CN111255708B - 一种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统，包括：基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置、蒸汽进口调压阀、蒸汽流量调节阀和蒸汽出口调压阀；所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置包括：蒸汽涡轮机和离心空压机；所述蒸汽涡轮机和离心空压机组装一体化。本发明的有益效果是：向心式蒸汽涡轮机具有小流量、小功率、系统简单等优点，特别适用在面向终端用户的蒸汽压力能回收场合；蒸汽压力能不需要转化为电力，而直接就地转化为压缩空气，减少二次转化，具有蒸汽压力能回收利用效率高、无需并网设备等优点；蒸汽和压缩空气压力适用范围广，该装置及系统成撬设计，具有可迁移至不同场合重复使用的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统及方法，主要适用于各类集中供热的工业园区和蒸汽用汽企业。
背景技术
据不完全统计，我国共有国家级和省级工业园区共计2543家，各级园区共计约14000家，工业园区集聚企业数量从十几家到几千家不等，且企业类型各有差异，园区内各企业用能需求也各有差异，一般有电力、蒸汽、天然气、压缩空气等。原来园区企业蒸汽需求一般都是自建小锅炉供热，存在着能源利用效率低、污染物排放高等问题。为提高能源利用效率，减少污染物排放，采用大中型热电联产机组集中供热，将清洁高效的热电联产的蒸汽输送至各企业蒸汽用户。但是这种模式也存在一定的弊端，由于蒸汽管网口径较大，管网路由占地较大，影响城市布局和美观，且工程造价昂贵，蒸汽管网按园区蒸汽压力最高的设计，企业根据自身需求通过减温减压装置调节蒸汽压力，降低蒸汽品位等级，按照热力学第一定律，尽管减温减压没有造成蒸汽中总能量的损失，但根据热力学第二定律，蒸汽减温减压(向低品位转换)的过程，是一个不可逆的、熵增和焓降的过程，降低了蒸汽的做功能力。与此同时，园区内蒸汽用户自身或者其他用户有压缩空气需求，一般自建小型螺杆空压机，压缩空气转化效率低，且含油废水排放处理难，空压机维护成本高。
目前通常采用中大型背压汽轮机回收蒸汽压力能，只能解决大流量、中高品位段的蒸汽压差利用，且要求供汽稳定性、装机容量、场地空间、经济规模等多项条件须同时满足其较高的要求。而一般园区内众多企业蒸汽压力需求各不同，蒸汽压力难以统一，且各企业用量一般只有1～20t/h，理论上可实现蒸汽压差功率规模比较小，大部分都低于1MW左右。而当前采用轴流蒸汽汽轮机回收蒸汽压力能，功率一般大于2MW以上，受限于轴流蒸汽汽轮机结构，小型化发展尚不成熟，可成熟稳定运行的装机功率一般都不低于2MW，同时轴流蒸汽汽轮机场地占地较大，几乎全部采用了普通的减温减压装置对蒸汽进行节流和喷水内冷，浪费了蒸汽品位递减中损失的做功能力。
发明内容
本发明的目的在于本发明的目的在于回收蒸汽压力能，解决蒸汽供需参数不匹配带来的能量损失问题，实现蒸汽梯级综合高效利用，提供一种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统及方法。
这种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统，包括：基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置、蒸汽进口调压阀、蒸汽流量调节阀和蒸汽出口调压阀；所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置包括：蒸汽涡轮机和离心空压机；所述蒸汽涡轮机和离心空压机组装一体化；所述蒸汽涡轮机和离心空压机共用轴承；
所述蒸汽进口调压阀入口连接高压蒸汽入口，蒸汽进口调压阀出口连接蒸汽流量调节阀入口；蒸汽流量调节阀出口与基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置中蒸汽涡轮机的入口相连；基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置中蒸汽涡轮机的出口连接蒸汽出口调压阀入口，蒸汽出口调压阀出口连接低压蒸汽出口；
所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置中离心空压机入口连接新鲜空气入口；基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置中离心空压机出口连接压缩空气出口；
所述蒸汽涡轮机中：涡轮机叶轮放置在涡轮机涡壳内；涡轮机叶轮径向为涡轮机进汽道；所述涡轮机进汽道连接涡轮机蒸汽进口；涡轮机叶轮轴向为蒸汽排汽道；所述蒸汽排汽道连接涡轮机蒸汽出口；所述涡轮机叶轮设置于轴承上，轴承上于蒸汽涡轮机一端设有蒸汽密封环；以蒸汽涡轮机和离心空压机交接处为界，轴承上于交接处靠近蒸汽涡轮机一端设有涡轮机定位卡环；
