CN113006888B - 一种新型的热电机组高压抽汽压差利用***及方法 - Google Patents

一种新型的热电机组高压抽汽压差利用***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种新型的热电机组高压抽汽压差利用***及方法，可将机组高压抽汽与供热蒸汽之间的压差加以利用，以减小高压抽汽在常规减温减压过程产生的节流损失。该***包含蒸汽透平、压缩机、压缩机排汽加热器、透平排汽加热器、供热蒸汽混合器、温度补偿器以及蒸汽传输管道。蒸汽透平的进口蒸汽来自热电机组的高压抽汽，压缩机排汽加热器的热流进口蒸汽来自机组的低压抽汽；透平排汽加热器的冷流进、出口分别连接蒸汽透平和供热蒸汽混合器，热流进、出口则连接压缩机排汽加热器与压缩机；压缩机排汽被加热后，与透平排汽加热器出口的蒸汽混合，作为供热蒸汽进入热力首站。本发明能有效减小节流损失，提高供热能效，并能向热网供给更多的蒸汽。

Description

一种新型的热电机组高压抽汽压差利用***及方法
技术领域
本发明涉及热电联产机组抽汽供热技术领域，具体为一种新型的热电机组高压抽汽压差利用***及方法。
背景技术
当前，随着城镇规模的日益扩大，北方城镇居民对供热的需求处于飞速增长的状态，据统计，2015年北方城镇的供热面积相当于2001年的2.64倍；同时，工业生产的扩大化，使得对工业蒸汽的需求也呈现上升的趋势。在这样的背景下，为满足日益增长的民用与工业供热供汽需求，全国兴建了众多的热电联产机组，而传统的火力发电机组也在向供热方向进行改造。热电联产将发电与供热集于一体，满足用户需求的同时，可实现能量的梯级利用，显著提高能量利用效率。
高参数的供热机组在运行的过程中，会有多级的抽汽，产生不同压力和温度的供热蒸汽，以满足不同类型用户的需求。但是，由于供热蒸汽所要求的蒸汽压力和温度要低于机组的抽汽，因此，一般会对机组的抽汽作减温减压处理。目前常规的抽汽减温减压方式是通过喷水减温和节流阀降压，这样的方式结构简单，降温降压的效果好，但是这种方法在使用阀门降压的过程中会造成较大的节流损失，抽汽的压力大幅减小，能量的品位降低，这违背了能源梯级利用的基本思想，造成较大的能量浪费。这部分节流损失在高压抽汽尤为明显。由于我国供热需求庞大，由该节流损失造成的燃料消耗和经济性损失非常巨大，因此，如何设法减小机组供热蒸汽中由于减温减压过程造成的节流损失，将高压抽汽与供热蒸汽之间压差的能量加以利用，是亟待解决的问题。
本发明基于此问题，提出一种新型的热电机组高压抽汽压差利用***及方法。
发明内容
本发明是为了解决热电联产机组供热蒸汽在常规减温减压方法下节流损失过大，造成燃料消耗和经济性损失的问题，提出一种新型的热电机组高压抽汽压差利用***及方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种新型的供热机组高压抽汽压差利用***，包括蒸汽透平、压缩机、透平排汽加热器、压缩机排汽加热器、供热蒸汽混合器；所述的透平排汽加热器、压缩机排汽加热器均包括热流通道和冷流通道，利用热流对冷流进行加热；热电机组高压缸的抽汽(即高压抽汽)通过管道连接蒸汽透平的进口，蒸汽透平的出口通过管道连接透平排汽加热器的冷流进口，透平排汽加热器的冷流出口通过管道接入供热蒸汽混合器，热电机组低压缸的抽汽(即低压抽汽)通过管道连接压缩机排汽加热器的热流进口，压缩机排汽加热器的热流出口通过管道连接透平排汽加热器的热流进口，透平排汽加热器的热流出口通过管道连接压缩机进口，压缩机出口通过管道连接压缩机排汽加热器的冷流进口，压缩机排汽加热器的冷流出口通过管道连接供热蒸汽混合器，供热蒸汽混合器将蒸汽混合后输出。
