低壓熱水再生蒸汽的可行性與經(jīng)濟(jì)性分析

黃都都

（安徽節(jié)源環(huán)?？萍加邢薰荆不蘸戏?230088）

1 概述

熱水閃蒸分為自然閃蒸和強(qiáng)制閃蒸兩種方式[1]。在閃蒸罐中熱水利用自身能力產(chǎn)生壓力大于外界大氣壓的蒸汽，稱為自然閃蒸。利用真空設(shè)備，將閃蒸罐中熱水閃蒸出的蒸汽壓力小于外界大氣壓的稱為強(qiáng)制閃蒸。

在實(shí)際應(yīng)用中，熱水再生蒸汽主要是利用高溫高壓熱水，100℃左右的熱水目前主要應(yīng)用于有機(jī)朗肯發(fā)電和溴化鋰制冷。有機(jī)朗肯發(fā)電的熱利用效率在5%～10%之間，投資成本過(guò)大，一般1 kW 的建設(shè)費(fèi)用在1 ～1.5 萬(wàn)元；溴化鋰制冷熱利用率能夠達(dá)到70%以上，但100℃左右的熱水一般能利用的較為經(jīng)濟(jì)的溫差也就在20℃上下，同時(shí)一般其他形式的制冷機(jī)組的能效比都在4～6，折算成經(jīng)濟(jì)效益的空間并不大，通常適用于有需冷要求的場(chǎng)合。而且這兩種利用方式都要求有大量的循環(huán)水用于冷卻，對(duì)于循環(huán)水系統(tǒng)增量已無(wú)空間的企業(yè)并不適合。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保指標(biāo)趨于嚴(yán)格，新增普通燃煤鍋爐的難度越來(lái)越大，如何利用現(xiàn)有熱力系統(tǒng)，增加蒸汽來(lái)源已成為提產(chǎn)的當(dāng)務(wù)之急，利用低溫低壓蒸汽冷凝水再生蒸汽成為探討的重點(diǎn)。已有的公開(kāi)資料中，較少提到強(qiáng)制閃蒸設(shè)備及工藝的案例或構(gòu)思。文章通過(guò)設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠的閃蒸設(shè)備和工藝，描述和計(jì)算該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)移和系統(tǒng)消耗，使100℃左右熱水再生蒸汽的經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)有機(jī)朗肯發(fā)電和溴化鋰制冷，且具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。

2 熱水再生蒸汽系統(tǒng)

工藝流程見(jiàn)圖1，低壓熱水經(jīng)流量控制管道，通過(guò)噴淋裝置，進(jìn)入低壓蒸汽蒸發(fā)室；蒸發(fā)室內(nèi)為負(fù)壓，低壓熱水部分在此氣化成低壓蒸汽，經(jīng)除霧器和轉(zhuǎn)接管道進(jìn)入壓縮室；壓縮采用往復(fù)式壓縮機(jī)，在壓縮室中，當(dāng)活塞向遠(yuǎn)離進(jìn)汽口和排汽口方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，低壓蒸汽從轉(zhuǎn)接管道進(jìn)入壓縮室，直至壓縮室內(nèi)容積達(dá)到一定體積；當(dāng)壓縮室內(nèi)容積達(dá)到一定體積后，活塞向進(jìn)汽口和排汽口方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)進(jìn)汽管道處于關(guān)閉狀態(tài)，低壓蒸汽進(jìn)行絕熱壓縮；活塞運(yùn)行到一定距離，壓縮室內(nèi)蒸汽的壓力達(dá)到一定值后，排汽管道自動(dòng)打開(kāi)，蒸汽排入外界蒸汽管網(wǎng)中；活塞到達(dá)設(shè)定位置后，停止壓縮，隨后反方向運(yùn)行，排汽管道關(guān)閉，進(jìn)汽管道打開(kāi)，開(kāi)始下一個(gè)過(guò)程；蒸發(fā)室中剩余降溫后的低溫水液位控制在一定范圍，并用低溫水泵將多余的低溫水抽出。

