低壓熱水再生蒸汽的可行性與經濟性分析

黃都都

（安徽節源環保科技有限公司，安徽合肥 230088）

1 概述

熱水閃蒸分為自然閃蒸和強制閃蒸兩種方式[1]。在閃蒸罐中熱水利用自身能力產生壓力大于外界大氣壓的蒸汽，稱為自然閃蒸。利用真空設備，將閃蒸罐中熱水閃蒸出的蒸汽壓力小于外界大氣壓的稱為強制閃蒸。

在實際應用中，熱水再生蒸汽主要是利用高溫高壓熱水，100℃左右的熱水目前主要應用于有機朗肯發電和溴化鋰制冷。有機朗肯發電的熱利用效率在5%～10%之間，投資成本過大，一般1 kW 的建設費用在1 ～1.5 萬元；溴化鋰制冷熱利用率能夠達到70%以上，但100℃左右的熱水一般能利用的較為經濟的溫差也就在20℃上下，同時一般其他形式的制冷機組的能效比都在4～6，折算成經濟效益的空間并不大，通常適用于有需冷要求的場合。而且這兩種利用方式都要求有大量的循環水用于冷卻，對于循環水系統增量已無空間的企業并不適合。

隨著國家對環保指標趨于嚴格，新增普通燃煤鍋爐的難度越來越大，如何利用現有熱力系統，增加蒸汽來源已成為提產的當務之急，利用低溫低壓蒸汽冷凝水再生蒸汽成為探討的重點。已有的公開資料中，較少提到強制閃蒸設備及工藝的案例或構思。文章通過設計一種結構簡單、工作可靠的閃蒸設備和工藝，描述和計算該過程的能量轉移和系統消耗，使100℃左右熱水再生蒸汽的經濟效益超過有機朗肯發電和溴化鋰制冷，且具有較高的應用推廣價值。

2 熱水再生蒸汽系統

工藝流程見圖1，低壓熱水經流量控制管道，通過噴淋裝置，進入低壓蒸汽蒸發室；蒸發室內為負壓，低壓熱水部分在此氣化成低壓蒸汽，經除霧器和轉接管道進入壓縮室；壓縮采用往復式壓縮機，在壓縮室中，當活塞向遠離進汽口和排汽口方向運動時，低壓蒸汽從轉接管道進入壓縮室，直至壓縮室內容積達到一定體積；當壓縮室內容積達到一定體積后，活塞向進汽口和排汽口方向運動，此時進汽管道處于關閉狀態，低壓蒸汽進行絕熱壓縮；活塞運行到一定距離，壓縮室內蒸汽的壓力達到一定值后，排汽管道自動打開，蒸汽排入外界蒸汽管網中；活塞到達設定位置后，停止壓縮，隨后反方向運行，排汽管道關閉，進汽管道打開，開始下一個過程；蒸發室中剩余降溫后的低溫水液位控制在一定范圍，并用低溫水泵將多余的低溫水抽出。

圖1 熱水再生蒸汽系統

3 經濟效益

下面僅以特定的某個狀態下的熱水和蒸汽參數進行有關計算。

3.1 蒸汽產量

設定低壓熱水壓力參數為0.15 MPa（A）、溫度105℃，焓值H1445 kJ/kg，流量50 t/h；閃蒸蒸汽壓力0.04 MPa（A）、溫度75℃，焓值H22 636 kJ/kg，流量Q；低溫水壓力0.04 MPa（A）、溫度75℃，焓值H3314 kJ/kg，流量（50－Q）。

在不考慮熱損失的情況下，閃蒸室中有（1）式成立：

則Q＝2.82（t/h）

3.2 壓縮機功率

3.2.1 蒸汽壓縮功率

進入蒸汽壓力0.04 MPa（A）、溫度75℃、體積V1。排出蒸汽壓力0.2 MPa（A）、溫度T2、體積V2。在絕熱條件下（壓縮機單個沖程時間較短，可近似為絕熱過程），蒸汽絕熱指數k 1.135，則根據絕熱方程有（2）式成立：

