚可以"侵入"省煤器 (EC1)的部份地位。如果尾汽過熱器SH'取代了原空氣預(yù)熱器(AH1)而導(dǎo)致空氣
預(yù)熱溫度不能滿足某些燃料對空氣溫度的要求時，則可以用部份過熱尾汽通過備 用管道加熱進口空氣(空氣預(yù)加熱裝置的結(jié)構(gòu)類似于圖5、圖6所示，不贅述。) 圖4示過熱尾汽和循環(huán)水的熱交換器(HE)，其結(jié)構(gòu)與上述尾汽過熱器(SH')
相類似，如果采用以上措施仍不能滿足熱水用戶對熱水溫度的要求時，還可以考 慮適當(dāng)提升汽輪機的尾汽壓力(至0.5個絕壓左右)，其辦法是刪除汽輪機尾部葉 片1 2排。過熱尾汽由上方引入，冷凝水由下方排出。循環(huán)水由下方引入，上方 排出。也是呈正交逆向流動，以求獲得最高的熱水溫度和盡早形成冷凝水。
圖5示直管管板型管束的結(jié)構(gòu)示意。直管與管板的連接可以是漲接或是焊接。 圖6示蛇形管束型的結(jié)構(gòu)示意，類似于通常的過熱器與省煤器的形式。因本專 利要求較大口徑的鋼管(4)40 50或更大)，管距也要求相當(dāng)密集，蛇形管的彎頭 就不能采用通常的彎管工藝。本專利申請建議采用圖6附詳圖的焊接彎頭的方式， 其中彎頭部份可以采用鍛壓工藝生產(chǎn)。
總之，本專利申請?zhí)岢龅南冗^熱尾汽，然后利用它加熱循環(huán)水，生產(chǎn)出大量的 高溫?zé)崴?，這是"捕捉"電站逸出熱能的有效途徑，而實施這項技術(shù)既不牽涉到 不可克服的技術(shù)難題，也不牽涉到過大的設(shè)備投資，而其結(jié)果確是十分顯著地提 高能源的利用率，經(jīng)濟效益十分顯著，請業(yè)界重視。
特別提示
① 采用本專利技術(shù)后，原鍋爐的熱平衡可能受到一定的干擾，其極限也不過是 要求增加一些燃料用量(估計不會增加超過1 2%)，而其效果則可將尾汽的汽化 潛熱(大約為600大卡/公斤)牢牢捉住，也就是將燃料熱能的50%左右原先無效 逸出的熱能牢牢捉住，其利益是十分明顯的。
② 本專利的采用將大輻提升火電站的熱效率，不再要求一味追求超高壓甚至超 臨界參數(shù)設(shè)備那種不惜以巨資和技術(shù)風(fēng)險以換取熱效率提升2-3%的不切合我國國 情的辦法，請我國業(yè)界關(guān)注。
③ 本專利申請實施后將大量生產(chǎn)熱水，其合理利用問題是一個十分值得關(guān)注的
課題。本專利申請人提出以下建議
①如電站附近地區(qū)有密集的城鎮(zhèn)居民區(qū)，在北方各省，電站熱水可作為生活取 暖之用，以取代為數(shù)眾多的爐灶等低效高污染設(shè)備。
② 有不少生產(chǎn)企業(yè)需要大量的熱水供生產(chǎn)之用，十分歡迎這種價廉而又無污染 的熱源，甚而至于在電站附近會吸引這些企業(yè)形成一個新的工業(yè)生產(chǎn)區(qū)。
③ 在電站附近可以大規(guī)模進行溫室種植事業(yè)。在北方地區(qū)可開辟大規(guī)模的溫室 種植區(qū)，用高科技工藝(溫度調(diào)控、大氣成份調(diào)控、光照調(diào)控、優(yōu)質(zhì)錯季節(jié)、錯 地區(qū)品種栽培、無土栽培等等)以工廠化方式生產(chǎn)無公害、低能耗、低水耗優(yōu)質(zhì) 蔬菜、水果和花卉，供應(yīng)附近地區(qū)，以至遠銷海內(nèi)、夕卜，是一項有十分廣闊前景 的產(chǎn)業(yè)鏈，值得關(guān)注。
④ 本專利說明書的敘述著重闡明已建火電站采用本專利的理論與技術(shù)進行節(jié) 能化改造所遵循的途徑。本專利申請人需要特別提出，如果擬建火電站采用本專 利申請的理論與技術(shù)實施設(shè)計與建設(shè)，可以獲得更優(yōu)化的節(jié)能效果，因為此時可 以考慮息舍.旌表傳.統(tǒng).￡.^4題熱.蒂的您履.， .念金蒸風(fēng)汰熱屬^來.如.熱燃燒烹.1:...您
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權(quán)利要求
1.本專利申請?zhí)岢鲆藻仩t尾氣加熱汽輪機尾汽以獲得過熱尾汽，再以過熱尾汽加熱循環(huán)水，達到火電站除第一產(chǎn)品(電能)外，又新增加一項第二產(chǎn)品(高溫?zé)崴?，實現(xiàn)熱能的綜合利用，以大幅度提升火電站熱能利用效率是本專利的核心理論和基本技術(shù)，從未見之于國內(nèi)、外理論刊物和媒體的介紹，是一項嶄新的理論和技術(shù)。
2、 本專利申請?zhí)岢鑫财^熱器SH'的嶄新設(shè)計，替代空氣預(yù)熱器第一級AH1 (甚而至于再進而替代省煤器第一級EC1的一部份)是本專利申請的一項全新設(shè)計創(chuàng)意，從未見之于理論刊物和媒體的介紹，是一項全新的設(shè)計創(chuàng)意。
3、 沐專利申請?zhí)岢隽巳绻捎谖财^熱器SH'替代了空氣預(yù)熱器第一級AH1 而導(dǎo)致熱空氣溫度達不到某些燃料對熱空氣溫度的要求時，可以用部分過熱尾汽 加熱進口冷空氣的設(shè)計，是一項全新的設(shè)計創(chuàng)意，從未見之于理論刊物和媒體的 介組4;本專利申請?zhí)岢鲞^熱尾汽與循環(huán)水的熱交換器HE的嶄新設(shè)計，以獲得冷 凝水和高溫循環(huán)水，是一項全新的設(shè)計創(chuàng)意，從未見之于理論刊物和媒體的介紹。
全文摘要
我國自上世紀五十年代初開始制造火電站成套設(shè)備以來，火電站熱工系統(tǒng)一貫采用鍋爐+汽輪發(fā)電機組+冷凝器(塔)的布局。這項布置系統(tǒng)用自然水將汽輪機尾汽冷凝成水，而尾汽的汽化潛熱被視為“廢物”排出系統(tǒng)之外。這是該系統(tǒng)熱工系統(tǒng)熱效率十分低劣(約為32-40％)的基本原因所在。這是一個世界性頑癥，至今無法解決。本發(fā)明提出熱能綜合利用的理論和實施方法，其核心技術(shù)是開發(fā)自主創(chuàng)新的汽輪機尾汽過熱器，以取代原鍋爐的空氣預(yù)熱器。經(jīng)過過熱的汽輪機尾汽一則用來加熱燃燒空氣，二則用來生產(chǎn)大量的熱水(100℃上下)，甚至于生產(chǎn)低壓微過熱蒸汽，這項熱水或微過熱低壓蒸汽作為火電站的第二產(chǎn)品，向外供應(yīng)。
文檔編號F01K7/00GK101372905SQ200610135889
公開日2009年2月25日 申請日期2006年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月14日
發(fā)明者戴克發(fā) 申請人:戴克發(fā)