节能降耗中热能与动力工程应用探讨

张建权 王樑 余海宏

杭州中美华东制药江东有限公司 浙江 杭州 311228

引言

为了提高热能与动力工程的应用效率，实现节能降耗目标，在当代锅炉电力系统运行控制工作中，自动化控制技术融合应用极为普遍。同时，电力企业会利用余热锅炉SCR 控制技术和有机朗肯循环发电技术回收低温余热资源进行发电，从而有效降低了环境污染，提高了热量利用率和发电效益。

1 锅炉自动化装置组合应用

锅炉电力系统自动化装置逐步包括同期自动化装置、用电快速切换自动化装置和故障录波装置。其中，同期装置是要借助计算机实施监控，结合发电器安全并网的标准要求，为每一单元的机组安装一套微机型自动化同期装置和手动化准同期装置系统。用电快速切换自动化装置主要是通过安装微机型用电快速切换系统来确保机组安全停机，在正常运行和接入故障报警信号时均会接入DCS系统，同时，和DCS系统有通信接口相连。故障录波装置是通过安装微机型故障录波装置设备来分析事故和原因，对异常运行的电流、电压等模拟量数据实施录波，并准确记录锅炉系统安全保护自动装置运行情况。此外，要利用自动化技术改善锅炉风机装置，增强风机承载力，以此实现节能减排的目标，提升风机运行效率。风机属于锅炉设备系统的重要组成配件，在锅炉运行发挥着重要作用，其工作原理是通过叶轮的旋转来获取风能，将机械能自动转换为气压，使燃气进入锅炉内部并进行扩散，燃料因此得到完全燃烧。

2 发挥余热锅炉SCR 控制技术的作用

2.1 借助余热锅炉收集水和蒸汽

基于节能降耗理念下，提升热能与动力工程应用效率，应发挥余热锅炉SCR 控制技术的作用，该技术是将还原剂喷入余热锅炉的烟道，使锅炉余热内的NOx转变为氮气和水。锅炉机组结构控制技术有一系列标准流程，对于锅炉余热，会着重分析其成分和温度，然后，将余热收集到电厂机组内，同时，会对燃烧室进行燃烧调整，并改造燃烧器。然后，用压气机对空气温度和湿度进行处理，借助余热锅炉收集水和蒸汽。

2.2 促进锅炉用电系统和自动化装置技术的有机融合

促进锅炉用电系统和自动化控制技术的有机融合，确保用电安全，理应结合实际需求优化锅炉用电系统配置方案。某火电厂采用了大型锅炉发电机组，为了提升自动化控制水平，工作人员对计算机控制系统进行了升级，同时着重改善UPS接线与配置方案。另外，为了确保机组系统的自动化安全运转，工作人员启用了500kV的网络监控系统和继电保护系统，由计算机来监控和调整锅炉机组智能设备运转。

3 启用低温余热进行有机朗肯循环发电技术

3.1 启用低温余热进行有机朗肯循环发电技术的作用

某电力企业利用有机朗肯循环发电技术回收低温余热资源进行发电有效降低了环境污染，提高了热能利用率和发电效益。该企业平均每年的发电净收益是69.8万人民币，回收软化水的年平均收益高达819万人民币，从而有效提高了生产效益。与此同时，该企业平均每年的热能耗节约是169354GJ，二氧化碳经过节能减排处理后的排放量大约是12.9kt。某电力企业利用有机朗肯循环发电技术回收低温余热资源进行发电，使本企业能效得到了大幅度提高，打造了高品质节能型企业，顺利落实了企业“节能降耗”计划方案[1]。

3.2 余热回收问题

据调查统计，在工业生产工作中，能源消耗量在全国能源用量中所占比例高达70%，显然能耗偏高，很容易导致能源浪费与枯竭问题。出现该问题的原因是多方面的，主要原因包括国内工业生产结构趋于粗放型结构，工艺生产工艺技术相对落后，低温余热资源利用率低下、未能充分使用能源价值。在濒临能源枯竭危机的窘境面前，随着低碳理念的践行和循环经济模式的应用，国民非常重视推进可持续性发展，积极配合国家政策，构建生态文明，落实可持续发展方案。在此背景下，各企业也非常重视收集低温余热，降低废气污染，消除工业噪音，减少废水排放，严格落实节能减排政策。不可忽视的是，国内能源的利用率只有33%左右，有大量的能源在工业生产中转化成了热量，然后被排到了空气中，造成了严重的大气污染问题。

