根據(jù)飽和蒸汽膨脹做功特點(diǎn)，分別介紹了單級(jí)汽輪機(jī)、多級(jí)除濕汽輪機(jī)、機(jī)內(nèi)再熱除濕汽輪機(jī)及螺桿膨脹機(jī)等四種適于飽和蒸汽余熱發(fā)電的技術(shù)，并通過(guò)實(shí)際工程表明，此類(lèi)技術(shù)可靠，節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益可觀，適合于在鋼鐵、化工及玻璃等存在大量飽和蒸汽余熱資源的行業(yè)中廣泛應(yīng)用。
1、前言
隨著近15年節(jié)能工作的大力開(kāi)展，利用水泥，鋼鐵及其他工業(yè)余熱的過(guò)熱蒸汽發(fā)電技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，但如鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，在轉(zhuǎn)爐、加熱爐等汽化冷卻裝置內(nèi)產(chǎn)生的大量低溫低壓飽和蒸汽，除少量自用外，大部分對(duì)空排放，造成了極大的能源浪費(fèi)，因此，近幾年，部分鋼鐵企業(yè)開(kāi)始采用低壓飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)回收生產(chǎn)過(guò)程中的大量低溫余熱，取得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益。
2、飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)
相比技術(shù)成熟的過(guò)熱蒸汽發(fā)電技術(shù)，飽和蒸汽在膨脹做功后，蒸汽濕度增加，若采用常規(guī)汽輪機(jī)，則會(huì)導(dǎo)致液擊現(xiàn)象的發(fā)生，影響汽輪機(jī)效率、縮短葉片使用壽命，為解決上述問(wèn)題，必須采用新型膨脹機(jī)以滿足飽和蒸汽的發(fā)電要求。
2.1單級(jí)汽輪機(jī)技術(shù)
德國(guó)設(shè)計(jì)的KKK汽輪機(jī)組，全部采用單級(jí)懸臂式結(jié)構(gòu)，膨脹葉輪直接安裝于齒輪箱一端輸入軸，由于葉輪可自由膨脹，所以從冷態(tài)啟動(dòng)至全負(fù)荷運(yùn)行，只需要10 min的暖機(jī)預(yù)熱過(guò)程，而短期停機(jī)后的重新啟動(dòng)過(guò)程，也可在10 s內(nèi)完成。同時(shí)由于采用單級(jí)葉輪設(shè)計(jì)，飽和蒸汽膨脹做功后產(chǎn)生的凝結(jié)水直接通過(guò)回收裝置排出汽輪機(jī)，不存在對(duì)后級(jí)葉片的液擊問(wèn)題。KKK機(jī)組的較強(qiáng)適應(yīng)性，不僅適用于過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽，甚至適用于任何氣體、任何有余壓(壓力≥0.2MPa即可)可利用的場(chǎng)合。如天然氣、煤氣減壓站、高爐爐頂煤氣能量回收(TRT)等。
2.2 多級(jí)除濕汽輪機(jī)技術(shù)
杭州中能汽輪機(jī)動(dòng)力有限公司為撫順新鋼鐵制造的BN5.5-0.5飽和凝汽式汽輪機(jī)，額定功率5.5MW，進(jìn)汽壓力為0.5MPa飽和蒸汽。該汽輪機(jī)采用了以下針對(duì)飽和蒸汽的特有設(shè)計(jì)：
1.進(jìn)汽、補(bǔ)汽口前增設(shè)旋流式蒸汽過(guò)濾網(wǎng)汽水分離器。
2.通流部分各壓力級(jí)前設(shè)置疏水槽溝，末三級(jí)隔板設(shè)置除濕疏水環(huán)形槽。
3.末一、二級(jí)葉片等進(jìn)汽邊硬化處理。
2.3 機(jī)內(nèi)再熱除濕汽輪機(jī)技術(shù)
機(jī)內(nèi)再熱除濕多級(jí)沖動(dòng)式汽輪機(jī)，是由廣州能源研究所開(kāi)發(fā)的一種新型飽和蒸汽發(fā)電設(shè)備，原理為在汽輪機(jī)汽缸內(nèi)的其中一相鄰級(jí)或若干相鄰級(jí)的級(jí)間設(shè)置蒸汽再熱器，由該汽輪機(jī)的主汽門(mén)后的主蒸汽管上引出一股新蒸汽通入蒸汽再熱器中，用于加熱汽輪機(jī)中膨脹到一定程度的濕飽和蒸汽，降低其濕度，以保護(hù)汽輪機(jī)不受水蝕損害。該汽輪機(jī)可以廣泛適用于飽和或過(guò)熱度較低的蒸汽，在保持較高汽輪機(jī)效率的情況下有效避免了葉片的水蝕問(wèn)題。
2.4 螺桿膨脹機(jī)技術(shù)
