螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組在余熱回收系統(tǒng)中的應(yīng)用

王歡歡

摘要：目前我國(guó)能源利用率較低，余熱資源豐富，未能得到充分回收利用。常規(guī)蒸汽輪機(jī)等速度式膨脹機(jī)適用于回收高品位熱能，螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組具有熱源范圍廣泛、變工況性能優(yōu)越、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，恰好可以彌補(bǔ)汽輪機(jī)單機(jī)功率大，不能有效利用小規(guī)模余熱的缺陷。在螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組氣源管路上增加貯氣罐，可顯著提高機(jī)組啟停及運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)機(jī)組的推廣具有積極效益。

關(guān)鍵詞：余熱利用；螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組；有機(jī)朗肯循環(huán)

1國(guó)內(nèi)外余熱利用現(xiàn)狀

我國(guó)的能源資源現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，過(guò)去二十年我國(guó)的能源消耗量迅猛增長(zhǎng)，隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的日益擴(kuò)大，能源需求迅猛增加。目前我國(guó)能源形勢(shì)嚴(yán)峻的根本原因在于用能效率低下。我國(guó)每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)出效率僅相當(dāng)于日本的10.3%、美國(guó)的28.6%。我國(guó)工業(yè)用能中近60-65%的能源轉(zhuǎn)化為余熱資源，其中溫度低于350℃以下的低溫余熱，約占余熱總量的60%， 由于缺乏有效的技術(shù)手段而沒(méi)有得到充分利用，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的工作參數(shù)大多為高參數(shù)、大容量，無(wú)法利用這部分較為分散但總量巨大的能源，國(guó)內(nèi)工礦企業(yè)對(duì)生產(chǎn)中大量的熱、蒸汽、煙氣等一排了之，無(wú)法推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。隨著我國(guó)工業(yè)化，城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，國(guó)家制定了建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)建友好型社會(huì)的戰(zhàn)略決策。節(jié)能減排、資源綜合利用已成為各級(jí)政府及企業(yè)共同努力的目標(biāo)。

2螺桿膨脹機(jī)在余熱回收領(lǐng)域的應(yīng)用

膨脹機(jī)是一種靠氣體膨脹消耗內(nèi)能對(duì)外做功的機(jī)械，如汽輪機(jī)（透平）、燃?xì)廨啓C(jī)、螺桿機(jī)、活塞機(jī)等。膨脹機(jī)按能量的轉(zhuǎn)換方式不同，分為速度式和容積式兩大類(lèi)。速度式膨脹機(jī)適用于熱源品質(zhì)高、負(fù)荷穩(wěn)定、大流量的場(chǎng)合，如汽輪機(jī)（透平）、燃?xì)廨啓C(jī)等。而容積式膨脹機(jī)適用于熱源品味低，流量小，負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，如螺桿膨脹機(jī)。

ORC螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組，即有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle）的螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組。它是一個(gè)利用螺桿膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的設(shè)備。依靠氣體體積膨脹，驅(qū)動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的一種熱機(jī)，通常螺桿膨脹機(jī)由一對(duì)互相嚙合的螺桿轉(zhuǎn)子和機(jī)殼組成，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與機(jī)殼之間以間隙密封，形成容積可連續(xù)變化的工作腔，含有熱量的氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入工作腔絕熱膨脹，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)做功，膨脹做功的同時(shí)，工質(zhì)的壓力和溫度降低，以此實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。

3螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組組成及特點(diǎn)

ORC螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組主要由螺桿膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、油分離器、冷凝器、蒸發(fā)器、閥門(mén)及管道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。膨脹機(jī)的進(jìn)氣口與蒸發(fā)器的出氣口相連；膨脹機(jī)的排氣口與油分離器的進(jìn)氣口相連；油分的出氣口與冷凝器的進(jìn)氣口相連。工質(zhì)泵的進(jìn)液口與冷凝器的出液口相連；工質(zhì)泵的出液口與回?zé)崞鞯倪M(jìn)液口相連；回?zé)崞鞯某鲆嚎谂c蒸發(fā)器的進(jìn)液口相連。低溫低壓蒸氣由螺桿膨脹機(jī)出氣口進(jìn)入油分離器的進(jìn)氣口，低溫低壓蒸氣在油分離器里面進(jìn)行油氣分離后進(jìn)入冷凝器的進(jìn)氣口，向低溫?zé)嵩捶艧岵⒗淠秊榈蜏氐蛪阂后w；低溫低壓液體經(jīng)過(guò)工質(zhì)泵增壓后進(jìn)入回?zé)崞鳎詈筮M(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱源中的熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏赫魵?，高溫高壓蒸氣推?dòng)螺桿膨脹機(jī)做功，進(jìn)而帶動(dòng)所述發(fā)電機(jī)輸出電功。螺桿膨脹機(jī)排出低溫低壓蒸氣，完成循環(huán)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)從熱能到機(jī)械能再到電能的轉(zhuǎn)化。

