余热蒸汽资源回收系统的设计及应用

2013-07-26张理论赵金辉张力隽

节能技术 2013年3期

张理论，赵金辉，张力隽

(1.河南省城市规划设计研究总院有限公司，河南郑州450001;2.郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001)

0 前言

针对以蒸汽、汽水混合物形式存在的低品位能源，直接排掉浪费了能源，用这些低品位能源进行汽轮机发电又不经济［1］，因而考虑一种新型的节能方法回收利用这部分低品位能源。本文主要研究利用螺杆膨胀机回收化工、冶金、建材和电力等行业工艺过程中产生的余热，在保证安全正常生产的情况下。尽可能的回收余热资源，提高能源利用率，达到节能效果。

1 现有余热蒸汽回收发电技术的比较

目前余热发电系统分为两种:单循环系统、双循环系统［2］。两种系统比较如表1。

由表1可知，目前的余热发电利用技术均存在不同程度的缺陷。

表1 现有余热发电系统技术比较

2 余热回收动力发电机组的选择

本项目的余热梯级回收发电系统采用螺杆膨胀机作为余热资源的发电设备。螺杆膨胀动力机是一种低品位热能动力机，它能够回收低品位热能并直接转换成电能［3－4］，是一种在当前能源利用领域重大突破性的新型动力机。

2.1 螺杆膨胀机的工作原理

螺杆膨胀动力机是由螺旋转子和机壳组成的动力机，如图1。流体进入螺杆齿槽，压力推动螺杆转动，齿槽容积增加。流体降压膨胀作功，实现能量转换。蒸汽、热液或汽液两相流体先进入机内螺杆齿槽A，推动螺杆转动，随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐渐加长，容积增大，流体降压降温膨胀(或闪蒸)做功，最后从齿槽E排出，供生产用热或循环再加热做功。功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱动发电机发电［5－6］

图1 螺杆膨胀机结构图

2.2 螺杆膨胀机发电系统的优越性

螺杆膨胀动力机的功率一般可以在10～1 000 kW之间，螺杆膨胀机发电的特点为:

(1)螺杆膨胀机除适用于汽液两相、热水和饱和蒸汽外，也适用于过热蒸汽［7］;

(2)螺杆机结构简单，主要部件仅两根螺杆和外壳，安装维修容易［8］;

(3)机组转速可调，不需要减速器，运转平稳，振动小，噪声低［9］;

(4)螺杆膨胀机为容积式工作原理动力机，机内流速低，机组效率较高［10］;

(5)螺杆机除轴承、密封外，无其它磨损件，螺杆转速不高，机组寿命长，维修费用低［11］;

(6)螺杆膨胀机允许单机和并网运行，扭矩大，能直接拖动风机、水泵或压缩机［12］;

(7)螺杆机对于工业锅炉蒸汽或工厂热水品质要求不高［13］。

因此，采用螺杆膨胀机为发电机提供动力，节约能源、降低成本和提高经济效益。

3 基于螺杆膨胀机的新型高效余热发电系统设计

蒸汽余热梯级回收发电系统回收蒸汽分为两个阶段:

第一阶段，将余热蒸汽直接通过螺杆膨胀机，使其膨胀做功并带动发电机发电，利用过的蒸汽通过排气口排出［14］。系统流程如图2，其工作流程如下:

图2 第一阶段(单循环余热发电)系统原理图

(1)蒸汽循环(1－2－3－4－5－6)。蒸汽热源的蒸汽经过除杂等过程后直接进入螺杆膨胀机膨胀做功，并驱动发电机发电。

(2)油路循环(9－8－5)。润滑油由喷油枪喷入膨胀机5，对膨胀机转子和星轮进行冷却及润滑，同时起到一定的密封作用。从膨胀机出来后润滑油经过油分离器分离，分离后的润滑油流入油槽9，通过油泵8实现下一次循环。

第二阶段，阶段一排出的乏汽与低沸点工质换热，使低沸点工质吸热沸腾为蒸汽，将该蒸汽引入螺杆膨胀机进行做功，并带动发电机发电［15－16］，阶段二如图3，其工作流程如下:

图3 第二阶段(双循环余热发电)系统原理图

(1)工质循环(7－1－8－9－10－2－4－5－6)。工质在循环泵7压力的作用下被送至蒸发器1加热蒸发，由蒸发器出来的高温高压蒸汽通过减压阀8以及流量调节阀9的调节，调节到适合膨胀机进气的蒸汽。之后蒸汽在膨胀机2内膨胀做功，膨胀机带动发电机3发电。做完功的工质以及喷入膨胀机的润滑油在油分离器4的作用下分离，分离出来的工质进入冷凝器5凝结，而被分离出来的油则进入油槽14，在油泵13作用下进行再循环。经分离的排汽进入冷凝器5中凝结成液态工质后流入储液罐6，之后在工质循环泵的作用下进行下一次循环。

