王 超

（中國石油化工股份有限公司天津分公司，天津300271）

1 引言

隨著我國環(huán)保節(jié)能意識的增強，工業(yè)余熱回收變得越來越重要，石化、鋼鐵、火力發(fā)電、水泥、玻璃等工業(yè)生產(chǎn)過程中，有大量低品位的水蒸汽、煙氣等余熱資源直接排放到空氣和河流中，造成了熱源浪費和環(huán)境污染。煙氣余熱，蒸汽余熱余壓、工藝氣余壓，熱水余熱回收等低品位余熱回收成為目前學(xué)術(shù)研究和市場應(yīng)用的熱點。

螺桿機械由于具有變工況條件下性能優(yōu)越，無需運維、單級壓差大，單級溫升大等優(yōu)點，在余熱、余壓回收領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[1-3]。

本文歸納總結(jié)了余熱回收領(lǐng)域螺桿機械設(shè)備的應(yīng)用及工藝，重點對應(yīng)用最廣的蒸汽螺桿膨脹機余熱回收系統(tǒng)和蒸汽增壓技術(shù)進(jìn)行技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性對比，提出了不同應(yīng)用的市場劃分。本文的研究為螺桿機械在余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用及推廣，提供了重要的理論與實踐指導(dǎo)。

2 余熱回收類型劃分

針對不同溫度等級，根據(jù)不同的目的及方法，工業(yè)余熱回收利用的方式可以分成余熱換熱回用、能量替代、能量提質(zhì)和余熱轉(zhuǎn)換等4種類型，具體方式如表1所示。

可以看到螺桿機械在其中的兩大類中均有較大的應(yīng)用，這還不包括制冷螺桿壓縮機，螺桿泵等設(shè)備。在余熱回收發(fā)電、動力直驅(qū)、水汽增壓等領(lǐng)域，利用螺桿膨脹機，螺桿壓縮機充分發(fā)揮了螺桿機械的變工況性能優(yōu)越，單級壓差大，溫升大的優(yōu)點。

3 蒸汽余熱發(fā)電及增壓技術(shù)

水蒸汽是工業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行能量傳遞最主要的媒介，同時也是進(jìn)行余熱回收最重要的資源。由于水蒸氣的余熱資源不同，目前對水蒸氣余熱回收的方式主要有換熱、發(fā)電、增壓回用等。

3.1 蒸汽余熱發(fā)電

螺桿機械在水蒸氣余熱發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用的設(shè)備主要是螺桿膨脹機，主要應(yīng)用工藝包括水蒸蒸汽壓力能回收、富余蒸汽余熱回收和有機朗肯循環(huán)（ORC）。這幾種余熱發(fā)電方式已經(jīng)非常成熟，適宜的熱源及主要的應(yīng)用工藝如表2所示。

余熱發(fā)電領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用螺桿機械設(shè)備充分發(fā)揮螺桿機械的變工況性能優(yōu)越，運維簡單的優(yōu)點。

3.2 蒸汽增壓

在能量提質(zhì)方面，蒸汽式螺桿壓縮機的利用單級壓差大，溫升大的特點，通過耗用一部分電費將低壓蒸汽增壓到高壓，適用工藝需求。

蒸汽增壓的應(yīng)用主要是在以下幾個工藝領(lǐng)域：

（1）廠用蒸汽壓力低，提壓后使用。由于蒸汽輸送過程中的壓力損耗，廠用蒸汽壓力低于需求壓力，此時可以使用螺桿蒸汽壓縮機提升蒸汽壓力滿足工藝使用。

（2）富余蒸汽增壓回用。工藝生產(chǎn)中富余的一些蒸汽由于壓力較低已經(jīng)無法滿足使用，可以通過蒸汽升壓到滿足工藝使用的壓力。

利用水蒸汽螺桿壓縮機將低壓的蒸汽增壓，雖然耗費了一些電能但是相對于價格當(dāng)前價格較貴的中壓水蒸汽，通過經(jīng)濟(jì)核算證明還是非常具有經(jīng)濟(jì)性的。

表1 余熱回收的主要利用方式

表2 蒸汽余熱發(fā)電的主要應(yīng)用工藝

4 蒸汽增壓與余熱發(fā)電的余熱利用形式對比

如前所述，對富余的蒸汽，存在蒸汽增壓與余熱發(fā)電2種不同形式的余熱利用方式，本文針對不同壓力等級富余蒸汽按照2種方式進(jìn)行分析。利用EES工程解答器，建立蒸汽螺桿膨脹機余熱發(fā)電和水蒸氣增壓計算模型，分析對于富余蒸汽采用不同的冷凝回收發(fā)電和增壓的余熱回收2種方式的對比。由于富余蒸汽基本是飽和蒸汽所以以飽和蒸汽作為研究對象，設(shè)定機組效率為75%。

圖1顯示了在不同入口壓力情況下，針對單噸蒸汽進(jìn)行增壓，不同增壓壓差情況下的耗功率對比，顯然隨著壓差的增壓，耗功功率也增大。圖2顯示了在不同入口壓力情況下進(jìn)行余熱發(fā)電回收的對比。對比圖1和圖2可以得到當(dāng)蒸汽增壓的壓比達(dá)到2.2時，水蒸汽增壓的耗功率接近為余熱發(fā)電回收功率的50%。

5 蒸汽增壓的不同壓力等級功率消耗對比余熱發(fā)電的收益

對于余熱回收項目，應(yīng)該從收益的角度來進(jìn)行對比。所以針對上面的計算，可以分別給定增壓后蒸汽和工業(yè)用電一定的價格對此2種方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對比。

顯然存在一個水蒸汽的價格和電價的值使得兩種方式的收益是相同的。即當(dāng)余熱發(fā)電的發(fā)電量與蒸汽壓縮的耗電量（正值）之和達(dá)到一定程度時，余熱發(fā)電的收益才能超過蒸汽增壓的收益。

針對不同工業(yè)電價和不同蒸汽價格進(jìn)行計算分析，結(jié)果如圖3所示。顯然蒸汽價格越高，余熱發(fā)電的發(fā)電量和蒸汽增壓耗電功率之和必須越大。電價越高，余熱發(fā)電的發(fā)電量和蒸汽增壓耗電功率和可以降低。

所以，對于目前我國工業(yè)電價東部高，西部低，而全國蒸汽價格偏差不大的現(xiàn)象，余熱發(fā)電應(yīng)該多中東部地區(qū)推廣，而蒸汽增壓可以更好的西部地區(qū)推廣。利用峰谷電價還可以很好的進(jìn)行蒸汽蓄能，降低成本。

6 結(jié)論

通過對螺桿機械在余熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用分析和蒸汽余熱回收發(fā)電和增壓技術(shù)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性方面的對比，得到結(jié)論如下：

（1）螺桿機械在余熱回收領(lǐng)域用著重要的應(yīng)用；

（2）蒸汽余熱回收和增壓是目前蒸汽余熱回收的2個重要的應(yīng)用方向；

（3）當(dāng)蒸汽增壓的壓比達(dá)到2.2時，蒸汽增壓的耗功率為余熱發(fā)電回收功率的50%；

圖1 不同入口壓力下不同增壓壓差的單噸蒸汽耗功對比

圖2 不同入口壓力下單噸蒸汽膨脹輸出功對比

圖3 余熱發(fā)電和蒸汽增壓達(dá)到平衡時的功率和

（4）對于電、蒸汽價格不同的地區(qū)應(yīng)該進(jìn)行詳細(xì)的經(jīng)濟(jì)性論證，應(yīng)該在西部地區(qū)多推廣蒸汽增壓技術(shù)。