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首套國產6000KW火電站設備以來，經過半個世紀 的艱苦奮斗，現(xiàn)在全國已建成大、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。在電站技術方面也有長足的躍進，基本上已經接近或達到國際 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45%左
右，而這種機組的建設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 33t:左右。這種低溫和低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論出路在于鏡盒利里。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過一番技術改造，轉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 轉變?yōu)楦邷氐倪^熱低壓蒸汽，再由高溫的低壓蒸汽生產高溫("IO(TC)循環(huán)熱水的設計方 案。由此將傳統(tǒng)火電站只生產單一的電能的不變成規(guī)，變成一個既生產電能，又生產高溫熱 水的企業(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。 傳統(tǒng)火電站的熱工系統(tǒng)圖和本專利提出的新熱工系統(tǒng)示意圖相比較(參見圖l和 圖2、 )，可以看出。兩者相差并不太大。即是說，本專利申請?zhí)岢龅脑O計盡量保留了
有成熟經驗的有效成份，只是在鍋爐尾部做一些原則性的改變，增加了一些技術成份并不 太高、有成熟經驗支撐的設備，其出發(fā)點是適應我國國情，僅僅增加不多的設備投資，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。燃燒煙氣經過蒸發(fā)系統(tǒng)EV、過熱器SH、 省煤器EC和空氣預熱器AH的換熱過程，最終以150 16(TC左右的溫度經煙囪排向大氣。 布置在燃燒室CC周圍的蒸發(fā)系統(tǒng)EV所產生的蒸汽經過過熱器SH的加溫達到520 750°C 的過熱溫度，然后引向汽輪機，將蒸汽的高壓熱能轉換為旋轉的機械能，轉動發(fā)電機產生電
3能。在這個轉換過程中，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)揮其產生機械能的作用，直到達到相當?shù)偷膲毫^(qū)(0. 05絕壓 左右)，此時，其溫度也已降低到相應的飽和溫度(33 35t: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)熱電站熱效力不高(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 改造型鍋爐的結構，從燃燒室(CC)到省煤器(EC1)為止，基本上維持不變。在省煤器EC1 之后，在空氣預熱器AH1的原處，改為布置尾汽過熱器SH'，(即圖2中的HE1)，其作用是將 汽輪機尾汽溫度由35t:左右，提升到300 45(TC左右或更高。尾汽經過過熱后引向一個 熱交換器HE2，利用尾汽過熱后的高溫加熱循環(huán)水，由此產生了火電站的第二產品——高溫 水。這種高溫水數(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)前景的新產業(yè)鏈。 圖2提出了改造的三個方案，對各種不同的情況，給出了相應的實施方法。方案I 適用于燃料燃燒空氣的溫度要求不太高，原鍋爐空氣預熱器第一級(AH1)被HE1(或稱之為 尾汽過熱器SH')取代后，原鍋爐空氣預熱器第二級(AH2)即足以單獨負擔加熱燃燒空氣 的任務。方案II適用于燃料燃燒空氣有較高的要求，AH2已不足以單獨負擔燃燒空氣的加 熱任務，此時使用HE3，以部份的過熱尾汽(ES')對燃燒空氣在AH2之前進行預加熱。方案 III應用于完全刪除原鍋爐的空氣預熱器，由鍋爐的省煤器EC和尾汽過熱器SH'(即HE1) 組成鍋爐尾部受熱面，此時汽輪機尾汽的過熱溫度可以達到最高值，并且單獨負擔起燃燒 空氣的加熱任務。由于過熱尾汽所攜帶的總熱量十分龐大，無論是HE3抑或是HE4只消耗 了過熱尾汽(ES)的一部份，而其大部份則應消耗于熱水發(fā)生器(HE2)。本專利申請共提出 了 4種熱交換器(即HE1 HE4)，各司其職，但有兩個共同點 1、4種HE結構，都與超低壓低溫的汽輪機尾汽相關聯(lián)，或為收集熱能，如 HE1 (SH，)。或為散發(fā)熱能(如HE2 HE4)。 2、HE2 HE4皆生產冷凝水，因此都合理利用了尾汽的汽化潛熱。HE1雖不生產冷 凝水，但它提升了尾汽(ES')的溫度，使無法利用的尾汽(ES)轉變?yōu)榇笥锌蔀榈倪^熱尾汽 ES'，為傳統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)的改造立下頭功。 可是這兩項新設備的設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。本專利申請人遍查國內、外資料不能找到如此低壓蒸汽的相關物理數(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的企業(yè)，必須具有 勇闖前人所未曾涉足的新領域的精神和能力，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、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'的結構示意。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熱器預熱器第一級(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'取代了原空氣預熱器(AH1)而導致空氣預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(空氣預加 熱裝置的結構類似于圖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)，其結構與上述尾汽過熱器(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構示意。直管與管板的連接可以是漲接或是焊接。
圖6示蛇形管束型的結構示意，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(小40 50或更大)，管距也要求相當密集，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。 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，生產出大量的高溫 熱水，這是"捕捉"電站逸出熱能的有效途徑，而實施這項技術既不牽涉到不可克服的技術 難題，也不牽涉到過大的設備投資，而其結果確是十分顯著地提高能源的利用率，經濟效益 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)設備那種不惜以巨資和技術風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)界關注。 ③本專利申請實施后將大量生產熱水，其合理利用問題是一個十分值得關注的課 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備。 2、有不少生產企業(yè)需要大量的熱水供生產之用，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(溫度調控、大氣成份調控、光照調控、優(yōu)質錯季節(jié)、錯地區(qū)品種栽培、
5無土栽培等等)以工廠化方式生產無公害、低能耗、低水耗優(yōu)質蔬菜、水果和花卉，供應附
近地區(qū)，以至遠銷海內、外，是一項有十分廣闊前景的產業(yè)鏈，值得關注。 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
論與技術實施設計與建設，可以獲得更優(yōu)化的節(jié)能效果，因為此時可以考慮完全放棄傳統(tǒng)
空氣預.熱.器的使用，完金釆用.過熱尾汽.來加熱燃燒.空—氣,...使本專利的杰出理論與技術發(fā)
揮出最耀—眼的光輝皿。..
