螺杆膨胀动力机技术及在低温余热发电中的应用

2011-04-21上海交通大学机械与动力工程学院余岳峰

上海节能 2011年7期

上海交通大学机械与动力工程学院余岳峰

江西华电电力有限责任公司胡达邓金云陈亮乐黄云邓志强

1 引言

余热在工业生产和日常生活中普遍存在，化工、冶金、建材和电力等行业产生的余热种类繁多，含热资源量大面广，但同时大量余热却被浪费。余热回收利用是工业节能迫在眉睫的关键技术之一，尤其是低温余热发电技术更具有挑战性，并得到人们普遍关注。它不但提高了能源利用效率有助于缓解能源问题，而且还减少了生产过程中的环境污染问题，对节能减排具有重要作用。螺杆膨胀动力机技术就是适合于低温余热发电的新技术，该技术特点鲜明，具有同类型汽轮发电机不可比拟的优点，同时产生较好的经济效益，提高企业的能源利用率。

2 螺杆膨胀动力机系统

螺杆膨胀动力机属于回转容积式膨胀机，兼有活塞膨胀机和透平膨胀机二者之特点，螺杆膨胀动力机能将低品位热能转化为高品位机械能或电能。螺杆膨胀动力机是一种全流式动力机，适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物，并且对工质清洁度要求不高。它结构简单，零部件数量少，几乎没有易损件，设备维护方便，因此设备可靠，寿命长。

2.1 螺杆膨胀动力机工作原理

双螺杆膨胀动力机由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及连轴节等组成，气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合螺旋形阴、阳转子平行置于气缸中。螺杆膨胀机运转过程从吸气过程开始，气体在封闭的齿间容积中膨胀做功，最后移至排气过程。阴、阳螺杆和气缸之间形成呈“V”字形的齿间容积，其大小随转子转动而变化。图1为螺杆膨胀动力机发电系统示意图。

螺杆膨胀动力机工作过程是由吸气过程、膨胀过程和排气过程三个过程组成。吸气过程：高压气体由吸气孔口进入由阴、阳螺杆和气缸之间形成的“V”字形齿间容积，推动阴、阳螺杆反向旋转；而齿间容积不断扩大，当后面一齿切断进气孔口时，吸气过程结束。膨胀过程：在吸气过程结束后，齿间容积充满高压气体，在压力差作用下形成一定转矩，阴、阳螺杆转子反向旋转，于是齿间容积不断扩大，气体膨胀，螺杆转子旋转对外做功；当齿间容积达最大值时，膨胀过程结束。排气过程：当膨胀过程结束时，齿间容积与排气孔口接通，将膨胀后的气体向排气孔口推赶，气体经排气孔口排出，直到齿间容积达到最小值为止。

2.2 螺杆膨胀动力机技术特点

1）适用于各种工作介质。螺杆膨胀动力机是当今国内外唯一能同时适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相湿蒸汽及热水的热动力机，它还适用于低温有机工质。

2）对工作介质品质要求不高。螺杆膨胀动力机适用于含盐垢的流体，不怕结垢和污染介质，能除垢自洁；未能除去的剩余污垢可以起到减小间隙、减低泄漏损失作用，从而有利于提高机组效率。

3）适合于热源参数大范围波动。螺杆膨胀动力机在热源压力、温度和流量大范围波动情况下，内效率基本不变，能保持机组稳定、安全运行。

4）运行操作简单。螺杆膨胀动力机运行时不暖机、不盘车，直接冲转启动，操作简单，不会造成飞车等生产安全事故，并可以手动、自动和远程监控。

5）维护检修方便。螺杆膨胀动力机零部件少，维修容易，长期无需大修（十年以上），正常每年一次小修维护，检修简单方便，不需要专业维护技术人员。

6）结构简单安装容易。发电机组结构简单、占地小、通用性强、可以整机快装和移动，很适合工业余热的特点和发电利用。

2.3 螺杆膨胀动力机与汽轮机比较

螺杆膨胀动力机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽，还适用于汽液两相以及热液热水，对工作介质品质要求不高；而汽轮机一般适用于过热蒸汽，对于饱和蒸汽和湿蒸汽，汽轮机应用受到一定限制，对工作介质品质要求较高。

螺杆膨胀动力机结构简单，运行、维护简单方便，正常运行十年内无大修，无需专业检修队伍和设备；而汽轮机结构复杂，运行、维护要求高，一般2-3年需要大修一次，需要专业检修队伍和设备。

螺杆膨胀动力机转速相对低，可按被驱动的工作机械转速直接驱动，运转平稳，振动少，噪声小；而汽轮机转速相对高，存在振动大、飞车等安全隐患，需要严格的运行条件要求。

螺杆膨胀动力机只适用于低温低压蒸汽（一般为压力小于3MPa，温度小于300℃的蒸汽），单机功率较小，目前单机最大功率为1500kW；而汽轮机适用于高温高压过热蒸汽（一般为压力大于4MPa，温度大于300℃的过热蒸汽），单机功率大，单机功率大于3000kW。

3 螺杆膨胀动力机在工业余热发电中的应用

3.1 发电厂锅炉连排水驱动螺杆膨胀动力机发电

发电厂汽包锅炉发电机组，为保证汽水品质，需要进行锅炉排污水的连续排放。锅炉连排水由于含盐量高，一般采用降压扩容回收小部分低压蒸气。除部分闪蒸蒸汽回到除氧器外，大部分连排水没有利用，都排放到地沟，因此造成能量的很大损失。锅炉连排水是高温高压水，具有高品位能量，本应回收利用。但国内外目前似乎都没有很好的回收利用技术，甚至未予重视。螺杆膨胀动力机的出现与应用，使得锅炉连排水也和蒸汽一样可以做功发电，或拖动风机水泵，取代电动机，达到节能节电、降低厂用电率的作用。

