低品位蒸汽增壓供熱過程評價方法研究

李初福

北京低碳清潔能源研究所 北京 102211

低品位蒸汽增壓供熱過程評價方法研究

李初福*

北京低碳清潔能源研究所 北京 102211

低品位蒸汽增壓供熱是提高系統能效有效方式之一。本文對低品位蒸汽增壓供熱過程評價方法進行研究，定義了低品位蒸汽增壓供熱過程能效比，并給出相關計算方法；研究了能效比與蒸汽壓力和壓縮比的關系，結果表明能效比分別隨蒸汽入口壓力和壓縮比提高而降低。結合過程經濟分析方法，給出了低品位蒸汽增壓供熱過程最小能效比計算方法。

低品位蒸汽 能效比 評價方法

煤化工過程經常有大量低品位蒸汽無法利用直接排空，造成能量浪費和水資源浪費。低品位蒸汽利用方式主要包括透平發電、吸收制冷和增壓供熱等[1-6]。對低品位蒸汽增壓提高其品質再利用，近年來受到了關注[7-13]，尤其在蒸發領域得到了應用，節能效果非常顯著。對低品位蒸汽進行增壓，主要為了利用其焓值，但是要輸入一定的功，對這個過程性能進行分析和評價是一個重要問題。本文對低品位蒸汽增壓供熱過程評價方法進行研究，借鑒空調制冷能效比的概念[14]，定義了低品位蒸汽增壓供熱過程能效比，根據熱力學第一定律推導得到能效比計算方法。結合過程經濟分析方法，給出了低品位蒸汽增壓供熱過程最小能效比的計算方法，可以用于低品位蒸汽增壓供熱過程評價和應用指導。

1 計算方法

1.1 名詞定義

為了便于低品位蒸汽增壓供熱過程分析和評價，定義名詞：

(1)可回收熱Q：增壓后低品位蒸汽焓值與相應壓力飽和水焓值之差。

(2)能效比EER：低品位蒸汽壓縮后可回收的熱量與壓縮過程實際消耗功率之比。

(3)功熱價值比VR：單位輸入功價值與單位可回收熱的價值之比。

1.2 計算公式

低品位蒸汽增壓再利用過程見圖1。蒸汽經過壓縮后，達到一定的壓力，飽和溫度較原來提高，通過換熱器對其它物料進行加熱，蒸汽則變成凝結水排出，充分利用了蒸汽冷凝過程的顯熱。

圖1 低品位蒸汽增壓供熱過程示意

根據熱力學第一定律，推導得出低品位蒸汽增壓供熱過程的相關計算公式(所有符號說明見文尾)。

1.2.1 等熵壓縮功計算

蒸汽等熵壓縮功率計算：

1.2.2 壓縮功率

實際壓縮功率(氣缸在壓縮蒸汽過程中實際消耗的功率)計算：

總功率(壓縮過程外界實際輸入的功率)計算：

1.2.3 增壓蒸汽焓值計算

增壓后蒸汽焓值計算：

m·H2=m·H1+W'

H1的值可通過查水蒸汽焓表確定。

1.2.4 增壓蒸汽可回收熱量

增壓后蒸汽可回收利用熱量Q計算：

1.2.5 能效比

能效比(EER)計算：

2 分析與評價方法

2.1 能效比的影響因素

影響低品位蒸汽增壓供熱過程能效比的主要因素包括蒸汽入口壓力、壓縮比和壓縮機效率等。根據前面給出的計算方法，固定壓縮機等熵效率和機械效率分別為0.8和0.9，計算得到飽和水蒸汽入口壓力和壓縮比對能效比影響規律見圖2和3。

圖2 飽和水蒸汽入口壓力對增壓供熱過程能效比的影響(壓縮比為2)

圖3 壓縮比對增壓供熱過程能效比的影響(飽和蒸汽入口壓力為0.1MPaA)

結果表明，在壓縮比不變的情況下，增壓供熱過程能效比隨蒸汽入口壓力提高而降低；在蒸汽入口壓力不變情況下，能效比隨壓縮比提高而降低。因此，在較低蒸汽入口壓力和較低壓縮比下，增壓供熱過程能效比較高。在壓縮比為2情況下，0.05～0.5MPa(A)蒸汽增壓供熱過程能效均大于10。

