蒸汽動力螺桿膨脹機在能量回收中的應用

O徐繼業（中國石油工程建設公司大連設計分公司設備室 遼寧 116085）

蒸汽動力螺桿膨脹機在能量回收中的應用

O徐繼業
（中國石油工程建設公司大連設計分公司設備室 遼寧 116085）

本文介紹了螺桿膨脹動力機的工作原理及性能特點，并著重于蒸汽動力螺桿膨脹機應用情況。由于螺桿膨脹機的適用范圍廣，螺桿膨脹機在余熱余壓回收中會發揮越來越大的作用。

驅動原理；性能；蒸汽動力；軸封

在做中國石油呼和浩特石化公司減壓蒸汽系統優化運行改造節能項目時，筆者接觸到了螺桿膨脹發電機組，螺桿膨脹動力機組針對低品位熱源，利用熱源壓降，將熱能轉換為電能等，無需燃料，零排放；即節省了能源，又做到了節能減排環保。

1.引言

經過了多年研究和工業上的實踐應用，螺桿膨脹機主要應用于低品位的熱能的回收；近年來，蒸汽動力螺桿膨脹機廣泛用于石油石化煉廠替代原有的減溫減壓器，用來發電或者驅動循壞水泵，節能效果明顯，無三廢排放。

2.工作原理

螺桿膨脹機是一種靠氣體膨脹將內能轉化為動能的機械，螺桿膨脹機按螺桿壓縮機的逆原理工作，其基本構造和螺桿壓縮機類似，工作過程相反。如圖1所示為螺桿膨脹機的結構圖，主要由陰轉子、陽轉子、同步齒輪、密封組件、軸承及少數零件組成，結構簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子平行地置于氣缸中。

螺桿膨脹機的工作周期是由齒間容積中的進氣、膨脹和排氣三個過程組成的。如圖1所示。

圖1 螺桿膨脹機工作原理示意圖

進氣過程：高壓介質從進氣口進入轉子的齒間容積，推動轉子旋轉，并使齒間容積不斷擴大，當齒間容積完全與進氣口脫離時，進氣過程結束。

膨脹過程：齒間容積繼續增大，高壓介質體積膨脹溫度降低，同時輸出動力到轉子的伸出軸處。

排氣過程：當齒間容積與排氣口相通時便開始排氣過程，至齒間容積減小為零，一個工作周期結束。

3.螺桿膨脹機的性能特點

與透平膨脹機及汽輪機相比，螺桿膨脹機具有以下優點：

(1)與汽輪機相比，膨脹機不但適用于高品質熱源，也適用于各種低品位熱源，并有較高的轉化效率。

(2)相對于透平膨脹機和汽輪機，效率高，成本低；不會發生喘振。

(3)結構簡單安裝維修方便。轉速可調,運轉平穩,運行周期長。

4.蒸汽動力螺桿膨脹機應用

蒸汽螺桿膨脹機對熱源品質要求不高，可將各種低品位熱源的熱電轉換，在變工況環境下仍保持較高轉化效率，它將企業在生產環節產生的低品位的或廢棄的熱能轉化為高級能源-電能或直接拖動設備。

本次中國石油呼和浩特石化公司減壓蒸汽系統優化運行改造節能項目就是應用蒸汽動力螺桿膨脹機代替減溫減壓閥發電技術。機組的主要難點在于高溫高壓下的選材以及軸封兩點，下面主要從工藝概述、選材和軸封三方面闡述。

圖2 螺桿膨脹發電機組流程示意圖

(1)工藝概述

將3．5MPa中壓蒸汽從減溫減壓器的減壓閥前引出，分別進入兩臺螺桿發電機組的入口。中壓蒸汽膨脹做功，驅動螺桿機帶動發電機并網，在螺桿機出口得到壓力為1．0MPa的低壓蒸汽，兩臺螺桿機出口蒸汽合并后送入原減溫減壓器后的低壓蒸汽管網，供各車間使用。通過調節閥可以控制螺桿機的蒸汽進汽量，從而達到控制螺桿機轉速及調節功率的目的。如圖2所示為代替減溫減壓閥的螺桿膨脹機發電流程示意圖

①兩種技術指標對比

表1兩種技術指標對比

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②成本分析

從圖3中可以看出:蒸汽總管壓力為3．5Mpa，而后續工況要求壓力為1．0Mpa，之前的方案是通過減溫減壓閥將壓力由3．5Mpa降到1．0Mpa，這樣白白地浪費了很多能量，如果將方案改為通過如圖3所示的螺桿膨脹機進行減壓，既能將壓力降到后續工藝要求的1．0Mpa，也可以將蒸汽能量進行發電，大大節約了企業成本。按照上圖工況進行選型，可以選3000kw的螺桿膨脹機并聯，每年可發電2156 萬kw·h，按照0．6元/kwh進行計算，每年可回收約1250萬元，回收周期在一年半之內，而且螺桿膨脹機可以長期穩定運行，其投入成本要遠遠低于螺桿膨脹機之后所帶來的經濟效益。

