一种集成垃圾-燃气-蒸汽的整体联合循环发电系统 |
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| 申请号 | CN201710632789.6 | 申请日 | 2017-07-28 | 公开(公告)号 | CN107327326A | 公开(公告)日 | 2017-11-07 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 陈坚红; 洪细良; 吕浩; 盛德仁; 李蔚; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开一种集成垃圾-燃气- 蒸汽 的整体联合循环发电系统，包括垃圾焚烧炉、余热 锅炉 以及依次连接的 压气机 、 燃烧室 、透平、 汽轮机 和发 电机 ；垃圾焚烧炉的出口蒸汽和 余热锅炉 中 温度 相近的蒸汽混合后进入余热锅炉高温段进行加热 过热 ，利用透平出口的高温烟气作为热源，加热余热锅炉内的混合蒸汽进入汽轮机做功，做功后的乏汽冷凝成 水 后进入余热锅炉和垃圾焚烧炉构成热 力 循环。本发明变废弃的垃圾为 能源 ，多源互补，在余热锅炉中提高垃圾焚烧炉产生的蒸汽的参数，提高垃圾焚烧炉产生的蒸汽在蒸汽循环发电的热效率和功率，同时又避免了焚烧炉在高温情况下 腐蚀 加剧的问题，延长垃圾焚烧炉的寿命，具有运行可靠度高、污染物排放少等特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种集成垃圾-燃气-蒸汽的整体联合循环发电系统，包括垃圾焚烧炉(10)、余热锅炉(4)以及依次连接的压气机(1)、燃烧室(2)、透平(3)、汽轮机和发电机(19)，其特征在于： |
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| 说明书全文 | 一种集成垃圾-燃气-蒸汽的整体联合循环发电系统技术领域背景技术[0002] 随着我国城市化进程的不断推进，城市产生的垃圾也日益增多，垃圾处理问题迫在眉睫。据相关资料显示，我国城市垃圾正以每年8-10％的增长速率增加，而与此同时垃圾处理量的增长速率却滞后于垃圾产生的速率，垃圾侵占和污染了城市郊区大片土地，垃圾围城现象严重，我国约有1/3的城市处于垃圾包围之中。垃圾处理的方法不外乎三种：填埋、堆肥、焚烧发电。填埋处理占据大量的土地资源，容易造成土壤和水质的污染，其中填埋发酵产生的甲烷等气体，易引起火灾和温室效应。堆肥成本高昂，减量化程度小。同时二者的处理周期均较长，难以适应当前的城市发展要求。焚烧发电相较于前两者具有占地面积小、减量化程度高、对环境影响小、资源形成循环利用等特点。国家“十二五”规划将垃圾焚烧处理列为优先发展的领域。 [0003] 由于我国还未真正全方位实行垃圾分类，垃圾始终处于混合收集的状况，导致垃圾的平均热值较低，同时含有较多的氯、碱金属和硫等成分，这些成分容易造成焚烧炉的腐蚀，影响机组的寿命与运行安全，在较高参数的机组上尤为明显，如采用次高温高压的广州李坑垃圾焚烧发电厂。因此，为了减少腐蚀，垃圾焚烧炉一般限制为中温中压锅炉，其主蒸汽参数为4MPa/400℃。为防止垃圾焚烧炉出口处低温腐蚀，排烟温度较高。较低的垃圾热值和主蒸汽参数以及较高的排烟温度的三重影响，使得其发电效率仅在10-20％左右。在减少设备的腐蚀、安全运行的前提下，如何进一步提高垃圾焚烧发电系统的效率迫在眉睫。 [0004] 专利文献(美国发明专利，申请公布号US005724807A，申请号790247)公开了一种垃圾-燃气轮机联合循环发电系统。这种垃圾-燃气轮机联合循环发电系统由燃气轮机、垃圾焚烧炉以及汽轮机等组成。目的是在减少垃圾焚烧炉高温腐蚀的情况下，提高垃圾焚烧炉出口的蒸汽温度。其实现途径为利用燃气轮机透平排出的高温燃气对垃圾焚烧炉产生的蒸汽过热，产生的高温蒸汽进入汽轮机做功，燃气轮机排出的高温燃气加热蒸汽后温度降低，再用于加热进入焚烧炉的给水和空气。该发电系统提高了蒸汽的温度，汽轮机做功能力增大，也提高垃圾焚烧炉产生的蒸汽发电系统的热效率，避免了由于提高蒸汽的温度使焚烧炉腐蚀加剧的问题，使垃圾焚烧炉的寿命不至于因为提高蒸汽的温度而缩短。整个系统结构紧凑，占地面积相对较少。 [0005] 但是如上所述，燃气轮机排出的高温燃气用于加热垃圾焚烧炉产生的蒸汽，使之过热后，再用于加热进入焚烧炉的给水和空气，由于燃气与进入焚烧炉的给水和空气的温差较大，传热导致的 损很大，从按照能量品位合理综合用能的观点看，这样的配置方式很不合理，未实现真正的能量按照品位合理梯级利用。 [0006] 专利文献(美国发明专利，申请公布号US6604354B2，申请号09/988,143)公开了一种针对现运行低容量蒸汽循环发电机组改造的联合循环发电系统，此专利也适用于垃圾焚烧蒸汽循环发电机组。该种联合循环发电系统由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机以及现运行低容量锅炉构成。目的是解决现运行的蒸汽循环发电机组存在的功率小、热效率低，面临淘汰的问题，利用燃气-蒸汽联合循环的高循环热效率提高整套装置的功率和热效率，实现高效、环保、经济运行。余热锅炉产生的蒸汽和现运行锅炉产生的蒸汽一同混合进入汽轮机做功，做功后的乏汽经冷凝和加压后进至余热锅炉和现运行锅炉。汽轮机和燃气轮机分别驱动发电机发电，产生电能。该系统提高了整套装置的出力，系统简单，同时减少汽轮机的台数，避免新建电厂带来的额外高设备费和建造费。 [0007] 如上所述，这种联合循环发电系统只是简单地将余热锅炉和现运行锅炉的蒸汽混合，并未提高现运行锅炉出口的主蒸汽参数，现运行蒸汽发电系统的效率未得到提高。同时由于两股蒸汽参数在运行时较容易产生温度偏差和压差，混合时操作难度较大，运行操作不便，而且一旦两股蒸汽参数在运行中存在偏差，简单混合使不可逆损失增大，能量贬值，整个装置热效率下降。还有，这种方式还限制了新增加的联合循环发电系统余热锅炉出口的蒸汽参数的优化选择，使之必须与原来运行的低容量蒸汽循环发电机组锅炉出口的蒸汽参数一致，不利于按照综合用能各部件参数的优化选择，整套装置没有达到参数优化匹配，热效率不是最优。另外，由于蒸汽流量增加，原来的汽轮机也需要扩容更换。 发明内容[0008] 针对专利文献1(申请公布号US005724807A)的垃圾-燃气轮机联合循环发电系统，虽然具有避免垃圾焚烧炉高温腐蚀加剧，寿命没有缩短，蒸汽循环的初温升高，汽轮机做功能力增大，蒸汽循环的热效率提高，系统结构紧凑等特点，用燃气来加热进入焚烧炉的给水和空气，但由于燃气与进入焚烧炉的给水和空气的温差较大，传热导致的 损很大，从按照能量品位合理综合用能的观点看，这样的配置方式很不合理，燃气能量利用率低。专利文献2(申请公布号US6604354B2)针对现运行的蒸汽循环发电发电机组存在的功率小、热效率低，面临淘汰的问题，虽然具有利用燃气-蒸汽联合循环的高循环热效率提高整套装置的功率和热效率，系统简单，同时减少汽轮机的配置数目，避免新建电厂带来的额外高设备费和建造费的特点，但由于两股蒸汽参数在运行时较容易产生温度偏差和压差，混合时操作难度较大，运行操作不便，而且简单混合使不可逆损失增大，余热锅炉出口的混合蒸汽能量贬值，整个装置热效率下降。另外，由于蒸汽流量增加，原来的汽轮机也需要扩容更换；而且并未提高现运行锅炉出口的主蒸汽参数，现运行蒸汽发电系统的效率未得到提高。针对以上专利存在的问题，本发明提供一种多源(垃圾、燃气、蒸汽的能源)互补集成的垃圾-燃气-蒸汽的整体联合循环发电系统，提高垃圾焚烧产生的蒸汽循环发电的热效率，能量得到梯级合理利用，实现机组安全、高效、环保运行。该系统由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机、垃圾焚烧炉及相关的烟气处理设备及辅助设备组成。垃圾焚烧炉出口蒸汽和余热锅炉中温度相近的蒸汽一同混合进入余热锅炉高温段进行加热，加热后的混合蒸汽进入汽轮机做功，做功后的乏汽经冷凝和加压后进至余热锅炉和垃圾焚烧炉构成热力循环。汽轮机和燃气轮机分别驱动发电机发电，产生电能，实现与外界并网运行。 [0009] 燃气-蒸汽联合循环发电系统具有建设周期短、投资少、运行可靠度高、污染排放少等特点，由于联合布雷顿和朗肯循环使得其能量得到梯级利用，发电效率高。燃气透平排烟温度为550-650℃，中温中压焚烧炉的主蒸汽温度为400℃，在余热锅炉中使用透平排烟对焚烧炉的主蒸汽进行进一步加热，提高垃圾焚烧炉产生的主蒸汽参数，提高垃圾焚烧炉产生蒸汽循环发电的热效率和功率，同时又避免了焚烧炉在高温情况下腐蚀加剧的问题，延长垃圾焚烧炉的寿命。