螺杆膨胀机在石油化工装置的节能应用分析

雷耀彩

（中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南 洛阳 471012）

·机械设计与制造·

螺杆膨胀机在石油化工装置的节能应用分析

雷耀彩

（中国石油化工股份有限公司洛阳分公司，河南 洛阳 471012）

目前，大部分石油化工企业在生产过程中，将高压蒸汽转换为低压蒸汽一般通过减温减压器来完成，但在这一过程中损耗了大量差压能量，造成能源损失，不符合节能降耗绿色低碳发展要求。本文以中国石油化工股份有限公司洛阳分公司（以下简称洛阳石化）芳烃联合装置为例，通过对差压能量回收装置-螺杆膨胀动力机的工作原理、技术特点的分析，提出了运用螺杆膨胀机替代减温减压器的改造方案，并分析其产生的经济和节能效益。

螺杆膨胀动力机；闪蒸膨胀；差压能量；节能

目前我国已成为世界第一大能源消耗国和二氧化碳排放国，节能工作刻不容缓。我国的主要能耗为工业能耗，约占社会总能耗的70%左右［1］。而石油化工企业既是供能大户，也是耗能大户，能源的梯度利用尤为重要。

洛阳石化芳烃联合装置加工能力为21.5万t/年，生产加工过程中需要2.0MPa蒸汽为装置提供热源，而洛阳石化蒸汽管网无2.0MPa等级的蒸汽。为了满足生产用蒸汽需要，目前通过蒸汽减温减压器将3.5MPa、380℃、流量为15t/h的高压蒸汽，转换为2.0MPa、215℃的低压蒸汽供生产使用。目前使用的减温减压器具有投资少、占地面积小、运行操作方便等优点，但是长期运行没有合理利用蒸汽热能梯度，能源浪费较为突出。采用减压方式降低蒸汽压力来满足工艺用汽的生产要求，其蒸汽差压在1.5MPa左右，每年能量损失在37.97×1012J左右，其绝热减温减压过程是高品质的蒸汽变成低品质的蒸汽的过程，也是能量的无效损耗过程。因此各石油化工企业都在进行这方面的探索，设法降低本企业的装置能耗。

如何将差压蒸汽能量有效地转化利用，是节能降耗的重要内容。根据上述分析，本文提出了在洛阳石化芳烃联合装置原减温减压器旁并联一套螺杆膨胀动力机发电机组的方案，既可实现减温减压功能，又可发电增效。

1　螺杆膨胀动力机概述

1.1工作原理

螺杆膨胀机具有流量范围宽、运行稳定性好、工况变化适应性强、可带液膨胀等特点，在工业余压回收、制冷系统节能、低温余热回收等方面具有较好的应用前景，已成为近年来的研究热点［2］。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，流体降压膨胀做功，实现能量转换。具体的工作原理见图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。功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱动风机、压缩机、水泵或驱动发电机发电。

图1　螺杆膨胀动力机工作原理

1.2技术特点

螺杆膨胀动力机是利用流体在阴阳螺杆间膨胀做功，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为一对螺杆和铸钢外壳，其结构形式比较简单。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，无其他能量损失，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。每吨饱和蒸汽的发电功率曲线见图2。

图2　每吨饱和蒸汽发电功率

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、噪声低的效果。

③螺杆粗大结实、机组转速低（≤3000r/min），机组除轴承密封件易损外，无其他磨损件，安全可靠，使用寿命长。

④螺杆膨胀动力机启动力矩大，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，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等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，可以边生产边施工，适合对现有生产装置进行技术改造。

根据工质的不同，螺杆膨胀机可分为蒸汽型和有机工质型两种。蒸汽型螺杆膨胀机汽源采用品质较高的余热蒸汽，利用蒸汽的内能驱动螺杆膨胀机转动，带动发电机将机械能转化为电能［3］。本方案拟采用蒸汽型螺杆膨胀机。

