船用螺桿膨脹發電機組關 鍵技術的研究

汪濤 李貞成 夏航

摘? 要 ： 目前常規發電要求熱源溫度在350℃以上，200℃以下余熱資源回收發電技術還不成熟，特別是能實現80℃余熱回收和發電的最低余熱資源，這是常規發電技術不能做到的。本文研究的關鍵技術就是將有機工質作為熱力循環的工質與船舶低溫余熱換熱，有機工質吸熱后產生高壓蒸汽，從而推動螺桿膨脹機帶動發電機發電。

關鍵詞：余熱;發電;節能;研究

1、? 引言

柴油機作為船舶的主要動力，其熱效率已接近50 %，但仍有50 %的能量被廢氣、冷卻介質帶走。常規發電要求熱源溫度在350℃以上，對于溫度低于350℃的熱源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、大機型，無法利用這部分巨大的熱源。

目前國際上船用低速機能量利用裝置主要為余熱鍋爐、單雙壓凝汽式汽輪機發電系統，動力渦輪發電系統，以回收柴油機排氣能量為主。為了達到對柴油機排氣的綜合利用，從船用柴油機排氣能量為主，需考慮不同因素，由于缺少一體化、集成化解決方案，造成了整個余熱利用系統和裝置體積大、重量重、空間占用不合理及系統配置不緊湊等問題。

我國擁有幾千艘海洋運輸船舶，安裝余熱利用系統，每年可節省大量的燃油使用及CO2的排放，但由于我國余熱利用還沒有裝船應用，已使用部分船舶主機訂購了國外企業，隨著時間的推進，我國船舶余熱利用配套產品的市場壓力將會更大，勢必對我國造船業形成嚴重的壓力。因此，如何高效的利用船舶上所產生的余熱資源，對于提高我國能源利用率、節能減排、降低船舶營運成本具有重要意義。

2、? 船用螺桿膨脹發電機組的工作原理

本文研究的內容就是提供一種船用螺桿膨脹發電機組，該機組采用有機工質朗肯循環，以有機工質R245Fa作為熱力循環的工質與低溫余熱換熱，有機工質吸熱后產生高壓蒸汽，推動螺桿膨脹機帶動發電機發電，能夠實現低溫余熱回收。

工作原理：螺桿膨脹機從蒸發器中吸入高溫高壓制冷劑蒸氣體，經膨脹變成低溫低壓制冷劑蒸汽，螺桿膨脹機帶動船用發電機轉動對外輸出電能，輸出的電能通過變流器并入船舶電網系統，螺桿膨脹發電機組與船舶并網系統采用永磁發電機加逆變器的形式，具有運行穩定可靠的特點。低溫低壓制冷劑蒸汽進入油分離器進行油氣分離，分離后的制冷劑蒸汽進入到預熱器，經過預熱器降溫后再進入到冷凝器，被海水冷凝成制冷劑液體，從冷凝器輸出的制冷劑液體經過工質泵加壓后進入油冷卻器，經過油冷卻器加熱后進入到預熱器，再經過預熱器加熱后進入到回熱器，最后經過回熱器加熱后進入到蒸發器，制冷劑液體在蒸發器內吸收熱量而沸騰蒸發，蒸發后的制冷劑氣體被輸送至螺桿膨脹機的進氣口，完成循環過程。冷凍機油與制冷劑蒸汽的混合物進入油分離器進行油氣分離，分離后的冷凍機油進入到油冷卻器，經過油冷卻器降溫后回到螺桿膨脹機，完成循環過程。高溫的熱水進入到蒸發器后與制冷劑進行換熱后，進入到回熱器，經過回熱器降溫后進入到系統末端進行加熱后回到蒸發器，完成循環過程。

3 、 船用螺桿膨脹發電機組關鍵技術

采用有機工質R245Fa作為熱力循環的工質與低溫余熱換熱，有機工質吸熱后產生高壓蒸汽，推動螺桿膨脹機帶動發電機發電，發電的最低余熱資源溫度可達到80℃，能夠最大限度地實現低溫熱源的余熱回收。設計的油冷卻器采用工質冷卻，提高了熱量利用率，而且冷凝器采用海水冷卻，可以利用充分利用自然資源，蒸發器、回熱器和油冷卻器均采用板殼式結構，板殼換熱器與殼管式換熱器相比具有換熱效率高、結構緊湊、占地面積小的優點。將冷凝器與預熱器采用一體化設計，作為獨立的容器進行制造檢驗，減少了二者之間的連接管道及裝配。整機一體化設計，空間占用率小、配置緊湊、能量利用率高。

