低品位熱能回收裝置——ORC螺桿膨脹發電站

翁有為

（上海開山氣體壓縮機銷售有限公司，上海 200040）

隨著我國經濟改革進程的不斷深入，節能減排已經放到首要的議事日程。高品位的熱能被用來發電或者用作動力后，其余熱部分如何被充分利用？這個問題，隨著螺桿膨脹發電站的誕生而得到有效的解答。

1 螺桿膨脹機的一般工作原理

螺桿膨脹機是螺桿壓縮機的逆運轉。操作過螺桿壓縮機的人都不愿看到，當壓縮機處于系統突然停車的情況下，處于壓縮機排氣管道的高壓氣體會回流，迫使螺桿壓縮機倒轉，從而給螺桿壓縮機造成損壞。螺桿膨脹機正是從這個“倒轉”原理入手，高壓進氣，低壓排氣，利用的是氣體的壓差，以氣體膨脹消耗內能對外做功。其工作分為三個過程：

1）吸氣過程：高壓氣體從進氣口進入轉子的齒間容積后，向低壓端排氣口運動，推動轉子的旋轉，直到此容積完全與進氣口脫離，該齒間容積吸氣結束，下一個齒間容積吸氣過程同時開始；

2）膨脹過程：與轉子齒間容積不斷擴大相應，高壓氣體的體積也不斷膨脹，溫度（內能）降低，把膨脹做的功通過陽轉子體，傳遞到輸出軸，拖動發電機發電；

3）排氣過程：當高壓氣體膨脹到一定的體積，能量得到充分的釋放后，轉子的齒間容積此時與排氣口逐步貫通，進入排氣，直至齒間容積為零，將齒間容積再次向吸氣口開放，進入下一個循環。

2 螺桿膨脹機與蒸汽或熱水的匹配

按照上述螺桿膨脹機的工作原理，得知其對外做功，主要是靠氣體的壓差。從理論上講，壓差越大，可以利用的內能也越大，從而得到的功也越大。但實際情況并非如此簡單。

因為，螺桿的齒間容積有限，它的進口與出口的容積比（壓比）有一定的限制。它有一個最佳的容積（壓力）比。過大或過小都會影響其做功的效率，過高品位的熱能，對其是一種新的浪費，或者使機組龐大、復雜，影響最終的性價比。

一般來說，需要利用的蒸汽熱能會在各種形式的機組的各自范疇之內，起到各自的效用。對于高品位、大流量的過熱蒸汽，應用于速度型的膨脹機，如：汽輪機等，能取得最大的效益；對于低品位的蒸汽熱能，而存在于汽、液兩相之間（或純粹是熱水），采用容積式的螺桿膨脹機更為合理。

為取得最佳的經濟效益，按現行采用的有機介質的運行特性，螺桿膨脹機的基本條件設定為：

1）合適的蒸發溫度：最低不能低于80℃，最高不可超過120℃，臨界溫度是154.05℃。

2）合適的冷凝溫度：盡量降低冷凝溫度，空氣冷卻因傳熱溫差的原因，會導致冷凝溫度較高。

3）適當的壓比：膨脹機最小壓比4，在合理的范圍內，建議盡量取高，以提高功率輸出效率。

3 有機朗肯循環膨脹機的引入

從鍋爐制出的3.2～3.5MPa、420～450℃蒸汽，對背壓式汽輪機作功后，排出的蒸汽一般為≤0.3MPa、≤250℃，基本上處于氣、液二相狀態，或純粹是熱水。而水是不能直接用于膨脹做功的，需要利用低沸點的有機物作為工質來吸收廢水（氣）余熱，使其蒸發變成帶壓力的氣體，與冷凝端建立壓差，通過螺桿膨脹機對外作功。其技術稱為“有機朗肯循環”（英文為 Organic Rankine Cycle，簡稱“ORC”）。ORC發電技術，不僅用于鍋爐熱水余熱的發電，其他溫度高于85℃的冷卻水或其他液體，如油、化工原料、低壓水蒸汽、高壓水蒸汽（用減壓閥）等等。還可以用于各種煙氣、地熱、太陽能聚焦面板等熱源發電。基本過程如圖1。

