基于螺桿動(dòng)力機(jī)組的供熱蒸汽能量梯級(jí)利用系統(tǒng)-顧煜炯

節(jié)能減排節(jié)能減排低碳經(jīng)濟(jì)低碳經(jīng)濟(jì)綠色能源顧煜炯教授/博士生導(dǎo)師華北電力大學(xué)/國家火力發(fā)電工程技術(shù)中心環(huán)境污染全球變暖隨著“碳中和，碳達(dá)峰”以及“煤電三改”的推進(jìn)，國家政策大力倡導(dǎo)節(jié)能減排，開發(fā)能量梯級(jí)利用技術(shù)，分別從費(fèi)用減免、市場(chǎng)應(yīng)用等方面推動(dòng)。表：2020-2024年中國節(jié)能減碳，能量梯級(jí)利用相關(guān)政策支持時(shí)間政策相關(guān)主要內(nèi)容2024年05月《2024—2025年節(jié)能降碳行動(dòng)方案》嚴(yán)格合理控制煤炭消費(fèi)。加強(qiáng)煤炭清潔高效利用，推動(dòng)煤電低碳化改造和建設(shè)，推進(jìn)煤電節(jié)能降碳改造、靈活性改造、供熱改造“三改聯(lián)動(dòng)”。嚴(yán)格實(shí)施大氣污染防治重點(diǎn)區(qū)域煤炭消費(fèi)總量控制，重點(diǎn)削減非電力用煤，持續(xù)推進(jìn)燃煤鍋爐關(guān)停整合、工業(yè)窯爐清潔能源替代和散煤治理。2023年04月《2023年能源工作指導(dǎo)意見》堅(jiān)持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)提升產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化水平。深入實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略，補(bǔ)強(qiáng)能源產(chǎn)業(yè)鏈薄弱環(huán)節(jié)，狠抓綠色低碳技術(shù)攻關(guān)，加快能源產(chǎn)業(yè)數(shù)字化智能化升級(jí)，提高能源產(chǎn)業(yè)鏈安全保障能力，增強(qiáng)能源產(chǎn)業(yè)競爭新優(yōu)勢(shì)。2023年02月《關(guān)于統(tǒng)籌節(jié)能降碳和回收利用加快重點(diǎn)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)備更新改造的指導(dǎo)意見》旨在加快節(jié)能降碳先進(jìn)技術(shù)研發(fā)和推廣應(yīng)用，推進(jìn)各類資源節(jié)約集約利用。提出到2025年，進(jìn)一步提升高效節(jié)能產(chǎn)品設(shè)備市場(chǎng)占有率等主要目標(biāo)。從加快重點(diǎn)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)備節(jié)能降碳更新改造等四方面，提出以節(jié)能降碳為導(dǎo)向聚焦重點(diǎn)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)備、推動(dòng)再生資源高水平循環(huán)利用等14項(xiàng)主要任務(wù)。2022年08月《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030年）》能源綠色低碳轉(zhuǎn)型科技支撐行動(dòng)。立足以煤為主的資源稟賦，抓好煤炭清潔高效利用，增加新能源消納能力，推動(dòng)煤炭和新能源優(yōu)化組合，保障國家能源安全并降低碳排放；低碳零碳技術(shù)示范行動(dòng)。形成一批可復(fù)制可推廣的先進(jìn)技術(shù)引領(lǐng)的節(jié)能減碳技術(shù)綜合解決方案，并開展一批典型低碳技術(shù)應(yīng)用示范，促進(jìn)低碳技術(shù)成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。