由于设置了余热锅炉，余热锅炉中的燃气与水蒸气的传热温差较小，换热 损小，实现了能量梯级利用。同时该系统一般位于城市郊区，有利于资源的有效整合，变废弃的垃圾为能源，垃圾焚烧机组和燃气-蒸汽联合循环机组紧凑集成，减少蒸汽轮机和发电机等设备的数目，使得占地面积相对小，投资少，设备利用率高。 [0010] 为了达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下： [0011] 一种集成垃圾-燃气-蒸汽的整体联合循环发电系统，包括垃圾焚烧炉、余热锅炉以及依次连接的压气机、燃烧室、透平、汽轮机和发电机；垃圾焚烧炉的出口蒸汽和余热锅炉中温度相近的蒸汽混合后进入余热锅炉高温段进行加热过热，利用透平出口的高温烟气作为热源，加热余热锅炉内的混合蒸汽进入汽轮机做功，做功后的乏汽冷凝成水后进入余热锅炉和垃圾焚烧炉构成热力循环。 [0012] 本发明中，在余热锅炉高温段第三过热器中提高垃圾焚烧炉产生的这部分蒸汽参数，提高垃圾焚烧炉产生的这部分蒸汽在蒸汽循环发电的热效率和功率，同时又避免了焚烧炉在高温情况下腐蚀加剧的问题，延长垃圾焚烧炉的寿命。 [0013] 作为优选的，所述的汽轮机具有依次共轴连接的高压缸、中压缸和低压缸。 [0015] 作为优选的，所述余热锅炉内安装有第二省煤器、第二蒸发器、第二过热器、再热器和第三过热器，其中第二省煤器、第二蒸发器和第二过热器依次连接，第一过热器和第二过热器的出口分别通过管道与第三过热器的进口连接，第三过热器的出口与高压缸连接，高压缸的出口和再热器的进口连接，再热器的出口与中压缸的进口连接，中压缸的出口通过管道和低压缸的进口连接； [0016] 在所述低压缸的出口处依次连接有凝汽器和给水泵，用于将汽轮机做功后的乏汽冷凝成水后送入第一省煤器和第二省煤器。 [0017] 作为优选的，所述的整体联合循环发电系统与外界电网并网运行。 [0018] 本发明的优点在于：该系统一般位于城市郊区，有利于资源的有效整合，变废弃的垃圾为能源，多源(垃圾、燃气、蒸汽的能源)互补，垃圾焚烧机组和燃气-蒸汽联合循环机组紧凑集成，减少蒸汽轮机和发电机等设备的数目，使得占地面积相对小，投资少，设备利用率高。进一步提高垃圾焚烧炉产生的主蒸汽参数，提高垃圾焚烧炉产生的蒸汽在蒸汽循环发电的热效率和功率，同时又避免了焚烧炉在高温情况下腐蚀加剧的问题，延长垃圾焚烧炉的寿命。由于设置了余热锅炉，通过合理设计换热方式，使热能梯级合理利用，余热锅炉中的烟气与水蒸气的传热温差较小，换热 损小，实现了能量梯级利用。该系统也具有运行可靠度高、污染物排放少等特点。附图说明 [0019] 图1为本发明中集成垃圾-燃气-蒸汽的整体联合循环发电系统图。 具体实施方式[0020] 参考附图能更加全面地描述本发明，图上显示本发明的某些实施例，但是并非所有的实施例。实际上，本发明可以以很多不同的形式被体现，可运用到单压、双压、三压、有无再热、自然循环、控制循环、直流、单轴、多轴等不同形式组合的发电系统。不应该把它看作仅限于这里所阐述的实施例；而应该把本发明的实施例看作是为了使本发明公开的内容满足可应用的合法要求而提供的。本实施例为下面结合说明书附图和具体实现方式对本发明的实质性特点做进一步说明： [0021] 集成垃圾-燃气-蒸汽的整体联合循环发电系统图如图1所示，其工作过程和原理如下：大气环境中的空气经过过滤后进入压气机1中进行压缩升压，产生的高压空气进入燃烧室2中与燃料进行混合燃烧，产生的高温高压的燃气进入透平3，将热能转化为机械能。透平3排出的烟气进入余热锅炉4，余热锅炉内设置有第二省煤器5、第二蒸发器6、第二过热器7、第三过热器9和再热器8，余热锅炉4中的水吸收了烟气大部分的热量。烟气从余热锅炉4排出去后进入烟气处理设备中，经处理后排至大气环境中。 [0022] 垃圾进入焚烧炉10中，在一、二次风的配合下燃烧，产生的固体废渣由炉下端排出，产生的高温烟气经过炉内的第一蒸发器12、第一过热器13和第二省煤器11，排烟经过烟气处理设备后排至大气环境中。给水泵14加压的水分别进入余热锅炉4中的第二省煤器5和垃圾焚烧炉10中的第一省煤器11。进入第二省煤器5中的水依次通过第二蒸发器6和第二过热器7形成较高温的水蒸气。与此同时，进入第一省煤器11中的水依次通过第一蒸发器12和第一过热器13形成较高温的水蒸气。