CN101769179A - 一种环保节能减排系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种环保节能减排系统，与现有余热热能系统并联，用于利用余热热能做功。该环保节能减排系统包括通过热质主管路相连的螺杆膨胀机单元、多组测量装置、多组控制阀以及疏水阀；该环保节能减排系统还包括连接该余热热能系统与该螺杆膨胀机单元的启动旁路；该螺杆膨胀机单元包括螺杆膨胀机以及相连的负载设备。来自该余热热能系统的管路热质首先通过该启动旁路流入该螺杆膨胀机单元，使该螺杆膨胀机单元启动；然后来自该余热热能系统的管路热质经由该热质主管路流入螺杆膨胀机单元进行做功。本环保节能减排系统作为低品位余热热能领域的新型热力设备，实现了将低品位热能转换成高效实用的电能或动力能，也为节能降耗提供了新途径。

Description

一种环保节能减排系统

【技术领域】

本发明涉及一种环保节能减排系统，特别是涉及一种能够充分利用工业余热产生动力进行发电或做功的螺杆膨胀动力系统。

【背景技术】

我国的一次能源现状不容乐观，煤炭资源储量虽然世界排名第二(美国第一，是我国储量的一倍)，但我国可开采的煤炭资源不足百年时间，远少于世界前六位储煤量的国家；我国的石油和天然气资源也仅够开采几十年，世界范围内的石油开采也可能在本世纪内短缺。

由于我国能源结构的特点，能源没有实现充分的阶梯利用，余热资源量大而分布广泛。例如，我国现有相当部分的工业锅炉的额定蒸汽压力为1.3MPa，而使用时，却需要降压运行、减温减压使用，造成大量的浪费。

在石油化工行业，因为工艺过程中伴随着大量的蒸汽，也产生大量的废热液。这些废弃放掉的热源本可以回收利用。同样在冶金和钢铁行业，仅回收钢铁企业的冲渣废热水(80-90度)一项，就可以为每个企业带来2MW到5MW的电能，对于世界最大钢铁产量的我国来说，其社会效益和经济效益是不可估量的。另外，钢铁企业的废弃蒸汽也很多，远远多于冲渣废热水废弃的能量，因而回收能源的空间将是巨大的。

在电力企业尤其在热电联产企业，有许多减温减压蒸汽节流的能量损失，以及排放废热(如连排水排放)的能量损失。例如冬天供暖的热电厂，一般用高品位蒸汽来加热低品位的供暖热水，造成极大的能源品质的浪费。若将加热蒸汽先通过螺杆膨胀机发电(或拖动负载)，然后再加热供暖热水，可以大幅度降低厂用电量，发电成本仅为原电厂成本的1/3-1/5。

在地热发电和太阳能发电方面，螺杆膨胀机也可提供非常好的能量转换途径。地热水可以直接进入螺杆膨胀机驱动发电机发电，省掉了地热水结垢腐蚀带来系统庞大投资和维护的问题，前景广阔。原来的太阳能发电主要采用光电转换技术，存在成本高以及长期可靠性差的问题；现在可利用普通太阳能板吸收热量再通过螺杆膨胀机发电，系统简单而且造价大幅度降低，具有非常大的应用前景。

在其他行业，包括建材水泥、造纸印染、纺织、糖业食品、酒业、药厂等领域，也存在同样的能源损失问题。

炼钢厂目前的转炉蒸汽回收系统通常是将转炉汽包蒸汽经过蒸汽管道汇总到一根蒸汽母管，经过该蒸汽母管将汇总的蒸汽送到蓄热器稳压，从蓄热器引出的蒸汽经减温减压后供厂区余热热能系统用汽。目前国内外转炉炼钢厂减温减压的习惯做法是在从蓄热器引出的热质主管路中加装一台气动/电动调节阀进行调压以达到减压效果。这种调压方式存在着显著不足，那就是利用调节阀降压所带来的降压节流能量损失非常大，不符合我国近期所提出的节能减排、建设循环经济的政策。能否将降压节流所产生的能量损失采取一定的方式/装置予以回收就成为人们日益关注的问题。但是，其存在如下需要克服的技术问题，第一，蓄热器所提供的蒸汽品质为饱和蒸气(蒸汽干度低、含水量大)，常规能量转化设备不适用；第二，蓄热器所提供的蒸汽存在一定的能量波动；第三，厂区余热热能系统用汽汽压为恒压，故替代调节阀的能量回收装置必须能起到减压并稳压的作用。

