CN106703919B - 一种燃气锅炉房余压余热综合利用系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及能源转换与节能减排领域，特别涉及一种燃气锅炉房余压余热综合利用系统，通过将锅炉、预热器和膨胀机巧妙的连接和控制，将燃气锅炉房的余压余热资源综合利用，将压力能和热能转变为电能，可减小高压燃气节流降压损失；利用预热器、发电机和膨胀机等组件取代了不能利用余压余热的传统燃气调压箱。通过温度较低的燃气冷却燃煤锅炉排放的高温烟气，使水蒸气冷凝，吸收氮氧化物，也进一步的减少了污染物的排放。发电机输出的电能可直接并入门站内部的微电网，供给电气设备，照明设备等监控设备等使用。同时，和预热器、发电机和膨胀机等组件并联的燃气调压箱可有效保障波动工况和紧急故障下燃气锅炉的稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及能源转换与节能减排领域，特别涉及一种燃气锅炉房余压余热综合利用系统。
背景技术
随着世界范围内对环境保护日益重视，对清洁能源的需求愈加迫切，为天然气发展带来了机遇。天然气属于清洁能源，在燃烧中二氧化硫、粉尘的排放量接近于零，二氧化碳和氮氧化物的排放量相较于煤炭分别降至40％和50％；天然气对温室效应的影响仅为石油的54％，煤炭的48％。
近年来，在中国中东部地区，京津冀地区雾霾天气肆虐，大气环境污染形势比较严峻，造成这种严重形势的关键因素是煤烟型污染，由天然气代替燃煤，将会有效降低烟气污染，改善大气环境。目前，众多城市都在开展燃煤锅炉“煤改气”任务，大力推进燃气锅炉的建设，进一步加大了各城市对天然气的需求。
然而，由于中东部地区资源匮乏，市内所需的天然气主要是通过高压管道从外地输入。由高压输气干线输送来的高压天然气，在市内的天然气接收门站、调压站，都需要根据下游用户的供气压力要求进行降压，然后才能够供应给城市燃气用户、工商用户等使用。在燃气锅炉房中，高压天然气经调压后压力降至0.2～0.4MPa(G)的中压标准，进入燃气锅炉燃烧，输出热水或者蒸汽供给城镇居民使用。高压天然气在调压的过程中将产生很大的压力降，同时释放出大量的压力能。目前此过程多通过燃气调压箱实现，压力能直接损失而没有得到利用。同时，燃气锅炉排放的高温烟气通常由于热量品味不高，难以利用，也白白浪费了，少量的污染物氮氧化物也没有得到处理。
利用透平发电机组撬块替代传统的燃气调压箱，将燃气锅炉房的余压余热资源综合利用，将压力能和热能转变为电能，可减小高压燃气节流降压损失。然而，目前涉及燃气压力能利用的研究和已有专利技术多集中在天然气门站，没有余热资源可以利用，输出的电能也不能内部消化。通常膨胀后的燃气温度较低，被用来制冰或者供给其他需要冷量的工艺设备。
发明内容
基于上述情况，有必要提供一种将闲置的压力能和废弃的热能进行综合回收利用的燃气锅炉房余压余热综合利用系统。
一种燃气锅炉房余压余热综合利用系统，包括：预热器、透平膨胀机、燃气锅炉和发电机，所述预热器的预热进气口与高压燃气管道连接，所述预热器的预热出气口与透平膨胀机的进气口连接，所述透平膨胀机的出气口与锅炉的进气口连接，所述锅炉的出气口与预热器的加热进气口连接，所述预热器的加热出气口与低温烟气管道连接；所述透平膨胀机与发电机传动连接，所述发电机与电气负载电性连接。
进一步的，所述预热器预热进气口与高压燃气管道之间还设有透平调速阀，所述透平调速阀为单个节流阀或者由多个节流阀并联。
更进一步的，所述锅炉进气口还直接与高压燃气管道连接，所述锅炉进气口与高压燃气管道之间设有燃气调压箱进行调压，所述燃气调压箱为单路，双路或者多路并联。
作为一种改进，所述预热器为一组预热器，所述预热器组包括至少一级预热器，所述透平膨胀机为一组透平膨胀机，所述透平膨胀机组包括至少一级透平膨胀机；上一级透平膨胀机的出气口与下一级预热器预热进气口连接；所述锅炉出气口分别与各级预热器加热进气口连接，所述各级预热器加热出气口分别与低温烟气管道连接。
