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低品位余热回收螺杆膨胀发电技术的研发

发布日期:2017-4-11


低品位余热回收螺杆膨胀发电技术的研发
——天丰钢铁蒸汽螺杆膨胀机串联 ORC 螺杆膨胀机实现发电效率最大化
编者按:近年来,天津天丰钢铁股份有限公司在钢铁行业产能严重过剩、企业生产经营困难、节能环保形势严峻的情况下,大胆改革,勇于突破, 率先采用多项先进节能减排新技术、新工艺,通过余热回收发电,使自发电率提高到 78% 左右,达到行业领先水平,加快了升级改造步伐, 保持了快速发展势头,为推动行业绿色转型发展做出表率。为此,《世界金属导报》专程采访了天津天丰钢铁股份有限公司领导,并就其余 热余能的回收利用进行专题报道,以将其先进技术和成功经验推广和分享给业内其他企业,推进钢铁行业的转型升级发展。
天津天丰钢铁低压饱和蒸汽发电机组采用了浙江开山压缩机股份有限公司的螺杆式蒸汽膨胀机串联 ORC 螺杆膨胀机两级发电技术。近日,《世界金属导报》记者采访了浙江开山压缩机股份有限公司董事长、第十二届全国人大代表曹克坚。他表示,天丰钢铁打开了“一扇门”,把钢铁企业以前难以回收利用的低品位余热高效利用起来,使企业自发电率又创新高。如果全国更多的钢铁企业都如天丰钢铁一样,依靠新技术推动低品位余热的高效利用,将创造巨大的经济价值和社会价值。
 
螺杆式蒸汽膨胀发电机串联 ORC 螺杆膨胀发电机,实现发电效率最大化
 
钢铁企业可有效利用的各种蒸汽热能组合相对应的不同形式发电机组,才可以发挥最大的发电效用。对于高品位、大流量的过热蒸汽,应用于速度型的膨胀机,如汽轮机等,能取得最大的效益;对于低品位的蒸汽热能,如较低压力的水蒸汽,存在于汽液两相之间( 或纯粹是热水 ),采用容积式的螺杆膨胀机更为合理。
天丰钢铁遵循分布式能源综合利用理念,实施梯级能源综合利用,将炼钢厂的转炉饱和蒸汽(小于 0.8MPa)、轧钢厂的蓄热式加热炉饱和蒸汽(小于 0.6MPa)等低压饱和蒸汽集中并网。针对蒸汽压力波动大等不利因素,开创性地采用了开山有机朗肯循环(ORC)螺杆膨胀发电技术,建设两个兆瓦级发电机组。2013 年 6 月建成全国第一套螺杆式蒸汽膨胀发电机组,2014 年 3 月建成 ORC螺杆膨胀发电机组。
天丰钢铁饱和水蒸气通过蒸汽式螺杆膨胀发电站做功后,排出的更低压力的饱和水蒸气供 ORC 螺杆膨胀发电机再次发电。螺杆式蒸汽膨胀发电机利用蒸汽的余压,ORC 螺杆膨胀发电机利用蒸汽的潜热。凝汽式系统不仅浪费了蒸汽的潜热,而且需要大量的冷却耗功。天丰钢铁将螺杆式蒸汽膨胀发电机串联 ORC 螺杆膨胀发电机,实现发电效率最大化。
 
螺杆式蒸汽膨胀发电机组与中小型汽轮发电机组相比,技术与运营优势突出
 
螺杆式蒸汽膨胀发电机等熵效率高达 75% 以上,而应用于饱和蒸汽的中小型汽轮机等熵效率在 55% 左右,也就是说同样条件的蒸汽发电量要多出大约 30%。
螺杆式蒸汽膨胀发电机组避免了“液击”现象的发生,可靠性高。鉴于饱和蒸汽的膨胀进入汽液两相区,高速旋转的汽轮机叶轮在汽液两相运行,不断地“液击”、“水蚀”,造成汽轮机叶片的损坏。而以螺杆替代叶轮,避免了“液击”现象的发生。天丰钢铁螺杆式蒸汽膨胀发电机组彻底解决了可靠性问题。
对于流量只有 2-3t/h 以下的低压饱和蒸汽,汽轮机是难有作为的,而螺杆式蒸汽膨胀发电机同样可以高效率地回收这样的余热资源,保证低品位余热资源的充分利用。
天丰钢铁螺杆式蒸汽膨胀发电机组可以在气源不稳定的工况下运行。相对于汽轮机,这一点是螺杆式蒸汽膨胀发电机组巨大的应用优势。
螺杆式蒸汽膨胀发电机拥有基建成本低的优势,相对于汽轮机需要建设厂房,基建投资较大。螺杆式蒸汽膨胀发电机不需要建设厂房,可以露天安装,土建施工方便,且占地面枳要小得多。
天丰钢铁螺杆式蒸汽膨胀发电机可实现无人值守,节约了大量运行成本。
 
