螺桿發電技術在熱電廠高除加熱蒸汽系統的應用

朱水興 汪書華 戴林祥 金 飛 靳 剛 王文杰

杭州臨江環保熱電有限公司

0 前言

杭州錢塘區臨江工業園區公共熱電廠——杭州臨江環保熱電有限公司建設規模為4爐3機，即4臺130 t/h 高溫高壓循環流化床（CFB）鍋爐配2 臺B15-8.83/0.98 和1 臺B7.5-8.83/4.3 高溫高壓背壓發電機組，汽輪機排汽外供園區企業使用。鍋爐平均熱負荷約220 t/h，給水流量約275 t/h，給水溫度158 ℃，高壓除氧器加熱蒸汽流量約24 t/h。

高除進汽為低壓供熱母管蒸汽，即15 MW 汽機背壓排汽（外供企業使用），參數維持在0.88 MPa、263 ℃左右，蒸汽經過進汽調節閥節流降壓后進入高除加熱給水，高除運行參數為0.42 MPa、151 ℃。經過進調節閥節流降壓，蒸汽從焓值“量”的角度來看沒有損失，但從?值“質”的角度看，造成了“可用能”的損失，損失的是蒸汽的品質和做功能力。

由于外部用汽企業的用蒸汽量波動較大，導致除氧器的加熱蒸汽流量波動范圍大，從70%～100%，同時調節閥前后壓差小，采用傳統小汽輪機效率低。所以該項目選擇采購了上海齊耀膨脹機有限公司生產的雙螺桿膨脹機發電機組，利用螺桿膨脹機在壓差小情況下效率高的特點，以及在蒸汽流量波動情況下線性功率變化的特點，用螺桿膨脹機通流大部分蒸汽替代原進汽調節閥，原調節閥保留一定開度。整套機組螺桿膨脹機驅動1臺額定功率400 kW、輸出電壓為10 kV 的異步發電機，發出的電并入企業內部10 kV廠用Ⅲ段。

1 項目概況

1.1 設備原理

螺桿膨脹機是螺桿壓縮機的逆運轉機器，工作的熱物理過程與螺桿壓縮機相反［1］。從膨脹始點到終點，隨著多方膨脹過程的進行，蒸汽的壓力、溫度和焓值下降，比容和熵值增加，氣體內能轉換為機械能對外做功［2］。工程項目中過熱蒸汽經過入口過濾器、入口調節閥和電液快關閥，進入螺桿膨脹機，蒸汽在轉子間以及轉子與殼體間形成容積腔內膨脹做功，完成減壓后供給高壓除氧器。

螺桿膨脹機主要由一對螺桿轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件等極少的零件組成。兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子平行地置于汽缸中。螺桿機選擇適用的孔口可以與蒸汽的前后壓比實現很好的吻合，從而在低壓差低壓比工況下實現比傳統小汽輪機更高的效率（見圖1）。

圖1 a 螺桿膨脹機結構簡圖

圖1 b 螺桿膨脹機工作原理簡圖

1.2 項目改造方案及工藝流程

1.2.1 改造方案

系統方案利用螺桿膨脹機發電系統替代原進汽調節閥系統，并將原進汽調節閥作為旁路和備用，以實現加熱蒸汽余壓余熱回收發電的目的［3］，改造后的系統工藝流程如圖2所示。

圖2 系統改造流程圖

1.2.2 工藝流程簡圖（見圖3）

圖3 改造后系統工藝流程圖

1.2.3 現場設備圖（見圖4）

圖4 現場設備圖

1.3 機組工藝控制方案

螺桿膨脹機組系統控制方案有升速模式、功率控制模式和背壓模式三種運行模式，三種模式能夠實現自動無擾切換。

在蒸汽入口管線上，設有氣動調節閥，可以控制機組的蒸汽進汽量，從而達到控制膨脹機轉速及調節功率的目的。當啟動發電機組時打開汽閥，按啟動程序啟動發電機組，這時蒸汽與原進汽管路蒸汽并聯運行。由于螺桿膨脹發電機組處于并網前調整階段，汽耗量小于額定進汽量，背壓管網的壓力調節由原進汽調節閥控制。發電并網后，逐漸增大氣動調節閥，發電機功率逐步提高，原進汽管路閥門開度減小。當原進汽調節閥的開度小于設定值4%時，背壓管網的壓力調節切換至由發電機組氣動調節閥控制。

暖機過程在正式開機運行前，需要將蒸汽通入膨脹機，此時需要控制氣動調節閥開度。當暖機結束后，逐漸開大氣動調節閥，使得螺桿膨脹機進入速度和功率控制狀態。當停機時（非緊急情況），氣動調節閥逐漸關小，原進汽系統的調節閥開度增大、蒸汽的通過量逐漸增大，發電機減至10 kW 時可操作解列，工藝恢復至未安裝螺桿膨脹機時的狀態運行。當蒸汽不足時，增大氣動調節閥的閥門開度盡量多發電，直至機組逆功率停機。