在21世纪，随着工业生产技术的提高和工艺的改善以及工业生产结构的优化，各企业通过回收中温和高温余热进行循环使用的技术日臻成熟，然而，工业生产中还有大量的低温余热被排入空气中，虽然不少企业也开始回收低温余热，回收利用技术却相对落后。调查研究结果表明，在当代工业生产中，发电厂通常会将85℃和150℃的低品质废热直接排放和丢弃，像剩余的蒸汽、凝结水、加热炉的烟气、剩余的干气、分馏塔侧线等，通常被直接排放，导致大量的低温余热资源被浪费。运用这些低温余热资源促进工业生产是当代电力企业必须考虑的问题，对低温余热进行回收并合理循环使用方能降低能耗，落实节能减排理念，提高发电效益。

3.3 改善措施

近年来，国内电力企业为了提高低温余热回收利用效率，做了多方面的努力，从国外引进了各种技术与经验，购置了更先进的设备，同时，将低温余热回收利用于本组织其他生产流程中，例如用低温余热回收发电，从而有效保持了供电稳定性，节约了大量的能源，提高了本组织生产效益，降低了污染排放指数。从低温余热回收使用类型来看，当代电力企业通常会采用两种回收利用方式：第一种，同级回收利用。第二种，升级回收利用。前者是直接会在间接回收利用低温余热来代替高位热源或者中位热源来满足不同用户相应的需求，这样不仅可以避免使高位热源和中位热源产生的过大温差，控制能量传递损失问题，与节能降耗理念相符。

其次，同级回收利用的用途可分为两种，一种是对低温物流进行加热装置，一种是对生活用水进行加热。相比而言，同级回收利用在低温余热回收利用工作中颇具吸引力。升级回收利用的用途主要包括用低温余热进行发电、制冷和对海水实施淡化处理。电力企业会启用有机朗肯循环发电技术对在生产过程中所产生的低温余热进行回收利用，将这些低温余热转换成电能，从而满足电力资源生产与供应需求。用有机朗肯循环发电技术回收利用低温余热不仅可以产生大量的经济效益，而且能够节省回收投资成本，降低能耗与污染。

3.4 有机朗肯循环技术应用流程

从技术应用流程来看，用有机朗肯循环技术（英文简称ORC技术）回收低温余热开展发电工作能够充分吸收热量，将85到150摄氏度的热水、凝结水、加热炉的烟气、剩余的干气、分馏塔侧线进行回收利用，生产大量的电能。电力企业在日常生产工作中会产生大量的凝结水和低压蒸汽，这些低温余热资源可分为3种[2]：第一种是凝结水，其温度通常在110～115℃，压力在0.25～0.35MPa之间，含量大约是140t/h。第二种是系统乏汽，温度在120～125℃，其压力在0.25～0.35MPa之间，含量大约是25t/h。第三种，每一年的夏天，电力企业会产生富余的温度，大约在220～240℃，压力在0.62～1.03MPa之间，属于低压蒸汽。如果将这些低压蒸汽直接排放到空气中，不仅浪费了大量的热资源，而且严重污染空气质量，不符合节能环保理念。对此，该企业严格执行低温余热利用回收利用工作，谨遵节能降耗标准，同时，对低压蒸汽放空量进行了准确统计。在2020年5月，某电力企业的低压蒸汽日平均排放量是331t/d，6月的低压蒸汽日平均排放量是375t/d，7月的低压蒸汽日平均排放量是1246t/d，8月的低压蒸汽日平均排放量是567t/d，9月的低压蒸汽日平均排放量是300t/d。从统计数据可以看出电力企业在严格降低能耗与污染系数，不断提高低温余热发电利用率，创造了大量的收益，构建了节能环保型企业。

