乏汽余热循环系统
技术领域
本发明涉及热电联产技术领域，更具体地，涉及一种乏汽预热循环系统。
背景技术
在热力发电厂中，利用在汽轮机中做过功后排出的蒸汽(乏汽)热量供给热用户，在同一动力设备和循环系统中同时生产电能和热能的生产过程为热电联产过程。热电联产的节能和环保效益非常显著，乏汽排入空冷塔或湿冷塔中的冷凝热量占电厂总能量 35％-55％，其余热利用对于电厂节能改造意义重大。热电联产与纯凝汽机组相比，在我国每年节约能源3000万吨标煤以上，相应地减少了CO2等排放。小型工业锅炉采暖，其平均运行效率为50％-60％，而热电联产的锅炉效率为75-90％。大型火电厂的热效率为 38％-43％，而热电厂的全场热效率通常都大于45％。热电联产的热效率远远大于小型锅炉和大型火电厂的热效率。
然而，相关技术中的背压式热电机组往往存在电负荷随负荷的变化而变化的缺点，也就是说，相关技术中的背压式热电机组对于不同热负荷条件下无法同时实现供热量稳定调节和发电量的稳定供给，不便于对不同热负荷条件下进行精确调节，尤其在尖峰供热期间，无法同时保证供热能力以及供电能力。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种乏汽余热循环系统，所述乏汽余热循环系统的结构简单、可以在不同的热负荷条件下精确调节，实现热供应量的稳定调节以及供电量的稳定供给。
根据本发明实施例的乏汽余热循环系统，包括：凝汽式热电联产机组；背压式热电联产机组，所述背压式热电联产机组的蒸汽进口与所述凝汽式热电联产机组的蒸汽出口相连；能量分离装置，所述能量分离装置具有进汽口、冷端出口、热端出口，所述进汽口与所述背压式热电联产机组的蒸汽出口相连；热网机组，所述热网机组包括依次相连的第一换热器和第二换热器，所述第一换热器与所述冷端出口相连，所述第二换热器与所述热端出口以及所述背压式热电联产机组的蒸汽出口相连，且所述第一换热器和所述第二换热器均与所述凝汽式热电联产机组相连；控制装置，所述控制装置被构造成可控制所述背压式热电联产机组在直接循环模式与可调供热模式之间切换运行。
根据本发明实施例的乏汽余热循环系统，通过设置能量分离装置以及控制装置，利用控制装置以及能量分离装置，基于蒸汽流动和能量分离原理，可以在不同的热负荷条件下精确调节，实现乏汽余热循环系统在直接循环模式、可调供热模式之间切换，进而实现随着热负荷变化而稳定调节热供应量且维持供电量的稳定，同时，也可以有效地保证供热质量、提高自动化程度、降低运行成本。
根据本发明的一些实施例，所述凝汽式热电联产机组包括：锅炉；凝汽式汽轮机，所述凝汽式汽轮机与所述锅炉相连且由所述锅炉排出的蒸汽带动运转，所述凝汽式汽轮机用于带动发电机组；凝汽器，所述凝汽器与所述凝汽式汽轮机相连以将从所述凝汽式汽轮机排出的蒸汽凝结成水。
根据本发明的一些示例，所述凝汽式热电联产机组还包括：加热器，所述加热器连接在所述凝汽器与所述锅炉之间，且所述加热器与所述第一换热器和所述第二换热器相连；锅炉供水泵和第一凝结水泵，所述锅炉供水泵设在所述锅炉与所述加热器之间，所述第一凝结水泵设在所述凝汽器与所述加热器之间。
根据本发明的一些实施例，所述背压式热电联产机组包括：用于带动发电机组的背压式汽轮机，所述控制装置包括:入口阀，所述入口阀设于所述背压式热电联产机组的蒸汽出口与所述进汽口之间；旁路阀，所述旁路阀设于所述背压式热电联产机组的蒸汽出口与所述第二换热器之间；热端阀和冷端阀，所述热端阀设于所述热端出口与所述第二换热器之间，所述冷端阀设于所述冷端出口与所述第一换热器之间。
根据本发明的一些实施例，所述能量分离装置包括：涡流腔体，所述涡流腔体与所述背压式热电联产机组的蒸汽出口相连；高温管，所述高温管与所述涡流腔体的一侧连通；低温管，所述低温管与所述涡流腔体的另一侧连通且与所述高温管同轴布置，所述低温管以及所述高温管分别具有沿其轴向螺旋延伸的螺旋通道，所述低温管与所述涡流腔体的连通处设有孔板；整流件，所述整流件贯穿设于所述高温管、所述涡流腔体以及所述低温管内且沿所述高温管的轴向方向延伸。
根据本发明的一些示例，所述高温管的远离所述涡流腔体的一端形成所述热端出口，所述低温管的远离所述涡流腔体的一端形成所述冷端出口。
