于海涛 张昊 韩双
中国船舶集团有限公司第七〇三研究所黑龙江哈尔滨 150000
摘要：某化工厂运行时为了满足工艺系统的参数要求，需将锅炉主蒸汽直接进行减温减压调整，存在着较大的高参数蒸汽做功能力损失。为了充分回收利用该压差能，通过增设一套背压式小汽轮异步发电机组的方式，实现了能量的梯级利用，对解决同类问题具有一定的实际意义和参考价值。
关键词：蒸汽余压；异步发电；梯级利用；节能增效
引言：
近年来，随着我国经济发展步入新常态，能源消费增速趋缓，发展质量和效率问题突出，贯彻落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，着力推进能源利用方式变革[1]，建设清洁高效的现代能源体系已刻不容缓。
为了积极响应国家能源政策以及可持续发展战略中提出的建设“资源节约，环境友好”社会的总部署，同时也受企业年度各项经营和经济技术指标的考核，某化工厂在现有锅炉的参数、容量不可改变的前提条件制约下，利用背压式小汽轮异步发电机组替代减温减压器进行余压发电来降低能耗，不仅满足了生产工艺需求，还大幅降低了生产成本，提升了企业的经济效益和市场竞争力，利于企业自身的长远发展。
1系统方案概述
对于国内大部分高耗能企业或者电厂而言，其自身生产工艺用汽或者对外供汽的参数往往较高，早期的常规设计一般采用减温减压方式进行调整，但该过程存在着较大的可用能损失，不仅造成能源的浪费，还使系统运行的经济性变差。考虑到蒸汽品质依然较高，有继续做功发电的潜力，为了充分回收这部分压差能量损失，经过不断技术革新后出现了小汽轮发电机组的解决方案，且以小汽轮机配套同步发电机较为普遍，而配套异步发电机并不多见。随着发电设备的研制应用和逐步更新完善，异步发电技术以其特有的优势而成为了近年节能改造的主要手段之一。
新增的小汽轮异步发电机组，系统主要由背压式小汽轮机、异步发电机和相应的阀门、管道等设备材料构成。该套发电机组与原有减温减压系统并联设置，背压式小汽轮机驱动异步发电机做功后排汽再去供热，从而实现能量梯级利用。在新增小汽轮机发生故障或检修停运时，关闭其进、排汽管道上的电动闸阀，将系统切换至原有的减温减压运行方式，可以有效保证系统的安全可靠。
2异步发电原理
异步发电机主要由定子和转子两部分组成，定子为三相绕组，转子为鼠笼型式。具有结构简单、耐用、控制简易、后期维护工作量小、价格低廉等优点，目前在石化、电力等行业已有成熟运行先例。
异步发电机可以认为是在异步电动机使用基础上的变相拓展，当汽轮机驱动异步发电机工作时，随着转速升高至接近其同步转速时进行合闸，此时发电机定子的三相绕组先从电网上受电，通过定子的三相电流产生以同步转速旋转的磁场，随着转速继续升高超过其同步转速后，转子与磁场进行磁感线切割运动并不断加强，在鼠笼转子上产生感应电流从而受力，为了克服该作用力，保证转子始终以高于磁场的同步转速运行，所以需要靠汽轮机提供驱动力。该过程中接在电网上的定子持续吸收无功电流来激磁，并同步输出有功电流，将汽轮机的机械功转换成电功[2]。
异步发电机并网操作简单，定子绕组上的电压、频率均与电机的转速无关，不存在类似同步发电机的振荡与失步等问题[3]，也不需要专门的同期和励磁装置，不会对电网产生谐波污染和冲击。在严重过载及短路情况下可实现短路自保护，实际应用中能够避免一些灾难事故的发生[4]。运行时异步发电机不但向电网发出有功功率，同时也要从电网上吸收无功功率，可能会导致电网功率因素降低，因此系统设计时应考虑进行适当补偿[5]。
3技术应用实例
3.1主设备及系统配置
某大型化工厂动力车间有常年向外供工艺蒸汽的需求，一年内约有7个月的时间供汽量为40t/h，其余5个月的时间供汽量为75t/h，工艺蒸汽压力为0.8MPa，温度为250℃左右。厂内现有一台75吨循环流化床锅炉和一台40吨循环流化床锅炉，额定主汽参数均为3.43MPa、435℃，75吨锅炉配置二套减温减压装置，40吨锅炉配置一套减温减压装置。运行时为了满足工艺蒸汽的参数要求，主蒸汽需经过减温减压器进行调整，存在相当大的高参数蒸汽的做功能力损失。针对该厂存在着的能源使用不合理情况，依据上述的异步发电技术进行相关改造，增设了一套背压式小汽轮异步发电机组完全替代原有减温减压装置，小汽轮机排汽去生产工艺系统，异步发电机发出的电量直接接入高压厂用电进行消纳。系统改造后，极大程度的减少了下网电量，提升了热电联产的效率。
3.2经济效益分析
为同时兼顾冬夏季的厂内工艺蒸汽参数要求，机组按下表参数配置，与原有减温减压供热方式相比，异步发电改造后其技术经济指标如下：
技术经济指标表
实际运行过程中，受上下游化工产品整体需求变化导致工艺用汽量和发电量随之变化，加之当地不同年份的标煤价格、下网电价等边界条件的波动影响，投资回收期在2-2.5年左右。回收期较短，经济效益显著。
4结论
（1）新增发电机组替代减温减压装置，利用汽轮机进行驱动发电机，将所回收的热能转化为电能，自发自用，降低厂内生产耗电量。
（2）所增加的发电机为异步发电机，具有自动同期和励磁的功能，并网稳定无冲击，技术领先、运行操作简单且维护成本低。
（3）合理、优化的系统设计，不仅实现了有限空间的系统集成，还实现了冬夏季两台锅炉的自由切换，保证了系统在不同时节均能以较高效率运行。
（4）通过节能改造提升了经济发展质量和水平，实现了改善环境与经济发展的良性循环，增强了企业员工的劳动幸福感和责任感，社会效益显著。
5参考文献
[1]国家发展改革委国家能源局.能源发展“十三五”规划[M].2016.12.
[2]屈莉.催化装置能量回收机组中大型异步电动/发电机对系统功率因数的影响及无功补偿[J].黑龙江科技信息，2015(01).
[3]张立、牟法海、刘辉、董玲.热电厂利用余热发电对厂用电系统的影响分析[J].电气技术，2018(7).
[4]张阳、吴新振、黄丛慧.三相异步发电独立电力系统不对称稳态运行分析[J].电力自动化设备，2017(02).
[5]卢成生.能量回收机组中异步电动/发电机对系统功率因数的影响及无功补偿[J].炼油设计，2002(08).