螺桿膨脹機在石油化工裝置的節能應用分析

雷耀彩

（中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471012）

·機械設計與制造·

螺桿膨脹機在石油化工裝置的節能應用分析

雷耀彩

（中國石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471012）

目前，大部分石油化工企業在生產過程中，將高壓蒸汽轉換為低壓蒸汽一般通過減溫減壓器來完成，但在這一過程中損耗了大量差壓能量，造成能源損失，不符合節能降耗綠色低碳發展要求。本文以中國石油化工股份有限公司洛陽分公司（以下簡稱洛陽石化）芳烴聯合裝置為例，通過對差壓能量回收裝置-螺桿膨脹動力機的工作原理、技術特點的分析，提出了運用螺桿膨脹機替代減溫減壓器的改造方案，并分析其產生的經濟和節能效益。

螺桿膨脹動力機；閃蒸膨脹；差壓能量；節能

目前我國已成為世界第一大能源消耗國和二氧化碳排放國，節能工作刻不容緩。我國的主要能耗為工業能耗，約占社會總能耗的70%左右［1］。而石油化工企業既是供能大戶，也是耗能大戶，能源的梯度利用尤為重要。

洛陽石化芳烴聯合裝置加工能力為21.5萬t/年，生產加工過程中需要2.0MPa蒸汽為裝置提供熱源，而洛陽石化蒸汽管網無2.0MPa等級的蒸汽。為了滿足生產用蒸汽需要，目前通過蒸汽減溫減壓器將3.5MPa、380℃、流量為15t/h的高壓蒸汽，轉換為2.0MPa、215℃的低壓蒸汽供生產使用。目前使用的減溫減壓器具有投資少、占地面積小、運行操作方便等優點，但是長期運行沒有合理利用蒸汽熱能梯度，能源浪費較為突出。采用減壓方式降低蒸汽壓力來滿足工藝用汽的生產要求，其蒸汽差壓在1.5MPa左右，每年能量損失在37.97×1012J左右，其絕熱減溫減壓過程是高品質的蒸汽變成低品質的蒸汽的過程，也是能量的無效損耗過程。因此各石油化工企業都在進行這方面的探索，設法降低本企業的裝置能耗。

如何將差壓蒸汽能量有效地轉化利用，是節能降耗的重要內容。根據上述分析，本文提出了在洛陽石化芳烴聯合裝置原減溫減壓器旁并聯一套螺桿膨脹動力機發電機組的方案，既可實現減溫減壓功能，又可發電增效。

1　螺桿膨脹動力機概述

1.1工作原理

螺桿膨脹機具有流量范圍寬、運行穩定性好、工況變化適應性強、可帶液膨脹等特點，在工業余壓回收、制冷系統節能、低溫余熱回收等方面具有較好的應用前景，已成為近年來的研究熱點［2］。螺桿膨脹動力機基本構造是由一對螺旋轉子和機殼組成的動力機。流體進入螺桿齒槽，壓力推動螺桿轉動，齒槽容積增加，流體降壓膨脹做功，實現能量轉換。具體的工作原理見圖1，蒸汽、熱液或汽液兩相流體先進入機內螺桿齒槽A，推動螺桿轉動，隨著螺桿轉動，齒槽A旋轉到B、C、D逐漸加長，容積增大，流體降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽E排出，供生產用熱或循環再加熱做功。功率從主軸陽螺桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅動風機、壓縮機、水泵或驅動發電機發電。

圖1　螺桿膨脹動力機工作原理

1.2技術特點

螺桿膨脹動力機是利用流體在陰陽螺桿間膨脹做功，故對陰陽螺桿加工精度要求極高（其嚙合間隙不得大于5絲），雖然如此，但該機的主要機械部件為一對螺桿和鑄鋼外殼，其結構形式比較簡單。與汽輪機比較，螺桿膨脹動力機有如下技術特點：

①蒸汽在機內流速低，除機械泄漏外，無其他能量損失，機組內效率高達65%～75%，即使蒸汽參數或流量波動仍能維持較高的內效率。每噸飽和蒸汽的發電功率曲線見圖2。

圖2　每噸飽和蒸汽發電功率

②主動陽轉子的轉速可根據被拖動機械的要求設計，能達到直接驅動、平穩運轉、設備振動小、噪聲低的效果。

③螺桿粗大結實、機組轉速低（≤3000r/min），機組除軸承密封件易損外，無其他磨損件，安全可靠，使用壽命長。

④螺桿膨脹動力機啟動力矩大，帶動發電機時能承受較大的沖擊荷載，可單機或并網運行。

⑤因為螺桿與螺桿、螺桿與機殼的相對運行能限制污垢的生長，具有自清潔能力，機組對蒸汽的品質要求不高，特別適用于蒸汽壓力≥0.3MPa、溫度≤300℃、0.2MPa≤進出壓差≤1.0MPa等利用飽和蒸汽差壓發電的系統。

