利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的方法及装置

摘要

本发明涉及利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的方法及装置，其特征在于：在燃气-蒸汽联合机组的凝汽器排水端设置一升压泵，以抽取位于蒸汽轮机蒸汽循环冷端的凝汽器的冷却水回水，送入燃料气加热系统的水-气换热结构中；利用燃气-蒸汽联合机组的凝汽器排水端的热水，在水-气换热结构与燃气-蒸汽联合机组的燃气进行热交换，将常温外接燃料气加热到燃气轮机要求的燃气温度；将与燃气换热后的冷却水回水连通凝汽器的进水端形成冷却水回水闭环循环回路，或者将与燃气换热后的冷却水回水向外排形成冷却水回水开放式循环，凝汽器的进水端外接冷却水。本发明在提高机组运行经济性的同时，减少污染排放，大幅增加经济效益和社会效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的方法及装置，属于节能减排发电设备技术领域。

技术背景

目前，由于燃气轮机具有效率高、造价低、环境友好、占地少、调控灵活等优点，因此在以燃气轮机为主机的发电机组中得到广泛应用，已经成为世界各国为实现节能减排而积极发展的发电技术。

以燃气轮机和蒸汽轮机为主机的发电机组，是在燃气轮机中通过燃烧一定参数的气体燃料，产生的烟气做功发电，其排烟将剩余的热量带入余热锅炉内加热介质水变为蒸汽，高参数蒸汽进入蒸汽轮机，同时蒸汽轮机配置凝汽器，通过冷却水冷却蒸汽轮机的排汽形成负压，使得蒸汽轮机能做功发电或者供热。

燃料的传统加热方式一般需要消耗额外的燃料或其他能源来实现，其主要形式可以分为一次能源加热和二次能源加热两种类别。

在电厂里普遍采用的是电加热方式和水浴炉方式等一次能源加热方式。电加热方式是通过在燃料管道上缠绕发热电阻丝，或者使燃料通过电加热器进行加热，这种方式都需要消耗较多的电能，使机组厂用电增加，降低供电效率。水浴炉方式是从气体燃料中间抽取部分燃料燃烧加热介质水，通过高温水汽再加热主气体燃料，这种方式直接消耗了额外的燃料，效率较低并增加发电成本。

近年发展有二次能源加热燃料气方式，包括辅助蒸汽加热方式和采暖回水加热方式。辅助蒸汽加热方式是从蒸汽轮机中抽出高品位蒸汽直接加热燃料气，这种方式不像一次能源加热方式直接消耗燃料或者能源成品，而是使燃料进入发电机组燃烧做了一部分功后中间抽取能量，较一次能源有节能改进，但是高品位蒸汽本可以在蒸汽轮机继续做功，因此这种方式仍旧是高能低用方式。采暖回水加热方式，则是北方地区通过采暖回水先加热燃料，回水被冷却后再回到热力系统中继续加热到供暖热水温度，虽然回水温度较低，属于低能低用的方式，但回水被冷却后需要更多的热量加热到供暖热水温度，本质上仍需要消耗额外的能源加热燃料气。

如图3所示，目前，大多数联合循环电厂采用水浴炉加热燃料气。在电厂外管网供气管道上分一部分在水浴炉中单独燃烧，其高温烟气加热常温介质水成为热水和水蒸气，利用水蒸气的气化潜热继而加热主燃料气。介质水在壳体内由水变成水蒸气，然后又由水蒸气冷凝成水，密闭循环，启动前一次性加入水之后不需要再补水。系统主要由水浴炉、烟囱、启动电加热器、调压器和燃料气管线组成。该技术利用了燃料气的特性，燃烧燃料气产生的热量加热自身主燃料气，系统设置简单，但存在如下缺点：(1)在机组运行的全过程更需要长期保持燃料气的额外消耗，浪费能源，增加电厂运营成本。(2)通过中间介质水二次加热燃料气，能源利用效率较低，排放的烟气温度较高，污染环境。(3)水浴炉内存在热水和水蒸气并存的介质，使得管道“两相流”振动风险较大，容易产生爆管等安全事故，存在安全隐患。(4)燃料气分多支路运行和控制，不利于可燃气体泄漏监测，存在较高的燃气泄漏和爆燃等安全风险。

