螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)技術(shù)及在低溫余熱發(fā)電中的應(yīng)用

上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 余岳峰

江西華電電力有限責(zé)任公司 胡達(dá) 鄧金云 陳亮樂 黃云 鄧志強(qiáng)

1 引言

余熱在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中普遍存在，化工、冶金、建材和電力等行業(yè)產(chǎn)生的余熱種類繁多，含熱資源量大面廣，但同時(shí)大量余熱卻被浪費(fèi)。余熱回收利用是工業(yè)節(jié)能迫在眉睫的關(guān)鍵技術(shù)之一，尤其是低溫余熱發(fā)電技術(shù)更具有挑戰(zhàn)性，并得到人們普遍關(guān)注。它不但提高了能源利用效率有助于緩解能源問題，而且還減少了生產(chǎn)過程中的環(huán)境污染問題，對節(jié)能減排具有重要作用。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)技術(shù)就是適合于低溫余熱發(fā)電的新技術(shù)，該技術(shù)特點(diǎn)鮮明，具有同類型汽輪發(fā)電機(jī)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益，提高企業(yè)的能源利用率。

2 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)系統(tǒng)

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)屬于回轉(zhuǎn)容積式膨脹機(jī)，兼有活塞膨脹機(jī)和透平膨脹機(jī)二者之特點(diǎn)，螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)能將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位機(jī)械能或電能。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)是一種全流式動(dòng)力機(jī)，適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物，并且對工質(zhì)清潔度要求不高。它結(jié)構(gòu)簡單，零部件數(shù)量少，幾乎沒有易損件，設(shè)備維護(hù)方便，因此設(shè)備可靠，壽命長。

2.1 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)工作原理

雙螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)由一對螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及連軸節(jié)等組成，氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行置于氣缸中。螺桿膨脹機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程從吸氣過程開始，氣體在封閉的齒間容積中膨脹做功，最后移至排氣過程。陰、陽螺桿和氣缸之間形成呈“V”字形的齒間容積，其大小隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)而變化。圖1為螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)工作過程是由吸氣過程、膨脹過程和排氣過程三個(gè)過程組成。吸氣過程：高壓氣體由吸氣孔口進(jìn)入由陰、陽螺桿和氣缸之間形成的“V”字形齒間容積，推動(dòng)陰、陽螺桿反向旋轉(zhuǎn)；而齒間容積不斷擴(kuò)大，當(dāng)后面一齒切斷進(jìn)氣孔口時(shí)，吸氣過程結(jié)束。膨脹過程：在吸氣過程結(jié)束后，齒間容積充滿高壓氣體，在壓力差作用下形成一定轉(zhuǎn)矩，陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，于是齒間容積不斷擴(kuò)大，氣體膨脹，螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對外做功；當(dāng)齒間容積達(dá)最大值時(shí)，膨脹過程結(jié)束。排氣過程：當(dāng)膨脹過程結(jié)束時(shí)，齒間容積與排氣孔口接通，將膨脹后的氣體向排氣孔口推趕，氣體經(jīng)排氣孔口排出，直到齒間容積達(dá)到最小值為止。

2.2 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

1）適用于各種工作介質(zhì)。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)是當(dāng)今國內(nèi)外唯一能同時(shí)適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相濕蒸汽及熱水的熱動(dòng)力機(jī)，它還適用于低溫有機(jī)工質(zhì)。

2）對工作介質(zhì)品質(zhì)要求不高。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)適用于含鹽垢的流體，不怕結(jié)垢和污染介質(zhì)，能除垢自潔；未能除去的剩余污垢可以起到減小間隙、減低泄漏損失作用，從而有利于提高機(jī)組效率。

3）適合于熱源參數(shù)大范圍波動(dòng)。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)在熱源壓力、溫度和流量大范圍波動(dòng)情況下，內(nèi)效率基本不變，能保持機(jī)組穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

4）運(yùn)行操作簡單。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)不暖機(jī)、不盤車，直接沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)，操作簡單，不會(huì)造成飛車等生產(chǎn)安全事故，并可以手動(dòng)、自動(dòng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

5）維護(hù)檢修方便。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)零部件少，維修容易，長期無需大修（十年以上），正常每年一次小修維護(hù)，檢修簡單方便，不需要專業(yè)維護(hù)技術(shù)人員。

6）結(jié)構(gòu)簡單安裝容易。發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)簡單、占地小、通用性強(qiáng)、可以整機(jī)快裝和移動(dòng)，很適合工業(yè)余熱的特點(diǎn)和發(fā)電利用。

2.3 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)與汽輪機(jī)比較

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽，還適用于汽液兩相以及熱液熱水，對工作介質(zhì)品質(zhì)要求不高；而汽輪機(jī)一般適用于過熱蒸汽，對于飽和蒸汽和濕蒸汽，汽輪機(jī)應(yīng)用受到一定限制，對工作介質(zhì)品質(zhì)要求較高。