圖1 有機朗肯循環

有機朗肯循環膨脹機具有3個非常重要的技術特點：

1）熱源適應范圍廣：過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物、熱水均可以。

2）變工況能力優越：在熱源負荷和參數大范圍（從120%到10%范圍）波動的情況下，仍可運行穩定。

3）維護費用低：屬于10年無大修的動力機，小修維護和運行操作都簡單方便，對用戶原系統不產生干擾影響，安裝和移動十分簡易。

4 實現ORC發電經濟，主機性能是核心

利用ORC原理發電，國際、國內對其認知早就有之。為什么至今沒能廣泛使用？一個重要問題是核心技術沒有很好地解決，使其投入與收益不能匹配，商業效益低下，“節能”僅僅滿足了宣傳的需要。衡量一臺螺桿膨脹發電站成功與否，根本在于其螺桿膨脹主機內效率的高低，它對ORC發電站的凈發電量和熱效率的提高，起了關鍵作用。我們可以從下列的計算公式來分析：

其中：凈發電量＝發電站發的電量－發電站自身系統所消耗的電量（如：循環液泵、冷卻塔等）。

汽輪機發電站的熱效能約為33%左右；但必須消耗煤或天然氣等產生的高品位蒸汽熱能。

高性能的ORC螺桿膨脹發電站，其熱效能可在8.4%～12.2%之間，利用的是廢棄的熱能。而在同等條件下，性能低的膨脹發電站的熱效能只有4%左右。兩者之間差2～3倍。這意味：如果業主需要一定功率的膨脹機作驅動源，熱效能低的就要增大其機組，可能無法安裝連接；如果可利用熱源一定，其回收的電費可能抵不上（或延長）電站的投資回收。

以凈發電100kW的ORC螺桿膨脹發電站為例（螺桿膨脹機的輸出功率約為130kW，發電需要消耗的電能為約30kW），如果選用一臺熱效能低螺桿膨脹機，它的凈發電功率不足50kW。以0.6元／kWh計，一年要少收0.6元kWh×50kW×8 000h＝24萬元。

5 ORC螺桿膨脹發電站

推出高性能的ORC螺桿膨脹發電站的浙江開山壓縮機股份有限公司（股票代碼300257），具有多年專業從事螺桿機械的設計、生產、使用經驗，能夠從各個方面提升螺桿膨脹機的性能，提高使用的可靠性，降低使用成本，從而達到以最少的投入，得到最多的回報。

1）由湯炎博士發明的、世界先進的Y型線，確保了轉子嚙合過程中絕熱效率高，內泄漏少，輸氣量大。型線由多端曲線組成，使得流動阻力減小，流動損失較小，運轉平滑、平穩，從而使得機械效率最高。該公司完全擁有自主知識產權的型線。實驗證明，Y型線性能高于大多數廠家使用的D型線。

針對使用條件的細小差別，該公司可以進行型線的優化，即特殊設計，這意味著螺桿膨脹發電站始終可以實現較高的目標。

2）螺桿轉子采用5∶6齒數比，可以達到較大的高壓孔口，減少進氣阻力，同時使得轉子強度更高，避免轉子在使用過程中撓度變化帶來的問題，如嚙合間隙變化、機殼與轉子間隙變化等。

3）潤滑油是針對膨脹機使用條件專門開發的。它能夠滿足在高溫下長期使用不變質、黏度不下降，減少換油次數，降低使用成本的優點。同時轉子運轉中噴入適量潤滑油，有利于減少摩擦、降低振動和噪聲、提高密封性能，從而提高機器運轉的性能，減少運轉故障。

對于有機朗肯循環使用條件開發螺桿膨脹機，可減少不必要的復雜結構，降低摩擦損失，提高機械效率，使膨脹機效率更高、更方便啟動、維修，降低操作、維修成本。

首推R245fa（五氟丙烷）作為工質。因其密度高，在同樣熱源、冷源條件下，可以使用較小排氣量的機型。

完整的質量監控體系，專用的膨脹機試驗臺，可以使每臺出廠機組都達到應有性能。

采用螺桿膨脹發電站，變低品位的熱源為高品位的電能，一定能引起尚在尋求低熱利用企業的重視。而內效率高的螺桿膨脹機，能充分發揮余熱的效用，有其組成的發電站，經濟性能好，也一定會成為使用企業的首選。