2021年10月《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》實(shí)施節(jié)能降碳重點(diǎn)工程，推動(dòng)電力、鋼鐵、有色金屬、建材、石化化工等行業(yè)開展節(jié)能降碳改造，推動(dòng)能源系統(tǒng)優(yōu)化和梯級(jí)利用，提升能源資源利用效率；推進(jìn)煤炭消費(fèi)替代和轉(zhuǎn)型升級(jí)，加快現(xiàn)役機(jī)組節(jié)能升級(jí)和靈活性改造，積極推進(jìn)供熱改造；推動(dòng)園區(qū)企業(yè)循環(huán)式生產(chǎn)、產(chǎn)業(yè)循環(huán)式組合，組織企業(yè)實(shí)施清潔生產(chǎn)改造，促進(jìn)能量梯級(jí)利用、推進(jìn)工業(yè)余壓余熱利用。2020年11月《國家工業(yè)節(jié)能技術(shù)裝備推薦目錄（2020）》目錄包括流程工業(yè)節(jié)能改造、余熱余壓節(jié)能改造等5大類59項(xiàng)工業(yè)節(jié)能技術(shù)。涉及的余熱發(fā)電技術(shù)包括新型水泥熟料冷卻技術(shù)及裝備等。亟需一種高效可靠靈活的技術(shù)實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用， 煙氣等場(chǎng)景提出差異化方案，減少工業(yè)生產(chǎn)過程中能量等級(jí)品位不匹配的浪費(fèi)，達(dá)到“溫系統(tǒng)層次：針對(duì)居民采暖，中壓供熱，天然氣減壓站等供給側(cè)能源品味高于需求側(cè)能而高參數(shù)工業(yè)供熱，稠油開采等供給側(cè)能源品味低于需求側(cè)能源品味的情況，通過螺桿壓設(shè)備層次：研發(fā)新型螺桿機(jī)實(shí)現(xiàn)高參數(shù)，大流量情況下能源的高效梯級(jí)利用，以達(dá)到對(duì)余壓余熱的合理利用；并將機(jī)組能效分析、故障診斷和壽命管理有機(jī)融合，推動(dòng)螺桿機(jī)本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)供熱，居民采暖供熱，天然氣管網(wǎng)，石油開采等領(lǐng)域，具有居民采暖領(lǐng)域：當(dāng)前熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組從中壓缸打孔抽汽，經(jīng)過“節(jié)流降壓，噴水減溫”然暖抽汽通過螺桿膨脹機(jī)做功發(fā)電，將高品味的能量先轉(zhuǎn)化為電能然后加熱給水，以利用100t/h的采暖蒸汽為例，一個(gè)供熱季可回收蒸汽能量工業(yè)供熱領(lǐng)域：工業(yè)供熱抽汽從熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組再熱冷段抽取，供熱抽汽大約為2.8MPa-至少137kJ/kg能量的不合理利用。高品味的冷再抽汽通過螺桿膨脹機(jī)做功發(fā)電，將高品味的能量先轉(zhuǎn)化為電能然后供給熱用戶，以利用50t/h的工業(yè)蒸汽為例，一年可回收1500蒸汽能量稠油開采領(lǐng)域：稠油開采需求15MPa以上的高壓蒸汽，當(dāng)前采用國外進(jìn)口的高參數(shù)燃?xì)忮仩t，通過燃燒天然氣加熱產(chǎn)生高品味的蒸汽，存在變工況效果差，用氣成本高，設(shè)備維護(hù)費(fèi)用貴，設(shè)備零部件供應(yīng)困難等問題?？刹捎酶邊?shù)螺桿壓縮機(jī)耦合高壓電極鍋爐的方式，高壓電極鍋爐產(chǎn)生低參數(shù)的飽和蒸汽，通過串聯(lián)布置的螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行梯級(jí)提管網(wǎng)減壓站：當(dāng)前天然氣減壓站入口為7.0MPa-10.0MPa的高壓天然氣，而下游用戶側(cè)僅需4.8-5.5MPa的中壓天然氣，簡單的節(jié)流降壓不符合能量梯級(jí)利用的原則，存在至少35kJ/kg能量的不合理利用。