圖1 熱水再生蒸汽系統(tǒng)

3 經(jīng)濟(jì)效益

下面僅以特定的某個(gè)狀態(tài)下的熱水和蒸汽參數(shù)進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。

3.1 蒸汽產(chǎn)量

設(shè)定低壓熱水壓力參數(shù)為0.15 MPa（A）、溫度105℃，焓值H1445 kJ/kg，流量50 t/h；閃蒸蒸汽壓力0.04 MPa（A）、溫度75℃，焓值H22 636 kJ/kg，流量Q；低溫水壓力0.04 MPa（A）、溫度75℃，焓值H3314 kJ/kg，流量（50－Q）。

在不考慮熱損失的情況下，閃蒸室中有（1）式成立：

則Q＝2.82（t/h）

3.2 壓縮機(jī)功率

3.2.1 蒸汽壓縮功率

進(jìn)入蒸汽壓力0.04 MPa（A）、溫度75℃、體積V1。排出蒸汽壓力0.2 MPa（A）、溫度T2、體積V2。在絕熱條件下（壓縮機(jī)單個(gè)沖程時(shí)間較短，可近似為絕熱過(guò)程），蒸汽絕熱指數(shù)k 1.135，則根據(jù)絕熱方程有（2）式成立：

則V1/V2＝4.13

再利用理想氣體狀態(tài)方程：

則T2＝148（℃）

查蒸汽焓值表得，0.2 MPa（A）、148℃的蒸汽焓值H42 764 kJ/kg，壓縮機(jī)輸入功率為P1，全機(jī)效率70%。不考慮熱損失的情況下，在閃蒸室中有（4）式成立：

則P1＝142（kW）

3.2.2 蒸汽吸入功率

假設(shè)完成1 個(gè)沖程時(shí)間為1 s，即抽汽時(shí)間t 為0.5 s，活塞直徑R 2.0 m，活塞運(yùn)動(dòng)距離L 1 m，外部氣壓P外101 kPa，抽汽壓力P內(nèi)40.4 kPa，計(jì)算壓縮機(jī)輸出功率P2（即維持蒸發(fā)室壓力所需的功率），全機(jī)效率70%。

則P2＝544（kW）

式中：ΔP作用在活塞橫面上內(nèi)外的壓力差；A活塞橫截面積；L活塞沖程。

每個(gè)沖程包含蒸汽壓縮和蒸汽吸入兩個(gè)過(guò)程，故壓縮機(jī)平均運(yùn)行功率：

P＝P1＋P2/2＝414（kW）

3.3 低溫水泵功率

低溫水泵采用容積泵，效率70%，出口壓力0.25 MPa（A），流量47.18 t/h。

則根據(jù)式（4），低溫水泵功率：

P3＝47.18×9.8×（0.25－0.04）×100/3 600/0.7＝4（kW）

3.4 系統(tǒng)運(yùn)行效益

蒸汽單價(jià)按140 元/t，電價(jià)按0.5 元/kW·h 計(jì)，年運(yùn)行時(shí)間8 000 h，則效益：

[2.82×140－（414＋4）×0.5]×8 000＝148（萬(wàn)元）

3.5 有機(jī)朗肯發(fā)電效益

進(jìn)出水參數(shù)見(jiàn)3.1節(jié)所述，機(jī)組熱效率按9%計(jì)，則發(fā)電能力為：

P發(fā)電＝（445－314）×50×103×9%/3 600 ＝164（kW）

全年效益：￥′＝164×0.5×8 000＝66（萬(wàn)元）

3.6 溴化鋰制冷效益

進(jìn)水參數(shù)如3.1 節(jié)所述，溫差20℃，出水溫度為85℃，焓值H5356 kJ/kg，機(jī)組熱效率按80%計(jì)，則制冷能力為：

