蒸汽減溫減壓過程中能級優(yōu)化分析及建議

張波，龐栓林，李治水，謝智勇

（天津渤化永利化工股份有限公司研究所，天津300000）

蒸汽減溫減壓過程中能級優(yōu)化分析及建議

張波，龐栓林，李治水，謝智勇

（天津渤化永利化工股份有限公司研究所，天津300000）

本文以我公司某裝置減溫減壓裝置為例，對蒸汽在減溫減壓過程中的能級進(jìn)行分析，計算“火用”（yong）損失，分析采用螺桿膨脹發(fā)電機組進(jìn)行發(fā)電，實現(xiàn)能的優(yōu)化利益。

“火用”；減溫減壓；螺桿膨脹發(fā)電機

目前，石油、化工、鋼鐵等生產(chǎn)企業(yè)所需的低壓蒸汽普遍采用的是由中高壓蒸汽通過節(jié)流減壓和減溫水噴淋降溫后得到的。按照現(xiàn)有工藝，蒸汽減溫減壓雖為絕熱過程，總熱量保持不變，但減溫減壓后，會造成蒸汽“火用”損失，進(jìn)而使其能的利用率降低，只有充分利用工質(zhì)的“火用”，才能保證能量的充分利用。

我公司某裝置需要32 t/h的210℃、1.6MPa低壓蒸汽，該蒸汽是由420℃、4.2MPa的中壓蒸汽通過節(jié)流減壓和149℃、6.0MPa的減溫水噴淋降溫后實現(xiàn)的。本文對該工序進(jìn)行能級分析，計算“火用”損失，提出用螺桿膨脹發(fā)電機組代替原減溫減壓裝置進(jìn)行余壓發(fā)電的節(jié)能措施，并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價。

1　蒸汽減溫減壓過程能級分析

能量的質(zhì)量高低是在能量轉(zhuǎn)換過程中表現(xiàn)出來的。比如，機械能和電能可完全地轉(zhuǎn)換為內(nèi)能和熱能，但內(nèi)能和熱能并不能完全地、連續(xù)地轉(zhuǎn)換為機械能。按照熱力學(xué)第二定律，若以能量的轉(zhuǎn)換程度作為一種尺度，則可劃分為三類不同“質(zhì)”的能量［1］，如表1所示。

在周圍環(huán)境條件下任一形式能量中理論上能夠轉(zhuǎn)化為有用功（可完全轉(zhuǎn)換能量）的那部分能量稱為該能量的“火用”（exergy）或有效能?！盎鹩谩北碚髂芰哭D(zhuǎn)變?yōu)楣Φ哪芰图夹g(shù)上的有用程度，可以用來評價能量的品質(zhì)和極位。相反，能量中不能夠轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ哪遣糠帜芰糠Q為“火無”（anergy）。總能量=“火用”+“火無”，在任何能量的轉(zhuǎn)換過程中“火用”和“火無”的總和保持不變。一切可逆過程不出現(xiàn)“火用”的貶值過程，而一切不可逆過程不可避免地發(fā)生能的貶值變質(zhì)，“火用”減少“火無”增加，即“火用”損失［2］。

表1　三類不同“質(zhì)”的能量對比表

通過以上分析，420℃、4.2MPa的蒸汽減溫減壓到210℃、1.6MPa的過程中，盡管總能量保持不變，但能量中的“火用”與“火無”的比例會發(fā)生變化，出現(xiàn)“火用”損失，使得蒸汽品質(zhì)降低。若通過原有裝置直接減溫減壓，損失的“火用”沒有得到利用，造成能量浪費。接下來，以該工序為例，通過理論計算對“火用”損失進(jìn)行定量分析。

2“火用”損失的計算

為了計算方便，忽略蒸汽降溫減壓過程的次要矛盾，可作以下假設(shè)：（1）忽略減溫減壓過程中熱量損失；（2）將減溫減壓過程的蒸汽流動簡化為穩(wěn)定流動；（3）忽略減溫減壓過程中蒸汽勢能和動能的變化；（4）將環(huán)境狀態(tài)（0.1MPa，293.15K）視為計算“火用”的基準(zhǔn)態(tài)。

計算過程使用的物性參數(shù)，其符號、含義、數(shù)值如表2所示。

表2　計算過程使用的物性參數(shù)表

計算過程待求量的符號、含義、數(shù)值如表3所示：

表3　計算過程中待求量表

2.1物料衡算

能量平衡方程為：

質(zhì)量平衡方程為：

聯(lián)立式（1）、（2），代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得，qm，1=27t/h，qm，w=5t/h。

2.2中壓蒸汽“火用”損失

①中壓蒸汽比“火用”損失

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得 e1=346.72kJ/kg。

②單位時間中壓蒸汽“火用”損失

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得 E1=9.257GJ/h。

2.3減溫水“火用”升

由于減溫水被加熱變?yōu)榈蛪赫羝?，因此?yīng)分別計算出減溫減壓前減溫水的比“火用”和減溫減壓后減溫水生成的低壓蒸汽的比“火用”。

①減溫減壓前減溫水的比“火用”

