带可调节闪蒸系统的余热发电方法及余热发电系统

摘要

本发明公开了一种带可调节闪蒸系统的余热发电工艺。其优势在于该余热发电系统即使在废烟气温度大幅波动条件下，通过特定曲线控制省煤器出口温度及相关参数，由专家管理系统软件主动控制闪蒸汽量，平衡进入蒸发受热面的水量，使部分省煤器出口的水经闪蒸主动调节装置组合控制器送入闪蒸器，产生的低压饱和闪蒸汽进入汽轮发电机组发电。该余热发电系统利用闪蒸特性，把大的扰动化解为可控制的小的起伏，达到使系统平稳运行的目的，从根本上杜绝因系统不稳定而造成的锅炉解列、停机等现象的发生，从而保证了系统长期平稳运行，提高了实际发电效益。该系统可应用于水泥、冶金、发电等有余热资源的行业，具有广泛的应用价值。

权利要求

1.一种带可调节闪蒸系统的余热发电方法，该方法通过对余热锅炉省煤器进水量进行调节来控制省煤器出口的水温，在烟气波动情况下控制进入闪蒸器的水量来调节闪蒸系统的液位高度，实现对余热发电系统的闪蒸系统的调节，其特征在于，所述的调节方法是根据工艺上废烟气的波动情况对余热发电系统的闪蒸系统进行主动调节，该主动调节包括：在闪蒸器汽空间通向凝汽器安装调节阀，通过该调节阀按给定条件进行调节，使进入汽轮机的闪蒸汽量和参数在最合理的范围之内且闪蒸器不过压，进入汽轮机的二次汽的参数符合汽轮机长期安全运行的要求；

所述对闪蒸器调节参数除了省煤器出口的水温，同时也包括相关的闪蒸器的水位、热井水位以及汽包水位，以达到调节在烟气波动情况下进入闪蒸器的水量，使余热锅炉整体和系统平稳运行。

2.根据权利要求1所述的余热发电方法，其特征在于，在所述控制省煤器出口的水温时，设定的省煤器出口水温目标值低于系统压力下饱和温度10-20℃。

3.根据权利要求1所述的余热发电方法，其特征在于，所述调节闪蒸器工作压力是通过在闪蒸器蒸汽出口管道设直通凝汽器的旁路以及在所述旁路上设旁路调节阀实现。

4.一种实施如权利要求1-3的余热发电方法的余热发电系统，包括立式锅炉、卧式锅炉、闪蒸器和由汽轮机和发电机组成的汽轮发电机组，其特征在于，所述余热发电系统还包括：一调节组合控制器，根据立式锅炉省煤器出口的水温和相关的闪蒸器的水位、热井水位以及汽包水位调节控制进水量主调节阀和锅炉给水泵，分别控制进入闪蒸器的热水量和进入省煤器的水量；

一进水量主调节阀，安装在闪蒸器的进水管道，根据调节组合控制器指令调节阀门开度以控制从立式锅炉的省煤器进入闪蒸器的热水量；

锅炉给水泵根据调节组合控制器指令调节进入省煤器的水量；

所述的闪蒸器设有旁路管道，直通汽轮发电机组的凝汽器，旁路管道上设旁路调节阀，控制闪蒸器不过压运行。

5.一种实施如权利要求1-3的余热发电方法的余热发电系统，包括立式锅炉、闪蒸器和由汽轮机和发电机组成的汽轮发电机组，其特征在于，所述余热发电系统还包括：一调节组合控制器，根据立式锅炉省煤器出口的水温和相关的闪蒸器的水位、热井水位以及汽包水位调节控制进水量主调节阀和锅炉给水泵，分别控制进入闪蒸器的热水量和进入省煤器的水量；

