一种电厂海水直流冷却水的余热利用工艺及系统的制作方法

本发明属于能源与环境领域，尤其涉及一种电厂直流冷却水的余热利用工艺及系统。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前，火电厂及核电厂的汽轮机组绝大多数为凝汽式，蒸汽经汽轮机全部叶轮做功后成为25～45℃的乏汽(蒸汽)，乏汽用循环水(冷却水)与之换热(冷却)，从而凝结成水实现乏汽中水的循环利用。电厂冷却水供应方式主要根据厂区自然环境，特别是水源条件与耗水量等情况而定，一般可分成开式系统和闭式系统两大类。开式系统，也叫直流供水，这种供水方式很简单，一般在江、河、海建立岸边泵站取水，经循环水系统进入凝汽器换热升温后的水排放到江河下游或海里，这种方式的循环水只使用一次就排掉，不再重复使用，如图1所示。技术经济比较的结果表明，每凝结1kg蒸汽消耗50-80kg的冷却水(即冷却倍率在50-80范围)。大海附近的发电厂冷却水通常采用上述直流供水方式，从大海取水，吸收乏汽余热的冷却水直接排放回大海。大量余热排至海域，造成能源浪费及环境热污染。以1000mw火电机组为例，直流冷却水流量约为80000t/h，冷却水温升按10℃计算，每小时释放热量约为3.36*10⁹kj，每年运行7000h计算，每年约向环境中排放热量折合标准煤80万t。核电厂的冷却水量约为火电厂的1.2～1.5倍，热量散失更多。

低品位余热的主要利用方式是采用热泵技术将低品位余热提质后进行利用。热泵主要分为蒸汽驱动型吸收式热泵及电动机驱动型热泵，前者以高品位的蒸汽为驱动力，后者以电为驱动力，均从低温热源提取热量用于供热等用途。热泵技术均需高品位热源作为驱动力，同时系统较为复杂，运行成本较高。上述海水冷却水余热由于温度较低，利用价值低，热泵运行成本更高；另一方面，海水冷却水带来腐蚀、结垢等问题，难以长期连续运行。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明提供了一种电厂海水直流冷却水的余热利用工艺及方法。从凝汽器吸收乏汽热量后的冷却海水进入空气-海水传热传质设备，冷却水热量传递给空气，冷却水表面水蒸汽在压差作用下传质进入空气，然后空气中水蒸汽在水蒸汽回收装置中进行回收，利用冷却水低品位余热的同时获得了高品质淡水。该发明将电厂废弃的海水冷却水余热利用与制淡水结合，可为电厂或用户提供低成本的淡化水。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备，所述传热传质设备的顶部设置有水蒸汽回收装置，所述水蒸汽回收装置下方设置有喷淋装置，所述水蒸汽回收装置还与液体收集装置相连。

本发明拟利用空气增湿减湿热质传递原理，无需高品位热源的驱动，实现上述海水的低品位余热利用，同时回收淡水资源。该技术在直流冷却供水系统中增设空气-海水传热传质设备，吸收了乏汽热量的海水在此设备中与空气进行热质传递，在水蒸汽压差及温差作用下，海水中的热量及表面部分汽化的水蒸汽均传递到空气中，然后再将传递到空气中的水分在水蒸汽回收装置中，以回收淡水。在此过程中水温可冷却到比空气温度还低，极限冷却温度是空气湿球温度。因此，基于空气增湿热质传递原理的蒸发方式可有效利用低品位热量，并可回收淡水，系统简单可靠，运行成本低。实际应用中，最后冷却水温一般高于空气的湿球温度2～3℃。以1000mw机组为例，冷却海水量约为80000t/h，设立空气-海水传热传质设备，约有800～1200t/h冷却水蒸发进入空气。而此过程中水蒸发所需的热量实际是来源于升温后的冷却水，充分利用了冷却海水表面与空气中的水蒸汽压差使水蒸汽传质到空气中，因此使得极难利用的冷却海水低品位余热得以利用，避免了环境热污染的同时，将空气中的水蒸汽回收获得品质较高的淡水。

在一些实施例中，所述喷淋装置与凝汽器冷却水出口相连。吸收了乏汽热量的海水通过喷淋与下方空气进行增湿热质传递；同时，下方的冷空气受热后向上移动，外部空气自然补入，实现了增湿热质传递的自然循环，能耗低、运行成本低。

在一些实施例中，所述喷淋装置与凝汽器冷却水出口之间设置有增压泵，利用增压泵将吸收了乏汽热量的海水提升到一定高度，再通过喷淋装置使海水与空气进行增湿热质传递。

本申请中对水蒸气的收集方式并不作特殊的限定，在一些实施例中，所述水蒸汽收集装置的回收方式为冷凝降温、吸湿溶液、吸附材料或膜法，其中，冷凝降温法可以循环采用之前收集的淡水或无盐循环水，与采用膜法进行海水淡化相比，成本大幅降低。