(2)選材和軸封

①選材

螺桿膨脹機組機殼采用ZG20CrMo，軸采用35CrMo。

②軸封

A．概述

由于膨脹機入口處溫度高（415℃-435℃）,同時入口壓力大（3．3-3．82Mpa）,因此軸封方案的選擇是該項目成功實施的一個關鍵因素。

由于此項目在國內尚屬首次，所以沒有成功的經驗可借鑒，目前確定了碳環密封和碳環密封+雙端面干氣密封兩種方案，選型的原則是軸封能夠保證軸封的漏氣不進入到軸承處，不造成油污染，確保膨脹機組長周期穩定運行。

B．碳環密封

碳環密封方案的設計思路是將軸封處泄露出的蒸汽逐級減壓、疏導，主要結構由前3道前置碳環，6道主密封和2道隔離密封組成。3道前置密封處溫度較高，采用整體碳環結構，密封處殼體設冷卻腔為密封處降溫，溫度降低至280℃以內，確保O型圈的使用壽命。軸封處泄露出的蒸汽經過3道前置密封后通過S口與膨脹機組排氣管道連接進一步泄壓，泄壓后的蒸汽壓力在0．8-1．2MPa,與膨脹機組排氣壓力基本一致，然后經過5道主密封進行泄壓。主密封采用3+2結構，3道主密封采用整體結構，以保證碳環的強度，后兩道密封采用3瓣式自補償結構，能夠進一步減小軸封處軸封與軸的間隙，以減少蒸汽泄漏量。經過主密封的泄露蒸汽在B口處與軸封抽汽器聯通，這里的壓力會處于微負壓狀態，保證不會有蒸汽向軸承腔處泄露。軸封隔離氮氣從C口注入，壓力為5-10KPa，用來防止軸承箱的油氣與蒸汽混合。

如果主密封失效，那么B口的泄漏量會增大導致B口壓力增高，在設計時，B處設壓力高報警和聯鎖，當判斷主密封失效時，機組會聯鎖停機。

圖3 碳環密封結構圖

C．碳環密封+雙端面干氣密封

此方案前置密封和主密封與方案一基本一致，與碳環密封方案的區別在于，密封廠家在隔離氣處設置雙端面干氣密封，這個方案是為了預防建立在主密封碳環密封失效而又沒有及時利用壓力監測連鎖停機的情況下，泄露蒸汽會迅速進入到軸承中，利用干氣密封進行阻隔。

如果配備了該干氣密封，一旦經過前置密封和主密封泄壓后，仍有高溫高壓蒸汽進入后端的干氣密封，干氣密封的O形圈（耐250℃）也可能很快失效，端面帶液運行，干氣密封的效果就會急劇下降，泄漏蒸氣就會竄入軸承箱，也存在風險。

D．選型結論

因此本項目軸封設計選型的關鍵點在于如何通過前置密封、主密封和軸封抽汽系統將軸封處泄露的蒸汽溫度壓力盡可能釋放，因此選用碳環密封作為密封首選方案，并在安慶項目中做試驗驗證。同時經過與密封廠家溝通，軸封處膨脹機殼體結構能夠兼容方案二，一旦方案一不夠完善可以用方案二再次進行驗證。

5.結論

螺桿膨脹機具有對熱源品質要求不高、成本造價低、運行周期長等特點，且國內各行業存在著大量的低品位熱源浪費情況，螺桿膨脹機能夠高效率的回收低品位熱源從而達到節能環保的目的。所以，螺桿膨脹動力機有很大的發展前景。

[1]楊金煥,夏葵,姚艷霞等.兩相螺桿膨脹機的發展及其在制冷系統中的應用[J].制冷,2003,22(1):23-27.

[2]李學鋒,趙峰,胡亮光.地熱能螺桿膨脹機—汽輪機復合動力系統[J].天津電力技術,1994(4):1-4.

[3]胡光亮,呂燦仁.用全流發電系統開發我國藏滇地熱資源[J].新能源,1990(4):10-11.

Application of Steam Power Screw Expander in Energy Recycle

Xu Jiye

（Equipment Department of Dalian Design Branch, China Petroleum Engineering Construction Corporation,Liaoning, 116085）

This paper introduces the development background, working principle and performance characteristics of screw expander, and foc uses on the application situation of steam power screw expander. Due to the wide application range of screw expander, screw expander plays a more and more important role in the recycle of waste heat and pressure .

actuating principle；performance；steam power；shaft seal

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徐繼業（1984～），男，中國石油工程建設公司大連設計分公司設備室，研究方向：機械和設備。