基于螺杆机械设备的余热回收分析及对比

2019-04-04王超

压缩机技术 2019年1期

王超

（中国石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271）

1 引言

随着我国环保节能意识的增强，工业余热回收变得越来越重要，石化、钢铁、火力发电、水泥、玻璃等工业生产过程中，有大量低品位的水蒸汽、烟气等余热资源直接排放到空气和河流中，造成了热源浪费和环境污染。烟气余热，蒸汽余热余压、工艺气余压，热水余热回收等低品位余热回收成为目前学术研究和市场应用的热点。

螺杆机械由于具有变工况条件下性能优越，无需运维、单级压差大，单级温升大等优点，在余热、余压回收领域有着重要的应用[1-3]。

本文归纳总结了余热回收领域螺杆机械设备的应用及工艺，重点对应用最广的蒸汽螺杆膨胀机余热回收系统和蒸汽增压技术进行技术性和经济性对比，提出了不同应用的市场划分。本文的研究为螺杆机械在余热回收系统的应用及推广，提供了重要的理论与实践指导。

2 余热回收类型划分

针对不同温度等级，根据不同的目的及方法，工业余热回收利用的方式可以分成余热换热回用、能量替代、能量提质和余热转换等4种类型，具体方式如表1所示。

可以看到螺杆机械在其中的两大类中均有较大的应用，这还不包括制冷螺杆压缩机，螺杆泵等设备。在余热回收发电、动力直驱、水汽增压等领域，利用螺杆膨胀机，螺杆压缩机充分发挥了螺杆机械的变工况性能优越，单级压差大，温升大的优点。

3 蒸汽余热发电及增压技术

水蒸汽是工业领域进行能量传递最主要的媒介，同时也是进行余热回收最重要的资源。由于水蒸气的余热资源不同，目前对水蒸气余热回收的方式主要有换热、发电、增压回用等。

3.1 蒸汽余热发电

螺杆机械在水蒸气余热发电领域应用的设备主要是螺杆膨胀机，主要应用工艺包括水蒸蒸汽压力能回收、富余蒸汽余热回收和有机朗肯循环（ORC）。这几种余热发电方式已经非常成熟，适宜的热源及主要的应用工艺如表2所示。

余热发电领域内应用螺杆机械设备充分发挥螺杆机械的变工况性能优越，运维简单的优点。

3.2 蒸汽增压

在能量提质方面，蒸汽式螺杆压缩机的利用单级压差大，温升大的特点，通过耗用一部分电费将低压蒸汽增压到高压，适用工艺需求。

蒸汽增压的应用主要是在以下几个工艺领域：

（1）厂用蒸汽压力低，提压后使用。由于蒸汽输送过程中的压力损耗，厂用蒸汽压力低于需求压力，此时可以使用螺杆蒸汽压缩机提升蒸汽压力满足工艺使用。

（2）富余蒸汽增压回用。工艺生产中富余的一些蒸汽由于压力较低已经无法满足使用，可以通过蒸汽升压到满足工艺使用的压力。

利用水蒸汽螺杆压缩机将低压的蒸汽增压，虽然耗费了一些电能但是相对于价格当前价格较贵的中压水蒸汽，通过经济核算证明还是非常具有经济性的。

表1 余热回收的主要利用方式

表2 蒸汽余热发电的主要应用工艺

4 蒸汽增压与余热发电的余热利用形式对比

如前所述，对富余的蒸汽，存在蒸汽增压与余热发电2种不同形式的余热利用方式，本文针对不同压力等级富余蒸汽按照2种方式进行分析。利用EES工程解答器，建立蒸汽螺杆膨胀机余热发电和水蒸气增压计算模型，分析对于富余蒸汽采用不同的冷凝回收发电和增压的余热回收2种方式的对比。由于富余蒸汽基本是饱和蒸汽所以以饱和蒸汽作为研究对象，设定机组效率为75%。

图1显示了在不同入口压力情况下，针对单吨蒸汽进行增压，不同增压压差情况下的耗功率对比，显然随着压差的增压，耗功功率也增大。图2显示了在不同入口压力情况下进行余热发电回收的对比。对比图1和图2可以得到当蒸汽增压的压比达到2.2时，水蒸汽增压的耗功率接近为余热发电回收功率的50%。