适应多工况的长寿命整体式高速透平技术应用及对比分析.docxVIP

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适应多工况的长寿命整体式高速透平技术应用及对比分析

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摘要：

透平技术作为能量转换技术，在冶金、化工、钢铁等领域的蒸汽能利用回收中广泛利用。在国家碳达峰碳中和的背景下，逐渐对能源消耗领域的各项技术提出了绿色化、低碳化等要求。基于国家的发展战略和用户的需求，提出了适应多工况的长寿命整体式高速透平技术。该技术不同于常规的汽轮机和螺杆压缩机，有着长寿命、广适应性以及维护简单的特点，能够为用户节省用电成本，节能降耗，实现推动双碳目标。同时，介绍了该技术的技术特点、设计流程，对比了该技术与一些传统透平发电的特性，发现该技术在寿命和工况适应性方面有着其独特的技术优势。最后，以工程实例预算，对该技术的实际应用进行了分析与展望，为该技术的应用提供了案例基础。

关键词：

多工况；透平；节能减碳；长寿命

一、概述

能源是人类生存和发展不可或缺的重要基础，也是人类生产活动必不可少的重要资源。我国的能源消耗占到世界能源消耗的20%以上，消耗能源总量超过40亿吨标准煤，能源供不应求的趋势日益加剧[1]。

在我国的能源消费结构中，工业生产占总能源消耗的70%以上，因此在《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》中，国务院将“工业节能”作为优先主题。在工业能源消耗中，发达国家的能源利用率可达到50%，而我国的能源利用率仅有33%左右，能源利用率较低。而且，在未来的国家发展中，能源消耗还将持续加大，如何控制能源消耗成为国家面临的重大挑战[2]。

在工业生产中，能源利用率仅有50%左右，其余大多是以余热废热的形式排放到大气中，不仅造成了能源的极大浪费，还污染了环境。余热废热的形式主要有：烟气余热、锅炉余热、废水余热和废料余热等。在工业余热中，余热能具有如下特点：分布广泛（全国各地的化工厂、钢铁厂、冶炼厂都会产生）；余热量不稳定；余热介质性质多样（有气态、颗粒和液态，且很多介质有腐蚀性）等，而对于低品位热能，由于其温度较低（一般低于200℃，甚至低于100℃），利用难度更大，基本都是直接废弃，因此低品位余热的利用显得尤为重要[2]。

在当前工业中，钢铁、冶金、化工等行业，生产过程中往往产生大量多余的压力能量，传统的工艺方法一般是直接通过减压阀降为常压，因此造成了余压能量的浪费。余压透平发电技术正是对工业过程中高压能量加以回收和利用，将高压能量通过透平机做功，驱动发电机发电，产生的电能不仅可以供车间厂房自用，剩余的电能可以与市政电网并网。该技术高效节能，对环境不产生任何形式的污染[3]。

二、现有的蒸汽能利用技术及其优劣

电能是现阶段利用广泛的高品位的能量之一，在国家多领域内有着广泛的应用于重要的地位[4]。

现有的针对低品质蒸汽能回收的研究主要集中在两个方面，第一个方面是针对热力循环，改进其中的循环工质和循环过程，保证了循环工质和换热过程均为最优状态；另外一方面则是针对低品质蒸汽能回收设备的研究和改进[3]。

2.1汽轮机

汽轮机也称蒸汽透平发动机，是一种将蒸汽的内能转换为机械能的一种机械装置，这种动力装置的优点是其输出功率达，运转效率高，但是其占地面积也随之而来较大。

汽轮机主要的系统包括蒸汽系统、循环水系统、汽轮机机油系统、冷却系统等。而汽轮机本体的基本结构则是由气缸、隔板、喷嘴、轴承、轴、叶轮、叶片、起风、联轴器等等[5]。

2.2螺杆膨胀机

螺杆膨胀机是将螺杆压缩机的工作原理反向使用的一种机器，其膨胀的全过程中，内部压力、温度和相应的焓值逐步下降，同时熵增加，从而将内部工质的内部能量转换为机械能，并最终转换为电能。其工作过程可以分别进汽、膨胀和排汽3个阶段[6]。螺杆膨胀机一般由以下几个部分组成，包括有螺杆转子、轴承和外壳组成的动力机械本体，密封系统，润滑油系统，冷却水系统，调速系统、仪表检测系统和自控系统[7]。

国产的螺杆膨胀机存在着以下特性，其基本结构简单，零部件较少，因此占地面积少，但是一般使用的时候由于需求一般需多台同时使用，也使得其最终的占地相对偏大。同时其也可以适用于过热蒸汽、饱和蒸汽以及两相的工质，其工质适用范围广，此种膨胀机其工作寿命为4-8万小时[8]。现阶段，螺杆膨胀机已经应用于诸多有色金属行业例如锌产业与铜产业等。

2.3整体式高速透平

现有的蒸汽能回收设备存在着一些缺点，包括其整体结构复杂切庞大，同时更适用于高品质的蒸汽能回收，加工运行成本高，这些也造成了低品质蒸汽能回收困难的问题，也间接使得低品质蒸汽能回收得不到更大规模的应用。因此，为了更大程度上的利用低品质的蒸汽能，响应国家在节能降耗方面的号召，提出了适应多工况的长寿命整体式高速透平技术，这种技术极大程度上降低了原有蒸汽能回收设备的部分缺