陳巧娟

(福建雪人工程有限公司,福建 福州 350200)

綠色低碳、節(jié)能環(huán)保是當今社會發(fā)展的主要方向,隨著經(jīng)濟高速發(fā)展,我國的用能總量已經(jīng)度過了快速發(fā)展擴張的階段,現(xiàn)如今我國的能源發(fā)展已經(jīng)進入了存量市場提質(zhì)增效的新階段。隨著能源消費方式和能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變,目前各類化工企業(yè)面臨著日益提高的節(jié)能減排的環(huán)保要求。如何有效地降低化工生產(chǎn)過程中的能耗及二氧化碳等廢棄物的排放,切實提高化工企業(yè)的市場競爭力,是關(guān)乎到所有化工企業(yè)等傳統(tǒng)能源企業(yè)生存的根本性問題[1]。

早在2006年為了貫徹落實“十一五”規(guī)劃綱要提出的節(jié)能減排目標,國務(wù)院(2006)第28號文件《國務(wù)院關(guān)于加強節(jié)能工況的決定》中就明確指出要充分認識到加強節(jié)能減排工作的重要性和緊迫性,要求各行各業(yè)大力推進節(jié)能減排技術(shù)進步,其中明確指出要認真組織工業(yè)余熱余壓的回收利用工作[2]。

國務(wù)院在2016年印發(fā)的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》中明確指出,要推動我國二氧化碳排放在2030年達到峰值,優(yōu)化利用化石能源[1]。并于2020年9月,我國明確提出了2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”的重要目標。“雙碳”戰(zhàn)略倡導綠色、環(huán)保、低碳的生活方式。加快降低碳排放步伐,有利于引導綠色技術(shù)創(chuàng)新,提高各類產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟的全球競爭力,因此在化工企業(yè)推進節(jié)能減排技術(shù)符合政策導向。

1 化工廠的用能需求及現(xiàn)狀

化工企業(yè)是傳統(tǒng)的高耗能企業(yè),其在生產(chǎn)過程中需要消耗大量的化石能源以及電能。化工廠裝置的能源消耗主要集中在兩個方面:原料的能源消耗;設(shè)備運行的能耗。

1)原料的能源消耗,在化工企業(yè)生產(chǎn)過程中占據(jù)了很大的比重。例如在石化行業(yè)中的煉油裝置需要大量的熱能來進行原料的蒸餾和裂化等操作,而這些熱能主要來自于燃煤、燃氣等化石能源。除此之外一些化學反應(yīng)需要在特定的高溫高壓條件下進行,同樣也需要大量的化石能源來提供這個高溫高壓條件。

2)設(shè)備運行的能耗,主要是循環(huán)水泵、壓縮機、風機等運轉(zhuǎn)設(shè)備所需要的電能,也需要耗費大量的能源。因此大多數(shù)大型的化工企業(yè)都建有自備電廠來滿足企業(yè)用電設(shè)備的需求,相較于從國家電網(wǎng)購電可以節(jié)省不少運營成本。

化工廠生產(chǎn)過程中除了需要耗費大量能源外,還會伴隨產(chǎn)生大量的低品位余熱能,如低壓蒸汽、高溫冷卻水、煙氣等等。若對低壓蒸汽進行放散或?qū)⒏邷乩鋮s水進行散熱降溫后循環(huán)則會造成巨大的余熱資源的浪費。因此進行低品位余熱資源的回收利用是踐行雙碳戰(zhàn)略的重要一環(huán)。

化工廠的電能供應(yīng)往往比較緊張,且電力驅(qū)動的運營成本較高。為了節(jié)省廠用電,近年來許多化工廠已經(jīng)將部分風機或水泵等運轉(zhuǎn)設(shè)備由電驅(qū)動改造為小型汽輪機驅(qū)動。經(jīng)過改造雖然可以用汽驅(qū)代替電驅(qū)降低了運營成本,但是由于汽輪機屬于速度型機型,對蒸汽的工況要求比較高,需要蒸汽具有一定的過熱度,同時要求蒸汽流量和壓力穩(wěn)定波動小,汽輪機才能高效穩(wěn)定運行。然而化工廠的余熱蒸汽多數(shù)是由生產(chǎn)過程副產(chǎn)的蒸汽,其蒸汽品質(zhì)無法與鍋爐燃燒所產(chǎn)生的蒸汽相媲美,無法保障充足的過熱度并且蒸汽流量和壓力會隨著生產(chǎn)過程產(chǎn)生波動。波動的蒸汽工況會造成汽輪機運行不穩(wěn)定或出力無法滿足水泵、風機等運轉(zhuǎn)設(shè)備的功率需求,嚴重時甚至會導致汽輪機跳機、飛車等現(xiàn)象,從而導致水泵、風機等設(shè)備停轉(zhuǎn),對化工生產(chǎn)造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟損失。為避免此類問題,目前化工廠還需要在投資汽驅(qū)動的同時,安裝電驅(qū)動的設(shè)備作為備用,由此加大了設(shè)備投資。