综上所述，需要一种环保节能减排系统，其可以解决现有的能量利用不充分的问题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供一种环保节能减排系统，其能够回收低品位热能并直接转换成电能或动能。

为解决上述技术问题，根据本发明一优选实施例，提供了一种环保节能减排系统，与现有余热热能系统并联，用于利用余热热能做功，并将做功后的乏工质供应至回收再利用设备，其中，该环保节能减排系统包括通过热质主管路相连的螺杆膨胀机单元、多组测量装置、多组控制阀以及疏水阀。该环保节能减排系统还包括连接该余热热能系统与该螺杆膨胀机单元的启动旁路；该螺杆膨胀机单元包括螺杆膨胀机以及相连的负载设备。热质推动该螺杆膨胀机运转进而带动该负载设备工作；该多组测量装置设于该热质主管路之上，用于测量热质的流量、温度及压力数；该多组控制阀设于该热质主管路之上，用于控制热质的流量；以及该疏水阀设于该热质主管路之上，用于通汽排水。来自该余热热能系统的管路热质首先通过该启动旁路流入该螺杆膨胀机单元，使该螺杆膨胀机单元启动；然后，来自该余热热能系统的管路热质经由该热质主管路流入该螺杆膨胀机单元进行做功。其中，回收再利用设备可以是用汽设备，也可以是乏汽、乏液回收设备等。

根据本发明另一优选实施例，该环保节能减排系统还包括设于螺杆膨胀机单元上游的减温喷水单元，该管路热质为热蒸汽，该减温喷水单元向该管路热质喷水使其降温，该余热热能系统内的蒸汽温度为350-500度，压力为3-5兆帕；该减温喷水单元所供水的温度为90-150度，压力为5-6兆帕；经过该减温喷水单元降温之后的蒸汽温度为200-350度，压力为2-3.5兆帕；经该螺杆膨胀机单元做功之后的蒸汽温度为180-300度，压力为1-3兆帕。

根据本发明又一优选实施例，该余热热能系统内的蒸汽温度为435度，压力为3.53兆帕；该减温喷水单元所供水的温度为104度，压力为5.5兆帕；经过该减温喷水单元降温之后的蒸汽温度为266度，压力为2.7兆帕；经该螺杆膨胀机单元做功之后的蒸汽温度为220度，压力为1.7兆帕。

根据本发明又一优选实施例，来自该余热热能系统的蒸汽流量为4-50吨/小时；该减温喷水单元所供水的流量为1-10吨/小时；进入该螺杆膨胀机的蒸汽流量为5-60吨/小时。更优选的，来自该余热热能系统的蒸汽流量为47吨/小时；该减温喷水单元所供水的流量为7.4吨/小时；进入该螺杆膨胀机的蒸汽流量为54.4吨/小时。

根据本发明又一优选实施例，该启动旁路上设有截止阀以及控制阀，用于控制启动旁路的开关状态以及热质流量。

本发明还提供了一种环保节能减排系统，与现有蒸汽管网并联，用于利用蒸汽做功，并将做功后的乏蒸汽回收至凝结水系统，其中该环保节能减排系统包括通过蒸汽管路相连的减温喷水单元、螺杆膨胀机单元、冷凝器、多组测量装置以及多组控制阀，管路蒸汽经过该减温喷水单元进行降温之后流入该螺杆膨胀机单元做功，做功之后的乏蒸汽经冷凝器凝结成水并排出到凝结水系统，其中该螺杆膨胀机单元包括螺杆膨胀机以及相连的负载设备，其中，蒸汽推动该螺杆膨胀机运转进而带动该负载设备工作；该多组测量装置设于该蒸汽管路之上，用于测量蒸汽的流量、温度及压力参数；以及该多组控制阀设于该蒸汽管路之上，用于控制蒸汽的流量。

