螺杆膨胀机的发展及应用

除此以外, 机封问题也是困扰螺杆膨胀机发展
( 2) 螺杆膨 胀 机 结构 简 单, 主 要部 件 仅 两 根 螺 的一大难题, 虽然其 介质 温 度没 有汽 轮机 的介 质 温
杆和外壳, 安装维修容易。
度高, 但 大 多仍 处 在 120 ～300℃, 目 前国 内 螺 杆 机
( 3) 螺 杆 膨 胀 机 除 轴 承、密 封 外, 无 其 他 磨 损 械上采用的密封形式还没有很好地解决耐高温的问
5 结束语
目前, 在各大石化厂中, 富余低压蒸汽因含水量 较高而不能并入企业的低压蒸汽管网, 只能在装置 现场放空, 不但浪费了大量的软水资源及能源, 而且 造成环境 污染 和 热 污 染。 为 了 合 理 利 用 这 部 分 蒸 汽, 改善周围环境, 降低装置能耗, 石化公司也在积 极寻找Biblioteka Baidu关的解决方案。本文介绍的螺杆膨胀机发 电系统就属于一种余热回收技术, 它面向国内工业 企业产生的大量中、低 品位 废 热资 源, 回收 效果 好, 具有广阔的市场背景, 在工程应用上也具有重要的 意义。
经过多年研究, 目前的螺杆膨胀机可以在每级 固定容积比 3: 1 下, 获得较大的膨胀比。这样就允 许在体积相当小的机械中有较高的质量流速, 因此 减小了泄漏损失。
在合理设计下, 小机器 可以 达到 70% ～75% 的 绝热效率, 在大机械中, 如果提供合适的工质, 如制 冷剂、轻的烃 化 合 物, 还可 以 增 加 到 80% 。 当 水 作 为工质的时候, 相同的容积比下绝热效率降低。如
·机械与密封·
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轮机发电不可比拟的优越性。与汽轮机相比, 螺杆 果提高容积比, 又会要求机械体积变大, 从而泄漏损
膨胀机的特点为:
失增加。这就是以水为工质的螺杆膨胀机效果差的
( 1) 螺杆膨 胀 机 除适 用 于 过 热 蒸汽 外, 也 适 用 原因。
于 汽 液 两 相 、热 水 和 饱 和 蒸 汽 。
时能承受较大的冲击负荷。
(5) 螺杆膨胀机对于工业锅炉蒸汽或工厂热水
《 品质要求不高, 因为螺杆与螺杆、螺杆与机壳的相对
运行是具有除垢自洁能力的, 而未能除去的剩余污
化 垢可起到减少间隙的作用, 减少了泄漏损失, 提高了 工 机组效率。
( 6) 螺杆膨 胀 机 是小 型 汽 轮 机 的替 代 产 品, 可
螺杆膨胀机的结构与螺杆压缩机基本相同, 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, 结构简单, 其气缸呈
图 1 螺杆膨胀机工作原理示意
2 螺杆膨胀机的性能特点
从技术实用性及设备运行方面分析比较, 采用 螺杆膨胀机驱动发电 技术 特点 鲜 明、并有 同类 型 汽
件, 螺杆转速不高, 机组寿命长, 维修费用低, 安全可 题, 一般温度 在 150 ℃ 以 上 时, 机 械 密 封 就 已 经 失
靠性高。
效。因此, 如何解决螺杆膨胀机密封问题已成为提
( 4) 螺杆膨胀机允许 单机和 并网 运行, 扭 矩大, 高螺杆压缩机效率和寿命的关键技术。
能直接拖动风机、水泵或压缩机, 当带动发电机发电 3. 2 双循环系统
螺杆膨胀机的发展及应用
陆征1, 蒋国2
1. 中国船舶重工集团公司第七一一研究所; 2. 中国石化集团上海工程有限公司
摘 要: 通过介绍螺杆膨胀机的 工作原理、性能特点、关键技术及应用前景, 分析其经济和环保 效益。采用 螺杆膨
胀机余热回收系统对我国的能源利用提出了一种新的解决方法, 在工程应用上具有重要意义。 关键词: 节能; 螺杆膨胀机; 余热回收; 循环系统
两圆相交的“∞”字形, 两根 按一 定传动 比反 向旋 转 相 互 啮 合 的 螺 旋 形 阴 、阳 转 子 平 行 地 置 于 气 缸 中 。
