引言在“双碳”目标与“三改联动”[1]要求背景下，以小锅炉分散供热的传统供热方式向新型集中供热方式转变。新型集中供热方式直接向多个需求不同的热用户供热，为了满足各个用户的供能需求，需调整抽气参数至指定的压力和温度，现阶段发电厂通常采用减温、减压阀作为降温、降压的热力设备[2-7]。减温、减压阀具有投资少、占地面积小、运行操作方便等优点，但减温、减压阀通过节流元件增加局部阻力，造成蒸汽能量损失；通过减温水蒸发吸收蒸汽热量，从而实现高温蒸汽降温，极大地增加减温水的投用量，降低机组效率[8]。因此减温、减压阀的长期投用无法合理利用蒸汽的热能梯度，造成能源浪费，经济性不高[9-11]。传统的大功率发电机组不适用于余压资源等小功率发电利用情况，会出现效率偏低、设备投资经济性差的情况。开发灵活、便捷、轻巧的小型发电系统成为未来余压资源利用的发展趋势。余压发电指利用流体的多余压力能发电的技术，能量资源包括气体或液体运输时固有的过高压力能，为满足输送过程和终端利用所需压力的多余部分，或排放时残留的剩余压力能。1969年，苏联试验成功余压发电（TRT）。日本的川崎钢铁公司在21座高炉上安装余压发电机。一座钢铁厂的高炉全部装上炉顶发电机时，可以提供全厂所需5%的用电量。早期余压发电的余压资源一般为高炉煤气余压透平发电装置，利用高炉冶炼的副产品——高炉炉顶煤气。高炉炉顶煤气具有适宜的压力能及热能，煤气通过透平膨胀机做功，将内能转化为机械能，驱动发电机发电或其他装置运作，属于二次能量回收装置。部分企业开发过热（或饱和）蒸汽锅炉余压发电技术，对原有的锅炉供热系统进行技术改造，采用小型背压机组，根据不同用户需要的蒸汽压力差，进行热能与电能的转换，以获取低成本的电能。但是小型背压机组一般适用于大流量蒸汽余压回收。在国家节能减排的政策号召下，中小流量余压资源的有效利用成为研究重点。文中使用高效径向透平系统替代减温、减压阀，对区域能源系统中的余压能量进行回收利用。1项目概况某能源系统火电厂机组的装机容量为2×660 MW，锅炉、汽轮机、发电机三大主机分别由上海锅炉厂有限公司、上海汽轮机有限公司、上海汽轮发电机有限公司设计制造。机组承担周边10 km范围内的工业和居民供热，厂区外供蒸汽参数为1.34 MPa、280 ℃，蒸汽量为9~40 t/h，一天内的波动量较大。目前，机组的供热蒸汽由3号、4号冷再蒸汽提供，冷再蒸汽参数为3.86 MPa、367.5 ℃，经过第一级减压，蒸汽参数为2.5 MPa、353.5 ℃，经过第二级减压和降温，达到外供蒸汽参数1.34 MPa、280 ℃。机组当前的供热方式为传统的高压蒸汽经减温、减压后供汽，节流损失量偏大，供热节能潜力巨大。随着周边企业工业用汽需求增长，根据电网实际情况以及电厂自身发展的需要，通过技术改造提升机组工业供热的经济性和可靠性。来汽参数为3.86 MPa，外供蒸汽参数为1.34 MPa，蕴含着巨大的压差能，采用减温、减压阀必然会产生能源浪费。文中在机组供热系统中增加余压发电装置，将高参数蒸汽进行初步降压，代替二次减温、减压阀，利用蒸汽压差能发电，根据不同用户需要的蒸汽压力差，进行热能-电能的转换，获取低成本的电能。2系统方案设计蒸汽余压发电系统的主要部件包括透平膨胀机、转子支撑系统、发电机系统和控制系统。蒸汽余压技术路线按照膨胀机工作原理被分为两个大类，分别为容积式膨胀机和速度型膨胀机。容积式膨胀机通过改变工作腔容积大小获得焓降与压比，主要包括螺杆膨胀机。速度型膨胀机主要有轴流式透平和径向透平。不同类型膨胀机适用于不同流量、压力以及装机容量条件。本项目的特点是小流量、大波动，要求变工况运行特性优良。径流式透平膨胀机和轴流式透平膨胀机可以承载更高的压比，结构简单，径流式透平余压发电系统占地更小。与轴流式透平相比，径流式透平叶轮转子更易被铸造，大批量生产成本更低。根据项目蒸汽余压利用的特点，选取径流式透平膨胀机。