基于螺桿機械設備的余熱回收分析及對比

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

隨著我國環保節能意識的增強，工業余熱回收變得越來越重要，石化、鋼鐵、火力發電、水泥、玻璃等工業生產過程中，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術研究和市場應用的熱點。

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

本文歸納總結了余熱回收領域螺桿機械設備的應用及工藝，重點對應用最廣的蒸汽螺桿膨脹機余熱回收系統和蒸汽增壓技術進行技術性和經濟性對比，提出了不同應用的市場劃分。本文的研究為螺桿機械在余熱回收系統的應用及推廣，提供了重要的理論與實踐指導。

2 余熱回收類型劃分

針對不同溫度等級，根據不同的目的及方法，工業余熱回收利用的方式可以分成余熱換熱回用、能量替代、能量提質和余熱轉換等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用，這還不包括制冷螺桿壓縮機，螺桿泵等設備。在余熱回收發電、動力直驅、水汽增壓等領域，利用螺桿膨脹機，螺桿壓縮機充分發揮了螺桿機械的變工況性能優越，單級壓差大，溫升大的優點。

3 蒸汽余熱發電及增壓技術

水蒸汽是工業領域進行能量傳遞最主要的媒介，同時也是進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、發電、增壓回用等。

3.1 蒸汽余熱發電

螺桿機械在水蒸氣余熱發電領域應用的設備主要是螺桿膨脹機，主要應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（ORC）。這幾種余熱發電方式已經非常成熟，適宜的熱源及主要的應用工藝如表2所示。

余熱發電領域內應用螺桿機械設備充分發揮螺桿機械的變工況性能優越，運維簡單的優點。

3.2 蒸汽增壓

在能量提質方面，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。

蒸汽增壓的應用主要是在以下幾個工藝領域：

（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。工藝生產中富余的一些蒸汽由于壓力較低已經無法滿足使用，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前價格較貴的中壓水蒸汽，通過經濟核算證明還是非常具有經濟性的。

表1 余熱回收的主要利用方式

表2 蒸汽余熱發電的主要應用工藝

4 蒸汽增壓與余熱發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種方式進行分析。利用EES工程解答器，建立蒸汽螺桿膨脹機余熱發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行余熱發電回收的對比。對比圖1和圖2可以得到當蒸汽增壓的壓比達到2.2時，水蒸汽增壓的耗功率接近為余熱發電回收功率的50%。

5 蒸汽增壓的不同壓力等級功率消耗對比余熱發電的收益

對于余熱回收項目，應該從收益的角度來進行對比。所以針對上面的計算，可以分別給定增壓后蒸汽和工業用電一定的價格對此2種方式進行經濟性對比。

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。即當余熱發電的發電量與蒸汽壓縮的耗電量（正值）之和達到一定程度時，余熱發電的收益才能超過蒸汽增壓的收益。

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

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

6 結論

通過對螺桿機械在余熱回收領域的應用分析和蒸汽余熱回收發電和增壓技術在技術、經濟性方面的對比，得到結論如下：

（1）螺桿機械在余熱回收領域用著重要的應用；

（2）蒸汽余熱回收和增壓是目前蒸汽余熱回收的2個重要的應用方向；

（3）當蒸汽增壓的壓比達到2.2時，蒸汽增壓的耗功率為余熱發電回收功率的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 余熱發電和蒸汽增壓達到平衡時的功率和

（4）對于電、蒸汽價格不同的地區應該進行詳細的經濟性論證，應該在西部地區多推廣蒸汽增壓技術。