冷源热量回收装置的设计及高效蒸汽发电循环的构建

[摘要]：本文提出了一种不同于现有蒸汽发电循环的设计思路，利用水在不同温度下凝结和汽化的特性，采用冷源热量回收装置，构建了一种全新的热力循环流程，采用蒸汽凝结、凝结水汽化对等换热设备，实现热力循环中冷源损失的全额回收。该设计改变了朗肯循环效率低下的现状，提高了热力发电循环效率，为热力发电设备的设计和制造提供了一种全新的思路。

[关键词]：冷源热量回收；蒸汽凝结；凝结水汽化；朗肯循环.；提高效率

1.问题提出背景

燃煤发电机组的应用距今已有一百多年的历史，随着技术的不断进步，燃煤发电机组的工艺流程得以不断优化，新蒸汽的压力温度参数得到不断提升，效率也得到不断提高。我国煤炭资源丰富，为燃煤发电机组的发展提供了良好的条件，提供了国内超过60%的电力能源，尽管新能源的比重逐渐增大，技术也在不断进步，但燃煤机组发电仍将在长期能源格局中占据重要地位。

燃煤发电采用蒸汽朗肯循环（图1），利用水的相变热性完成整个热力发电过程。水在锅炉中加热生成高温高压蒸汽，由蒸汽推动汽轮机带动发电机发电，做功后的蒸汽经冷源凝结成水，然后再进入锅炉进行加热，循环往复，构成朗肯发电循环。其中最大的热量损失为蒸汽的凝结换热，这部分热量占到新蒸汽焓值超过60%，导致蒸汽发电循环的效率不到40%。尽管我们通过回热、再热、二次再热和提高蒸汽的温度参数等各种手段提高热量利用，目前燃煤发电机组的效率仍低于50%。

2.蒸汽发电循环效率低的原因

如上所述，蒸汽发电循环效率的主要原因在于朗肯循环中存在蒸汽凝结换热这一过程。在这一过程中做完功的蒸汽进入凝汽器，在循环水的冷却作用下蒸汽凝结成水，大量的热量传递给循环水，经冷却塔散入大气。

如新蒸汽参数为30MPa，630℃，焓值为3535.50kJ/kg，假设蒸汽的凝结温度为38℃，干饱和蒸汽的焓值为2569.77kJ/kg，凝结成水的焓值为159.14kJ/kg，蒸汽放出的热量为2410.63kJ/kg。

Q凝/Q新 = 2410.63/3535.50 = 68%

按以上条件，蒸汽凝结放热占新蒸汽热量的68%。

尽管蒸汽发电循环采用了蒸汽回热、再热等手段提高效率，其本质仍是通过减少蒸汽的凝结量，目的仍是减少冷源损失。

冷源损失是蒸汽朗肯循环效率低的主要原因，在热力发电行业已经是共识。即使是燃气蒸汽联合循环机组，由于蒸汽循环的存在，效率的提升也受到了限制。

3.冷源热量回收装置的设计

3.1朗肯循环存在问题

由于蒸汽朗肯循环的效率低，为我们提供了可靠电能的同时，也浪费了大量的煤炭等化石能源。朗肯循环作为经典的热力发电循环，百年来没有得新的突破，并被很多科研单位、学术研究人员奉为经典，趋于被神话的状态。

为了改变这一现状，提出一种冷源回收装置的设计思路，采用这一设计改变热力发电循环现状。其核心设计思路是，通过对蒸汽凝结热量的反向凝结水汽化吸热实现热量的回收利用。

朗肯循环采用水作为工质，其目的是利用水的相变优势。水作为液体易于压缩，通过小体积的凝结水泵、给水泵，即可实现高压，高压的水进入锅炉，通过吸热实现汽化，生成高温高压的气体，为进入汽轮机做功创造条件。做完功的蒸汽不再具有高压的状态，在现有条件下很难直接通过压缩的方式恢复成高压，不得不对蒸汽进行换热凝结。蒸汽的凝结过程中放出大量的汽化潜热，如果能够通过更有效的方式对该热量进行回收，即能提高热力循环的效率。

3.2冷源热量回收装置的设计思路

冷源热量回收装置如下图3中的低压凝汽器部分。为了实现蒸汽凝结热量的回收，必须需要相应的温差作为传热条件，因此要适当提高汽轮机低压缸的排汽参数。如图所示，假设低压缸排汽温度为0.1MPa，100℃，蒸汽在该参数下进入凝汽器放热凝结，则需要凝汽器另一侧温度更低的冷却介质才能完成换热。假设另一侧冷却时的温度为80℃，则能够实现蒸汽侧向水侧的顺利传热。