以上所述的汽驅(qū)動技術(shù)主要為小型汽輪機利用蒸汽余壓輸出軸功率來驅(qū)動水泵、風機等運轉(zhuǎn)設(shè)備。但化工廠里的余熱資源十分豐富,蒸汽余壓資源是較容易利用但在總的余熱資源里占比較小。絕大多數(shù)的余熱能是以低溫低品位的熱水等形式存在,而汽輪機則無法應(yīng)用熱水來進行余熱利用。

綜上所述,在化工廠里進行蒸汽、熱水等全面的余熱回收利用,將水泵、風機等運轉(zhuǎn)設(shè)備從傳統(tǒng)的電驅(qū)動改為汽驅(qū)動來降低運營成本的同時,還需要保障被驅(qū)動設(shè)備不會因為余熱源的波動影響生產(chǎn)工藝穩(wěn)定運行。本文所介紹的采用螺桿膨脹機代替汽輪機,同時采用超越離合器實現(xiàn)汽電雙驅(qū)的技術(shù),是在化工廠中實現(xiàn)全面節(jié)能降碳,踐行雙碳戰(zhàn)略的重要舉措。

2 技術(shù)路線介紹

2.1 螺桿膨脹機技術(shù)介紹

螺桿膨脹機是利用高壓氣體體積膨脹,驅(qū)動螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),將熱能轉(zhuǎn)換為機械能的一種熱機。是21世紀獲得長足發(fā)展的一種新型動力機械,可廣泛應(yīng)用在各類工業(yè)余熱回收、地熱發(fā)電、生物質(zhì)發(fā)電等領(lǐng)域,可用來直接驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電,也可直接拖動泵、風機等機械設(shè)備。

螺桿膨脹機的基本結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機相類似,工作原理與螺桿壓縮機的相反。原理主要是隨著螺桿膨脹機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)膨脹過程,工質(zhì)的壓力、溫度和焓值下降,比容和熵增加,工質(zhì)的內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能對外做功。

螺桿膨脹機是一種回轉(zhuǎn)型容積式膨脹機,它兼具活塞膨脹機和透平膨脹機兩者的優(yōu)點。螺桿膨脹機是一種全流型機械,可適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物及熱水等,并且對工質(zhì)清潔度要求不高。螺桿膨脹機結(jié)構(gòu)相對簡單,零部件數(shù)量較少,幾乎沒有易損件,設(shè)備維護方便,因此設(shè)備運行相對可靠,使用壽命長。

螺桿膨脹機是由一對陰陽螺桿轉(zhuǎn)子、機殼、軸承、同步齒輪、密封組件等組成,氣缸呈兩圓相交的“∞”形。兩根按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行置于氣缸中。其運轉(zhuǎn)過程從吸氣過程開始,如圖1。然后氣體在封閉的齒間容積中膨脹,如圖2。最后移至排氣過程,如圖3。陰、陽螺桿和氣缸之間形成的呈“V”字形的一對齒間容積值隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化,同時,其位置在空間也不斷移動。

圖1 吸氣過程

圖2 膨脹過程

圖3 排氣過程

螺桿膨脹機利用工質(zhì)氣體進排氣壓力差,將工質(zhì)氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機械能,通過陽轉(zhuǎn)子的輸出軸對外輸出功率,即可拖動發(fā)電機進行發(fā)電,也可直接拖動水泵、風機等用電設(shè)備,減少了機械能轉(zhuǎn)化為電能,再由電能轉(zhuǎn)化為水泵風機的機械能的過程損耗。因此用汽驅(qū)代替電驅(qū)是一種有效的節(jié)能方式。螺桿膨脹機根據(jù)利用的工質(zhì)氣體不同,主要分為兩種類型:一是利用水蒸氣作為介質(zhì)來驅(qū)動膨脹機做功,系統(tǒng)原理如圖4。

