低品位熱能回收裝置——ORC螺桿膨脹發(fā)電站

翁有為

（上海開(kāi)山氣體壓縮機(jī)銷售有限公司，上海 200040）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)改革進(jìn)程的不斷深入，節(jié)能減排已經(jīng)放到首要的議事日程。高品位的熱能被用來(lái)發(fā)電或者用作動(dòng)力后，其余熱部分如何被充分利用？這個(gè)問(wèn)題，隨著螺桿膨脹發(fā)電站的誕生而得到有效的解答。

1 螺桿膨脹機(jī)的一般工作原理

螺桿膨脹機(jī)是螺桿壓縮機(jī)的逆運(yùn)轉(zhuǎn)。操作過(guò)螺桿壓縮機(jī)的人都不愿看到，當(dāng)壓縮機(jī)處于系統(tǒng)突然停車的情況下，處于壓縮機(jī)排氣管道的高壓氣體會(huì)回流，迫使螺桿壓縮機(jī)倒轉(zhuǎn)，從而給螺桿壓縮機(jī)造成損壞。螺桿膨脹機(jī)正是從這個(gè)“倒轉(zhuǎn)”原理入手，高壓進(jìn)氣，低壓排氣，利用的是氣體的壓差，以氣體膨脹消耗內(nèi)能對(duì)外做功。其工作分為三個(gè)過(guò)程：

1）吸氣過(guò)程：高壓氣體從進(jìn)氣口進(jìn)入轉(zhuǎn)子的齒間容積后，向低壓端排氣口運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，直到此容積完全與進(jìn)氣口脫離，該齒間容積吸氣結(jié)束，下一個(gè)齒間容積吸氣過(guò)程同時(shí)開(kāi)始；

2）膨脹過(guò)程：與轉(zhuǎn)子齒間容積不斷擴(kuò)大相應(yīng)，高壓氣體的體積也不斷膨脹，溫度（內(nèi)能）降低，把膨脹做的功通過(guò)陽(yáng)轉(zhuǎn)子體，傳遞到輸出軸，拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；

3）排氣過(guò)程：當(dāng)高壓氣體膨脹到一定的體積，能量得到充分的釋放后，轉(zhuǎn)子的齒間容積此時(shí)與排氣口逐步貫通，進(jìn)入排氣，直至齒間容積為零，將齒間容積再次向吸氣口開(kāi)放，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

2 螺桿膨脹機(jī)與蒸汽或熱水的匹配

按照上述螺桿膨脹機(jī)的工作原理，得知其對(duì)外做功，主要是靠氣體的壓差。從理論上講，壓差越大，可以利用的內(nèi)能也越大，從而得到的功也越大。但實(shí)際情況并非如此簡(jiǎn)單。

因?yàn)?，螺桿的齒間容積有限，它的進(jìn)口與出口的容積比（壓比）有一定的限制。它有一個(gè)最佳的容積（壓力）比。過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響其做功的效率，過(guò)高品位的熱能，對(duì)其是一種新的浪費(fèi)，或者使機(jī)組龐大、復(fù)雜，影響最終的性價(jià)比。

一般來(lái)說(shuō)，需要利用的蒸汽熱能會(huì)在各種形式的機(jī)組的各自范疇之內(nèi)，起到各自的效用。對(duì)于高品位、大流量的過(guò)熱蒸汽，應(yīng)用于速度型的膨脹機(jī)，如：汽輪機(jī)等，能取得最大的效益；對(duì)于低品位的蒸汽熱能，而存在于汽、液兩相之間（或純粹是熱水），采用容積式的螺桿膨脹機(jī)更為合理。

為取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，按現(xiàn)行采用的有機(jī)介質(zhì)的運(yùn)行特性，螺桿膨脹機(jī)的基本條件設(shè)定為：

1）合適的蒸發(fā)溫度：最低不能低于80℃，最高不可超過(guò)120℃，臨界溫度是154.05℃。

2）合適的冷凝溫度：盡量降低冷凝溫度，空氣冷卻因傳熱溫差的原因，會(huì)導(dǎo)致冷凝溫度較高。

3）適當(dāng)?shù)膲罕龋号蛎洐C(jī)最小壓比4，在合理的范圍內(nèi)，建議盡量取高，以提高功率輸出效率。

3 有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)的引入

從鍋爐制出的3.2～3.5MPa、420～450℃蒸汽，對(duì)背壓式汽輪機(jī)作功后，排出的蒸汽一般為≤0.3MPa、≤250℃，基本上處于氣、液二相狀態(tài)，或純粹是熱水。而水是不能直接用于膨脹做功的，需要利用低沸點(diǎn)的有機(jī)物作為工質(zhì)來(lái)吸收廢水（氣）余熱，使其蒸發(fā)變成帶壓力的氣體，與冷凝端建立壓差，通過(guò)螺桿膨脹機(jī)對(duì)外作功。其技術(shù)稱為“有機(jī)朗肯循環(huán)”（英文為 Organic Rankine Cycle，簡(jiǎn)稱“ORC”）。ORC發(fā)電技術(shù)，不僅用于鍋爐熱水余熱的發(fā)電，其他溫度高于85℃的冷卻水或其他液體，如油、化工原料、低壓水蒸汽、高壓水蒸汽（用減壓閥）等等。還可以用于各種煙氣、地?zé)?、太?yáng)能聚焦面板等熱源發(fā)電?；具^(guò)程如圖1。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)

有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)具有3個(gè)非常重要的技術(shù)特點(diǎn)：