權利要求
本專利申請?zhí)岢鰝鹘y(tǒng)熱工系統(tǒng)節(jié)能化改造的理論和實施方法，其標的是將火電站熱利用效率由40％上下提升到70～80％或更高。本發(fā)明專利申請“火電站熱工系統(tǒng)的節(jié)能化改造”有以下技術特征①廢除傳統(tǒng)火電站中傳統(tǒng)的鍋爐空氣預熱器和冷凝器的采用；②更改汽輪機尾汽(ES)的行走路線，原來是走向冷凝器的，更改為走向置于原空氣預熱器(AH)位置的創(chuàng)新型尾汽過熱器(HE1或稱為SH′)使原為含有水份的飽和尾汽(ES)變成過熱的汽輪機尾汽(ES′)；③過熱的汽輪機尾汽(ES′)，作以下兩宗用途其一，作為燃燒用空氣的加熱源，在空氣加熱器(HE3、HE4)中，一方面冷的空氣(CA)被加熱成為熱的空氣(HA)以適應燃料燃燒的需求，另一方面過熱的汽輪機尾汽(ES′)則被空氣所冷卻，生成冷凝水，作為鍋爐補給水(FW)的一部份，因此HE3和HE4的作用既取代了原空氣預熱器的作用，同時又副產了冷凝水；其二，利用熱交換器(HE2)使過熱的汽輪機尾汽(ES′)通過HE2被循環(huán)水所冷卻，化作冷凝水，作為鍋爐給水的另一部份，同時又加熱了冷的循環(huán)水(CW)，產生熱的循環(huán)水(CW′)或過熱的低壓蒸汽，向外供應，作為電站的第二產品，因此HE2的作用取代了原冷凝器的作用，但兩者的不同之處，原冷凝器所產生的CW′(見圖1所示)，由于溫度較低(不超過20℃左右)，是向大自然無效排放的，而熱交換器HE2所產生的CW′，由于溫度較高，可以利用，向熱水用戶供應，作為電站的第二產品；④本專利申請除了采用上述尾汽過熱器(HE1)，作為本專利技術的核心之外，又為實施本專利技術，提出了三個具體改造方案，其中方案I圖中HE1占用了原AH1的位置，適用于燃料燃燒空氣的溫度不太高，原空氣預熱器第1級(AH1)被HE1(或稱之為尾汽過熱器SH′)所取代后，原空氣預熱器(AH2)(在圖2方案I中為AH)已足以單獨承擔加熱燃燒空氣的任務；方案II適用于燃燒空氣有較高的溫度要求，原AH2已不足以單獨負擔燃燒空氣的加熱任務，此時使用HE3，以部份的過熱尾汽(ES′)對燃燒空氣在AH以前進行預加熱；方案III應用于完全刪除原空氣預熱器的使用，由鍋爐的原省煤器EC和尾汽過熱器SH′(HE1)組成新的鍋爐尾部受部面，此時汽輪機尾汽(ES′)的溫度可以達到最高，而燃燒空氣的加熱任務則由HE4單獨承擔；⑤如果電站的燃料或有供應上的原因有經常變化的可能、燃料的最佳空氣溫度不能預作規(guī)定時，可以考慮一律采用方案III為電站的改造實施方案，此時燃燒空氣溫度可以用HE4前的ES′管道上設置的調節(jié)閥門(圖中未示出)以控制ES′的流量以達到調節(jié)HA溫度的目的；⑥上述原理也可以為新建火電站所采用；⑦本專利技術的實施方在進行工作圖設計時，可以自由發(fā)揮設計師的聰明才智，開發(fā)出形形式式的實用型熱交換器，只要是能滿足本專利申請所規(guī)定的各項熱交換器的任務，皆為本專利申請技術所包容，本專利申請所提出的熱交換器的主體結構和細節(jié)構造，只是起到示范的性質，不擬作為技術上的界定。
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熱器。經過過熱的汽輪機尾汽一則用來加熱燃燒空氣，二則用來生產大量的熱水(100℃上下)，甚而至于生產低壓微過熱蒸汽，這項熱水或微過熱低壓蒸汽作為火電站的第二產品，向外供應。
文檔編號F01K27/02GK101769182SQ20091015222
公開日2010年7月7日 申請日期2009年7月5日 優(yōu)先權日2009年7月5日
發(fā)明者戴克發(fā) 申請人:戴克發(fā)