P制冷＝（445－356）×50×103×80%/3 600 ＝989（kW）

循環(huán)水泵出口揚(yáng)程30 m、Δt為6℃的循環(huán)水量約為350 m3/h，水泵效率按70%計(jì)，則循環(huán)水泵功率為：

P循環(huán)水＝350×103×9.8×30×70%/3 600 ＝41（kW）

機(jī)組其他自耗電功率按4 kW 計(jì)，螺桿制冷機(jī)組能效比按5計(jì)，則全年節(jié)電效益：

（989/5－41－4）×0.5×8 000＝61（萬(wàn)元）

從上述三種不同余熱利用方式所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益可以看出，采用產(chǎn)生低壓蒸汽的方法能夠使經(jīng)濟(jì)效益最大化。

4 設(shè)計(jì)說(shuō)明

4.1 壓縮機(jī)

常用的壓縮機(jī)按工作原理可分為容積式和離心式。容積式壓縮機(jī)按運(yùn)動(dòng)件工作特性又可分為回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式，螺桿式壓縮機(jī)屬于回轉(zhuǎn)式，而活塞式壓縮機(jī)屬于往復(fù)式，兩者比較見(jiàn)表1。

活塞式壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其存在一些缺點(diǎn)，如轉(zhuǎn)速不高，排汽有脈動(dòng)，容易引起管道振動(dòng)等問(wèn)題[2]。但該文章所述的壓縮環(huán)境一方面壓縮比并不高，單級(jí)壓縮即可；另一方面對(duì)排汽參數(shù)的穩(wěn)定性要求較高，需并入其他廠區(qū)蒸汽管道。雖然吸入量并不算小，但可選用多缸型號(hào)，且總的排汽量較小，對(duì)下游用汽系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生明顯的脈動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)軟連接等方式減少振動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。所以，選用活塞式壓縮機(jī)較為合適。

表1 螺桿式與活塞式壓縮機(jī)比較

4.2 壓縮機(jī)沖程

選擇活塞沖程為1 000 mm是為保證不至于因沖程過(guò)短，導(dǎo)致活塞直徑過(guò)大而加工困難，以及考慮驅(qū)動(dòng)軸強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)半徑的關(guān)系。同時(shí)活塞運(yùn)行中一般余隙為1.5～4 mm，壓縮比為4.13，則單次實(shí)際吸入蒸汽量與壓縮室容積的比值：

n＝[1 000－（1.5～4）×4.13]/1 000＝0.983～0.994

4.3 活塞尺寸

0.04 MPa（A）、75℃蒸汽的比容為4.0 m3/kg，則每秒的吸氣量為：

V＝2.82×103×4.0/3 600＝3.13（m3）

取完成1個(gè)沖程所需的時(shí)間為1 s，選用單缸壓縮機(jī)時(shí)，活塞直徑為：

R1＝（3.13×4/3.14）1/2＝2.00（m）

選用兩組三缸壓縮機(jī)時(shí)，單個(gè)活塞直徑為：

R2＝（3.13×4/3.14/2/3）1/2＝0.816（m）

相同條件下，單個(gè)缸體的強(qiáng)度隨尺寸的減小而增大，而缸體的加工難度隨尺寸的減小而減??；所以，在條件允許的情況下，應(yīng)選擇多缸壓縮機(jī)。

4.4 低溫水泵

由于閃蒸室中呈負(fù)壓狀態(tài)，低溫水泵應(yīng)使用容積泵，以滿足在任何壓力條件下，均可對(duì)輸出流量進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，在泵的進(jìn)出口均需安裝壓力、溫度檢測(cè)儀表，并將信號(hào)遠(yuǎn)傳，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

4.5 蒸汽轉(zhuǎn)接管

在不影響整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下蒸汽轉(zhuǎn)接管截面積應(yīng)盡可能的大，以減少氣阻，滿足抽汽量需要。