根据本发明的一些示例，所述调节控制阀包括：环形止挡部，所述环形止挡部设于所述高温管的内壁；锥塞，所述锥塞的锥面朝向所述环形止挡部，所述锥面与所述环形止挡部之间限定出的汽流通道形成为喉部，所述锥塞沿所述高温管的轴向方向可移动；电机，所述电机与所述锥塞相连以带动所述锥塞沿所述高温管的轴向方向移动。
根据本发明的一些示例，所述整流件形成为管状结构，所述管状结构外周壁设有沿其轴向延伸的螺旋纹。
根据本发明的一些实施例，所述热网机组还包括：第三换热器，所述第三换热器与所述第二换热器相连，且所述第三换热器与所述凝汽式热电联产机组的蒸汽出口相连。
根据本发明的一些示例，所述乏汽余热循环系统还包括：凝结水箱，所述凝结水箱设于所述凝汽式热电联产机组与所述第一换热器、所述第二换热器以及所述第三换热器之间。
根据本发明的一些示例，所述乏汽余热循环系统还包括：减温减压器以及流量调节阀，所述减温减压器以及所述流量调节阀设于所述凝汽式热电联产机组的蒸汽出口与所述第三换热器之间。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的乏汽余热循环系统的示意图；
图2是根据本发明实施例的乏汽余热循环系统的能量分离装置的示意图；
图3是根据本发明实施例的乏汽余热循环系统的能量分离装置的又一示意图。
附图标记：
乏汽余热循环系统100；
凝汽式汽轮机11；锅炉12；凝汽器13；加热器14；第一凝结水泵15；
锅炉供水泵16；
背压式汽轮机21；
能量分离装置30；进汽口31；低温管32；高温管33；涡流腔体34；整流件35；
孔板36；冷端出口321；热端出口331；环形止挡部371；锥塞372；电机373；
入口阀41；旁路阀42；热端阀43；冷端阀44；
第一换热器51；第二换热器52；第三换热器53；减温减压器61；流量调节阀62；
凝结水箱70；第二凝结水泵81；循环水泵82；除污器90。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面参考附图描述根据本发明实施例的乏汽余热循环系统100。
如图1-图3所示，根据本发明一个实施例的乏汽余热循环系统100包括凝汽式热电联产机组、背压式热电联产机组、能量分离装置30、热网机组和控制装置。
背压式热电联产机组的蒸汽进口与凝汽式热电联产机组的蒸汽出口相连，凝汽式热电联产机组的部分蒸汽可以通过凝汽式热电联产机组的蒸汽出口、背压式热电联产机组的蒸汽进口进入背压式热电联产机组，从而使得背压式热电联产机组与凝汽式热电联产机组并列运行，并做功、发电。
能量分离装置30具有进汽口31、冷端出口321以及热端出口331，背压式热电联产机组的蒸汽出口与能量分离装置30的进汽口31相连。
进一步地，热网机组包括第一换热器51和第二换热器52，第一换热器51和第二换热器52依次相连，能量分离装置30的冷端出口321与第一换热器51相连，能量分离装置30的热端出口331、背压式热电联产机组的蒸汽出口并列与第二换热器52相连，并且，第一换热器51、第二换热器52均与凝汽式热电联产机组相连，控制装置被构造成可以控制背压式热电联产机组在直接循环模式与可调供热模式之间切换运行。
也就是说，当控制装置将背压式热电联产机组切换至直接循环模式时，背压式热电联产机组的乏汽直接进入第二换热器52，从而通过第二换热器52对热网机组中通过的冷媒进行加热，从而实现在长期稳定热负荷情况下，实现压力损失小、供热能力稳定和发电量稳定的效果。
当控制装置将背压式热电联产机组切换至可调供热模式时，背压式热电联产机组的乏汽通过进汽口31进入能量分离装置30后，乏汽通过能量分离装置30分离为高温蒸汽流和低温蒸汽流，使得高温蒸汽流从热端出口331进入第二换热器52，低温蒸汽流从冷端出口321进入第一换热器51，进而通过第一换热器51、第二换热器52对热网机组中的冷媒进行多级加热，减少热量损耗和端差损失，从而使得在不稳定热负荷情况下(如季节性热负荷、供暖、通风热负荷等)，实现供热量稳定可调，发电量稳定。
此外，凝汽式热电联产机组连续运行，也可以进一步满足基本用电需求的发电量稳定。