4 有机朗肯循环发电技术基本原理

4.1 有机朗肯循环发电技术应用原理

从基本原理来看，有机朗肯循环发电技术（英文简称ORC）的原理是将沸点远低于水的有机物质（像氯乙烷、丁烷和氟利昂等有机物）作为主要工质，在热力设备中对这些有机工质实施持续性等压加热，使其绝热膨胀，然后实施等压放热与绝热压缩，历经这四步流程后，这些有机工质的热能会不断转化成机械能，从而带动发电机，不断产生电能。在电力企业内部，发电装置循环系统组合部件主要包括汽轮机、换热器、给水泵和冷凝器。有机朗肯循环发电技术（英文简称ORC）应用过程是先在换热器内对机泵输送的有机工质实施低温余热加热处理，使其变成过热蒸汽，然后，将过热蒸汽投进汽轮机，使热能能够转化成机械能，此时，过热蒸汽就会释放出热能，使温度和压力均有所降低，变成乏汽，接着由冷凝器进行冷凝处理，转变成液态，最后由机泵实施升压处理，完成一个低温余热循环利用。有机朗肯循环发电技术（英文简称ORC）所使用的有机工质常压沸点通常远低于水的常压沸点（100℃），因此能够在比较低的温度下让有机工质得以汽化，并将低温余热充当热源用于发电。某电力企业回收低温余热资源的发电项目收集的有机工质通常以五氟丙烷（R245fa），为主，发电效率也最高。

4.2 低温余热资源发电工艺

从有机朗肯循环发电技术回收低温余热资源发电工艺来看，大致可分为以下3种类型：第一，用凝结水余热开展发电工作。有机朗肯循环发电技术在运用凝结水余热开展发电工作时通常要启用透平机组，将凝结水低温余热作为热源[3]。在发电过程中，透平机组能够将凝结水的热能转化成电能，其工作流程是用在换热器内，用凝结水对有机工质实施加热处理，使液体转变为气体，从而完成升压工作，并进入透平发电机内来做功，完成做功后，此时有机工质的气体压力会有所降低，温度也会下降，接着进入蒸发式冷凝器的壳层中，经过冷却介质的冷凝处理后形成液体，然后，这些液体会被工质泵送到换热器中进行循环利用。换热器里的工质泵会对有机工质的液位采取自动控制措施，从而使系统热量能保持平衡。

第二，用乏汽余热开展发电工作。有机朗肯循环发电技术在运用乏汽余热开展发电工作时，会启用汽水分离器，这样能够将所产生的二次汽（混合汽热源）转化成电能。这种发电技术原理与凝结水相同，发电后会转变成45℃。凝结水会被直接送到除油除铁装置中予以使用，在此过程中的乏汽量大约是25t/h，其温度会从120到125摄氏度变成45摄氏度。

第三，用低压蒸汽余热开展发电工作。有机朗肯循环发电技术在运用低压蒸汽余热开展发电工作时，会严格按照低压蒸汽流量的差异性采取不同的余热发电模式。如果低压蒸汽的流量比较小，就会将其送入乏汽的ORC系统进行发电[4]。如果低压蒸汽的流量比较大，就直接将其送入汽轮机内实施做功发电（这种发电方式属于纯凝式发电）。

和传统火力发电技术相比，有机朗肯循环发电技术更环保，效益更高。火力发电需要消耗大量的化石能源和天然气，也会向空气中排放大量的二氧化硫和二氧化碳等物质，严重污染空气，很容易滋生雾霾天气，给人类和动植物的生命健康造成严重伤害，加剧了酸雨天气的发生，使金属设备在很大程度上受到腐蚀。电力企业运用低温余热实施发电能够大幅度降低化石能源和天然气的燃烧量，减少了能耗与污染系数，符合节能降耗理念，同时，能够获取丰厚的经济收益。

5 结束语

综上所述，随着节能降耗理念的践行，各电力企业也非常重视提高热能与动力工程应用效率，通过收集低温余热，降低废气污染，消除工业噪音，减少废水排放，严格落实节能减排政策。电力企业会着重优化锅炉系统自动化组合结构，充分利用余热锅炉SCR 控制技术和有机朗肯循环技术回收低温余热开展发电工作，从而有效降低能耗与污染，获取更高收益。