二者产生的水蒸气经混合后，一起进入第三过热器9进行过热，产生更高温的过热蒸汽，进入到汽轮机的高压缸16做功，高压缸出口的水蒸气进入余热锅炉的再热器8进行再加热，再热器8产生的水蒸气的温度接近主蒸汽温度，而后再热器8出口的水蒸气依次进入中压缸17、低压缸18做功，汽轮机低压缸18的乏汽进入凝汽器15冷凝，变成液态水，液态水再送入给水泵14加压，其中透平3的净出力与汽轮机的高压缸16、中压缸17和低压缸18的出力共同驱动发电机19发电，从而完成循环，产生电能。 [0023] 下面将用某燃气-蒸汽联合循环发电机组和某日处理450t垃圾的次高温高压6.5MPa/450℃的垃圾焚烧发电机组的参数进行计算分析。 [0024] 表1某燃气-蒸汽联合循环发电机组参数 [0025] [0026] [0027] 表2垃圾焚烧炉发电系统参数 [0028] [0029] [0030] ①传统的燃气-蒸汽联合循环发电机组和垃圾焚烧发电机组分立系统： [0031] 对于燃气-蒸汽联合循环发电机组而言，由热量平衡可得，水蒸气吸收的热量与烟气在余热锅炉进出口热量差相等，则有： [0032] [0033] 求得水蒸气流量mstream1＝96.613kg/s [0034] 则汽轮机做功： [0035] Pst1＝mstream1[(hhs1-hhs2)+(hre-hls2]/1000 (2) [0036] 求得Pst1＝147MW； [0037] 对于垃圾焚烧发电机组而言,由热平衡方程得锅炉的总热量： [0038] [0039] 水蒸气吸收的热量： [0040] Qws＝Qwηz (4) [0041] 求得Qw＝44.528MW，Qws＝36.657MW。 [0042] 则汽轮机做功为： [0043] Pst2＝mstream[(hhs1-hhs2)+(hre-hls2]/1000 (5) [0044] 求得垃圾焚烧炉汽轮机做功Pst2＝11.264MW； [0045] 假设机组的机械效率ηm为0.99，发电机效率ηg为0.96。 [0046] 分立系统总出力： [0047] Pe1＝(Pgt+Pst1+Pst2)ηmηg (6) [0048] 得总出力Pe1＝402.983MW； [0049] 总的发电效率： [0050] [0051] 求得总发电效率ηe1＝55.81％； [0052] 总的热耗率： [0053] [0054] 求得总的热耗率q1＝6450.46kJ/KW.h； [0055] ②集成垃圾-燃气-蒸汽的整体联合循环发电系统： [0056] 垃圾焚烧炉产生的蒸汽由余热锅炉过热器中升温至ths1560℃，该部分水蒸气经过高压缸后再进入余热锅炉的再热器进行加热，该部分蒸汽在余热锅炉所吸的热量Qws： [0057] Qws＝Dw(hhs1-hws0+hre-hhs2)/3.6 (9) [0058] 求得垃圾焚烧炉产生的水蒸气在余热锅炉吸收热量Qws＝8.910MW [0059] 由热量平衡知，进入余热锅炉省煤器的水在余热锅炉中被加热，产生蒸汽的量mstream1: [0060] [0061] 求得进入余热锅炉省煤器的水在余热锅炉中被加热，产生蒸汽的量mstream1＝94.27kg/s [0062] 则汽轮机做功Pst： [0063] Pst＝(mstream1+Dw)[(hhs1-hhs2)+(hre-hls2)]/1000 (11) [0064] 求得汽轮机做功Pst＝163.528MW； [0065] 假设机组的机械效率ηm为0.99，发电机效率ηg为0.96。 [0066] 集成整体系统总出力： [0067] Pe2＝(Pgt+Pst)ηmηg (12) [0068] 得总出力Pe2＝407.986MW； [0069] 总发电效率： [0070] 得总发电效率ηe2＝56.50％； [0071] 总热耗率： [0072] [0073] 得到总热耗率q2＝6371.5kJ/KW.h； [0074] 下表为分立系统与整体集成系统的主要经济指标的对比，对比发现，机组的总发电热效率上升1.2％，机组的总出力增加5.003MW。 [0075] 表3传统的分立系统与集成垃圾-燃气-蒸汽循环发电系统整体系统对比[0076] |
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