此外，如图4所示，可以利用电厂内部蒸汽循环系统中的高品位辅助蒸汽加热主燃料气。具体是：燃料气通过燃气轮机做功发电，排烟余热加热蒸汽进入蒸汽轮机做功发电，高热值的蒸汽在蒸汽轮机内中间被抽取一部分，通往燃气轮机燃料加热系统，通过蒸汽-燃气换热器加热主燃料气。系统效率较消耗一次能源加热方式得到改进，但存在如下缺点：(1)加热介质品位高，高能低用，不符合能源梯级利用的节能思路。(2)被抽取辅助蒸汽加热低品位的燃料气，使电厂的发电效率减小，降低了运行经济性。(3)蒸汽温度较高，管道的安全要求等级较高，提高了加热系统设备造价。(4)由于换热器有破管的风险，燃料气有可能窜入蒸汽和凝结水系统中，泄漏的燃料气随即被带入热力系统的管道和设备中，有再泄漏和爆燃的安全隐患。

发明内容

本发明的目的之一，是为了解决现有加热燃料气存在浪费能源、污染环境和安全隐患的问题，提供一种利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的方法。具有节能高效、减少污染物排放和保障机组安全运行的特点。

本发明的目的之二，是为了解决现有加热燃料气存在浪费能源、污染环境和安全隐患的问题，提供一种利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的装置。

本发明的目的之一可以通过采取如下技术方案达到：

利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的方法，其特征在于：

1)在燃气-蒸汽联合循环机组的凝汽器排水端设置一升压泵，以抽取位于蒸汽轮机蒸汽循环冷端的凝汽器的冷却水回水，经过升压泵提升压力后，送入燃料气加热系统的水-气换热结构中，由升压泵提升的压力以克服加热系统设备的阻力为准；

2)利用燃气-蒸汽联合循环机组的凝汽器排水端的热水，在水-气换热结构与燃气-蒸汽联合循环机组的燃气进行热交换，将常温外接燃料气加热到燃气轮机要求的燃气温度；

3)将与燃气换热后的冷却水回水排进与大气联通的蓄水池，将蓄水池的出水端连通凝汽器的进水端形成冷却水回水闭环循环回路，或者通过冷却塔连通凝汽器的进水端形成冷却水回水闭环循环回路；或者将与燃气换热后的冷却水回水向外排形成冷却水回水开放式循环，凝汽器的进水端外接冷却水。

本发明的目的之一还可以通过采取如下技术方案达到：

进一步地，第2)点所述的利用水-气换热结构，将燃气-蒸汽联合循环机组的外接燃料气加热，是指水-气换热结构的管内流通燃料气，管外流通凝汽器的冷却水回水，两种介质换热后燃料气被加热到燃气轮机要求的温度。

进一步地，所述燃气-蒸汽联合循环机组包括燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机，燃料气加热系统的出气端连通燃气轮机的进气端，燃气轮机的排气端连通余热锅炉的进气端，余热锅炉的蒸汽输出端蒸汽轮机的蒸汽输入端，蒸汽轮机的排汽端连通凝汽器的进汽端。

进一步地，所述燃气轮机的气体燃料为可燃性气体燃料，可以包括天然气、煤气和工业废气等可燃气体。

本发明的目的之二可以通过以下技术方案实现：

利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的装置，包括燃气-蒸汽联合循环机组，其 结构特点于：在燃气-蒸汽联合循环机组的凝汽器排水端设置升压泵，在燃气-蒸汽联合循环机组的燃气输入端设置水-气换热结构；所述凝汽器的排水端连通升压泵的进水端以输出热水，升压泵的出水端连通水-气换热结构的进水端，水-气换热结构的进气端连通外接燃气、出气端连通燃气-蒸汽联合循环机组的进气端，形成气体加热回路；水-气换热结构的排水端连通蓄水池的进水端，蓄水池的出水端连通凝汽器的进水端或通过冷却塔连通凝汽器的进水端，构成冷却水回水闭环循环回路；或者水-气换热结构的排水端直接连通外界向外排水形成冷却水回水开放式循环，凝汽器的进水端外接冷却水。

本发明的目的之二还可以通过采取如下技术方案达到：

进一步地，所述燃气-蒸汽联合循环机组包括燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机，水-气换热结构的出气端连通燃气轮机的进气端，燃气轮机的排气端连通余热锅炉的进气端，余热锅炉的蒸汽输出端蒸汽轮机的蒸汽输入端，蒸汽轮机的排气端连通凝汽器的进气端。