圖4 蒸汽直接驅(qū)動原理圖

二是利用氟利昂等有機工質(zhì)作為介質(zhì)來驅(qū)動膨脹機做功,稱為有機朗肯循環(huán),Organic Rankine Cycle 簡稱ORC?；S中的余熱資源種類豐富,既有蒸汽這種可以直接用來驅(qū)動汽輪機、螺桿膨脹機做功或發(fā)電的介質(zhì),也有諸如熱水、煙氣等汽輪機、螺桿膨脹機無法直接利用的介質(zhì)。因此針對此類余熱源,利用螺桿膨脹機ORC系統(tǒng)就可以很好的回收這部分余熱進行做功或發(fā)電。系統(tǒng)原理如圖5,熱水或煙氣等余熱源通過ORC系統(tǒng)的蒸發(fā)器與氟利昂有機工質(zhì)進行換熱,產(chǎn)生高溫高壓的有機工質(zhì)氣體,來驅(qū)動螺桿膨脹機做功,通過余熱源的溫度轉(zhuǎn)化為有機工質(zhì)的壓力。

圖5 ORC系統(tǒng)原理圖

2.2 汽電雙驅(qū)技術(shù)介紹

汽驅(qū)是指利用蒸汽動力設(shè)備輸出軸功率直接拖動旋轉(zhuǎn)輔機(如壓縮機、水泵、風機等)的技術(shù),在電廠、化工、冶金等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。相比于蒸汽動力設(shè)備驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電后利用電動機來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)輔機,采用汽拖技術(shù)可以減少發(fā)電機和電動機的投資,并且減少了能量轉(zhuǎn)換傳輸過程中的損耗,具有明顯的運行效率高、設(shè)備投資少的優(yōu)點。在大型工業(yè)中廣泛應(yīng)用汽輪機作為汽拖的蒸汽動力設(shè)備,多采用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽進行驅(qū)動。采用蒸汽動力設(shè)備拖動存在因蒸汽負荷不足達不到旋轉(zhuǎn)輔機額定運行工況的情況以及因蒸汽系統(tǒng)故障導致旋轉(zhuǎn)輔機停機的問題。針對工廠中重要工業(yè)的旋轉(zhuǎn)輔機,若采用汽拖,則需另外布置一臺電動機拖動的同規(guī)格旋轉(zhuǎn)輔機作為備用,當出現(xiàn)停機或出力不足時,開啟備用機組來滿足生產(chǎn)工藝需求。這樣造成設(shè)備投資大,啟動不及時,控制困難等問題。因此在利用螺桿膨脹機作為蒸汽動力設(shè)備同時利用雙軸伸的異步電動機共同驅(qū)動旋轉(zhuǎn)輔機,實現(xiàn)汽電雙驅(qū)功能,達到降低了設(shè)備的投資,并保證旋轉(zhuǎn)輔機的穩(wěn)定可靠運行以及節(jié)能降耗的指標[4]。汽電雙驅(qū)系統(tǒng)示意圖如圖6。

1減速箱;2減速機;3超越離合器;4雙軸伸異步電動機;5旋轉(zhuǎn)輔機;6減壓閥;7速斷閥;8調(diào)節(jié)閥;9止回閥;10原蒸汽管道;11膨脹機進氣管道;12膨脹機排氣管道。圖6 汽電雙驅(qū)系統(tǒng)示意圖

2.3 技術(shù)要求

汽電雙驅(qū)技術(shù)相較于常規(guī)的電驅(qū)、汽驅(qū)技術(shù),系統(tǒng)通過進一步集成化,兼顧了兩者的優(yōu)勢,但同時也對設(shè)備部件和系統(tǒng)控制都提出了更高的技術(shù)要求:

1)汽電雙驅(qū)系統(tǒng)中,電機需要在電動機、發(fā)電機這兩種狀態(tài)之間進行實時切換,對異步電機在發(fā)電時的瞬態(tài)控制、綜合設(shè)計、電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性等均提出了更高的要求。

2)減速箱的速比大、功率高。對減速箱的設(shè)計精度、材料等級、制造工藝等提出了高要求。

3)超越離合器是汽電雙驅(qū)系統(tǒng)中最核心的部件,承擔了螺桿膨脹機和電機之間的動力傳遞與分離的功能。超越離合器是隨著機電一體化產(chǎn)品的發(fā)展而出現(xiàn)的基礎(chǔ)件,它是用于原動機和工作機之間或機器內(nèi)部主動軸與從動軸之間動力傳遞與分離功能的重要部件。它是利用主、從動部分的速度變化或旋轉(zhuǎn)方向的變換具有自行離合功能的裝置,其具備緩沖和低速保護功能,能夠承受瞬時的短路力矩沖擊,并能夠自動補償軸向熱位移,是整個汽電雙驅(qū)系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)的關(guān)鍵[1]。

