根據(jù)飽和蒸汽膨脹做功特點，分別介紹了單級汽輪機、多級除濕汽輪機、機內(nèi)再熱除濕汽輪機及螺桿膨脹機等四種適于飽和蒸汽余熱發(fā)電的技術(shù)，并通過實際工程表明，此類技術(shù)可靠，節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟效益可觀，適合于在鋼鐵、化工及玻璃等存在大量飽和蒸汽余熱資源的行業(yè)中廣泛應(yīng)用。
1、前言
隨著近15年節(jié)能工作的大力開展，利用水泥，鋼鐵及其他工業(yè)余熱的過熱蒸汽發(fā)電技術(shù)已被廣泛應(yīng)用，但如鋼鐵生產(chǎn)過程中，在轉(zhuǎn)爐、加熱爐等汽化冷卻裝置內(nèi)產(chǎn)生的大量低溫低壓飽和蒸汽，除少量自用外，大部分對空排放，造成了極大的能源浪費，因此，近幾年，部分鋼鐵企業(yè)開始采用低壓飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)回收生產(chǎn)過程中的大量低溫余熱，取得了良好的社會效益與經(jīng)濟效益。
2、飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)
相比技術(shù)成熟的過熱蒸汽發(fā)電技術(shù)，飽和蒸汽在膨脹做功后，蒸汽濕度增加，若采用常規(guī)汽輪機，則會導(dǎo)致液擊現(xiàn)象的發(fā)生，影響汽輪機效率、縮短葉片使用壽命，為解決上述問題，必須采用新型膨脹機以滿足飽和蒸汽的發(fā)電要求。
2.1單級汽輪機技術(shù)
德國設(shè)計的KKK汽輪機組，全部采用單級懸臂式結(jié)構(gòu)，膨脹葉輪直接安裝于齒輪箱一端輸入軸，由于葉輪可自由膨脹，所以從冷態(tài)啟動至全負荷運行，只需要10 min的暖機預(yù)熱過程，而短期停機后的重新啟動過程，也可在10 s內(nèi)完成。同時由于采用單級葉輪設(shè)計，飽和蒸汽膨脹做功后產(chǎn)生的凝結(jié)水直接通過回收裝置排出汽輪機，不存在對后級葉片的液擊問題。KKK機組的較強適應(yīng)性，不僅適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽，甚至適用于任何氣體、任何有余壓(壓力≥0.2MPa即可)可利用的場合。如天然氣、煤氣減壓站、高爐爐頂煤氣能量回收(TRT)等。
2.2 多級除濕汽輪機技術(shù)
杭州中能汽輪機動力有限公司為撫順新鋼鐵制造的BN5.5-0.5飽和凝汽式汽輪機，額定功率5.5MW，進汽壓力為0.5MPa飽和蒸汽。該汽輪機采用了以下針對飽和蒸汽的特有設(shè)計：
1.進汽、補汽口前增設(shè)旋流式蒸汽過濾網(wǎng)汽水分離器。
2.通流部分各壓力級前設(shè)置疏水槽溝，末三級隔板設(shè)置除濕疏水環(huán)形槽。
3.末一、二級葉片等進汽邊硬化處理。
2.3 機內(nèi)再熱除濕汽輪機技術(shù)
機內(nèi)再熱除濕多級沖動式汽輪機，是由廣州能源研究所開發(fā)的一種新型飽和蒸汽發(fā)電設(shè)備，原理為在汽輪機汽缸內(nèi)的其中一相鄰級或若干相鄰級的級間設(shè)置蒸汽再熱器，由該汽輪機的主汽門后的主蒸汽管上引出一股新蒸汽通入蒸汽再熱器中，用于加熱汽輪機中膨脹到一定程度的濕飽和蒸汽，降低其濕度，以保護汽輪機不受水蝕損害。該汽輪機可以廣泛適用于飽和或過熱度較低的蒸汽，在保持較高汽輪機效率的情況下有效避免了葉片的水蝕問題。
2.4 螺桿膨脹機技術(shù)
螺桿膨脹機的結(jié)構(gòu)是由一對陰陽螺桿轉(zhuǎn)子、機殼體、進汽端座、后端座、阻流式軸封、支持軸承和止推軸承組成的，工作原理是壓力較高的流體進入螺桿齒槽，推動螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽容積增加，流體降壓膨脹做功，實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。螺桿膨脹機既可以用于發(fā)電，也可以用于驅(qū)動泵、壓縮機、風(fēng)機等，其特點如下：
(1)適用熱源廣泛：同時適合過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物、熱水、易結(jié)垢污染熱源、石化熱工質(zhì)等：
(2)熱源參數(shù)波動：允許熱源的壓力、流量、溫度有較大波動，機組能夠安全平穩(wěn)的運行;
(3)操作簡單：機組運行可以不暖機車、不盤車、不飛車：長期無大修、維修簡單;設(shè)備不易損壞，可手動和自動操作，事故率低;
(4)安裝投運方便：機組占地小，基礎(chǔ)簡單、現(xiàn)場安裝方便，可以整機快裝、移動，通用性強。
3 飽和蒸汽發(fā)電工程應(yīng)用實例
3.1 單級汽輪機飽和蒸汽余熱發(fā)電工程
