CN105715318A - 基于工业汽轮机的余热综合利用评测和余热综合利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于工业汽轮机的余热综合利用评测和余热综合利用装置。包括余热源调查；余热检测评估；余热综合利用装置设计；经济和环境数据获取；经济效益及环境影响量化；支持用户决策等六个步骤。余热综合利用装置中余热锅炉的高温饱和蒸汽通入工业汽轮机的进汽口，工业汽轮机转轴转动，经连接装置驱动机械设备或发电机；工业汽轮机的另一进汽口经管路与燃煤锅炉连接。本发明考虑到余热介质的特点，引入检测装置，为回收技术选择、设计和经济、环境效益评价提供参考和数据支持；该装置根据需求取舍相应模块，使用户决策与余热回收的最佳方案进行匹配和紧密结合；它能给出可视化的综合效益结果，帮助企业决策。

Description

基于工业汽轮机的余热综合利用评测和余热综合利用装置

技术领域

本发明涉及工业余热回收装置和方法，特别是涉及一种基于工业汽轮机的余热综合利用评测和余热综合利用装置。

背景技术

绿色发展是我国经济发展的方向，节能减排是我国制造业面临的急迫任务。许多生产过程会产生大量的余热，以各种方法进行工业余热回收利用受到越来越多的关注。申请号为“201410477982.3”，发明名称为“烟道余热的回收系统”，能够降低烟气余热温度，将烟气中很宽温度范围内的热量回收；申请号为“201210068312.7”，发明名称为“工业炉余热回收系统”，其结构简单，余热利用率高，在有效的将工业炉烟气排放温度降至130℃左右的同时，还能得到60℃的热水来满足人们的供水和采暖需求。类似的发明还有很多。

基于工业汽轮机的工业余热回收装置是应用较为广泛的余热综合利用技术，申请号为“201210139203.X”，发明名称为“一种低温位工业流体余热回收系统”，主要采用汽轮机连接发电机来运行，也对其回收期、投资成本、维护成本等进行了考虑；申请号为“201310029375.6”，发明名称为“一种有机朗肯型工业余热集成回收装置”，实现了整个系统余热资源的集成回收和高效发电；申请号为“201320517798.8”，发明名称为“汽轮机余热供热系统”，将循环回路由开放式改为密闭式，汽轮机排出气体也得到回收利用。

工业汽轮机装置的引入对企业来讲，在通过余热回收利用带来可观的经济收入的同时，也需要大量的成本和费用投入，其全生命周期包括设计、制造、运行、维护及最终的回收处理阶段都会带来一定的经济投入和环境影响。这需要对基于工业汽轮机的余热综合利用的经济效益和环境影响进行综合评测，确定余热量多大，经过多长时间，用户能获得多大的综合效益，这有助于推广基于工业汽轮机的余热综合利用技术和装置，实现企业用户、供应商和社会的多赢。现在，并未见到有专利进行这方面的评测和分析。

发明内容

针对目前工业余热综合利用未考虑并量化经济效益和环境影响分析的问题，本发明的目的在于提供一种基于工业汽轮机的余热综合利用评测和余热综合利用装置。

本发明釆用的技术方案是：

一、一种基于工业汽轮机的余热综合利用评测，包括如下步骤：

步骤1)进行余热源调查，企业用户对欲综合利用的余热展开分析，确定生产过程中产生的余热来源，尤其判断余热介质属性；

所述介质属性判断即从广泛的热源中确定是否存在适合工业汽轮机进行回收的余热，如果存在则采用工业汽轮机来进行余热回收，否则不推荐进行；

步骤2)余热检测评估，在企业生产过程所排放余热处安装余热检测装置，所述余热检测装置包括水质检测仪或蒸汽质量测试仪，对余热源进行初始温度、压强和流量参数进行检测、记录和保存；

步骤3)根据步骤2)检测到的余热源各参数值，设计基于工业汽轮机的余热综合利用装置；

步骤4)获取余热综合利用的经济数据和环境数据，经济效益和环境影响应综合考虑以达到最优的回收方案，经济数据和环境数据包括整套余热综合利用装置生产的成本和环境影响，该装置运行过程的成本和效益，该装置运行过程的环境影响；来源于步骤1)和步骤3)的检测数据，企业用户和供应商提供的实际数据和估计值；

步骤5)对基于工业汽轮机的余热综合利用装置进行经济效益和环境影响量化，当该装置引入的时候会给企业用户带来一定的购买成本和负面的环境影响，故在此综合考虑回收余热若干年的经济收入、环境影响情况，借助计算机系统来进行计算该装置的经济效益和环境影响；