一进水量主调节阀，安装在闪蒸器的进水管道，根据调节组合控制器指令调节阀门开度以控制从立式锅炉的省煤器进入闪蒸器的热水量；

锅炉给水泵根据调节组合控制器指令调节进入省煤器的水量；

所述的闪蒸器设有旁路管道，直通汽轮发电机组的凝汽器，旁路管道上设旁路调节阀，控制闪蒸器不过压运行。

6.一种实施如权利要求1-3的余热发电方法的余热发电系统，包括卧式锅炉、闪蒸器和由汽轮机和发电机组成的汽轮发电机组，其特征在于，所述余热发电系统还包括：一调节组合控制器，根据卧式锅炉省煤器出口的水温和相关的闪蒸器的水位、热井水位以及汽包水位调节控制进水量主调节阀和锅炉给水泵，分别控制进入闪蒸器的热水量和进入省煤器的水量；

一进水量主调节阀，安装在闪蒸器的进水管道，根据调节组合控制器指令调节阀门开度以控制从卧式锅炉的省煤器进入闪蒸器的热水量；

锅炉给水泵根据调节组合控制器指令调节进入省煤器的水量；

所述的闪蒸器设有旁路管道，直通汽轮发电机组的凝汽器，旁路管道上设旁路调节阀，控制闪蒸器不过压运行。

说明书

带可调节闪蒸系统的余热发电方法及余热发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及余热发电工艺及余热发电系统，尤其涉及带可调节闪蒸系统的余热发电工艺及余热发电系统。该余热发电系统主动调节闪蒸量，充分吸收在波动工况下的烟气余热，保持余热发电系统在工艺排烟温度波动条件下稳定运行。

背景技术

[0002] 进入第十一个五年规划以来，各高耗能行业的工艺废烟气余热的利用已迫切提到日程上来。近年来在水泥、冶金以及部分发电行业改造投入了大量的新型工艺设备和生产线。但配套的烟气余热利用系统远远未充分有效开发和利用。在实际应用中，由于工艺过程的特点，工艺余热烟气的参数大部分是处于波动状态。而且波动幅度经常超出常规余热发电系统设计的可自调节范围，使余热发电系统不能稳定运行。有的波动幅度甚至大到使通常的余热发电系统被迫解列和停炉，余热回收的经济效益无法保证。所以，余热利用不只是简单地设计吸收工艺系统的余热，更重要是应使系统具有主动调节能力，化解工艺烟气余热不稳定性的影响，在吸收波动余热的同时，保持余热发电系统能平稳运行，确保余热回收利用的真正实现。

[0003] 闪蒸技术在世界上早有应用。例如地热发电、核发电等都是利用了闪蒸技术。但是地热发电和核发电都是利用了“可控制”的热源来发电。对于余热发电来说，由于利用的是工艺上的废烟气(废热)，如水泥窑、冶金窑炉等，所以热源的工况不受发电要求的控制，是随主工艺过程的需要而变化的。成功的余热发电就应该适应于主工艺工况的变化，能平稳、充分地利用废热。

[0004] 目前使用的蒸汽轮机发电，一旦设定了蒸汽轮机，它适用的蒸汽参数就被确定，不能随意变化，允许变化的范围也是有限的。当蒸汽的参数发生比较大的波动时，会对汽轮机产生损坏，轻则损坏叶片、降低效率，重则会导致汽轮机的事故。

[0005] 任何的换热设备的设计(包括锅炉)都是有一定的换热条件的，都是针对一定参数(如烟气的进口温度和出口温度)设计的，都受到热平衡和传热学的可能性两方面的约束。锅炉设计一旦定型，都只能适应一定的烟气参数，并在此参数下保证出口蒸汽的参数满足发电用的汽轮机的需要。所以一个真正能平稳、有效运行的余热发电系统必须具有在烟气参数波动的变化条件下的适应性。

[0006] 专利号ZL95201251，名称为“中低温余热蒸汽/热水闪蒸复合发电装置”的专利，提出一种利用闪蒸方法来吸收一部分低品位热能、并以提高发电出力为目的的余热发电装置，但是该专利并没有认识到利用闪蒸的特性对废烟气(废热)参数波动的调节作用的功能。恰恰是主动地适应热源的波动，保持余热发电系统始终稳定正常运行是衡量一个系统运行成功的关键。也就是说，有了余热吸收系统，但不能保持系统的稳定，热量多了不行，少了也不行，仅仅在某些工况下可正常运行，只是以吸收余热为设计目的的闪蒸发电系统，在实际的工艺运行中还达不到所设想的经济效益。