⑥設備體積小，重量輕，安裝方便，土建工程量小，可以邊生產邊施工，適合對現有生產裝置進行技術改造。

根據工質的不同，螺桿膨脹機可分為蒸汽型和有機工質型兩種。蒸汽型螺桿膨脹機汽源采用品質較高的余熱蒸汽，利用蒸汽的內能驅動螺桿膨脹機轉動，帶動發電機將機械能轉化為電能［3］。本方案擬采用蒸汽型螺桿膨脹機。

2　差壓蒸汽發電工程方案

洛陽石化芳烴聯合裝置現有一臺減溫減壓器，將3.5MPa、380℃的中壓蒸汽轉換為2.0MPa、215℃的低壓蒸汽供生產需求。使用蒸汽熱力參數如下：閥前蒸汽來自中壓蒸汽管網，壓力3.1MPa～3.5MPa（表），溫度370℃～380℃，流量15t/h；減壓后閥后工藝要求蒸汽壓力2.0MPa（表），溫度215℃。

根據以上生產技術要求參數進行改造，在現有的一臺減溫減壓器旁并聯一臺螺桿膨脹動力機，利用該過熱蒸汽經減溫水減溫后進入螺桿膨脹動力機做功發電，做功后的蒸汽再供裝置使用。經核算，可裝機一套200kW螺桿膨脹動力機發電機組，額定發電功率150kW，年發電量達1.2×106kW·h（以每年運行8 000h核算），年發電效益60萬元，不僅節約了能源，同時降低了裝置用電及生產成本。

2.1設計原則及技術參數

本工程技術設計原則，將蒸汽經減溫水減溫后引入螺桿膨脹動力機組做功發電，做功后蒸汽供工藝使用。

表1　螺桿膨脹動力機技術參數

2.2一套200kW螺桿膨脹動力機發電機組技術方案

根據熱源的實際情況，擬選用一套200kW的螺桿膨脹動力機發電機組回收上述蒸汽能量，額定發電功率為150kW。

表2　螺桿膨脹動力機性能參數

2.3一套200kW發電機組熱力系統圖，具體熱力系統如圖3所示：

圖3　200kW發電機組熱力系統圖

2.4一套200kW發電工程經濟效益

一套200kW發電機組的發電功率，按照技術方案，發電機組額定發電功率為：N=150kW

一套200kW發電機組的年發電量，按年運行8 000h計算，則年發電量為：

一套200kW發電機組的年發電效益，按電價0.5元/ kW·h計算，則年發電效益為：

洛陽石化芳烴聯合裝置應用螺桿膨脹動力機發電工程，熱力系統簡單、初投入少、回收周期短，4個月可建成并投產，投資回報期約為2年。

3　結束語

洛陽石化芳烴聯合裝置在原減溫減壓器旁并聯一套螺桿膨脹動力機發電機組的方案，能將差壓蒸汽能量有效地轉化利用，既實現減溫減壓功能，又可回收損失的能量發電增效，是提高企業能源綜合利用效率的有效途徑。目前洛陽石化共有減溫減壓器22臺，如果全部采用減溫減壓器旁并聯一套螺桿膨脹動力機發電機組的方案，年可發電2500萬kW·h（以每年運行8 000h核算），節能效果和經濟效益十分可觀。因此，螺桿膨脹機在石油化工裝置的節能應用有著十分廣闊的前景。

［1］蔣毅一，王皓良.中國工業能耗與工業經濟增長的關系研究［J］.統計與決策，2009（4）：114-116.

［2］劉廣彬，等.兩相螺桿膨脹機熱力過程特性研究［J］．液體機械，2014（9）：43-45.

［3］張利，等.螺桿膨脹機余熱利用技術及熱力性能研究［J］.節能技術，2014（9）：52-53.

Analysis on the Energy Conservation Application of Screw Expander in Petrochemical Industry

Lei Yaocai
（China Petroleum&Chemical Corporation Luoyang Branch，Luoyang Henan 471012）

Recently，in the production process of most petrochemical industries，desuperheater and decompressor is generally used for transforming high pressure steam into low pressure steam in，but considerable energy of dif?ferential pressure is wasted in this process，which dose not meet the developing demand of energy conservation and green low carbon.Integrated aromatics plant of Luoyang branch of Sinopec is offered for an example，the oper?ating principle and technique characteristics of differential energy recovery device-screw expansion generator is analyzed，the transforming plan of using screw expander to take place of desuperheater and decompressor is pro?posed，and its causing benefits of economy and energy conservation are analyzed in this paper.

screw expansion generator；flashing dilate；energy of differential pressure；energy conservation

TQ325

A

1003-5168（2015）05-0026-3

2015-4-20

雷耀彩（1968.9-），男，本科，工程師，研究方向：石油化工設備。