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青岛科技人学研究生学位论文 注汽锅炉废热利用技术研究 摘要 1 1 1 11 i ii iiii i i i iiiif 17 4 0 4 4 1 目f j f 油田热采用注汽锅炉的热效率较低，一般仅为8 0 左右，而注汽锅炉所 排放的高温废水( 8 5 m p a ，2 9 5 。c ) 所携带的高品位热能却一直未被有效利用。 为有效提高注汽锅炉热利用率，本文对注汽锅炉余热综合利用技术进行了研究。 注汽锅炉的排放水属于高温高压水，属于较高品味能量。根据这个特点，兼 顾不同的工艺条件，提出了注汽锅炉余热梯级利用模式，分别为有机物郎肯循环 + 水轮机综合发电模式；热水透平前置扩容发电模式和多级闪蒸发电三种模式方 案。对三种利用模式的流程进行了分析对比，优缺点进行了分析对比。根据现场 环境及目前现有工艺条件，决定使用闪蒸罐+ 饱和蒸汽汽轮机对余热能量进行回 收。 对闪蒸发电系统进行了基础理论分析，采用卧式闪蒸罐结合背压式汽轮机。 参考设计手册，对不同蒸汽出口压力下的闪蒸罐参数进行了计算，设计了整套系 统的控制方案。通过理论分析和计算机模拟，对饱和蒸汽轮机进行了研究，建立 了饱和蒸汽轮机的数学模型，对小型复速级汽轮机的级内效率进行了计算。在 0 8 m p a ，理想状态下，汽轮机的级内效率为3 6 ，整套系统的热效率为2 1 9 6 。 基于f l u e n t 软件平台对汽轮机使用的拉伐尔喷嘴进行了模拟与优化。结果显示， 当顶锥角取8 。，扩张段长度取l o m m ，喉部长度为l 研历时，效果较好。 通过本文的研究分析，为注汽锅炉的余废热利用奠定了基础，为未来的更有 效利用做好了技术储备。 关键词：余热梯级利用闪蒸饱和蒸汽轮机拉伐尔喷嘴模拟优化 注汽锅炉废热利用技术研究 青岛科技大学研究生学位论文 t h es t u d yo fs t e a m i n j e c t l 0 n b o i l e rw e a t eh e a ta p p l i a n c e t e c h n o l o g y a b s t r a c t t h eh e a te f f i c i e n c yo fs t e a mi n j e c t i o nb o i l e ru s e di no i lf i e l dn o wi sv e r yl o w , o n l y a b o u t8 0 h o w e v e r , t h eh e a t i n go ft h e h o tw a s t ew a t e r ( 8 5m p a ，2 9 5 ( 2 ) h a sn o tb e e n u s e de f f i c i e n t l yy e t t h ec o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o nt e c h n o l o g yi si n v e s t i g a t e di nt h i s d i s s e r t a t i o nt oe n h a n c et h eh e a te f f i c i e n c yo fs t e a mi n j e c t i o nb o i l e r t h ew a s t ew a t e rw i t hh i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u r ed i s c h a r g e df r o mt h es t e a m i ：i l j e c f i o nb o i l e ri sh i 曲一q u a l i t ye n e r g y a c e o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c sn o t e da b o v ea n d d i f f e r e n tt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，c a s c a d e - m o d e la r ep u tf o r w a r di nt h es u r p l u sh e a t u t i l i z a t i o no fs t e a mi n j e c t i o nb o i l e r , t h e ya l et h ec o m p o s i t em o d e lo ft h e o r g a n i c r a n k i n ec y c l e ( o r c ) & h y d r o t u r b i n e ；p r e p o s i t i o na n dd i l a t a t i o no fh o tw a t e rt u r b i n e , a n dm u l t i l e v e lf l a s h ( m s f ) e