根据本发明又一优选实施例，该环保节能减排系统还包括蒸汽蓄热器，该蒸汽蓄热器与该余热热能系统连接，以保证该环保节能减排系统获得稳定的不间断蒸汽供应。

根据本发明又一优选实施例，该环保节能减排系统还包括加热器，所示加热器邻近所述蒸汽蓄热器设置于所述蒸汽管路中，当来自蒸汽管网的热蒸汽不足时，所述加热器工作以促进热蒸汽的产生，保证所述蒸汽蓄热器输出稳定的热蒸汽。

根据本发明又一优选实施例，该环保节能减排系统还包括冷水塔以及循环泵，该冷水塔、该循环泵与该冷凝器相互联通，并在它们之间流通有冷水，以保证该冷凝器的冷凝效果。

根据本发明又一优选实施例，该螺杆膨胀机单元还包括控制模块、润滑模块以及密封模块，分别对该螺杆膨胀机起到控制、润滑以及密封作用。

根据本发明又一优选实施例，该螺杆膨胀机单元还包括变速机，该螺杆膨胀机通过该变速机与负载设备连接。

本发明的优点在于，螺杆膨胀机单元作为低品位蒸汽发电机来说节能降耗、高效实用。不仅适用于过热蒸汽和饱和蒸汽，而且可以直接利用热水或汽水两相高效率产生电力。由于对蒸汽的参数和品质要求不高，可适用多种状态的蒸汽或热液，所以它特别适用于中、小电厂，由它替代电动机来带动给水泵和风机可节约大量用电，为企业排放的废热液和废热汽找到了一条可利用的途径，带来可观的回收效益。同样，本发明的环保节能减排系统还可以应用于高品位工艺余热工质的热能利用场合。此外，本环保节能减排系统还符合节能环保要求，二氧化碳排放为零，氮氧化物和硫化物排放为零。

为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，可由此得到深入且具体的了解，然而所附图式仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。

【附图说明】

可参考附图通过实例更加具体地描述本发明，其中附图并未按照比例绘制，在附图中：

图1A和图1B显示了螺杆膨胀机的基本原理；

图2显示了螺杆膨胀机单元的基本结构；

图3显示了根据本发明的环保节能减排系统的第一实施例的示意图；

图4显示了根据本发明的环保节能减排系统的第二实施例的示意图；以及

图5显示了根据本发明的环保节能减排系统的第三实施例的示意图。

【具体实施方式】

请参考图1A和图1B，显示了螺杆膨胀机10的基本原理。工质由入口管道3经入口管道口4进入阴螺杆2、阳螺杆1形成的齿槽内，随着阳螺杆1和阴螺杆2的转动，容腔逐渐增大，工质降压降温膨胀做功，做完功的工质由出口管道5排出。功率由阳螺杆1的输出端输出，可带动给水泵、风机、发电机等设备。

图2显示了螺杆膨胀机单元30的基本结构，其包括螺杆膨胀机10、负载设备20、调节阀32、电器控制柜33、油箱34以及基座31。螺杆膨胀机10具有图1所示的入口管道3及出口管道5。螺杆膨胀机10与负载设备20通过阳螺杆(图未示)的输出轴相连。根据需要在螺杆膨胀机10与负载设备20之间设置变速机(图未示)。

请参考图3，其显示了根据本发明的环保节能减排系统100的第一实施例的示意图。图3中左侧的方框S表示与锅炉相连的蒸汽源，比如为蓄热器或者蒸汽联箱，右侧的方框T表示用汽设备，比如为工厂的蒸汽加热设备、蒸汽清洗设备或者取暖设备。箭头P1至P2所示为现有的余热热能系统的线路设置情况，现有蒸汽直接从蒸汽源S输送到用汽设备T。由于蒸汽源处的蒸汽压力较大(约3.5-5兆帕)，温度较高(约350-500摄氏度)，而用汽设备T所需要的蒸汽温度通常为180-300度，压力通常为1-2兆帕。有鉴于此，现有技术中需要在余热热能系统P1-P2之间设置截止阀M。这造成了能源的浪费。

