余熱蒸汽資源回收系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

張理論，趙金輝，張力雋

(1.河南省城市規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，河南 鄭州450001;2.鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州450001)

0 前言

針對以蒸汽、汽水混合物形式存在的低品位能源，直接排掉浪費了能源，用這些低品位能源進行汽輪機發(fā)電又不經(jīng)濟［1］，因而考慮一種新型的節(jié)能方法回收利用這部分低品位能源。本文主要研究利用螺桿膨脹機回收化工、冶金、建材和電力等行業(yè)工藝過程中產(chǎn)生的余熱，在保證安全正常生產(chǎn)的情況下。盡可能的回收余熱資源，提高能源利用率，達到節(jié)能效果。

1 現(xiàn)有余熱蒸汽回收發(fā)電技術(shù)的比較

目前余熱發(fā)電系統(tǒng)分為兩種:單循環(huán)系統(tǒng)、雙循環(huán)系統(tǒng)［2］。兩種系統(tǒng)比較如表1。

由表1可知，目前的余熱發(fā)電利用技術(shù)均存在不同程度的缺陷。

表1 現(xiàn)有余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)比較

2 余熱回收動力發(fā)電機組的選擇

本項目的余熱梯級回收發(fā)電系統(tǒng)采用螺桿膨脹機作為余熱資源的發(fā)電設(shè)備。螺桿膨脹動力機是一種低品位熱能動力機，它能夠回收低品位熱能并直接轉(zhuǎn)換成電能［3－4］，是一種在當(dāng)前能源利用領(lǐng)域重大突破性的新型動力機。

2.1 螺桿膨脹機的工作原理

螺桿膨脹動力機是由螺旋轉(zhuǎn)子和機殼組成的動力機，如圖1。流體進入螺桿齒槽，壓力推動螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽容積增加。流體降壓膨脹作功，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。蒸汽、熱液或汽液兩相流體先進入機內(nèi)螺桿齒槽A，推動螺桿轉(zhuǎn)動，隨著螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽A旋轉(zhuǎn)到B、C、D逐漸加長，容積增大，流體降壓降溫膨脹(或閃蒸)做功，最后從齒槽E排出，供生產(chǎn)用熱或循環(huán)再加熱做功。功率從主軸陽螺桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電［5－6］

圖1 螺桿膨脹機結(jié)構(gòu)圖

2.2 螺桿膨脹機發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)越性

螺桿膨脹動力機的功率一般可以在10～1 000 kW之間，螺桿膨脹機發(fā)電的特點為:

(1)螺桿膨脹機除適用于汽液兩相、熱水和飽和蒸汽外，也適用于過熱蒸汽［7］;

(2)螺桿機結(jié)構(gòu)簡單，主要部件僅兩根螺桿和外殼，安裝維修容易［8］;

(3)機組轉(zhuǎn)速可調(diào)，不需要減速器，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動小，噪聲低［9］;

(4)螺桿膨脹機為容積式工作原理動力機，機內(nèi)流速低，機組效率較高［10］;

(5)螺桿機除軸承、密封外，無其它磨損件，螺桿轉(zhuǎn)速不高，機組壽命長，維修費用低［11］;

(6)螺桿膨脹機允許單機和并網(wǎng)運行，扭矩大，能直接拖動風(fēng)機、水泵或壓縮機［12］;

(7)螺桿機對于工業(yè)鍋爐蒸汽或工廠熱水品質(zhì)要求不高［13］。

因此，采用螺桿膨脹機為發(fā)電機提供動力，節(jié)約能源、降低成本和提高經(jīng)濟效益。

3 基于螺桿膨脹機的新型高效余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計

蒸汽余熱梯級回收發(fā)電系統(tǒng)回收蒸汽分為兩個階段:

第一階段，將余熱蒸汽直接通過螺桿膨脹機，使其膨脹做功并帶動發(fā)電機發(fā)電，利用過的蒸汽通過排氣口排出［14］。系統(tǒng)流程如圖2，其工作流程如下:

