熱能梯級利用分析

牛 冉

（天津鋼鐵集團有限公司動力廠，天津300301）

0 引言

隨著環保、清潔、節能理念的普及，粗獷式生產已無法適應時代要求，企業層級化高效用能成為新的發展方向。實現熱能分級利用，使各品級介質充分發揮其能級效，能夠促進整體能效利用率的提升。天鋼集團對原燃氣鍋爐熱力系統進行優化改造，充分利用各層級熱能多途徑使用，實現了不可再生類能源梯級節能生產。在原系統內、外管網銜接處建立兩組雙螺桿膨脹機發電機組，實現以轉動機械發電模式取代原減溫減壓裝置對外網供汽[1]，實現了蒸汽多路循環共營的生產模式，以及供風、發電、供熱三聯產的運行模式。

1 螺桿發電體系的建立

1.1 雙螺桿膨脹機構造與運行過程

雙螺桿膨脹機利用蒸汽充斥缸體過程容積變化產生扭矩促使缸內一對陰、陽雙軸轉子回轉原理，將熱能轉化為轉子動能，進而帶動發電機發電。其內部由陰陽螺桿、汽缸、軸承、機械密封、聯軸器等構成，外部與發電機、電氣控制柜、油冷卻器、潤滑油站及液壓裝置、調速控制裝置相連接。氣缸形似“∞”符號，陰、陽轉子相互嚙合與機殼共同構成密閉空間，利用進氣膨脹做功，令陽轉子產生扭矩反轉傳動陰轉子旋轉，進而帶動發電機[2]。

螺桿膨脹機工作進程分為吸氣、膨脹、排氣三階段。吸氣階段高壓蒸汽由進氣口進入螺桿膨脹機螺旋齒槽內，吸氣結束時進氣口關閉，此時裝有兩對浮動式雙向機械密封的機殼和轉子共同構成一個大小固定的密閉齒間容積，此空間供蒸汽做膨脹功。吸氣過程反復進行，各級空間前后相連，蒸汽源源不斷地涌入一個個獨立的齒間容積空間，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生向外的扭矩，轉子在扭矩的作用下旋轉起來。膨脹過程齒間容積逐漸向排氣口移動，當嚙合點到達排氣端時齒間容積達到最大，陰、陽轉子自轉使齒槽分離，這時做完功的低溫低壓蒸汽由排氣口排出，進入外管網[3]。與此同時，新一輪齒合循環再次展開，進氣口開啟，蒸汽再被雙螺桿膨脹機吸入，往復吸氣→膨脹→排氣這一過程，實現了蒸汽連續做功。雙螺桿膨脹機見圖1。

圖1 雙螺桿膨脹機圖示

1.2 雙螺桿膨脹機發電的優勢

雙螺桿膨脹機是高效利用高品質蒸汽熱電轉化的有效裝置。其適用介質要求寬松且品質要求不高，非潔凈蒸汽亦可運行，螺桿間、桿殼間的相對轉動具有除垢能力，未凈余垢填充間隙反可降低泄漏，提高熱效率。桿體構造勻稱，無不平衡質量力，有助于平穩運轉與減震降噪，安全運行可靠性高。由于機組轉速不高、磨損件少且能承受較大沖擊負荷，故機組壽命較長，安裝、維修、操作容易，可實現全自動無人監管模式。機組僅有外泄損失，因而機械效率高，后期運營維護成本低，經濟效益顯著。

1.3 動力循環熱力學過程

雙螺桿膨脹機組遵循郎肯循環原理，由熱源供熱給螺桿發電機組，螺桿機組將介質釋放的熱能轉為機械能，帶動發電機轉動，進而將機械能轉為電能，做功完成后，介質攜帶所余熱能進入冷凝器冷卻，使其相態由汽轉液，再經工質泵送入熱源形成循環。此次改造在現有熱循環基礎上引入雙螺桿膨脹機組，熱源輸送熱媒至螺桿機組做功，排出介質攜余熱送向外網供熱用戶使用，無需冷卻介質后送熱源加熱，可視為半郎肯循環[4]。

蒸汽動力循環圖見圖2。

爐水吸熱汽化過程1-2為定壓過程，吸熱表達式為Q=m（h2-h1）；蒸汽進入螺桿機組膨脹做功理論過程2-3s為可逆絕熱過程，做功輸出能量表達式為WT=m（h2-h3s）；由熱力學第一定律知循環熱效率為 η=WT/Q=m（h2-h3s）/m（h2-h1）。考慮現場運行中各種不可逆熱損失，機組不可逆膨脹功實際過程為2-3，實際功 W 小于理想功 WT，即 W=m（h2-h3）

圖2 蒸汽動力循環圖

2 熱力管網改造過程

2.1 管網結構分析

目前天鋼熱力管網由3臺JG-140/3.82-Q鍋爐、3組汽輪鼓風機、1套中溫中壓發電及1套外網減溫減壓裝置組成。鍋爐以高爐煤氣為主要燃料，產出蒸汽供汽輪鼓風機產風與中溫中壓發電，余汽經噴淋式減溫減壓閥后供外網熱用戶，這使得高品位蒸汽未被利用便經雙減降為低品質蒸汽后輸出。雖能量守恒系統中熱能無浪費，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。故以螺桿發電機取代雙減具有顯著經濟效益，經熱電轉化后的余熱再供外網形成梯級用能模式。

2.2 管網改造

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

3 經濟性分析

由相關壓力、溫度查飽和蒸汽焓值表，經計算得到表1數據。由表1可見，引入螺桿發電機組能夠取得可觀的經濟效益，兩臺機組年收益額可達534.96萬元。據建設投資額預估3年可回收投入并初步盈利。

4 結語

該設備結構簡單、運轉平穩，損壞率低，運行無人監控且年收益可觀，避免了高品質蒸汽降階使用造成的能效浪費，實現了熱能梯級利用的精細生產模式。在滿足外網需求的同時，開創了新的效益增長點，提升了整體生產率。螺桿發電機是實現節能環保的一種有效方式，不但經濟效益客觀，而且影響著企業精細化生產理念的轉變，引導企業由粗轉精發展。

表1 技術經濟指標