ORC系統螺桿膨脹機軸封的設計選型

摘要：螺桿膨脹機軸封作為ORC系統安全、連續、穩定運行的保證，其設計選型極為重要。本文根據我公司ORC系統工況參數對軸封進行設計選型，根據低速、低壓的工況條件選用性能可靠、密封性好、使用壽命長、功耗低的機械密封作為軸封。同時，根據溫度、工質特性、系統壓力等參數最終選用約翰克蘭5620—80雙端面、平衡型、金屬波紋管型機械密封，系統并網發電后實現工質無泄漏。

關鍵詞：ORC;螺桿膨脹機;軸封;機械密封

1 ?引言

隨著工業的快速發展，世界各國對能源的有效利用越來越重視。余熱能源總量的30%為低溫余熱能源，充分利用這部分低溫余熱能源發電對提高能源利用率具有非常重要的作用。為此，我公司搭建了ORC實驗平臺，可以有效的利用100℃以下更廣泛的低溫余熱能源。ORC系統螺桿膨脹機的膨脹過程是在一個完全無油的環境中進行的，因此，需要在膨脹機的潤滑區和氣體區之間設置可靠的軸封。軸封的主要作用是阻止工質泄露和防止潤滑油污染工質，軸封的可靠性是ORC系統生產安全性和連續性的保證。本文對ORC系統螺桿膨脹機的軸封進行設計選型。

2 ?ORC系統介紹

ORC系統又稱有機工質朗肯循環體統，其工作原理如圖1所示。ORC系統的有機工質為低沸點有機物R245fa，有機工質從流動系統中的余熱流體中獲取熱量，產生工質蒸汽，從而推動螺桿機膨脹進而帶動發電機發電或輸出動力，乏汽在冷凝器中冷卻為液態，由泵打入熱交換器，完成一個工作循環。這種動力系統對余熱流體的潔凈度、壓力和溫度都無過高要求，適用于100℃以下的余熱熱源。

3 ?ORC系統螺桿膨脹機軸封的設計選型

3.1 ?螺桿膨脹機軸封分類

目前，螺桿膨脹機常用的軸封型式分為迷宮密封、碳環密封、機械密封和干氣密封。

迷宮密封固定在機殼上，材料為巴氏合金。由于巴氏合金的熱膨脹系數較高，要求迷宮密封與軸之間間隙較大，泄漏量較大，不適合作為主密封。

碳環密封固定在機殼上，材料為石墨。石墨熱膨脹系數較小，碳環密封與軸之間間隙較小，泄漏量較小，但其泄漏量隨著排氣壓力升高而增加 。

機械密封固定在軸上，與軸一起旋轉，利用彈簧或者波紋管對端面預緊達到密封效果。

機械密封動靜環要保證緊密貼合防止介質氣泄露，因此端面產生較大的摩擦熱，需要供油系統提供大量潤滑油帶走這些熱量。目前中小型螺桿膨脹機使用機械密封較多，可保證工質零泄漏，且價格適中。

干氣密封動靜環端面不接觸，保持微小間隙，密封端面開設流體動壓槽，通過高速旋轉，氣體在流體動壓槽內產生壓力，使得干氣密封在非接觸狀態下，仍能保持微小的泄漏量。但干氣密封加工精度高，且附帶一套流量及壓力監測系統，價格相對昂貴。干氣密封運行不受轉速和壓力的限制，因此，高速、高壓工況下可選用干氣密封。

3.2 ?螺桿膨脹機軸封的設計選型

螺桿膨脹機的軸封可以阻止工質泄露和防止潤滑油污染工質，一旦工質泄露將引起重大安全事故造成重大經濟損失，因此，螺桿膨脹機軸封的設計選型要兼顧高效、安全和可靠。

工況參數是軸封設計選型的基本依據，我公司ORC系統膨脹機屬于低速、低壓工況，因此選機械密封作為軸封，這種密封性能可靠、密封性好、使用壽命長、功耗低。

機械密封又稱端面密封，是靠一對或數對垂直于軸作相對滑動的端面在流體壓力和補償機構的彈力（或磁力）作用下保持貼合并配以輔助密封而達到阻漏的軸封裝置。機械密封由靜環、動環、彈性元件、動環座、動環密封圈和靜止環輔助密封圈等元件組成，其可能泄露的途徑有靜環與壓蓋之間、壓蓋與殼體之間、動環與軸套之間、動環與靜環的端面。

3.3 ?機械密封的分類和結構選型

機械密封按照端面的對數分為單端面、雙端面、多端面機械密封。單端面機械密封結構簡單，在制造和裝拆上較容易，只適用于一般場合。雙端面機械密封適用于強腐蝕、氣體工質、易燃易爆工質、易揮發粘度低的工質、高真空、貴重物料及要求工質與空氣隔絕的工況。ORC系統有機工質為R245fa，其極易揮發且具有一定的腐蝕性，因此我們選雙端面機械密封。

按密封流體作用在密封端面上的壓力是卸荷或不卸荷，可分為平衡式機械密封和非平衡式機械密封。根據密封腔處介質壓力值的大小可以確定是否選用平衡式機械密封，當工質潤滑性好，粘度高，系統壓力≤0.8Mpa時選用非平衡型，當工質潤滑性差，粘度低，系統壓力≥0.5Mpa時選用平衡型，根據我公司設計工況選用平衡型機械密封。

機械密封按照波紋管材料不同分為金屬波紋管型機械密封、聚四氟乙烯波紋管型機械密封和橡膠波紋管型機械密封。橡膠和聚四氟乙烯會產生低溫脆裂或高溫老化，且工質具有一定的腐蝕性，因此選用金屬波紋管機械密封。

綜上所述，根據我公司ORC系統工況我們選擇雙端面、平衡型、金屬波紋管型機械密封。我們對博格曼、約翰克蘭、丹東克隆、四川日機等機械密封生產廠家生產的符合我工況條件的機械密封進行分類比較，從密封性、穩定性、性價比等方面最終選擇約翰克蘭5620-80型號機械密封，其結構如圖2所示，此密封從密封性、系統穩定性等方面都能滿足我公司ORC系統使用工況。系統并網發電后，發電功率40～50KW，透平效率79%，工質無泄漏，透平性能及系統控制均達到國內領先水平。

4 ?結語

螺桿膨脹機軸封是生產安全性和連續性的保證，由此可見軸封的設計選型極為重要。螺桿膨脹機對工況條件要求較高，機械密封從設計上、機械加工上以及對裝配質量的要求都很高，掌握密封的結構、型式、了解機械密封選型參數且正確安裝，就能保證系統長周期穩定、可靠的運轉。

參考文獻：

[1]曹武，劉凱.螺桿膨脹動力機技術的探討[J]. 煤氣與熱力，2005，25（8）

[2]黃翔超. 有機工質雙循環螺桿膨脹機系統研究[D]. 天津：天津大學機械工程學院，2006.

作者簡介：劉敏 女 1988.07.10 ?山東省禹城市 漢族 碩士 ?研發專員 ?研究方向：機械工程