v a p o r a t i o ng e n e r a t ee l e c t r i c i t y c o m p a l a t i o n sa r et o o kt 0 a n a l y s et h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s f l a s hc a n & s a t u r a t e ds t e a mh y d r o t u r b i n e a l ea c c e p t e di nt h er e c y c l eo fe n e r g yi nh o tw a s t ew a t e rb a s e do nt h ep r o c e s s c o n d i t i o n sa n dt e c h n o l o g y h o r i z o n t a lf l a s hc a l l b a c kp r e s s u r eh y d r o t u r b i n ea l eu s e da c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i s 0 1 1b a s i ct h e o r i e so ff l a s h e v a p o r a t e dg e n e r a t i n gs y s t e m t h ep a r a m e t e r so ff l a s hc a n a r ec a l c u l a t e di nd i f f e r e n to u t l e tp r e s s u r eo fs t e a m ，a n do p e r a t i o nm e t h o di sd e s i g n e d f o rt h es y s t e m s a t u r a t e ds t e a mh y d r o t u r b i n ei ss t u d y e d ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r e e s t a b l i s h e d ，a n ds t a g ei n t e r n a le f f i c i e n c yo fh y d r o t u r b i n ei sc a l c u l a t e da sw e l lb yt h e t h e o r e t i c a la n s l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n i nt h ei d e a lc o n d i t i o n , u n d e rt h ep r e s s u r e o f0 8m p a ，t h es t a g ei n t e m a le f f i c i e n c yo fh y d r o t u r b i n ei s3 6 s t i m u l a t i o nt h el a v e l n o z z l eb a s e do nt h ef l u e n t p l a t f o r m ，a st o l db yt h er e s u l t s ，t h es y s t e mw o r km o r e e f f i c i e n t l yw h e nt i pa n g l ei s8 。，t h el e n g t ho fe x p a n s i o ns e c t i o ni s 10 m m ，a n dt h e l e n g t ho fl a r y n g e a li slm m i nt h i sp a p e r , t h ea n a l y s e sl a yaf o u n d a t i o nf o rf u t u r eu s eo fw a s t ee n e r g yf r o mt h e i i i i v 青岛科技人学研究生学伉论文 符号说明 压力容器计算厚度 m m 计算压力m p a 焊接接头系数 有效厚度 历脚 名义厚度 m m 厚度附加量 m m 设计温度下圆筒的计算应力m p a 压力容器最大运行工作压力m p a 二次蒸汽量 姆h 连续排污水量 堙h 锅炉饱和水焓 耄姆 排污管热损失系数 闪蒸罐工作压力下饱和水和饱和的焓 移姆 闪蒸罐工作压力下饱和蒸汽焓 移堙 二次蒸汽干度 膨胀罐容积 聊3 膨胀罐富裕系数 二次蒸汽量 姆 二次蒸汽比体积m 3 k g 单位体积膨胀罐的蒸汽分离强度 饱和条件下的蒸汽压力m p a v 万 以 皖 瓯 c b 几 砬 吼 v 坼 工 k d 缈 以 注汽锅炉废热利用技术研究 饱和蒸汽温度 足 汽流质量流量 姆s 汽流速度 m s 通道截面积 m 2 蒸汽的质量密度 堙朋3 等熵指数 临界压力比 喷嘴出口的理想汽流速度 m s 喷嘴进口的汽流速度 m s 喷嘴进口的汽流比焓值 