船用螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組關(guān) 鍵技術(shù)的研究

汪濤 李貞成 夏航

摘? 要 ： 目前常規(guī)發(fā)電要求熱源溫度在350℃以上，200℃以下余熱資源回收發(fā)電技術(shù)還不成熟，特別是能實(shí)現(xiàn)80℃余熱回收和發(fā)電的最低余熱資源，這是常規(guī)發(fā)電技術(shù)不能做到的。本文研究的關(guān)鍵技術(shù)就是將有機(jī)工質(zhì)作為熱力循環(huán)的工質(zhì)與船舶低溫余熱換熱，有機(jī)工質(zhì)吸熱后產(chǎn)生高壓蒸汽，從而推動(dòng)螺桿膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

關(guān)鍵詞：余熱;發(fā)電;節(jié)能;研究

1、? 引言

柴油機(jī)作為船舶的主要?jiǎng)恿Γ錈嵝室呀咏?0 %，但仍有50 %的能量被廢氣、冷卻介質(zhì)帶走。常規(guī)發(fā)電要求熱源溫度在350℃以上，對于溫度低于350℃的熱源由于缺乏有效的技術(shù)手段而沒有得到充分利用，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、大機(jī)型，無法利用這部分巨大的熱源。

目前國際上船用低速機(jī)能量利用裝置主要為余熱鍋爐、單雙壓凝汽式汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)，動(dòng)力渦輪發(fā)電系統(tǒng)，以回收柴油機(jī)排氣能量為主。為了達(dá)到對柴油機(jī)排氣的綜合利用，從船用柴油機(jī)排氣能量為主，需考慮不同因素，由于缺少一體化、集成化解決方案，造成了整個(gè)余熱利用系統(tǒng)和裝置體積大、重量重、空間占用不合理及系統(tǒng)配置不緊湊等問題。

我國擁有幾千艘海洋運(yùn)輸船舶，安裝余熱利用系統(tǒng)，每年可節(jié)省大量的燃油使用及CO2的排放，但由于我國余熱利用還沒有裝船應(yīng)用，已使用部分船舶主機(jī)訂購了國外企業(yè)，隨著時(shí)間的推進(jìn)，我國船舶余熱利用配套產(chǎn)品的市場壓力將會(huì)更大，勢必對我國造船業(yè)形成嚴(yán)重的壓力。因此，如何高效的利用船舶上所產(chǎn)生的余熱資源，對于提高我國能源利用率、節(jié)能減排、降低船舶營運(yùn)成本具有重要意義。

2、? 船用螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組的工作原理

本文研究的內(nèi)容就是提供一種船用螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組，該機(jī)組采用有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)，以有機(jī)工質(zhì)R245Fa作為熱力循環(huán)的工質(zhì)與低溫余熱換熱，有機(jī)工質(zhì)吸熱后產(chǎn)生高壓蒸汽，推動(dòng)螺桿膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，能夠?qū)崿F(xiàn)低溫余熱回收。

