螺桿膨脹動力機技術及在低溫余熱發電中的應用

上海交通大學機械與動力工程學院 余岳峰

江西華電電力有限責任公司 胡達 鄧金云 陳亮樂 黃云 鄧志強

1 引言

余熱在工業生產和日常生活中普遍存在，化工、冶金、建材和電力等行業產生的余熱種類繁多，含熱資源量大面廣，但同時大量余熱卻被浪費。余熱回收利用是工業節能迫在眉睫的關鍵技術之一，尤其是低溫余熱發電技術更具有挑戰性，并得到人們普遍關注。它不但提高了能源利用效率有助于緩解能源問題，而且還減少了生產過程中的環境污染問題，對節能減排具有重要作用。螺桿膨脹動力機技術就是適合于低溫余熱發電的新技術，該技術特點鮮明，具有同類型汽輪發電機不可比擬的優點，同時產生較好的經濟效益，提高企業的能源利用率。

2 螺桿膨脹動力機系統

螺桿膨脹動力機屬于回轉容積式膨脹機，兼有活塞膨脹機和透平膨脹機二者之特點，螺桿膨脹動力機能將低品位熱能轉化為高品位機械能或電能。螺桿膨脹動力機是一種全流式動力機，適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物，并且對工質清潔度要求不高。它結構簡單，零部件數量少，幾乎沒有易損件，設備維護方便，因此設備可靠，壽命長。

2.1 螺桿膨脹動力機工作原理

雙螺桿膨脹動力機由一對螺桿轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及連軸節等組成，氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合螺旋形陰、陽轉子平行置于氣缸中。螺桿膨脹機運轉過程從吸氣過程開始，氣體在封閉的齒間容積中膨脹做功，最后移至排氣過程。陰、陽螺桿和氣缸之間形成呈“V”字形的齒間容積，其大小隨轉子轉動而變化。圖1為螺桿膨脹動力機發電系統示意圖。

螺桿膨脹動力機工作過程是由吸氣過程、膨脹過程和排氣過程三個過程組成。吸氣過程：高壓氣體由吸氣孔口進入由陰、陽螺桿和氣缸之間形成的“V”字形齒間容積，推動陰、陽螺桿反向旋轉；而齒間容積不斷擴大，當后面一齒切斷進氣孔口時，吸氣過程結束。膨脹過程：在吸氣過程結束后，齒間容積充滿高壓氣體，在壓力差作用下形成一定轉矩，陰、陽螺桿轉子反向旋轉，于是齒間容積不斷擴大，氣體膨脹，螺桿轉子旋轉對外做功；當齒間容積達最大值時，膨脹過程結束。排氣過程：當膨脹過程結束時，齒間容積與排氣孔口接通，將膨脹后的氣體向排氣孔口推趕，氣體經排氣孔口排出，直到齒間容積達到最小值為止。

2.2 螺桿膨脹動力機技術特點

1）適用于各種工作介質。螺桿膨脹動力機是當今國內外唯一能同時適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相濕蒸汽及熱水的熱動力機，它還適用于低溫有機工質。

2）對工作介質品質要求不高。螺桿膨脹動力機適用于含鹽垢的流體，不怕結垢和污染介質，能除垢自潔；未能除去的剩余污垢可以起到減小間隙、減低泄漏損失作用，從而有利于提高機組效率。

3）適合于熱源參數大范圍波動。螺桿膨脹動力機在熱源壓力、溫度和流量大范圍波動情況下，內效率基本不變，能保持機組穩定、安全運行。

4）運行操作簡單。螺桿膨脹動力機運行時不暖機、不盤車，直接沖轉啟動，操作簡單，不會造成飛車等生產安全事故，并可以手動、自動和遠程監控。

5）維護檢修方便。螺桿膨脹動力機零部件少，維修容易，長期無需大修（十年以上），正常每年一次小修維護，檢修簡單方便，不需要專業維護技術人員。

6）結構簡單安裝容易。發電機組結構簡單、占地小、通用性強、可以整機快裝和移動，很適合工業余熱的特點和發電利用。

2.3 螺桿膨脹動力機與汽輪機比較

螺桿膨脹動力機適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽，還適用于汽液兩相以及熱液熱水，對工作介質品質要求不高；而汽輪機一般適用于過熱蒸汽，對于飽和蒸汽和濕蒸汽，汽輪機應用受到一定限制，對工作介質品質要求較高。