2.2 最小能效比

低品位蒸汽增壓供熱過程的經濟性取決于投資費用、功熱價值比和能效比。其中，投資費用主要為蒸汽壓縮機和換熱器的制造及安裝費。在投資費用和供熱價值比一定的條件下，要使低品位蒸汽增壓供熱過程經濟上可行，則該過程能效比必須大于最小能效比(EERmin)：

3 應用案例

某企業污水處理單元包含兩個蒸汽器E1和E2，處理量各約50 t/h。E1蒸發溫度約106℃，通過管網蒸汽(115℃，0.17 MPa(A))加熱；E2蒸發溫度約97℃，通過E1蒸發器乏汽加熱。E2蒸發器乏汽(97℃、0.08MPa(A))的流量大約42 t/h，目前經空冷后排出。如果將E2蒸發器乏汽增壓提高蒸汽品位，增壓后的乏汽(0.17MPa(A))再進E1蒸發器，可以替代E1蒸發器使用的大量加熱蒸汽，這樣既可充分回收乏汽的大量冷凝潛熱及冷卻顯熱，又可大幅降低冷卻水等公用工程的消耗，具體流程見圖4。

圖4 廢水處理乏汽增壓供熱利用

根據本文方法計算，該過程等熵壓縮功為137.3 MJ/t蒸汽，可回收熱量為2355 MJ/t蒸汽，蒸汽壓縮過程等熵效率和機械效率按0.8和0.9計算，則該過程能效比為12.3。該乏汽增壓供熱利用過程總投資為1000萬元左右，設備折舊年限按10年計算，折舊成本為 0.016 元/MJ，功的成本按電價0.4元/kWh計算為 0.11 元/MJ，熱的價值按蒸汽價格(80元/t)計算為0.026 元/MJ，通過本方法計算該過程經濟上可行的最小能效比為 4.5，而實際能效比為12.3，遠大于最小能效比，因此該低品位蒸汽加壓供熱過程經濟上可行。

4 結語

本文對低品位蒸汽增壓供熱過程評價方法進行研究，定義了低品位蒸汽增壓供熱過程能效比，給出了相關計算方法；研究了能效比與蒸汽壓力和壓縮比的關系，結果表明能效比分別隨蒸汽入口壓力和壓縮比提高而降低，較低的蒸汽入口壓力和壓縮比可以獲得較高的能效比。在壓縮比為2情況下，0.05～0.5MPa(A)蒸汽增壓供熱過程能效均大于10。結合過程經濟分析方法，給出了低品位蒸汽增壓供熱過程最小能效比計算方法，可用于低品位蒸汽增壓供熱過程評價和應用指導。

符 號 說 明

a 折舊年限

CW低品位蒸汽壓縮過程設備折舊成本，按單位輸入功為基準計算，元/MJ

CT蒸汽壓縮機和換熱器設備制造和安裝等費用，元

H1輸入蒸汽的單位焓值，MJ/t，通過查水蒸汽焓表、熵表確定

H2輸出蒸汽的單位焓值，MJ/t

m 低品位蒸汽流量，t/h

P1輸入蒸汽壓力，MPa

P2輸出蒸汽壓力，MPa

Q 可回收熱，單位為MJ/h

Rg水蒸汽氣體常數， J/(K t)

S1輸入蒸汽熵值，MJ/t

S2輸出蒸汽熵值，MJ/t

T1輸入蒸汽溫度，K

T2輸出蒸汽溫度，K

VQ可回收熱的單位價值，元/MJ

VW輸入功的單位價值，元/MJ

W*蒸汽等熵壓縮功率，MJ/h

W′氣缸在壓縮蒸汽過程中實際消耗的功率，MJ/h

W 壓縮過程外界實際輸入的功率，MJ/h

κ 水蒸汽絕熱指數

η 壓縮機等熵效率

η′ 壓縮機機械效率

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**基金項目：國家高技術研究發展計劃(863計劃) 資助項目(項目編號2011AA05A202)。

2016-11-11)

*李初福：高級工程師。2008年畢業于清華大學化學系統工程專業獲博士學位。從事化工過程系統工程方面的科研工作。 電話: (010)57339690，Email: lichufu@nicenergy.com。