由此，根据本发明实施例的乏汽余热循环系统100，通过设置能量分离装置30以及控制装置，利用控制装置以及能量分离装置30，基于蒸汽流动和能量分离原理，可以在不同的热负荷条件下精确调节，实现乏汽余热循环系统100在直接循环模式、可调供热模式之间切换，进而实现随着热负荷变化而稳定调节热供应量且维持供电量的稳定，同时，也可以有效地保证供热质量、提高自动化程度、降低运行成本。
如图1所示，在本发明的一些实施例，凝汽式热电联产机组包括锅炉12、凝汽式汽轮机11和凝汽器13，锅炉12的蒸汽出口可以形成为上述凝汽式热电联产机组的蒸汽出口，凝汽式汽轮机11的蒸汽进口与锅炉12的蒸汽出口相连，并且，在锅炉12排出的蒸汽带动下运转，从而带动发电机373组发电，进而保证用户基本用电需求的发电量稳定。
凝汽器13与凝汽式汽轮机11相连，这样，从凝汽式汽轮机11中排出的乏汽可以排入凝汽器13，形成凝结水，从而便于循环回锅炉12中，由此，利用凝汽式汽轮机11 发电效率高、发电不受热负荷影响的特点，通过连续运行，有效地保证了基本用电需求的发电量稳定。
如图1所示，在本发明进一步的示例中，凝汽式热电联产机组还包括加热器14、锅炉供水泵16和第一凝结水泵15，加热器14设在凝汽器13和锅炉12之间，同时，第一换热器51和第二换热器52均与加热器14相连，从而对凝汽器13的凝结水、以及第一换热器51和第二换热器52中凝结水进行预加热，锅炉供水泵16设在锅炉12和加热器 14之间，第一凝结水泵15设在加热器14和凝汽器13之间，从而保证凝汽式热电联产机组的循环运转。
如图1所示，在本发明的一些实施例中，背压式热电联产机组包括背压式汽轮机21，背压式汽轮机21的蒸汽进口可以形成为背压式热电联产机组的蒸汽进口，背压式汽轮机21的蒸汽出口可以形成为背压式热电联产机组的蒸汽出口。
控制装置包括入口阀41、旁路阀42、热端阀43和冷端阀44，入口阀41设在背压式汽轮机21的蒸汽出口与能量分离装置30的进汽口31之间，旁路阀42设在背压式汽轮机21的蒸汽出口与第二换热器52之间，热端阀43设在热端出口331与第二换热器 52之间，冷端阀44设在冷端出口321与第一换热器51之间，也就是说，入口阀41、能量分离装置30、热端阀43串联连接，并且，入口阀41、能量分离装置30、热端阀 43串联后与旁路阀42并联连接。
这样，当旁路阀42关闭，入口阀41、热端阀43和冷端阀44打开时，背压式热电联产机组进入可调供热模式运行，从而可以通过能量分离装置30精确控制低温蒸汽流和高温蒸汽流的温度和流量比，从而准确控制供热能力，并且实现多级加热，进而实现供热能力随着热负荷变化而稳定可调、同时也能够保证发电量稳定，适应不稳定热负荷的工况(如季节性热负荷等)。
当旁路阀42打开，入口阀41、热端阀43和冷端阀44关闭时，背压式热电联产机组进入直接循环模式，背压式汽轮机21的乏汽直接进入第二换热器52对热网机组中的冷媒进行加热，从而实现压力损失小、供热能力稳定以及发电量稳定，适应长期稳定热负荷工况(如工业生产工艺热负荷等)。
如图2和图3所示，在本发明的一些实施例中，能量分离装置30包括涡流腔体34、高温管33、低温管32和整流件35，涡流腔体34与背压式热电联产机组的蒸汽出口相连，高温管33的左端与涡流腔体34的一侧(如右端)连通，低温管32的右端与涡流腔体34的另一侧(如左端)连通，高温管33与低温管32同轴布置，整流件35沿高温管33的轴向方向延伸，并且整流件35贯穿设于高温管33、涡流腔体34以及低温管32 内。
进一步地，低温管32的内壁、高温管33的内壁分别形成有螺旋通道，螺纹通道可以沿高温管33和低温管32的轴向螺旋延伸，并且，孔板36设在低温管32与涡流腔体 34的连通处，从而保证在蒸汽流动和能量分离原理作用下分离的低温蒸汽流可以通过孔板36进入第一换热器51换热。
这样，背压式热电联产机组的蒸汽可以从进汽口31沿涡流腔体34的切向方向进入涡流腔体34内，从而形成涡流，由于低温管32的入口具有孔板36阻隔，蒸汽流沿高温管33的螺旋通道做高速螺旋运动，并且，其流动的涡流特性同时沿高温管33的延伸方向逐渐减弱，从而在蒸汽流动和能量分离原理下，外层蒸汽流的运动引起高温管33 内芯部形成由高温管33的热端出口331指向低温管32的压力梯度，在压力梯度的作用下，形成由高温管33的热端出口331指向低温管32的返流。
