蒸汽減溫減壓過程中能級優化分析及建議

張波，龐栓林，李治水，謝智勇

（天津渤化永利化工股份有限公司研究所，天津300000）

蒸汽減溫減壓過程中能級優化分析及建議

張波，龐栓林，李治水，謝智勇

（天津渤化永利化工股份有限公司研究所，天津300000）

本文以我公司某裝置減溫減壓裝置為例，對蒸汽在減溫減壓過程中的能級進行分析，計算“火用”（yong）損失，分析采用螺桿膨脹發電機組進行發電，實現能的優化利益。

“火用”；減溫減壓；螺桿膨脹發電機

目前，石油、化工、鋼鐵等生產企業所需的低壓蒸汽普遍采用的是由中高壓蒸汽通過節流減壓和減溫水噴淋降溫后得到的。按照現有工藝，蒸汽減溫減壓雖為絕熱過程，總熱量保持不變，但減溫減壓后，會造成蒸汽“火用”損失，進而使其能的利用率降低，只有充分利用工質的“火用”，才能保證能量的充分利用。

我公司某裝置需要32 t/h的210℃、1.6MPa低壓蒸汽，該蒸汽是由420℃、4.2MPa的中壓蒸汽通過節流減壓和149℃、6.0MPa的減溫水噴淋降溫后實現的。本文對該工序進行能級分析，計算“火用”損失，提出用螺桿膨脹發電機組代替原減溫減壓裝置進行余壓發電的節能措施，并對其經濟性進行評價。

1　蒸汽減溫減壓過程能級分析

能量的質量高低是在能量轉換過程中表現出來的。比如，機械能和電能可完全地轉換為內能和熱能，但內能和熱能并不能完全地、連續地轉換為機械能。按照熱力學第二定律，若以能量的轉換程度作為一種尺度，則可劃分為三類不同“質”的能量［1］，如表1所示。

在周圍環境條件下任一形式能量中理論上能夠轉化為有用功（可完全轉換能量）的那部分能量稱為該能量的“火用”（exergy）或有效能。“火用”表征能量轉變為功的能力和技術上的有用程度，可以用來評價能量的品質和極位。相反，能量中不能夠轉變為有用功的那部分能量稱為“火無”（anergy）。總能量=“火用”+“火無”，在任何能量的轉換過程中“火用”和“火無”的總和保持不變。一切可逆過程不出現“火用”的貶值過程，而一切不可逆過程不可避免地發生能的貶值變質，“火用”減少“火無”增加，即“火用”損失［2］。

表1　三類不同“質”的能量對比表

通過以上分析，420℃、4.2MPa的蒸汽減溫減壓到210℃、1.6MPa的過程中，盡管總能量保持不變，但能量中的“火用”與“火無”的比例會發生變化，出現“火用”損失，使得蒸汽品質降低。若通過原有裝置直接減溫減壓，損失的“火用”沒有得到利用，造成能量浪費。接下來，以該工序為例，通過理論計算對“火用”損失進行定量分析。

2“火用”損失的計算

為了計算方便，忽略蒸汽降溫減壓過程的次要矛盾，可作以下假設：（1）忽略減溫減壓過程中熱量損失；（2）將減溫減壓過程的蒸汽流動簡化為穩定流動；（3）忽略減溫減壓過程中蒸汽勢能和動能的變化；（4）將環境狀態（0.1MPa，293.15K）視為計算“火用”的基準態。

計算過程使用的物性參數，其符號、含義、數值如表2所示。

表2　計算過程使用的物性參數表

計算過程待求量的符號、含義、數值如表3所示：

表3　計算過程中待求量表

2.1物料衡算

能量平衡方程為：

質量平衡方程為：

聯立式（1）、（2），代入相關數據，經計算可得，qm，1=27t/h，qm，w=5t/h。

2.2中壓蒸汽“火用”損失

①中壓蒸汽比“火用”損失

代入相關數據，經計算可得 e1=346.72kJ/kg。

②單位時間中壓蒸汽“火用”損失

代入相關數據，經計算可得 E1=9.257GJ/h。

2.3減溫水“火用”升

由于減溫水被加熱變為低壓蒸汽，因此應分別計算出減溫減壓前減溫水的比“火用”和減溫減壓后減溫水生成的低壓蒸汽的比“火用”。

①減溫減壓前減溫水的比“火用”

代入相關數據，經計算可得ew=99.14kJ/kg。

②減溫水生成低壓蒸汽的比“火用”

