國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)實(shí)踐淺析

岳鳳洲，姚 強(qiáng)，劉 偉，張建康，劉 琳

（陜西鋅業(yè)有限公司，陜西商州726007）

經(jīng)過2013年技改挖潛后，陜西鋅業(yè)有限公司（以下簡稱陜西鋅業(yè)）主產(chǎn)品鋅錠的實(shí)際產(chǎn)量達(dá)到了163.28 kt。為了在“十三五”期間實(shí)現(xiàn)鋅錠產(chǎn)能突破200 kt/a的發(fā)展目標(biāo)，陜西鋅業(yè)需要解決電鋅配套原料鋅焙砂缺口50 kt/a的瓶頸問題。陜西鋅業(yè)于2014年4月投資建設(shè)了“資源綜合利用和節(jié)能減排（一期）”技術(shù)改造項(xiàng)目，并于2014年10月建成投產(chǎn)。該項(xiàng)目配套的余熱鍋爐蒸發(fā)量為13.5 t/h，可產(chǎn)壓力為4.0 MPa的飽和蒸汽。該飽和蒸汽原計(jì)劃先送到2010年建成的4.83 MW余熱發(fā)電站[1]（汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組由德國德蘭賽蘭公司制造供貨）進(jìn)行梯級利用，但由于飽和蒸汽壓力波動較大、蒸汽管道輸送距離較遠(yuǎn)等原因，在2019年9月之前采取直接減壓到0.6 MPa后并入陜西鋅業(yè)蒸汽主管網(wǎng)的方式，供濕法煉鋅工藝加熱和冬季取暖使用。陜西鋅業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐表明，直接減壓利用余熱鍋爐生產(chǎn)的飽和蒸汽資源經(jīng)濟(jì)效益較差。

為了進(jìn)一步提高飽和蒸汽的資源利用率，陜西某能源科技公司與陜西鋅業(yè)達(dá)成EPC合作協(xié)議，于2019年9月投資630萬元建成投運(yùn)了1套國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組投運(yùn)近1年多來的生產(chǎn)實(shí)踐表明：國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組具有占地面積小、機(jī)組內(nèi)效率較高、設(shè)備抗污能力較強(qiáng)、適應(yīng)工質(zhì)參數(shù)及負(fù)荷波動性能較好等特點(diǎn)。

1 國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)

1.1 工作原理

螺桿膨脹機(jī)是利用低品位熱源實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)化的設(shè)備，其熱功轉(zhuǎn)化方式要求較低，可使更多的余熱資源變廢為寶，提高經(jīng)濟(jì)效益。螺桿膨脹機(jī)的工作過程分為高壓進(jìn)汽、膨脹、低壓排汽3個階段，其工作原理為：蒸汽或天然氣等高壓熱源等工作介質(zhì)進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)的工作腔，利用熱源工作介質(zhì)的膨脹帶動螺桿主轉(zhuǎn)子和從轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電，或作為原動機(jī)驅(qū)動其他動力設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)能向動能或電能的轉(zhuǎn)化。

1.2 國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)

國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組由以下6個部分組成[2]29：

1）動力機(jī)本體：包括螺桿主轉(zhuǎn)子和從轉(zhuǎn)子各1根、外殼和軸承等。

2）密封系統(tǒng)：由于螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組常用的工作介質(zhì)為高溫蒸汽或熱水，因此其密封系統(tǒng)有別于空氣壓縮機(jī)，一般采用帶有冷卻水套的浮動式雙向機(jī)械密封，使動力機(jī)的高壓高溫工作介質(zhì)、潤滑油和冷卻水互不滲漏，具有抗振動、抗彎曲變形、使用壽命長、拆裝和更換零部件方便的優(yōu)點(diǎn)。

3）潤滑油系統(tǒng)：由油箱、油泵、濾油器、冷油器、減壓閥、分油器和儀表等組成，供軸承潤滑。

4）冷卻水系統(tǒng)：用于螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組的潤滑油及高、低壓端水套的冷卻降溫。