可将低压凝汽器设计为竖向列管布置，蒸汽从汽轮机低压缸排出向下进入列管，在管外冷却水的作用下逐渐凝结，并积聚在列管下部水箱。下部水箱与低压凝汽器的管外侧相通，为了实现对蒸汽凝结汽化潜热的吸收，需要在低压凝汽器的管外侧实现负压环境，利用射水抽气器将管外侧压力降至绝对压力0.047MPa，即可实现管外水箱的凝结水在80℃汽化。

水箱里的水不断吸收蒸汽凝结放出的热量，逐渐在水箱的上部生成过饱和水和饱和蒸汽，蒸汽经射水抽气器抽出，维持水箱的负压状态。为了实现热量的大量吸收，需设计另一路射水抽气器用于输送过饱和水，不断地将吸收了足够热量的、即将汽化的过饱和时输出，送入下一级除氧器设备。通过焓熵图（图2）可以看出，在形成过热蒸汽之前，过饱和水因吸收了大量的热量，具有更高的焓值。

3.3冷源热量回收装置的关键点

为了保证蒸汽凝结放热、凝结水吸热过程的连续性，低压凝汽器应具有足够的高度，通过水的静压实现蒸汽凝结放热后的过冷度，保证蒸汽连续的正常凝结。同样，为了实现凝结水吸热汽化，需要通过调节射水抽气器的入口实现水箱上部真空的相对稳定，维持约20℃的传热温差。

通过合理设计回收装置，能够实现整个热力循环的连续性，实现低压凝汽器的两侧的工质凝结、汽化中汽化潜热的对等热量交换。

为了实现对锅炉热量的充分吸收，可设置低压蒸汽部分，可设置另一回路合理利用锅炉尾部烟气的热量，生成的低压蒸汽接入汽轮机低压缸进行做功。

4.高效蒸汽发电循环的构建

4.0准备阶段

和现有燃煤蒸汽发电循环一样，为了建立热力循环，需要一定的准备条件。如图3所示，首先通过补水泵向低压凝汽器水侧注水，在达到一定的水位后，开起射水泵1，利用高压水射流作用向除氧器水箱注水，形成低压蒸发器水侧和除氧器水箱之间的循环，其作用是在低压蒸发器水侧形成真空（绝对压力0.047MPa），为水侧加热蒸发创造条件。

4.1高压循环工艺流程

如图3所示，汽轮机低压缸排汽进入低压凝汽器，并在低压凝汽器中凝结，将热量传递给另一侧的凝结水，凝结水侧在射水抽气器的作用下形成真空环境，部分凝结水在吸收热量后汽化，被1号射水抽气器抽走。同时凝结水吸收热量，形成高焓值的过饱和水，被另一路能够自动调节水位的2号射水抽气器抽走，被抽出的水蒸气和过饱和水送入除氧器，进入除氧器水箱。

除氧器水箱中的水经高压给水泵送入高压省煤器，经高压蒸发器、高压过热器送入汽轮机高压缸做功。

在高压缸做完功的蒸汽回到再热器进行再热，并被送入汽轮机中压缸做功。在中压缸做完功的蒸汽进入汽轮机低压缸的做功，最后被排入低压凝汽器。

4.2低压循环工艺流程

为了充分利用锅炉尾部低温热量，设置低压循环，在低压凝汽器热井位置设置小型低压凝结水泵，经低压省煤器送入除氧器（低压汽包），经低压过热器后形成低压过热蒸汽，送入汽轮机低压缸做功、

4.3循环辅助条件设置

为了实现完整的热力循环，设置外接补水泵向低压凝汽器补水，通过低压蒸汽循环逐步带动高压蒸汽循环，贯通整个热力循环流程。为了维持工质热量和质量的平衡，设置相应的补水、疏放水进行调节。

5.小结

朗肯循环由于有冷源损失的存在，燃煤、燃气等热力发电效率的提高受到了的限制，造成了煤炭等化石能源的极大浪费，同时也加重了环境污染。利用水在不同压力、温度下可实现相变的特性，通过设计特殊结构的低压凝汽器，采用蒸汽凝结、凝结水汽化的同质量对等换热，可以实现原朗肯循环中冷源损失的回收，大幅提高热力发电循环效率。

朗肯循环在发电行业使用多年，通过回热、再热、二次再热等改进循环已经到了极限，提高过热蒸汽的温度、压力参数受也到金属材料的限制，因此在原有方案和设计思路上提高热力循环效率很难获得新的突破。本文从改变热力循环冷源利用方面提出了新的设计思路，细化设计，通过试验研究打通循环，必将能够大幅提高热力发电循环效率，在能源供应、节能环保方面实现新的突破。