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得ew=99.14kJ/kg。

②減溫水生成低壓蒸汽的比“火用”

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得ew，2=919.5kJ/kg

③單位時間減溫水“火用”升

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得 Ew=4.348GJ/h。

2.4減溫減壓過程總“火用”損失及損失率

①減溫減壓過程單位時間總“火用”損失

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得 E=4.909GJ/h。

②中壓蒸汽比“火用”

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得e1=1266.21 kJ/kg。

③減溫減壓過程“火用”損失率

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)計算可得η=14.5%。

3　節(jié)能措施

根據(jù)以上的計算過程可知，蒸汽在減溫減壓過程中“火用”損失很大，造成其能的利用率降低。合理使用蒸汽，不僅要著眼于其熱量，更應(yīng)注重其“火用”的充分利用。通過引進(jìn)新的技術(shù)和設(shè)備，對原有的蒸汽減溫減壓裝置進(jìn)行改造，若能滿足原工藝要求的同時，又能充分利用蒸汽的“火用”用于發(fā)電，將為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益。經(jīng)過計算可知，上述工序條件下，理論上最大發(fā)電功率為（4.909×106/3600）kW=1363kW。

按照現(xiàn)有的技術(shù)水平，汽輪機和螺桿膨脹發(fā)電機均可滿足上述要求，但汽輪機更適合于大規(guī)模發(fā)電（最大單機容量可達(dá)到100萬kW），普遍應(yīng)用于火力發(fā)電廠；而螺桿膨脹動力機結(jié)構(gòu)簡單、占地面積少、投資小、效率高，但單機容量較小，適用于發(fā)電量較小的場合，另外螺桿膨脹發(fā)電機操作負(fù)荷較為寬泛，特別適用于余壓余熱的回收利用。目前，石油、化工、鋼鐵等生產(chǎn)企業(yè)存在許多規(guī)模較小的蒸汽減溫減壓裝置，因而，螺桿膨脹發(fā)電技術(shù)更為合適。

3.1螺桿膨脹發(fā)電機簡介

螺桿膨脹發(fā)電核心部件是螺桿膨脹動力機本體，其基本構(gòu)造由一對陰陽轉(zhuǎn)子、支撐軸承、冷卻水套、機械密封、調(diào)節(jié)閥和機殼體組成。工作原理包括進(jìn)氣、膨脹和排氣三個過程，如圖1所示，中壓蒸汽進(jìn)入螺桿齒槽A，推動螺桿轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)到B、C、D，齒槽容積增加，蒸汽降壓膨脹做功，最后低壓蒸汽從齒槽E排出，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電［5］。

3.2技改方案

圖1　

如圖2所示，在4.2MPa和1.6MPa蒸汽管網(wǎng)之間，以旁路形式（相對于原減溫減壓裝置）接入一套螺桿膨脹發(fā)電機組，在滿足原工藝要求的同時，回收壓差蒸汽能量做功而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，做功后排氣供后續(xù)工藝使用。當(dāng)緊急停機時，發(fā)電機組關(guān)閉，蒸汽由原減溫減壓裝置供給，不影響后續(xù)工藝使用。

圖2　

3.3年經(jīng)濟(jì)效益計算

用發(fā)電功率為800kW的螺桿膨脹發(fā)電機組代替原減溫減壓裝置，年運行時間按8000h計算，每年的發(fā)電量為640萬度；按每度電折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.404 kg計算，每年節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤為2585.6t，將為我公司帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4　結(jié)論

蒸汽減溫減壓過程會造成大量的“火用”損失，以我公司某裝置420℃、4.2MPa的中壓蒸汽減溫減壓到210℃、1.6MPa的低壓蒸汽為例，“火用”損失為4.909GJ/h，損失率為14.5%，只有充分利用工質(zhì)的“火用”，才能保證能量的充分利用。在滿足原工藝要求的同時，用螺桿膨脹發(fā)電機代替原減溫減壓裝置，充分利用蒸汽的“火用”用于發(fā)電，可為我公司帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能效益。按螺桿膨脹發(fā)電機凈發(fā)電功率為800kW，年運行時間為8000h，每度電折合標(biāo)準(zhǔn)煤0.404 kg計算，每年的發(fā)電量為640萬度，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤2585.6t，同時可以推廣到公司其它減溫減壓裝置上，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)增長和節(jié)能降耗雙贏的效果。

［1］楊東華.“火用”分析和能級分析［M］.北京：科學(xué)出版社，1986.

［2］朱明善.能量系統(tǒng)的“火用”分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1988.

［3］嚴(yán)家錄，余曉福，水和水蒸氣熱力性質(zhì)圖表［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［4］沈維道，鄭佩芝，蔣淡安.工程熱力學(xué)（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，1983.

［5］韓巍，李志.螺桿膨脹動力機余熱利用系統(tǒng)介紹及前景分析.船電技術(shù)，2009.

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.05.014

TQ083.4

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1008-1267（2015）05-0040-04

2015-05-22