2　差压蒸汽发电工程方案

洛阳石化芳烃联合装置现有一台减温减压器，将3.5MPa、380℃的中压蒸汽转换为2.0MPa、215℃的低压蒸汽供生产需求。使用蒸汽热力参数如下：阀前蒸汽来自中压蒸汽管网，压力3.1MPa～3.5MPa（表），温度370℃～380℃，流量15t/h；减压后阀后工艺要求蒸汽压力2.0MPa（表），温度215℃。

根据以上生产技术要求参数进行改造，在现有的一台减温减压器旁并联一台螺杆膨胀动力机，利用该过热蒸汽经减温水减温后进入螺杆膨胀动力机做功发电，做功后的蒸汽再供装置使用。经核算，可装机一套200kW螺杆膨胀动力机发电机组，额定发电功率150kW，年发电量达1.2×106kW·h（以每年运行8 000h核算），年发电效益60万元，不仅节约了能源，同时降低了装置用电及生产成本。

2.1设计原则及技术参数

本工程技术设计原则，将蒸汽经减温水减温后引入螺杆膨胀动力机组做功发电，做功后蒸汽供工艺使用。

表1　螺杆膨胀动力机技术参数

2.2一套200kW螺杆膨胀动力机发电机组技术方案

根据热源的实际情况，拟选用一套200kW的螺杆膨胀动力机发电机组回收上述蒸汽能量，额定发电功率为150kW。

表2　螺杆膨胀动力机性能参数

2.3一套200kW发电机组热力系统图，具体热力系统如图3所示：

图3　200kW发电机组热力系统图

2.4一套200kW发电工程经济效益

一套200kW发电机组的发电功率，按照技术方案，发电机组额定发电功率为：N=150kW

一套200kW发电机组的年发电量，按年运行8 000h计算，则年发电量为：

一套200kW发电机组的年发电效益，按电价0.5元/ kW·h计算，则年发电效益为：

洛阳石化芳烃联合装置应用螺杆膨胀动力机发电工程，热力系统简单、初投入少、回收周期短，4个月可建成并投产，投资回报期约为2年。

3　结束语

洛阳石化芳烃联合装置在原减温减压器旁并联一套螺杆膨胀动力机发电机组的方案，能将差压蒸汽能量有效地转化利用，既实现减温减压功能，又可回收损失的能量发电增效，是提高企业能源综合利用效率的有效途径。目前洛阳石化共有减温减压器22台，如果全部采用减温减压器旁并联一套螺杆膨胀动力机发电机组的方案，年可发电2500万kW·h（以每年运行8 000h核算），节能效果和经济效益十分可观。因此，螺杆膨胀机在石油化工装置的节能应用有着十分广阔的前景。

［1］蒋毅一，王皓良.中国工业能耗与工业经济增长的关系研究［J］.统计与决策，2009（4）：114-116.

［2］刘广彬，等.两相螺杆膨胀机热力过程特性研究［J］．液体机械，2014（9）：43-45.

［3］张利，等.螺杆膨胀机余热利用技术及热力性能研究［J］.节能技术，2014（9）：52-53.

Analysis on the Energy Conservation Application of Screw Expander in Petrochemical Industry

Lei Yaocai
（China Petroleum&Chemical Corporation Luoyang Branch，Luoyang Henan 471012）

Recently，in the production process of most petrochemical industries，desuperheater and decompressor is generally used for transforming high pressure steam into low pressure steam in，but considerable energy of dif⁃ferential pressure is wasted in this process，which dose not meet the developing demand of energy conservation and green low carbon.Integrated aromatics plant of Luoyang branch of Sinopec is offered for an example，the oper⁃ating principle and technique characteristics of differential energy recovery device-screw expansion generator is analyzed，the transforming plan of using screw expander to take place of desuperheater and decompressor is pro⁃posed，and its causing benefits of economy and energy conservation are analyzed in this paper.

screw expansion generator；flashing dilate；energy of differential pressure；energy conservation

TQ325

A

1003-5168（2015）05-0026-3

2015-4-20

雷耀彩（1968.9-），男，本科，工程师，研究方向：石油化工设备。