采用螺桿膨脹機的汽電雙驅技術在化工廠的應用研究

陳巧娟

(福建雪人工程有限公司,福建 福州 350200)

綠色低碳、節能環保是當今社會發展的主要方向,隨著經濟高速發展,我國的用能總量已經度過了快速發展擴張的階段,現如今我國的能源發展已經進入了存量市場提質增效的新階段。隨著能源消費方式和能源結構的轉變,目前各類化工企業面臨著日益提高的節能減排的環保要求。如何有效地降低化工生產過程中的能耗及二氧化碳等廢棄物的排放,切實提高化工企業的市場競爭力,是關乎到所有化工企業等傳統能源企業生存的根本性問題[1]。

早在2006年為了貫徹落實“十一五”規劃綱要提出的節能減排目標,國務院(2006)第28號文件《國務院關于加強節能工況的決定》中就明確指出要充分認識到加強節能減排工作的重要性和緊迫性,要求各行各業大力推進節能減排技術進步,其中明確指出要認真組織工業余熱余壓的回收利用工作[2]。

國務院在2016年印發的《“十三五”控制溫室氣體排放工作方案》中明確指出,要推動我國二氧化碳排放在2030年達到峰值,優化利用化石能源[1]。并于2020年9月,我國明確提出了2030年“碳達峰”與2060年“碳中和”的重要目標。“雙碳”戰略倡導綠色、環保、低碳的生活方式。加快降低碳排放步伐,有利于引導綠色技術創新,提高各類產業和經濟的全球競爭力,因此在化工企業推進節能減排技術符合政策導向。

1 化工廠的用能需求及現狀

化工企業是傳統的高耗能企業,其在生產過程中需要消耗大量的化石能源以及電能。化工廠裝置的能源消耗主要集中在兩個方面:原料的能源消耗;設備運行的能耗。

1)原料的能源消耗,在化工企業生產過程中占據了很大的比重。例如在石化行業中的煉油裝置需要大量的熱能來進行原料的蒸餾和裂化等操作,而這些熱能主要來自于燃煤、燃氣等化石能源。除此之外一些化學反應需要在特定的高溫高壓條件下進行,同樣也需要大量的化石能源來提供這個高溫高壓條件。

2)設備運行的能耗,主要是循環水泵、壓縮機、風機等運轉設備所需要的電能,也需要耗費大量的能源。因此大多數大型的化工企業都建有自備電廠來滿足企業用電設備的需求,相較于從國家電網購電可以節省不少運營成本。

化工廠生產過程中除了需要耗費大量能源外,還會伴隨產生大量的低品位余熱能,如低壓蒸汽、高溫冷卻水、煙氣等等。若對低壓蒸汽進行放散或將高溫冷卻水進行散熱降溫后循環則會造成巨大的余熱資源的浪費。因此進行低品位余熱資源的回收利用是踐行雙碳戰略的重要一環。

化工廠的電能供應往往比較緊張,且電力驅動的運營成本較高。為了節省廠用電,近年來許多化工廠已經將部分風機或水泵等運轉設備由電驅動改造為小型汽輪機驅動。經過改造雖然可以用汽驅代替電驅降低了運營成本,但是由于汽輪機屬于速度型機型,對蒸汽的工況要求比較高,需要蒸汽具有一定的過熱度,同時要求蒸汽流量和壓力穩定波動小,汽輪機才能高效穩定運行。然而化工廠的余熱蒸汽多數是由生產過程副產的蒸汽,其蒸汽品質無法與鍋爐燃燒所產生的蒸汽相媲美,無法保障充足的過熱度并且蒸汽流量和壓力會隨著生產過程產生波動。波動的蒸汽工況會造成汽輪機運行不穩定或出力無法滿足水泵、風機等運轉設備的功率需求,嚴重時甚至會導致汽輪機跳機、飛車等現象,從而導致水泵、風機等設備停轉,對化工生產造成巨大的安全隱患和經濟損失。為避免此類問題,目前化工廠還需要在投資汽驅動的同時,安裝電驅動的設備作為備用,由此加大了設備投資。

以上所述的汽驅動技術主要為小型汽輪機利用蒸汽余壓輸出軸功率來驅動水泵、風機等運轉設備。但化工廠里的余熱資源十分豐富,蒸汽余壓資源是較容易利用但在總的余熱資源里占比較小。絕大多數的余熱能是以低溫低品位的熱水等形式存在,而汽輪機則無法應用熱水來進行余熱利用。

綜上所述,在化工廠里進行蒸汽、熱水等全面的余熱回收利用,將水泵、風機等運轉設備從傳統的電驅動改為汽驅動來降低運營成本的同時,還需要保障被驅動設備不會因為余熱源的波動影響生產工藝穩定運行。本文所介紹的采用螺桿膨脹機代替汽輪機,同時采用超越離合器實現汽電雙驅的技術,是在化工廠中實現全面節能降碳,踐行雙碳戰略的重要舉措。

