熱能梯級利用分析

牛 冉

（天津鋼鐵集團(tuán)有限公司動力廠，天津300301）

0 引言

隨著環(huán)保、清潔、節(jié)能理念的普及，粗獷式生產(chǎn)已無法適應(yīng)時代要求，企業(yè)層級化高效用能成為新的發(fā)展方向。實(shí)現(xiàn)熱能分級利用，使各品級介質(zhì)充分發(fā)揮其能級效，能夠促進(jìn)整體能效利用率的提升。天鋼集團(tuán)對原燃?xì)忮仩t熱力系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造，充分利用各層級熱能多途徑使用，實(shí)現(xiàn)了不可再生類能源梯級節(jié)能生產(chǎn)。在原系統(tǒng)內(nèi)、外管網(wǎng)銜接處建立兩組雙螺桿膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組，實(shí)現(xiàn)以轉(zhuǎn)動機(jī)械發(fā)電模式取代原減溫減壓裝置對外網(wǎng)供汽[1]，實(shí)現(xiàn)了蒸汽多路循環(huán)共營的生產(chǎn)模式，以及供風(fēng)、發(fā)電、供熱三聯(lián)產(chǎn)的運(yùn)行模式。

1 螺桿發(fā)電體系的建立

1.1 雙螺桿膨脹機(jī)構(gòu)造與運(yùn)行過程

雙螺桿膨脹機(jī)利用蒸汽充斥缸體過程容積變化產(chǎn)生扭矩促使缸內(nèi)一對陰、陽雙軸轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)原理，將熱能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子動能，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。其內(nèi)部由陰陽螺桿、汽缸、軸承、機(jī)械密封、聯(lián)軸器等構(gòu)成，外部與發(fā)電機(jī)、電氣控制柜、油冷卻器、潤滑油站及液壓裝置、調(diào)速控制裝置相連接。氣缸形似“∞”符號，陰、陽轉(zhuǎn)子相互嚙合與機(jī)殼共同構(gòu)成密閉空間，利用進(jìn)氣膨脹做功，令陽轉(zhuǎn)子產(chǎn)生扭矩反轉(zhuǎn)傳動陰轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動發(fā)電機(jī)[2]。

螺桿膨脹機(jī)工作進(jìn)程分為吸氣、膨脹、排氣三階段。吸氣階段高壓蒸汽由進(jìn)氣口進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)螺旋齒槽內(nèi)，吸氣結(jié)束時進(jìn)氣口關(guān)閉，此時裝有兩對浮動式雙向機(jī)械密封的機(jī)殼和轉(zhuǎn)子共同構(gòu)成一個大小固定的密閉齒間容積，此空間供蒸汽做膨脹功。吸氣過程反復(fù)進(jìn)行，各級空間前后相連，蒸汽源源不斷地涌入一個個獨(dú)立的齒間容積空間，各級空間蒸汽均具有向前的動量，在氣壓作用下，陰、陽螺桿各空間出口處產(chǎn)生向外的扭矩，轉(zhuǎn)子在扭矩的作用下旋轉(zhuǎn)起來。膨脹過程齒間容積逐漸向排氣口移動，當(dāng)嚙合點(diǎn)到達(dá)排氣端時齒間容積達(dá)到最大，陰、陽轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)使齒槽分離，這時做完功的低溫低壓蒸汽由排氣口排出，進(jìn)入外管網(wǎng)[3]。與此同時，新一輪齒合循環(huán)再次展開，進(jìn)氣口開啟，蒸汽再被雙螺桿膨脹機(jī)吸入，往復(fù)吸氣→膨脹→排氣這一過程，實(shí)現(xiàn)了蒸汽連續(xù)做功。雙螺桿膨脹機(jī)見圖1。

圖1 雙螺桿膨脹機(jī)圖示

1.2 雙螺桿膨脹機(jī)發(fā)電的優(yōu)勢

雙螺桿膨脹機(jī)是高效利用高品質(zhì)蒸汽熱電轉(zhuǎn)化的有效裝置。其適用介質(zhì)要求寬松且品質(zhì)要求不高，非潔凈蒸汽亦可運(yùn)行，螺桿間、桿殼間的相對轉(zhuǎn)動具有除垢能力，未凈余垢填充間隙反可降低泄漏，提高熱效率。桿體構(gòu)造勻稱，無不平衡質(zhì)量力，有助于平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)與減震降噪，安全運(yùn)行可靠性高。由于機(jī)組轉(zhuǎn)速不高、磨損件少且能承受較大沖擊負(fù)荷，故機(jī)組壽命較長，安裝、維修、操作容易，可實(shí)現(xiàn)全自動無人監(jiān)管模式。機(jī)組僅有外泄損失，因而機(jī)械效率高，后期運(yùn)營維護(hù)成本低，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1.3 動力循環(huán)熱力學(xué)過程

