低品位热能回收装置——ORC螺杆膨胀发电站

翁有为

（上海开山气体压缩机销售有限公司，上海 200040）

随着我国经济改革进程的不断深入，节能减排已经放到首要的议事日程。高品位的热能被用来发电或者用作动力后，其余热部分如何被充分利用？这个问题，随着螺杆膨胀发电站的诞生而得到有效的解答。

1 螺杆膨胀机的一般工作原理

螺杆膨胀机是螺杆压缩机的逆运转。操作过螺杆压缩机的人都不愿看到，当压缩机处于系统突然停车的情况下，处于压缩机排气管道的高压气体会回流，迫使螺杆压缩机倒转，从而给螺杆压缩机造成损坏。螺杆膨胀机正是从这个“倒转”原理入手，高压进气，低压排气，利用的是气体的压差，以气体膨胀消耗内能对外做功。其工作分为三个过程：

1）吸气过程：高压气体从进气口进入转子的齿间容积后，向低压端排气口运动，推动转子的旋转，直到此容积完全与进气口脱离，该齿间容积吸气结束，下一个齿间容积吸气过程同时开始；

2）膨胀过程：与转子齿间容积不断扩大相应，高压气体的体积也不断膨胀，温度（内能）降低，把膨胀做的功通过阳转子体，传递到输出轴，拖动发电机发电；

3）排气过程：当高压气体膨胀到一定的体积，能量得到充分的释放后，转子的齿间容积此时与排气口逐步贯通，进入排气，直至齿间容积为零，将齿间容积再次向吸气口开放，进入下一个循环。

2 螺杆膨胀机与蒸汽或热水的匹配

按照上述螺杆膨胀机的工作原理，得知其对外做功，主要是靠气体的压差。从理论上讲，压差越大，可以利用的内能也越大，从而得到的功也越大。但实际情况并非如此简单。

因为，螺杆的齿间容积有限，它的进口与出口的容积比（压比）有一定的限制。它有一个最佳的容积（压力）比。过大或过小都会影响其做功的效率，过高品位的热能，对其是一种新的浪费，或者使机组庞大、复杂，影响最终的性价比。

一般来说，需要利用的蒸汽热能会在各种形式的机组的各自范畴之内，起到各自的效用。对于高品位、大流量的过热蒸汽，应用于速度型的膨胀机，如：汽轮机等，能取得最大的效益；对于低品位的蒸汽热能，而存在于汽、液两相之间（或纯粹是热水），采用容积式的螺杆膨胀机更为合理。

为取得最佳的经济效益，按现行采用的有机介质的运行特性，螺杆膨胀机的基本条件设定为：

1）合适的蒸发温度：最低不能低于80℃，最高不可超过120℃，临界温度是154.05℃。

2）合适的冷凝温度：尽量降低冷凝温度，空气冷却因传热温差的原因，会导致冷凝温度较高。

3）适当的压比：膨胀机最小压比4，在合理的范围内，建议尽量取高，以提高功率输出效率。

3 有机朗肯循环膨胀机的引入

从锅炉制出的3.2～3.5MPa、420～450℃蒸汽，对背压式汽轮机作功后，排出的蒸汽一般为≤0.3MPa、≤250℃，基本上处于气、液二相状态，或纯粹是热水。而水是不能直接用于膨胀做功的，需要利用低沸点的有机物作为工质来吸收废水（气）余热，使其蒸发变成带压力的气体，与冷凝端建立压差，通过螺杆膨胀机对外作功。其技术称为“有机朗肯循环”（英文为 Organic Rankine Cycle，简称“ORC”）。ORC发电技术，不仅用于锅炉热水余热的发电，其他温度高于85℃的冷却水或其他液体，如油、化工原料、低压水蒸汽、高压水蒸汽（用减压阀）等等。还可以用于各种烟气、地热、太阳能聚焦面板等热源发电。基本过程如图1。

