蒸汽差压发电技术

蒸汽差压发电技术
蒸汽差压发电是一项新技术，主要是利用蒸汽在降压或者排放时的压力进行做功发电，从而充分利用蒸汽的余能，达到节能减排目的。

一、背景介绍
我国一次能源的70%以上由全国55万台锅炉所消耗，其中工业锅炉有53万台，60%左右的容量为蒸汽锅炉，共计消耗4.4亿吨标煤，占整个国家能源消耗的19.8%，蒸汽作为主要的能源传递介质被大量使用。

我国由于蒸汽系统设计不良，存在蒸汽压力等级不匹配、蒸汽产量与用量不匹配、蒸汽品质低等问题，导致在生产生活过程中大量蒸汽被降压使用，或者对空排放，浪费严重。

国内目前对蒸汽节能关注很少，所做工作主要是优化疏水、管道设计、降压阀组效率等方面，忽视了被浪费掉的大量蒸汽的压力能的利用问题。

如果普及蒸汽压差发电技术，回收降压使用的蒸汽以及排空蒸汽的余能进行做功进行分布式发电，则可明显降低社会总能耗。

二、成果介绍
2.1 技术原理
蒸汽的减温减压过程一般由减温减压装置完成，减温减压装置由减压系统、减温系统、安全保护装置及热力调节仪表组成。

一次蒸汽通过减压系统将压力减至设定压力，减温水经喷嘴喷射入蒸汽管道内，使减压后的一次蒸汽降温，变为二次蒸汽。

蒸汽的能量变化：
在这个过程中蒸汽的做功能力大约损失15%，如果将其驱动机械则可获得相应的节能效果。

2.2 关键设备
利用蒸汽差压做功发电的关键设备是动力机。

目前主流的动力机为低压湿式汽轮机和螺杆膨胀机。

低压湿式汽轮机可以使用饱和蒸汽
作为动力，但是需要在汽轮机的中间采取除湿技术，以保证汽轮机的安全运行，这样会降低蒸汽做功的能力。

螺杆膨胀机则可以使用饱和蒸汽、热水作为动力，不怕出现水击的现象，可以充分利用蒸汽、热水的余能，效率比低压湿式汽轮机高。

2.3螺杆膨胀机
螺杆膨胀机是一种低品位热能动力机，它能够回收低品位热能并直接转换成电能，是一种在当前能源利用领域重大突破性的新型动力机。

螺杆膨胀机是螺杆压缩机的逆运转机器，工作的热物理过程与螺杆压缩机恰恰相反，从膨胀始点到终点。

随着多方膨胀过程的进行，其压力、温度和焓值下降。

比容和熵值增加，气体内能转换为机械能对外作功。

螺杆膨胀机的基本结构与螺杆压缩机相同，主要由一对螺杆转子。

缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等极少的零件组成，其气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮台的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中，在节圆外具有凸齿的转子叫阳转子，在节圆内具有凹齿的转子叫阴转子。

螺杆膨胀机系容积式膨胀机械，其运转过程从吸气过程开始，然后气体在封闭的齿间容积中膨胀，最后移至排气过程。

在膨胀机机体两端，分别开设一定形状和大小的孔口，一个是吸气孔口，一个是排气孔口。

阴、阳螺杆和气缸之间形成的呈“V”字形的一对齿间容积值随着转子的回转而变化，同时，其位置在空间也不断移动。

其具体
过程是：
（1）吸气过程：高压气体由吸气孔口分别进入阴、阳螺杆“V”字形的齿间容积，推动阴、阳螺杆向彼此背离的方向旋转，这两个齿间容积不断扩大。

于是不断进气，当这对齿间容积后面一齿一旦切断吸气孔口时，这对齿间容积的吸气过程也就结束，膨胀过程开始。

（2）膨胀过程：在吸气过程结束后的齿间容积对里充满着高压气体，其压力高于顺转向前面一对齿间容积对里的气体压力。

在压力差的作用下，形成一定的转矩，阴、阳螺杆转子便朝相互背离的方向转去。

于是齿间容积变大，气体膨胀，螺杆转子旋转对外作功。

转子继续回转，经某转角后，阴、阳螺杆齿问容积脱离，再转一个角度，当阴螺杆齿间容积的后齿从阳螺杆齿问容积中离开时，这时阴、阳齿间容积值为最大值直，膨胀结束，排气开始。

（3）排气过程：当膨胀结束时，齿间容积与排气孔口接通，随着转子的回转。

两个齿间容积因齿的侵入不断缩小，将膨胀后的气体往排气端推赶，尔后经排气孔口排出，此过程直到齿间容积达最小值为止。

螺杆啮合所形成的每对齿间容积里的气体进行的上述三个过程是周而复始的，所以机器便不停地旋转。

螺杆膨胀机是利用流体在阴阳螺杆间膨胀作功, 故对阴阳螺杆加工精度要求极高（其啮合间隙不得大于5丝），虽然如此，但该机的主要机械部件仅为一对螺杆和铸钢外壳，其结构形式还是非常简单的。

