ORC系统螺杆膨胀机轴封的设计选型

摘要：螺杆膨胀机轴封作为ORC系统安全、连续、稳定运行的保证，其设计选型极为重要。本文根据我公司ORC系统工况参数对轴封进行设计选型，根据低速、低压的工况条件选用性能可靠、密封性好、使用寿命长、功耗低的机械密封作为轴封。同时，根据温度、工质特性、系统压力等参数最终选用约翰克兰5620—80双端面、平衡型、金属波纹管型机械密封，系统并网发电后实现工质无泄漏。

关键词：ORC;螺杆膨胀机;轴封;机械密封

1  引言

随着工业的快速发展，世界各国对能源的有效利用越来越重视。余热能源总量的30%为低温余热能源，充分利用这部分低温余热能源发电对提高能源利用率具有非常重要的作用。为此，我公司搭建了ORC实验平台，可以有效的利用100℃以下更广泛的低温余热能源。ORC系统螺杆膨胀机的膨胀过程是在一个完全无油的环境中进行的，因此，需要在膨胀机的润滑区和气体区之间设置可靠的轴封。轴封的主要作用是阻止工质泄露和防止润滑油污染工质，轴封的可靠性是ORC系统生产安全性和连续性的保证。本文对ORC系统螺杆膨胀机的轴封进行设计选型。

2  ORC系统介绍

ORC系统又称有机工质朗肯循环体统，其工作原理如图1所示。ORC系统的有机工质为低沸点有机物R245fa，有机工质从流动系统中的余热流体中获取热量，产生工质蒸汽，从而推动螺杆机膨胀进而带动发电机发电或输出动力，乏汽在冷凝器中冷却为液态，由泵打入热交换器，完成一个工作循环。這种动力系统对余热流体的洁净度、压力和温度都无过高要求，适用于100℃以下的余热热源。

3  ORC系统螺杆膨胀机轴封的设计选型

3.1  螺杆膨胀机轴封分类

目前，螺杆膨胀机常用的轴封型式分为迷宫密封、碳环密封、机械密封和干气密封。

迷宫密封固定在机壳上，材料为巴氏合金。由于巴氏合金的热膨胀系数较高，要求迷宫密封与轴之间间隙较大，泄漏量较大，不适合作为主密封。

碳环密封固定在机壳上，材料为石墨。石墨热膨胀系数较小，碳环密封与轴之间间隙较小，泄漏量较小，但其泄漏量随着排气压力升高而增加 。

机械密封固定在轴上，与轴一起旋转，利用弹簧或者波纹管对端面预紧达到密封效果。

机械密封动静环要保证紧密贴合防止介质气泄露，因此端面产生较大的摩擦热，需要供油系统提供大量润滑油带走这些热量。目前中小型螺杆膨胀机使用机械密封较多，可保证工质零泄漏，且价格适中。

干气密封动静环端面不接触，保持微小间隙，密封端面开设流体动压槽，通过高速旋转，气体在流体动压槽内产生压力，使得干气密封在非接触状态下，仍能保持微小的泄漏量。但干气密封加工精度高，且附带一套流量及压力监测系统，价格相对昂贵。干气密封运行不受转速和压力的限制，因此，高速、高压工况下可选用干气密封。

3.2  螺杆膨胀机轴封的设计选型

螺杆膨胀机的轴封可以阻止工质泄露和防止润滑油污染工质，一旦工质泄露将引起重大安全事故造成重大经济损失，因此，螺杆膨胀机轴封的设计选型要兼顾高效、安全和可靠。

工况参数是轴封设计选型的基本依据，我公司ORC系统膨胀机属于低速、低压工况，因此选机械密封作为轴封，这种密封性能可靠、密封性好、使用寿命长、功耗低。

机械密封又称端面密封，是靠一对或数对垂直于轴作相对滑动的端面在流体压力和补偿机构的弹力（或磁力）作用下保持贴合并配以辅助密封而达到阻漏的轴封装置。机械密封由静环、动环、弹性元件、动环座、动环密封圈和静止环辅助密封圈等元件组成，其可能泄露的途径有静环与压盖之间、压盖与壳体之间、动环与轴套之间、动环与静环的端面。

3.3  机械密封的分类和结构选型

机械密封按照端面的对数分为单端面、双端面、多端面机械密封。单端面机械密封结构简单，在制造和装拆上较容易，只适用于一般场合。双端面机械密封适用于强腐蚀、气体工质、易燃易爆工质、易挥发粘度低的工质、高真空、贵重物料及要求工质与空气隔绝的工况。ORC系统有机工质为R245fa，其极易挥发且具有一定的腐蚀性，因此我们选双端面机械密封。

按密封流体作用在密封端面上的压力是卸荷或不卸荷，可分为平衡式机械密封和非平衡式机械密封。根据密封腔处介质压力值的大小可以确定是否选用平衡式机械密封，当工质润滑性好，粘度高，系统压力≤0.8Mpa时选用非平衡型，当工质润滑性差，粘度低，系统压力≥0.5Mpa时选用平衡型，根据我公司设计工况选用平衡型机械密封。

机械密封按照波纹管材料不同分为金属波纹管型机械密封、聚四氟乙烯波纹管型机械密封和橡胶波纹管型机械密封。橡胶和聚四氟乙烯会产生低温脆裂或高温老化，且工质具有一定的腐蚀性，因此选用金属波纹管机械密封。

综上所述，根据我公司ORC系统工况我们选择双端面、平衡型、金属波纹管型机械密封。我们对博格曼、约翰克兰、丹东克隆、四川日机等机械密封生产厂家生产的符合我工况条件的机械密封进行分类比较，从密封性、稳定性、性价比等方面最终选择约翰克兰5620-80型号机械密封，其结构如图2所示，此密封从密封性、系统稳定性等方面都能满足我公司ORC系统使用工况。系统并网发电后，发电功率40～50KW，透平效率79%，工质无泄漏，透平性能及系统控制均达到国内领先水平。

4  结语

螺杆膨胀机轴封是生产安全性和连续性的保证，由此可见轴封的设计选型极为重要。螺杆膨胀机对工况条件要求较高，机械密封从设计上、机械加工上以及对装配质量的要求都很高，掌握密封的结构、型式、了解机械密封选型参数且正确安装，就能保证系统长周期稳定、可靠的运转。

参考文献：

[1]曹武，刘凯.螺杆膨胀动力机技术的探讨[J]. 煤气与热力，2005，25（8）

[2]黄翔超. 有机工质双循环螺杆膨胀机系统研究[D]. 天津：天津大学机械工程学院，2006.

作者简介：刘敏 女 1988.07.10  山东省禹城市 汉族 硕士  研发专员  研究方向：机械工程