螺桿膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)是由一對(duì)陰陽(yáng)螺桿轉(zhuǎn)子、機(jī)殼體、進(jìn)汽端座、后端座、阻流式軸封、支持軸承和止推軸承組成的，工作原理是壓力較高的流體進(jìn)入螺桿齒槽，推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽容積增加，流體降壓膨脹做功，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。螺桿膨脹機(jī)既可以用于發(fā)電，也可以用于驅(qū)動(dòng)泵、壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等，其特點(diǎn)如下：
(1)適用熱源廣泛：同時(shí)適合過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物、熱水、易結(jié)垢污染熱源、石化熱工質(zhì)等：
(2)熱源參數(shù)波動(dòng)：允許熱源的壓力、流量、溫度有較大波動(dòng)，機(jī)組能夠安全平穩(wěn)的運(yùn)行;
(3)操作簡(jiǎn)單：機(jī)組運(yùn)行可以不暖機(jī)車(chē)、不盤(pán)車(chē)、不飛車(chē)：長(zhǎng)期無(wú)大修、維修簡(jiǎn)單;設(shè)備不易損壞，可手動(dòng)和自動(dòng)操作，事故率低;
(4)安裝投運(yùn)方便：機(jī)組占地小，基礎(chǔ)簡(jiǎn)單、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，可以整機(jī)快裝、移動(dòng)，通用性強(qiáng)。
3 飽和蒸汽發(fā)電工程應(yīng)用實(shí)例
3.1 單級(jí)汽輪機(jī)飽和蒸汽余熱發(fā)電工程
金隆銅業(yè)有限公司原有余熱發(fā)電系統(tǒng)采用過(guò)熱蒸汽，背壓蒸汽減溫減壓后供0.6MPa蒸汽管網(wǎng)，多余放空，另用燃煤鍋爐生產(chǎn)1.6MPa蒸汽供生產(chǎn)用，生產(chǎn)過(guò)程余熱未得到充分利用。系統(tǒng)改造后采用KKK單級(jí)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組發(fā)電，由一臺(tái)閃速爐與三臺(tái)轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽(3.8MPa)一部分用于余熱發(fā)電，另一部分減壓后供1.6MPa蒸汽管網(wǎng)，汽輪機(jī)背壓排汽供0.6MPa蒸汽管網(wǎng)。該系統(tǒng)自2001年投運(yùn)后，運(yùn)行穩(wěn)定，約14個(gè)月即收回投資。至2004年底累計(jì)發(fā)電近3×107kW?h，為企業(yè)創(chuàng)造效益約1350萬(wàn)，隨著企業(yè)2005年進(jìn)一步擴(kuò)產(chǎn)改造的完成，飽和蒸汽余熱發(fā)電項(xiàng)目每年獲得500～600萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。
北方銅業(yè)股份有限公司候馬冶煉廠，針對(duì)熔煉爐與吹煉爐生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的飽和蒸汽，采用德國(guó)DRESSER-RAND公司的單級(jí)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)進(jìn)口飽和蒸汽流量l5-34t/h、壓力3.8MPa、溫度250℃，出口蒸汽壓力0.4MPa、溫度150℃，經(jīng)72h現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，在進(jìn)口蒸汽流量20.8t/h下發(fā)電量為987kW。系統(tǒng)運(yùn)行三年，年均發(fā)電量691.2MW?h，年均經(jīng)濟(jì)效益297萬(wàn)元。
3.2 多級(jí)除濕汽輪機(jī)飽和蒸汽余熱發(fā)電工程
撫順新鋼鐵針對(duì)鋼廠低壓蒸汽管網(wǎng)飽和蒸汽(0.5MPa)，采用杭州中能汽輪機(jī)動(dòng)力有限公司生產(chǎn)的1臺(tái)5.5MW飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組，工程于2007年投產(chǎn)，至今運(yùn)行穩(wěn)定，年均發(fā)電量2.78萬(wàn)MW?h。