[0007] 按该专利所设计的水泥窑窑头锅炉设计出水温度为220℃(烟气温度250℃)，在实际运行中，当烟气温度波动到330℃时(经常发生)，窑头锅炉省煤器末端产生汽化，使汽包水位调节失效(所谓“汽塞”)，导致窑头炉解列，使发电系统无法正常运行。

发明内容

[0008] 本发明的目的是提出一种带可调节闪蒸系统的余热发电工艺方法和应用该工艺方法的余热发电系统，其利用闪蒸技术对大幅波动的烟气余热发电系统进行主动调节，在系统(锅炉)吸收大量波动的烟气余热后，利用闪蒸技术仅产生少量蒸汽的原理，大大减小了对闪蒸余热发电系统的扰动，保证余热发电系统平稳运行。

[0009] 本发明的目的通过以下方案实现，本发明的带可调节闪蒸系统的余热发电方法，是根据工艺上废烟气的波动情况对余热发电系统的闪蒸系统进行主动调节，减小烟气波动对闪蒸余热发电系统的扰动，保证余热发电系统平稳运行。

[0010] 所述对闪蒸系统进行调节是通过调节在烟气波动情况下进入闪蒸器的水量，对余热锅炉省煤器进水量进行控制，保证省煤器出口不汽化，使余热锅炉整体和系统平稳运行。

[0011] 在闪蒸器汽空间通向凝汽器安装调节阀，通过该调节阀按给定条件进行调节，使进入汽轮机的闪蒸汽量和参数在最合理的范围之内且闪蒸器不过压，进入汽轮机的二次汽的参数符合汽轮机长期安全运行的要求。

[0012] 所述对闪蒸系统进行调节的调节参数包括相关的闪蒸器的水位和热井水位以及汽包水位。

[0013] 本发明的带可调节闪蒸系统的多热源余热发电系统，包括立式锅炉、卧式锅炉、闪蒸器和由汽轮机和发电机组成的汽轮发电机组，所述余热发电系统还包括：

[0014] 一进水量主调节阀，安装在闪蒸器的进水管道，控制从余热锅炉的省煤器进入闪蒸器的热水量；

[0015] 一调节组合控制器，根据余热锅炉省煤器的出口温度和相关的闪蒸器的水位、热井水位以及汽包水位调节控制进水量主调节阀和锅炉给水泵，分别控制进入闪蒸器的热水量和进入省煤器的水量；

[0016] 锅炉给水泵根据调节组合控制器指令调节进入省煤器的水量；

[0017] 所述的闪蒸器设有旁路管道，直通汽轮发电机组的凝汽器，旁路管道上设旁通调节阀，由所述的调节组合控制器控制，保证闪蒸器不过压运行。

[0018] 本发明还提供一种带可调节闪蒸系统的单热源余热发电系统，包括余热锅炉，该余热锅炉为立式锅炉或卧式锅炉、闪蒸器和由汽轮机和发电机组成的汽轮发电机组，所述余热发电系统还包括：

[0019] 一进水量主调节阀，安装在闪蒸器的进水管道，控制从立式锅炉或卧式锅炉的省煤器进入闪蒸器的热水量；

[0020] 一调节组合控制器，根据立式锅炉或卧式锅炉省煤器的出口温度和相关的闪蒸器的水位、热井水位以及汽包水位调节控制进水量主调节阀和锅炉给水泵，分别控制进入闪蒸器的热水量和进入省煤器的水量；

[0021] 锅炉给水泵根据调节组合控制器指令调节进入省煤器的水量；

[0022] 所述的闪蒸器设有旁路管道，直通汽轮发电机组的凝汽器，旁路管道上设旁通调节阀，由所述的调节组合控制器控制，保证闪蒸器不过压运行。

[0023] 本发明的带可调节闪蒸系统的余热发电工艺，其参数匹配和优化是以通过调节在烟气波动情况下进入闪蒸器的水量，对余热锅炉省煤器进水量进行控制，保证省煤器出口不汽化，使余热锅炉整体(蒸发受热面、过热器)和系统的平稳运行，保证实现闪蒸蒸汽的主动调节的目的。和一般以吸热闪蒸使发电量最大化为目标的闪蒸系统相比有明显的不同。