作为进一步改进，所述燃气调压箱与锅炉进气口之间还设置有涡街流量计，控制系统依据所述涡街流量计反馈的燃气流量值，自动调节所述透平调速阀和所述燃气调压箱的开度。
具体的，所述预热器组为管壳式换热器、套管式换热器或者板翅式换热器中的任何一种或多种的组合；所述透平膨胀机组为多级径轴流式膨胀机，或者多级轴流式膨胀机或者上述两种结构的任意组合。
具体的，所述发电机为防爆发电机，所述防爆发电机为隔爆型结构，或者增安型结构，或者正压型结构。
具体的，所述防爆发电机与透平膨胀机组之间还设有减速器，所述减速器为多级平行轴结构，或者多级行星齿轮结构，或者与所述各级透平膨胀机共同构成整体齿轮组装式结构。
进一步的，所述透平调速阀，预热器组，透平膨胀机组，减速器，防爆发电机共同构成透平发电机组撬块，所述透平发电机组撬块为固定式结构或者可移动式结构。
作为一种改进，所述预热器组包括一级预热器和二级预热器，所述透平膨胀机组包括一级透平膨胀机和二级透平膨胀机，所述一级预热器预热进气口与高压燃气管道连接，所述一级预热器预热出气口与一级透平膨胀机进气口连接，所述一级透平膨胀机出气口与二级预热器预热进气口连接，所述二级预热器预热出气口与二级透平膨胀机进气口连接，所述二级透平膨胀机出气口与锅炉进气口连接；所述锅炉出气口分别与一级预热器和二级预热器的加热进气口连接，所述一级预热器和二级预热器的加热出气口分别与低温烟气管道连接。
本发明一种燃气锅炉房余压余热综合利用系统，通过将锅炉、预热器和膨胀机巧妙的连接和控制，将燃气锅炉房的余压余热资源综合利用，将压力能和热能转变为电能，可减小高压燃气节流降压损失；利用预热器、发电机和膨胀机等组件取代了不能利用余压余热的传统燃气调压箱。通过温度较低的燃气冷却燃煤锅炉排放的高温烟气，使水蒸气冷凝，吸收氮氧化物，也进一步的减少了污染物的排放。发电机输出的电能可直接并入门站内部的微电网，供给电气设备，照明设备等监控设备等使用。同时，和预热器、发电机和膨胀机等组件并联的燃气调压箱可有效保障波动工况和紧急故障下燃气锅炉的稳定运行。
附图说明
图1为本发明一种燃气锅炉房余压余热综合利用系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一种燃气锅炉房余压余热综合利用系统，包括：预热器、透平膨胀机、燃气锅炉和发电机，所述预热器的预热进气口与高压燃气管道连接，所述预热器预热进气口与高压燃气管道之间还设有透平调速阀，所述透平调速阀为单个节流阀或者由多个节流阀并联；所述预热器的预热出气口与透平膨胀机的进气口连接，所述透平膨胀机的出气口与锅炉的进气口连接，所述锅炉的出气口与预热器的加热进气口连接，所述预热器的加热出气口与低温烟气管道连接；所述透平膨胀机与发电机传动连接，所述发电机与电气负载电性连接。
锅炉进气口还直接与高压燃气管道连接，所述锅炉进气口与高压燃气管道之间设有燃气调压箱进行调压，所述燃气调压箱为单路，双路或者多路并联。所述透平调速阀，预热器，透平膨胀机，减速器，防爆发电机共同构成透平发电机组撬块，透平发电机组撬块与传统燃气调压箱并联，可有效保障波动工况和紧急故障下燃气锅炉的稳定运行；所述透平发电机组撬块为固定式结构或者可移动式结构。
作为一种优选实施例，预热器为一组预热器，预热器组包括至少一级预热器，透平膨胀机为一组透平膨胀机，透平膨胀机组包括至少一级透平膨胀机；上一级透平膨胀机的出气口与下一级预热器预热进气口连接；所述锅炉出气口分别与各级预热器加热进气口连接，所述各级预热器加热出气口分别与低温烟气管道连接。
作为本发明的一个较佳实施例，所述预热器组包括两级预热器，分别为一级预热器和二级预热器，所述透平膨胀机组包括两级透平膨胀机，分别为一级透平膨胀机和二级透平膨胀机。具体如图1所示：