螺杆 膨 胀 机 的 工作 周 期 是 由 齿间 容 积 中 的 吸 气、膨胀和排气三个过程组成的。吸气过程中, 工作 介质直接从纵向或轴向进入机内螺杆齿槽 A( 见图 1) , 吸入终了时, 吸气 口关 闭, 这时齿 间容 积就 形 成 了一个由转子和机壳共同围成的密闭空间, 吸入的 介质在此空间膨胀并产生一个转矩。齿槽 A 随介 质的膨胀向排气端移动到 B、C、D, 当啮 合点 到达 排 气端, 膨胀过程结束, 这时螺杆齿间容积最大。当膨 胀过程结束的同时, 吸气端的又一个啮合开始, 新的 啮合点又开始向排气端移动, 介质最后从齿槽 E 排 出。随着转子的转动, 不断循环重复, 实现气体的吸 气 、膨 胀 、排 气 三 个 连 续 不 断 的 过 程 。 这 就 是 螺 杆 膨 胀机的工作原理。从膨胀始点到终点, 随着膨胀过 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做功。
化 带来巨大的经济和环保效益。 工 4.1 经济效益
考虑到螺杆膨胀机是回收以前不能利用的废热
设 进行发电, 并 且这 部 分 电 能 够 并 入 厂 用 电 网 使 用。
除了一次性设备投资外, 由于螺杆机组结构简单, 每
备 年的运行和维修费用很少; 且机组寿命长, 安全可靠 w 与 性高, 并能获得稳定的收益, 能在较短的周期内回收 w 投资, 尤其在电价高的地区更是如此。 w 管 例如某石化公司的高压聚乙烯装置富产蒸汽约 . 9 t/ h, 温度在 140 ℃ 左 右, 采 用 螺 杆膨 胀 动 力 机 发 tc 道 电组机及相应的配套设施, 回收高压装置余热蒸汽 e 》 发电, 每小时可发 电 340 kW, 同 时将 发 电后 的 略 高 d 于大气压的饱和蒸汽用二级冷却水冷却成冷凝液后 . 回收利用, 每小时可回收冷凝水 9 t。按年 运行时 间 c 8 000 小时计算, 其全年总 发电量 272 ×104 kW·h, om 节水 7. 2 ×104 t。若电价 0. 62 元 / kW·h, 冷却液单
于化工厂及用于空调和热泵系统的大型蒸汽压缩设
备的节流过程, 来代替节流阀, 通过利用径流透平和 螺杆膨胀机回收功可以达到更高的效率。但国外的
实践表明, 这些方案共同的特点是, 膨胀效率仍然较 低。据有关文 献报道, 径流式 透平 的绝热 效率 是 67% , 而 全流 螺 杆膨 胀 机的 效 率 几乎 不 到 50% , 这 也是阻碍两相膨胀机应用发展的一个主要因素[ 6] 。
图 2 有机工质双循环螺杆机系统示意
这种发电方法的优点是: 对含热流体的水质好 坏以及流体的温度和压力都没有太高的要求, 甚至 60 ～70℃的 低温热 水, 也可 以通过 双循 环系 统进 行 利用; 设备紧凑, 螺杆膨胀机的尺寸小, 易于适应化 学成分比较复杂的工业废水。缺点是: 不像传统扩 容法那样可以方便地 使用 混 合式 蒸发 器和 冷凝 器; 大部分低沸点工质传热性都比水差, 采用此方式需 要有相对较大的金属换热面积; 低沸点工质价格较 高, 来源范围窄, 有些低沸点工质还有易燃、易爆、有 毒 、不 稳 定 、对 金 属 有 腐 蚀 等 特 性 。
关键技术及应用前景, 分析其经济和环保效益。采用
螺杆膨胀机余 热回收系统对 我国 的能 源利 用 提出 了一
种新的解决方法, 在工程应用上具有重要意义。
1 螺杆膨胀机的工作原理
螺杆膨胀机是一种按容积变化原理工作的双轴 回转式螺杆机 械。它 没有 活 塞式 机械 那样 的气 阀、 活塞等滑动部件, 因而可进行高速运转, 气流速度比 普通容积式机械大得多。它不但具有螺杆压缩机的 转 速 高 、工 艺 性 良 好 和 无 磨 损 、无 不 平 衡 的 质 量 力 等 特点, 而且可应用现有的螺杆压缩机的生产技术来 进行生产。
更要考虑整个系统的效率, 只有在降低系统能耗的 前提下, 才能实现真正意义上的节能。
炭等为基础能源, 因 此 我国 控制 SO2 、CO2 排 放 的 任 务将十分艰巨, 采用先进节能及余热回收的工艺与
4 螺杆膨胀机的应用前景
设备, 提高能源的利用率, 以减少 SO2、CO2 排放量 是 很必要的。
《 随着工业快速发 展, 能 源与 环境 问题 日益 受 到 化 关注, 节能问题越来越受到社会各界的重视, 各种节 工 能新技术、新设备从各个技术门类中纷呈涌现出来。
螺杆膨胀机就是一种新型能量转换机, 它是根据螺
设 杆压缩机压缩原理的逆原理制成的。虽然发展历史
不长, 但已被广泛用于石油和石油化工部门的气体
