國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電技術實踐淺析

岳鳳洲，姚 強，劉 偉，張建康，劉 琳

（陜西鋅業有限公司，陜西商州726007）

經過2013年技改挖潛后，陜西鋅業有限公司（以下簡稱陜西鋅業）主產品鋅錠的實際產量達到了163.28 kt。為了在“十三五”期間實現鋅錠產能突破200 kt/a的發展目標，陜西鋅業需要解決電鋅配套原料鋅焙砂缺口50 kt/a的瓶頸問題。陜西鋅業于2014年4月投資建設了“資源綜合利用和節能減排（一期）”技術改造項目，并于2014年10月建成投產。該項目配套的余熱鍋爐蒸發量為13.5 t/h，可產壓力為4.0 MPa的飽和蒸汽。該飽和蒸汽原計劃先送到2010年建成的4.83 MW余熱發電站[1]（汽輪機和發電機組由德國德蘭賽蘭公司制造供貨）進行梯級利用，但由于飽和蒸汽壓力波動較大、蒸汽管道輸送距離較遠等原因，在2019年9月之前采取直接減壓到0.6 MPa后并入陜西鋅業蒸汽主管網的方式，供濕法煉鋅工藝加熱和冬季取暖使用。陜西鋅業的生產實踐表明，直接減壓利用余熱鍋爐生產的飽和蒸汽資源經濟效益較差。

為了進一步提高飽和蒸汽的資源利用率，陜西某能源科技公司與陜西鋅業達成EPC合作協議，于2019年9月投資630萬元建成投運了1套國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組。該機組投運近1年多來的生產實踐表明：國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組具有占地面積小、機組內效率較高、設備抗污能力較強、適應工質參數及負荷波動性能較好等特點。

1 國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電技術

1.1 工作原理

螺桿膨脹機是利用低品位熱源實現熱功轉化的設備，其熱功轉化方式要求較低，可使更多的余熱資源變廢為寶，提高經濟效益。螺桿膨脹機的工作過程分為高壓進汽、膨脹、低壓排汽3個階段，其工作原理為：蒸汽或天然氣等高壓熱源等工作介質進入螺桿膨脹機的工作腔，利用熱源工作介質的膨脹帶動螺桿主轉子和從轉子運轉驅動發電機組發電，或作為原動機驅動其他動力設備，從而實現內能向動能或電能的轉化。

1.2 國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組的結構

國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組由以下6個部分組成[2]29：

1）動力機本體：包括螺桿主轉子和從轉子各1根、外殼和軸承等。

2）密封系統：由于螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組常用的工作介質為高溫蒸汽或熱水，因此其密封系統有別于空氣壓縮機，一般采用帶有冷卻水套的浮動式雙向機械密封，使動力機的高壓高溫工作介質、潤滑油和冷卻水互不滲漏，具有抗振動、抗彎曲變形、使用壽命長、拆裝和更換零部件方便的優點。

3）潤滑油系統：由油箱、油泵、濾油器、冷油器、減壓閥、分油器和儀表等組成，供軸承潤滑。

4）冷卻水系統：用于螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組的潤滑油及高、低壓端水套的冷卻降溫。

5）調速系統：作用類似于汽輪機的調速控制系統，保證轉速穩定，從而保證供電質量，同時也保證機組運行安全。

6）儀表（轉速、壓力、溫度等）檢測系統和自控系統（PLC或DCS）：用于發電機組的自控和監測。

1.3 螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組主要技術參數

陜西鋅業的國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組設備型號為KES900，主機型號為KSGe224125/350，名義發電功率736 kW，凈發電功率723 kW，其主要技術參數見表1。

1.4 螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組主要特點

與德國德蘭賽蘭公司所供飽和蒸汽透平發電機組相比，國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組具有以下6個特點[2]30：

表1 主要技術參數

1）結構簡單緊湊、零部件少、占地面積小、投資和運行成本相對較低。

2） 容積式動力發電機組轉速低，機內流速較低，除泄漏外，其他熱損失較少。

3）適用的工作介質范圍較廣，熱源的壓力只要大于0.1 MPa都可以使用，如過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相及高溫熱水等工作介質均可適用，并且對工作介質的品質要求不高。

4）螺桿轉子剛度大，殼體與轉子、轉子與轉子之間間隙小，有自潔能力，設備抗污能力較強。

5）啟動暖機時間短（5 min左右），不需盤車，設備運轉平穩安全，對安裝環境沒有嚴格要求，可遠距離啟停和運行監控，操作簡單，維護方便，且可實現無人值守和無極調速功能。

6）對工作介質參數及負荷變化不敏感，在負荷50%～100%都可保持較高效率穩定運行。

2 國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組運行情況

陜西鋅業分別于2010年和2019年建成投運的2套飽和蒸汽發電機組2020年主要生產運行指標比較見表2。

由表2可見：國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組的運行功率和配套余熱鍋爐額定蒸發量較小，比較適用于中、小型鋅精礦焙燒煙氣制酸裝置，而德國德蘭賽蘭公司供貨的飽和蒸汽透平發電機組比較適用于大型鋅精礦焙燒煙氣制酸裝置用于提高余熱利用率。

表2 飽和蒸汽發電機組2020年主要生產運行指標比較

德國德蘭賽蘭公司供貨的飽和蒸汽透平發電機組投資額為2 800萬元，投資大，且制造周期長，運行維護要求較嚴格。與前者相比，國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組具有投資小、見效快、操作維護簡便的優點。

陜西鋅業螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組從2019年10月11日起按連續正常發電結算，至2020年1月20日首次結算時，實際運行2 392.38 h，開車率為98.69%，就地發電量1 368 441 kWh（實際發電能力按572 kWh/h計算），實際耗電量46 400 kWh，凈發電量1 322 041 kWh，不含稅電價按0.467元/kWh計，發電收益61.8萬元，折計258.33元/h。發電時間按8 000 h/a計，飽和蒸汽余熱發電可增收206.7萬元/a。

3 結語

國產螺桿膨脹機飽和蒸汽發電機組是一種投資小、運行及維護較為方便的余熱資源利用設備，該設備的國產化及在陜西鋅業的成功應用，為中、小型鋅精礦焙燒制酸裝置提高飽和蒸汽的余熱資源利用率開辟了一種新途徑。