本实施例的环保节能减排系统100与现有蒸汽管网P1-P2并联，用于利用蒸汽余热热能做功，并将做功后的乏蒸汽供应至用汽设备T。该环保节能减排系统100包括通过热工质主管路(未标示)相连的减温喷水单元130、螺杆膨胀机单元110、流量计151、压力表152、主汽阀141、疏水阀143及145、调节阀142以及排汽阀144。其中，螺杆膨胀机单元110又包括螺杆膨胀机112以及发电机组116。图3中箭头P3至P4所示的方向为蒸汽在环保节能减排系统100中沿蒸汽管路(未标示)的流动方向。流量计151、压力表152、主汽阀141、疏水阀143、调节阀142以及排汽阀144均设在蒸汽管路上。流量计151以及压力表152主要用来测量蒸汽的流量以及压力参数。当然也可在蒸汽管路上设置温度传感器来测量蒸汽的温度。主汽阀141、排汽阀144以及调节阀142主要用来控制蒸汽的流通以及流量的大小。疏水阀143及145主要用于通汽排水。此外，在现有蒸汽管网P1-P2上设置截止阀M，以实现系统模块之隔离功能。

此外，该环保节能减排系统还包括连接在蒸汽管网与螺杆膨胀机单元110之间的启动旁路180。启动旁路180上设有截止阀182以及控制阀186，用于控制启动旁路180的开关状态以及蒸汽流量。

该环保节能减排系统100的工作过程如下。来自蒸汽管网的热蒸汽经过减温喷水单元130进行降温，启动旁路180投入工作，热蒸汽流经启动旁路180，启动旁路180藉由控制阀182完成发电机组定速并网工作。然后，来自蒸汽管网的热蒸汽经由热工质主管路流入螺杆膨胀机单元110做功发电，做功之后的蒸汽再经蒸汽管路供应至用汽设备T(如图3中箭头P3至P4所示的流动方向)。其中，蒸汽推动螺杆膨胀机112工作进而带动发电机组116发电。

在该实施例中，蒸汽管网内的蒸汽温度为350-500度，压力为3-5兆帕；减温喷水单元130所供水的温度为90-150度，压力为5-6兆帕；经过减温喷水单元130降温之后的蒸汽温度为200-350度，压力为2-3.5兆帕；经螺杆膨胀机单元110做功之后的蒸汽温度为180-300度，压力为1-3兆帕。

在优选实施例中，蒸汽管网内的蒸汽温度为435度，压力为3.53兆帕；减温喷水单元所供水的温度为104度，压力为5.5兆帕；经过减温喷水单元降温之后的蒸汽温度为266度，压力为2.7兆帕；经螺杆膨胀机单元做功之后的蒸汽温度为220度，压力为1.7兆帕。优选的，来自该余热热能系统的蒸汽流量为4-50吨/小时；该减温喷水单元所供水的流量为1-10吨/小时；进入该螺杆膨胀机的蒸汽流量为5-60吨/小时。更优选的，来自该余热热能系统的蒸汽流量为47吨/小时；该减温喷水单元所供水的流量为7.4吨/小时；进入该螺杆膨胀机的蒸汽流量为54.4吨/小时。

在图3所示的实施例中，发电机组116可以替换为其他负载设备，比如泵或风机等设备。此外，减温喷水单元不是必须的配件，对于余热工质温度较低的场合，则不需要该减温喷水单元，余热蒸汽可直接引入本发明的环保节能减排系统。当然，本实施例是以蒸汽作为余热工质进行讨论的，实际应用中并不局限于此，余热工质也可以为其他热液、有机热质等。

请参考图4，其显示了根据本发明的环保节能减排系统200的第二实施例的示意图。图4中左侧的圆形框S2表示与锅炉相连的蒸汽源，比如为转炉汽包。右侧的方框T2表示用汽设备，比如为工厂的蒸汽加热设备、蒸汽清洗设备或者取暖设备。箭头P21所示为现有的蒸汽管网的设置情况，现有蒸汽直接从蒸汽源S2输送到用汽设备T2。