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行、維護(hù)簡單方便，正常運(yùn)行十年內(nèi)無大修，無需專業(yè)檢修隊(duì)伍和設(shè)備；而汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行、維護(hù)要求高，一般2-3年需要大修一次，需要專業(yè)檢修隊(duì)伍和設(shè)備。

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)轉(zhuǎn)速相對低，可按被驅(qū)動(dòng)的工作機(jī)械轉(zhuǎn)速直接驅(qū)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，振動(dòng)少，噪聲??；而汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速相對高，存在振動(dòng)大、飛車等安全隱患，需要嚴(yán)格的運(yùn)行條件要求。

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)只適用于低溫低壓蒸汽（一般為壓力小于3MPa，溫度小于300℃的蒸汽），單機(jī)功率較小，目前單機(jī)最大功率為1500kW；而汽輪機(jī)適用于高溫高壓過熱蒸汽（一般為壓力大于4MPa，溫度大于300℃的過熱蒸汽），單機(jī)功率大，單機(jī)功率大于3000kW。

3 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)在工業(yè)余熱發(fā)電中的應(yīng)用

3.1 發(fā)電廠鍋爐連排水驅(qū)動(dòng)螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電

發(fā)電廠汽包鍋爐發(fā)電機(jī)組，為保證汽水品質(zhì)，需要進(jìn)行鍋爐排污水的連續(xù)排放。鍋爐連排水由于含鹽量高，一般采用降壓擴(kuò)容回收小部分低壓蒸氣。除部分閃蒸蒸汽回到除氧器外，大部分連排水沒有利用，都排放到地溝，因此造成能量的很大損失。鍋爐連排水是高溫高壓水，具有高品位能量，本應(yīng)回收利用。但國內(nèi)外目前似乎都沒有很好的回收利用技術(shù)，甚至未予重視。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)的出現(xiàn)與應(yīng)用，使得鍋爐連排水也和蒸汽一樣可以做功發(fā)電，或拖動(dòng)風(fēng)機(jī)水泵，取代電動(dòng)機(jī)，達(dá)到節(jié)能節(jié)電、降低廠用電率的作用。

江西華電電力有限責(zé)任公司與國電九江發(fā)電廠共同開展利用鍋爐連排水驅(qū)動(dòng)螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電工程示范項(xiàng)目。該項(xiàng)目利用兩臺(tái)200MW發(fā)電機(jī)組鍋爐連排水，單臺(tái)鍋爐蒸發(fā)量為670t/h，鍋爐連排水量按蒸發(fā)量的1%計(jì)算為6t/h，兩臺(tái)鍋爐連排水流量為12t/h。鍋爐汽包壓力14MPa，連排水經(jīng)調(diào)壓閥降至1.3MPa飽和溫度汽水混合物，進(jìn)入螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)做功發(fā)電，動(dòng)力機(jī)排汽壓力為0.15MPa，動(dòng)力機(jī)功率可達(dá)320kW。動(dòng)力機(jī)采用江西華電電力有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SEPG300-350螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)，熱力系統(tǒng)示意圖見圖2。

經(jīng)濟(jì)性分析：按螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為8000h計(jì)算，則年發(fā)電量為256萬kWh，按發(fā)電廠上網(wǎng)電價(jià)0.35元/kWh計(jì)，年發(fā)電效益為89.6萬元。

3.2 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)回收轉(zhuǎn)爐余熱蒸汽差壓發(fā)電

首鋼集團(tuán)遷鋼公司煉鋼廠有三臺(tái)210t轉(zhuǎn)爐，每臺(tái)轉(zhuǎn)爐配置一臺(tái)汽包，轉(zhuǎn)爐汽包運(yùn)行壓力在2.5MPa以內(nèi)。三臺(tái)轉(zhuǎn)爐正常運(yùn)行時(shí)，平均總產(chǎn)汽量約60t/h。轉(zhuǎn)爐的汽包蒸汽經(jīng)過各自蒸汽管道匯總到一根蒸汽母管，經(jīng)過該蒸汽母管將匯總的汽包蒸汽送至四臺(tái)150m3蓄熱器，蓄熱器運(yùn)行壓力在1.6MPa至2.3MPa之間。從蓄熱器引出的蒸汽供給兩部分使用,其中一部分蒸汽經(jīng)降壓閥減壓至0.9MPa后供廠區(qū)蒸汽管網(wǎng)用汽，其夏季流量約20t/h，冬季流量在50t/h左右。