(2)水冷循环(16－5－15)。在冷凝器5中，膨胀机排汽在冷却水的作用下凝结为液态，同时冷却水被加热。被加热的冷却水在冷却水循环泵16的作用下进入冷却塔15进行冷却，冷却后的冷却水再进入下一次循环。

(3)油路循环(2－4－14－13)。润滑油由喷油枪喷入膨胀机2，对膨胀机转子和星轮进行冷却及润滑，同时起到一定的密封作用。从膨胀机出来后润滑油经过油分离器4分离，分离后的润滑油流入油槽14，通过油泵13实现下一次循环。

(4)旁路系统(8－9－12－5－6)。在膨胀机2出现故障必须立即停机时，膨胀机进口处逆止阀10关闭，旁路流量调节阀9打开。过热蒸汽通过减温减压阀12后达到冷凝器5进气要求，进入冷凝器冷凝，之后流入储液罐6。减温时，直接将储液罐6内的工质送入减温减压阀12同蒸汽混合，冷却蒸汽。另外，旁路的流量调节阀还有一定的分流作用，当膨胀机的流量已经满足，而蒸发器内又无法容纳多余的汽量时，旁路上的流量调节阀可实现部分分流。

4 系统的应用实例计算

河南某煤化工有限公司现有一处放散蒸汽热源，蒸汽压力0.8 MPa，温度170℃，流量为50 t/h。通过运用本系统的基于螺杆膨胀机发电的低温余热梯级利用发电方式回收这部分热量，使企业的余热资源的最大化利用，发出的电可并入企业的电网直接利用。

4.1 系统方案

4.1.1 已知参数

本文主要是针对煤气化余热蒸汽源的余热发电利用，发电系统的基本设计参数如下:

第一阶段进口蒸汽参数:压力0.8 MPa，蒸汽温度170℃，蒸汽流量50 t/h。

第二阶段:蒸汽进口温度111℃，蒸汽流量30 t/h。冷却水温度25℃。

4.1.2 技术方案

本文提出的发电系统分两个阶段:第一阶段，蒸汽直接进入螺杆膨胀机机组，并膨胀做功带动发电机发电，发电机发出的电能，由电站厂房内的同期开关并网，通过电站侧联络开关输送至380 V母线。第二阶段，阶段一中排出的111℃的利用后的乏汽通过换热器将低沸点有机工质R141b加热蒸发，得到高温高压蒸汽，再由高温高压蒸汽来推动螺杆膨胀机做功发电，从而利用未被阶段一完全利用的蒸汽余热发电。此阶段发电机发出的电能，亦由电站厂房内的同期开关并网，通过电站侧联络开关输送至380 V母线。

4.1.3 设备选型

系统第一阶段的发电系统:设计将50 t/h的富余蒸汽直接进入三套螺杆膨胀发电机组。可装机3套×900 kW的螺杆膨胀发电机组，额定发电功率为3×830 kW。

(1)螺杆膨胀动力机设计参数(单台)

进汽压力:0.7 MPa，进汽温度:167℃，进汽流量:16.7 t/h

排汽压力:0.12MPa，排汽温度:111℃，排气干度:0.94

额定功率:830 kW，机型:SEPG500－900－2400－1.65－C

(2)方案主体设备(见表1、表2)

表1 系统第一阶段设备表

系统第二阶段的发电系统，设备的选型结果见表2。

表2 系统第二阶段设备表

4.2 系统的具体效益

系统每年按照工作8 000 h计算，在此项目中本系统的节能及经济效益分析如表3所示。

表3 系统效益一览表

由上表可知，该系统运行一年可为企业发电2 043.2万kWh，年发电效益为1021.6万元/年，年节约煤量为7 151.2 t，每年可减少CO2排放15 447 t。与目前将余热蒸汽通过汽轮机直接发电的技术相比，本系统每年可多发22.2%的电能。

5 结论

综上所述，本系统提供的余热发电解决方案，采用先进的螺杆膨胀发电技术和完善的技术方案，在减少企业热污染的同时提高了企业能源的利用效率。因此该解决方案是非常适宜的。不仅不影响工艺要求，还给厂里带来了良好的经济效益。相对节省了大量的能源，改善了环境，是一个对社会有益、对企业有益的好项目。本期技改工程在原有厂址内建设，因此可达到投资省、速度快和效益高的效果，该工程项目是可行的。

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