張理論,趙金輝,張力雋
(1.河南省城市規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司,河南 鄭州450001;2.鄭州大學 化工與能源學院,河南 鄭州450001)
針對以蒸汽、汽水混合物形式存在的低品位能源,直接排掉浪費了能源,用這些低品位能源進行汽輪機發(fā)電又不經(jīng)濟[1],因而考慮一種新型的節(jié)能方法回收利用這部分低品位能源。本文主要研究利用螺桿膨脹機回收化工、冶金、建材和電力等行業(yè)工藝過程中產(chǎn)生的余熱,在保證安全正常生產(chǎn)的情況下。盡可能的回收余熱資源,提高能源利用率,達到節(jié)能效果。
目前余熱發(fā)電系統(tǒng)分為兩種:單循環(huán)系統(tǒng)、雙循環(huán)系統(tǒng)[2]。兩種系統(tǒng)比較如表1。
由表1可知,目前的余熱發(fā)電利用技術(shù)均存在不同程度的缺陷。
表1 現(xiàn)有余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)比較
本項目的余熱梯級回收發(fā)電系統(tǒng)采用螺桿膨脹機作為余熱資源的發(fā)電設(shè)備。螺桿膨脹動力機是一種低品位熱能動力機,它能夠回收低品位熱能并直接轉(zhuǎn)換成電能[3-4],是一種在當前能源利用領(lǐng)域重大突破性的新型動力機。
螺桿膨脹動力機是由螺旋轉(zhuǎn)子和機殼組成的動力機,如圖1。流體進入螺桿齒槽,壓力推動螺桿轉(zhuǎn)動,齒槽容積增加。流體降壓膨脹作功,實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。蒸汽、熱液或汽液兩相流體先進入機內(nèi)螺桿齒槽A,推動螺桿轉(zhuǎn)動,隨著螺桿轉(zhuǎn)動,齒槽A旋轉(zhuǎn)到B、C、D逐漸加長,容積增大,流體降壓降溫膨脹(或閃蒸)做功,最后從齒槽E排出,供生產(chǎn)用熱或循環(huán)再加熱做功。功率從主軸陽螺桿輸出,亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出,驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電[5-6]
圖1 螺桿膨脹機結(jié)構(gòu)圖
螺桿膨脹動力機的功率一般可以在10~1 000 kW之間,螺桿膨脹機發(fā)電的特點為:
(1)螺桿膨脹機除適用于汽液兩相、熱水和飽和蒸汽外,也適用于過熱蒸汽[7];
(2)螺桿機結(jié)構(gòu)簡單,主要部件僅兩根螺桿和外殼,安裝維修容易[8];
(3)機組轉(zhuǎn)速可調(diào),不需要減速器,運轉(zhuǎn)平穩(wěn),振動小,噪聲低[9];
(4)螺桿膨脹機為容積式工作原理動力機,機內(nèi)流速低,機組效率較高[10];
(5)螺桿機除軸承、密封外,無其它磨損件,螺桿轉(zhuǎn)速不高,機組壽命長,維修費用低[11];
(6)螺桿膨脹機允許單機和并網(wǎng)運行,扭矩大,能直接拖動風機、水泵或壓縮機[12];
(7)螺桿機對于工業(yè)鍋爐蒸汽或工廠熱水品質(zhì)要求不高[13]。
因此,采用螺桿膨脹機為發(fā)電機提供動力,節(jié)約能源、降低成本和提高經(jīng)濟效益。
蒸汽余熱梯級回收發(fā)電系統(tǒng)回收蒸汽分為兩個階段:
第一階段,將余熱蒸汽直接通過螺桿膨脹機,使其膨脹做功并帶動發(fā)電機發(fā)電,利用過的蒸汽通過排氣口排出[14]。系統(tǒng)流程如圖2,其工作流程如下:
圖2 第一階段(單循環(huán)余熱發(fā)電)系統(tǒng)原理圖
(1)蒸汽循環(huán)(1-2-3-4-5-6)。蒸汽熱源的蒸汽經(jīng)過除雜等過程后直接進入螺桿膨脹機膨脹做功,并驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。
(2)油路循環(huán)(9-8-5)。潤滑油由噴油槍噴入膨脹機5,對膨脹機轉(zhuǎn)子和星輪進行冷卻及潤滑,同時起到一定的密封作用。從膨脹機出來后潤滑油經(jīng)過油分離器分離,分離后的潤滑油流入油槽9,通過油泵8實現(xiàn)下一次循環(huán)。
第二階段,階段一排出的乏汽與低沸點工質(zhì)換熱,使低沸點工質(zhì)吸熱沸騰為蒸汽,將該蒸汽引入螺桿膨脹機進行做功,并帶動發(fā)電機發(fā)電[15-16],階段二如圖3,其工作流程如下:
圖3 第二階段(雙循環(huán)余熱發(fā)電)系統(tǒng)原理圖
(1)工質(zhì)循環(huán)(7-1-8-9-10-2-4-5-6)。工質(zhì)在循環(huán)泵7壓力的作用下被送至蒸發(fā)器1加熱蒸發(fā),由蒸發(fā)器出來的高溫高壓蒸汽通過減壓閥8以及流量調(diào)節(jié)閥9的調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)到適合膨脹機進氣的蒸汽。之后蒸汽在膨脹機2內(nèi)膨脹做功,膨脹機帶動發(fā)電機3發(fā)電。做完功的工質(zhì)以及噴入膨脹機的潤滑油在油分離器4的作用下分離,分離出來的工質(zhì)進入冷凝器5凝結(jié),而被分離出來的油則進入油槽14,在油泵13作用下進行再循環(huán)。經(jīng)分離的排汽進入冷凝器5中凝結(jié)成液態(tài)工質(zhì)后流入儲液罐6,之后在工質(zhì)循環(huán)泵的作用下進行下一次循環(huán)。