螺桿膨脹動力機結構簡單，運行、維護簡單方便，正常運行十年內無大修，無需專業檢修隊伍和設備；而汽輪機結構復雜，運行、維護要求高，一般2-3年需要大修一次，需要專業檢修隊伍和設備。

螺桿膨脹動力機轉速相對低，可按被驅動的工作機械轉速直接驅動，運轉平穩，振動少，噪聲小；而汽輪機轉速相對高，存在振動大、飛車等安全隱患，需要嚴格的運行條件要求。

螺桿膨脹動力機只適用于低溫低壓蒸汽（一般為壓力小于3MPa，溫度小于300℃的蒸汽），單機功率較小，目前單機最大功率為1500kW；而汽輪機適用于高溫高壓過熱蒸汽（一般為壓力大于4MPa，溫度大于300℃的過熱蒸汽），單機功率大，單機功率大于3000kW。

3 螺桿膨脹動力機在工業余熱發電中的應用

3.1 發電廠鍋爐連排水驅動螺桿膨脹動力機發電

發電廠汽包鍋爐發電機組，為保證汽水品質，需要進行鍋爐排污水的連續排放。鍋爐連排水由于含鹽量高，一般采用降壓擴容回收小部分低壓蒸氣。除部分閃蒸蒸汽回到除氧器外，大部分連排水沒有利用，都排放到地溝，因此造成能量的很大損失。鍋爐連排水是高溫高壓水，具有高品位能量，本應回收利用。但國內外目前似乎都沒有很好的回收利用技術，甚至未予重視。螺桿膨脹動力機的出現與應用，使得鍋爐連排水也和蒸汽一樣可以做功發電，或拖動風機水泵，取代電動機，達到節能節電、降低廠用電率的作用。

江西華電電力有限責任公司與國電九江發電廠共同開展利用鍋爐連排水驅動螺桿膨脹動力機發電工程示范項目。該項目利用兩臺200MW發電機組鍋爐連排水，單臺鍋爐蒸發量為670t/h，鍋爐連排水量按蒸發量的1%計算為6t/h，兩臺鍋爐連排水流量為12t/h。鍋爐汽包壓力14MPa，連排水經調壓閥降至1.3MPa飽和溫度汽水混合物，進入螺桿膨脹動力機做功發電，動力機排汽壓力為0.15MPa，動力機功率可達320kW。動力機采用江西華電電力有限責任公司生產的SEPG300-350螺桿膨脹動力機，熱力系統示意圖見圖2。

經濟性分析：按螺桿膨脹動力機年運行小時數為8000h計算，則年發電量為256萬kWh，按發電廠上網電價0.35元/kWh計，年發電效益為89.6萬元。

3.2 螺桿膨脹動力機回收轉爐余熱蒸汽差壓發電

首鋼集團遷鋼公司煉鋼廠有三臺210t轉爐，每臺轉爐配置一臺汽包，轉爐汽包運行壓力在2.5MPa以內。三臺轉爐正常運行時，平均總產汽量約60t/h。轉爐的汽包蒸汽經過各自蒸汽管道匯總到一根蒸汽母管，經過該蒸汽母管將匯總的汽包蒸汽送至四臺150m3蓄熱器，蓄熱器運行壓力在1.6MPa至2.3MPa之間。從蓄熱器引出的蒸汽供給兩部分使用,其中一部分蒸汽經降壓閥減壓至0.9MPa后供廠區蒸汽管網用汽，其夏季流量約20t/h，冬季流量在50t/h左右。