由此，在蒸汽流动和能量分离原理作用下，蒸汽流流动过程中，外层气流温度升高，从高温管33的热端出口331流出，内层返流蒸汽流温度降低，通过孔板36从低温管32 流出，从而形成高温蒸汽流和低温蒸汽流，进而实现对于蒸汽的能量分离作用，保证对于热网机组的多级加热作用。
如图2和图3，在本发明的进一步示例中，高温管33的远离涡流腔体34的一端(如图3中右端)形成所述热端出口331，低温管32的远离涡流腔体34的一端(如图3中的左端)形成所述冷端出口321。
如图3，在本发明的进一步示例中，能量分离装置30还包括调节控制阀，调节控制阀设在高温管33内，并且邻近热端出口331布置。这样，利用调节控制阀可以实现对热端出口331的流道开度调节，从而实现对能量分离装置30中的高温蒸汽流和低温蒸汽流的温度和流量比的控制，进而实现在不同热负荷条件下的精确控制供热能力，保证供热能力随着热负荷变化而稳定可调、发电量稳定。
如图3，在本发明的进一步的示例中，调节控制阀包括环形止挡部371、锥塞372 和电机373，环形止挡部371设在高温管33的内壁，环形止挡部371中部形成贯通通道，锥塞372朝向环形止挡部371得一侧(如图3中的左侧)形成锥面，锥面和环形止挡部 371之间限定出的汽流通道形成喉部，电机373与锥塞372相连，锥塞372在电机373 的驱动下可以沿高温管33的轴向方向移动，从而使得当锥塞372向左侧移动时，锥面和环形止挡部371形成喉部汽流通道开度减小，当锥塞372向右侧移动时，锥面和环形止挡部371形成的喉部汽流通道开度逐渐增大至喉部完全打开。
由此，通过锥塞372移动实现喉部的开度调节，进而实现对高温蒸汽流和低温蒸汽的流量比的控制，保证对于供热能力的精确控制，实现随着热负荷变化而稳定调节热供应量且维持供电量稳定。
如图3，在本发明的一些示例中，整流件35大致形成为管状结构，整流件35设有螺旋纹，螺旋纹沿整流件35的外周壁轴向延伸，从而在蒸汽流动和能量分离原理下进一步保证蒸汽流的能量分离。
如图1，在本发明的一些实施例中，热网机组还包括第三换热器53，第三换热器53与第二换热器52相连，第三换热器53与凝汽式热电联产机组的蒸汽出口相连，例如，第三换热器53可以设在锅炉12的蒸汽出口与加热器14之间。
由此，当热网机组的热负荷较大时，例如处于尖峰供热期，可以利用控制装置打开凝汽式热电联产机组的蒸汽出口与第三换热器53的连通通道，使得凝汽式热电联产机组的蒸汽直接进入第三换热器53，通过第三换热器53直接对热网机组中的冷媒进行多级加热，直接参与热网机组的换热，保证供热稳定，实现尖峰供热期的热电厂最大供热能力。
如图1，在本发明的一些示例中，乏汽余热循环系统100还包括凝结水箱70，第一换热器51、第二换热器52以及第三换热器53均与凝结水箱70相连，并且通过凝结水箱70与凝汽式热电联产机组相连，从而将第一换热器51、第二换热器52以及第三换热器53的换热后的蒸汽冷凝，便于余热利用，节约能源。
如图1，在本发明的一些示例中，控制装置还包括减温减压器61和流量调节阀62，减温减压器61和流量调节阀62串联设置在凝汽式热电联产机组的蒸汽出口与第三换热器53之间，通过减温减压器61和流量调节阀62可以有效地对凝汽式热电联产机组的排出的蒸汽进行减温、减压以及流量调节，从而实现凝汽式热电联产机组的直接供热循环，保证对热网机组的供热能力，同时，也保证乏汽余热循环系统100的安全性。
如图1，在本发明的一些示例中，乏汽余热循环系统100还包括第二凝结水泵81、循环水泵82以及除污器90，凝结水泵设在加热器14与凝结水箱70之间以保证第一换热器51、第二换热器52以及第三换热器53的换热后形成的凝结水的循环运行，循环水泵82、除污器90设在热网机组的回水管路，从而保证进入多级换热器(第一换热器51、第二换热器52以及第三换热器53)的使用可靠性，延长使用寿命。
根据本发明实施例的乏汽余热循环系统100的其他构成以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