上述方案中，所述的蒸汽透平为压缩机提供驱动动力。
进一步的，在压缩机排汽加热器和供热蒸汽混合器之间还设置有温度补偿器，压缩机排汽加热器的冷流出口通过管道分别连接温度补偿器和供热蒸汽混合器，温度补偿器出口也接入供热蒸汽混合器。
该***利用来自于热电机组的低压抽汽先输入压缩机排汽加热器中加热压缩机排汽，然后输入透平排汽加热器中对蒸汽透平排汽进行加热，再输入压缩机中使压力升高至供汽负荷要求的压力，压缩机排汽在压缩机排汽加热器中被加热，若温度达到供热蒸汽要求，则进入供热蒸汽混合器；若还未达到足要求，则进入温度补偿器进行二次加热至供热蒸汽要求的温度，再进入供热蒸汽混合器；
来自热电机组的高压抽汽经过蒸汽透平做功，将压力降低到供汽蒸汽要求的压力，然后进入透平排汽加热器中被加热至供热蒸汽要求的温度，再进入供热蒸汽混合器。
进一步的，所述的透平排汽加热器、压缩机排汽加热器均采用间壁式换流器。
本发明还提供一种新型的热电机组高压抽汽压差利用方法，基于上述的***实现，包含如下步骤：
步骤S1.基于供热蒸汽要求计算高压抽汽和低压抽汽的质量流量；
步骤S2.高压抽汽进入蒸汽透平做功并利用高温的低压抽汽对蒸汽透平排汽进行加热；
步骤S3.低压抽汽进入压缩机进行压缩之后利用低压抽汽对压缩机的排汽进行加热；
步骤S4.最后将经过***处理的高压抽汽和低压抽汽混合在一起作为供热的蒸汽。
若压缩机排汽经加热后仍无法达到供热蒸汽要求的温度，再利用温度补偿器进行再次加热。
本发明的有益效果：
1.本发明设计了一种新型的热电机组高压抽汽压差利用***，以替代传统的喷水减温和节流阀降压的减温减压装置，通过高压抽汽做功用于压缩低压蒸汽、低压抽汽换热用于加热高压蒸汽等方式，在满足供热要求的基础上，减少了传统减温减压装置造成的较大的节流损失，实现能量进一步的梯级利用，对提升热电联产机组的经济性与供热能力，具有重要的意义。
2.本发明所述的方法，采用的设备均为电厂机组常见设备，且对机组负荷和参数没有过高要求，在各种热电联产机组中具有较好的通用性。
3.本发明压缩机所消耗的功耗，完全由高压抽汽做功提供，不需要外接电源。在同等的供热蒸汽的要求下，由于有低压抽汽加压作为供热蒸汽补充，本发明所述***所需高压抽汽更少，因此，机组的发电出力更高，机组的能量总效率会进一步提升。
附图说明
图1为本发明所述新型高压抽汽压差利用***示意图；
图2为本发明所述高压抽汽压差利用方法的总体流程图；
图3为基于供热蒸汽要求计算高压和低压抽汽的流量的流程图。
具体实施方式
现结合附图和实施例对本发明作详细的说明。附图均为简化的示意图，用于说明本***和方法的基本流程和结构；
如图1所示，本发明的***包括蒸汽透平a、压缩机b、透平排汽加热器c、压缩机排汽加热器d、供热蒸汽混合器f；
所述的透平排汽加热器c、压缩机排汽加热器d均包括热流通道和冷流通道，利用热流对冷流进行加热；可以采用间壁式换流器实现；
蒸汽透平通过轴与压缩机相连接，蒸汽透平a为压缩机b提供驱动动力。