代入相關數據，經計算可得ew，2=919.5kJ/kg

③單位時間減溫水“火用”升

代入相關數據，經計算可得 Ew=4.348GJ/h。

2.4減溫減壓過程總“火用”損失及損失率

①減溫減壓過程單位時間總“火用”損失

代入相關數據，經計算可得 E=4.909GJ/h。

②中壓蒸汽比“火用”

代入相關數據，經計算可得e1=1266.21 kJ/kg。

③減溫減壓過程“火用”損失率

代入相關數據，經計算可得η=14.5%。

3　節能措施

根據以上的計算過程可知，蒸汽在減溫減壓過程中“火用”損失很大，造成其能的利用率降低。合理使用蒸汽，不僅要著眼于其熱量，更應注重其“火用”的充分利用。通過引進新的技術和設備，對原有的蒸汽減溫減壓裝置進行改造，若能滿足原工藝要求的同時，又能充分利用蒸汽的“火用”用于發電，將為企業帶來可觀的經濟效益和節能效益。經過計算可知，上述工序條件下，理論上最大發電功率為（4.909×106/3600）kW=1363kW。

按照現有的技術水平，汽輪機和螺桿膨脹發電機均可滿足上述要求，但汽輪機更適合于大規模發電（最大單機容量可達到100萬kW），普遍應用于火力發電廠；而螺桿膨脹動力機結構簡單、占地面積少、投資小、效率高，但單機容量較小，適用于發電量較小的場合，另外螺桿膨脹發電機操作負荷較為寬泛，特別適用于余壓余熱的回收利用。目前，石油、化工、鋼鐵等生產企業存在許多規模較小的蒸汽減溫減壓裝置，因而，螺桿膨脹發電技術更為合適。

3.1螺桿膨脹發電機簡介

螺桿膨脹發電核心部件是螺桿膨脹動力機本體，其基本構造由一對陰陽轉子、支撐軸承、冷卻水套、機械密封、調節閥和機殼體組成。工作原理包括進氣、膨脹和排氣三個過程，如圖1所示，中壓蒸汽進入螺桿齒槽A，推動螺桿轉動旋轉到B、C、D，齒槽容積增加，蒸汽降壓膨脹做功，最后低壓蒸汽從齒槽E排出，實現能量轉換，驅動發電機發電［5］。

3.2技改方案

圖1　

如圖2所示，在4.2MPa和1.6MPa蒸汽管網之間，以旁路形式（相對于原減溫減壓裝置）接入一套螺桿膨脹發電機組，在滿足原工藝要求的同時，回收壓差蒸汽能量做功而驅動發電機發電，做功后排氣供后續工藝使用。當緊急停機時，發電機組關閉，蒸汽由原減溫減壓裝置供給，不影響后續工藝使用。

圖2　

3.3年經濟效益計算

用發電功率為800kW的螺桿膨脹發電機組代替原減溫減壓裝置，年運行時間按8000h計算，每年的發電量為640萬度；按每度電折合標準煤0.404 kg計算，每年節約的標準煤為2585.6t，將為我公司帶來可觀的經濟效益和社會效益。

4　結論

蒸汽減溫減壓過程會造成大量的“火用”損失，以我公司某裝置420℃、4.2MPa的中壓蒸汽減溫減壓到210℃、1.6MPa的低壓蒸汽為例，“火用”損失為4.909GJ/h，損失率為14.5%，只有充分利用工質的“火用”，才能保證能量的充分利用。在滿足原工藝要求的同時，用螺桿膨脹發電機代替原減溫減壓裝置，充分利用蒸汽的“火用”用于發電，可為我公司帶來可觀的經濟效益和節能效益。按螺桿膨脹發電機凈發電功率為800kW，年運行時間為8000h，每度電折合標準煤0.404 kg計算，每年的發電量為640萬度，每年可節約標準煤2585.6t，同時可以推廣到公司其它減溫減壓裝置上，實現經濟增長和節能降耗雙贏的效果。

［1］楊東華.“火用”分析和能級分析［M］.北京：科學出版社，1986.

［2］朱明善.能量系統的“火用”分析［M］.北京：清華大學出版社，1988.

［3］嚴家錄，余曉福，水和水蒸氣熱力性質圖表［M］.北京：高等教育出版社，1995.

［4］沈維道，鄭佩芝，蔣淡安.工程熱力學（第二版）［M］.北京：高等教育出版社，1983.

［5］韓巍，李志.螺桿膨脹動力機余熱利用系統介紹及前景分析.船電技術，2009.

10.3969/j.issn.1008-1267.2015.05.014

TQ083.4

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1008-1267（2015）05-0040-04

2015-05-22