螺杆膨胀发电机组在余热回收系统中的应用

王欢欢

摘要：目前我国能源利用率较低，余热资源丰富，未能得到充分回收利用。常规蒸汽轮机等速度式膨胀机适用于回收高品位热能，螺杆膨胀发电机组具有热源范围广泛、变工况性能优越、成本低、适应性强等优点，恰好可以弥补汽轮机单机功率大，不能有效利用小规模余热的缺陷。在螺杆膨胀发电机组气源管路上增加贮气罐，可显著提高机组启停及运行稳定性，对机组的推广具有积极效益。

关键词：余热利用；螺杆膨胀发电机组；有机朗肯循环

1国内外余热利用现状

我国的能源资源现状不容乐观，过去二十年我国的能源消耗量迅猛增长，随着经济规模的日益扩大，能源需求迅猛增加。目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的10.3%、美国的28.6%。我国工业用能中近60-65%的能源转化为余热资源，其中温度低于350℃以下的低温余热，约占余热总量的60%， 由于缺乏有效的技术手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较为分散但总量巨大的能源，国内工矿企业对生产中大量的热、蒸汽、烟气等一排了之，无法推进循环经济的发展。随着我国工业化，城镇化进程的加快，国家制定了建设资源节约型，环建友好型社会的战略决策。节能减排、资源综合利用已成为各级政府及企业共同努力的目标。

2螺杆膨胀机在余热回收领域的应用

膨胀机是一种靠气体膨胀消耗内能对外做功的机械，如汽轮机（透平）、燃气轮机、螺杆机、活塞机等。膨胀机按能量的转换方式不同，分为速度式和容积式两大类。速度式膨胀机适用于热源品质高、负荷稳定、大流量的场合，如汽轮机（透平）、燃气轮机等。而容积式膨胀机适用于热源品味低，流量小，负荷变化大的场合，如螺杆膨胀机。

ORC螺杆膨胀发电机组，即有机工质朗肯循环（Organic Rankine Cycle）的螺杆膨胀发电机组。它是一个利用螺杆膨胀机带动发电机发电的设备。依靠气体体积膨胀，驱动螺杆转子旋转，进而将热能转换为机械能的一种热机，通常螺杆膨胀机由一对互相啮合的螺杆转子和机壳组成，转子与转子、转子与机壳之间以间隙密封，形成容积可连续变化的工作腔，含有热量的气态工质进入工作腔绝热膨胀，驱动转子旋转做功，膨胀做功的同时，工质的压力和温度降低，以此实现热功转换。

3螺杆膨胀发电机组组成及特点

ORC螺杆膨胀发电机组主要由螺杆膨胀机、发电机、油分离器、冷凝器、蒸发器、阀门及管道系统、控制系统等组成。膨胀机的进气口与蒸发器的出气口相连；膨胀机的排气口与油分离器的进气口相连；油分的出气口与冷凝器的进气口相连。工质泵的进液口与冷凝器的出液口相连；工质泵的出液口与回热器的进液口相连；回热器的出液口与蒸发器的进液口相连。低温低压蒸气由螺杆膨胀机出气口进入油分离器的进气口，低温低压蒸气在油分离器里面进行油气分离后进入冷凝器的进气口，向低温热源放热并冷凝为低温低压液体；低温低压液体经过工质泵增压后进入回热器，最后进入蒸发器吸收热源中的热量转变为高温高压蒸气，高温高压蒸气推动螺杆膨胀机做功，进而带动所述发电机输出电功。螺杆膨胀机排出低温低压蒸气，完成循环过程，实现从热能到机械能再到电能的转化。

与汽轮机相比，ORC螺杆膨胀发电机组具有以下鲜明的技术特点：

1）造价低，与汽轮机相比，机组结构简单，体积小，成本低，投资回收期短。

2）适应性强，能适应各种工质，如过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流体以及有机工质蒸气，也适用于非蒸汽热源，如热水汽、气液混合物、烟气、废气等。可广泛应用于石油化工、冶金、钢铁、水泥、陶瓷、造纸、食品以及地热太阳能等场合的余热回收领域。

3）安全稳定性高，属容积式膨胀机，结构简单，转速可调，运行平稳，除轴承密封外，无其他磨损件，机组寿命长。

4）机组效率高，膨胀机内流速低，除泄漏损失外，其他能量损失小。

5）适应性强，螺杆膨胀机对工质参数及负荷变化不敏感，及时在热源参数、功率及热负荷较大范围变化时也能保持较高运行效率。

6）其输出功率可以在5kW～1250kW之间，恰好可以弥补蒸汽轮机单机功率大，不能有效利用小规模余热的缺陷。

4 ORC螺杆膨胀发电机组气源管道系统优化

机组采用PLC控制，为实现自动开机、报警停机并保障机组正常运行，系统中安装多个气动阀门，如膨胀机吸气管路气动快关阀以及旁通管路气动快开阀等。目前气动阀门的气源由空压机或用户提供，通过气动管直接供至阀门，中间无缓冲装置。一旦断气，机组发生故障急停机时阀门无法动作可能会造成膨胀机过热、倒转等问题，会给系统造成不可逆的损失。

在ORC螺杆膨胀发电机组仪表阀门气源管路系统中增加贮气罐，优化后的气源管道系统由贮气罐、贮气罐进气管道及贮气罐排气管道组成。贮气罐上设置有进气截止止回阀、安全阀、压力表、放空阀各一个以及排气截止阀若干；贮气罐进气管道与空压机或是用户压缩空气管道连接，为贮气罐供气；贮气罐排气管道从贮气罐排气截止阀出引出分别连接至气动仪表及气动阀门。

机组正常开启时，贮气罐进气口截止止回阀及排气口截止阀打开，保证气动阀门气源管路畅通。贮气罐可起到缓冲作用，减少进气管路气流波动，为气动阀门提供稳定气源，使阀门处于稳定状态。

机组断电断气急停机时贮气罐作为备用气源，为气动阀门提供压缩空气气源，保证膨胀机进气管路气动快关阀关闭，旁通管路气动快开阀打开，实现膨胀机进气紧急切断，快速平衡膨胀机进出口压差，防止膨胀机倒转，保证機组实现安全平稳停机。

5结论

在螺杆膨胀发电机组气源管路上增加贮气罐既能实现平稳开机，又能保障机组安全平稳停机，同时可以提高机组运行稳定性，减少气源波动对阀门的影响，对螺杆膨胀发电机组的推广及应用起到积极效果。螺杆膨胀机发电机组的应用范围非常广泛，推广螺杆膨胀发电机组对我国的国民经济和能源战略产生深远的影响，可以将我国能源的利用效率提高到一个全新水平，对我国资源循环节约和环境保护都将产生积极的社会意义和经济意义。

参考文献

[1]有机朗肯循环系统回收低温余热的优势[J].冯驯，徐建，王墨南，于立军.节能技术.2010（05）

[2]杆膨胀动力机技术及在低温余热发电中的应用[J].余岳峰.胡达.邓金云.上海节能.2011（07）

[3]浅谈低温余热发电的利用技术[J].骆宗伟. 矿业工程.2018，16（04）

（作者单位：武汉新世界制冷工业有限公司）