高品味的入口天然氣通過螺桿膨脹機(jī)做功發(fā)電，將高品味壓力能轉(zhuǎn)化為電能，并且回收出口天然氣的冷能，可實(shí)現(xiàn)冷電聯(lián)產(chǎn)，以利用30萬標(biāo)方每小時(shí)的高壓天然氣為例，一年可回收1580萬度電。燃機(jī)調(diào)壓站：燃?xì)廨啓C(jī)管網(wǎng)入口天然氣壓力為4.8-5.5MPa，而進(jìn)入燃機(jī)的天然氣僅需3.2-3.4MPa，這中間存在至少28kJ/kg的能量不合理利用。將較高參數(shù)的天然氣通過螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行做功發(fā)電，通過電廠循環(huán)冷卻水回收出口天然氣的冷能，不僅可以降低機(jī)組的廠用電率，獲取容量電收益還可以改善機(jī)組凝汽器的工況。以利用20萬標(biāo)方每小時(shí)的中壓天然氣，每年運(yùn)行小時(shí)數(shù)2000小時(shí)為例，一年可回收300萬度電。EquipmentEquipment設(shè)備比選可靠性高配置動(dòng)力機(jī)械后不得降低全廠系統(tǒng)的可靠性；動(dòng)力機(jī)械能夠在設(shè)計(jì)工況和各種可能出現(xiàn)的工況下安全可靠運(yùn)行。具有較高的效率動(dòng)力機(jī)械在設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)具有較高的效率；變工況運(yùn)行時(shí)效率不會(huì)發(fā)生大幅度下降。綜合成本較低初投資與運(yùn)行維護(hù)累計(jì)綜合成本較低，投資收益率較高。螺桿膨脹機(jī)適用條件：小流量、低膨脹比、進(jìn)排汽參數(shù)波動(dòng)較大的場(chǎng)合，變工況性能好；運(yùn)行穩(wěn)定性，可靠性高；運(yùn)維壓力低，可無人值守。軸流式汽輪機(jī)適用條件：大流量、較大膨脹比、流量和進(jìn)排汽參數(shù)較為穩(wěn)定的場(chǎng)合。適用條件：小流量、高壓力、流量和進(jìn)排汽參數(shù)較為穩(wěn)定的場(chǎng)合；運(yùn)行穩(wěn)定性差，可靠性低。傳統(tǒng)能量梯級(jí)利用設(shè)備分析螺桿機(jī)向心透平汽輪機(jī)優(yōu)點(diǎn)■適合中低溫余壓余熱利用■變工況效率高流做功■設(shè)計(jì)工況下效率較高■可進(jìn)行較高參數(shù)工質(zhì)運(yùn)行■適合高參數(shù)大流量■單機(jī)功率較大■設(shè)計(jì)工況下效率高缺點(diǎn)■常規(guī)設(shè)備不適合大流量,高參數(shù)工質(zhì)運(yùn)行■單機(jī)設(shè)備膨脹比較小運(yùn)行■轉(zhuǎn)速較大易產(chǎn)生振動(dòng)問題■變工況效率低■無法進(jìn)行兩相流工作■無法進(jìn)行兩相流工作■變工況運(yùn)行效率低■體積及占地面積大■運(yùn)維成本高■大修頻率高新型螺桿機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)列表新型螺桿機(jī)技術(shù)優(yōu)勢(shì)列表新型螺桿機(jī)傳統(tǒng)螺桿機(jī)傳統(tǒng)壓縮機(jī)最高壓力最高溫度200~300℃尺寸規(guī)格Φ=1000mmΦ=600mm法大型化效率70%~80%40%~60%適應(yīng)性強(qiáng)制輸氣、多相混合強(qiáng)制輸氣、多相混合單相氣體可靠性可平穩(wěn)高速運(yùn)行可平穩(wěn)高速運(yùn)行運(yùn)行振動(dòng)較大操作維護(hù)可無人值守不可無人值守不可無人值守螺桿膨脹機(jī)是一種容積式動(dòng)力機(jī)，通過陰陽螺桿反向旋轉(zhuǎn)嚙合形成容積不斷增大的汽室，高壓天然氣通過螺桿機(jī)時(shí)比容不斷增大、膨脹，將壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。做功過程由吸汽、膨脹和排汽三個(gè)熱力過程組成。