所述离心空压机包括转子和定子，所述转子包括压缩机叶轮和轴承，压缩机叶轮上有叶片；所述定子的主体为压缩机涡壳，定子上还设有压缩机进气道、压缩机排气道、压缩机后端盖和压缩机进气口；轴承上于离心空压机一端设有压缩机定位卡环。
作为优选，所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统整体成撬设计。
这种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统的工作方法，包括以下步骤：
步骤1、高压蒸汽从高压蒸汽入口进入，高压蒸汽先通过蒸汽进口调压阀将蒸汽压力整定在蒸汽涡轮机的适应范围；再通过蒸汽流量调节阀；
步骤2、高压蒸汽沿径向通过蒸汽涡轮机的涡轮机进汽道进入到环形喷嘴环，高压蒸汽在环形喷嘴环中膨胀加速，得到高速汽流；
步骤3、高速汽流径向流入蒸汽涡轮机的涡轮机叶轮，涡轮机叶轮将蒸汽的动能和焓降进一步转变为机械功，同时汽流速度降低；
步骤4、蒸汽沿涡轮机叶轮出口方向由径向转为轴向排出；再通过蒸汽涡轮机的蒸汽出口调压阀整定到用汽压力；蒸汽供给热用户或者用汽点；
步骤5、蒸汽涡轮机产生的机械功驱动离心空压机，通过两级或者三级压缩，空气被压缩到0.5～0.9Mpa，供至用气企业或者用气点。
作为优选，步骤1所述蒸汽涡轮机用于回收蒸汽压力能；步骤5所述离心空压机用于将蒸汽压力能转化为压缩空气；蒸汽涡轮机通过联轴器或者减速机联接离心空压机。
作为优选，步骤1所述蒸汽涡轮机采用向心式、单级涡轮，蒸汽涡轮机径向进汽、轴向排汽。
作为优选，步骤1所述蒸汽涡轮机中涡轮机蒸汽进口、涡轮机蒸汽出口均设有减压阀，所述减压阀用于整定涡轮机蒸汽进口和涡轮机蒸汽出口的蒸汽压力。
作为优选，步骤5所述离心空压机轴向进气、径向排气；所述离心空压机产气量由蒸汽涡轮机做功功率决定，蒸汽涡轮机做功功率由蒸汽流量决定。
作为优选，步骤1、步骤4所述蒸汽进口调压阀、蒸汽流量调节阀和蒸汽出口调压阀的控制方式包括：电动控制或气动控制；所述蒸汽进口调压阀用于调整蒸汽涡轮机蒸汽参数在设计范围内；所述蒸汽流量调节阀用于调节蒸汽涡轮机和离心空压机的转速在设计范围内；所述蒸汽出口调压阀用于调节蒸汽涡轮机出口压力。
本发明的有益效果是:
(1)向心式蒸汽涡轮机具有小流量、小功率、系统简单等优点，特别适用在面向终端用户的蒸汽压力能回收场合。
(2)蒸汽压力能不需要转化为电力，而直接就地转化为压缩空气，减少二次转化，具有蒸汽压力能回收利用效率高、无需并网设备等优点。
(3)蒸汽和压缩空气压力适用范围广，该装置及系统成撬设计，具有可迁移至不同场合重复使用的优点。
附图说明
图1为一种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统流程图；
图2为一种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统结构图。
附图标记说明：涡轮机蒸汽进口1，涡轮机进汽道2，涡轮机涡壳3，涡轮机蒸汽出口4，涡轮机叶轮5，蒸汽密封环6，轴承7，涡轮机定位卡环8，压缩机涡壳9，压缩机后端盖10，压缩机排气道11，压缩机叶轮12，压缩机进气道13，压缩机进气口14，压缩机定位卡环15；基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置16，蒸汽进口调压阀17，蒸汽流量调节阀18，蒸汽出口调压阀19，高压蒸汽入口20，低压蒸汽出口21，新鲜空气入口22，压缩空气出口23。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
这种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统，如图2所示，包括：基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置16、蒸汽进口调压阀17、蒸汽流量调节阀18和蒸汽出口调压阀19；所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置16包括：蒸汽涡轮机和离心空压机；所述蒸汽涡轮机和离心空压机组装一体化；前者为动力，后者为被驱动，所述蒸汽涡轮机和离心空压机共用轴承7；
所述蒸汽进口调压阀17入口连接高压蒸汽入口20，蒸汽进口调压阀17出口连接蒸汽流量调节阀18入口；蒸汽流量调节阀18出口与基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置16中蒸汽涡轮机的入口相连；基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置16中蒸汽涡轮机的出口连接蒸汽出口调压阀19入口，蒸汽出口调压阀19出口连接低压蒸汽出口21；
