热力学论文
化工热力学论文参考阅读6篇之第四篇：利用低压蒸汽冷凝液余热的经济效益和节能减排效益
摘要：介绍了有机朗肯循环发电机组的基本原理和螺杆膨胀发电机组的基本结构；简述了利用低压蒸汽冷凝液余热的经济效益和节能减排效益。研究结果表明：采用螺杆膨胀发电机组回收低温余热， 不仅可以提高项目能效0.2%, 还可减少排放CO225 532 t/a, 节约标准煤9 820 t/a.
关键词：低压蒸汽冷凝液； 余热； 有机朗肯循环； 螺杆膨胀发电机组； 节能；
Abstract:
Author has introduced the basic principle of Organic Rankine Cycle Generator Units and the basic structure of screw expansion generator units; has briefly described the economic benefit and energy conservation and emission reduction benefit using the waste heat of low pressure steam condensate. Result indicates that using screw expansion generator units to recover the waste heat of low temperature not only can increase the energy efficience of project by 0. 2%, but also can reduce the emission of CO 2 by 25 532 t / a and save standard coal by 9 820 t / a.
Keyword:
low pressure steam condensate; waste heat; Organic Rankine Cycle; crew expansion generator units; energy convervation;
节能减排， 降低燃料消耗指标， 是我国当前能源发展战略的主要内容， 处于优先发展的地位。工业是国民经济的耗能大户， 亦是节能的重点行业， 在我国， 至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃， 这既造成能源浪费， 又造成环境热污染， 所以回收利用工业低品位热能具有重要的现实意义[1].化工行业尤其存在大量的低品位余热， 如低压蒸汽及低压蒸汽冷凝液等， 有效地利用这些低品位余热不仅对项目本身具有一定的经济效益， 对节能减排亦有深远的意义。
目前， 以色列、日本、美国、德国等国的低温热能发电技术居世界领先地位， 已开发了有机朗肯循环余热发电机组系统等， 并取得了显著的经济效益[2].近年来， 浙江大学、上海交通大学等单位相继开展了相关的研究工作， 但主要是对有机工质的选取和热力循环设计进行了一定的理论研究， 总体来说， 国内对有机朗肯循环系统的工程应用研究工作较少。本文主要针对有机朗肯循环应用的可行性和技术经济性进行分析研究， 以期推广有机朗肯循环发电系统在国内工程领域的应用， 对我国的低品位能量利用和节能减排工作起到推动作用。
1 有机郎肯循环发电系统概况
1.1 有机朗肯循环原理
有机朗肯循环 （Organic Rankine Cycle, 简称ORC） 是以低沸点有机物为工质的朗肯循环， 由蒸发器、透平、冷凝器和有机泵等4大部件组成。低压蒸汽冷凝液 （低品位热能也可以是低压蒸汽） 输送至低温工质蒸发器， 将冷凝液的热量转换给低温工质， 冷凝液的温度降至75℃左右。低温工质经过蒸发器吸热后， 产生饱和状态的低温工质蒸汽， 引导进入专用的螺杆膨胀机发电机组发电， 低温工质降压降温后再进入冷凝器 （水冷） 凝结成液态， 由工质泵送至工质蒸发器循环做功。螺杆膨胀发电技术流程见图1.
图1 螺杆膨胀发电技术流程
1.2 螺杆膨胀动力机工作原理与结构
螺杆膨胀动力机发电机组主要由螺杆膨胀动力机本体、发电机及电气控制系统、冷却系统、润滑及液压系统、调速及控制系统组成。螺杆膨胀动力机发电机组结构见图2.
图2 螺杆膨胀动力机发电机组结构
螺杆膨胀动力机本体由一对阴、阳螺旋转子 （也称阴、阳螺杆转子） 、外壳、轴承、进气道和排气道以及2对浮动式双向机械密封装置构成。其中阴、阳螺旋转子结构上相互啮合， 通过两端的轴承安装在壳体内， 转子顶部与壳体上部的进气道相通， 转子底部与排汽道相通。在壳体与阴、阳螺旋转子的轴面之间各装有2对机械密封装置， 以形成密闭空间， 防止流体泄漏。螺杆膨胀动力机的结构虽然简单， 但对低品位余热有效利用起着至关重要的作用。
2 蒸汽冷凝液发电方案
以中电投煤制烯烃项目的可行性研究为例， 全厂工艺装置蒸汽冷凝液的流量为684.5 t/h, 水温按155℃考虑， 螺杆膨胀发电机组配置如下。
（1） 装机规模：4×1 200 k W
（2） 进口参数：热水温度155℃， 流量684.5t/h.
（3） 出口参数：出水温度75℃， 流量684.5 t/h.
（4） 额定发电功率：4×1 140 k W
（5） 净发电功率：4×930 k W
3 经济性分析
3.1 技术经济指标
根据装机方案， 主要技术经济指标见表1.
表1 主要技术经济指标
3.2 能效
以中电投煤制烯烃项目为例， 该项目可行性研究报告进行了不利用冷凝液方案与利用冷凝液发电方案的对比分析， 低压蒸汽冷凝液利用方案比较见表2.
表2 低压蒸汽冷凝液利用方案比较表
注： （1） 外购电力根据国家能源局最新公布的能耗计算标准330 g/k W·h折算； （2） 生产用水折能按照《石油化工设计能量消耗计算方法》取值； （3） 本项目乙烯 （聚乙烯） 、丙烯 （聚丙烯） 、液化气、C5组分等的低位热值 （LHV） 按照石油和化学工业规划院文件《化规办 （2011） 97号》折算； （4） 其他原料和产品均按照低热值折算。
由表1可知， 低压蒸汽冷凝液发电方案单位聚烯烃产品综合能耗有所降低， 同时整个项目的综合能量效率提高了0.2%.
3.3 经济性
利用低压蒸汽冷凝液发电方案主要是增加了全套螺杆膨胀发电机组及相关的辅助设备， 总投资约为3 600万元， 电耗已考虑在内， 其他消耗不发生变化。该冷凝液利用方案与不利用方案的经济性比较见表3.
表3 经济性比较
由表3可见， 采用利用冷凝液发电的方案具有可观的效益， 虽然总投资增加了3 600万元， 但年运行费用减少了1 627万元， 净现值增加了4 317万元。
4 结语
（1） 从整体经济效益来看， 考虑发电系统的初始投资 （包括系统设备、控制系统及施工安装调试等费用） 和其年均维修保养费 （包含易损件轴承和密封的更换） , 项目每年可减少运行费用1 627万元， 净现值增加4 317万元， 该方案具有可观的经济效益。
（2） 从节能的角度来说， 按目前火电厂平均发电煤耗330 g/k W·h计算， 发电系统每年净发电量为2 976万k W·h, 相当于节约标准煤9 820 t, 全厂能效提高0.2%.
（3） 从环境保护的角度来讲， 该发电系统本身对环境没有污染， 尤其是与燃煤发电系统相比， CO2每年可减少25 532 t的排放量。
综上所述， 采用低压蒸汽冷凝液发电方案， 不仅可以有效降低企业的生产成本， 提高企业经济效益， 还能达到节约能源、保护环境的目的， 创造良好的社会效益。
参考文献
[1]李艳。有机朗肯循环系统及其透平设计研究[J].工程热物理学报， 2010, 31 （12） :2014-2018.
[2]王建材。低温余热发电模型的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学， 2003.
[3]郑浩， 汤珂， 金滔， 等。有机朗肯循环工质研究进展[J].能源工程， 2008 （4） ;5-11.