图1 有机朗肯循环

有机朗肯循环膨胀机具有3个非常重要的技术特点：

1）热源适应范围广：过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物、热水均可以。

2）变工况能力优越：在热源负荷和参数大范围（从120%到10%范围）波动的情况下，仍可运行稳定。

3）维护费用低：属于10年无大修的动力机，小修维护和运行操作都简单方便，对用户原系统不产生干扰影响，安装和移动十分简易。

4 实现ORC发电经济，主机性能是核心

利用ORC原理发电，国际、国内对其认知早就有之。为什么至今没能广泛使用？一个重要问题是核心技术没有很好地解决，使其投入与收益不能匹配，商业效益低下，“节能”仅仅满足了宣传的需要。衡量一台螺杆膨胀发电站成功与否，根本在于其螺杆膨胀主机内效率的高低，它对ORC发电站的净发电量和热效率的提高，起了关键作用。我们可以从下列的计算公式来分析：

其中：净发电量＝发电站发的电量－发电站自身系统所消耗的电量（如：循环液泵、冷却塔等）。

汽轮机发电站的热效能约为33%左右；但必须消耗煤或天然气等产生的高品位蒸汽热能。

高性能的ORC螺杆膨胀发电站，其热效能可在8.4%～12.2%之间，利用的是废弃的热能。而在同等条件下，性能低的膨胀发电站的热效能只有4%左右。两者之间差2～3倍。这意味：如果业主需要一定功率的膨胀机作驱动源，热效能低的就要增大其机组，可能无法安装连接；如果可利用热源一定，其回收的电费可能抵不上（或延长）电站的投资回收。

以净发电100kW的ORC螺杆膨胀发电站为例（螺杆膨胀机的输出功率约为130kW，发电需要消耗的电能为约30kW），如果选用一台热效能低螺杆膨胀机，它的净发电功率不足50kW。以0.6元／kWh计，一年要少收0.6元kWh×50kW×8 000h＝24万元。

5 ORC螺杆膨胀发电站

推出高性能的ORC螺杆膨胀发电站的浙江开山压缩机股份有限公司（股票代码300257），具有多年专业从事螺杆机械的设计、生产、使用经验，能够从各个方面提升螺杆膨胀机的性能，提高使用的可靠性，降低使用成本，从而达到以最少的投入，得到最多的回报。

1）由汤炎博士发明的、世界先进的Y型线，确保了转子啮合过程中绝热效率高，内泄漏少，输气量大。型线由多端曲线组成，使得流动阻力减小，流动损失较小，运转平滑、平稳，从而使得机械效率最高。该公司完全拥有自主知识产权的型线。实验证明，Y型线性能高于大多数厂家使用的D型线。

针对使用条件的细小差别，该公司可以进行型线的优化，即特殊设计，这意味着螺杆膨胀发电站始终可以实现较高的目标。

2）螺杆转子采用5∶6齿数比，可以达到较大的高压孔口，减少进气阻力，同时使得转子强度更高，避免转子在使用过程中挠度变化带来的问题，如啮合间隙变化、机壳与转子间隙变化等。

3）润滑油是针对膨胀机使用条件专门开发的。它能够满足在高温下长期使用不变质、黏度不下降，减少换油次数，降低使用成本的优点。同时转子运转中喷入适量润滑油，有利于减少摩擦、降低振动和噪声、提高密封性能，从而提高机器运转的性能，减少运转故障。

对于有机朗肯循环使用条件开发螺杆膨胀机，可减少不必要的复杂结构，降低摩擦损失，提高机械效率，使膨胀机效率更高、更方便启动、维修，降低操作、维修成本。

首推R245fa（五氟丙烷）作为工质。因其密度高，在同样热源、冷源条件下，可以使用较小排气量的机型。

完整的质量监控体系，专用的膨胀机试验台，可以使每台出厂机组都达到应有性能。

采用螺杆膨胀发电站，变低品位的热源为高品位的电能，一定能引起尚在寻求低热利用企业的重视。而内效率高的螺杆膨胀机，能充分发挥余热的效用，有其组成的发电站，经济性能好，也一定会成为使用企业的首选。