热电机组的高压抽汽通过管道1连接蒸汽透平a的进口，蒸汽透平a的出口通过管道2连接透平排汽加热器c的冷流进口，透平排汽加热器c的冷流出口通过管道3接入供热蒸汽混合器f，热电机组的低压抽汽通过管道4连接压缩机排汽加热器d的热流进口，压缩机排汽加热器d的热流出口通过管道5连接透平排汽加热器c的热流进口，透平排汽加热器c的热流出口通过管道6连接压缩机b进口，压缩机b出口通过管道7连接压缩机排汽加热器d的冷流进口，压缩机排汽加热器d的冷流出口通过管道连接供热蒸汽混合器f，供热蒸汽混合器f将蒸汽混合后输出。在压缩机排汽加热器d和供热蒸汽混合器f之间还设置有温度补偿器e，压缩机排汽加热器d的冷流出口通过管道分别连接温度补偿器e和供热蒸汽混合器f，温度补偿器e出口也接入供热蒸汽混合器f。
对于本发明所述的高压抽汽压差利用***，蒸汽在***中满足流量、压力、热量等多个平衡条件的约束(下述所有符号的数字下标均对应图1中的管道标号，表示对应管道中的相应物理量；下标i表示理想情况)。
不考虑蒸汽在部件和管道中的压损，蒸汽在***中的压力关系为：
P2＝P3＝P10＝P9＝P8＝P7
式中，Pj为各管道中蒸汽压力，j表示蒸汽管道的序号，MPa。
蒸汽在***中的能量平衡约束条件为：
G1(h2-h1)ηaηb＝G6(h7-h6)
G2(h3-h2)＝G6(h7-h6)
h4-h5＝h8-h7
G4(h4-h8)＝G1(h1-h2)ηaηb-G2(h2-h3)
式中，G2为蒸汽透平排汽加热器冷端蒸汽质量流量，kg/s；G6为蒸汽透平排汽加热器热端蒸汽质量流量，kg/s；h2为蒸汽透平排汽焓值，kJ/kg；h1为高压抽汽焓值，kJ/kg；h4为低压抽汽焓值，kJ/kg；其余hj为各管道中蒸汽焓值，j表示蒸汽管道的序号，kJ/kg；ηa为蒸汽透平效率；ηb为压缩机效率。
蒸汽在蒸汽透平与压缩机中熵约束条件为：
Figure BDA0002938656600000051
s1＝s2i
Figure BDA0002938656600000052
s6＝s7i
式中，h2i为蒸汽透平等熵膨胀时的理想排汽焓值，kJ/kg；h7i为压缩机等熵压缩时的理想排汽焓值，kJ/kg；s1为高压抽汽的熵，kJ/(kg·K)；s2i为蒸汽透平等熵膨胀时排汽的熵，kJ/(kg·K)；s6为进入压缩机的蒸汽的熵，kJ/(kg·K)；s7i为压缩机等熵压缩时排汽的熵，kJ/(kg·K)。
基于上述***对热电机组高压抽汽压差利用的方法，包含如下步骤：
步骤S1.基于供热蒸汽要求来计算高压和低压抽汽的流量。
S11：通过机组DCS***及传感器，采集机组的高压抽汽、低压抽汽、供热蒸汽的温度、压力和熵等参数；
S12：根据蒸汽在透平中的熵约束条件，由高压抽汽熵s1确定蒸汽透平排汽熵s2，再根据蒸汽在***中的压力约束条件确定排汽的压力P2，然后基于汽水的热力性质函数
f(h,s,T,P,v,x)＝0
得出蒸汽透平排汽及管道2中蒸汽的温度、焓值等参数。式中，h为焓值，kJ/kg；s为熵，kJ/(kg·K)；T为温度，℃；P为压力，MPa；v为比容，m3/kg；x为干度。
S13：由蒸汽在***中的压力约束条件，可确定压缩机排汽的压力P7，在不启用温度补偿器时，压缩机排汽的焓值约等于供汽蒸汽的焓值。
S14：基于蒸汽在***中的能量守恒约束条件，将低压抽汽流量设为单位质量1，先计算高压抽汽流量与低压抽汽流量的比值，再基于供热蒸汽要求的总流量分配高压和低压抽汽的流量实际值。
步骤S2.将高压抽汽送入蒸汽透平做功并利用低压抽汽对排汽进行加热。
