基于螺桿機(jī)械設(shè)備的余熱回收分析及對(duì)比

王 超

（中國(guó)石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271）

1 引言

隨著我國(guó)環(huán)保節(jié)能意識(shí)的增強(qiáng)，工業(yè)余熱回收變得越來(lái)越重要，石化、鋼鐵、火力發(fā)電、水泥、玻璃等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有大量低品位的水蒸汽、煙氣等余熱資源直接排放到空氣和河流中，造成了熱源浪費(fèi)和環(huán)境污染。煙氣余熱，蒸汽余熱余壓、工藝氣余壓，熱水余熱回收等低品位余熱回收成為目前學(xué)術(shù)研究和市場(chǎng)應(yīng)用的熱點(diǎn)。

螺桿機(jī)械由于具有變工況條件下性能優(yōu)越，無(wú)需運(yùn)維、單級(jí)壓差大，單級(jí)溫升大等優(yōu)點(diǎn)，在余熱、余壓回收領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1-3]。

本文歸納總結(jié)了余熱回收領(lǐng)域螺桿機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用及工藝，重點(diǎn)對(duì)應(yīng)用最廣的蒸汽螺桿膨脹機(jī)余熱回收系統(tǒng)和蒸汽增壓技術(shù)進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，提出了不同應(yīng)用的市場(chǎng)劃分。本文的研究為螺桿機(jī)械在余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用及推廣，提供了重要的理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

2 余熱回收類(lèi)型劃分

針對(duì)不同溫度等級(jí)，根據(jù)不同的目的及方法，工業(yè)余熱回收利用的方式可以分成余熱換熱回用、能量替代、能量提質(zhì)和余熱轉(zhuǎn)換等4種類(lèi)型，具體方式如表1所示。

可以看到螺桿機(jī)械在其中的兩大類(lèi)中均有較大的應(yīng)用，這還不包括制冷螺桿壓縮機(jī)，螺桿泵等設(shè)備。在余熱回收發(fā)電、動(dòng)力直驅(qū)、水汽增壓等領(lǐng)域，利用螺桿膨脹機(jī)，螺桿壓縮機(jī)充分發(fā)揮了螺桿機(jī)械的變工況性能優(yōu)越，單級(jí)壓差大，溫升大的優(yōu)點(diǎn)。

3 蒸汽余熱發(fā)電及增壓技術(shù)

水蒸汽是工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行能量傳遞最主要的媒介，同時(shí)也是進(jìn)行余熱回收最重要的資源。由于水蒸氣的余熱資源不同，目前對(duì)水蒸氣余熱回收的方式主要有換熱、發(fā)電、增壓回用等。

3.1 蒸汽余熱發(fā)電

螺桿機(jī)械在水蒸氣余熱發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的設(shè)備主要是螺桿膨脹機(jī)，主要應(yīng)用工藝包括水蒸蒸汽壓力能回收、富余蒸汽余熱回收和有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）。這幾種余熱發(fā)電方式已經(jīng)非常成熟，適宜的熱源及主要的應(yīng)用工藝如表2所示。

余熱發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用螺桿機(jī)械設(shè)備充分發(fā)揮螺桿機(jī)械的變工況性能優(yōu)越，運(yùn)維簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 蒸汽增壓

在能量提質(zhì)方面，蒸汽式螺桿壓縮機(jī)的利用單級(jí)壓差大，溫升大的特點(diǎn)，通過(guò)耗用一部分電費(fèi)將低壓蒸汽增壓到高壓，適用工藝需求。

蒸汽增壓的應(yīng)用主要是在以下幾個(gè)工藝領(lǐng)域：

（1）廠用蒸汽壓力低，提壓后使用。由于蒸汽輸送過(guò)程中的壓力損耗，廠用蒸汽壓力低于需求壓力，此時(shí)可以使用螺桿蒸汽壓縮機(jī)提升蒸汽壓力滿足工藝使用。

（2）富余蒸汽增壓回用。工藝生產(chǎn)中富余的一些蒸汽由于壓力較低已經(jīng)無(wú)法滿足使用，可以通過(guò)蒸汽升壓到滿足工藝使用的壓力。

利用水蒸汽螺桿壓縮機(jī)將低壓的蒸汽增壓，雖然耗費(fèi)了一些電能但是相對(duì)于價(jià)格當(dāng)前價(jià)格較貴的中壓水蒸汽，通過(guò)經(jīng)濟(jì)核算證明還是非常具有經(jīng)濟(jì)性的。