所述基于工业汽轮机的余热综合利用装置在N年的经济效益计算如下：

$W_{waste-changed}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(Y_{unit-operating}\right)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{unit-operating}\right)-C_{unit}---\left(1\right)$

其中，Y_{unit-operating}是余热综合利用每年带来的经济效益；C_{unit-operating}是余热综合利用每年带来的成本；C_unit是综合利用装置的购买成本；

所述基于工业汽轮机的余热综合利用装置在N年的环境影响计算如下，主要考虑能耗：

$S_{wastechanged}=S_{unit}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{unitoperating}---\left(2\right)$

其中，S_unit是基于工业汽轮机的余热综合利用装置在生产制造阶段产生的能耗；S_{unit-operating}是余热综合利用所导致每年减少的能耗；

由公式(1)和公式(2)，分别计算得到达到最短经济效益、环境影响的回收年限N；

步骤6)根据步骤5)计算的经济及环境影响数据，提供支持用户决策的象限图，帮助用户判断和决策。

二、一种基于工业汽轮机的余热综合利用装置：

包括余热锅炉，工业汽轮机，连接设备，机械设备和发电机；余热锅炉的高温饱和蒸汽经管路与工业汽轮机的进汽口连接，带动工业汽轮机转轴转动，转轴经连接设备驱动机械设备或发电机做功或者发电，工作后的蒸汽从工业汽轮机的排汽口排出。

所述工业汽轮机的另一个进汽口经管路与燃煤锅炉\连接，进行补汽。

本发明具有的有益效果是：

1)考虑了回收利用对象——余热介质的特点，引入检测装置，为回收技术选择、设计和经济、环境效益评价提供了参考和数据支持；

2)增加了用户的参与和多重选择，综合利用装置可根据需求取舍相应模块，使用户决策与余热回收的最佳方案进行匹配和紧密结合；

3)基于全生命周期的考虑，量化了基于工业汽轮机的余热综合利用过程的经济效益和环境影响，能快速给出可视化的综合效益结果，帮助企业用户进行决策。

附图说明

图1是本发明余热综合利用评测流程步骤图。

图2是余热综合利用装置结构示意图。

图中：1、燃煤锅炉，2、余热锅炉，3、工业汽轮机，4、连接设备，5、机械设备，6、发电机。

图3是基于经济效益和环境影响的支持用户决策象限图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，基于工业汽轮机的余热综合利用评测方法，包括如下步骤：

步骤1)进行余热源调查，企业用户对欲综合利用的余热展开分析，确定生产过程中产生的余热来源，尤其判断余热介质属性；

所述介质属性判断即从广泛的热源中确定是否存在适合工业汽轮机进行回收的余热，工业余热多种多样，如冷却水、高温蒸汽、烟道排汽、化学反应热、炉渣余热等，而工业汽轮机工作则主要依靠高温饱和蒸汽的热能进行驱动转轴转动做功。如果存在高温蒸汽和热水，则采用工业汽轮机来进行余热回收，否则不推荐进行；

步骤2)余热检测评估，在企业生产过程所排放余热处安装余热检测装置，所述余热检测装置包括水质检测仪或蒸汽质量测试仪，对余热源进行初始温度、压强和流量参数进行检测、记录和保存；

步骤3)根据步骤2)检测到的余热源各参数值，设计基于工业汽轮机的余热综合利用装置，主要考虑回收技术可行性分析，余热量是否足够，以及工业汽轮机的驱动终端设备如何；

如图2所示，余热综合利用装置，包括余热锅炉2，工业汽轮机3，连接设备4，机械设备5和发电机6；余热锅炉2的高温饱和蒸汽经管路与工业汽轮机3的进汽口连接，带动工业汽轮机3转轴转动，转轴经连接设备4驱动机械设备5或发电机6做功或者发电，工作后的蒸汽从工业汽轮机3的排汽口排出。图2中实线为物质流，虚线为能量流。

所述工业汽轮机3的另一个进汽口经管路与燃煤锅炉1连接，进行补汽。

燃煤锅炉1主要配合余热锅炉2工作，若生产过程产生的余热量不足以单独驱动工业汽轮机，则需要引入新的热源来补汽，燃煤燃烧将水加热为高温饱和蒸汽，以保证工业汽轮机正常工作。在提供高温饱和蒸汽的同时也会随着烟气的排出而带走一定的热能。