培 喷嘴出口的汽流比焓值 j ，姆 喷嘴前后压力比 喷嘴速度系数 动叶速度系数 v l c g c 彳 p k 气 矽 缈 l l l 互l l l l l l 2 互&乙色幺z互乙 3 文文文 4 乱龟t t 乱龟色 注汽锅炉废热利用技术研究 4 1 汽流参数与喷嘴形状的关系3 5 4 2 喷嘴的速度3 7 4 3 喷嘴的尺寸3 8 4 4 蒸汽在动叶栅中的流动3 9 4 5 轮周效率4 0 5 汽轮机的级内效率4 1 5 1 汽轮机的级内损失4 l 5 2 级的相对内效率4 4 6 汽轮机性能及结构参数的优化4 4 7 饱和蒸汽轮机的热力计算4 6 7 1 喷嘴的热力计算4 6 7 2 动叶部分的热力学计算4 8 7 3 级内损失计算5 1 7 4 级的内功率5 2 7 5 级的内效率二5 2 4 8 本章小结5 2 5 饱和汽轮机喷嘴的模拟与优化5 3 5 1f l u e n t 简介5 3 5 1 1 程序的结构5 3 5 2f l u e n t 条件设置5 5 5 3 汽轮机喷嘴模型5 6 5 4 模拟情况说明5 7 5 4 1 不同的喷嘴喉部长度的对出口的影响5 8 5 4 2 顶锥角角度的模拟与优化6 0 5 4 3 扩张段长度的模拟与优化6 3 5 5 本章小结6 6 6 总结与展望6 7 参考文献6 9 附录7 2 致谢7 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文7 5 独创性声明7 6 关于论文使用授权的说明7 6 青岛科技大学研究生学位论文 1 绪论 1 1 课题的研究背景和意义 2 0 0 9 年，我国进口原油达到2 0 3 7 9 亿吨，比上一年度增加了约2 5 0 0 万吨，增 幅超过1 0 。进口原油占国内原油消耗比首次突破5 0 这条心理警戒线。我国原油 消耗由原先主要靠国内保障，转为主要靠进口满足。对进口原油越来越严重的依赖 凸显出现在我国在g d p 高速发展下面临的越来越严重的能源问题。 能源工业，作为国民经济命脉、实现现代化的基础，在现代社会中扮演着举足 轻重的作用。2 0 0 9 年，在国内一次性能源消费结构中，煤炭占6 8 7 ，石油占1 8 ， 天然气占8 4 ，非化石能源即可再生能源消费比重上升到占9 9 。一次性能源的消 费依然占据全部能源消耗的9 0 l 1 1 。根据国务院在0 9 年下半年提出的目标，到2 0 2 0 年全社会次能源消耗中的比重要减少到到8 5 左右。区区5 ，任重而道远。 在这种情况下，提高现有能源的利用效率就显得尤其重要。我国从2 0 0 0 年开 始就大力开展节能减排工作。2 0 0 5 年国家发改委要求企业节能十条措施第三条规 定：回收利用余热、余压发电。今年的政府工作报告也在“加快转变经济发展方式， 调整优化经济结构”中明确提出，推进矿产资源综合利用、工业废物回收利用、余 热余压发电。 胜利油田作为我国第二大油田，稠油储量十分丰富。目前稠油开采主要采用的 是热蒸汽驱油技术，即将干度8 0 左右的过热蒸汽通过管网注入油井，通过过热蒸 汽加热地下油层，降低稠油的黏度使之便于流动，然后通过抽油机抽出油水混合物 后静置分离后得到油层。其中的核心就是产生过热蒸汽的注汽锅炉。 注汽锅炉是随着稠油热采技术的发展而出现的一种新型工业锅炉，不同于一般 意义上的热水锅炉或蒸汽锅炉，它的产物是干度8 0 左右的汽水混合物。它将增压 后的软化水加热蒸发成湿蒸汽，通过汽水分离后将蒸汽送入地下油层，通过加热油 层使其降低黏度以便于开采；而2 0 的高温高压水则作为废水排放。 胜利油阳现有2 3t h 和l o t h 的注汽锅炉8 2 台，在用5 6 台，每年消耗燃油2 2 7 万吨，年产干烟气3 1 3 1 0 8 m 3 。在增加了原油产量的同时，也排放了大量的工业 废热。对这些低温余热进行回收再利用发电，既能提高能源利用效率，又能减少能 源生产过程中的环境污染。 以单台蒸汽干度8 0 的2 3 t h 注汽锅炉为例，汽水分离后排掉高压1 7 m p a 、高 温3 1 6 。c 的过热水3 4 0 0 k g h ，同时又排掉了高达2 3 0 。c 的大量烟气。如果能够将注汽 锅炉所排放的废水及烟气所携带的能量，利用余热发电技术或者余压发电技术使之 注汽锅炉废热利用技术研究 为人们所急需的电能，则是一条减少一次能源消耗的有效可行的途径。 目前，我国利用余压余热发电主要集中在钢铁，水泥，发电厂等高耗能企业， 如钢铁企业利用干法熄焦显热回收发电、高炉炉顶压差发电，回收高炉、焦炉、转 炉煤气发电，水泥企业利用窑炉尾烟气余热发电等。胜利油田从9 4 年起开始研究 对注汽锅炉的余热进行利用，但只限于使用换热器进行取暖或者预加热给水，利用 注汽锅炉的余能提供工业用电尚处空白。 1 2 国内外对低温热能的利用 低温热能利用的研究历史比较悠久。二十世纪初，意大利在拉德瑞罗火山地区 建造了第一座利用地热发电的地热电站【2 1 ，1 9 2 4 年，国外开始研究采用二苯醚作为 工质的有机物朗肯循环，用于吸收低温热源中的能量。到目前为止，国内外对于低 温热能的利用形式还是主要以基于郎肯循环的热力发电为主。