緊急情況停機時，可手操或自動保護連鎖，電液快關閥立即動作并關閉，原進汽系統的調節閥開度自動增大。

2 系統方案及機組設計參數

2.1 螺桿膨脹機發電機組方案設計參數（見表1）

表1 機組方案設計參數表

2.2 機組設計性能曲線

根據主機不同工況下的特性，計算得到部分工況下的性能曲線見圖5。

圖5 機組性能曲線圖

3 項目運行及收益

3.1 運行典型工況

機組在2022 年2 月25 日安裝調試后進入72+24 h 試運。試運過程也發現了一些小的缺陷，比如孔板流量計前后直管段不足導致進汽流量偏小、就地排汽溫度表不對、有一個油壓調節閥有滲油等，消缺完成后機組正式投入運行。目前，運行狀態基本穩定，螺桿發電機組本體各項指標參數均達到良好狀態，并連續達到了滿負荷狀態（如圖6）。

圖6 機組運行監控圖

3.2 安裝和操作運行

螺桿膨脹機機組的安裝使用操作比較簡單。主要體現在以下幾點：

設備方在出廠時對機組進行了較為完善的成套，到貨以撬塊的方式運輸到現場，所以現場的工作主要是土建及管道施工，非常方便，從設備到廠到機組投入使用實際施工時間僅為15天，調試時間15天，實現了“即到即用”。

螺桿膨脹機內部是粗壯的轉子和鑄造的殼體，可以適應帶液的蒸汽工況，螺桿機本體也不需要進行長時間的預熱，所以機組開機時的暖管暖機時間很短，可以實現10 min 并網。熱態開機情況下，可以實現5 min并網。

機組采用了異步發電機，轉速維持在額定轉速的±50 r 可以并網，未發生電網沖擊現象。即使在蒸汽流量和壓力波動的情況下，機組依然可以非常便捷地實現并網。

3.3 機組效率測算

參考下文焓熵圖（平均工況為入口流量16.19 t/h，發電功率380 kW），查表計算得到參數如下：

螺桿膨脹機實際進汽焓hi=2 961 kJ/kg；

實際排汽口焓ho=2 875 kJ/kg；

理想排汽口焓hoi=2 849 kJ/kg。

可計算得到，實際做功焓降：

△h=hi-ho=2 961- 2 875 = 86 kJ/kg，每千克蒸汽實際做功折合電功率23.9 W；

理想焓降為△hi=hi-hoi=2 961-28 49

=112 kJ/kg；

螺桿膨脹機本體相對內效率為ηad=（△h/△hi）×100%=76.8%；

螺桿膨脹發電機組整機凈效率為ηn=（380×3 600/（16.19×1 000×（2 972-2 852））×100%=70.4%。

實際運行參數表明，項目選用的螺桿膨脹機發電機組各參數達到設計指標，有效回收了原本浪費掉的蒸汽壓力能（見圖7）。

圖7 系統焓熵圖

3.4 項目整體收益

項目實施階段，公司熱負荷已增長到平均約270 t/h，給水流量約337 t/h，高除加熱蒸汽流量約29 t/h，螺桿發電機組有效運行小時數大大增加，根據熱源條件和項目當地年平均環境溫度，具體發電量及收益等如表2所示。

表2 收益分析表

3.5 項目投資及回收期

項目總投資額為397萬元，建設期5個月，2021年9 月開工，2022 年2 月投產，施工期間受到了疫情帶來的不利影響。投資靜態回收期為397÷116.67=3.4年。

投資回收期合理，并且隨著熱負荷和高除加熱蒸汽量的增長，投資回收期還可略微縮短。

萬元投資節標煤量為623.42/397=1.57 t/萬元。

項目在投產運行階段，機組效率超過了設計值和預期目標，充分實現了能源梯級利用。可以推算，如果推廣到浙江省乃至全國的熱電機組高除加熱蒸汽，其潛力是相當可觀的。

4 結論及意義

該項目根據熱電企業內部實際情況，即熱用戶對供熱壓力的需求與高壓除氧器加熱蒸汽實際需要壓力之間的差值，首次將螺桿發電技術應用于熱電廠高壓除氧器進汽調節閥替代，把調節閥無形節流損失轉化為了有形電能輸出，充分實現了能源梯級利用，且項目投資回收期合理。螺桿膨脹機具有安裝操作方便的優勢，該項目的實際參數證明了螺桿膨脹機機組整體效率達到了70.4%，超過了原設計效率。

類似工況在熱電企業廣泛存在，比如減壓、調節、節流裝置，或多或少存在壓力損失，因此項目在行業內和能源領域具有廣泛推廣應用價值，在“雙碳”背景下，意義重大。更深遠的設想在于，考慮今后節流調節產品或裝置，有可能實現在做功輸出的同時，完成節流調節任務，這有待于設備制造企業的進一步探索。