基于螺杆动力机组的供热蒸汽能量梯级利用系统-顾煜炯

节能减排节能减排低碳经济低碳经济绿色能源顾煜炯教授/博士生导师华北电力大学/国家火力发电工程技术中心环境污染全球变暖随着“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。表：2020-2024年中国节能减碳，能量梯级利用相关政策支持时间政策相关主要内容2024年05月《2024—2025年节能降碳行动方案》严格合理控制煤炭消费。加强煤炭清洁高效利用，推动煤电低碳化改造和建设，推进煤电节能降碳改造、灵活性改造、供热改造“三改联动”。严格实施大气污染防治重点区域煤炭消费总量控制，重点削减非电力用煤，持续推进燃煤锅炉关停整合、工业窑炉清洁能源替代和散煤治理。2023年04月《2023年能源工作指导意见》坚持创新驱动提升产业现代化水平。深入实施创新驱动发展战略，补强能源产业链薄弱环节，狠抓绿色低碳技术攻关，加快能源产业数字化智能化升级，提高能源产业链安全保障能力，增强能源产业竞争新优势。2023年02月《关于统筹节能降碳和回收利用加快重点领域产品设备更新改造的指导意见》旨在加快节能降碳先进技术研发和推广应用，推进各类资源节约集约利用。提出到2025年，进一步提升高效节能产品设备市场占有率等主要目标。从加快重点领域产品设备节能降碳更新改造等四方面，提出以节能降碳为导向聚焦重点领域产品设备、推动再生资源高水平循环利用等14项主要任务。2022年08月《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022—2030年）》能源绿色低碳转型科技支撑行动。立足以煤为主的资源禀赋，抓好煤炭清洁高效利用，增加新能源消纳能力，推动煤炭和新能源优化组合，保障国家能源安全并降低碳排放；低碳零碳技术示范行动。形成一批可复制可推广的先进技术引领的节能减碳技术综合解决方案，并开展一批典型低碳技术应用示范，促进低碳技术成果转移转化。2021年10月《2030年前碳达峰行动方案》实施节能降碳重点工程，推动电力、钢铁、有色金属、建材、石化化工等行业开展节能降碳改造，推动能源系统优化和梯级利用，提升能源资源利用效率；推进煤炭消费替代和转型升级，加快现役机组节能升级和灵活性改造，积极推进供热改造；推动园区企业循环式生产、产业循环式组合，组织企业实施清洁生产改造，促进能量梯级利用、推进工业余压余热利用。2020年11月《国家工业节能技术装备推荐目录（2020）》目录包括流程工业节能改造、余热余压节能改造等5大类59项工业节能技术。涉及的余热发电技术包括新型水泥熟料冷却技术及装备等。亟需一种高效可靠灵活的技术实现能量的梯级利用， 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，一个供热季可回收蒸汽能量工业供热领域：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-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蒸汽能量稠油开采领域：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。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。EquipmentEquipment设备比选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。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。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。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。轴流式汽轮机适用条件：大流量、较大膨胀比、流量和进排汽参数较为稳定的场合。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螺杆机向心透平汽轮机优点■适合中低温余压余热利用■变工况效率高流做功■设计工况下效率较高■可进行较高参数工质运行■适合高参数大流量■单机功率较大■设计工况下效率高缺点■常规设备不适合大流量,高参数工质运行■单机设备膨胀比较小运行■转速较大易产生振动问题■变工况效率低■无法进行两相流工作■无法进行两相流工作■变工况运行效率低■体积及占地面积大■运维成本高■大修频率高新型螺杆机技术优势列表新型螺杆机技术优势列表新型螺杆机传统螺杆机传统压缩机最高压力最高温度200~300℃尺寸规格Φ=1000mmΦ=600mm法大型化效率70%~80%40%~60%适应性强制输气、多相混合强制输气、多相混合单相气体可靠性可平稳高速运行可平稳高速运行运行振动较大操作维护可无人值守不可无人值守不可无人值守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），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排汽膨胀排汽 模块化机组结构设计模块化机组结构设计螺杆机装配示意图NT6000通讯示意图典型应用案例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。项目值发电功率6000KW年发电小时数年发电量3000万kWh上网电价0.35元/kWh年发电收益项目总投资2500万元项目静态回报期典型应用案例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。项目值发电功率年发电小时数8000h年发电量上网电价0.4元/kWh年发电收益项目总投资项目静态回报期典型应用案例3项目:某热电厂耦合储能的工业供热蒸汽梯级利用项目简介:该机组为背压供热机组，排汽压力高达1MPa.a，在实际运行中通过节流降压，使蒸汽压力降低后再进入生水加热器换热，节流降压造成大量的做功潜能损失。电厂低压供热负荷日波动较大，当用户侧低压供汽总需求量低于160t/h时，为维持中压抽汽压力在2.4MPa.a-2.8MPa.a范围内需投入锅炉新蒸汽经过减温减压后去中压供热，造成大量㶲能的损失。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