工作原理：螺桿膨脹機(jī)從蒸發(fā)器中吸入高溫高壓制冷劑蒸氣體，經(jīng)膨脹變成低溫低壓制冷劑蒸汽，螺桿膨脹機(jī)帶動(dòng)船用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)對外輸出電能，輸出的電能通過變流器并入船舶電網(wǎng)系統(tǒng)，螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組與船舶并網(wǎng)系統(tǒng)采用永磁發(fā)電機(jī)加逆變器的形式，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。低溫低壓制冷劑蒸汽進(jìn)入油分離器進(jìn)行油氣分離，分離后的制冷劑蒸汽進(jìn)入到預(yù)熱器，經(jīng)過預(yù)熱器降溫后再進(jìn)入到冷凝器，被海水冷凝成制冷劑液體，從冷凝器輸出的制冷劑液體經(jīng)過工質(zhì)泵加壓后進(jìn)入油冷卻器，經(jīng)過油冷卻器加熱后進(jìn)入到預(yù)熱器，再經(jīng)過預(yù)熱器加熱后進(jìn)入到回?zé)崞?，最后?jīng)過回?zé)崞骷訜岷筮M(jìn)入到蒸發(fā)器，制冷劑液體在蒸發(fā)器內(nèi)吸收熱量而沸騰蒸發(fā)，蒸發(fā)后的制冷劑氣體被輸送至螺桿膨脹機(jī)的進(jìn)氣口，完成循環(huán)過程。冷凍機(jī)油與制冷劑蒸汽的混合物進(jìn)入油分離器進(jìn)行油氣分離，分離后的冷凍機(jī)油進(jìn)入到油冷卻器，經(jīng)過油冷卻器降溫后回到螺桿膨脹機(jī)，完成循環(huán)過程。高溫的熱水進(jìn)入到蒸發(fā)器后與制冷劑進(jìn)行換熱后，進(jìn)入到回?zé)崞鳎?jīng)過回?zé)崞鹘禍睾筮M(jìn)入到系統(tǒng)末端進(jìn)行加熱后回到蒸發(fā)器，完成循環(huán)過程。

3 、 船用螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)

采用有機(jī)工質(zhì)R245Fa作為熱力循環(huán)的工質(zhì)與低溫余熱換熱，有機(jī)工質(zhì)吸熱后產(chǎn)生高壓蒸汽，推動(dòng)螺桿膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電的最低余熱資源溫度可達(dá)到80℃，能夠最大限度地實(shí)現(xiàn)低溫?zé)嵩吹挠酂峄厥?。設(shè)計(jì)的油冷卻器采用工質(zhì)冷卻，提高了熱量利用率，而且冷凝器采用海水冷卻，可以利用充分利用自然資源，蒸發(fā)器、回?zé)崞骱陀屠鋮s器均采用板殼式結(jié)構(gòu)，板殼換熱器與殼管式換熱器相比具有換熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小的優(yōu)點(diǎn)。將冷凝器與預(yù)熱器采用一體化設(shè)計(jì)，作為獨(dú)立的容器進(jìn)行制造檢驗(yàn)，減少了二者之間的連接管道及裝配。整機(jī)一體化設(shè)計(jì)，空間占用率小、配置緊湊、能量利用率高。

研究的關(guān)鍵技術(shù)：

1） 包括船用膨脹機(jī)、熱交換系統(tǒng)、工質(zhì)加壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)及輔助系統(tǒng);

2） 優(yōu)化了機(jī)組系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)和部件參數(shù)，提高了船用膨脹機(jī)內(nèi)效率和耐溫性;

3）熱交換器（蒸發(fā)器、冷凝器、回?zé)崞鳎┙Y(jié)構(gòu)緊湊，換熱效率高;

4）機(jī)組可以適應(yīng)在船舶搖擺條件下正常運(yùn)行

5）與船舶用電分配系統(tǒng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)，并網(wǎng)系統(tǒng)、集成布置和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更緊湊、高效、可靠及良好變工況性能的有機(jī)工質(zhì)膨脹發(fā)電系統(tǒng)

4 、 螺桿膨脹機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究

膨脹機(jī)機(jī)體部件主要由吸氣端座、機(jī)體、排氣端座組成。其中吸、排氣端座中分別設(shè)有吸氣、排氣腔，承擔(dān)轉(zhuǎn)子重量的軸承孔等;機(jī)體中設(shè)有轉(zhuǎn)子工作腔，氣體回流通道等，機(jī)體部件同時(shí)起到腔體與外部密封的作用。