本实施例的环保节能减排系统200与现有蒸汽管网P21并联，用于利用余热热能做功，将做功后的蒸汽经冷凝器凝结成水并排出到凝结水系统。该环保节能减排系统200包括通过管道(未标示)相连的蓄热器240、安全阀241、主汽阀242、螺杆膨胀机单元、冷凝器270、冷水塔250以及循环泵260。其中，螺杆膨胀机单元又包括螺杆膨胀机212、发电机组216、控制模块213、润滑模块214及密封模块(图未示)。控制模块213、润滑模块214及密封模块分别对该螺杆膨胀单元起到控制、润滑以及密封作用。图4中箭头P22至P23所示的方向为蒸汽在环保节能减排系统100中沿蒸汽管路(未标示)的流动方向。安全阀241与主汽阀242均设在蒸汽管路上。安全阀241与主汽阀242主要用来控制蒸汽的流通以及流量的大小。当然，也可以如实施方式一所述的在本实施方式中采用疏水阀以及测量装置等。

蓄热器240与蒸汽管网连接，以保证环保节能减排系统200获得稳定的不间断蒸汽供应。冷水塔250及循环泵260与冷凝器270相互联通，并在它们之间流通有冷水，以保证冷凝器270的冷凝效果。根据本实施例的环保节能减排系统200在蒸汽经冷凝器270凝结成水后排出到凝结水系统，以供锅炉下次冷凝之用。当然也可以用着其他合适用途。

此外，还可以在该环保节能减排系统中设置加热器，该加热器邻近蒸汽蓄热器设置于所述蒸汽管路中，可以设于蒸汽蓄热器的上游，也可以设于蒸汽蓄热器的下游。当来自蒸汽管网的热蒸汽不足时，加热器工作以促进热蒸汽的产生，保证蒸汽蓄热器输出稳定的热蒸汽。

请参考图5，其显示了根据本发明的环保节能减排系统300的第三实施例的示意图。图5中左侧的圆形框S3表示与锅炉相连的蒸汽源，比如为蒸汽联箱。箭头P31所指为蒸汽来向。箭头P32所指为去往用汽设备的蒸汽流向。图5中箭头P33至P34所示的方向为蒸汽在环保节能减排系统300中沿蒸汽管路(未标示)的流动方向。

本实施例的环保节能减排系统300与现有蒸汽管网P31-P32并联，用于利用余热热能做功，将做功后的蒸汽经冷凝器凝结成水并排出到凝结水系统。该环保节能减排系统300包括通过管道(未标示)相连的安全阀(未显示)、主汽阀341、排汽阀344、螺杆膨胀机单元、冷凝器370以及凝结水泵380。其中，螺杆膨胀机单元又包括螺杆膨胀机312、发电机组316及变速机313。安全阀、主汽阀341及排汽阀344均设在蒸汽管路上。当然，也可以如实施方式一所述的在本实施方式中安装疏水阀以及测量装置等。

根据本实施例的能减排系统300在蒸汽经冷凝器370凝结成水后，经凝结水泵380的驱动排出到凝结水系统(沿箭头P34方向)，以供锅炉下次冷凝之用。当然也可以用着其他合适用途。

需要说明的是，以上主要以钢铁、电力、供暖企业为例对本发明的环保节能减排系统进行了说明。其实本发明的环保节能减排系统可以同样用于冶金、印染、造纸等有大量余热产生的企业。

根据本发明的环保节能减排系统能够回收低品位热能并直接转换成电能或动能，是一种在当前能源利用领域重大突破性的发明，其热源适用范围非常广，可以适用过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物、热水和高含盐份的各种低品位热源的热电转换。此外，该环保节能减排系统的变工况能力十分优越，在热源负荷和参数大范围(从120％到10％范围)变化波动的情况下，不仅运行稳定可靠，而且高效平稳。最后，该环保节能减排系统的维护费用和使用技术门槛较低，其基本属于十年无需大修的系统，小维护和运行操作都简单方便，对用户原系统不产生干扰影响，安装和移动十分简易。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (10)

