热能梯级利用分析

牛 冉

（天津钢铁集团有限公司动力厂，天津300301）

0 引言

随着环保、清洁、节能理念的普及，粗犷式生产已无法适应时代要求，企业层级化高效用能成为新的发展方向。实现热能分级利用，使各品级介质充分发挥其能级效，能够促进整体能效利用率的提升。天钢集团对原燃气锅炉热力系统进行优化改造，充分利用各层级热能多途径使用，实现了不可再生类能源梯级节能生产。在原系统内、外管网衔接处建立两组双螺杆膨胀机发电机组，实现以转动机械发电模式取代原减温减压装置对外网供汽[1]，实现了蒸汽多路循环共营的生产模式，以及供风、发电、供热三联产的运行模式。

1 螺杆发电体系的建立

1.1 双螺杆膨胀机构造与运行过程

双螺杆膨胀机利用蒸汽充斥缸体过程容积变化产生扭矩促使缸内一对阴、阳双轴转子回转原理，将热能转化为转子动能，进而带动发电机发电。其内部由阴阳螺杆、汽缸、轴承、机械密封、联轴器等构成，外部与发电机、电气控制柜、油冷却器、润滑油站及液压装置、调速控制装置相连接。气缸形似“∞”符号，阴、阳转子相互啮合与机壳共同构成密闭空间，利用进气膨胀做功，令阳转子产生扭矩反转传动阴转子旋转，进而带动发电机[2]。

螺杆膨胀机工作进程分为吸气、膨胀、排气三阶段。吸气阶段高压蒸汽由进气口进入螺杆膨胀机螺旋齿槽内，吸气结束时进气口关闭，此时装有两对浮动式双向机械密封的机壳和转子共同构成一个大小固定的密闭齿间容积，此空间供蒸汽做膨胀功。吸气过程反复进行，各级空间前后相连，蒸汽源源不断地涌入一个个独立的齿间容积空间，各级空间蒸汽均具有向前的动量，在气压作用下，阴、阳螺杆各空间出口处产生向外的扭矩，转子在扭矩的作用下旋转起来。膨胀过程齿间容积逐渐向排气口移动，当啮合点到达排气端时齿间容积达到最大，阴、阳转子自转使齿槽分离，这时做完功的低温低压蒸汽由排气口排出，进入外管网[3]。与此同时，新一轮齿合循环再次展开，进气口开启，蒸汽再被双螺杆膨胀机吸入，往复吸气→膨胀→排气这一过程，实现了蒸汽连续做功。双螺杆膨胀机见图1。

图1 双螺杆膨胀机图示

1.2 双螺杆膨胀机发电的优势

双螺杆膨胀机是高效利用高品质蒸汽热电转化的有效装置。其适用介质要求宽松且品质要求不高，非洁净蒸汽亦可运行，螺杆间、杆壳间的相对转动具有除垢能力，未净余垢填充间隙反可降低泄漏，提高热效率。杆体构造匀称，无不平衡质量力，有助于平稳运转与减震降噪，安全运行可靠性高。由于机组转速不高、磨损件少且能承受较大冲击负荷，故机组寿命较长，安装、维修、操作容易，可实现全自动无人监管模式。机组仅有外泄损失，因而机械效率高，后期运营维护成本低，经济效益显著。

1.3 动力循环热力学过程

双螺杆膨胀机组遵循郎肯循环原理，由热源供热给螺杆发电机组，螺杆机组将介质释放的热能转为机械能，带动发电机转动，进而将机械能转为电能，做功完成后，介质携带所余热能进入冷凝器冷却，使其相态由汽转液，再经工质泵送入热源形成循环。此次改造在现有热循环基础上引入双螺杆膨胀机组，热源输送热媒至螺杆机组做功，排出介质携余热送向外网供热用户使用，无需冷却介质后送热源加热，可视为半郎肯循环[4]。

蒸汽动力循环图见图2。

炉水吸热汽化过程1-2为定压过程，吸热表达式为Q=m（h2-h1）；蒸汽进入螺杆机组膨胀做功理论过程2-3s为可逆绝热过程，做功输出能量表达式为WT=m（h2-h3s）；由热力学第一定律知循环热效率为 η=WT/Q=m（h2-h3s）/m（h2-h1）。考虑现场运行中各种不可逆热损失，机组不可逆膨胀功实际过程为2-3，实际功 W 小于理想功 WT，即 W=m（h2-h3）

图2 蒸汽动力循环图

2 热力管网改造过程

2.1 管网结构分析

目前天钢热力管网由3台JG-140/3.82-Q锅炉、3组汽轮鼓风机、1套中温中压发电及1套外网减温减压装置组成。锅炉以高炉煤气为主要燃料，产出蒸汽供汽轮鼓风机产风与中温中压发电，余汽经喷淋式减温减压阀后供外网热用户，这使得高品位蒸汽未被利用便经双减降为低品质蒸汽后输出。虽能量守恒系统中热能无浪费，但高品位蒸汽降低品级后使用本就是能源利用率低下的表现。故以螺杆发电机取代双减具有显著经济效益，经热电转化后的余热再供外网形成梯级用能模式。

2.2 管网改造

将主蒸汽母管通向外网的枢纽减温减压阀改为检修备用旁路，建立两组并联螺杆膨胀发电机组作为枢纽与外网相接，通过自控装置控制发电量与外网供气量。改造后生产蒸汽分三路使用：第一路蒸汽供汽轮机使用后经凝汽器凝结为水，打入除氧器除氧后通过给水泵重新进入锅炉汽包，形成完整的郎肯循环；第二路由主蒸汽母管直接送往中温中压发电站使用；第三路则供给两组螺杆膨胀机使用，经阳螺杆传动促使发电机产生电能，排出的低品位蒸汽供外网使用，实现能效利用最大化。

3 经济性分析

由相关压力、温度查饱和蒸汽焓值表，经计算得到表1数据。由表1可见，引入螺杆发电机组能够取得可观的经济效益，两台机组年收益额可达534.96万元。据建设投资额预估3年可回收投入并初步盈利。

4 结语

该设备结构简单、运转平稳，损坏率低，运行无人监控且年收益可观，避免了高品质蒸汽降阶使用造成的能效浪费，实现了热能梯级利用的精细生产模式。在满足外网需求的同时，开创了新的效益增长点，提升了整体生产率。螺杆发电机是实现节能环保的一种有效方式，不但经济效益客观，而且影响着企业精细化生产理念的转变，引导企业由粗转精发展。

表1 技术经济指标