3 應(yīng)用介紹

文中介紹采用螺桿膨脹機的汽電雙驅(qū)技術(shù)在化工廠中的應(yīng)用,其主要特點如下:

1)螺桿膨脹機相較于汽輪機應(yīng)用范圍更廣,可以使用蒸汽、熱水、煙氣等各種形式的余熱源,也能更好地適應(yīng)余熱源波動大不穩(wěn)定的運行情況。對設(shè)備系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性有更大的幫助。

2)汽電雙驅(qū)系統(tǒng)能保障水泵、風機等運轉(zhuǎn)設(shè)備在任何工況下都能正常運轉(zhuǎn),不影響生產(chǎn)工藝使用。在保障汽驅(qū)經(jīng)濟性的情況下也能保證系統(tǒng)使用的穩(wěn)定性。

3)用汽驅(qū)代替電驅(qū),沒有機械能轉(zhuǎn)化為電能再轉(zhuǎn)化為機械能的二次能量轉(zhuǎn)化,能源利用率更高,運行更經(jīng)濟。

4)采用汽電雙驅(qū)互為備用的冗余設(shè)計,系統(tǒng)更安全可靠,自動化程度高,可以實現(xiàn)兩地控制。

5)無需額外電驅(qū)備用機組,減少整體系統(tǒng)設(shè)備投資。

6)與余熱發(fā)電系統(tǒng)相比,減少了并網(wǎng)系統(tǒng)投資和復雜性,直接驅(qū)動簡單易行。

7)螺桿膨脹機特別適用于熱源較小且分散的余熱回收應(yīng)用,在化工廠中具有很強的實用性[2]。

汽電雙驅(qū)系統(tǒng)的工作方式如下,部件名稱參見圖6。

①設(shè)備待機時,蒸汽進入原蒸汽管道10,通過減壓閥6減壓后進入后續(xù)工藝使用[4]。

②設(shè)備啟動時,打開速斷閥7,蒸汽進入膨脹機進氣管道11,逐漸打開調(diào)節(jié)閥8的開度,蒸汽開始沖轉(zhuǎn)螺桿膨脹機1,并通過膨脹機排氣管道12進入后續(xù)工藝中。膨脹機1沖轉(zhuǎn)帶動減速箱2輸出轉(zhuǎn)速,當轉(zhuǎn)速低于異步電動機4的轉(zhuǎn)速時,超越離合器3處于分離狀態(tài),旋轉(zhuǎn)輔機5全部由異步電動機4進行驅(qū)動。當調(diào)節(jié)閥8的開度繼續(xù)增大,使得減速機2的輸出轉(zhuǎn)速等于異步電動機4轉(zhuǎn)速時,超越離合器3處于結(jié)合狀態(tài),旋轉(zhuǎn)輔機5開始由螺桿膨脹機1和異步電動機4共同驅(qū)動,隨著進汽量繼續(xù)增大,螺桿膨脹機所承擔的負荷比例持續(xù)增加直到完全承擔旋轉(zhuǎn)輔機5所需的驅(qū)動力。當系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速超過異步電動機4的同步轉(zhuǎn)速時,異步電動機4將作為發(fā)電機對外輸出電能[4]。

③設(shè)備停機時,則是逐漸減小調(diào)節(jié)閥8的開度,使膨脹機1的轉(zhuǎn)速低于異步電動機4的轉(zhuǎn)速,則超越離合器3將分離,旋轉(zhuǎn)輔機5全部采用電拖動,當轉(zhuǎn)速足夠低時關(guān)閉速斷閥7,則膨脹機1正常停機[4]。

4 總結(jié)

采用螺桿膨脹機的汽電雙驅(qū)技術(shù)特別適用于各類化工廠余熱源類型豐富,點多面廣,量少分散的特點。利用余熱源的熱能,經(jīng)過螺桿膨脹機旋轉(zhuǎn)膨脹過程轉(zhuǎn)化為機械能做功,以汽代電來驅(qū)動風機、水泵等設(shè)備運轉(zhuǎn)。在此過程中不需要額外投資發(fā)電系統(tǒng),也不需要投資電驅(qū)動的備用的機組。從機械能到機械能直接傳遞利用,無需從機械能到電能再到機械能的二次能量轉(zhuǎn)化,能源的利用率比采用余熱發(fā)電再用電機驅(qū)動的系統(tǒng)高出約8%。因此整體汽電雙驅(qū)系統(tǒng)占地小、布置靈活、投資較少,投資回收期短,使用壽命長。在化工廠各類余熱回收的應(yīng)用場合中具有很好的應(yīng)用前景[2]。