1）熱源適應(yīng)范圍廣：過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物、熱水均可以。

2）變工況能力優(yōu)越：在熱源負(fù)荷和參數(shù)大范圍（從120%到10%范圍）波動(dòng)的情況下，仍可運(yùn)行穩(wěn)定。

3）維護(hù)費(fèi)用低：屬于10年無(wú)大修的動(dòng)力機(jī)，小修維護(hù)和運(yùn)行操作都簡(jiǎn)單方便，對(duì)用戶原系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾影響，安裝和移動(dòng)十分簡(jiǎn)易。

4 實(shí)現(xiàn)ORC發(fā)電經(jīng)濟(jì)，主機(jī)性能是核心

利用ORC原理發(fā)電，國(guó)際、國(guó)內(nèi)對(duì)其認(rèn)知早就有之。為什么至今沒(méi)能廣泛使用？一個(gè)重要問(wèn)題是核心技術(shù)沒(méi)有很好地解決，使其投入與收益不能匹配，商業(yè)效益低下，“節(jié)能”僅僅滿足了宣傳的需要。衡量一臺(tái)螺桿膨脹發(fā)電站成功與否，根本在于其螺桿膨脹主機(jī)內(nèi)效率的高低，它對(duì)ORC發(fā)電站的凈發(fā)電量和熱效率的提高，起了關(guān)鍵作用。我們可以從下列的計(jì)算公式來(lái)分析：

其中：凈發(fā)電量＝發(fā)電站發(fā)的電量－發(fā)電站自身系統(tǒng)所消耗的電量（如：循環(huán)液泵、冷卻塔等）。

汽輪機(jī)發(fā)電站的熱效能約為33%左右；但必須消耗煤或天然氣等產(chǎn)生的高品位蒸汽熱能。

高性能的ORC螺桿膨脹發(fā)電站，其熱效能可在8.4%～12.2%之間，利用的是廢棄的熱能。而在同等條件下，性能低的膨脹發(fā)電站的熱效能只有4%左右。兩者之間差2～3倍。這意味：如果業(yè)主需要一定功率的膨脹機(jī)作驅(qū)動(dòng)源，熱效能低的就要增大其機(jī)組，可能無(wú)法安裝連接；如果可利用熱源一定，其回收的電費(fèi)可能抵不上（或延長(zhǎng)）電站的投資回收。

以凈發(fā)電100kW的ORC螺桿膨脹發(fā)電站為例（螺桿膨脹機(jī)的輸出功率約為130kW，發(fā)電需要消耗的電能為約30kW），如果選用一臺(tái)熱效能低螺桿膨脹機(jī)，它的凈發(fā)電功率不足50kW。以0.6元／kWh計(jì)，一年要少收0.6元kWh×50kW×8 000h＝24萬(wàn)元。

5 ORC螺桿膨脹發(fā)電站

推出高性能的ORC螺桿膨脹發(fā)電站的浙江開(kāi)山壓縮機(jī)股份有限公司（股票代碼300257），具有多年專業(yè)從事螺桿機(jī)械的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用經(jīng)驗(yàn)，能夠從各個(gè)方面提升螺桿膨脹機(jī)的性能，提高使用的可靠性，降低使用成本，從而達(dá)到以最少的投入，得到最多的回報(bào)。

1）由湯炎博士發(fā)明的、世界先進(jìn)的Y型線，確保了轉(zhuǎn)子嚙合過(guò)程中絕熱效率高，內(nèi)泄漏少，輸氣量大。型線由多端曲線組成，使得流動(dòng)阻力減小，流動(dòng)損失較小，運(yùn)轉(zhuǎn)平滑、平穩(wěn)，從而使得機(jī)械效率最高。該公司完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的型線。實(shí)驗(yàn)證明，Y型線性能高于大多數(shù)廠家使用的D型線。

針對(duì)使用條件的細(xì)小差別，該公司可以進(jìn)行型線的優(yōu)化，即特殊設(shè)計(jì)，這意味著螺桿膨脹發(fā)電站始終可以實(shí)現(xiàn)較高的目標(biāo)。

2）螺桿轉(zhuǎn)子采用5∶6齒數(shù)比，可以達(dá)到較大的高壓孔口，減少進(jìn)氣阻力，同時(shí)使得轉(zhuǎn)子強(qiáng)度更高，避免轉(zhuǎn)子在使用過(guò)程中撓度變化帶來(lái)的問(wèn)題，如嚙合間隙變化、機(jī)殼與轉(zhuǎn)子間隙變化等。

3）潤(rùn)滑油是針對(duì)膨脹機(jī)使用條件專門開(kāi)發(fā)的。它能夠滿足在高溫下長(zhǎng)期使用不變質(zhì)、黏度不下降，減少換油次數(shù)，降低使用成本的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)中噴入適量潤(rùn)滑油，有利于減少摩擦、降低振動(dòng)和噪聲、提高密封性能，從而提高機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的性能，減少運(yùn)轉(zhuǎn)故障。

對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)使用條件開(kāi)發(fā)螺桿膨脹機(jī)，可減少不必要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，降低摩擦損失，提高機(jī)械效率，使膨脹機(jī)效率更高、更方便啟動(dòng)、維修，降低操作、維修成本。

首推R245fa（五氟丙烷）作為工質(zhì)。因其密度高，在同樣熱源、冷源條件下，可以使用較小排氣量的機(jī)型。

完整的質(zhì)量監(jiān)控體系，專用的膨脹機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，可以使每臺(tái)出廠機(jī)組都達(dá)到應(yīng)有性能。

采用螺桿膨脹發(fā)電站，變低品位的熱源為高品位的電能，一定能引起尚在尋求低熱利用企業(yè)的重視。而內(nèi)效率高的螺桿膨脹機(jī)，能充分發(fā)揮余熱的效用，有其組成的發(fā)電站，經(jīng)濟(jì)性能好，也一定會(huì)成為使用企業(yè)的首選。