国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电技术实践浅析

岳凤洲，姚 强，刘 伟，张建康，刘 琳

（陕西锌业有限公司，陕西商州726007）

经过2013年技改挖潜后，陕西锌业有限公司（以下简称陕西锌业）主产品锌锭的实际产量达到了163.28 kt。为了在“十三五”期间实现锌锭产能突破200 kt/a的发展目标，陕西锌业需要解决电锌配套原料锌焙砂缺口50 kt/a的瓶颈问题。陕西锌业于2014年4月投资建设了“资源综合利用和节能减排（一期）”技术改造项目，并于2014年10月建成投产。该项目配套的余热锅炉蒸发量为13.5 t/h，可产压力为4.0 MPa的饱和蒸汽。该饱和蒸汽原计划先送到2010年建成的4.83 MW余热发电站[1]（汽轮机和发电机组由德国德兰赛兰公司制造供货）进行梯级利用，但由于饱和蒸汽压力波动较大、蒸汽管道输送距离较远等原因，在2019年9月之前采取直接减压到0.6 MPa后并入陕西锌业蒸汽主管网的方式，供湿法炼锌工艺加热和冬季取暖使用。陕西锌业的生产实践表明，直接减压利用余热锅炉生产的饱和蒸汽资源经济效益较差。

为了进一步提高饱和蒸汽的资源利用率，陕西某能源科技公司与陕西锌业达成EPC合作协议，于2019年9月投资630万元建成投运了1套国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组。该机组投运近1年多来的生产实践表明：国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组具有占地面积小、机组内效率较高、设备抗污能力较强、适应工质参数及负荷波动性能较好等特点。

1 国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电技术

1.1 工作原理

螺杆膨胀机是利用低品位热源实现热功转化的设备，其热功转化方式要求较低，可使更多的余热资源变废为宝，提高经济效益。螺杆膨胀机的工作过程分为高压进汽、膨胀、低压排汽3个阶段，其工作原理为：蒸汽或天然气等高压热源等工作介质进入螺杆膨胀机的工作腔，利用热源工作介质的膨胀带动螺杆主转子和从转子运转驱动发电机组发电，或作为原动机驱动其他动力设备，从而实现内能向动能或电能的转化。

1.2 国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组的结构

国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组由以下6个部分组成[2]29：

1）动力机本体：包括螺杆主转子和从转子各1根、外壳和轴承等。

2）密封系统：由于螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组常用的工作介质为高温蒸汽或热水，因此其密封系统有别于空气压缩机，一般采用带有冷却水套的浮动式双向机械密封，使动力机的高压高温工作介质、润滑油和冷却水互不渗漏，具有抗振动、抗弯曲变形、使用寿命长、拆装和更换零部件方便的优点。

3）润滑油系统：由油箱、油泵、滤油器、冷油器、减压阀、分油器和仪表等组成，供轴承润滑。

4）冷却水系统：用于螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组的润滑油及高、低压端水套的冷却降温。

5）调速系统：作用类似于汽轮机的调速控制系统，保证转速稳定，从而保证供电质量，同时也保证机组运行安全。

6）仪表（转速、压力、温度等）检测系统和自控系统（PLC或DCS）：用于发电机组的自控和监测。

1.3 螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组主要技术参数

陕西锌业的国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组设备型号为KES900，主机型号为KSGe224125/350，名义发电功率736 kW，净发电功率723 kW，其主要技术参数见表1。

1.4 螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组主要特点

与德国德兰赛兰公司所供饱和蒸汽透平发电机组相比，国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组具有以下6个特点[2]30：

表1 主要技术参数

1）结构简单紧凑、零部件少、占地面积小、投资和运行成本相对较低。

2） 容积式动力发电机组转速低，机内流速较低，除泄漏外，其他热损失较少。

3）适用的工作介质范围较广，热源的压力只要大于0.1 MPa都可以使用，如过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相及高温热水等工作介质均可适用，并且对工作介质的品质要求不高。

4）螺杆转子刚度大，壳体与转子、转子与转子之间间隙小，有自洁能力，设备抗污能力较强。

5）启动暖机时间短（5 min左右），不需盘车，设备运转平稳安全，对安装环境没有严格要求，可远距离启停和运行监控，操作简单，维护方便，且可实现无人值守和无极调速功能。

6）对工作介质参数及负荷变化不敏感，在负荷50%～100%都可保持较高效率稳定运行。

2 国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组运行情况

陕西锌业分别于2010年和2019年建成投运的2套饱和蒸汽发电机组2020年主要生产运行指标比较见表2。

由表2可见：国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组的运行功率和配套余热锅炉额定蒸发量较小，比较适用于中、小型锌精矿焙烧烟气制酸装置，而德国德兰赛兰公司供货的饱和蒸汽透平发电机组比较适用于大型锌精矿焙烧烟气制酸装置用于提高余热利用率。

表2 饱和蒸汽发电机组2020年主要生产运行指标比较

德国德兰赛兰公司供货的饱和蒸汽透平发电机组投资额为2 800万元，投资大，且制造周期长，运行维护要求较严格。与前者相比，国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组具有投资小、见效快、操作维护简便的优点。

陕西锌业螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组从2019年10月11日起按连续正常发电结算，至2020年1月20日首次结算时，实际运行2 392.38 h，开车率为98.69%，就地发电量1 368 441 kWh（实际发电能力按572 kWh/h计算），实际耗电量46 400 kWh，净发电量1 322 041 kWh，不含税电价按0.467元/kWh计，发电收益61.8万元，折计258.33元/h。发电时间按8 000 h/a计，饱和蒸汽余热发电可增收206.7万元/a。

3 结语

国产螺杆膨胀机饱和蒸汽发电机组是一种投资小、运行及维护较为方便的余热资源利用设备，该设备的国产化及在陕西锌业的成功应用，为中、小型锌精矿焙烧制酸装置提高饱和蒸汽的余热资源利用率开辟了一种新途径。