进一步地，所述水-气换热结构，为管式换热器结构或者板式换热器结构。

本发明具有以下突出的实质性特点和有益效果：

1、本发明是在燃气-蒸汽联合循环机组的凝汽器排水端设置一升压泵，以抽取位于蒸汽轮机蒸汽循环冷端的凝汽器的冷却水回水，经过升压泵提升压力后，送入燃料气加热系统的水-气换热结构中利用燃气-蒸汽联合循环机组的凝汽器排水端的热水，在水-气换热结构与燃气-蒸汽联合循环机组的燃气进行热交换，将常温外接燃料气加热到燃气轮机要求的燃气温度；可以提高电厂工程全热力系统的效率，节能降耗，达到废热回收，不需要消耗额外的能源，做到能源的梯级利用，减少电厂的运行成本，提高经济效益；在提高机组运行经济性的同时，减少污染排放，大幅增加经济效益和社会效益。

2、本发明由于将蓄水池的出水端连通凝汽器的进水端形成冷却水回水闭环循环回路，或者通过冷却塔连通凝汽器的进水端形成冷却水回水闭环循环回路；因此具有减少凝汽器回水对外热量污染排放、避免传统一次能源加热方式中的高温烟气污染排放，提高社会效益等有益效果。

3、本发明由于水-气换热结构的排水端连通蓄水池的进水端，蓄水池的出水端连通凝汽器的进水端或通过冷却塔连通凝汽器的进水端，构成冷却水回水闭环循环回路；因此凝汽器回水压力和温度较低，在输送和换热过程中，所经过的设备因介质参数较低，设备压力等级要求低，因此设备本身运行安全性较高，系统一次性投入成本较低，寿命长。

4、本发明凝汽器回水换热后排入联通大气的蓄水池，排放端开放，即使在换热过程中有燃料气泄漏进入冷却水系统，最终将在蓄水池中排空大气稀释，减少可燃气体聚集爆燃的安全隐患，更避免被带入进蒸汽轮机为主的蒸汽循环热力系统，降低人身安全风险。

5、本发明凝汽器回水被冷却后，可以大幅降低冷却水在原闭式循环系统中冷却塔风机功率，使冷却水冷端运行更加节能，减少厂用电，提高机组运行经济性。燃料气得到稳定的加热热源，保障了燃气轮机乃至电厂的安全运行。符合国家推行的深度节能减排政策，利用本发明可以使电厂投资和运营方较易实现节能减排目标，在电力市场中更具竞争力和生命力。

附图说明

图1是本发明利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的装置的具体实施例1结构示意图。

图2是本发明利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的装置的具体实施例2结构示意图。

图3为现有利用传统水浴炉加热气体燃料的装置的一种结构示意图。

图4为现有利用辅助蒸汽加热气体燃料的装置的另一种结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施例1：

参照图1，本实施例涉及的利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的装置，包括燃气-蒸汽联合循环机组，在燃气-蒸汽联合循环机组的凝汽器4排水端设置升压泵6，在燃气-蒸汽联合循环机组的燃气输入端设置水-气换热结构5；所述凝汽器4的排水端连通升压泵6的进水端以输出热水，升压泵6的出水端连通水-气换热结构5的进水端401，水-气换热结构5的进气端501连通外接燃气、出气端502连通燃气-蒸汽联合循环机组燃气轮机1的进气端，形成气体加热回路；水-气换热结构5的排水端402连通蓄水池7的进水端，蓄水池7的出水端通过冷却塔8连通凝汽器4的进水端，构成冷却水回水闭环循环回路。

本实施例中： 

所述燃气-蒸汽联合循环机组包括燃气轮机1、余热锅炉2和蒸汽轮机3，水-气换热结构5的出气端502连通燃气轮机1的进气端，燃气轮机1的排气端503连通余热锅炉2的进气端，余热锅炉2的蒸汽输出端蒸汽轮机3的蒸汽输入端，蒸汽轮机3的排汽端303连通凝汽器4的进汽端。所述水-气换热结构5，为管式换热器结构或者板式换热器结构。

本实施例涉及的利用凝汽器冷却水回水废热加热气体燃料的方法，其特征在于：

1)在燃气-蒸汽联合循环机组的凝汽器排水端设置一升压泵，以抽取位于蒸汽轮机蒸汽循环冷端的凝汽器的冷却水回水，经过升压泵提升压力后，送入燃料气加热系统的水-气换热结构中，由升压泵提升的压力以克服加热系统设备的阻力为准；

2)首先利用燃气-蒸汽联合循环机组的凝汽器排水端的热水，在水-气换热结构与燃气-蒸汽联合循环机组的燃气进行热交换，将常温外接燃料气加热到燃气轮机要求的燃气温度，然后将与燃气换热后的冷却水回水排进与大气联通的蓄水池；