金隆銅業(yè)有限公司原有余熱發(fā)電系統(tǒng)采用過熱蒸汽，背壓蒸汽減溫減壓后供0.6MPa蒸汽管網(wǎng)，多余放空，另用燃煤鍋爐生產(chǎn)1.6MPa蒸汽供生產(chǎn)用，生產(chǎn)過程余熱未得到充分利用。系統(tǒng)改造后采用KKK單級飽和蒸汽發(fā)電機組發(fā)電，由一臺閃速爐與三臺轉(zhuǎn)爐余熱鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽(3.8MPa)一部分用于余熱發(fā)電，另一部分減壓后供1.6MPa蒸汽管網(wǎng)，汽輪機背壓排汽供0.6MPa蒸汽管網(wǎng)。該系統(tǒng)自2001年投運后，運行穩(wěn)定，約14個月即收回投資。至2004年底累計發(fā)電近3×107kW?h，為企業(yè)創(chuàng)造效益約1350萬，隨著企業(yè)2005年進一步擴產(chǎn)改造的完成，飽和蒸汽余熱發(fā)電項目每年獲得500～600萬元的經(jīng)濟效益。
北方銅業(yè)股份有限公司候馬冶煉廠，針對熔煉爐與吹煉爐生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的飽和蒸汽，采用德國DRESSER-RAND公司的單級飽和蒸汽發(fā)電機組，汽輪機進口飽和蒸汽流量l5-34t/h、壓力3.8MPa、溫度250℃，出口蒸汽壓力0.4MPa、溫度150℃，經(jīng)72h現(xiàn)場測試結(jié)果表明，在進口蒸汽流量20.8t/h下發(fā)電量為987kW。系統(tǒng)運行三年，年均發(fā)電量691.2MW?h，年均經(jīng)濟效益297萬元。
3.2 多級除濕汽輪機飽和蒸汽余熱發(fā)電工程
撫順新鋼鐵針對鋼廠低壓蒸汽管網(wǎng)飽和蒸汽(0.5MPa)，采用杭州中能汽輪機動力有限公司生產(chǎn)的1臺5.5MW飽和蒸汽發(fā)電機組，工程于2007年投產(chǎn)，至今運行穩(wěn)定，年均發(fā)電量2.78萬MW?h。
首鋼遷安鋼鐵廠針對燒結(jié)、轉(zhuǎn)爐汽化冷卻裝置及熱軋加熱爐汽化冷卻裝置生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的飽和蒸汽，采用杭州中能汽輪機動力有限公司生產(chǎn)的2臺6.5MW飽和蒸汽發(fā)電機組，汽輪機進口飽和蒸汽流量45t/h、壓力1.2MPa、溫度190℃，出口蒸汽壓力0.01MPa，系統(tǒng)年發(fā)電量4.55萬MW?h，年均經(jīng)濟效益2000萬元。
3.3 機內(nèi)再熱除濕汽輪機飽和蒸汽余熱發(fā)電工程
東嶺鋅品廠針對冶煉鋅的過程中汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的飽和蒸汽，采用中科院廣能所開發(fā)的13MW機內(nèi)再熱除濕汽輪機飽和蒸汽余熱發(fā)電機組，汽輪機進口飽和蒸汽流量65t/h、壓力2.6MPa、溫度224℃，出口蒸汽壓力0.35MPa，系統(tǒng)年發(fā)電量4230萬kW?h，年均獲得1800萬元的經(jīng)濟效益。
新余鋼鐵公司針對轉(zhuǎn)爐汽化冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的飽和蒸汽，采用中科院廣能所開發(fā)的6MW機內(nèi)再熱除濕汽輪機飽和蒸汽余熱發(fā)電機組，汽輪機進口飽和蒸汽流量40t/h、壓力1.3MPa、溫度190℃，系統(tǒng)年發(fā)電量4300萬kW?h，年均經(jīng)濟效益2000萬元。
3.4螺桿膨脹機飽和蒸汽余熱發(fā)電工程
由于螺桿膨脹機的原理、結(jié)構(gòu)、加工完全不同于傳統(tǒng)汽輪機，因此，目前國內(nèi)尚無工業(yè)用成型產(chǎn)品，但通過已有實驗及理論計算表明，螺桿膨脹機飽和蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)具有良好的發(fā)電性能與經(jīng)濟效益。
1996年由中國輕工總會主持的科研專項 《工業(yè)鍋爐飽和蒸汽驅(qū)動螺桿動力機背壓供汽發(fā)電系統(tǒng)中試》的實驗表明：飽和蒸汽進汽流量6.6t/h，進汽壓力0.9MPa，排汽壓力0.4MPa時，發(fā)電功率120kW;飽和蒸汽進汽流量8.23t/h，進汽壓力1.3MPa，排汽壓力0.5MPa時，發(fā)電功率200kW，通過工況分析與能耗計算表明系統(tǒng)可實現(xiàn)國家的節(jié)能指標，為企業(yè)獲得節(jié)能效益與經(jīng)濟效益。
以生產(chǎn)能力300t/d的浮法玻璃熔窯為例，采用螺桿膨脹機飽和蒸汽余熱發(fā)電機組，飽和蒸汽進汽流量16t/h，進汽壓力1.3MPa，排汽壓力0.5MPa，發(fā)電功率400kW，年發(fā)電量244.8萬kW?h，年經(jīng)濟效益155萬元。
4、結(jié)論
綜上所述，飽和蒸汽余熱發(fā)電技術(shù)可靠，節(jié)能效果顯著，經(jīng)濟效益可觀，適合于在鋼鐵、化工及玻璃等存在大量飽和蒸汽余熱資源的行業(yè)中廣泛應(yīng)用。
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