則V1/V2＝4.13

再利用理想氣體狀態方程：

則T2＝148（℃）

查蒸汽焓值表得，0.2 MPa（A）、148℃的蒸汽焓值H42 764 kJ/kg，壓縮機輸入功率為P1，全機效率70%。不考慮熱損失的情況下，在閃蒸室中有（4）式成立：

則P1＝142（kW）

3.2.2 蒸汽吸入功率

假設完成1 個沖程時間為1 s，即抽汽時間t 為0.5 s，活塞直徑R 2.0 m，活塞運動距離L 1 m，外部氣壓P外101 kPa，抽汽壓力P內40.4 kPa，計算壓縮機輸出功率P2（即維持蒸發室壓力所需的功率），全機效率70%。

則P2＝544（kW）

式中：ΔP作用在活塞橫面上內外的壓力差；A活塞橫截面積；L活塞沖程。

每個沖程包含蒸汽壓縮和蒸汽吸入兩個過程，故壓縮機平均運行功率：

P＝P1＋P2/2＝414（kW）

3.3 低溫水泵功率

低溫水泵采用容積泵，效率70%，出口壓力0.25 MPa（A），流量47.18 t/h。

則根據式（4），低溫水泵功率：

P3＝47.18×9.8×（0.25－0.04）×100/3 600/0.7＝4（kW）

3.4 系統運行效益

蒸汽單價按140 元/t，電價按0.5 元/kW·h 計，年運行時間8 000 h，則效益：

[2.82×140－（414＋4）×0.5]×8 000＝148（萬元）

3.5 有機朗肯發電效益

進出水參數見3.1節所述，機組熱效率按9%計，則發電能力為：

P發電＝（445－314）×50×103×9%/3 600 ＝164（kW）

全年效益：￥′＝164×0.5×8 000＝66（萬元）

3.6 溴化鋰制冷效益

進水參數如3.1 節所述，溫差20℃，出水溫度為85℃，焓值H5356 kJ/kg，機組熱效率按80%計，則制冷能力為：

P制冷＝（445－356）×50×103×80%/3 600 ＝989（kW）

循環水泵出口揚程30 m、Δt為6℃的循環水量約為350 m3/h，水泵效率按70%計，則循環水泵功率為：

P循環水＝350×103×9.8×30×70%/3 600 ＝41（kW）

機組其他自耗電功率按4 kW 計，螺桿制冷機組能效比按5計，則全年節電效益：

（989/5－41－4）×0.5×8 000＝61（萬元）

從上述三種不同余熱利用方式所產生的經濟效益可以看出，采用產生低壓蒸汽的方法能夠使經濟效益最大化。

4 設計說明

4.1 壓縮機

常用的壓縮機按工作原理可分為容積式和離心式。容積式壓縮機按運動件工作特性又可分為回轉式和往復式，螺桿式壓縮機屬于回轉式，而活塞式壓縮機屬于往復式，兩者比較見表1。

活塞式壓縮機的結構導致其存在一些缺點，如轉速不高，排汽有脈動，容易引起管道振動等問題[2]。但該文章所述的壓縮環境一方面壓縮比并不高，單級壓縮即可；另一方面對排汽參數的穩定性要求較高，需并入其他廠區蒸汽管道。雖然吸入量并不算小，但可選用多缸型號，且總的排汽量較小，對下游用汽系統不會產生明顯的脈動現象，同時通過設計軟連接等方式減少振動帶來的問題。所以，選用活塞式壓縮機較為合適。