余热锅炉2主要用于将余热转变为蒸汽，或对低品质余热预处理，提升其温度及压强，满足工业汽轮机的驱动需要。

工业汽轮机3主要是采用高温饱和蒸汽驱动不同级转子及叶片转动，从而将热能转化为机械能，蒸汽来源主要是企业生产过程的余热。做工后的高温饱和蒸汽经排汽口排出，也会带有少量热能。

连接设备4则是根据实际工作状况、设备需求而引入的辅助设备，协调工业汽轮机和终端设备的工作。故图2中的连接设备4可为工业透平。

机械设备5和发电机6，均是工业汽轮机所要驱动的终端设备之一，企业用户可根据自身生产需求，用余热综合利用来发电，将废弃热能转化为电能，带来一定的额外经济效益；或者用工业汽轮机驱动企业的其他大型回转设备，将废弃热能转化为机械能，节约电能。

如图2所示，根据用户需求进行实际余热综合利用装置的配置和设计。首先对于工业汽轮机驱动终端设备的选择，工业汽轮机可驱动用户的回转设备做功，或者驱动发电机发电，这需要用户根据实情进行选择。如某石油化工企业，生产精对苯二甲酸(PTA)，产生了大量低品质饱和蒸汽，而空气压缩机又是其生产过程的必需设备，需要动力源。故图2中的机械设备5可为空气压缩机，工业汽轮机拖动空气压缩机，保证其正常运行。

步骤4)获取余热综合利用的经济数据和环境数据，经济效益和环境影响应综合考虑以达到最优的回收方案，经济数据和环境数据包括整套余热综合利用装置生产的成本和环境影响，该装置运行过程的成本和效益，该装置运行过程的环境影响；来源于步骤1)和步骤3)的检测数据，企业用户和供应商提供的实际数据和估计值；

所述实际数据即企业生产活动所得到或者记录的数据，不存在不确定性；所述估计值即生产活动的背景数据，主要参考国家、行业标准、统计数据以及经验估计值。

步骤5)对基于工业汽轮机的余热综合利用装置进行经济效益和环境影响量化，当该装置引入的时候会给企业用户带来一定的购买成本和负面的环境影响，故在此综合考虑回收余热若干年的经济收入、环境影响情况，借助计算机系统来进行计算该装置的经济效益和环境影响；

所述基于工业汽轮机的余热综合利用装置在N年的经济效益计算如下：

$W_{waste-changed}=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(Y_{unit-operating}\right)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(C_{unit-operating}\right)-C_{unit}---\left(1\right)$

其中，Y_{unit-operating}是余热综合利用每年带来的经济效益；C_{unit-operating}是余热综合利用每年带来的成本；C_unit是综合利用装置的购买成本；

所述基于工业汽轮机的余热综合利用装置在N年的环境影响计算如下，主要考虑能耗：

$S_{waste-changed}=S_{unit}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{unit-operating}---\left(2\right)$

其中，S_unit是基于工业汽轮机的余热综合利用装置在生产制造阶段产生的能耗；S_{unit-operating}是余热综合利用所导致每年减少的能耗；

由公式(1)和公式(2)，分别计算得到达到最短经济效益、环境影响的回收年限N；

为计算得到基于工业汽轮机的余热综合利用的经济效益和环境影响，须计算如下内容：

计算(1):工业汽轮机输入功率，取决于高温饱和蒸汽的参数值，蒸汽驱动汽轮机转轴转动做功；

$P_{st}=D_{st}(h_{st}^{inlet}-h_{st}^{outlet})\·1000/3600---\left(3\right)$

其中，D_st是工业汽轮机的进气流量,单位为t/h；为工业汽轮机的进汽比焓，单位为kJ/kg；为工业汽轮机排汽比焓，单位为kJ/kg。

计算(2):工业汽轮机输出功率，工业汽轮机做功过程存在一定的机械效率损耗，输出功率为实际的有效输出；

计算(3):工业汽轮机驱动设备的输入功率，一般为工业汽轮机的输出功率，但之间若存在连接设备(图2中连接设备4)，则存在机械效率损耗；

计算(4):工业汽轮机驱动设备的输出功率，发电机或者其他机械设备工作过程也存在一定的机械效率损耗；

计算(5):驱动设备产生的电能或者机械能，以年为单位，累计计算发电机或者其他机械设备所产生或者节约的能量；

计算(6):电能或者机械能带来的经济效益或节省的能源成本，将产生或者节约的能量以一定的电价，或者标煤价格进行量化，得到发电带来的经济效益，和减少能源购买而节约的成本；

计算(7):综合利用装置的购买成本和生产制造过程的环境影响，查询和确定该装置总的购买成本，以及其生命周期前期如原材料获取、设计、制造、运输销售所带来的环境影响，尤其是能耗值；