所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置16中离心空压机入口连接新鲜空气入口22；基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置16中离心空压机出口连接压缩空气出口23；
所述蒸汽涡轮机中：涡轮机叶轮5放置在涡轮机涡壳3内；涡轮机叶轮5径向为涡轮机进汽道2；所述涡轮机进汽道2连接涡轮机蒸汽进口1；涡轮机叶轮5轴向为蒸汽排汽道；所述蒸汽排汽道连接涡轮机蒸汽出口4；所述涡轮机叶轮5设置于轴承7上，轴承7上于蒸汽涡轮机一端设有蒸汽密封环6，用于防止蒸汽泄漏；以蒸汽涡轮机和离心空压机交接处为界，轴承7上于交接处靠近蒸汽涡轮机一端设有涡轮机定位卡环8；
所述离心空压机包括转子和定子，所述转子包括压缩机叶轮12和轴承7，压缩机叶轮12上有叶片；所述定子的主体为压缩机涡壳9，定子上还设有压缩机进气道13、压缩机排气道11、压缩机后端盖10和压缩机进气口14；轴承7上于离心空压机一端设有压缩机定位卡环15。
所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统整体成撬设计。
如图1所示，这种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统的工作方法：
步骤1、高压蒸汽从高压蒸汽入口20进入，高压蒸汽先通过蒸汽进口调压阀17将蒸汽压力整定在蒸汽涡轮机的适应范围；再通过蒸汽流量调节阀18；
步骤2、高压蒸汽沿径向通过蒸汽涡轮机的涡轮机进汽道2进入到环形喷嘴环，高压蒸汽在环形喷嘴环中膨胀加速，得到高速汽流；
步骤3、高速汽流径向流入蒸汽涡轮机的涡轮机叶轮5，涡轮机叶轮5将蒸汽的动能和焓降进一步转变为机械功，同时汽流速度降低；
步骤4、蒸汽沿涡轮机叶轮5出口方向由径向转为轴向排出；再通过蒸汽涡轮机的蒸汽出口调压阀19整定到用汽压力；蒸汽供给热用户或者用汽点；
步骤5、蒸汽涡轮机产生的机械功驱动离心空压机，通过两级或者三级压缩，空气被压缩到0.5～0.9Mpa后供至用气企业或者用气点。
步骤1所述蒸汽涡轮机用于回收蒸汽压力能；步骤5所述离心空压机用于将蒸汽压力能转化为压缩空气；蒸汽涡轮机通过联轴器或者减速机联接离心空压机。解决供热蒸汽参数与用户参数的不匹配带来的蒸汽能量损失。
步骤1所述蒸汽涡轮机采用向心式、单级涡轮，蒸汽涡轮机径向进汽、轴向排汽。
步骤1所述蒸汽涡轮机中涡轮机蒸汽进口1、涡轮机蒸汽出口4均设有减压阀，所述减压阀用于整定涡轮机蒸汽进口1和涡轮机蒸汽出口4的蒸汽压力。
步骤5所述离心空压机轴向进气、径向排气；所述离心空压机产气量由蒸汽涡轮机做功功率决定，蒸汽涡轮机做功功率由蒸汽流量决定。
步骤1、步骤4所述蒸汽进口调压阀17、蒸汽流量调节阀18和蒸汽出口调压阀19的控制方式包括：电动控制或气动控制；所述蒸汽进口调压阀17用于调整蒸汽涡轮机蒸汽参数在设计范围内；所述蒸汽流量调节阀18用于调节蒸汽涡轮机和离心空压机的转速在设计范围内；所述蒸汽出口调压阀19用于调节蒸汽涡轮机出口压力，适应用户生产需求。
实施例：
以火电厂采用DN550供热管道对周围工业用户集中供热，供热管线首段蒸汽参数为1.5MPa，260℃，供热管线末段蒸汽参数为1.1MPa，205℃，供热流量120t/h，供热用户约30家，其中较大的蒸汽用户有8家，其中A公司用汽点管网蒸汽参数为1.2MPa，210℃，B公司用汽点管网蒸汽参数为1.3MPa，230℃。A公司主要经营医药制造，生产需要0.6MPa，160℃，约10t/h，另还需0.8MPa压缩空气约80Nm3/min。
采用该专利，为A公司设计一套蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置及系统，蒸汽涡轮机设计流量10t/h，热效率80％，蒸汽进出口参数为(1.2MPa，210℃)/(0.6MPa，160℃)功率为210kW，空气压缩机出口压力为0.8MPa，设计产气量为23Nm3/min，替代原有蒸汽减温减压器，A公司其余压缩空气由原有设备提供。A公司工艺生产全年约7000小时，压缩空气按工业用电价格折算约0.12元/Nm3，每年因压缩空气可节省116万电费，但因蒸汽品质下降会增加蒸汽用量，在蒸汽涡轮机做功减少的热量折算，每吨蒸汽成本约6元，A公司每年蒸汽费用增加42万元，该装置及系统市场价300万元，投产后每年收益74万元，约4年内收回投资。
Claims (6)
1.一种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、高压蒸汽从高压蒸汽入口(20)进入，高压蒸汽先通过蒸汽进口调压阀(17)将蒸汽压力整定在蒸汽涡轮机的适应范围；再通过蒸汽流量调节阀(18)；
步骤2、高压蒸汽沿径向通过蒸汽涡轮机的涡轮机进汽道(2)进入到环形喷嘴环，高压蒸汽在环形喷嘴环中膨胀加速，得到高速汽流；
