節(jié)能降耗中熱能與動(dòng)力工程應(yīng)用探討

張建權(quán) 王樑 余海宏

杭州中美華東制藥江東有限公司 浙江 杭州 311228

引言

為了提高熱能與動(dòng)力工程的應(yīng)用效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)，在當(dāng)代鍋爐電力系統(tǒng)運(yùn)行控制工作中，自動(dòng)化控制技術(shù)融合應(yīng)用極為普遍。同時(shí)，電力企業(yè)會(huì)利用余熱鍋爐SCR 控制技術(shù)和有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)回收低溫余熱資源進(jìn)行發(fā)電，從而有效降低了環(huán)境污染，提高了熱量利用率和發(fā)電效益。

1 鍋爐自動(dòng)化裝置組合應(yīng)用

鍋爐電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝置逐步包括同期自動(dòng)化裝置、用電快速切換自動(dòng)化裝置和故障錄波裝置。其中，同期裝置是要借助計(jì)算機(jī)實(shí)施監(jiān)控，結(jié)合發(fā)電器安全并網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，為每一單元的機(jī)組安裝一套微機(jī)型自動(dòng)化同期裝置和手動(dòng)化準(zhǔn)同期裝置系統(tǒng)。用電快速切換自動(dòng)化裝置主要是通過安裝微機(jī)型用電快速切換系統(tǒng)來(lái)確保機(jī)組安全停機(jī)，在正常運(yùn)行和接入故障報(bào)警信號(hào)時(shí)均會(huì)接入DCS系統(tǒng)，同時(shí)，和DCS系統(tǒng)有通信接口相連。故障錄波裝置是通過安裝微機(jī)型故障錄波裝置設(shè)備來(lái)分析事故和原因，對(duì)異常運(yùn)行的電流、電壓等模擬量數(shù)據(jù)實(shí)施錄波，并準(zhǔn)確記錄鍋爐系統(tǒng)安全保護(hù)自動(dòng)裝置運(yùn)行情況。此外，要利用自動(dòng)化技術(shù)改善鍋爐風(fēng)機(jī)裝置，增強(qiáng)風(fēng)機(jī)承載力，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行效率。風(fēng)機(jī)屬于鍋爐設(shè)備系統(tǒng)的重要組成配件，在鍋爐運(yùn)行發(fā)揮著重要作用，其工作原理是通過葉輪的旋轉(zhuǎn)來(lái)獲取風(fēng)能，將機(jī)械能自動(dòng)轉(zhuǎn)換為氣壓，使燃?xì)膺M(jìn)入鍋爐內(nèi)部并進(jìn)行擴(kuò)散，燃料因此得到完全燃燒。

2 發(fā)揮余熱鍋爐SCR 控制技術(shù)的作用

2.1 借助余熱鍋爐收集水和蒸汽

基于節(jié)能降耗理念下，提升熱能與動(dòng)力工程應(yīng)用效率，應(yīng)發(fā)揮余熱鍋爐SCR 控制技術(shù)的作用，該技術(shù)是將還原劑噴入余熱鍋爐的煙道，使鍋爐余熱內(nèi)的NOx轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨(dú)夂退ｅ仩t機(jī)組結(jié)構(gòu)控制技術(shù)有一系列標(biāo)準(zhǔn)流程，對(duì)于鍋爐余熱，會(huì)著重分析其成分和溫度，然后，將余熱收集到電廠機(jī)組內(nèi)，同時(shí)，會(huì)對(duì)燃燒室進(jìn)行燃燒調(diào)整，并改造燃燒器。然后，用壓氣機(jī)對(duì)空氣溫度和濕度進(jìn)行處理，借助余熱鍋爐收集水和蒸汽。

2.2 促進(jìn)鍋爐用電系統(tǒng)和自動(dòng)化裝置技術(shù)的有機(jī)融合

促進(jìn)鍋爐用電系統(tǒng)和自動(dòng)化控制技術(shù)的有機(jī)融合，確保用電安全，理應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求優(yōu)化鍋爐用電系統(tǒng)配置方案。某火電廠采用了大型鍋爐發(fā)電機(jī)組，為了提升自動(dòng)化控制水平，工作人員對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)，同時(shí)著重改善UPS接線與配置方案。另外，為了確保機(jī)組系統(tǒng)的自動(dòng)化安全運(yùn)轉(zhuǎn)，工作人員啟用了500kV的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和繼電保護(hù)系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)來(lái)監(jiān)控和調(diào)整鍋爐機(jī)組智能設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 啟用低溫余熱進(jìn)行有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)