在一些实施例中，所述传热传质设备的通风方式为自然通风，由于本申请充分利用了吸收了乏汽热量的海水与空气之间的温差、湿度差，以及空气由冷到热的流动特点，因此，无需强制通风即可有效地进行海水低品位余热的有效利用，建设、运行成本较低，达到了工业化推广的要求，解决了现有的电厂海水直流冷却水的余热回收的问题，避免了电厂海水直流冷却水直接外排导致的能源浪费及环境热污染。

本申请中传热传质设备可以采用目前已有的工业传热传质设备，具体的装置可依据现场条件而定。

本申请的方法并不仅局限于处理电厂海水直流冷却水，在一些实施例中，所述冷却水为浓盐水或工业废水，以在更广泛的范围内，解决目前工业用水的低品位余热回收问题。

在一些实施例中，所述液体收集装置为淡水箱，将淡水收集起来，备用。

在一些实施例中，所述传热传质设备底部的冷却水出口与大海相连，经过增湿热质传递的海水温度与自然海水的温度仅相差2～3℃，基本不会对海洋环境产生热污染。

本发明还提供了一种电厂海水直流冷却水的余热利用工艺，包括：

来自凝汽器的冷却水经喷淋装置雾化成小液滴进入传热传质设备，与传热传质设备内空气直接接触传热传质，吸收了水蒸汽的空气通过水蒸汽回收装置，淡水收集后进入淡水箱储存备用；通过传热传质设备冷却后的海水排放至海中。

本发明还提供了一种电厂冷却水系统，包括：任一上述的电厂海水直流冷却水的余热利用系统。

本发明的有益效果在于：

(1)电厂海水直流冷却水的余热得以利用，避免大量热量直接排放海域引起当地生态恶化；

(2)利用上述余热从海水中蒸发出的水蒸汽冷凝后水质好，提供了一种简单可靠的、低成本海水淡化技术；

(3)提供了一种能够利用低品位余热的方式，为低品位余热的利用提供新的思路。

(4)本申请的装置结构简单、运行成本低、实用性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是现有的直流(开式)供水系统；

图2是实施例1的电厂海水直流冷却水的余热利用工艺及方法。

图中：1-增压泵，2-喷淋系统，3-空气-海水传热传质设备，4-水蒸汽回收装置，5-淡水箱。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，针对目前电厂海水直流冷却水直接排放回大海，大量余热造成能源浪费及环境热污染的问题。因此，本发明提出一种电厂海水直流冷却水的余热利用工艺及方法，包括增压泵、喷淋系统、空气-海水传热传质设备、水蒸汽收集装置、淡水箱等。所述增压泵入口与凝汽器冷却水出口相连，增压泵出口与喷淋系统相连，吸收乏汽热量的海水通过喷淋系统雾化成小液滴进入空气-海水传热传质设备，设备内空气在密度差的驱动下自然上升，与雾化后的海水直接接触传热传质，吸收了水蒸汽的空气通过水蒸汽回收装置，淡水收集后进入淡水箱储存备用；通过空气-海水传热传质设备冷却后的海水排放至海中。

所述一种电厂海水直流冷却水的余热利用工艺及方法，具体步骤如下：

(1)吸收了汽轮机乏汽的海水，温升约为8～12℃，通过喷淋系统喷入空气-海水传热传质设备，在温差与水蒸汽压差的驱动下，海水与自然上升的空气传热传质，海水最终温度降至高于当地空气湿球温度2～4℃；

(2)吸收了水蒸汽的空气通过水蒸汽回收装置后，淡水被收集到淡水箱，此处的水蒸汽回收方式可以是冷凝(喷水)降温、吸湿溶液、吸附材料、膜法等；

(3)经过空气-海水传热传质设备降温后的海水重新排放至海中。

进一步地，步骤(1)及步骤(3)中的海水可替换为浓盐水、工业废水等；

进一步地，步骤(1)中的传热传质设备为自然通风，结构形式可依据现场条件而定；

进一步地，步骤(2)中的水蒸汽回收装置形式多样，不仅限于冷凝(喷水)降温、吸湿溶液、吸附材料、膜法，还包含其他的可行性方案。

下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。

实施例1：

如图1所示，以1000mw火电机组运行为例，对本发明进一步说明。

约80000t/h的新鲜海水进入凝汽器吸收乏汽热量后温度升高约8～12℃，通过增压泵1进入喷淋系统2，雾化成液滴进入空气-海水传热传质设备3，海水在蒸发塔3内降温约5～10℃，同时约800～1200t/h海水蒸发传质到空气中，由回收装置4回收存于淡水箱5，其余返回大海(海水最终温度降至高于当地空气湿球温度2～4℃)。

实施例2：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备3，所述传热传质设备3的顶部设置有水蒸汽回收装置4，所述水蒸汽回收装置4下方设置有喷淋装置2，所述水蒸汽回收装置4还与液体收集装置5相连。