圖2 第一階段(單循環(huán)余熱發(fā)電)系統(tǒng)原理圖

(1)蒸汽循環(huán)(1－2－3－4－5－6)。蒸汽熱源的蒸汽經(jīng)過除雜等過程后直接進入螺桿膨脹機膨脹做功，并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

(2)油路循環(huán)(9－8－5)。潤滑油由噴油槍噴入膨脹機5，對膨脹機轉(zhuǎn)子和星輪進行冷卻及潤滑，同時起到一定的密封作用。從膨脹機出來后潤滑油經(jīng)過油分離器分離，分離后的潤滑油流入油槽9，通過油泵8實現(xiàn)下一次循環(huán)。

第二階段，階段一排出的乏汽與低沸點工質(zhì)換熱，使低沸點工質(zhì)吸熱沸騰為蒸汽，將該蒸汽引入螺桿膨脹機進行做功，并帶動發(fā)電機發(fā)電［15－16］，階段二如圖3，其工作流程如下:

圖3 第二階段(雙循環(huán)余熱發(fā)電)系統(tǒng)原理圖

(1)工質(zhì)循環(huán)(7－1－8－9－10－2－4－5－6)。工質(zhì)在循環(huán)泵7壓力的作用下被送至蒸發(fā)器1加熱蒸發(fā)，由蒸發(fā)器出來的高溫高壓蒸汽通過減壓閥8以及流量調(diào)節(jié)閥9的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到適合膨脹機進氣的蒸汽。之后蒸汽在膨脹機2內(nèi)膨脹做功，膨脹機帶動發(fā)電機3發(fā)電。做完功的工質(zhì)以及噴入膨脹機的潤滑油在油分離器4的作用下分離，分離出來的工質(zhì)進入冷凝器5凝結(jié)，而被分離出來的油則進入油槽14，在油泵13作用下進行再循環(huán)。經(jīng)分離的排汽進入冷凝器5中凝結(jié)成液態(tài)工質(zhì)后流入儲液罐6，之后在工質(zhì)循環(huán)泵的作用下進行下一次循環(huán)。

(2)水冷循環(huán)(16－5－15)。在冷凝器5中，膨脹機排汽在冷卻水的作用下凝結(jié)為液態(tài)，同時冷卻水被加熱。被加熱的冷卻水在冷卻水循環(huán)泵16的作用下進入冷卻塔15進行冷卻，冷卻后的冷卻水再進入下一次循環(huán)。

(3)油路循環(huán)(2－4－14－13)。潤滑油由噴油槍噴入膨脹機2，對膨脹機轉(zhuǎn)子和星輪進行冷卻及潤滑，同時起到一定的密封作用。從膨脹機出來后潤滑油經(jīng)過油分離器4分離，分離后的潤滑油流入油槽14，通過油泵13實現(xiàn)下一次循環(huán)。

(4)旁路系統(tǒng)(8－9－12－5－6)。在膨脹機2出現(xiàn)故障必須立即停機時，膨脹機進口處逆止閥10關(guān)閉，旁路流量調(diào)節(jié)閥9打開。過熱蒸汽通過減溫減壓閥12后達到冷凝器5進氣要求，進入冷凝器冷凝，之后流入儲液罐6。減溫時，直接將儲液罐6內(nèi)的工質(zhì)送入減溫減壓閥12同蒸汽混合，冷卻蒸汽。另外，旁路的流量調(diào)節(jié)閥還有一定的分流作用，當(dāng)膨脹機的流量已經(jīng)滿足，而蒸發(fā)器內(nèi)又無法容納多余的汽量時，旁路上的流量調(diào)節(jié)閥可實現(xiàn)部分分流。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用實例計算