3.1 啟用低溫余熱進(jìn)行有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的作用

某電力企業(yè)利用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)回收低溫余熱資源進(jìn)行發(fā)電有效降低了環(huán)境污染，提高了熱能利用率和發(fā)電效益。該企業(yè)平均每年的發(fā)電凈收益是69.8萬(wàn)人民幣，回收軟化水的年平均收益高達(dá)819萬(wàn)人民幣，從而有效提高了生產(chǎn)效益。與此同時(shí)，該企業(yè)平均每年的熱能耗節(jié)約是169354GJ，二氧化碳經(jīng)過節(jié)能減排處理后的排放量大約是12.9kt。某電力企業(yè)利用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)回收低溫余熱資源進(jìn)行發(fā)電，使本企業(yè)能效得到了大幅度提高，打造了高品質(zhì)節(jié)能型企業(yè)，順利落實(shí)了企業(yè)“節(jié)能降耗”計(jì)劃方案[1]。

3.2 余熱回收問題

據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)生產(chǎn)工作中，能源消耗量在全國(guó)能源用量中所占比例高達(dá)70%，顯然能耗偏高，很容易導(dǎo)致能源浪費(fèi)與枯竭問題。出現(xiàn)該問題的原因是多方面的，主要原因包括國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)趨于粗放型結(jié)構(gòu)，工藝生產(chǎn)工藝技術(shù)相對(duì)落后，低溫余熱資源利用率低下、未能充分使用能源價(jià)值。在瀕臨能源枯竭危機(jī)的窘境面前，隨著低碳理念的踐行和循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式的應(yīng)用，國(guó)民非常重視推進(jìn)可持續(xù)性發(fā)展，積極配合國(guó)家政策，構(gòu)建生態(tài)文明，落實(shí)可持續(xù)發(fā)展方案。在此背景下，各企業(yè)也非常重視收集低溫余熱，降低廢氣污染，消除工業(yè)噪音，減少?gòu)U水排放，嚴(yán)格落實(shí)節(jié)能減排政策。不可忽視的是，國(guó)內(nèi)能源的利用率只有33%左右，有大量的能源在工業(yè)生產(chǎn)中轉(zhuǎn)化成了熱量，然后被排到了空氣中，造成了嚴(yán)重的大氣污染問題。

在21世紀(jì)，隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的提高和工藝的改善以及工業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，各企業(yè)通過回收中溫和高溫余熱進(jìn)行循環(huán)使用的技術(shù)日臻成熟，然而，工業(yè)生產(chǎn)中還有大量的低溫余熱被排入空氣中，雖然不少企業(yè)也開始回收低溫余熱，回收利用技術(shù)卻相對(duì)落后。調(diào)查研究結(jié)果表明，在當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)電廠通常會(huì)將85℃和150℃的低品質(zhì)廢熱直接排放和丟棄，像剩余的蒸汽、凝結(jié)水、加熱爐的煙氣、剩余的干氣、分餾塔側(cè)線等，通常被直接排放，導(dǎo)致大量的低溫余熱資源被浪費(fèi)。運(yùn)用這些低溫余熱資源促進(jìn)工業(yè)生產(chǎn)是當(dāng)代電力企業(yè)必須考慮的問題，對(duì)低溫余熱進(jìn)行回收并合理循環(huán)使用方能降低能耗，落實(shí)節(jié)能減排理念，提高發(fā)電效益。

3.3 改善措施

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)電力企業(yè)為了提高低溫余熱回收利用效率，做了多方面的努力，從國(guó)外引進(jìn)了各種技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，購(gòu)置了更先進(jìn)的設(shè)備，同時(shí)，將低溫余熱回收利用于本組織其他生產(chǎn)流程中，例如用低溫余熱回收發(fā)電，從而有效保持了供電穩(wěn)定性，節(jié)約了大量的能源，提高了本組織生產(chǎn)效益，降低了污染排放指數(shù)。從低溫余熱回收使用類型來(lái)看，當(dāng)代電力企業(yè)通常會(huì)采用兩種回收利用方式：第一種，同級(jí)回收利用。第二種，升級(jí)回收利用。前者是直接會(huì)在間接回收利用低溫余熱來(lái)代替高位熱源或者中位熱源來(lái)滿足不同用戶相應(yīng)的需求，這樣不僅可以避免使高位熱源和中位熱源產(chǎn)生的過大溫差，控制能量傳遞損失問題，與節(jié)能降耗理念相符。

