螺桿膨脹發電機組在余熱回收系統中的應用

王歡歡

摘要：目前我國能源利用率較低，余熱資源豐富，未能得到充分回收利用。常規蒸汽輪機等速度式膨脹機適用于回收高品位熱能，螺桿膨脹發電機組具有熱源范圍廣泛、變工況性能優越、成本低、適應性強等優點，恰好可以彌補汽輪機單機功率大，不能有效利用小規模余熱的缺陷。在螺桿膨脹發電機組氣源管路上增加貯氣罐，可顯著提高機組啟停及運行穩定性，對機組的推廣具有積極效益。

關鍵詞：余熱利用；螺桿膨脹發電機組；有機朗肯循環

1國內外余熱利用現狀

我國的能源資源現狀不容樂觀，過去二十年我國的能源消耗量迅猛增長，隨著經濟規模的日益擴大，能源需求迅猛增加。目前我國能源形勢嚴峻的根本原因在于用能效率低下。我國每噸標準煤的產出效率僅相當于日本的10.3%、美國的28.6%。我國工業用能中近60-65%的能源轉化為余熱資源，其中溫度低于350℃以下的低溫余熱，約占余熱總量的60%， 由于缺乏有效的技術手段而沒有得到充分利用，傳統發電技術的工作參數大多為高參數、大容量，無法利用這部分較為分散但總量巨大的能源，國內工礦企業對生產中大量的熱、蒸汽、煙氣等一排了之，無法推進循環經濟的發展。隨著我國工業化，城鎮化進程的加快，國家制定了建設資源節約型，環建友好型社會的戰略決策。節能減排、資源綜合利用已成為各級政府及企業共同努力的目標。

2螺桿膨脹機在余熱回收領域的應用

膨脹機是一種靠氣體膨脹消耗內能對外做功的機械，如汽輪機（透平）、燃氣輪機、螺桿機、活塞機等。膨脹機按能量的轉換方式不同，分為速度式和容積式兩大類。速度式膨脹機適用于熱源品質高、負荷穩定、大流量的場合，如汽輪機（透平）、燃氣輪機等。而容積式膨脹機適用于熱源品味低，流量小，負荷變化大的場合，如螺桿膨脹機。

ORC螺桿膨脹發電機組，即有機工質朗肯循環（Organic Rankine Cycle）的螺桿膨脹發電機組。它是一個利用螺桿膨脹機帶動發電機發電的設備。依靠氣體體積膨脹，驅動螺桿轉子旋轉，進而將熱能轉換為機械能的一種熱機，通常螺桿膨脹機由一對互相嚙合的螺桿轉子和機殼組成，轉子與轉子、轉子與機殼之間以間隙密封，形成容積可連續變化的工作腔，含有熱量的氣態工質進入工作腔絕熱膨脹，驅動轉子旋轉做功，膨脹做功的同時，工質的壓力和溫度降低，以此實現熱功轉換。

3螺桿膨脹發電機組組成及特點

ORC螺桿膨脹發電機組主要由螺桿膨脹機、發電機、油分離器、冷凝器、蒸發器、閥門及管道系統、控制系統等組成。膨脹機的進氣口與蒸發器的出氣口相連；膨脹機的排氣口與油分離器的進氣口相連；油分的出氣口與冷凝器的進氣口相連。工質泵的進液口與冷凝器的出液口相連；工質泵的出液口與回熱器的進液口相連；回熱器的出液口與蒸發器的進液口相連。低溫低壓蒸氣由螺桿膨脹機出氣口進入油分離器的進氣口，低溫低壓蒸氣在油分離器里面進行油氣分離后進入冷凝器的進氣口，向低溫熱源放熱并冷凝為低溫低壓液體；低溫低壓液體經過工質泵增壓后進入回熱器，最后進入蒸發器吸收熱源中的熱量轉變為高溫高壓蒸氣，高溫高壓蒸氣推動螺桿膨脹機做功，進而帶動所述發電機輸出電功。螺桿膨脹機排出低溫低壓蒸氣，完成循環過程，實現從熱能到機械能再到電能的轉化。

與汽輪機相比，ORC螺桿膨脹發電機組具有以下鮮明的技術特點：

1）造價低，與汽輪機相比，機組結構簡單，體積小，成本低，投資回收期短。

2）適應性強，能適應各種工質，如過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體以及有機工質蒸氣，也適用于非蒸汽熱源，如熱水汽、氣液混合物、煙氣、廢氣等。可廣泛應用于石油化工、冶金、鋼鐵、水泥、陶瓷、造紙、食品以及地熱太陽能等場合的余熱回收領域。

3）安全穩定性高，屬容積式膨脹機，結構簡單，轉速可調，運行平穩，除軸承密封外，無其他磨損件，機組壽命長。

4）機組效率高，膨脹機內流速低，除泄漏損失外，其他能量損失小。

5）適應性強，螺桿膨脹機對工質參數及負荷變化不敏感，及時在熱源參數、功率及熱負荷較大范圍變化時也能保持較高運行效率。

6）其輸出功率可以在5kW～1250kW之間，恰好可以彌補蒸汽輪機單機功率大，不能有效利用小規模余熱的缺陷。

4 ORC螺桿膨脹發電機組氣源管道系統優化

機組采用PLC控制，為實現自動開機、報警停機并保障機組正常運行，系統中安裝多個氣動閥門，如膨脹機吸氣管路氣動快關閥以及旁通管路氣動快開閥等。目前氣動閥門的氣源由空壓機或用戶提供，通過氣動管直接供至閥門，中間無緩沖裝置。一旦斷氣，機組發生故障急停機時閥門無法動作可能會造成膨脹機過熱、倒轉等問題，會給系統造成不可逆的損失。

在ORC螺桿膨脹發電機組儀表閥門氣源管路系統中增加貯氣罐，優化后的氣源管道系統由貯氣罐、貯氣罐進氣管道及貯氣罐排氣管道組成。貯氣罐上設置有進氣截止止回閥、安全閥、壓力表、放空閥各一個以及排氣截止閥若干；貯氣罐進氣管道與空壓機或是用戶壓縮空氣管道連接，為貯氣罐供氣；貯氣罐排氣管道從貯氣罐排氣截止閥出引出分別連接至氣動儀表及氣動閥門。

機組正常開啟時，貯氣罐進氣口截止止回閥及排氣口截止閥打開，保證氣動閥門氣源管路暢通。貯氣罐可起到緩沖作用，減少進氣管路氣流波動，為氣動閥門提供穩定氣源，使閥門處于穩定狀態。

機組斷電斷氣急停機時貯氣罐作為備用氣源，為氣動閥門提供壓縮空氣氣源，保證膨脹機進氣管路氣動快關閥關閉，旁通管路氣動快開閥打開，實現膨脹機進氣緊急切斷，快速平衡膨脹機進出口壓差，防止膨脹機倒轉，保證機組實現安全平穩停機。

5結論

在螺桿膨脹發電機組氣源管路上增加貯氣罐既能實現平穩開機，又能保障機組安全平穩停機，同時可以提高機組運行穩定性，減少氣源波動對閥門的影響，對螺桿膨脹發電機組的推廣及應用起到積極效果。螺桿膨脹機發電機組的應用范圍非常廣泛，推廣螺桿膨脹發電機組對我國的國民經濟和能源戰略產生深遠的影響，可以將我國能源的利用效率提高到一個全新水平，對我國資源循環節約和環境保護都將產生積極的社會意義和經濟意義。

參考文獻

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（作者單位：武漢新世界制冷工業有限公司）