步骤3、高速汽流径向流入蒸汽涡轮机的涡轮机叶轮(5)，涡轮机叶轮(5)将蒸汽的动能和焓降进一步转变为机械功，同时汽流速度降低；
步骤4、蒸汽沿涡轮机叶轮(5)出口方向由径向转为轴向排出；再通过蒸汽涡轮机的蒸汽出口调压阀(19)整定到用汽压力；蒸汽供给热用户或者用汽点；
步骤5、蒸汽涡轮机产生的机械功驱动离心空压机，通过两级或者三级压缩，空气被压缩到0.5～0.9Mpa，供至用气企业或者用气点；
一种基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统，包括：基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置(16)、蒸汽进口调压阀(17)、蒸汽流量调节阀(18)和蒸汽出口调压阀(19)；所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置(16)包括：蒸汽涡轮机和离心空压机；所述蒸汽涡轮机和离心空压机组装一体化；所述蒸汽涡轮机和离心空压机共用轴承(7)；
所述蒸汽进口调压阀(17)入口连接高压蒸汽入口(20)，蒸汽进口调压阀(17)出口连接蒸汽流量调节阀(18)入口；蒸汽流量调节阀(18)出口与基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置(16)中蒸汽涡轮机的入口相连；基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置(16)中蒸汽涡轮机的出口连接蒸汽出口调压阀(19)入口，蒸汽出口调压阀(19)出口连接低压蒸汽出口(21)；
所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置(16)中离心空压机入口连接新鲜空气入口(22)；基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应装置(16)中离心空压机出口连接压缩空气出口(23)；
所述蒸汽涡轮机中：涡轮机叶轮(5)放置在涡轮机涡壳(3)内；涡轮机叶轮(5)径向为涡轮机进汽道(2)；所述涡轮机进汽道(2)连接涡轮机蒸汽进口(1)；涡轮机叶轮(5)轴向为蒸汽排汽道；所述蒸汽排汽道连接涡轮机蒸汽出口(4)；所述涡轮机叶轮(5)设置于轴承(7)上，轴承(7)上于蒸汽涡轮机一端设有蒸汽密封环(6)；以蒸汽涡轮机和离心空压机交接处为界，轴承(7)上于交接处靠近蒸汽涡轮机一端设有涡轮机定位卡环(8)；
所述离心空压机包括转子和定子，所述转子包括压缩机叶轮(12)和轴承(7)，压缩机叶轮(12)上有叶片；所述定子的主体为压缩机涡壳(9)，定子上还设有压缩机进气道(13)、压缩机排气道(11)、压缩机后端盖(10)和压缩机进气口(14)；轴承(7)上于离心空压机一端设有压缩机定位卡环(15)；
所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统为整体成撬设计。
2.根据权利要求1所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统的工作方法，其特征在于：步骤1所述蒸汽涡轮机用于回收蒸汽压力能；步骤5所述离心空压机用于将蒸汽压力能转化为压缩空气；蒸汽涡轮机通过联轴器或者减速机联接离心空压机。
3.根据权利要求1所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统的工作方法，其特征在于：步骤1所述蒸汽涡轮机采用向心式、单级涡轮，蒸汽涡轮机径向进汽、轴向排汽。
4.根据权利要求1所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统的工作方法，其特征在于：步骤1所述蒸汽涡轮机中涡轮机蒸汽进口(1)、涡轮机蒸汽出口(4)均设有减压阀，所述减压阀用于整定涡轮机蒸汽进口(1)和涡轮机蒸汽出口(4)的蒸汽压力。
5.根据权利要求2所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统的工作方法，其特征在于：步骤5所述离心空压机轴向进气、径向排气；所述离心空压机产气量由蒸汽涡轮机做功功率决定，蒸汽涡轮机做功功率由蒸汽流量决定。
6.根据权利要求1所述基于蒸汽余压撬装式压缩空气供应系统的工作方法，其特征在于：步骤1、步骤4所述蒸汽进口调压阀(17)、蒸汽流量调节阀(18)和蒸汽出口调压阀(19)的控制方式包括：电动控制或气动控制；所述蒸汽进口调压阀(17)用于调整蒸汽涡轮机蒸汽参数在设计范围内；所述蒸汽流量调节阀(18)用于调节蒸汽涡轮机和离心空压机的转速在设计范围内；所述蒸汽出口调压阀(19)用于调节蒸汽涡轮机出口压力。
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