高压蒸汽会进入蒸汽透平进行做功，压力降低到供热蒸汽的要求，但是温度过低，因此通过透平排汽加热器，利用温度较高的低压抽汽对高压抽汽进入蒸汽透平的排汽进行加热。
步骤S3.使用压缩机对加热后的低压抽汽进行压缩并对排汽进行加热。
低压抽汽在对蒸汽透平排汽加热之后，被送入压缩机中，将压力提升到供热蒸汽的要求。压缩机的功耗由蒸汽透平做功提供。压缩机的压缩理想上是一个等熵过程，蒸汽在压缩的过程中，压力升高，温度降低。为使压缩机排汽达到供热蒸汽的温度要求，使其经过压缩机排汽加热器，被初始的高温低压抽汽加热。若加热后仍无法达到供热蒸汽要求的温度，再利用温度补偿器进行加热。
步骤S4.经过***处理的高压和低压抽汽一起作为供热蒸汽。
经过步骤S2与S3处理后的高、低压抽汽，压力和温度都基本符合供热蒸汽的要求，两者混合后一起作为供热蒸汽输送到热网中。
本***适用于抽汽供热的热电联产机组。热电联产机组的高压抽汽，相对于供热蒸汽，压力过大，本***通过蒸汽透平将高压抽汽与供热蒸汽之间的压差加以利用，将高压抽汽的压力降低至供热蒸汽要求的同时，为压缩机提供驱动力。低压抽汽压力小，但温度较高，通过透平排汽加热器与压缩机排汽加热器给较低温度的排汽加热，然后通过压缩机将低压的蒸汽升高到供热蒸汽的要求，同时由于低压蒸汽温度降低时容积流量变小，因此更易压缩，消耗压缩机的功更少。
所结合实施例为本发明所述的高压抽汽压差利用***在某300MW热电联产机组中的理论计算结果。
实施例1
本实施例为应用于某300MW热电联产机组新型高压抽汽压差利用***。该热电联产机组的产能方式为燃气-蒸汽联合循环热电联产(燃气轮机额定负荷200MW，汽轮机组额定负荷100MW)，其供热部分包括高、中、低压三级抽汽供热，不同品质的抽汽参数分别为：高压抽汽400℃/3.38MPa；中压抽汽500℃/2.2MPa；低压抽汽390℃/0.96MPa。本机组提供的供热蒸汽参数为330℃/2MPa，额定供汽量为55t/h。
本实施例中所应用的供汽***，采用如图1所示的设置方式，包括：蒸汽透平a、压缩机b、压缩机排汽加热器d、透平排汽加热器c、温度补偿器e、供热蒸汽混合器f及蒸汽管道。
在上述的高压抽汽压差利用***中，机组向外供汽包含两部分：一是经过减温减压的高压抽汽，二是经过减温升压的低压抽汽。机组的低压抽汽先后进入压缩机排汽加热器和透平排汽加热器，用于加热温度较低的压缩机排汽和蒸汽透平排汽，然后进入压缩机中，将压力升高至满足供热蒸汽要求的压力，然后通过压缩机排汽加热器和温度补偿器加热至满足供热蒸汽要求的温度；高压抽汽经过蒸汽透平做功后，将压力降低到满足供汽蒸汽要求的压力，然后进入透平排汽加热器中加热至满足供热蒸汽要求标准的温度。
相比于常规的采用喷水减温与节流降压的减温减压方式，通过上述的新型高压抽汽压差利用***，高压抽汽与供热蒸汽在相同供热蒸汽的要求下，机组可以抽取较少的高压抽汽，高压抽汽的节流损失减小，机组整体的供热能力和热经济性得到提高。
实施例2
本发明基于前述的高压抽汽压差利用***，提出一种新型的供热机组高压抽汽减温减压方法，以某300MW热电联产机组为例加以说明。如附图2所示，包含如下步骤：
步骤S1.基于热网的供热负荷计算高压和低压抽汽的流量。
S11：如附图3所示，通过机组DCS***及传感器，采集机组的高压抽汽、低压抽汽、供热蒸汽的温度、压力和熵等参数。在本实施例机组的额定供热工况下，机组的高压抽汽参数为400℃/3.38MPa，低压抽汽参数为390℃/0.96MPa，而所需供热蒸汽参数为330℃/2MPa。蒸汽透平与压缩机的等熵效率均为0.88。