除了热力发电之外， 水泥行业利用纯低温发电技术也属于对于低温热能的利用。而随着半导体技术的发 展，现在已经开始有人研究利用半导体温差发电的技术。除此之外，在玻璃、石化、 冶金行业中，也都有利用低温发电技术进行发电的应用。 2 1 基于郎肯热力循环的热力发电 截止到目前为止，低温发电主要还是基于朗肯循环的热力发电系统，如有机物 朗肯循环( o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ，o r c ) 、水蒸汽扩容循环、k a l i n a 循环、氨吸收式 动力制冷复合循环等。 有机物朗肯循环采用不同的有机物工质( 或者混合物) ，可回收不同温度范围的 低温热能；水蒸汽扩容循环主要用于地热发电；k a l i n a 循环是以氨水混合物为工质 的循环；氨吸收式动力制冷复合循环是一种新型的复合循环。 有机物郎肯循坏是郎肯循环的一种改进。简单的郎肯循环包括锅炉、汽轮机、 冷凝器和水泵四个基本的热力设备【3 】，主要包括等熵压缩、等压冷凝、等熵膨胀、 以及一个等压吸热过程。在郎肯循环中，工质是水蒸汽，而有机物郎肯循环一般 应用于中低温热源，其工质是沸点比水低的多的有机物( 如r 1 3 4 a ，r 11 ) 。在有机 物郎肯循环中，锅炉被换热器取代。通过换热器将低沸点工质与热流体进行换热， 加热后的低沸点工质气化为蒸汽带动汽轮机做功发电。工质通过换热器蒸发，由冷 凝器回收，一般不会流失。 2 青岛科技人。研究，七学位论文 。 l卵 l y 广l 换i 热l 器l l 厂、 u 水泵2 ；三垦要一j 水泵l 图1 1 有机工质郎肯循环 f i g 1 1o r g a n i cr a n k i n ec y c l e ( o r c ) 由于所选有机物的沸点一般都比较低，所以有机物郎肯循环能将低温热能中更 为有效的利用。这种有机工质发电循环系统，具有回收余热量大、设备紧凑、发电 效率高等特点，目前应用的最为广泛。k a l i n a 循环由a l e x a n d e r k a l i n a 于1 9 8 3 年提出 4 1 ，该循环以氨水混合物作为工质，由于工质相变的非等温过程和循环过程中工质 浓度的改变，使得循环在整体上与热源和冷源有较好的换热匹配关系。因为氨- 水溶 液临界温度较低，使得k a l i n a 循环可以应用于低温热源，如地热能、工业废热、作 为直燃式汽油发电机组和压燃式柴油发电机组底部循环【5 1 1 】；也可应用于电冷联产 的循坏系统中。 k a l i n a 循环的工作过程是：具有特定比例的氨水混合液进入锅炉( 或其他热源) 受热蒸发，生成的高压蒸汽通过汽轮机膨胀做功，驱动发电机输出电力。它的特点 是氨一水混合物在受到热源加热后，氨先蒸发，混合液中的氨浓度降低，于是在受热 汽化过程中混合液具有可以控制的可变化的沸点温度，该特点能把热源中更多的热 能传递给工质，使循环的热力性能优化，从而提高了热效率。 早在1 9 8 5 年，美国麻省理工学院( m t i ) 曾为k a l i n a 循环召开了专题研讨会，在会 上麻省理工学院工程研究发展中心主任m y r o nt r i b u s 教授认为，k a l i n a 循环是“本世 纪在热力学上最有意义的发展。k a l i n a 循环的发明人- - a l e x a n d e rk a l i n a 博士成立了 e x e r g y 公司，自任总裁，该公司专门从事设计、试验研究k a l i n a 循环中的技术关键和 推动其商业化应用【2 1 。 r 本的一色尚次在上世纪8 0 年代酋先提出利用发动机废热的氟里昂汽轮机发电 装置【j 3 】，该装置是一种利用低沸点有机物( 一般为氟利昂) 作为工质，通过与发动 注汽锅炉废热利用技术研究 机废热换热，由液态变为蒸汽推动汽轮机发电，也是基于有机物郎肯循环原理。此 种装霄在利用低品位热能力方面有优势，其缺陷是系统较为复杂笨重且无工质回收 装置【14 1 。 b l i e m 提出以柴油机热源利用氨一水混合物作为循环工质，使用汽轮机排出的废 气预热工质实现废热发电。数据显示流体进口温度4 5 5 ，出口温度3 2 6 ，工质从 低温热源流体吸热量1 2 9 0 k w ，在汽轮机作内部绝热膨胀，汽轮机排气进冷凝器温度 3 8 1 ，冷却水带走热量11 4 0 k w ，循环输出功率巧1 5 0 k w ，循环热效率可以达到 1 1 6 3 【15 1 。 以色列o r m a t 公司研制了一种密闭循环涡轮发电机组( c l o s ec y c l e v a p o r t u r b o g e n e r a t o r ，简称c c v t ) 。它是一种比较先进的采用密封设计的基于有机物朗肯 循坏的可以应用于极度恶劣天气的发电设备，是当今世界上比较可靠的小型发电设 备，其中的大部分已在恶劣环境条件下运行了3 0 年以上。他的特点是高可靠性，不 需专业维护，无需大修；美国阿拉斯加管道工程，印度天然气管理局g a i l 都采用这 种设备用于无人值守的地方的供叫m 】。也是一种基于有机工质郎肯循环的一种发电 设备。 