首鋼遷安鋼鐵廠針對(duì)燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐汽化冷卻裝置及熱軋加熱爐汽化冷卻裝置生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的飽和蒸汽，采用杭州中能汽輪機(jī)動(dòng)力有限公司生產(chǎn)的2臺(tái)6.5MW飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)進(jìn)口飽和蒸汽流量45t/h、壓力1.2MPa、溫度190℃，出口蒸汽壓力0.01MPa，系統(tǒng)年發(fā)電量4.55萬(wàn)MW?h，年均經(jīng)濟(jì)效益2000萬(wàn)元。
3.3 機(jī)內(nèi)再熱除濕汽輪機(jī)飽和蒸汽余熱發(fā)電工程
東嶺鋅品廠針對(duì)冶煉鋅的過(guò)程中汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的飽和蒸汽，采用中科院廣能所開(kāi)發(fā)的13MW機(jī)內(nèi)再熱除濕汽輪機(jī)飽和蒸汽余熱發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)進(jìn)口飽和蒸汽流量65t/h、壓力2.6MPa、溫度224℃，出口蒸汽壓力0.35MPa，系統(tǒng)年發(fā)電量4230萬(wàn)kW?h，年均獲得1800萬(wàn)元的經(jīng)濟(jì)效益。
新余鋼鐵公司針對(duì)轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的飽和蒸汽，采用中科院廣能所開(kāi)發(fā)的6MW機(jī)內(nèi)再熱除濕汽輪機(jī)飽和蒸汽余熱發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)進(jìn)口飽和蒸汽流量40t/h、壓力1.3MPa、溫度190℃，系統(tǒng)年發(fā)電量4300萬(wàn)kW?h，年均經(jīng)濟(jì)效益2000萬(wàn)元。
3.4螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽余熱發(fā)電工程
由于螺桿膨脹機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)、加工完全不同于傳統(tǒng)汽輪機(jī)，因此，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)工業(yè)用成型產(chǎn)品，但通過(guò)已有實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算表明，螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)具有良好的發(fā)電性能與經(jīng)濟(jì)效益。
1996年由中國(guó)輕工總會(huì)主持的科研專(zhuān)項(xiàng) 《工業(yè)鍋爐飽和蒸汽驅(qū)動(dòng)螺桿動(dòng)力機(jī)背壓供汽發(fā)電系統(tǒng)中試》的實(shí)驗(yàn)表明：飽和蒸汽進(jìn)汽流量6.6t/h，進(jìn)汽壓力0.9MPa，排汽壓力0.4MPa時(shí)，發(fā)電功率120kW;飽和蒸汽進(jìn)汽流量8.23t/h，進(jìn)汽壓力1.3MPa，排汽壓力0.5MPa時(shí)，發(fā)電功率200kW，通過(guò)工況分析與能耗計(jì)算表明系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)國(guó)家的節(jié)能指標(biāo)，為企業(yè)獲得節(jié)能效益與經(jīng)濟(jì)效益。
以生產(chǎn)能力300t/d的浮法玻璃熔窯為例，采用螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽余熱發(fā)電機(jī)組，飽和蒸汽進(jìn)汽流量16t/h，進(jìn)汽壓力1.3MPa，排汽壓力0.5MPa，發(fā)電功率400kW，年發(fā)電量244.8萬(wàn)kW?h，年經(jīng)濟(jì)效益155萬(wàn)元。
4、結(jié)論
綜上所述，飽和蒸汽余熱發(fā)電技術(shù)可靠，節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟(jì)效益可觀，適合于在鋼鐵、化工及玻璃等存在大量飽和蒸汽余熱資源的行業(yè)中廣泛應(yīng)用。
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