2 技術路線介紹

2.1 螺桿膨脹機技術介紹

螺桿膨脹機是利用高壓氣體體積膨脹,驅動螺桿轉子旋轉,將熱能轉換為機械能的一種熱機。是21世紀獲得長足發展的一種新型動力機械,可廣泛應用在各類工業余熱回收、地熱發電、生物質發電等領域,可用來直接驅動發電機發電,也可直接拖動泵、風機等機械設備。

螺桿膨脹機的基本結構與螺桿壓縮機相類似,工作原理與螺桿壓縮機的相反。原理主要是隨著螺桿膨脹機轉子旋轉膨脹過程,工質的壓力、溫度和焓值下降,比容和熵增加,工質的內能轉換為機械能對外做功。

螺桿膨脹機是一種回轉型容積式膨脹機,它兼具活塞膨脹機和透平膨脹機兩者的優點。螺桿膨脹機是一種全流型機械,可適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物及熱水等,并且對工質清潔度要求不高。螺桿膨脹機結構相對簡單,零部件數量較少,幾乎沒有易損件,設備維護方便,因此設備運行相對可靠,使用壽命長。

螺桿膨脹機是由一對陰陽螺桿轉子、機殼、軸承、同步齒輪、密封組件等組成,氣缸呈兩圓相交的“∞”形。兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合螺旋形陰、陽轉子平行置于氣缸中。其運轉過程從吸氣過程開始,如圖1。然后氣體在封閉的齒間容積中膨脹,如圖2。最后移至排氣過程,如圖3。陰、陽螺桿和氣缸之間形成的呈“V”字形的一對齒間容積值隨著轉子的回轉而變化,同時,其位置在空間也不斷移動。

圖1 吸氣過程

圖2 膨脹過程

圖3 排氣過程

螺桿膨脹機利用工質氣體進排氣壓力差,將工質氣體的內能轉化為機械能,通過陽轉子的輸出軸對外輸出功率,即可拖動發電機進行發電,也可直接拖動水泵、風機等用電設備,減少了機械能轉化為電能,再由電能轉化為水泵風機的機械能的過程損耗。因此用汽驅代替電驅是一種有效的節能方式。螺桿膨脹機根據利用的工質氣體不同,主要分為兩種類型:一是利用水蒸氣作為介質來驅動膨脹機做功,系統原理如圖4。

圖4 蒸汽直接驅動原理圖

二是利用氟利昂等有機工質作為介質來驅動膨脹機做功,稱為有機朗肯循環,Organic Rankine Cycle 簡稱ORC。化工廠中的余熱資源種類豐富,既有蒸汽這種可以直接用來驅動汽輪機、螺桿膨脹機做功或發電的介質,也有諸如熱水、煙氣等汽輪機、螺桿膨脹機無法直接利用的介質。因此針對此類余熱源,利用螺桿膨脹機ORC系統就可以很好的回收這部分余熱進行做功或發電。系統原理如圖5,熱水或煙氣等余熱源通過ORC系統的蒸發器與氟利昂有機工質進行換熱,產生高溫高壓的有機工質氣體,來驅動螺桿膨脹機做功,通過余熱源的溫度轉化為有機工質的壓力。

圖5 ORC系統原理圖

2.2 汽電雙驅技術介紹

汽驅是指利用蒸汽動力設備輸出軸功率直接拖動旋轉輔機(如壓縮機、水泵、風機等)的技術,在電廠、化工、冶金等行業中廣泛應用。相比于蒸汽動力設備驅動發電機發電后利用電動機來驅動旋轉輔機,采用汽拖技術可以減少發電機和電動機的投資,并且減少了能量轉換傳輸過程中的損耗,具有明顯的運行效率高、設備投資少的優點。在大型工業中廣泛應用汽輪機作為汽拖的蒸汽動力設備,多采用鍋爐產生的蒸汽進行驅動。采用蒸汽動力設備拖動存在因蒸汽負荷不足達不到旋轉輔機額定運行工況的情況以及因蒸汽系統故障導致旋轉輔機停機的問題。針對工廠中重要工業的旋轉輔機,若采用汽拖,則需另外布置一臺電動機拖動的同規格旋轉輔機作為備用,當出現停機或出力不足時,開啟備用機組來滿足生產工藝需求。這樣造成設備投資大,啟動不及時,控制困難等問題。因此在利用螺桿膨脹機作為蒸汽動力設備同時利用雙軸伸的異步電動機共同驅動旋轉輔機,實現汽電雙驅功能,達到降低了設備的投資,并保證旋轉輔機的穩定可靠運行以及節能降耗的指標[4]。汽電雙驅系統示意圖如圖6。