函 淞 瑟琵黼 赫 一 一一 一 一 l塑 ，一一， i 圈匿j 图1 2 密闭循环涡轮发电机组( c v v t ) f i g 1 2c l o s ec y c l ev a p o rt u r b og e n e r a t o r ( c v v t ) 意大利安莎尔多( a n s a l d o ) 能源公司是世界电厂设备的主制造商，a n s a l d o e n e r g i a 制造和供应所有类型电站的伞套设备，将k a l i n a 循环将k a l i n a 循环技术应用于 地热电站当中。 4 青岛科技大学研究生学位论文 美国g e 公司也将k a l i n a 循环技术应用于燃气轮机一k a l i n a 联合循环电站。 意大利在北部布雷西亚建设了一座基于郎肯循环的地热电站。其运行参数为： 地热水入口温度：1 0 6 。c ，地热水j 口温度：7 00 c 。发电量约为1 0 0 0 k w l a ( 17 1 。 在有机工质郎肯循环系统中对汽轮机作出改动，用螺杆膨胀机代替汽轮机，这 就是双循环螺杆膨胀机系统，是目前较为先进的一种低温热能回收装置。 1 9 1 7 年至1 9 3 7 年，美国水热电力公司将两台螺杆压缩机改造为膨胀机，并分别 在加利福尼亚对a l v a l l e y 和墨西哥c e r op r i e t o 进行了现场实验。2 0 世纪8 0 年代初，在 世界能源组织( 1 e a ) 的资助下，美国水热电力公司设计、制造了1 m w 大型螺杆膨胀 机发电机组，并分别在新西兰、意大利和墨两哥进行了机组的性能及可靠性实验， 膨胀机的最大效率达6 8 【硌】。在早期的应用中，螺杆膨胀机一般应用在地热发电上， 使用较大流量的中低温热水来获得电力。在有机工质双循环系统中，由于使用有机 工质代替水，从而在1 0 0 。c 左右就可以获得较大流量的蒸汽，因此发电效率更为提高。 国内目前由深圳市汇和新能源技术有限公司生产的螺杆膨胀动力机的相对内效率在 警 6 5 7 5 之剐19 1 。 1 2 2 纯低温余热发电技术 纯低温余热发电技术是利用中低温的废水或者废气，通过纯低温余热锅炉或者 利用闪蒸技术产生低品位蒸汽，来推动低参数的汽轮机组做功发电。闪蒸就是将一 定压力下的凝结水或锅炉水降压进行二次蒸发汽化的过程，他所得到的蒸汽一般为 饱和蒸汽。作为当前节能和环保要求下的必然趋势和产物，纯低温余热发电不用任 何补燃【2 0 1 ，与火力发电相比，不需要消耗一次能源，不产生额外的废气、废渣和其 他有害物质。是控制大气污染，保护臭氧层，减少能源消耗的有效手段和途径，也 是企业提高能源利用效牢，降低成木，提高产品市场竞争力，减少c 0 2 气体排放和 保护环境的重要措施之一【2 。 水泥窑余热发电是国内外发展较早的对于低温余热利用技术。国外在8 0 年代末 9 0 年代初丌始推广纯低温余热发电，当时我国采用的还是带补燃的余热锅炉发电， 余热部分只占发电量的2 0 ，更像是一个小型的火力电厂【2 2 2 7 】。 我国的水泥窖余热发电技术源于二十世纪三十年代r 本人在我国东北及华北地 区建设的若干条中空窖高温余热发电站。自1 9 9 2 年以来，国内共计有2 2 家水泥厂， 3 7 条新型干法水泥窑建设、投产了2 7 台总装机3 6 6 m w 的带补燃锅炉的低温余热电 站。我国从9 0 年代木开始淘汰补燃锅炉，大力发展纯低温余热发电。1 9 9 6 年以来， 国内共计有4 家水泥厂、3 条预分解窑、l 条预热器窑投产了4 台总装机1 9 4 8 m w 的纯 低温余热电站。 南京水泥工业设计研究院在“八五”期间在中低温余热发电技术及装备开发方 注汽锅炉废热利用技术研究 面做了积极的工作，为江西水泥厂2 0 0 0 f f d 生产线配套设计开发了一套3 0 0 0 k w 的 纯低温余热发电系统，由于国产低参数汽轮机及其它设备的技术限制，未能充分发 挥水泥窑的余热发电能力。 1 9 9 7 年，安徽宁国水泥厂从日本引进4 0 0 0 f f d 带有四级预热器预分解窖的6 4 8 0 k w 纯低温余热发电工程。余热系统采用热水闪蒸技术，利用补汽式汽轮机又称混压进 汽式汽轮机进行发电。闪蒸是指水的一种相变过程，即在一定压力和温度下的未饱 和水，当压力下降至某温度下的饱和压力时，就会进入饱和区而开始汽化，并且随 着压力的下降，其汽化程度不断提高。补汽式汽轮机是有两个进汽口的汽轮机，一 个作为主蒸汽进口，另外一个进汽口接入的是通过闪蒸技术生成的低压饱和蒸汽， 两个迸汽口同时工作向汽轮机供汽。而当时国内在中小型汽轮机设计制造方面，仅 能生产一个进汽口即仅有一个进气口的汽轮机。补汽式汽轮机当时从日本引进i 蹦z 圳。 1 9 9 8 年初设备投入运行，实际运行发电能力达到7 0 0 0 k w 以上，安全运行至今发电超 过3 亿k w h 未进行主机中修。 1 2 3 半导体温差发电 现在随着半导体技术迅速发展，金属导体热电转化效率逐渐提高。将半导体温 差发电用在低温发电领域也有了可能。温差发电原理如图1 3 所示。