表1 余熱回收的主要利用方式

表2 蒸汽余熱發(fā)電的主要應(yīng)用工藝

4 蒸汽增壓與余熱發(fā)電的余熱利用形式對(duì)比

如前所述，對(duì)富余的蒸汽，存在蒸汽增壓與余熱發(fā)電2種不同形式的余熱利用方式，本文針對(duì)不同壓力等級(jí)富余蒸汽按照2種方式進(jìn)行分析。利用EES工程解答器，建立蒸汽螺桿膨脹機(jī)余熱發(fā)電和水蒸氣增壓計(jì)算模型，分析對(duì)于富余蒸汽采用不同的冷凝回收發(fā)電和增壓的余熱回收2種方式的對(duì)比。由于富余蒸汽基本是飽和蒸汽所以以飽和蒸汽作為研究對(duì)象，設(shè)定機(jī)組效率為75%。

圖1顯示了在不同入口壓力情況下，針對(duì)單噸蒸汽進(jìn)行增壓，不同增壓壓差情況下的耗功率對(duì)比，顯然隨著壓差的增壓，耗功功率也增大。圖2顯示了在不同入口壓力情況下進(jìn)行余熱發(fā)電回收的對(duì)比。對(duì)比圖1和圖2可以得到當(dāng)蒸汽增壓的壓比達(dá)到2.2時(shí)，水蒸汽增壓的耗功率接近為余熱發(fā)電回收功率的50%。

5 蒸汽增壓的不同壓力等級(jí)功率消耗對(duì)比余熱發(fā)電的收益

對(duì)于余熱回收項(xiàng)目，應(yīng)該從收益的角度來(lái)進(jìn)行對(duì)比。所以針對(duì)上面的計(jì)算，可以分別給定增壓后蒸汽和工業(yè)用電一定的價(jià)格對(duì)此2種方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比。

顯然存在一個(gè)水蒸汽的價(jià)格和電價(jià)的值使得兩種方式的收益是相同的。即當(dāng)余熱發(fā)電的發(fā)電量與蒸汽壓縮的耗電量（正值）之和達(dá)到一定程度時(shí)，余熱發(fā)電的收益才能超過(guò)蒸汽增壓的收益。

針對(duì)不同工業(yè)電價(jià)和不同蒸汽價(jià)格進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如圖3所示。顯然蒸汽價(jià)格越高，余熱發(fā)電的發(fā)電量和蒸汽增壓耗電功率之和必須越大。電價(jià)越高，余熱發(fā)電的發(fā)電量和蒸汽增壓耗電功率和可以降低。

所以，對(duì)于目前我國(guó)工業(yè)電價(jià)東部高，西部低，而全國(guó)蒸汽價(jià)格偏差不大的現(xiàn)象，余熱發(fā)電應(yīng)該多中東部地區(qū)推廣，而蒸汽增壓可以更好的西部地區(qū)推廣。利用峰谷電價(jià)還可以很好的進(jìn)行蒸汽蓄能，降低成本。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)螺桿機(jī)械在余熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用分析和蒸汽余熱回收發(fā)電和增壓技術(shù)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性方面的對(duì)比，得到結(jié)論如下：

（1）螺桿機(jī)械在余熱回收領(lǐng)域用著重要的應(yīng)用；

（2）蒸汽余熱回收和增壓是目前蒸汽余熱回收的2個(gè)重要的應(yīng)用方向；

（3）當(dāng)蒸汽增壓的壓比達(dá)到2.2時(shí)，蒸汽增壓的耗功率為余熱發(fā)電回收功率的50%；

圖1 不同入口壓力下不同增壓壓差的單噸蒸汽耗功對(duì)比

圖2 不同入口壓力下單噸蒸汽膨脹輸出功對(duì)比

圖3 余熱發(fā)電和蒸汽增壓達(dá)到平衡時(shí)的功率和

（4）對(duì)于電、蒸汽價(jià)格不同的地區(qū)應(yīng)該進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性論證，應(yīng)該在西部地區(qū)多推廣蒸汽增壓技術(shù)。