與汽輪機(jī)相比，ORC螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組具有以下鮮明的技術(shù)特點(diǎn)：

1）造價(jià)低，與汽輪機(jī)相比，機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，投資回收期短。

2）適應(yīng)性強(qiáng)，能適應(yīng)各種工質(zhì)，如過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體以及有機(jī)工質(zhì)蒸氣，也適用于非蒸汽熱源，如熱水汽、氣液混合物、煙氣、廢氣等。可廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金、鋼鐵、水泥、陶瓷、造紙、食品以及地?zé)崽?yáng)能等場(chǎng)合的余熱回收領(lǐng)域。

3）安全穩(wěn)定性高，屬容積式膨脹機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)速可調(diào)，運(yùn)行平穩(wěn)，除軸承密封外，無(wú)其他磨損件，機(jī)組壽命長(zhǎng)。

4）機(jī)組效率高，膨脹機(jī)內(nèi)流速低，除泄漏損失外，其他能量損失小。

5）適應(yīng)性強(qiáng)，螺桿膨脹機(jī)對(duì)工質(zhì)參數(shù)及負(fù)荷變化不敏感，及時(shí)在熱源參數(shù)、功率及熱負(fù)荷較大范圍變化時(shí)也能保持較高運(yùn)行效率。

6）其輸出功率可以在5kW～1250kW之間，恰好可以彌補(bǔ)蒸汽輪機(jī)單機(jī)功率大，不能有效利用小規(guī)模余熱的缺陷。

4 ORC螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組氣源管道系統(tǒng)優(yōu)化

機(jī)組采用PLC控制，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)機(jī)、報(bào)警停機(jī)并保障機(jī)組正常運(yùn)行，系統(tǒng)中安裝多個(gè)氣動(dòng)閥門(mén)，如膨脹機(jī)吸氣管路氣動(dòng)快關(guān)閥以及旁通管路氣動(dòng)快開(kāi)閥等。目前氣動(dòng)閥門(mén)的氣源由空壓機(jī)或用戶(hù)提供，通過(guò)氣動(dòng)管直接供至閥門(mén)，中間無(wú)緩沖裝置。一旦斷氣，機(jī)組發(fā)生故障急停機(jī)時(shí)閥門(mén)無(wú)法動(dòng)作可能會(huì)造成膨脹機(jī)過(guò)熱、倒轉(zhuǎn)等問(wèn)題，會(huì)給系統(tǒng)造成不可逆的損失。

在ORC螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組儀表閥門(mén)氣源管路系統(tǒng)中增加貯氣罐，優(yōu)化后的氣源管道系統(tǒng)由貯氣罐、貯氣罐進(jìn)氣管道及貯氣罐排氣管道組成。貯氣罐上設(shè)置有進(jìn)氣截止止回閥、安全閥、壓力表、放空閥各一個(gè)以及排氣截止閥若干；貯氣罐進(jìn)氣管道與空壓機(jī)或是用戶(hù)壓縮空氣管道連接，為貯氣罐供氣；貯氣罐排氣管道從貯氣罐排氣截止閥出引出分別連接至氣動(dòng)儀表及氣動(dòng)閥門(mén)。

機(jī)組正常開(kāi)啟時(shí)，貯氣罐進(jìn)氣口截止止回閥及排氣口截止閥打開(kāi)，保證氣動(dòng)閥門(mén)氣源管路暢通。貯氣罐可起到緩沖作用，減少進(jìn)氣管路氣流波動(dòng)，為氣動(dòng)閥門(mén)提供穩(wěn)定氣源，使閥門(mén)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

機(jī)組斷電斷氣急停機(jī)時(shí)貯氣罐作為備用氣源，為氣動(dòng)閥門(mén)提供壓縮空氣氣源，保證膨脹機(jī)進(jìn)氣管路氣動(dòng)快關(guān)閥關(guān)閉，旁通管路氣動(dòng)快開(kāi)閥打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)膨脹機(jī)進(jìn)氣緊急切斷，快速平衡膨脹機(jī)進(jìn)出口壓差，防止膨脹機(jī)倒轉(zhuǎn)，保證機(jī)組實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)停機(jī)。

5結(jié)論

在螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組氣源管路上增加貯氣罐既能實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)開(kāi)機(jī)，又能保障機(jī)組安全平穩(wěn)停機(jī)，同時(shí)可以提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，減少氣源波動(dòng)對(duì)閥門(mén)的影響，對(duì)螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組的推廣及應(yīng)用起到積極效果。螺桿膨脹機(jī)發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用范圍非常廣泛，推廣螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和能源戰(zhàn)略產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，可以將我國(guó)能源的利用效率提高到一個(gè)全新水平，對(duì)我國(guó)資源循環(huán)節(jié)約和環(huán)境保護(hù)都將產(chǎn)生積極的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。

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（作者單位：武漢新世界制冷工業(yè)有限公司）