利用煉鋼廠轉爐蓄熱器出口蒸汽到廠區蒸汽管道之間的差壓能量，在原降壓閥管路上并聯一條蒸汽管道，安裝螺桿膨脹動力機發電機組來回收飽和蒸汽降壓節流損失能量，發電作功后蒸汽再進入到廠區蒸汽管道正常利用。設計螺桿膨脹動力機進汽壓力1.90MPa，進汽溫度為飽和溫度，進汽流量13t/h，排汽壓力0.93MPa。可以安裝一套SEPG300型螺桿膨脹動力機發電機組，實發功率可達250kW。圖3為螺桿膨脹動力機余熱蒸汽差壓發電熱力系統示意圖。

經濟性分析：按螺桿膨脹動力機年運行小時數8000h計算，年發電量為200萬kWh，電價按0.5元/kWh計，則年發電效益為100萬元；年節約標煤700t，減少二氧化碳排放約1750t。

3.3 螺桿膨脹動力機余熱蒸汽冷凝回收發電

萊鋼永峰鋼鐵有限公司鋼鐵生產工藝中產生大量余熱蒸汽，現有四個分廠產生余熱蒸汽，蒸汽壓力經調整后并入低壓蒸氣母管，部分蒸汽供工藝使用，剩余蒸汽在并網前排空。蒸汽母管運行壓力在0.4-0.5MPa之間，為飽和溫度，富裕蒸汽流量約15t/h。設計利用螺桿膨脹動力機回收余熱蒸汽能量發電，蒸汽作功后冷凝回收，循環利用。設計進汽為壓力0.45MPa的飽和蒸汽、排汽壓力0.16MPa，蒸汽流量15t/h，可以安裝一套500KW螺桿膨脹動力機發電機組，選擇SEPG500型螺桿膨脹動力機，實發功率為440kW。圖4為余熱蒸汽冷凝回收發電熱力系統示意圖。

經濟性分析：按螺桿膨脹動力機年運行小時數8000h計算，年發電量為352萬kWh，電價按0.5元/kWh計，則年發電效益為176萬元；年節約標煤1232t，減少二氧化碳排放約3080t。

4 螺桿膨脹動力機低溫工質雙循環發電系統

螺桿膨脹動力機低溫工質雙循環系統，也稱有機工質朗肯循環系統，它以低沸點有機物為工質，工質在流動系統中從余熱流體中獲得熱量，產生有機質蒸汽，進而推動螺桿機，帶動發電機發電或輸出動力，乏氣在冷凝器中冷卻為液態，由工質泵打入蒸發器熱交換器，完成一個循環。這種動力系統對余熱流體潔凈度、溫度和壓力都無過高要求，適用于溫度100℃以下的余熱熱源。圖5為螺桿膨脹動力機低溫工質雙循環發電系統示意圖。

螺桿膨脹動力機低溫工質雙循環系統在華北油田公司留北潛山油藏地熱水發電中得到應用。根椐華北油田提供的油田采出液地熱情況，確定利用采油的油水混合物熱液：溫度為100-105℃，流量6000m3/天，平均流量250m3/h；要求尾水溫度在85℃（夏季）與90℃（冬季）之間，作為油田維溫熱液繼續利用。油田提供的采出液熱源，作為雙循環螺桿膨脹發電機組的熱源，進入到蒸發換熱器，加熱低溫工質成飽和蒸汽狀態，沖轉螺桿膨脹動力機并帶動發電機發電，做功后低溫工質進入冷凝器冷凝，再由工質泵重新輸入到蒸發換熱器，形成發電的封閉式循環。發電機發出的電，并入油田的生產電網。

螺桿膨脹動力機的設計參數為：進汽壓力0.52MPa，溫度82℃，排汽壓力0.17MPa，溫度42℃，蒸汽流量106t/h。確定安裝一套400KW的雙循環螺桿膨脹發電機組，額定發電功率360kW ，系統自耗電率約12.5%，則供電功率（凈發電功率）310kW。

5 結論

螺桿膨脹動力機因其設備可靠、維護方便，以及鮮明的技術特點，并具有同類型汽輪發電機不可比擬的優點，在工業余熱回收利用，尤其是低溫余熱發電中，發揮著越來越重要的作用。螺桿膨脹動力機在低溫地熱發電和低溫太陽能熱發電等可再生能源領域，也將發揮不可替代的作用。