江西华电电力有限责任公司与国电九江发电厂共同开展利用锅炉连排水驱动螺杆膨胀动力机发电工程示范项目。该项目利用两台200MW发电机组锅炉连排水，单台锅炉蒸发量为670t/h，锅炉连排水量按蒸发量的1%计算为6t/h，两台锅炉连排水流量为12t/h。锅炉汽包压力14MPa，连排水经调压阀降至1.3MPa饱和温度汽水混合物，进入螺杆膨胀动力机做功发电，动力机排汽压力为0.15MPa，动力机功率可达320kW。动力机采用江西华电电力有限责任公司生产的SEPG300-350螺杆膨胀动力机，热力系统示意图见图2。

经济性分析：按螺杆膨胀动力机年运行小时数为8000h计算，则年发电量为256万kWh，按发电厂上网电价0.35元/kWh计，年发电效益为89.6万元。

3.2 螺杆膨胀动力机回收转炉余热蒸汽差压发电

首钢集团迁钢公司炼钢厂有三台210t转炉，每台转炉配置一台汽包，转炉汽包运行压力在2.5MPa以内。三台转炉正常运行时，平均总产汽量约60t/h。转炉的汽包蒸汽经过各自蒸汽管道汇总到一根蒸汽母管，经过该蒸汽母管将汇总的汽包蒸汽送至四台150m3蓄热器，蓄热器运行压力在1.6MPa至2.3MPa之间。从蓄热器引出的蒸汽供给两部分使用,其中一部分蒸汽经降压阀减压至0.9MPa后供厂区蒸汽管网用汽，其夏季流量约20t/h，冬季流量在50t/h左右。

利用炼钢厂转炉蓄热器出口蒸汽到厂区蒸汽管道之间的差压能量，在原降压阀管路上并联一条蒸汽管道，安装螺杆膨胀动力机发电机组来回收饱和蒸汽降压节流损失能量，发电作功后蒸汽再进入到厂区蒸汽管道正常利用。设计螺杆膨胀动力机进汽压力1.90MPa，进汽温度为饱和温度，进汽流量13t/h，排汽压力0.93MPa。可以安装一套SEPG300型螺杆膨胀动力机发电机组，实发功率可达250kW。图3为螺杆膨胀动力机余热蒸汽差压发电热力系统示意图。

经济性分析：按螺杆膨胀动力机年运行小时数8000h计算，年发电量为200万kWh，电价按0.5元/kWh计，则年发电效益为100万元；年节约标煤700t，减少二氧化碳排放约1750t。

3.3 螺杆膨胀动力机余热蒸汽冷凝回收发电

莱钢永峰钢铁有限公司钢铁生产工艺中产生大量余热蒸汽，现有四个分厂产生余热蒸汽，蒸汽压力经调整后并入低压蒸气母管，部分蒸汽供工艺使用，剩余蒸汽在并网前排空。蒸汽母管运行压力在0.4-0.5MPa之间，为饱和温度，富裕蒸汽流量约15t/h。设计利用螺杆膨胀动力机回收余热蒸汽能量发电，蒸汽作功后冷凝回收，循环利用。设计进汽为压力0.45MPa的饱和蒸汽、排汽压力0.16MPa，蒸汽流量15t/h，可以安装一套500KW螺杆膨胀动力机发电机组，选择SEPG500型螺杆膨胀动力机，实发功率为440kW。图4为余热蒸汽冷凝回收发电热力系统示意图。

经济性分析：按螺杆膨胀动力机年运行小时数8000h计算，年发电量为352万kWh，电价按0.5元/kWh计，则年发电效益为176万元；年节约标煤1232t，减少二氧化碳排放约3080t。

4 螺杆膨胀动力机低温工质双循环发电系统

螺杆膨胀动力机低温工质双循环系统，也称有机工质朗肯循环系统，它以低沸点有机物为工质，工质在流动系统中从余热流体中获得热量，产生有机质蒸汽，进而推动螺杆机，带动发电机发电或输出动力，乏气在冷凝器中冷却为液态，由工质泵打入蒸发器热交换器，完成一个循环。这种动力系统对余热流体洁净度、温度和压力都无过高要求，适用于温度100℃以下的余热热源。图5为螺杆膨胀动力机低温工质双循环发电系统示意图。

螺杆膨胀动力机低温工质双循环系统在华北油田公司留北潜山油藏地热水发电中得到应用。根椐华北油田提供的油田采出液地热情况，确定利用采油的油水混合物热液：温度为100-105℃，流量6000m3/天，平均流量250m3/h；要求尾水温度在85℃（夏季）与90℃（冬季）之间，作为油田维温热液继续利用。油田提供的采出液热源，作为双循环螺杆膨胀发电机组的热源，进入到蒸发换热器，加热低温工质成饱和蒸汽状态，冲转螺杆膨胀动力机并带动发电机发电，做功后低温工质进入冷凝器冷凝，再由工质泵重新输入到蒸发换热器，形成发电的封闭式循环。发电机发出的电，并入油田的生产电网。

螺杆膨胀动力机的设计参数为：进汽压力0.52MPa，温度82℃，排汽压力0.17MPa，温度42℃，蒸汽流量106t/h。确定安装一套400KW的双循环螺杆膨胀发电机组，额定发电功率360kW ，系统自耗电率约12.5%，则供电功率（净发电功率）310kW。