计算(8):余热综合利用过程的投入成本和环境影响，查询和确定余热综合利用过程的装置维护费用，以及造成的环境影响，值得注意的是回收利用可以带来经济效益和积极的环境效益，然而若常出故障或者需采购大量燃煤，可能会减少总体效益；

步骤6)根据步骤5)计算的经济及环境影响数据，提供支持用户决策的象限图，帮助用户判断和决策。

所述支持用户决策的象限图，用于将实际基于工业汽轮机的余热综合利用的经济和环境效益进行图表可视化。如图3所示，横轴为环境影响轴，箭头方向表征环境影响增大；纵轴为经济效益轴，箭头方向表征经济效益增大；轴上点为实际经济、环境效益值，图中实线为余热回收前即原始经济及环境影响取值线；细虚线为引入装置时的经济、环境效益取值线(经济效益减小，环境影响增大)；粗虚线为引入装置N年后的经济、环境效益取值线，存在四种可能(case1，case2，case3，case4)；单条粗虚线与横纵轴围成的三角形面积越大对企业用户越有利，这便于支持用户决策。决策参数包括:

参数(1):经济效益回收期n2；

参数(2):环境影响回收期n1；

当且仅当存在n1和n2，回收时间大于最大值时，才会带来最大化效益(case1)；企业用户也可牺牲一定的经济效益，来促进节能减排(case4)；企业用户也可牺牲一定的环境效益来提高经济价值，实现盈利(case2)；否则废热回收得不偿失(case3)。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于工业汽轮机的余热综合利用评测，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)进行余热源调查，企业用户对欲综合利用的余热展开分析，确定生产过程中产生的余热来源，尤其判断余热介质属性；

所述介质属性判断即从广泛的热源中确定是否存在适合工业汽轮机进行回收的余热，如果存在则采用工业汽轮机来进行余热回收，否则不推荐进行；

步骤2)余热检测评估，在企业生产过程所排放余热处安装余热检测装置，所述余热检测装置包括水质检测仪或蒸汽质量测试仪，对余热源进行初始温度、压强和流量参数进行检测、记录和保存；

步骤3)根据步骤2)检测到的余热源各参数值，设计基于工业汽轮机的余热综合利用装置；

步骤4)获取余热综合利用的经济数据和环境数据，经济效益和环境影响应综合考虑以达到最优的回收方案，经济数据和环境数据包括整套余热综合利用装置生产的成本和环境影响，该装置运行过程的成本和效益，该装置运行过程的环境影响；来源于步骤1)和步骤3)的检测数据，企业用户和供应商提供的实际数据和估计值；

步骤5)对基于工业汽轮机的余热综合利用装置进行经济效益和环境影响量化，当该装置引入的时候会给企业用户带来一定的购买成本和负面的环境影响，故在此综合考虑回收余热若干年的经济收入、环境影响情况，借助计算机系统来进行计算该装置的经济效益和环境影响；

所述基于工业汽轮机的余热综合利用装置在N年的经济效益计算如下：

其中，Y_{unit-operating}是余热综合利用每年带来的经济效益；C_{unit-operating}是余热综合利用每年带来的成本；C_unit是综合利用装置的购买成本；

所述基于工业汽轮机的余热综合利用装置在N年的环境影响计算如下，主要考虑能耗：

其中，S_unit是基于工业汽轮机的余热综合利用装置在生产制造阶段产生的能耗；S_{unit-operating}是余热综合利用所导致每年减少的能耗；

由公式(1)和公式(2)，分别计算得到达到最短经济效益、环境影响的回收年限N；

步骤6)根据步骤5)计算的经济及环境影响数据，提供支持用户决策的象限图，帮助用户判断和决策。

2.根据权利要求1所述基于工业汽轮机的余热综合利用评测的余热综合利用装置，其特征在于：包括余热锅炉(2)，工业汽轮机(3)，连接设备(4)，机械设备(5)和发电机(6)；余热锅炉(2)的高温饱和蒸汽经管路与工业汽轮机(3)的进汽口连接，带动工业汽轮机(3)转轴转动，转轴经连接设备(4)驱动机械设备(5)或发电机(6)做功或者发电，工作后的蒸汽从工业汽轮机(3)的排汽口排出。

3.根据权利要求1所述基于工业汽轮机的余热综合利用评测方法的余热综合利用装置，其特征在于：所述工业汽轮机(3)的另一个进汽口经管路与燃煤锅炉(1)连接，进行补汽。