在p 型州型) 半导 体中，由于热激发作用较强，高温端的空穴( 电子) 浓度比低温端大，在这种浓度梯 度的驱动下，空穴( 电子) 由于热扩散作用，会从高温端向低温端扩散，从而在低温 开路端形成电势差，这就是塞贝克( s e e b e c k ) 效应。 p 型 n 型 半导体 o o 9 e 半导体 o 毋o ee o 0 0e 日 o 田oe e 日 ! i e c tr o 噍t - - - - q ；i e c tr o 廛 低温热沉 冷却部分 0 尚 幽1 3 温筹发电( s c c b a c k ) 原理 f i g 1 3p r i n c i p l eo fd i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r eg e n e r a t i o n ( s e e k b a c ke f f e c t ) 6 青岛科技大学研究生学位论文 将p 型和n 型半导体的热端相连，则在冷端可得到一个电压，这样一个p n 结就可 以利用高温热源与低温热源之间的温差将热能直接转换成电能，将很多个这样的p n 结串连起来，就可得到足够高的电压，成为一个温差发电机【3 0 】。如图1 4 所示。由于 温差发电本身是静态下能量转换，没有旋转部件，因此减少了机械磨损，降低了噪 音。但由于热电转换效率低，只能利用发动机废气余热的一小部分，有待于进一步 提高热电转换效率和寻找具有更高热电转换效率的材料。资料表明【3 l 】：半导体温差 发电材料的热电转化效率可达3 3 ，甚至是7 。 导i u 体 热i | ；= 输入 u 热缝敞 l i 图1 _ 4 温差发电机结构示意图 f i g 1 _ 4s t r u c t u r ed i a g r a mo ft h ed i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r eg e n e r a t o r 1 3 国内外对余压的利用 与低温热能的利用方式多样不同，国内外对余压的利用都是通过发电来实现 的，它的过程与火电厂的汽轮机相类似，而且一般都是属于带热能的高压气体。在 余压利用领域，国内外其实差别并不大，根据工质的不同，主要有两种利用方式。 一种是高炉煤气余压回收透平，主要用于对冶金厂高炉气体的回收发电，它的利用 介质是为气体；另外一种是在石化行业中使用的液力透平，他的利用介质是液体。 青岛大学的张铁相提出利用废气能量驱动涡轮带动发电机发电的设想，进行了 设计并申请了专利【3 2 】。日本的占田佑也曾作过此方面的实验【3 3 】，证明了利用废气 能量驱动涡轮所发出的电能足以提供汽车运行所需电能【3 4 , 3 5 ，但未做进一步研究。 2 0 世纪7 0 年代开始，日本在余能发电技术的技术上迅速发展，到8 0 年代，继 高炉余压发电技术以后又开发出了巾压的水力透平技术。最开始的透平技术应用范 围小，技术不先进，只能开发进口1 8 4 o m p a 的热水透平，效率不高于0 6 。 7 注汽锅炉废热利用技术研究 上海理工大学的王冠群等对日本的热水透平技术做了较为深入的研究，简要介 利用中温余热的热水透平的工作过程，讨论了透平效率的计算公式，提出了用 热水回收中温余热的可能性和优越性，指出前置热水透平和后置扩容汽轮机的联合 发电方式能提高大约1 0 的出力【3 6 】，随后他又在热水透平喷嘴开发现状与展望 中详细介绍了对透平效率影响最大的喷嘴，并提出了几种对喷嘴进行改进的方案。 还有一些不含热量的流体所含压能进行发电方式，比如小化肥厂的高压清水洗 涤原料气中的工艺流程也会产生大量的高压水，但是这部分水温度较低，通过改进 的水压发电系统，将脱气塔水池中清水由多级离心水泵加压至1 5 m p a 压力， 送入 水洗塔，由顶部喷淋而下，吸收了由下而上的原料气中后，由塔的底部出口水管 流出，经过水轮发电机组，能量被回收后，回送至脱气塔水池顶部，淋洒入池后， 清水再由多级离心式水泵吸入加压后循环使用【3 。 1 3 1 高炉煤气余压回收 高炉煤气余压回收透平发电装置( t o pg a sp r e s s u r er e c o v e r y t u r b i n e 简称 t r t l ，是世界上比较公认的钢铁企业能量回收装置。高炉在冶炼过程中产生的 高压煤气，通过减压阀组的强制节流和形成噪声变成低压煤气，然后送往低压管网 送给用户使用。高炉煤气炉项余压发电装置就是将原来损失在减压阀机组的压力能， 通过透平机膨胀做功，带动发电机工作变为电能的设备。这种二次能源回收方式， 一般可回收高炉鼓风机所耗能量的3 5 5 0 。 1 9 6 9 年，苏联首先试验成功余压发电，日本后来居上。日本的川崎钢铁公司， 在2 1 座高炉上安装了高炉余压发电机，每月发电量竟高达1 2 亿度，并于1 9 7 4 年 在水岛厂2 号高炉安装、运转。据估计，一座钢铁厂的高炉，全部装上炉顶发电机， 可以提供全厂5 的用电量。 我国国内目前有陕西鼓风机集团等企业，已经可以独立制造高炉煤气余压能量 回收发电装置( t r t ) 的专业生产厂家，其t r t 装置的设计、制造、成套技术现已达到 了国际先进水平。