4.6 除霧器

除霧器采用立式百葉窗結(jié)構(gòu)或?字型結(jié)構(gòu)，采用雙層除霧方式，除霧器葉片間距應(yīng)適當(dāng)放大，以減小氣阻。

4.7 聯(lián)鎖聯(lián)動(dòng)

該蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，低壓熱水、壓縮機(jī)以及低溫水泵應(yīng)進(jìn)行自控設(shè)計(jì)，依據(jù)運(yùn)行數(shù)據(jù)聯(lián)調(diào)聯(lián)動(dòng)，以穩(wěn)定閃蒸室內(nèi)真空度。

4.8 含濕蒸汽

閃蒸蒸汽進(jìn)入壓縮室時(shí)，不論是自身夾帶，還是因快速絕熱膨脹，均有可能因冷凝生成液態(tài)水，但都會(huì)在壓縮過(guò)程中升溫而汽化，接著達(dá)到過(guò)熱狀態(tài)而排出，所以不會(huì)出現(xiàn)液擊現(xiàn)象。

4.9 排汽壓力

排汽壓力越高，蒸汽溫度越高，意味著壓縮機(jī)做功越多，所以存在效益平衡點(diǎn)。以上述所列各項(xiàng)單價(jià)、效率為基礎(chǔ)，當(dāng)排汽參數(shù)為2.42 MPa（A）、293℃（理論值）時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益為零。

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還需考慮設(shè)備投資、維護(hù)成本、制造難易等問(wèn)題，故具有可操作性的排汽參數(shù)范圍遠(yuǎn)小于理論值。

5 其他相似技術(shù)

文獻(xiàn)[3]提及使用蒸汽噴射式混汽器作為抽吸低壓蒸汽或飽和水閃蒸汽的動(dòng)力來(lái)源，并將其混合擴(kuò)壓，使其參數(shù)提高至足以滿足生產(chǎn)工藝供熱、取暖及制冷等需要的蒸汽參數(shù)。該技術(shù)要有額外的高品質(zhì)蒸汽作為動(dòng)力來(lái)源，且用在有汽輪機(jī)補(bǔ)汽的場(chǎng)合下，應(yīng)用范圍受到一定局限。

文獻(xiàn)[4-5]都是關(guān)于強(qiáng)制閃蒸的實(shí)用新型專(zhuān)利，但并未闡述全部細(xì)節(jié)以及技術(shù)支撐，也沒(méi)有明確指出在負(fù)壓條件下，物料是否連續(xù)，可操作性描述不清，對(duì)實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)非常有限。

6 小試效果

采用自制的8 缸壓縮機(jī)，缸徑125 mm，行程110 mm，轉(zhuǎn)速600 r/min；熱水流量1.75 t/h，溫度105℃；排出蒸汽利用冷凝器液化，經(jīng)疏水閥流出，收集計(jì)量。

經(jīng)過(guò)24 h 測(cè)試，共收集1.788 t 冷凝液，耗電316 kW·h，即176.7 kW·h/t蒸汽，理論值146.8 kW·h/t蒸汽；排汽口平均溫度139℃，理論值148℃。

7 結(jié)論

按強(qiáng)制閃蒸思路，將低壓熱水在負(fù)壓條件下產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)活塞式壓縮機(jī)絕熱壓縮，達(dá)到合適蒸汽參數(shù)排入公共蒸汽管網(wǎng)或用汽點(diǎn)；通過(guò)理論計(jì)算及工程設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)分析，證實(shí)了其技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)可行性。該技術(shù)目前仍處于試驗(yàn)階段，實(shí)施效果以及優(yōu)化措施仍需在具體項(xiàng)目中體現(xiàn)、確認(rèn)和改進(jìn)，但無(wú)疑為低壓熱水再利用提供了一種新的選擇方案，使進(jìn)一步提高能源利用效率成為了可能。