5）調(diào)速系統(tǒng)：作用類似于汽輪機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)，保證轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，從而保證供電質(zhì)量，同時(shí)也保證機(jī)組運(yùn)行安全。

6）儀表（轉(zhuǎn)速、壓力、溫度等）檢測系統(tǒng)和自控系統(tǒng)（PLC或DCS）：用于發(fā)電機(jī)組的自控和監(jiān)測。

1.3 螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

陜西鋅業(yè)的國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組設(shè)備型號為KES900，主機(jī)型號為KSGe224125/350，名義發(fā)電功率736 kW，凈發(fā)電功率723 kW，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

1.4 螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組主要特點(diǎn)

與德國德蘭賽蘭公司所供飽和蒸汽透平發(fā)電機(jī)組相比，國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組具有以下6個特點(diǎn)[2]30：

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1）結(jié)構(gòu)簡單緊湊、零部件少、占地面積小、投資和運(yùn)行成本相對較低。

2） 容積式動力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速低，機(jī)內(nèi)流速較低，除泄漏外，其他熱損失較少。

3）適用的工作介質(zhì)范圍較廣，熱源的壓力只要大于0.1 MPa都可以使用，如過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相及高溫?zé)崴裙ぷ鹘橘|(zhì)均可適用，并且對工作介質(zhì)的品質(zhì)要求不高。

4）螺桿轉(zhuǎn)子剛度大，殼體與轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間間隙小，有自潔能力，設(shè)備抗污能力較強(qiáng)。

5）啟動暖機(jī)時(shí)間短（5 min左右），不需盤車，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)安全，對安裝環(huán)境沒有嚴(yán)格要求，可遠(yuǎn)距離啟停和運(yùn)行監(jiān)控，操作簡單，維護(hù)方便，且可實(shí)現(xiàn)無人值守和無極調(diào)速功能。

6）對工作介質(zhì)參數(shù)及負(fù)荷變化不敏感，在負(fù)荷50%～100%都可保持較高效率穩(wěn)定運(yùn)行。

2 國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組運(yùn)行情況

陜西鋅業(yè)分別于2010年和2019年建成投運(yùn)的2套飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組2020年主要生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)比較見表2。

由表2可見：國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行功率和配套余熱鍋爐額定蒸發(fā)量較小，比較適用于中、小型鋅精礦焙燒煙氣制酸裝置，而德國德蘭賽蘭公司供貨的飽和蒸汽透平發(fā)電機(jī)組比較適用于大型鋅精礦焙燒煙氣制酸裝置用于提高余熱利用率。

表2 飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組2020年主要生產(chǎn)運(yùn)行指標(biāo)比較

德國德蘭賽蘭公司供貨的飽和蒸汽透平發(fā)電機(jī)組投資額為2 800萬元，投資大，且制造周期長，運(yùn)行維護(hù)要求較嚴(yán)格。與前者相比，國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組具有投資小、見效快、操作維護(hù)簡便的優(yōu)點(diǎn)。

陜西鋅業(yè)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組從2019年10月11日起按連續(xù)正常發(fā)電結(jié)算，至2020年1月20日首次結(jié)算時(shí)，實(shí)際運(yùn)行2 392.38 h，開車率為98.69%，就地發(fā)電量1 368 441 kWh（實(shí)際發(fā)電能力按572 kWh/h計(jì)算），實(shí)際耗電量46 400 kWh，凈發(fā)電量1 322 041 kWh，不含稅電價(jià)按0.467元/kWh計(jì)，發(fā)電收益61.8萬元，折計(jì)258.33元/h。發(fā)電時(shí)間按8 000 h/a計(jì)，飽和蒸汽余熱發(fā)電可增收206.7萬元/a。

3 結(jié)語

國產(chǎn)螺桿膨脹機(jī)飽和蒸汽發(fā)電機(jī)組是一種投資小、運(yùn)行及維護(hù)較為方便的余熱資源利用設(shè)備，該設(shè)備的國產(chǎn)化及在陜西鋅業(yè)的成功應(yīng)用，為中、小型鋅精礦焙燒制酸裝置提高飽和蒸汽的余熱資源利用率開辟了一種新途徑。