其次，同級(jí)回收利用的用途可分為兩種，一種是對(duì)低溫物流進(jìn)行加熱裝置，一種是對(duì)生活用水進(jìn)行加熱。相比而言，同級(jí)回收利用在低溫余熱回收利用工作中頗具吸引力。升級(jí)回收利用的用途主要包括用低溫余熱進(jìn)行發(fā)電、制冷和對(duì)海水實(shí)施淡化處理。電力企業(yè)會(huì)啟用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)對(duì)在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的低溫余熱進(jìn)行回收利用，將這些低溫余熱轉(zhuǎn)換成電能，從而滿足電力資源生產(chǎn)與供應(yīng)需求。用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)回收利用低溫余熱不僅可以產(chǎn)生大量的經(jīng)濟(jì)效益，而且能夠節(jié)省回收投資成本，降低能耗與污染。

3.4 有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)應(yīng)用流程

從技術(shù)應(yīng)用流程來(lái)看，用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)（英文簡(jiǎn)稱ORC技術(shù)）回收低溫余熱開展發(fā)電工作能夠充分吸收熱量，將85到150攝氏度的熱水、凝結(jié)水、加熱爐的煙氣、剩余的干氣、分餾塔側(cè)線進(jìn)行回收利用，生產(chǎn)大量的電能。電力企業(yè)在日常生產(chǎn)工作中會(huì)產(chǎn)生大量的凝結(jié)水和低壓蒸汽，這些低溫余熱資源可分為3種[2]：第一種是凝結(jié)水，其溫度通常在110～115℃，壓力在0.25～0.35MPa之間，含量大約是140t/h。第二種是系統(tǒng)乏汽，溫度在120～125℃，其壓力在0.25～0.35MPa之間，含量大約是25t/h。第三種，每一年的夏天，電力企業(yè)會(huì)產(chǎn)生富余的溫度，大約在220～240℃，壓力在0.62～1.03MPa之間，屬于低壓蒸汽。如果將這些低壓蒸汽直接排放到空氣中，不僅浪費(fèi)了大量的熱資源，而且嚴(yán)重污染空氣質(zhì)量，不符合節(jié)能環(huán)保理念。對(duì)此，該企業(yè)嚴(yán)格執(zhí)行低溫余熱利用回收利用工作，謹(jǐn)遵節(jié)能降耗標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，對(duì)低壓蒸汽放空量進(jìn)行了準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)。在2020年5月，某電力企業(yè)的低壓蒸汽日平均排放量是331t/d，6月的低壓蒸汽日平均排放量是375t/d，7月的低壓蒸汽日平均排放量是1246t/d，8月的低壓蒸汽日平均排放量是567t/d，9月的低壓蒸汽日平均排放量是300t/d。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出電力企業(yè)在嚴(yán)格降低能耗與污染系數(shù)，不斷提高低溫余熱發(fā)電利用率，創(chuàng)造了大量的收益，構(gòu)建了節(jié)能環(huán)保型企業(yè)。

4 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)基本原理

4.1 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)應(yīng)用原理

從基本原理來(lái)看，有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)（英文簡(jiǎn)稱ORC）的原理是將沸點(diǎn)遠(yuǎn)低于水的有機(jī)物質(zhì)（像氯乙烷、丁烷和氟利昂等有機(jī)物）作為主要工質(zhì)，在熱力設(shè)備中對(duì)這些有機(jī)工質(zhì)實(shí)施持續(xù)性等壓加熱，使其絕熱膨脹，然后實(shí)施等壓放熱與絕熱壓縮，歷經(jīng)這四步流程后，這些有機(jī)工質(zhì)的熱能會(huì)不斷轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，不斷產(chǎn)生電能。在電力企業(yè)內(nèi)部，發(fā)電裝置循環(huán)系統(tǒng)組合部件主要包括汽輪機(jī)、換熱器、給水泵和冷凝器。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)（英文簡(jiǎn)稱ORC）應(yīng)用過程是先在換熱器內(nèi)對(duì)機(jī)泵輸送的有機(jī)工質(zhì)實(shí)施低溫余熱加熱處理，使其變成過熱蒸汽，然后，將過熱蒸汽投進(jìn)汽輪機(jī)，使熱能能夠轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，此時(shí)，過熱蒸汽就會(huì)釋放出熱能，使溫度和壓力均有所降低，變成乏汽，接著由冷凝器進(jìn)行冷凝處理，轉(zhuǎn)變成液態(tài)，最后由機(jī)泵實(shí)施升壓處理，完成一個(gè)低溫余熱循環(huán)利用。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)（英文簡(jiǎn)稱ORC）所使用的有機(jī)工質(zhì)常壓沸點(diǎn)通常遠(yuǎn)低于水的常壓沸點(diǎn)（100℃），因此能夠在比較低的溫度下讓有機(jī)工質(zhì)得以汽化，并將低溫余熱充當(dāng)熱源用于發(fā)電。某電力企業(yè)回收低溫余熱資源的發(fā)電項(xiàng)目收集的有機(jī)工質(zhì)通常以五氟丙烷（R245fa），為主，發(fā)電效率也最高。