有机工质双循环螺杆机系统是一种含热流体与 低沸点工质换热, 再将低沸点工质引入螺杆膨胀机 进行能量回收的系统方式。整个系统主要是由蒸发 器 、螺 杆 机 、冷 凝 器 、工 质 泵 等 设 备 和 一 些 管 道 组 成 。 含热废水( 汽) 在经过一定的杂质处理过程后, 进入 蒸发器加热有机工质, 使工质温度升高, 到达饱和温 度, 生成饱和汽或汽液两相。从蒸发器排出的工质 ( 饱和汽或汽液两相) 进入螺杆膨胀机膨胀做功, 驱 动发电机发电。做功后的汽液混合物从螺杆机排出 进入冷凝器, 将其中的蒸汽冷凝, 最后再经工质泵返 回蒸发器( 见图 2) 。 这种 有机 工质 发 电循 环系 统, 具 有 回 收 余 热 量 大 、设 备 紧 凑 、发 电 效 率 高 等 特 点 。
目前, 有机工质双循环螺杆膨胀机系统还处于 理论研究向实际应用过渡阶段, 国内并没有实际投
·机械与密封·
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入运行的工业系统。因此, 系统中换热设备的选用, 右, 燃煤造成的大气污染很严重。在大气污染中二
低沸点工质的选择以及工质泵能耗的影响都需进行 氧化硫和二氧化碳是最主要的两种污染物。由于我
进一步的试验研究和比较, 不仅要提高单机的效率, 国经济仍要继续快速发展, 且基于国情, 还要坚持煤
SO2 /t 原煤, CO2 取 1. 74 t CO2 / t 原煤, 已知标煤的低 位发热量为 29 307 kJ/ kg) : 产生这部 分电能 需耗 煤 量约为 607 t, 排 放 SO2 的 量 为 11. 8 t, CO2 的 量 为 1 056. 2 t。
由以上数据可知, 该余热回收系统就可达到很 好地减排效果, 如果在国内大量产生废热资源的工 业企业中积极推广膨胀机余热回收系统, 其环保效 益将极其显著。
设 广泛用于工业余热余 压动 力回 收 及作 为地 热、太 阳
能等新能源动力机。
备 ( 7) 螺杆 膨胀 机 采 用 新型 微 机 调 速 控制 装 置, w 与 机组启动及带负荷操 作很 简单, 正常 运行 可以 实 现 w 全自动无人管理。 w. 管 3 螺杆膨胀机的关键技术 tc 道 目前, 对螺杆膨胀机的研究主要集中在两个方 e 》 向, 一是单循环系统; 二是有机工质双循环系统。 d 3. 1 单循环系统 . 单循环 系统是 指含 热流 体即汽 液两 相, 直接 被 c 引入螺杆膨胀机做 功, 该 系统 也叫 全流 系 统。两 相 om 螺杆膨胀机除了应用 在地 热发 电 厂外, 还 可以 应 用
接排放到大气和河流中, 不仅造成了环境污染, 还浪 炉系统效率 0. 55, 污染物 排放系 数 SO2 取 0. 019 5 t
费了大量可利用的能量, 能源没有实现梯级利用。 联想到我国每年需要从国外进口大量的能源, 应该
《 意识到我们在能源利 用方 面 是有 很大 潜力 可挖 的,
广泛采用各种节能及能量回收技术将会为整个社会
备 加工工业、蒸汽与各种气体的减压工程、能量回收工
程 、发 电 工 程 等 实 际 应 用 场 合 。
ww 与 对于螺杆膨胀动力机的研究最早始于 1952 年。 w 管 20 世纪 70, 80 年代期间, 美 国水 热电力 公司 开发 了 . 螺杆膨 胀机 发 电 组, 其 最大 效 率 可达 68% [ 1] ; 1983 t 道 年, 日本学者将螺杆 膨胀 机 的研 究引 向对 机内 过 程 ce 》 的实验研究和理论分 析相结 合 的阶 段[ 2] ; 我国 对 螺 d 杆膨胀机 的研究 始于 20 世纪 80 年 代, 天津 大学 开 . 展了螺杆膨胀机全流 系统 的研 究, 并 取得 了阶 段 性 c 成果[ 3-5] 。 om 本文通过介绍螺杆膨胀机的工作原理、性能特点、
在我国很多行业, 能源利用结构并不合理, 不仅 能源利用效率低, 而且对随生产过程产生的大量的
引用 4. 1 节数 据, 假设 采用单 循环 螺杆膨 胀 机 系统后, 全年总 发电 量 272 ×104 kW· h, 若 这 部 分
含热废汽、废液, 经过 简单 的处 理 或者 不处 理, 就 直 发电量完全由火电提供, 估算 SO2 、CO2 排放量( 取锅