基于螺杆动力机组的供热蒸汽能量梯级利用系统
顾煜炯教授/博士生导师华北电力大学/国家火力发电工程技术中心 n碳达峰碳中和——2060行动计划 随着“碳中和，碳达峰”以及“煤电三改”的推进，国家政策大力倡导节能减排，开发能量梯级利用技术，分别从费用减免、市场应用等方面推动。 亟需一种高效可靠灵活的技术实现能量的梯级利用，提高能源利用率，助力“双碳战略”。 技术路线介绍 基于螺杆动力机组的能量梯级利用系统以新型双螺杆机为技术核心，面向蒸汽，天然气，烟气等场景提出差异化方案，减少工业生产过程中能量等级品位不匹配的浪费，达到“温度对口，梯级利用”的原则。 系统层次：针对居民采暖，中压供热，天然气减压站等供给侧能源品味高于需求侧能源品味的情况，采用螺杆膨胀机进行能量的梯级利用，提高系统的能量利用效率和经济性；而高参数工业供热，稠油开采等供给侧能源品味低于需求侧能源品味的情况，通过螺杆压缩机提升工质品味，以灵活满足生产需求。 设备层次：研发新型螺杆机实现高参数，大流量情况下能源的高效梯级利用，以达到对余压余热的合理利用；并将机组能效分析、故障诊断和寿命管理有机融合，推动螺杆机向智能化发展。 本系统可广泛应用于工业供热，居民采暖供热，天然气管网，石油开采等领域，具有极佳的经济效益和社会效益，助力“双碳”的目标。 技术路线介绍 居民采暖领域：当前热电联产机组从中压缸打孔抽汽，经过“节流降压，喷水减温”然后加热热网给水，供热抽汽大约为0.3MPa-0.6MPa，温度180℃-220℃，而理想最佳的采暖蒸汽品味仅为0.15MPa，120℃，存在至少113kJ/kg能量的不合理利用。较高品味的采暖抽汽通过螺杆膨胀机做功发电，将高品味的能量先转化为电能然后加热给水，以利用100t/h的采暖蒸汽为例，一个供热季可回收800万度电。 工业供热领域：工业供热抽汽从热电联产机组再热冷段抽取，供热抽汽大约为2.8MPa-3.2MPa，温度320℃-340℃，而工业热用户需求品味仅为0.8-1.2MPa，240-260℃，存在至少137kJ/kg能量的不合理利用。高品味的冷再抽汽通过螺杆膨胀机做功发电，将高品味的能量先转化为电能然后供给热用户，以利用50t/h的工业蒸汽为例，一年可回收1500万度电。 稠油开采领域：稠油开采需求15MPa以上的高压蒸汽，当前采用国外进口的高参数燃气锅炉，通过燃烧天然气加热产生高品味的蒸汽，存在变工况效果差，用气成本高，设备维护费用贵，设备零部件供应困难等问题。可采用高参数螺杆压缩机耦合高压电极锅炉的方式，高压电极锅炉产生低参数的饱和蒸汽，通过串联布置的螺杆压缩机进行梯级提质满足生产需求。 技术路线介绍 管网减压站：当前天然气减压站入口为7.0MPa-10.0MPa的高压天然气，而下游用户侧仅需4.8-5.5MPa的中压天然气，简单的节流降压不符合能量梯级利用的原则，存在至少35kJ/kg能量的不合理利用。高品味的入口天然气通过螺杆膨胀机做功发电，将高品味压力能转化为电能，并且回收出口天然气的冷能，可实现冷电联产，以利用30万标方每小时的高压天然气为例，一年可回收1580万度电。 天然气能量梯级利用 燃机调压站：燃气轮机管网入口天然气压力为4.8-5.5MPa，而进入燃机的天然气仅需3.2-3.4MPa，这中间存在至少28kJ/kg的能量不合理利用。将较高参数的天然气通过螺杆膨胀机进行做功发电，通过电厂循环冷却水回收出口天然气的冷能，不仅可以降低机组的厂用电率，获取容量电收益还可以改善机组凝汽器的工况。以利用20万标方每小时的中压天然气，每年运行小时数2000小时为例，一年可回收300万度电。 设备比选 l动力机的选择原则 Ø可靠性高 配置动力机械后不得降低全厂系统的可靠性；动力机械能够在设计工况和各种可能出现的工况下安全可靠运行。Ø具有较高的效率 动力机械在设计工况运行时具有较高的效率； 变工况运行时效率不会发生大幅度下降。Ø综合成本较低 初投资与运行维护累计综合成本较低，投资收益率较高。 l可供选择的动力机 Ø螺杆膨胀机 适用条件：小流量、低膨胀比、进排汽参数波动较大的场合，变工况性能好；运行稳定性，可靠性高；运维压力低，可无人值守。 适用条件：大流量、较大膨胀比、流量和进排汽参数较为稳定的场合。Ø向心透平 适用条件：小流量、高压力、流量和进排汽参数较为稳定的场合；运行稳定性差，可靠性低。 传统能量梯级利用设备分析 新型螺杆机技术优势列表 螺杆膨胀机是一种容积式动力机，通过阴阳螺杆反向旋转啮合形成容积不断增大的汽室，高压天然气通过螺杆机时比容不断增大、膨胀，将压力能转化为机械能。做功过程由吸汽、膨胀和排汽三个热力过程组成。螺杆压缩机则为螺杆膨胀机的逆过程。 Ø吸汽过程2-3：工质从进汽管中流入齿间容积（见图中阴影部分），吸汽结束时，齿间容积就形成了一个由转子和机壳共同围成的密闭空间；Ø膨胀过程3-5：容积中的高压工质在齿间容积中膨胀并对转子施加一个 转矩，推动螺杆转动。随着螺杆转动，齿槽旋转到3-4-5逐渐加长、容积增大，压力和温度下降。当汽体移到位置5时，膨胀过程结束，这时螺杆齿间容积达到最大；Ø排汽过程5-6：随着转子的不断旋转，工质通过与齿间容积接通的排汽口排出，完成一个完整的膨胀过程。随着膨胀过程的进行，汽体的压力、温度和焓值下降，比容和熵值增加，汽体的压力能转化为机械能对外做功。 密封支撑方案改良 螺杆转子型线优化设计 智能状态监测系统 模块化机组结构设计 Case 典型应用案例1 项目:某热电厂供热抽汽高效梯级利用工程 简介:本项目利用供热蒸汽的压损，在2#汽轮机5段抽汽处增设2台SEPG1000螺杆膨胀机，对供热蒸汽的压损进行做功利用，直接带动2台YFKS630-2异步发电机发电，从而达到能量梯级利用、节能降耗的目的。 典型应用案例2 项目:某发电厂基于膨胀动力机械的工业供热蒸汽梯级利用项目简介:发电厂参数：抽汽流量：50t/h，压力：4MPa，温度：530℃，对外供汽压力：1.6MPa，温度：280℃。供汽参数与用户需求参数不匹配，存在高品质能源浪费严重的问题。采用1台1800KW动力机械和异步发电机进行供热蒸汽压差回收利用。 典型应用案例3 项目:某热电厂耦合储能的工业供热蒸汽梯级利用项目 技术路线：提出了耦合储能的工业供热蒸汽梯级利用方案，在低压供热负荷较低时，通过多抽蒸汽先进入螺杆膨胀机组梯级利用后再加热生水储存在热水储热罐中，从而确保中压供热能正常投运。在低压供热高负荷时将储热罐中的生水排出，减少生水加热器所需抽汽，从而提高机组供热能力。 END！ 敬请专家批评指正！