4.2 低溫余熱資源發(fā)電工藝

從有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)回收低溫余熱資源發(fā)電工藝來(lái)看，大致可分為以下3種類型：第一，用凝結(jié)水余熱開展發(fā)電工作。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)在運(yùn)用凝結(jié)水余熱開展發(fā)電工作時(shí)通常要啟用透平機(jī)組，將凝結(jié)水低溫余熱作為熱源[3]。在發(fā)電過程中，透平機(jī)組能夠?qū)⒛Y(jié)水的熱能轉(zhuǎn)化成電能，其工作流程是用在換熱器內(nèi)，用凝結(jié)水對(duì)有機(jī)工質(zhì)實(shí)施加熱處理，使液體轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，從而完成升壓工作，并進(jìn)入透平發(fā)電機(jī)內(nèi)來(lái)做功，完成做功后，此時(shí)有機(jī)工質(zhì)的氣體壓力會(huì)有所降低，溫度也會(huì)下降，接著進(jìn)入蒸發(fā)式冷凝器的殼層中，經(jīng)過冷卻介質(zhì)的冷凝處理后形成液體，然后，這些液體會(huì)被工質(zhì)泵送到換熱器中進(jìn)行循環(huán)利用。換熱器里的工質(zhì)泵會(huì)對(duì)有機(jī)工質(zhì)的液位采取自動(dòng)控制措施，從而使系統(tǒng)熱量能保持平衡。

第二，用乏汽余熱開展發(fā)電工作。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)在運(yùn)用乏汽余熱開展發(fā)電工作時(shí)，會(huì)啟用汽水分離器，這樣能夠?qū)⑺a(chǎn)生的二次汽（混合汽熱源）轉(zhuǎn)化成電能。這種發(fā)電技術(shù)原理與凝結(jié)水相同，發(fā)電后會(huì)轉(zhuǎn)變成45℃。凝結(jié)水會(huì)被直接送到除油除鐵裝置中予以使用，在此過程中的乏汽量大約是25t/h，其溫度會(huì)從120到125攝氏度變成45攝氏度。

第三，用低壓蒸汽余熱開展發(fā)電工作。有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)在運(yùn)用低壓蒸汽余熱開展發(fā)電工作時(shí)，會(huì)嚴(yán)格按照低壓蒸汽流量的差異性采取不同的余熱發(fā)電模式。如果低壓蒸汽的流量比較小，就會(huì)將其送入乏汽的ORC系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電[4]。如果低壓蒸汽的流量比較大，就直接將其送入汽輪機(jī)內(nèi)實(shí)施做功發(fā)電（這種發(fā)電方式屬于純凝式發(fā)電）。

和傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)相比，有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)更環(huán)保，效益更高。火力發(fā)電需要消耗大量的化石能源和天然氣，也會(huì)向空氣中排放大量的二氧化硫和二氧化碳等物質(zhì)，嚴(yán)重污染空氣，很容易滋生霧霾天氣，給人類和動(dòng)植物的生命健康造成嚴(yán)重傷害，加劇了酸雨天氣的發(fā)生，使金屬設(shè)備在很大程度上受到腐蝕。電力企業(yè)運(yùn)用低溫余熱實(shí)施發(fā)電能夠大幅度降低化石能源和天然氣的燃燒量，減少了能耗與污染系數(shù)，符合節(jié)能降耗理念，同時(shí)，能夠獲取豐厚的經(jīng)濟(jì)收益。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著節(jié)能降耗理念的踐行，各電力企業(yè)也非常重視提高熱能與動(dòng)力工程應(yīng)用效率，通過收集低溫余熱，降低廢氣污染，消除工業(yè)噪音，減少?gòu)U水排放，嚴(yán)格落實(shí)節(jié)能減排政策。電力企業(yè)會(huì)著重優(yōu)化鍋爐系統(tǒng)自動(dòng)化組合結(jié)構(gòu)，充分利用余熱鍋爐SCR 控制技術(shù)和有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)回收低溫余熱開展發(fā)電工作，從而有效降低能耗與污染，獲取更高收益。