(2)水冷循環(huán)(16-5-15)。在冷凝器5中,膨脹機排汽在冷卻水的作用下凝結(jié)為液態(tài),同時冷卻水被加熱。被加熱的冷卻水在冷卻水循環(huán)泵16的作用下進入冷卻塔15進行冷卻,冷卻后的冷卻水再進入下一次循環(huán)。
(3)油路循環(huán)(2-4-14-13)。潤滑油由噴油槍噴入膨脹機2,對膨脹機轉(zhuǎn)子和星輪進行冷卻及潤滑,同時起到一定的密封作用。從膨脹機出來后潤滑油經(jīng)過油分離器4分離,分離后的潤滑油流入油槽14,通過油泵13實現(xiàn)下一次循環(huán)。
(4)旁路系統(tǒng)(8-9-12-5-6)。在膨脹機2出現(xiàn)故障必須立即停機時,膨脹機進口處逆止閥10關(guān)閉,旁路流量調(diào)節(jié)閥9打開。過熱蒸汽通過減溫減壓閥12后達到冷凝器5進氣要求,進入冷凝器冷凝,之后流入儲液罐6。減溫時,直接將儲液罐6內(nèi)的工質(zhì)送入減溫減壓閥12同蒸汽混合,冷卻蒸汽。另外,旁路的流量調(diào)節(jié)閥還有一定的分流作用,當膨脹機的流量已經(jīng)滿足,而蒸發(fā)器內(nèi)又無法容納多余的汽量時,旁路上的流量調(diào)節(jié)閥可實現(xiàn)部分分流。
河南某煤化工有限公司現(xiàn)有一處放散蒸汽熱源,蒸汽壓力0.8 MPa,溫度170℃,流量為50 t/h。通過運用本系統(tǒng)的基于螺桿膨脹機發(fā)電的低溫余熱梯級利用發(fā)電方式回收這部分熱量,使企業(yè)的余熱資源的最大化利用,發(fā)出的電可并入企業(yè)的電網(wǎng)直接利用。
4.1.1 已知參數(shù)
本文主要是針對煤氣化余熱蒸汽源的余熱發(fā)電利用,發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)計參數(shù)如下:
第一階段進口蒸汽參數(shù):壓力0.8 MPa,蒸汽溫度170℃,蒸汽流量50 t/h。
第二階段:蒸汽進口溫度111℃,蒸汽流量30 t/h。冷卻水溫度25℃。
4.1.2 技術(shù)方案
本文提出的發(fā)電系統(tǒng)分兩個階段:第一階段,蒸汽直接進入螺桿膨脹機機組,并膨脹做功帶動發(fā)電機發(fā)電,發(fā)電機發(fā)出的電能,由電站廠房內(nèi)的同期開關(guān)并網(wǎng),通過電站側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)輸送至380 V母線。第二階段,階段一中排出的111℃的利用后的乏汽通過換熱器將低沸點有機工質(zhì)R141b加熱蒸發(fā),得到高溫高壓蒸汽,再由高溫高壓蒸汽來推動螺桿膨脹機做功發(fā)電,從而利用未被階段一完全利用的蒸汽余熱發(fā)電。此階段發(fā)電機發(fā)出的電能,亦由電站廠房內(nèi)的同期開關(guān)并網(wǎng),通過電站側(cè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)輸送至380 V母線。
4.1.3 設(shè)備選型
系統(tǒng)第一階段的發(fā)電系統(tǒng):設(shè)計將50 t/h的富余蒸汽直接進入三套螺桿膨脹發(fā)電機組。可裝機3套×900 kW的螺桿膨脹發(fā)電機組,額定發(fā)電功率為3×830 kW。
(1)螺桿膨脹動力機設(shè)計參數(shù)(單臺)
進汽壓力:0.7 MPa,進汽溫度:167℃,進汽流量:16.7 t/h
排汽壓力:0.12MPa,排汽溫度:111℃,排氣干度:0.94
額定功率:830 kW,機型:SEPG500-900-2400-1.65-C
(2)方案主體設(shè)備(見表1、表2)
表1 系統(tǒng)第一階段設(shè)備表
系統(tǒng)第二階段的發(fā)電系統(tǒng),設(shè)備的選型結(jié)果見表2。
表2 系統(tǒng)第二階段設(shè)備表
系統(tǒng)每年按照工作8 000 h計算,在此項目中本系統(tǒng)的節(jié)能及經(jīng)濟效益分析如表3所示。
表3 系統(tǒng)效益一覽表
由上表可知,該系統(tǒng)運行一年可為企業(yè)發(fā)電2 043.2萬kWh,年發(fā)電效益為1021.6萬元/年,年節(jié)約煤量為7 151.2 t,每年可減少CO2排放15 447 t。與目前將余熱蒸汽通過汽輪機直接發(fā)電的技術(shù)相比,本系統(tǒng)每年可多發(fā)22.2%的電能。
綜上所述,本系統(tǒng)提供的余熱發(fā)電解決方案,采用先進的螺桿膨脹發(fā)電技術(shù)和完善的技術(shù)方案,在減少企業(yè)熱污染的同時提高了企業(yè)能源的利用效率。因此該解決方案是非常適宜的。不僅不影響工藝要求,還給廠里帶來了良好的經(jīng)濟效益。相對節(jié)省了大量的能源,改善了環(huán)境,是一個對社會有益、對企業(yè)有益的好項目。本期技改工程在原有廠址內(nèi)建設(shè),因此可達到投資省、速度快和效益高的效果,該工程項目是可行的。
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