1.一种环保节能减排系统，与现有余热热能系统并联，用于利用余热热能做功，并将做功后的乏工质供应至回收再利用设备，其特征在于，

所述环保节能减排系统包括通过热质主管路相连的螺杆膨胀机单元、多组测量装置、多组控制阀以及疏水阀；

所述环保节能减排系统还包括连接所述余热热能系统与所述螺杆膨胀机单元的启动旁路；

所述螺杆膨胀机单元包括螺杆膨胀机以及相连的负载设备，其中，热质推动所述螺杆膨胀机运转进而带动所述负载设备工作；

所述多组测量装置设于所述热质主管路之上，用于测量热质的流量、温度及压力数；

所述多组控制阀设于所述热质主管路之上，用于控制热质的流量；以及

所述疏水阀设于所述热质主管路之上，用于通汽排水；

其中，来自所述余热热能系统的管路热质首先通过所述启动旁路流入所述螺杆膨胀机单元，使所述螺杆膨胀机单元启动；

然后，来自所述余热热能系统的管路热质经由所述热质主管路流入所述螺杆膨胀机单元进行做功。

2.根据权利要求1所述的环保节能减排系统，其特征在于，

所述环保节能减排系统还包括设于螺杆膨胀机单元上游的减温喷水单元，所述管路热质为热蒸汽，所述减温喷水单元向所述管路热质喷水使其降温，

所述余热热能系统内的蒸汽温度为350-500度，压力为3-5兆帕；所述减温喷水单元所供水的温度为90-150度，压力为5-6兆帕；经过所述减温喷水单元降温之后的蒸汽温度为200-350度，压力为2-3.5兆帕；经所述螺杆膨胀机单元做功之后的蒸汽温度为180-300度，压力为1-3兆帕。

3.根据权利要求2所述的环保节能减排系统，其特征在于，所述余热热能系统内的蒸汽温度为435度，压力为3.53兆帕；所述减温喷水单元所供水的温度为104度，压力为5.5兆帕；经过所述减温喷水单元降温之后的蒸汽温度为266度，压力为2.7兆帕；经所述螺杆膨胀机单元做功之后的蒸汽温度为220度，压力为1.7兆帕。

4.根据权利要求3所述的环保节能减排系统，其特征在于，来自所述余热热能系统的蒸汽流量为4-50吨/小时；所述减温喷水单元所供水的流量为1-10吨/小时；进入所述螺杆膨胀机的蒸汽流量为5-60吨/小时。

5.根据权利要求1所述的环保节能减排系统，其特征在于，所述启动旁路上设有截止阀以及控制阀，用于控制启动旁路的开关状态以及热质流量。

6.一种环保节能减排系统，与现有蒸汽管网并联，用于利用蒸汽做功，并将做功后的乏蒸汽回收至凝结水系统，其特征在于，

所述环保节能减排系统包括通过蒸汽管路相连的减温喷水单元、螺杆膨胀机单元、冷凝器、多组测量装置以及多组控制阀，管路蒸汽经过所述减温喷水单元进行降温之后流入所述螺杆膨胀机单元做功，做功之后的乏蒸汽经冷凝器凝结成水并排出到凝结水系统，其中

所述螺杆膨胀机单元包括螺杆膨胀机以及相连的负载设备，其中，蒸汽推动所述螺杆膨胀机运转进而带动所述负载设备工作；

所述多组测量装置设于所述蒸汽管路之上，用于测量蒸汽的流量、温度及压力参数；以及

所述多组控制阀设于所述蒸汽管路之上，用于控制蒸汽的流量。

7.根据权利要求6所述的环保节能减排系统，其特征在于，所述环保节能减排系统还包括蒸汽蓄热器，所述蒸汽蓄热器与所述余热热能系统连接，以保证所述环保节能减排系统获得稳定的不间断蒸汽供应。

8.根据权利要求7所述的环保节能减排系统，所述环保节能减排系统还包括加热器，所示加热器邻近所述蒸汽蓄热器设置于所述蒸汽管路中，以保证所述蒸汽蓄热器输出稳定的热蒸汽。

9.根据权利要求6所述的环保节能减排系统，所述螺杆膨胀机单元还包括控制模块、润滑模块以及密封模块，分别对所述螺杆膨胀机起到控制、润滑以及密封作用。

10.根据权利要求6所述的环保节能减排系统，所述螺杆膨胀机单元还包括变速机，所述螺杆膨胀机通过所述变速机与负载设备连接。

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