研究的關鍵技術：

1） 包括船用膨脹機、熱交換系統、工質加壓系統、冷卻系統和發電機及輔助系統;

2） 優化了機組系統循環參數和部件參數，提高了船用膨脹機內效率和耐溫性;

3）熱交換器（蒸發器、冷凝器、回熱器）結構緊湊，換熱效率高;

4）機組可以適應在船舶搖擺條件下正常運行

5）與船舶用電分配系統并網設計，并網系統、集成布置和控制系統設計更緊湊、高效、可靠及良好變工況性能的有機工質膨脹發電系統

4 、 螺桿膨脹機關鍵技術的研究

膨脹機機體部件主要由吸氣端座、機體、排氣端座組成。其中吸、排氣端座中分別設有吸氣、排氣腔，承擔轉子重量的軸承孔等;機體中設有轉子工作腔，氣體回流通道等，機體部件同時起到腔體與外部密封的作用。

轉子部件是膨脹機的核心部件，實現吸氣、膨脹、排氣的工作過程等。一對相互嚙合的按一定傳動比反向旋轉的螺旋形轉子，水平且平行配置于機體內部，在陰、陽轉子的兩端（吸氣端和排氣端）各有一只滾動軸承承受徑向力量，在兩轉子的排氣端各有一只四點球軸承，該軸承承受軸向推力，位于陽轉子吸氣端軸頸尾部的平衡活塞起平衡軸向力、減輕四點球軸承的負荷的作用。軸向定位和徑向支撐全部采用高質量原裝進口滾動軸承，使轉子定位精確，軸頸無磨損，轉子裝配間隙減小、容積效率高，內、外調整圈用來調整排氣端間隙。

軸封部件對于膨脹機驅動軸的一端要伸出機體的外部，為了防止工質向外泄漏，必須在軸的伸出部位及機體之間設置軸封裝置。螺桿膨脹機采用的是彈簧式機械密封，安裝在主動轉子靠聯軸器一端軸上。軸封是由動環、靜環、彈簧或波紋管、彈簧座和0型膠圈，其中動環、彈簧、彈簧座及動環膠圈裝配在一起，并隨主動轉子旋轉而旋轉，靜環及靜環膠圈裝配在軸封壓蓋上相對于機體固定。0型膠圈起靜密封作用;動、靜環起動密封作用;彈簧既可為動密封提供必需的壓緊力，同時也起到對動環磨損后進行補償作用。

螺桿膨脹機DN200吸氣口設計在頂部，DN300排氣口設計在底部，蒸發器來的工質氣體從上部進入膨脹機，經過膨脹后由下部排出后直接進入油分離器，同時潤滑油可以直接通過重力進入油分離器，減少吸排氣過程中的阻力損耗。

膨脹機安裝時通過螺栓連接固定到機組油分離器上，通過聯軸器與發電機直接連接，膨脹機排氣口與油分離器吸氣口通過法蘭直接連接，膨脹機吸氣口與蒸發器出氣口通過法蘭直接連接。

5 、 螺桿膨脹發電機組關鍵技術的研究

螺桿膨脹發電機組采用撬裝框架結構，將蒸發器、膨脹機、發電機、回熱器、冷凝器和儲液罐、工質泵、以及控制系統和輔助系統等集成在一個鋼架內，形成一個動力模塊。通過三維建模、系統性能分析和回路優化、工質泵選型和換熱器設計，開展有機朗肯循環與船用發電技術總體布置研究和結構總體設計。通過合理優化和設計減小船用螺桿膨脹機組的主要部件的尺寸和占用的空間體積。采用有機工質熱交換器（蒸發器、冷凝器、回熱器）緊湊型結構設計和一體化氣液分離結構設計研究。通過交直交軟逆變器并網技術實現與船用電網的接入，研究各并網方式與船用電網之間的相互影響。

通過上述研究獲得成果：拓寬了回收發電的余熱資源范圍，高效利用船舶所產生的余熱資源，提高了船舶主機燃油利用率，提升了我國船舶和船舶主機的市場競爭力，為船舶可再生能源發電提供關鍵技術和設備。

參考文獻

[1]? 李貞成等. 船用螺桿膨脹發電機組. 中國專利，專利號ZL2017205455500.

作者簡介? 汪濤，工程師，主要從事壓縮機、制冷、制熱、余熱余壓回收方面的研究。