河南某煤化工有限公司現(xiàn)有一處放散蒸汽熱源，蒸汽壓力0.8 MPa，溫度170℃，流量為50 t/h。通過運用本系統(tǒng)的基于螺桿膨脹機發(fā)電的低溫余熱梯級利用發(fā)電方式回收這部分熱量，使企業(yè)的余熱資源的最大化利用，發(fā)出的電可并入企業(yè)的電網(wǎng)直接利用。

4.1 系統(tǒng)方案

4.1.1 已知參數(shù)

本文主要是針對煤氣化余熱蒸汽源的余熱發(fā)電利用，發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)計參數(shù)如下:

第一階段進口蒸汽參數(shù):壓力0.8 MPa，蒸汽溫度170℃，蒸汽流量50 t/h。

第二階段:蒸汽進口溫度111℃，蒸汽流量30 t/h。冷卻水溫度25℃。

4.1.2 技術(shù)方案

本文提出的發(fā)電系統(tǒng)分兩個階段:第一階段，蒸汽直接進入螺桿膨脹機機組，并膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電，發(fā)電機發(fā)出的電能，由電站廠房內(nèi)的同期開關(guān)并網(wǎng)，通過電站側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)輸送至380 V母線。第二階段，階段一中排出的111℃的利用后的乏汽通過換熱器將低沸點有機工質(zhì)R141b加熱蒸發(fā)，得到高溫高壓蒸汽，再由高溫高壓蒸汽來推動螺桿膨脹機做功發(fā)電，從而利用未被階段一完全利用的蒸汽余熱發(fā)電。此階段發(fā)電機發(fā)出的電能，亦由電站廠房內(nèi)的同期開關(guān)并網(wǎng)，通過電站側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)輸送至380 V母線。

4.1.3 設(shè)備選型

系統(tǒng)第一階段的發(fā)電系統(tǒng):設(shè)計將50 t/h的富余蒸汽直接進入三套螺桿膨脹發(fā)電機組?？裳b機3套×900 kW的螺桿膨脹發(fā)電機組，額定發(fā)電功率為3×830 kW。

(1)螺桿膨脹動力機設(shè)計參數(shù)(單臺)

進汽壓力:0.7 MPa，進汽溫度:167℃，進汽流量:16.7 t/h

排汽壓力:0.12MPa，排汽溫度:111℃，排氣干度:0.94

額定功率:830 kW，機型:SEPG500－900－2400－1.65－C

(2)方案主體設(shè)備(見表1、表2)

表1 系統(tǒng)第一階段設(shè)備表

系統(tǒng)第二階段的發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)備的選型結(jié)果見表2。

表2 系統(tǒng)第二階段設(shè)備表

4.2 系統(tǒng)的具體效益

系統(tǒng)每年按照工作8 000 h計算，在此項目中本系統(tǒng)的節(jié)能及經(jīng)濟效益分析如表3所示。

表3 系統(tǒng)效益一覽表

由上表可知，該系統(tǒng)運行一年可為企業(yè)發(fā)電2 043.2萬kWh，年發(fā)電效益為1021.6萬元/年，年節(jié)約煤量為7 151.2 t，每年可減少CO2排放15 447 t。與目前將余熱蒸汽通過汽輪機直接發(fā)電的技術(shù)相比，本系統(tǒng)每年可多發(fā)22.2%的電能。

5 結(jié)論

綜上所述，本系統(tǒng)提供的余熱發(fā)電解決方案，采用先進的螺桿膨脹發(fā)電技術(shù)和完善的技術(shù)方案，在減少企業(yè)熱污染的同時提高了企業(yè)能源的利用效率。因此該解決方案是非常適宜的。不僅不影響工藝要求，還給廠里帶來了良好的經(jīng)濟效益。相對節(jié)省了大量的能源，改善了環(huán)境，是一個對社會有益、對企業(yè)有益的好項目。本期技改工程在原有廠址內(nèi)建設(shè)，因此可達到投資省、速度快和效益高的效果，該工程項目是可行的。

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