利用煉鋼廠轉(zhuǎn)爐蓄熱器出口蒸汽到廠區(qū)蒸汽管道之間的差壓能量，在原降壓閥管路上并聯(lián)一條蒸汽管道，安裝螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組來回收飽和蒸汽降壓節(jié)流損失能量，發(fā)電作功后蒸汽再進(jìn)入到廠區(qū)蒸汽管道正常利用。設(shè)計(jì)螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)進(jìn)汽壓力1.90MPa，進(jìn)汽溫度為飽和溫度，進(jìn)汽流量13t/h，排汽壓力0.93MPa?？梢园惭b一套SEPG300型螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組，實(shí)發(fā)功率可達(dá)250kW。圖3為螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)余熱蒸汽差壓發(fā)電熱力系統(tǒng)示意圖。

經(jīng)濟(jì)性分析：按螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)8000h計(jì)算，年發(fā)電量為200萬kWh，電價(jià)按0.5元/kWh計(jì)，則年發(fā)電效益為100萬元；年節(jié)約標(biāo)煤700t，減少二氧化碳排放約1750t。

3.3 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)余熱蒸汽冷凝回收發(fā)電

萊鋼永峰鋼鐵有限公司鋼鐵生產(chǎn)工藝中產(chǎn)生大量余熱蒸汽，現(xiàn)有四個(gè)分廠產(chǎn)生余熱蒸汽，蒸汽壓力經(jīng)調(diào)整后并入低壓蒸氣母管，部分蒸汽供工藝使用，剩余蒸汽在并網(wǎng)前排空。蒸汽母管運(yùn)行壓力在0.4-0.5MPa之間，為飽和溫度，富裕蒸汽流量約15t/h。設(shè)計(jì)利用螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)回收余熱蒸汽能量發(fā)電，蒸汽作功后冷凝回收，循環(huán)利用。設(shè)計(jì)進(jìn)汽為壓力0.45MPa的飽和蒸汽、排汽壓力0.16MPa，蒸汽流量15t/h，可以安裝一套500KW螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組，選擇SEPG500型螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)，實(shí)發(fā)功率為440kW。圖4為余熱蒸汽冷凝回收發(fā)電熱力系統(tǒng)示意圖。

經(jīng)濟(jì)性分析：按螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)8000h計(jì)算，年發(fā)電量為352萬kWh，電價(jià)按0.5元/kWh計(jì)，則年發(fā)電效益為176萬元；年節(jié)約標(biāo)煤1232t，減少二氧化碳排放約3080t。

4 螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)低溫工質(zhì)雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)低溫工質(zhì)雙循環(huán)系統(tǒng)，也稱有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，它以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)，工質(zhì)在流動(dòng)系統(tǒng)中從余熱流體中獲得熱量，產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)蒸汽，進(jìn)而推動(dòng)螺桿機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電或輸出動(dòng)力，乏氣在冷凝器中冷卻為液態(tài)，由工質(zhì)泵打入蒸發(fā)器熱交換器，完成一個(gè)循環(huán)。這種動(dòng)力系統(tǒng)對余熱流體潔凈度、溫度和壓力都無過高要求，適用于溫度100℃以下的余熱熱源。圖5為螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)低溫工質(zhì)雙循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)低溫工質(zhì)雙循環(huán)系統(tǒng)在華北油田公司留北潛山油藏地?zé)崴l(fā)電中得到應(yīng)用。根椐華北油田提供的油田采出液地?zé)崆闆r，確定利用采油的油水混合物熱液：溫度為100-105℃，流量6000m3/天，平均流量250m3/h；要求尾水溫度在85℃（夏季）與90℃（冬季）之間，作為油田維溫?zé)嵋豪^續(xù)利用。油田提供的采出液熱源，作為雙循環(huán)螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組的熱源，進(jìn)入到蒸發(fā)換熱器，加熱低溫工質(zhì)成飽和蒸汽狀態(tài)，沖轉(zhuǎn)螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后低溫工質(zhì)進(jìn)入冷凝器冷凝，再由工質(zhì)泵重新輸入到蒸發(fā)換熱器，形成發(fā)電的封閉式循環(huán)。發(fā)電機(jī)發(fā)出的電，并入油田的生產(chǎn)電網(wǎng)。

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：進(jìn)汽壓力0.52MPa，溫度82℃，排汽壓力0.17MPa，溫度42℃，蒸汽流量106t/h。確定安裝一套400KW的雙循環(huán)螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組，額定發(fā)電功率360kW ，系統(tǒng)自耗電率約12.5%，則供電功率（凈發(fā)電功率）310kW。

5 結(jié)論

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)因其設(shè)備可靠、維護(hù)方便，以及鮮明的技術(shù)特點(diǎn)，并具有同類型汽輪發(fā)電機(jī)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)余熱回收利用，尤其是低溫余熱發(fā)電中，發(fā)揮著越來越重要的作用。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)在低溫地?zé)岚l(fā)電和低溫太陽能熱發(fā)電等可再生能源領(lǐng)域，也將發(fā)揮不可替代的作用。