[0024] 由于在系统中的主动调节系统是运用了闪蒸原理，系统不只可以充分吸收低温烟气的热量，还可以充分吸收在烟气温度大幅波动情况下的烟气热量，对于没有腐蚀性烟气利用后的烟气排烟温度可降至90℃左右。

[0025] 由于余热发电系统的闪蒸系统是利用了主动调节系统，以调节系统适应性为目的，所以选择较低的闪蒸压力就可以满足调节功能，因此也降低了厂用电率。

[0026] 正确的主蒸汽参数和闪蒸蒸汽参数的匹配和组合，同样可以保证高的发电出力(同时满足闪蒸主动调节的需要)。

[0027] 本系统使闪蒸汽轮机有了更安全的运行环境，使运用闪蒸蒸汽的汽轮机的成本更低。

附图说明

[0028] 图1是带可调节闪蒸系统的多热源的余热发电工艺系统示意图；

[0029] 图2是带可调节闪蒸系统和以立式锅炉为单热源的余热发电工艺系统示意图；

[0030] 图3是带可调节闪蒸系统和以卧式锅炉为单热源的余热发电工艺系统示意图。

[0031] 其中

[0032] 1立式锅炉 2省煤器

[0033] 3蒸发受热面 4过热器

[0034] 5汽包 6卧式锅炉

[0035] 7省煤器 8蒸发受热面

[0036] 9过热器 10循环水泵

[0037] 11汽包 12闪蒸器

[0038] 13汽轮机 14发电机

[0039] 15凝汽器 16凝结水泵

[0040] 17给水泵 18调节组合控制器

[0041] 19进水量主调节阀 20闪蒸器旁通调节阀

具体实施方式

[0042] 本发明的带可调节闪蒸系统的余热发电工艺主要是围绕闪蒸器为中心的主动调节。按照经过计算的比例关系，设定去闪蒸器水量调节阀的最大开度和最小开度，通过调节闪蒸器进口的水量来控制省煤器的进水量，使锅炉的省煤器在工艺烟气温度大幅波动的情况下不汽化；同时为了保证进入汽轮机的闪蒸汽量和参数在最合理的范围之内，通过闪蒸器汽空间通向凝汽器的调节阀按给定条件进行调节，保证闪蒸器不过压，安全正常运行，并使进入汽轮机的二次汽的参数符合汽轮机长期安全运行的要求。相关的闪蒸器的水位和热井水位以及汽包水位调节则同样由控制系统同时完成对系统内各水位的调节。

[0043] 关于闪蒸器的调节，主要以窑头余热锅炉省煤器出口水温为调节基准，设计锅炉给水泵保证相当的富余量，调节闪蒸器进水阀开度，达到通过调节省煤器内的水的流量来控制省煤器出口的水温，与此同时尽可能保证充分吸收废气余热。具体的调节方式是：首先通过控制系统按锅炉给水泵的最小水量要求设定一个闪蒸器进水阀最小开度。在这个开度之上，根据系统压力设定一个省煤器出口水温目标值(低于系统压力下饱和温度10-20℃)，温度越高开度越大，现场根据运行情况整定调节特征参数，直至开到100％。闪蒸器蒸汽出口管道设有旁路直通凝汽器。旁路上设旁通调节阀，以闪蒸器工作压力为目标值，闪蒸器工作压力超过设计值时开始开启旁路调节阀，以保证闪蒸器不过压运行。而闪蒸器水位则通过控制系统控制调节凝结水泵出口阀门来实现.