轉(zhuǎn)子部件是膨脹機(jī)的核心部件，實(shí)現(xiàn)吸氣、膨脹、排氣的工作過程等。一對相互嚙合的按一定傳動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)的螺旋形轉(zhuǎn)子，水平且平行配置于機(jī)體內(nèi)部，在陰、陽轉(zhuǎn)子的兩端（吸氣端和排氣端）各有一只滾動(dòng)軸承承受徑向力量，在兩轉(zhuǎn)子的排氣端各有一只四點(diǎn)球軸承，該軸承承受軸向推力，位于陽轉(zhuǎn)子吸氣端軸頸尾部的平衡活塞起平衡軸向力、減輕四點(diǎn)球軸承的負(fù)荷的作用。軸向定位和徑向支撐全部采用高質(zhì)量原裝進(jìn)口滾動(dòng)軸承，使轉(zhuǎn)子定位精確，軸頸無磨損，轉(zhuǎn)子裝配間隙減小、容積效率高，內(nèi)、外調(diào)整圈用來調(diào)整排氣端間隙。

軸封部件對于膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的一端要伸出機(jī)體的外部，為了防止工質(zhì)向外泄漏，必須在軸的伸出部位及機(jī)體之間設(shè)置軸封裝置。螺桿膨脹機(jī)采用的是彈簧式機(jī)械密封，安裝在主動(dòng)轉(zhuǎn)子靠聯(lián)軸器一端軸上。軸封是由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈簧或波紋管、彈簧座和0型膠圈，其中動(dòng)環(huán)、彈簧、彈簧座及動(dòng)環(huán)膠圈裝配在一起，并隨主動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，靜環(huán)及靜環(huán)膠圈裝配在軸封壓蓋上相對于機(jī)體固定。0型膠圈起靜密封作用;動(dòng)、靜環(huán)起動(dòng)密封作用;彈簧既可為動(dòng)密封提供必需的壓緊力，同時(shí)也起到對動(dòng)環(huán)磨損后進(jìn)行補(bǔ)償作用。

螺桿膨脹機(jī)DN200吸氣口設(shè)計(jì)在頂部，DN300排氣口設(shè)計(jì)在底部，蒸發(fā)器來的工質(zhì)氣體從上部進(jìn)入膨脹機(jī)，經(jīng)過膨脹后由下部排出后直接進(jìn)入油分離器，同時(shí)潤滑油可以直接通過重力進(jìn)入油分離器，減少吸排氣過程中的阻力損耗。

膨脹機(jī)安裝時(shí)通過螺栓連接固定到機(jī)組油分離器上，通過聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)直接連接，膨脹機(jī)排氣口與油分離器吸氣口通過法蘭直接連接，膨脹機(jī)吸氣口與蒸發(fā)器出氣口通過法蘭直接連接。

5 、 螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)的研究

螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組采用撬裝框架結(jié)構(gòu)，將蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、回?zé)崞?、冷凝器和儲液罐、工質(zhì)泵、以及控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等集成在一個(gè)鋼架內(nèi)，形成一個(gè)動(dòng)力模塊。通過三維建模、系統(tǒng)性能分析和回路優(yōu)化、工質(zhì)泵選型和換熱器設(shè)計(jì)，開展有機(jī)朗肯循環(huán)與船用發(fā)電技術(shù)總體布置研究和結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)。通過合理優(yōu)化和設(shè)計(jì)減小船用螺桿膨脹機(jī)組的主要部件的尺寸和占用的空間體積。采用有機(jī)工質(zhì)熱交換器（蒸發(fā)器、冷凝器、回?zé)崞鳎┚o湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和一體化氣液分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。通過交直交軟逆變器并網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)與船用電網(wǎng)的接入，研究各并網(wǎng)方式與船用電網(wǎng)之間的相互影響。

通過上述研究獲得成果：拓寬了回收發(fā)電的余熱資源范圍，高效利用船舶所產(chǎn)生的余熱資源，提高了船舶主機(jī)燃油利用率，提升了我國船舶和船舶主機(jī)的市場競爭力，為船舶可再生能源發(fā)電提供關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]? 李貞成等. 船用螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組. 中國專利，專利號ZL2017205455500.

作者簡介? 汪濤，工程師，主要從事壓縮機(jī)、制冷、制熱、余熱余壓回收方面的研究。