低品位低热能膨胀螺杆动力机发电技术的研究与应用

齐楠楠

（河北钢铁集团邯钢公司邯宝设备动力部，河北邯郸 056015）

1 前言

近年来，节能减排已经上升为国家战略，钢铁行业是能源消耗大户，随着全球能源的日益紧张，资源、能源和环保对钢铁行业提出越来越严格的要求。开发、应用节能减排技术是钢铁企业降低能耗、发展低碳循环经济的主要途径之一。针对一些以蒸汽、汽水混合物形式存在的低品位能源直接排放不但浪费了能源也对环境造成了负面影响，而这些低品位能源如果利用汽轮机来发电是不经济的，本文主要介绍了利用膨胀螺杆机回收邯钢西区自备电厂3台锅炉汽包连排水的余热发电技术，最大能力提高能源利用率，达到节能效果。

2 螺杆膨胀动力机的工作原理及特点

螺杆膨胀动力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为电能，是一种在当前能源利用领域具有重大突破性的新型动力机。

螺杆膨胀动力机基本构造是由一对螺旋转子和机壳组成的动力机。流体进入螺杆齿槽，压力推动螺杆转动，齿槽容积增加，流体降压膨胀作功，实现能量转换。具体的工作原理参见图1，蒸汽、热液或汽液两相流体先进入机内螺杆齿槽A，推动螺杆转动，随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐渐加长，容积增大，流体降压降温膨胀（或闪蒸）做功，最后从齿槽E排出，供生产用热或循环再加热做功。

图1 螺杆机工作过程简图

功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱动发电机发电。

螺杆膨胀机工作可分为三个过程：

进气过程：高压介质经进气口进入转子的齿间容积后，将推动转子旋转，并使齿间容积不断扩大，当齿间容积完全与进气口脱离时，进气过程结束。

膨胀过程：随着齿间容积继续增大，高压介质体积膨胀温度降低，同时输出动力到转子的伸出轴处。

排气过程：当齿间容积与排气口相通时，便开始排气过程，直至齿间容积减少为零，完成一个工作循环为止。

3 螺杆膨胀机发电技术在邯钢的应用实例

邯钢西区能源中心自备电厂热力系统见图2。

图2 螺杆发电机组热力系统图

邯钢西区能源中心自备电厂为3台60MW发电机组组成，配套有3台NG-260/9.8-Q型燃气锅炉，每台锅炉产蒸汽量为260 t/h，正常运行情况下为了保证锅炉炉的汽水品质，每台锅炉汽包需要连续排污12 t/h的连排水，连排水的的温度可达到400℃，压力为9.8 MPa。为了充分回收利用低品质能源，利用膨胀螺杆动力机对自备电厂3台×260t/h锅炉连排水的余热进行回收。该机组装机容量为700 kWh，设计额定发电量为620 kWh。投运后年可发电450万kWh,可使热电厂锅炉汽包连续排出的高温水全部得到回收利用达到蒸汽零排放的目标，并且螺杆机做功完后的连排水又进入电厂脱盐水站的循环水池，一可实现水的再循环利用，年节约优质水量达40万t。二可调节循环水的水质，达到异曲同工之效。由此产生的电能还能提高邯钢的自发电率，是节能减排型资源循环型经济的重要体现。

由于邯钢西区自备电厂三台锅炉平等排列并且距离较近，为了节约投资并使用发电效率最大化，选用了一台膨胀螺杆动力发电机组来配套三台锅炉回收汽包连排水的余热，在锅炉连排水管道上取汽，汇总后降压进入螺杆膨胀动力机驱动发电机发电。在原管路上新增快速切换阀，当螺杆膨胀动力机正常工作时，锅炉连排水全部供螺杆机发电，当螺杆机不能工作时，快速切换阀立即打开，锅炉连排水走原管路。

4 经济效益计算与分析

邯钢自备电厂锅炉连排水压为9.1～10.1 MPa、饱和温度、流量G＝36 t/h，连排水经过自动压力调节阀后进汽压力：P1＝0.70 MPa，进汽温度：t1＝165℃，经膨胀螺杆动力机做功以后排汽压力：P2＝0.14 MPa，排汽温度：t2＝ 109℃。

通过试验得知：蒸汽在膨胀螺杆机内的流动损失 η＝0.686、η机械＝0.93、η电机＝0.94。

通过查询焓熵表得知：

压力为9.5 MPa对应的水焓为:h1′＝1386.1 kj/kg，水熵 s1′＝3.3242 kj/kgk

压力为 0.70 MPa 对应的汽焓 h2″＝2762 kj/kg，汽熵 s2″＝6.7052 kj/kgk

压力为 0.70 MPa 对应的水焓 h2′＝697.1 kj/kg，水熵 s2′＝1.9918 kj/kgk

压力为0.14 MPa对应的汽焓h3″＝2690.3 kj/kg，汽熵 s3″＝ 7.2465 kj/kgk

压力为 0.14 MPa 对应的水焓 h3′＝458.4 kj/kg，水熵s3′＝1.4109 kj/kgk

因减压过程是等焓过程，由此可推算出理论干度x1及进汽熵s2

h1'＝ h2″x1+(1-x1)h2′

因此：x1＝（h1'-h2′）/（h2″-h2′）

＝（1386.1-697.1）/（2762-697.1）＝0.3337

s2＝s2″x1+s2′（1-x1）

＝6.7052×0.3337+1.9918×（1-0.3337）

＝3.56466 kj/kgk

因螺杆机做功过程是等熵过程由此可推算出理论排汽干度x2及理论排汽焓h2。

s2=s3″x2+s3′（1-x2）

因此x2=（s2-s3′）/（s3″-s3′）

=（3.5647-1.4109）/（7.2465-1.4109）=0.3691

h2=h3″x+s3'(1-x2)

=2690.3×0.3691+458.4×(1-0.3691)=1282.2 kj/kg

蒸汽的理论焓降Δh=h1'-h2=1386.1-1282.2

=103.9 kj/kg

蒸汽的实际焓降 Δh2=Δh1Xη=103.9×0.686

=71.2754 kj/kg

发电功率 P=（GΔh2/3.6）η机械η电机

=（36×71.2754/3.6）×0.93×0.94=623kW

按照每度电0.56元计算，发电机组每年运行8000 h计算。

全年发电效益=623kW×8000h×0.5元/kWh

=279万元

5 结论

螺杆膨胀机发电技术在邯钢应用以后，年发电量约为498万kWh，年发电量折合标煤约为1867 t，（折算系数取0.35 kg/kWh），每年可减少CO 排放量约4436 t/a，（折算系统取0.8316 kg/kWh）。不但增加了邯钢的自发电量，创造了经济效益，同时也对环境保护起到了积极的作用，具有良好的社会效益。