采用高性能的螺杆膨胀机,是实现 ORC 经济发电的关键
 
ORC 膨胀机具有三个非常重要的技术特点:热源适应范围广,过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物、热水均可以;变工况能力优越,在热源负荷和参数大范围(120%-10%)波动的情况下,仍可运行稳定;维护费用低:属于 10 年无大修的动力机,小修维护和运行操作都简单方便,对用户原系统不产生干扰影响,安装和移动十分简易。
但是,国内外对利用ORC 原理发电早有理论支撑与实际探索,而之所以之前没能广泛使用,一个重要问题是核心技术没有很好地解决,使其投入与收益不能匹配,经济效益低下,“节能”仅仅满足了宣传的需要。
衡量一套螺杆膨胀发电机成功与否,根本在于其螺杆膨胀主机内效率的高低,它对 ORC 发电站的净发电量和热效率的提高起了关键作用。高性能的 ORC 螺杆膨胀发电站,其热效能可在 8-13 之间。而在同等条件下,性能低的膨胀发电站的热效能只有 4 左右。两者之间差 2-3 倍。这意味如果钢铁企业需要一定功率的膨胀机作驱动源,热效能低的就要增大其机组,可能无法安装连接;如果可利用热源一定,其回收的电费可能抵不上 ( 或延长 ) 电站的投资回收。
天丰钢铁应用的开山ORC 螺杆膨胀发电机组,采用了多项先进技术,使螺杆膨胀机性能和可靠性大大提高,使用成本得到最大程度降低。
转子型线对于螺杆膨胀机的性能十分重要。开山 ORC螺杆膨胀机采用拥有完全自主知识产权、世界先进的 Y-2型线。无论是等熵效率还是可靠性都是最为优秀的型线,确保了转子啮合过程中绝热效率最高,内泄漏最少,排气量最大。型线由多端曲线组成,使得流动阻力减小,流动损失较小,运转平滑、平稳,从而使得机械效率最高。
另外,5 ︰ 6 齿数比是用于膨胀机的最佳齿数比;针对ORC 膨胀机使用条件专门开发的专用润滑油,可以使用的温度更高,有利于减少摩擦、降低振动和噪声、提高密封性能;转子使用合金材料,耐高温高压工况,安全性好;全滚动轴承设计,使用润滑油较少,摩擦损失小,动力输出提高。轴承为 SKF 产品,设计使用寿命长,对运行条件适应性宽;机械密封性能可靠,使用寿命长,维修更换简便,有效杜绝跑冒滴漏现象。
ORC 发电机组工质对于发电效率、设备规格和造价等都有很大影响,所以工质的选择也很重要,天丰 ORC 螺杆膨胀发电站使用的工质是R245fa,是最新的环保工质。
天丰钢铁螺杆蒸汽膨胀机串联 ORC 螺杆膨胀机的发电效果
截止目前,天丰钢铁螺杆蒸汽膨胀机和 ORC 螺杆膨胀机发电站运行良好,各项经济技术指标都能达到设计标准。据统计,2013 -2016 年度累计实现发电 3028.5 万千瓦时;按 1 度电 0.7 元计算,产值达2120 万元左右;节约标煤约10600 吨;减少二氧化碳排放约 25137 吨。
 
天丰钢铁低品位余热发电经验的推广意义
 
钢铁企业中高温余热资源有成熟技术可以回收利用,但低品位余热资源长期以来无成熟技术可以回收利用,且低品位余热资源潜量巨大。而天丰钢铁低品位余热发电实践表明,将螺杆式蒸汽膨胀发电机与 ORC 螺杆膨胀发电机串联,不仅可以回收利用低品位余热,还可以实现发电效率的最大化,促进能源的梯级利用。
 
 
 

  

 
   
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