本发明提供的燃气锅炉房余压余热综合利用系统包括：透平调速阀1，一级预热器2，二级预热器3，一级透平膨胀机4，二级透平膨胀机5，减速器6，防爆发电机7，锅炉房内部微电网8，电气负载9，燃气调压箱10，涡街流量计11，燃气锅炉12；所述设备1～7构成透平发电机组撬块，所述透平发电机组撬块为固定式结构或者可移动式结构。
其中，一级预热器2预热进气口与高压燃气管道连接，所述一级预热器2预热出气口与一级透平膨胀机4进气口连接，所述一级透平膨胀机4出气口与二级预热器3预热进气口连接，所述二级预热器3预热出气口与二级透平膨胀机5进气口连接，所述二级透平膨胀机5出气口与锅炉12进气口连接；所述锅炉12出气口分别与一级预热器2和二级预热器3的加热进气口连接，所述一级预热器2和二级预热器3的加热出气口分别与低温烟气管道连接。
作为较佳实施例，所述燃气调压箱10与锅炉12进气口之间还设置有涡街流量计11，所述燃气调压箱10和透平发电机组撬块并联运行，控制系统依据所述涡街流量计11反馈的燃气流量值，自动调节所述透平调速阀1和所述燃气调压箱10的开度。
随着季节性的变化，用户对供热的需求会有变化，因此也会引起燃气锅炉房12燃烧所需的燃气流量。为了实现在波动的燃气流量工况下，透平发电机组撬块能够安全稳定的运行，需配置燃气调压箱10和透平发电机组撬块并联运行。在设定好需求燃气流量值下，控制系统通过涡街流量计11反馈的实际燃气流量值，自动调节透平调速阀1和燃气调压箱10的开度。当燃气流量正常时，透平调速阀1工作，控制一级透平膨胀机4和二级透平膨胀机5的转速恒定，燃气调压箱10闭合不工作。当燃气流量需求增大时，控制透平调速阀1开度不变，逐渐增大燃气调压箱10的开度，使增多的燃气量通过燃气调压箱10节流减压进入燃气锅炉12。当燃气流量需求减小时，燃气调压箱10闭合不工作，控制透平调速阀1逐渐减小开度，使通过透平发电机组撬块减压后进入燃气锅炉12的燃气量减小。
作为一种优选，所述预热器组为管壳式换热器、套管式换热器或者板翅式换热器中的任何一种或多种的组合；所述透平膨胀机组为多级径轴流式膨胀机，或者多级轴流式膨胀机或者上述两种结构的任意组合。
具体的，所述发电机为防爆发电机，所述防爆发电机为隔爆型结构，或者增安型结构，或者正压型结构。所述防爆发电机与透平膨胀机组之间还设有减速器，所述减速器为多级平行轴结构，或者多级行星齿轮结构，或者与所述各级透平膨胀机共同构成整体齿轮组装式结构。
高压燃气经过所述透平发电机组撬块和所述燃气调压箱10减压后进入所述燃气锅炉12燃烧，对外输出热量，同时产生高温烟气进入所述一级预热器2和二级预热器3，预热高压燃气后降温排出。所述透平发电机组撬块输出电能进入所述锅炉房内部微电网8，供所述电气负载9使用。
优选地，高压燃气的进气压力为0.5～3MPa，进气流量为5000～100000Nm3/h，所述一级透平膨胀机4和二级透平膨胀机5的进气温度为50～100℃，所述燃气锅炉12的排气温度为10～30℃；所述透平发电机组撬块装机发电量为0.1～2MW。
可以理解，上述燃气锅炉房余压余热综合利用装置运行过程中，当高压燃气经过透平调速阀1达到设定入口压力和流量后，再经过一级预热器2预热，进入一级透平膨胀机4入口，在一级喷嘴和工作轮中膨胀，随后进入二级预热器3预热，再次进入二级膨胀机5膨胀，推动透平膨胀机转子旋转做功。由于转子转速较高，需通过减速器6将转速降至放防爆发电机7的额定转速，进而驱动防爆发电机7发电，输出电能并入锅炉房内部微电网8供厂内电气负载9使用。膨胀后的低压燃气进入燃气锅炉12燃烧，对外输出热能供城镇用户使用，同时产生高温烟气进入一级预热器2和二级预热器3，高温烟气在每一级预热器中与燃气进行充分的换热，提高温度和焓值，进而增大每一级透平膨胀机的输出功。高温烟气被燃气冷却后，所含的水蒸气逐渐冷凝，冷凝水吸收了大量的有害氮氧化物，随后排入专用废气管道。