螺），膨脹過程3-5：容積中的高壓工質(zhì)在齒間容積中膨脹并對(duì)轉(zhuǎn)子施加一個(gè)轉(zhuǎn)矩，推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽旋轉(zhuǎn)到3-4-5逐漸加長、容積增大，壓力和溫度下降。當(dāng)汽體移到位置5時(shí)，膨脹過程結(jié)束，這時(shí)排汽過程5-6：隨著轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，工質(zhì)通過與齒間容積接通的排汽口排出，完成一個(gè)完整的膨脹過程。隨著膨脹過程的進(jìn)行，汽體的壓力、溫度和焓值下降，比容和熵值增加，汽體的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能排汽膨脹排汽 模塊化機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊化機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺桿機(jī)裝配示意圖NT6000通訊示意圖典型應(yīng)用案例1項(xiàng)目:某熱電廠供熱抽汽高效梯級(jí)利用工程簡介:本項(xiàng)目利用供熱蒸汽的壓損，在2#汽輪機(jī)5段抽汽處增設(shè)2臺(tái)SEPG1000螺桿膨脹機(jī)，對(duì)供熱蒸汽的壓損進(jìn)行做功利用，直接帶動(dòng)2臺(tái)YFKS630-2異步發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而達(dá)到能量梯級(jí)利用、節(jié)能降耗的目的。項(xiàng)目值發(fā)電功率6000KW年發(fā)電小時(shí)數(shù)年發(fā)電量3000萬kWh上網(wǎng)電價(jià)0.35元/kWh年發(fā)電收益項(xiàng)目總投資2500萬元項(xiàng)目靜態(tài)回報(bào)期典型應(yīng)用案例2項(xiàng)目:某發(fā)電廠基于膨脹動(dòng)力機(jī)械的工業(yè)供熱蒸汽梯級(jí)利用項(xiàng)目典型應(yīng)用案例2項(xiàng)目:某發(fā)電廠基于膨脹動(dòng)力機(jī)械的工業(yè)供熱蒸汽梯級(jí)利用項(xiàng)目簡介:發(fā)電廠參數(shù)：抽汽流量：50t/h，壓力：4MPa，溫度：530℃,對(duì)外供汽壓力：1.6MPa，溫度：280℃。供汽參數(shù)與用戶需求參數(shù)不匹配，存在高品質(zhì)能源浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。采用1臺(tái)1800KW動(dòng)力機(jī)械和異步發(fā)電機(jī)進(jìn)行供熱蒸汽壓差回收利用。項(xiàng)目值發(fā)電功率年發(fā)電小時(shí)數(shù)8000h年發(fā)電量上網(wǎng)電價(jià)0.4元/kWh年發(fā)電收益項(xiàng)目總投資項(xiàng)目靜態(tài)回報(bào)期典型應(yīng)用案例3項(xiàng)目:某熱電廠耦合儲(chǔ)能的工業(yè)供熱蒸汽梯級(jí)利用項(xiàng)目簡介:該機(jī)組為背壓供熱機(jī)組，排汽壓力高達(dá)1MPa.a，在實(shí)際運(yùn)行中通過節(jié)流降壓，使蒸汽壓力降低后再進(jìn)入生水加熱器換熱，節(jié)流降壓造成大量的做功潛能損失。電廠低壓供熱負(fù)荷日波動(dòng)較大，當(dāng)用戶側(cè)低壓供汽總需求量低于160t/h時(shí)，為維持中壓抽汽壓力在2.4MPa.a-2.8MPa.a范圍內(nèi)需投入鍋爐新蒸汽經(jīng)過減溫減壓后去中壓供熱，造成大量?能的損失。技術(shù)路線：提出了耦合儲(chǔ)能的工業(yè)供熱蒸汽梯級(jí)利用方案，在低壓供熱負(fù)荷較低時(shí)，通過多抽蒸汽先進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)組梯級(jí)利用后再加熱生水儲(chǔ)存在熱水儲(chǔ)