表1 螺桿式與活塞式壓縮機比較

4.2 壓縮機沖程

選擇活塞沖程為1 000 mm是為保證不至于因沖程過短，導致活塞直徑過大而加工困難，以及考慮驅動軸強度與運動半徑的關系。同時活塞運行中一般余隙為1.5～4 mm，壓縮比為4.13，則單次實際吸入蒸汽量與壓縮室容積的比值：

n＝[1 000－（1.5～4）×4.13]/1 000＝0.983～0.994

4.3 活塞尺寸

0.04 MPa（A）、75℃蒸汽的比容為4.0 m3/kg，則每秒的吸氣量為：

V＝2.82×103×4.0/3 600＝3.13（m3）

取完成1個沖程所需的時間為1 s，選用單缸壓縮機時，活塞直徑為：

R1＝（3.13×4/3.14）1/2＝2.00（m）

選用兩組三缸壓縮機時，單個活塞直徑為：

R2＝（3.13×4/3.14/2/3）1/2＝0.816（m）

相同條件下，單個缸體的強度隨尺寸的減小而增大，而缸體的加工難度隨尺寸的減小而減小；所以，在條件允許的情況下，應選擇多缸壓縮機。

4.4 低溫水泵

由于閃蒸室中呈負壓狀態，低溫水泵應使用容積泵，以滿足在任何壓力條件下，均可對輸出流量進行動態調節，在泵的進出口均需安裝壓力、溫度檢測儀表，并將信號遠傳，實現自動控制。

4.5 蒸汽轉接管

在不影響整體結構強度的前提下蒸汽轉接管截面積應盡可能的大，以減少氣阻，滿足抽汽量需要。

4.6 除霧器

除霧器采用立式百葉窗結構或?字型結構，采用雙層除霧方式，除霧器葉片間距應適當放大，以減小氣阻。

4.7 聯鎖聯動

該蒸汽發生系統是一個動態過程，低壓熱水、壓縮機以及低溫水泵應進行自控設計，依據運行數據聯調聯動，以穩定閃蒸室內真空度。

4.8 含濕蒸汽

閃蒸蒸汽進入壓縮室時，不論是自身夾帶，還是因快速絕熱膨脹，均有可能因冷凝生成液態水，但都會在壓縮過程中升溫而汽化，接著達到過熱狀態而排出，所以不會出現液擊現象。

4.9 排汽壓力

排汽壓力越高，蒸汽溫度越高，意味著壓縮機做功越多，所以存在效益平衡點。以上述所列各項單價、效率為基礎，當排汽參數為2.42 MPa（A）、293℃（理論值）時，經濟效益為零。

實際設計時，還需考慮設備投資、維護成本、制造難易等問題，故具有可操作性的排汽參數范圍遠小于理論值。

5 其他相似技術

文獻[3]提及使用蒸汽噴射式混汽器作為抽吸低壓蒸汽或飽和水閃蒸汽的動力來源，并將其混合擴壓，使其參數提高至足以滿足生產工藝供熱、取暖及制冷等需要的蒸汽參數。該技術要有額外的高品質蒸汽作為動力來源，且用在有汽輪機補汽的場合下，應用范圍受到一定局限。

文獻[4-5]都是關于強制閃蒸的實用新型專利，但并未闡述全部細節以及技術支撐，也沒有明確指出在負壓條件下，物料是否連續，可操作性描述不清，對實際應用的指導非常有限。

6 小試效果

采用自制的8 缸壓縮機，缸徑125 mm，行程110 mm，轉速600 r/min；熱水流量1.75 t/h，溫度105℃；排出蒸汽利用冷凝器液化，經疏水閥流出，收集計量。

經過24 h 測試，共收集1.788 t 冷凝液，耗電316 kW·h，即176.7 kW·h/t蒸汽，理論值146.8 kW·h/t蒸汽；排汽口平均溫度139℃，理論值148℃。

7 結論

按強制閃蒸思路，將低壓熱水在負壓條件下產生的蒸汽經活塞式壓縮機絕熱壓縮，達到合適蒸汽參數排入公共蒸汽管網或用汽點；通過理論計算及工程設計細節分析，證實了其技術可行性及經濟可行性。該技術目前仍處于試驗階段，實施效果以及優化措施仍需在具體項目中體現、確認和改進，但無疑為低壓熱水再利用提供了一種新的選擇方案，使進一步提高能源利用效率成為了可能。