本发明提供的燃气锅炉房余压余热综合利用装置具有结构紧凑，占地小、运行稳定，可靠性高的特点。其可将燃气锅炉房的余压余热资源综合利用，将压力能和热能转变为电能，减小高压燃气节流降压损失，同时减少氮氧化物的排放，实现了节能和减排的双重功效。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于包括：预热器、透平膨胀机、燃气锅炉和发电机，所述预热器的预热进气口与高压燃气管道连接，所述预热器的预热出气口与透平膨胀机的进气口连接，所述透平膨胀机的出气口与锅炉的进气口连接，所述锅炉的出气口与预热器的加热进气口连接，所述预热器的加热出气口与低温烟气管道连接；所述透平膨胀机与发电机传动连接，所述发电机与电气负载电性连接。
2.如权利要求1所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述预热器预热进气口与高压燃气管道之间还设有透平调速阀，所述透平调速阀为单个节流阀或者由多个节流阀并联。
3.如权利要求2所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述锅炉进气口还直接与高压燃气管道连接，所述锅炉进气口与高压燃气管道之间设有燃气调压箱进行调压，所述燃气调压箱为单路，双路或者多路并联。
4.如权利要求3所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述预热器为一组预热器，所述预热器组包括至少一级预热器，所述透平膨胀机为一组透平膨胀机，所述透平膨胀机组包括至少一级透平膨胀机；上一级透平膨胀机的出气口与下一级预热器预热进气口连接；所述锅炉出气口分别与各级预热器加热进气口连接，所述各级预热器加热出气口分别与低温烟气管道连接。
5.如权利要求4所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述燃气调压箱与锅炉进气口之间还设置有涡街流量计，控制系统依据所述涡街流量计反馈的燃气流量值，自动调节所述透平调速阀和所述燃气调压箱的开度。
6.如权利要求5所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述预热器组为管壳式换热器、套管式换热器或者板翅式换热器中的任何一种或多种的组合；所述透平膨胀机组为多级径轴流式膨胀机，或者多级轴流式膨胀机或者上述两种结构的任意组合。
7.如权利要求6所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述发电机为防爆发电机，所述防爆发电机为隔爆型结构，或者增安型结构，或者正压型结构。
8.如权利要求7所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述防爆发电机与透平膨胀机组之间还设有减速器，所述减速器为多级平行轴结构，或者多级行星齿轮结构，或者与所述各级透平膨胀机共同构成整体齿轮组装式结构。
9.如权利要求8所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述透平调速阀，预热器组，透平膨胀机组，减速器，防爆发电机共同构成透平发电机组撬块，所述透平发电机组撬块为固定式结构或者可移动式结构。
10.如权利要求9所述的燃气锅炉房余压余热综合利用系统，其特征在于，所述预热器组包括一级预热器和二级预热器，所述透平膨胀机组包括一级透平膨胀机和二级透平膨胀机，所述一级预热器预热进气口与高压燃气管道连接，所述一级预热器预热出气口与一级透平膨胀机进气口连接，所述一级透平膨胀机出气口与二级预热器预热进气口连接，所述二级预热器预热出气口与二级透平膨胀机进气口连接，所述二级透平膨胀机出气口与锅炉进气口连接；所述锅炉出气口分别与一级预热器和二级预热器的加热进气口连接，所述一级预热器和二级预热器的加热出气口分别与低温烟气管道连接。
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