本发明拟利用空气增湿减湿热质传递原理，无需高品位热源的驱动，实现上述海水的低品位余热利用，同时回收淡水资源。该技术在直流冷却供水系统中增设空气-海水传热传质设备，吸收了乏汽热量的海水在此设备中与空气进行热质传递，在水蒸汽压差及温差作用下，海水中的热量及表面部分汽化的水蒸汽均传递到空气中，然后再将传递到空气中的水分在水蒸汽回收装置中，以回收淡水。在此过程中水温可冷却到比空气温度还低，极限冷却温度是空气湿球温度。因此，基于空气增湿热质传递原理的蒸发方式可有效利用低品位热量，并可回收淡水，系统简单可靠，运行成本低。实际应用中，最后冷却水温一般高于空气的湿球温度2～3℃。以1000mw机组为例，冷却海水量约为80000t/h，设立空气-海水传热传质设备，约有800～1200t/h冷却水蒸发进入空气。而此过程中水蒸发所需的热量实际是来源于升温后的冷却水，充分利用了冷却海水表面与空气中的水蒸汽压差使水蒸汽传质到空气中，因此使得极难利用的冷却海水低品位余热得以利用，避免了环境热污染的同时，将空气中的水蒸汽回收获得品质较高的淡水。

实施例3：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备3，所述传热传质设备3的顶部设置有水蒸汽回收装置4，所述水蒸汽回收装置4下方设置有喷淋装置2，所述水蒸汽回收装置4还与液体收集装置5相连。

所述喷淋装置2与凝汽器冷却水出口相连。吸收了乏汽热量的海水通过喷淋与下方空气进行增湿热质传递；同时，下方的冷空气受热后向上移动，外部空气自然补入，实现了增湿热质传递的自然循环，能耗低、运行成本低。

实施例4：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备3，所述传热传质设备3的顶部设置有水蒸汽回收装置4，所述水蒸汽回收装置4下方设置有喷淋装置2，所述水蒸汽回收装置4还与液体收集装置5相连。

所述喷淋装置2与凝汽器冷却水出口之间设置有增压泵1，利用增压泵1将吸收了乏汽热量的海水提升到一定高度，再通过喷淋装置2使海水与空气进行增湿热质传递。

实施例5：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备3，所述传热传质设备3的顶部设置有水蒸汽回收装置4，所述水蒸汽回收装置4下方设置有喷淋装置2，所述水蒸汽回收装置4还与液体收集装置5相连。

所述水蒸汽收集装置4的回收方式为冷凝降温、吸湿溶液、吸附材料或膜法，其中，冷凝降温法可以循环采用之前收集的淡水或无盐循环水，与采用膜法进行海水淡化相比，成本大幅降低。

实施例6：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备3，所述传热传质设备3的顶部设置有水蒸汽回收装置4，所述水蒸汽回收装置4下方设置有喷淋装置2，所述水蒸汽回收装置4还与液体收集装置5相连。

所述传热传质设备3的通风方式为自然通风，由于本申请充分利用了吸收了乏汽热量的海水与空气之间的温差、湿度差，以及空气由冷到热的流动特点，因此，无需强制通风即可有效地进行海水低品位余热的有效利用，建设、运行成本较低，达到了工业化推广的要求，解决了现有的电厂海水直流冷却水的余热回收的问题，避免了电厂海水直流冷却水直接外排导致的能源浪费及环境热污染。

本申请中传热传质设备3为蒸发塔。

实施例7：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备3，所述传热传质设备3的顶部设置有水蒸汽回收装置4，所述水蒸汽回收装置4下方设置有喷淋装置2，所述水蒸汽回收装置4还与液体收集装置5相连。

所述冷却水为浓盐水或工业废水，以在更广泛的范围内，解决目前工业用水的低品位余热回收问题。

实施例8：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备3，所述传热传质设备3的顶部设置有水蒸汽回收装置4，所述水蒸汽回收装置4下方设置有喷淋装置2，所述水蒸汽回收装置4还与液体收集装置5相连。

所述液体收集装置5为淡水箱，将淡水收集起来，备用。

实施例9：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用系统，包括：传热传质设备3，所述传热传质设备3的顶部设置有水蒸汽回收装置4，所述水蒸汽回收装置4下方设置有喷淋装置2，所述水蒸汽回收装置4还与液体收集装置5相连。

所述传热传质设备3底部的冷却水出口与大海相连，经过增湿热质传递的海水温度与自然海水的温度仅相差2～3℃，基本不会对海洋环境产生热污染。

实施例10：

一种电厂海水直流冷却水的余热利用工艺，包括：

来自凝汽器的冷却水经喷淋装置雾化成小液滴进入传热传质设备，与传热传质设备内空气直接接触传热传质，吸收了水蒸汽的空气通过水蒸汽回收装置，淡水收集后进入淡水箱储存备用；通过传热传质设备冷却后的海水排放至海中。

实施例11：

一种电厂冷却水系统，包括：实施例1-9任一所述的电厂海水直流冷却水的余热利用系统。

最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。