S12：由于蒸汽透平的做功过程为等熵过程，因此由高压抽汽熵s0确定蒸汽透平排汽熵s2i，再根据蒸汽在***中的压力约束条件确定排汽的压力P2，然后基于汽水的热力性质函数
f(h,s,T,P,v,x)＝0
得出蒸汽透平排汽及管道2中蒸汽的温度、焓值等参数。式中，h为焓值，kJ/kg；s为熵，kJ/(kg·K)；T为温度，℃；P为压力，MPa；v为比容，m3/kg；x为干度。
由高压抽汽参数400℃/3.38MPa可确定高压抽汽熵s1＝6.826kJ/(kg·℃)，h1＝3225.1kJ/kg，蒸汽透平理想排汽s2i＝s1＝6.826kJ/(kg·℃)。由蒸汽压力在***中的约束条件P2＝P10＝2MPa，由此确定理想排汽焓值为h2i＝3057.61kJ/kg，再根据等熵效率公式及设定的等熵效率ηa＝0.88，计算可得实际的排汽焓值h2＝3077.7kJ/kg。基于汽水的热力性质参数，可计算得出T2＝322.32℃。
S13：由蒸汽在***中的压力约束条件，可确定压缩机排汽的压力P7＝2MPa，在不启用温度补偿器时，压缩机排汽的焓值约等于供汽蒸汽的焓值，即h8＝h10＝3092.8kJ/kg。
S14：基于蒸汽在***中的能量守恒约束条件，将低压抽汽流量设为单位质量1，先计算高压抽汽流量与低压抽汽流量的比值，再基于热网需求的供汽总流量分配高压和低压抽汽的流量实际值。
低压抽汽先后经过了压缩机排汽加热器、透平排汽加热器的放热过程，压缩机的压缩过程，以及压缩机排汽加热器的加热过程。由于在压缩机排汽加热器中的放能与加热的量相等，因此可得
G4(h4-h8)＝G1(h1-h2)ηaηb-G2(h2-h3)
由上式可计算的出高压抽汽流量与低压抽汽流量的比值G1/G4＝1.168。之后，根据供热蒸汽总质量流量分别计算出高压和低压抽汽的质量流量G1＝29.631t/h，G4＝25.369t/h。
步骤S2.将高压抽汽送入蒸汽透平做功并利用低压抽汽对排汽进行加热。
高压蒸汽会进入蒸汽透平进行做功，压力降低到供热蒸汽的要求，但是温度过低，因此通过透平排汽加热器，利用温度较高的低压抽汽对高压抽汽进入蒸汽透平的排汽进行加热。
步骤S3.使用压缩机对加热后的低压抽汽进行压缩并对排汽进行加热。
低压抽汽在对蒸汽透平排汽加热之后，被送入压缩机中，将压力提升到供热蒸汽的要求。压缩机的功耗由蒸汽透平做功提供。压缩机的压缩理想上是一个等熵过程，蒸汽在压缩的过程中，压力升高，温度降低。为使压缩机排汽达到热网的温度要求，使其经过压缩机排汽加热器，被初始的高温低压抽汽加热。若加热后仍无法达到热网需求的温度，再利用温度补偿器进行加热。
步骤S4.经过***处理的高压和低压抽汽一起作为供热热网的蒸汽。
经过步骤S2与S3处理后的高、低压抽汽，压力和温度都基本符合热网的要求，两者混合后一起作为供热蒸汽输送到热网中。
根据上述的实施例可知，采用本专利所述的热电机组高压抽汽压差利用***，可有效地减小高压抽汽的节流损失，在提供相同供热蒸汽量的情况下，可以减少高压抽汽的流量，而将这部分的蒸汽用于发电。为进一步清楚地量化本专利所述***对热电机组能效的提升，我们将采用本***的机组与采用常规减温减压***的机组进行比较，分别计算它们在供给相同供热蒸汽和相同发电量的时候的参数，如下表所示。