[0044] 以下结合附图对本发明详细说明如下：

[0045] 本发明的带可调节闪蒸系统的余热发电工艺系统主要由锅炉、闪蒸器、汽轮机、发电机、凝汽器、水泵、闪蒸主动调节组合控制器和相应的专家管理软件等组成。可应用于多热源系统或单热源系统，可以用于立式锅炉或卧式锅炉。

[0046] 图1为带可调节闪蒸系统的多热源的余热发电工艺系统示意图。如图所示，所述多热源系统由一台立式锅炉1、一台卧式锅炉6和一套由汽轮机13和发电机14组成的汽轮发电机组组成。所述立式锅炉1中的省煤器2的出口之一接至本锅炉1的汽包5，通过蒸发受热面3及过热器4后的过热蒸汽引入汽轮机13，带动发电机14做功发电。省煤器2的出口之二接至卧式锅炉6的汽包11，通过循环水泵10和蒸发受热面8及过热器9后的过热蒸汽汇同过热器4中的过热蒸汽一同引入汽轮机13带动发电机14做功发电。省煤器2的出口之三经闪蒸主动调节组合控制器18接至闪蒸器12。闪蒸器12出口的闪蒸汽接入汽轮机13，带动发电机14发电，闪蒸器12下方出口的水汇同从汽轮机13的排汽与经凝汽器15进入凝结水泵16的水共同进入给水泵17，供给立式锅炉1中的省煤器2进行循环。

[0047] 闪蒸主动调节组合控制器(18)的专家管理系统软件通过对各相关数据的处理由控制器调节，达到对系统主动调节的目的。

[0048] 闪蒸器12设有旁路直通凝汽器15。旁路上设旁通调节阀20，以闪蒸器12工作压力为目标值，闪蒸器12工作压力超过设计值时开始开启旁通调节阀20，以保证闪蒸器12不过压运行。而闪蒸器12水位则通过控制系统控制调节凝结水泵出口阀门来实现.[0049] 图2是带可调节闪蒸系统的单热源的余热发电工艺系统示意图。如图所示，该系统由一台立式锅炉1和一套汽轮发电机组组成。所述立式锅炉1中的省煤器2的出口之一接至汽包5，通过蒸发受热面3及过热器4后的过热蒸汽引入汽轮机13，带动发电机14做功发电；另一出口经控制器18以及闪蒸器进水量主调节阀19接至闪蒸器12，闪蒸器12出口的闪蒸汽接入汽轮机13带动发电机14发电。闪蒸器12汽空间与凝汽器连接管设置调节阀20，闪蒸器12下方出口的水汇同从汽轮机13的排汽经凝汽器15进入凝结水泵16的水共同进入给水泵17供给锅炉的省煤器2进行循环。

[0050] 闪蒸主动调节组合控制器18的专家管理系统软件通过对各相关数据的处理由控制器调节，达到对系统主动调节的目的。

[0051] 图3是带可调节闪蒸系统和以卧式锅炉为单热源的余热发电工艺系统示意图。该系统由一台卧式锅炉6和一套汽轮发电机组组成，该卧式锅炉6包括省煤器7、蒸发受热面8和过热器9，它的工作原理和调节方式与图2所示的以立式锅炉为单热源的余热发电工艺基本相同。

[0052] 在本发明的带可调节闪蒸系统的余热发电工艺系统例如当应用于2500d/t水泥生产线的余热发电工艺系统，设计窑头废气温度为350℃。当窑头废气温度向上波动到450℃(高于设计温度100℃以上)时，如没有闪蒸主动调节组合控制器，窑头锅炉省煤器末端会出现汽化，锅炉汽包给水调节失效，将导致整个窑头余热锅炉的解列。

[0053] 按照本发明的带可调节闪蒸系统的余热发电系统由于增加了闪蒸主动调节组合控制器，用专家管理系统软件分析计算后，在窑头入口废气温度从350℃逐步上升至450℃时，可以从下表中明显的看到系统在过程当中不会产生汽化，使系统仍然保持稳定运行。

[0054]窑头废气温度
350 370 390 410 430 450
(℃)
给水温度(℃) 70 72.3 75.1 78.7 81.4 83.6
给水流量(t/h) 29.52 32.86 36.20 39.54 42.87 46.21
省煤器出口温度
185 187.3 193.4 196.8 198.4 199.1
(℃)
入窑头炉汽包流
7.88 8.06 8.32 8.39 8.58 8.71
量(t/h)
入闪蒸器给水流
13.58 16.74 19.91 23.1 26.21 29.44
量(t/h)
出闪蒸器蒸汽流
1.15 1.43 1.71 2.11 2.21 2.50
量(t/h)
闪蒸器进凝汽器蒸
微量 微量 微量 微量 微量 微量
量(t/h)