螺杆膨胀机有以下特点：
（1）它是一种容积式的全流动力设备，能适应过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流体和热水(包括高盐分热水)工质；
（2）无级调速，转速一般设计为（1500~3000）r/min，相比同功率汽轮机，有较高的内效率，一般在65%以上；
（3）在热源参数、功率及热负荷50%变化范围内，能保持平稳工作且较高运行效率；
（4）单机功率在（50~1500）Kw；
（5）设备紧凑，占地少，工程施工量小；
（6）操作方便，运行维护简单，而且具有除垢自洁能力，大修周期长；
（7）起动不需要盘车、暖机。

噪音低、平稳、安全、可靠，全自动无人值守运行。

与汽轮机比较，螺杆膨胀动力机有如下技术特点：
1)蒸汽在机内流速低，除机械泄漏外，无其它能量损失，机组内效率高达65%～75%，即使蒸汽参数或流量波动仍能维持较高的内效率。

2)主动阳转子的转速可根据被拖动机械的要求设计，能达到直接驱动、平稳运转、设备振动小、噪声低的目的和效果；
3)螺杆粗大结实、机组转速低（≤3000RPM），机组除轴承密封件易损外，无其它磨损件，安全可靠，使用寿命长；
4)螺杆膨胀机起动力矩大，作为原动机可直接驱动风机、水泵、
压缩机，带动发电机时能承受较大的冲击荷载，可单机或并网运行；
5)因为螺杆与螺杆、螺杆与机壳的相对运行能限制污垢的生长，具有自清洁能力，为此机组对蒸汽的品质要求不高，特别适用于蒸汽压力≥0.3MPa、温度≤300℃、0.2MPa≤进出压差≤1.0MPa的利用饱和蒸汽差压发电的系统；
6)设备体积小，重量轻，安装方便，土建工程量小；
7)采用微机电液调速及保安装置，机组起动及带负荷操作简单，可实现全自动无人管理。

与其他膨胀机比较，螺杆膨胀机有如下技术特点：
1)螺杆膨胀机间隙密封，从而具有透平膨胀机和活塞膨胀机均不具有的独特优点，即对进气为含有液滴的湿蒸汽有良好的适应性。

当进气为湿蒸汽时，液滴有助于密封。

2)螺杆膨胀机可作为全流膨胀机使用，即工作介质的进气口状态不仅可为干蒸汽，也可为二相流体或全液体。

在螺杆膨胀机中，高压介质直接作用在转子齿面上，因而有近似于直流电机启动时的转矩特性，即能进行重负荷启动。

3)螺杆膨胀机转速较低，一般约为同容量透平膨胀机的1/10左右，因而可不通过减速装置而直接驱动发电机或其它低速耗能机械，且轴封效果好，寿命长。

目前，我国的螺杆膨胀机产品，不仅完全拥有核心知识产权技术，而且单机功率达到国际上最高水平1500KW（国际上同时开发的国家：日本投用的单机产品功率为102KW；美国投试的样机功率1000KW），
并经过了长时间多行业的实践运行检验，形成了多系列标准的成熟产品。

今年，我国的ORC螺杆膨胀机实现了商品化，使蒸汽余热余压利用率又提高了近5%。

因此，可增设一套螺杆蒸汽发电装置替代一组减温减压装置，发出的电并入380V电压电网系统，同时保证蒸汽出口压力温度满足后续工艺使用要求，就可以充分利用减温减压所产生的能量损失。

蒸汽螺杆膨胀机已经大量使用，ORC螺杆膨胀机则刚刚进入工业化阶段，在蒸汽压差发电领域有广阔应用前景。

三、下一步工作建议
目前，国外已经规模开展工业化应用，但是主要是疏水和阀门、管道优化节能，蒸汽余压利用主要是利用汽轮机，螺杆机应用比较少。

我国目前在低压蒸汽发电方面大量使用了汽轮机和螺杆机，并且拥有自主知识产权。

对于蒸汽差压发电，首先应开展我国蒸汽降压使用和蒸汽排放的市场调查，掌握蒸汽余能总量，其次联合国内拥有关键制
造能力的厂商开展螺杆机、涡轮机的进一步应用与研发，再次推广ORC螺杆机在蒸汽压差发电方面的应用。

四、组织机制建议
对于蒸汽差压发电关键技术的应用与研发，需要科委牵头，宝钢节能联合711所、上海交大、西安交大、开山股份等研究单位、院校及制造商，开发更高效的压差动力机并推广应用。

科委给予资金、政策等方面的支持和扶植，促进我国在蒸汽压差利用方面的科技进步。