Figure BDA0002938656600000091
由上表的计算结果可知，对于本实施例所涉热电机组，采用本专利的高压抽汽压差利用***，若在同等供热蒸汽流量下，可以多发2.22MW电量，发电量提高2.36％；若在同等发电量下，则可以多供给9.03t/h的供热蒸汽，供汽量提高16.42％。

Claims (6)

1.一种新型的供热机组高压抽汽压差利用***，其特征在于：包括蒸汽透平(a)、压缩机(b)、透平排汽加热器(c)、压缩机排汽加热器(d)、供热蒸汽混合器(f)；所述的透平排汽加热器(c)、压缩机排汽加热器(d)均包括热流通道和冷流通道，利用热流对冷流进行加热；热电机组的高压抽汽通过管道连接蒸汽透平(a)的进口，蒸汽透平(a)的出口通过管道连接透平排汽加热器(c)的冷流进口，透平排汽加热器(c)的冷流出口通过管道接入供热蒸汽混合器(f)，热电机组的低压抽汽通过管道连接压缩机排汽加热器(d)的热流进口，压缩机排汽加热器(d)的热流出口通过管道连接透平排汽加热器(c)的热流进口，透平排汽加热器(c)的热流出口通过管道连接压缩机(d)进口，压缩机(b)出口通过管道连接压缩机排汽加热器(d)的冷流进口，压缩机排汽加热器(d)的冷流出口通过管道连接供热蒸汽混合器(f)，供热蒸汽混合器(f)将蒸汽混合后输出；
在压缩机排汽加热器(d)和供热蒸汽混合器(f)之间还设置有温度补偿器(e)，压缩机排汽加热器(d)的冷流出口通过管道分别连接温度补偿器(e)和供热蒸汽混合器(f)，温度补偿器(e)出口也接入供热蒸汽混合器(f)。
2.根据权利要求1所述的新型的供热机组高压抽汽压差利用***，其特征在于：所述的蒸汽透平(a)为压缩机(b)提供驱动动力。
3.根据权利要求1所述的新型的供热机组高压抽汽压差利用***，其特征在于：该***利用来自于热电机组的低压抽汽先输入压缩机排汽加热器(d)中加热压缩机(b)排汽，然后输入透平排汽加热器(c)中对蒸汽透平(a)排汽进行加热，再输入压缩机(b)中使压力升高至供热蒸汽要求的压力，压缩机(b)排汽在压缩机排汽加热器(d)中被加热，若温度达到供热蒸汽要求，则进入供热蒸汽混合器(f)；若还未达到足要求，则进入温度补偿器(e)进行二次加热至供热蒸汽要求的温度，再进入供热蒸汽混合器(f)；
来自热电机组的高压抽汽经过蒸汽透平(a)做功，将压力降低到供汽蒸汽要求的压力，然后进入透平排汽加热器(c)中被加热至供热蒸汽要求的温度，再进入供热蒸汽混合器(f)。
4.根据权利要求1所述的新型的供热机组高压抽汽压差利用***，其特征在于：所述的透平排汽加热器(c)、压缩机排汽加热器(d)均采用间壁式换流器。
5.一种新型的热电机组高压抽汽压差利用方法，其特征在于，基于如权利要求1-4任一项所述的***实现，包含如下步骤：
步骤S1.基于供热蒸汽要求计算高压抽汽和低压抽汽的质量流量；
步骤S2.高压抽汽进入蒸汽透平做功并利用高温的低压抽汽对蒸汽透平排汽进行加热；
步骤S3.低压抽汽进入压缩机进行压缩之后利用低压抽汽对压缩机的排汽进行加热；
步骤S4.最后将经过***处理的高压抽汽和低压抽汽混合在一起作为供热的蒸汽。
6.根据权利要求5所述的热电机组高压抽汽压差利用方法，其特征在于，若压缩机排汽经加热后仍无法达到供热蒸汽要求的温度，再利用温度补偿器(e)进行再次加热。
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