雙螺桿膨脹機(jī)組遵循郎肯循環(huán)原理，由熱源供熱給螺桿發(fā)電機(jī)組，螺桿機(jī)組將介質(zhì)釋放的熱能轉(zhuǎn)為機(jī)械能，帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)為電能，做功完成后，介質(zhì)攜帶所余熱能進(jìn)入冷凝器冷卻，使其相態(tài)由汽轉(zhuǎn)液，再經(jīng)工質(zhì)泵送入熱源形成循環(huán)。此次改造在現(xiàn)有熱循環(huán)基礎(chǔ)上引入雙螺桿膨脹機(jī)組，熱源輸送熱媒至螺桿機(jī)組做功，排出介質(zhì)攜余熱送向外網(wǎng)供熱用戶使用，無需冷卻介質(zhì)后送熱源加熱，可視為半郎肯循環(huán)[4]。

蒸汽動力循環(huán)圖見圖2。

爐水吸熱汽化過程1-2為定壓過程，吸熱表達(dá)式為Q=m（h2-h1）；蒸汽進(jìn)入螺桿機(jī)組膨脹做功理論過程2-3s為可逆絕熱過程，做功輸出能量表達(dá)式為WT=m（h2-h3s）；由熱力學(xué)第一定律知循環(huán)熱效率為 η=WT/Q=m（h2-h3s）/m（h2-h1）?？紤]現(xiàn)場運(yùn)行中各種不可逆熱損失，機(jī)組不可逆膨脹功實(shí)際過程為2-3，實(shí)際功 W 小于理想功 WT，即 W=m（h2-h3）

圖2 蒸汽動力循環(huán)圖

2 熱力管網(wǎng)改造過程

2.1 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析

目前天鋼熱力管網(wǎng)由3臺JG-140/3.82-Q鍋爐、3組汽輪鼓風(fēng)機(jī)、1套中溫中壓發(fā)電及1套外網(wǎng)減溫減壓裝置組成。鍋爐以高爐煤氣為主要燃料，產(chǎn)出蒸汽供汽輪鼓風(fēng)機(jī)產(chǎn)風(fēng)與中溫中壓發(fā)電，余汽經(jīng)噴淋式減溫減壓閥后供外網(wǎng)熱用戶，這使得高品位蒸汽未被利用便經(jīng)雙減降為低品質(zhì)蒸汽后輸出。雖能量守恒系統(tǒng)中熱能無浪費(fèi)，但高品位蒸汽降低品級后使用本就是能源利用率低下的表現(xiàn)。故以螺桿發(fā)電機(jī)取代雙減具有顯著經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)熱電轉(zhuǎn)化后的余熱再供外網(wǎng)形成梯級用能模式。

2.2 管網(wǎng)改造

將主蒸汽母管通向外網(wǎng)的樞紐減溫減壓閥改為檢修備用旁路，建立兩組并聯(lián)螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組作為樞紐與外網(wǎng)相接，通過自控裝置控制發(fā)電量與外網(wǎng)供氣量。改造后生產(chǎn)蒸汽分三路使用：第一路蒸汽供汽輪機(jī)使用后經(jīng)凝汽器凝結(jié)為水，打入除氧器除氧后通過給水泵重新進(jìn)入鍋爐汽包，形成完整的郎肯循環(huán)；第二路由主蒸汽母管直接送往中溫中壓發(fā)電站使用；第三路則供給兩組螺桿膨脹機(jī)使用，經(jīng)陽螺桿傳動促使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能，排出的低品位蒸汽供外網(wǎng)使用，實(shí)現(xiàn)能效利用最大化。

3 經(jīng)濟(jì)性分析

由相關(guān)壓力、溫度查飽和蒸汽焓值表，經(jīng)計算得到表1數(shù)據(jù)。由表1可見，引入螺桿發(fā)電機(jī)組能夠取得可觀的經(jīng)濟(jì)效益，兩臺機(jī)組年收益額可達(dá)534.96萬元。據(jù)建設(shè)投資額預(yù)估3年可回收投入并初步盈利。

4 結(jié)語

該設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，損壞率低，運(yùn)行無人監(jiān)控且年收益可觀，避免了高品質(zhì)蒸汽降階使用造成的能效浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了熱能梯級利用的精細(xì)生產(chǎn)模式。在滿足外網(wǎng)需求的同時，開創(chuàng)了新的效益增長點(diǎn)，提升了整體生產(chǎn)率。螺桿發(fā)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的一種有效方式，不但經(jīng)濟(jì)效益客觀，而且影響著企業(yè)精細(xì)化生產(chǎn)理念的轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)企業(yè)由粗轉(zhuǎn)精發(fā)展。

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)