目前，t r t 机组己广泛用于冶金、石化等领域。 1 3 2 液力透平的利用 目前在工业生产流程中，有时因生产需要的高压液体，到下一步又需要减压。 为了利用高压的能量，采用液力透平对能量进行回收。其实水电站的水轮机也可以 说就是一种液力透平。不过它适用于大流量，低压头，而工业用液力透平，适用于 小流量和高压头。因为工况不同，结构也不同。水轮机类似轴流泵，而液力透平更 象蒸汽透平的结构。目i 订我国的石化行业中，比较常见的是在汽油加氢中应用液力 透平进行对压力进行回收发电。 液力透平是相对蒸汽透平而言的。蒸汽透平是靠蒸汽来驱动透平旋转，液力透 平是通过高压液体来驱动透平旋转。液力透平的工作原理与离心泵很类似，不过是 青岛科技大学研究生学位论文 相反的作用。液力透平是将通过高压流体能量衰减，产生动力，带动连接设备旋转 的机械。这也是为什么现在世界上主要液力透平生产商都是原来的泵业公司。国际 上，美国的f l o w s e r v e ( 福斯) ，日本的荏原，新日本造机；国内大连深蓝泵业，浙江 嘉利特荏原泵业做的也不错，江苏大学曾做过这方面的研究。 能最回收透平可以对工艺流程中产生的高压液体进行再利用，是一种能量回收 装胃，目前广泛应用于石油化工产业和大型合成氨等化工装置中，是具有长远经济 效益的节能装置。液力透平是用液体驱动设备回收能量，也就是凹收液体能量，一 般采用逆运行泵来充当透平。液力透平与泵扬程流量特性曲线的趋势相反，液力透 平的曲线在零值输出功率以后，压头随流量的增加而迅速上升。泵作液力透平时， 它的最佳效率值与作泵用的最佳效率值基本相等，但在较大的流量点处，而且在该 点右侧效率下降缓慢，因此宜于在最佳效率点或较大的流量下运行。液力透平的输 出功率和效率随流量的下降而迅速降低，当流量下降至最佳效率点4 0 时，输出功 率及效率均为0 ；当流量低于该值时透平即处于耗功状态。正因为此液力透平与电 动机串联驱动泵，当流量变小时，依靠电动机驱动。液力透平的结构形势主要是离 心泵，根据回收介质的流量、压力，各种形式的泵都可以充当液力透平。 液力透平对压力差有一定的要求，一般都要求比较大的进出口压力差，如果压 力差达不到时，那它不工作，这样也不会损坏它所带的设备。 目前国内的主要集中在石化行业，用于高温裂解中的加氢。中国石油大庆石化 公司炼油厂从日本荏原公司引进的国内首台高温高压液力透平节能设备，在1 2 0 万 吨年加氢裂化装置运行，用于回收加氢裂化装置的压力能。此装置2 0 0 4 年8 月投 入生产，中热高分油液体出入口温度为2 3 0 ，入口压力为1 3 m p a ，属高温高压工 况，该液力透平出入口压差为1 1m p a 。使用的温度在3 0 0 左右，压力也在1 0 m p a 左右。而当时国内同类企业在同种工况下一般不回收或不能回收高温高压介质的压 力能。该设备的投用运行，年可节电2 4 9 力- 度，节约电费1 4 2 万元，降低装置能耗 1 5 l 。 2 0 0 8 年0 8 月2 7 日，由大连深蓝泵业有限公司为大连西太平洋有限公司重油 加氢脱硫装置研制的双壳体高温高压多级能量回收液力透平一次性丌车成功，目自，j 运行状况良好，各项指标均符合设计要求。该透平流量为3 0 0 m 3 h ，扬程1 5 6 5 m ， 介质为3 3 5 常渣油，入口压力1 2 8 m p a ，转速3 6 0 0 r m ，回收功率6 5 0 k w ，年 节电5 0 0 万度。 1 4 课题的来源和主要研究目标 本课题来源于胜利油f f i 重点科技攻关项目注汽锅炉废热发电综合利用项目。 9 事 注汽锅炉废热利用技术研究 注汽锅炉作为油f 只注蒸汽热采的关键设备，是油田热采工艺过程中能耗最大的 设备之一，其设计热效率为8 5 ，排烟温度指标为低于2 5 0 * ( 2 。大量热量随烟气废水 被排掉，造成能源的浪费。在认识到油田注汽锅炉烟气余热的巨大浪费后，从1 9 9 4 年开始了对油罔注汽锅炉烟气余热利用进行研究论证工作，但主要集中在使用换热 器进行温度置换后用了二取暖和进行给水预热等。这类换热器置于油田注汽锅炉对流 段和排烟段上，取得了一定的节能效果。而目前对注汽锅炉的余能利用问题上，都 是在对烟气做文章，极少涉及蕴含高能量的热水。 随着国人节能减排意识的不断增强，对能源的有效利用越来越受到重视。所以 为了能源和环境的可持续性发展，废气废水余能的回收和利用成为发展中国家和发 达国家都在研究的热门问题。 本文的目的就是针对目前在注汽锅炉废水利用上的空白，根据现有文献和实际 利用情况，结合目前注汽锅炉的使用状况，提出了余能利用方案，并对方案的适用 情况进行了分析与对比。本课题的研究对于油田节能减排以及能源的更加有效的利 用，具有十分重要的现实意义和社会效益。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 针对目前油田注汽锅炉排放的高温高压废水，提出了一条利用余热余压 发电的设计理念，变废为宝，将以前浪费的能量转变为电能加以利用。 ( 2 ) 提出了对注汽锅炉余热余压的梯级利用方案，可以根据现场环境和条件 的不同，有选择的对余能进行利用。 ( 3 ) 依据现有条件，决定使用闪蒸技术结合背压式饱和蒸汽轮机进行发电。 设计了一套小型化闪蒸扩容发电系统，根据压力的不同对闪蒸罐进行了计算与优 化。 ( 4 ) 建立了饱和蒸汽轮机蒸汽流动的数学模型，对低压饱和蒸汽轮机进行了 设计与优化，计算了汽轮机的理论效率。并对其中的喷嘴叶栅进行了模拟，根据模 拟情况对喷嘴进行了优化。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 2 注汽锅炉余能利用梯级模式 目前油田上对注汽锅炉的余热利用还只是停留在简单的通过换热器取暖的 目的，利用率较低。而根据目前国内外关于余热余压的研究利用情况来看，不 论是郎肯循环还是纯低温余热发电技术，绝大多数对于余热余压的利用归根结 底都是利用蒸汽透平带动发电机进行发电，在某些行业可以使用螺杆膨胀机代 替透平作为做功设备。在石化的加氢工艺中使用液力透平作为能量回收透平， 它所使用的工质只能是轻质油类，在压降很大的情况下也不会发生汽化现象。 如果使用饱和热水作为工质则面临一个降压的同时汽化的问题，汽液两相流会 造成透平效率低下，而且对设备的运行也会造成不利的影响。 根据以上分析，针对注汽锅炉所排放的高温高压高盐度热水的情况，结合 胜利油田现有条件，设计出注汽锅炉余能梯级利用模式。 2 1 双循环螺杆膨胀机发电系统 2 1 1 螺杆膨胀机介绍 螺杆膨胀机是根据螺杆压缩机压缩原理的逆原理制成的是一种按容积变化 原理工作的双轴回转式螺杆机械。它没有活塞式机械那样的气阀、活塞等滑动部 件，因而可进行高速运转，气流速度比普通容积式机械大得多。它不但具有螺杆聱 压缩机的转速高、工劳十牛良好和无磨损、无不平衡的质量力等特点，而且可应用 现有的螺杆压缩机的生产技术来进行生产。虽然发展历史不长，但己被广泛用于 石油和石油化工部门的气体加工工业、蒸汽与各种气体的减压工程、能量回收工 程、发电工程等实际应用场合。在币确设计下，小机器可以达到7 0 一7 5 的绝热 效率，在大机械中，如果提供合适的工质，如制冷剂、轻的烃化合物，还可以增 力h n 8 0 l 例。 螺杆膨胀机的结构与螺杆压缩机基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、 轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等极少的零件组成，结构很简单，其气 缸呈两圆相交的“”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、 阳转子平行地雷于气缸中 注汽锅炉废热利j f j 技术研究 图2 1 螺杆膨胀机转子 f i g 2 - 1r o t o ro ft h es c r e we x p a n d 螺杆膨胀机的工作周期是由齿间容积中的吸气、膨胀和排气三个过程组成 的。吸气过程中，工作介质直接从纵向或轴向进入机内螺杆齿槽a ，吸入终了时， 吸气口关闭，这时齿间容积就形成了一个由转子和机壳共同围成的密闭空间，吸 入的介质在此空间膨胀并产生一个转矩。齿槽a 随介质的膨胀向排气端移动到b 、 c 、d ，当啮合点到达排气端，膨胀过程结束，这时螺杆齿间容积最大。当膨胀过 程结束的同时，吸气端的又一个啮合开始，新的啮合点又开始向排气端移动。排 气过程开始，齿间容积减少到转子的转角相一致的位置时的大小，介质最后从齿 槽e 排出。随着转子的转动，不断循环重复，实现气体的吸气、膨胀、排气三个 连续不断的过程。这就是螺杆膨胀机的工作原理。从膨胀始点到终点，随着膨胀 过程的进行，其压力、温度和焓值下降，比容和熵值增加，气体内能转换为机械 能对外做功【3 8 j 。 2 1 2 方案分析 有机工质双循环螺杆机系统是一种对低温热能进行利用的能量回收的系统 方式。整个系统主要是由蒸发器、螺杆机、冷凝器，工质泵等设备和一些管道组 成的。 从汽水分离器分离出的高温高压水，通过换热器加热有机工质( r 1 3 4 a ) ， 使有机工质由液态变为蒸汽，由蒸汽进入到螺杆膨胀机中做功带动发电机1 发电； 而做功后的乏汽再由冷凝器冷凝后变为液态，循环利用。在整套系统中，有机工 质始终只是在膨胀机系统内循环流动，并无质量的流失。 青岛科技人学研究生学位论文 8 帆过热蒸汽 一1 i f i 一 图2 - 2 双循环+ 双发电砚系统流程图 f i g 2 2f l o wc h a r to ft h et w o - c y c l ea n dt w o - g e n e r a t o r 高温高压水经过换热后，压力保持不变，然后通过水轮机利用高水头压力发 电。由于之前通过换热器换热后降低了温度，从近似饱和水变为压力热水，在保 持一定的压降的情况下，热水也不会发生汽化现象。利用后的热水依然含有一定 的压力和温度，但含盐成分较高，不宜再注入注汽锅炉循环利用。原来在注汽队 对于废热水的利用方式为与冷水混合后降温后用于洗井。而在本方案中，排放水 可以直接应用于洗井。 从汽水分离器中排放出的高温高压水先通过螺杆膨胀机，在利用水中所含热 能之后再通过水轮机进行发电。如果先通过水轮机进行发电的话，由于降压会导 致饱和水气化成蒸汽。而螺杆膨胀机只