1減速箱;2減速機;3超越離合器;4雙軸伸異步電動機;5旋轉輔機;6減壓閥;7速斷閥;8調節閥;9止回閥;10原蒸汽管道;11膨脹機進氣管道;12膨脹機排氣管道。圖6 汽電雙驅系統示意圖

2.3 技術要求

汽電雙驅技術相較于常規的電驅、汽驅技術,系統通過進一步集成化,兼顧了兩者的優勢,但同時也對設備部件和系統控制都提出了更高的技術要求:

1)汽電雙驅系統中,電機需要在電動機、發電機這兩種狀態之間進行實時切換,對異步電機在發電時的瞬態控制、綜合設計、電磁轉矩的穩定性等均提出了更高的要求。

2)減速箱的速比大、功率高。對減速箱的設計精度、材料等級、制造工藝等提出了高要求。

3)超越離合器是汽電雙驅系統中最核心的部件,承擔了螺桿膨脹機和電機之間的動力傳遞與分離的功能。超越離合器是隨著機電一體化產品的發展而出現的基礎件,它是用于原動機和工作機之間或機器內部主動軸與從動軸之間動力傳遞與分離功能的重要部件。它是利用主、從動部分的速度變化或旋轉方向的變換具有自行離合功能的裝置,其具備緩沖和低速保護功能,能夠承受瞬時的短路力矩沖擊,并能夠自動補償軸向熱位移,是整個汽電雙驅系統技術實現的關鍵[1]。

3 應用介紹

文中介紹采用螺桿膨脹機的汽電雙驅技術在化工廠中的應用,其主要特點如下:

1)螺桿膨脹機相較于汽輪機應用范圍更廣,可以使用蒸汽、熱水、煙氣等各種形式的余熱源,也能更好地適應余熱源波動大不穩定的運行情況。對設備系統的運行穩定性有更大的幫助。

2)汽電雙驅系統能保障水泵、風機等運轉設備在任何工況下都能正常運轉,不影響生產工藝使用。在保障汽驅經濟性的情況下也能保證系統使用的穩定性。

3)用汽驅代替電驅,沒有機械能轉化為電能再轉化為機械能的二次能量轉化,能源利用率更高,運行更經濟。

4)采用汽電雙驅互為備用的冗余設計,系統更安全可靠,自動化程度高,可以實現兩地控制。

5)無需額外電驅備用機組,減少整體系統設備投資。

6)與余熱發電系統相比,減少了并網系統投資和復雜性,直接驅動簡單易行。

7)螺桿膨脹機特別適用于熱源較小且分散的余熱回收應用,在化工廠中具有很強的實用性[2]。

汽電雙驅系統的工作方式如下,部件名稱參見圖6。

①設備待機時,蒸汽進入原蒸汽管道10,通過減壓閥6減壓后進入后續工藝使用[4]。

②設備啟動時,打開速斷閥7,蒸汽進入膨脹機進氣管道11,逐漸打開調節閥8的開度,蒸汽開始沖轉螺桿膨脹機1,并通過膨脹機排氣管道12進入后續工藝中。膨脹機1沖轉帶動減速箱2輸出轉速,當轉速低于異步電動機4的轉速時,超越離合器3處于分離狀態,旋轉輔機5全部由異步電動機4進行驅動。當調節閥8的開度繼續增大,使得減速機2的輸出轉速等于異步電動機4轉速時,超越離合器3處于結合狀態,旋轉輔機5開始由螺桿膨脹機1和異步電動機4共同驅動,隨著進汽量繼續增大,螺桿膨脹機所承擔的負荷比例持續增加直到完全承擔旋轉輔機5所需的驅動力。當系統的轉速超過異步電動機4的同步轉速時,異步電動機4將作為發電機對外輸出電能[4]。

③設備停機時,則是逐漸減小調節閥8的開度,使膨脹機1的轉速低于異步電動機4的轉速,則超越離合器3將分離,旋轉輔機5全部采用電拖動,當轉速足夠低時關閉速斷閥7,則膨脹機1正常停機[4]。

4 總結

采用螺桿膨脹機的汽電雙驅技術特別適用于各類化工廠余熱源類型豐富,點多面廣,量少分散的特點。利用余熱源的熱能,經過螺桿膨脹機旋轉膨脹過程轉化為機械能做功,以汽代電來驅動風機、水泵等設備運轉。在此過程中不需要額外投資發電系統,也不需要投資電驅動的備用的機組。從機械能到機械能直接傳遞利用,無需從機械能到電能再到機械能的二次能量轉化,能源的利用率比采用余熱發電再用電機驅動的系統高出約8%。因此整體汽電雙驅系統占地小、布置靈活、投資較少,投資回收期短,使用壽命長。在化工廠各類余熱回收的應用場合中具有很好的應用前景[2]。