不同类型膨胀机对比如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.012.T001表1不同类型膨胀机对比项目螺杆膨胀机径流式透平轴流式透平适用条件适用于小流量、参数波动的应用场合。适用于小流量、参数波动的应用场合，变工况可靠性较高。适用于大流量、参数稳定应用场合，可靠性较高，变工况可靠性较差。经济性实际运行效率50%~70%。设计效率80%~90%，实际运行效率超过75%，变工况性能好。设计效率70%~80%，实际运行效率约50%~70%。运维成本较低，定时更换机封易损件。较低，模块化程度高，易于维护。较高，系统相对复杂，大修间隔4~5 a。缺点及难点效率降低，密封性要求高，需要及时更换机封。蒸汽品质要求较高，对制造要求较高。流量、压差、膨胀比显著低于设计值时，面临较大停机风险。转子支承系统的长期稳定安全运行是高速电机实际应用的先决条件。目前，各类高速电机中广泛采用的轴承被分为接触式和非接触式。常见的轴承方案主要包括气浮轴承、磁悬浮轴承、油膜轴承、滚珠轴承。与油膜轴承以及滚珠轴承相比，磁悬浮轴承更适合高转速工况特点且结构简单、维护成本较低；磁悬浮轴承具有高精度的特点，有助于透平设计中降低叶轮间隙，从而提高透平效率。3项目配置方案本项目利用余压发电系统代替原有二级减温减、压阀，将多余的压差转化为机械能进行发电。余压发电系统与二级减温减压系统并联，可以与原系统在线切换，对原系统的安全性不构成冲击，具有较强的安全性。余压发电系统的进出口参数分别为2.5 MPa、353.5 ℃和1.34 MPa、280 ℃，蒸汽流量按照平均值（20 t/h）核算，余压发电系统功率为570 kW，采用集成高速透平、高速电机、高速轴承的技术方案配置，是解决小流量工作余压利用的有效途径，系统为两级涡轮串联布置，可以并联运行1套570 kW级余压发电装置，发电直接并入电厂厂用电系统。余压发电系统系统如图1所示。蒸汽进入透平前，经过截止阀、安全速关阀，进入透平膨胀做功，透平驱动发电机发电，经过出口截止阀后进入下游系统。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.012.F001图1余压发电系统系统4系统经济性分析项目估算工程设备投资为450万元，新增发电收益约99.66万元，考虑设备维护费用，项目的投资回收期为5.98年，项目投资财务内部收益率为16.72%。项目每年节约标准煤约1 096 t，粉减排尘量约745.2 t，CO2减排量约2 731.5 t，SO2减排量约82.2 t，氮氧化物减排量约41.1 t，具有良好的经济和社会效益。项目敏感性分析如图2所示。本项目的各项评价指标均优于基准值，项目具有良好的财务盈利能力和较强的抗风险能力。项目投资收益受电价和初投资的影响较大，电价按照目前的火电标杆电价核算，部分区域能源系统通过实施项目减少用电量，增加上网电量，提高收益。随着技术进步，项目的初投资有望大幅度降低，项目的技术经济性将更加凸显。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.012.F002图2项目敏感性分析5结语以某区域能源系统火电厂机组为例，探讨余压发电技术在区域能源系统中的应用，在机组供热系统中增加余压发电装置，将高参数蒸汽进行初步降压，代替二次减温减压阀，利用蒸汽余压能发电，根据经济性分析和敏感性分析。本项目具有良好的经济效益和较强的抗风险能力，可以极大地提高区域能源系统的供能与用能水平，减少能耗及污染物排放水平，实现多方共赢的美好局面。研究结果将为区域能源系统的设计提供重要参考。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.09.012.F003