3)将蓄水池的出水端连通凝汽器的进水端形成冷却水回水闭环循环回路，或者通过冷却塔连通凝汽器的进水端形成冷却水回水闭环循环回路；或者将蓄水池的蓄水向外排形成冷却水回水开放式循环，凝汽器的进水端外接冷却水。

进一步地，第2)点所述的利用水-气换热结构，将燃气-蒸汽联合循环机组的外接燃料气加热，是指水-气换热结构的管内流通燃料气，管外流通凝汽器的冷却水回水，两种介质换热后燃料气被加热到燃气轮机要求的温度。

进一步地，所述燃气-蒸汽联合循环机组包括燃气轮机、余热锅炉和蒸汽轮机，燃料气加热系统的出气端连通燃气轮机的进气端，燃气轮机的排气端连通余热锅炉的进气端，余热锅炉的蒸汽输出端蒸汽轮机的蒸汽输入端，蒸汽轮机的排汽端连通凝汽器的进汽端。

进一步地，所述燃气轮机的气体燃料为可燃性气体燃料，可以包括天然气、煤气和工业废气等可燃气体。

具体实施例2：

参照图2，本实施例的特点是：水-气换热结构5的排水端402直接连通外界向外排水形成冷却水回水开放式循环，凝汽器的进水端外接冷却水。其余同具体实施例1。

具体实施例3：

本实施例3的特点是：水-气换热结构5的排水端402连通蓄水池7的进水端，蓄水池7的出水端直接连通凝汽器4的进水端，构成冷却水回水闭环循环回路。其余同具体实施例1。

本发明是以燃气轮机和蒸汽轮机为主机，凝汽器为辅机的联合循环工程，凝汽器冷却水被蒸汽轮机排汽冷端加热后，其回水的部分或者全部流量经过升压泵升压用以克服后续工艺流程的阻力，然后进入燃料气加热系统中的气-水管式换热器，燃料气被加热到燃气轮机燃烧室进气温度要求。同时凝汽器冷却水回水被冷却后，排入循环冷却水冷却通风塔前蓄水池，其中蓄水池与大气相同。本技术方案在节能的同时大幅减少对外排热污染，具有较高的经济和社会效益。

本发明为了遵循能源的梯级利用原则，避免消耗额外的燃料和电能，或者采用高品位介质等高能低用的加热方式。此外，在不增加电厂额外的运行成本前提下，回收电厂废热，保障机组正常安全运行，减少对外环境的污染排放，同时还能减少燃气泄漏造成的安全隐患，以及减少设备安全等级所增加的防护成本，从而提高机组的安全性和经济性。

燃料气包括燃气轮机可以燃烧的所有类型气体燃料，包括天然气、煤气、工业废气等可燃气体。

凝汽器回水包括通入凝汽器中用以冷却蒸汽轮机排汽的所有类型水质的冷却水，包括海水、淡水、城市中水等。

开式循环系统是指排放端为海、江、河、湖以及城市中水处理站等对外开放终端。闭式循环系统是指排放端为循环水机力冷却塔、自然通风冷却塔、空冷塔前蓄水池。

闭式循环排放系统中的蓄水池是与大气联通的开放终端。

燃料调压站系统是燃气轮机燃料处理系统中最重要的一环。气体燃料在降压过程中由于其自身物理特性，温度也随着压力的降低而下降，为了满足燃气轮机的进气温度，也为了防止气体燃料结冰出现堵塞(冰堵)，因此需要先对燃料进行加热，以保障机组的安全正常投运。

气体燃料调压加热系统是燃气轮机技术的主要工艺系统，包括调压和加热两部分。外管网中的燃料气体输送压力往往较高以满足大面积长距离用户的需要，此时需要调节燃料压力满足燃气轮机的进气压力要求才能使其正常安全运行。气体燃料在降压过程中由于其自身物理特性，温度也随着压力的降低而下降，为了满足燃气轮机高效安全运行的进气温度，也为了防止气体燃料结冰出现堵塞(冰堵)，因此需要先对燃料进行加热，以保障机组的安全正常投运。

循环冷却水系统是燃气蒸汽联合循环或者多联产工程的蒸汽循环冷端热力系统。冷却水通过凝汽器冷却蒸汽轮机汽缸的排汽形成负压，此时凝汽器冷却水被蒸汽加热后在传统设计中一般对空排放，包括对江河湖海等环境的直接排放，或者经过通风冷却塔使废热对 大气环境排放。凝汽器冷却水回水的废热排放是所有电厂热力系统能源利用过程中最主要的能量损失。