蒸汽差壓發(fā)電技術(shù)

1、蒸汽差壓發(fā)電技術(shù)蒸汽差壓發(fā)電是一項新技術(shù)， 主要是利用蒸汽在降壓或者排放時的壓力進行做功發(fā)電，從而充分利用蒸汽的余能，達到節(jié)能減排目的。一、 背景介紹我國一次能源的70%以上由全國55萬臺鍋爐所消耗，其中工業(yè)鍋爐有53萬臺，60%左右的容量為蒸汽鍋爐，共計消耗4.4億噸標(biāo)煤，占整個國家能源消耗的19.8%，蒸汽作為主要的能源傳遞介質(zhì)被大量使用。我國由于蒸汽系統(tǒng)設(shè)計不良，存在蒸汽壓力等級不匹配、蒸汽產(chǎn)量與用量不匹配、蒸汽品質(zhì)低等問題，導(dǎo)致在生產(chǎn)生活過程中大量蒸汽被降壓使用，或者對空排放，浪費嚴(yán)重。國內(nèi)目前對蒸汽節(jié)能關(guān)注很少，所做工作主要是優(yōu)化疏水、管道設(shè)計、降壓閥組效率等方面，忽視了被浪費掉的大

2、量蒸汽的壓力能的利用問題。如果普及蒸汽壓差發(fā)電技術(shù)，回收降壓使用的蒸汽以及排空蒸汽的余能進行做功進行分布式發(fā)電，則可明顯降低社會總能耗。二、 成果介紹2.1 技術(shù)原理蒸汽的減溫減壓過程一般由減溫減壓裝置完成，減溫減壓裝置由減壓系統(tǒng)、減溫系統(tǒng)、安全保護裝置及熱力調(diào)節(jié)儀表組成。一次蒸汽通過減壓系統(tǒng)將壓力減至設(shè)定壓力，減溫水經(jīng)噴嘴噴射入蒸汽管道內(nèi)，使減壓后的一次蒸汽降溫，變?yōu)槎握羝Ｕ羝哪芰孔兓涸谶@個過程中蒸汽的做功能力大約損失15%，如果將其驅(qū)動機械則可獲得相應(yīng)的節(jié)能效果。2.2 關(guān)鍵設(shè)備利用蒸汽差壓做功發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備是動力機。目前主流的動力機為低壓濕式汽輪機和螺桿膨脹機。低壓濕式汽輪機可以

3、使用飽和蒸汽作為動力，但是需要在汽輪機的中間采取除濕技術(shù)，以保證汽輪機的安全運行，這樣會降低蒸汽做功的能力。螺桿膨脹機則可以使用飽和蒸汽、熱水作為動力，不怕出現(xiàn)水擊的現(xiàn)象，可以充分利用蒸汽、熱水的余能，效率比低壓濕式汽輪機高。2.3螺桿膨脹機螺桿膨脹機是一種低品位熱能動力機，它能夠回收低品位熱能并直接轉(zhuǎn)換成電能，是一種在當(dāng)前能源利用領(lǐng)域重大突破性的新型動力機。螺桿膨脹機是螺桿壓縮機的逆運轉(zhuǎn)機器，工作的熱物理過程與螺桿壓縮機恰恰相反，從膨脹始點到終點。隨著多方膨脹過程的進行，其壓力、溫度和焓值下降。比容和熵值增加，氣體內(nèi)能轉(zhuǎn)換為機械能對外作功。螺桿膨脹機的基本結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機相同，主要由一對螺桿

4、轉(zhuǎn)子。缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等極少的零件組成，其氣缸呈兩圓相交的“”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙臺的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中，在節(jié)圓外具有凸齒的轉(zhuǎn)子叫陽轉(zhuǎn)子，在節(jié)圓內(nèi)具有凹齒的轉(zhuǎn)子叫陰轉(zhuǎn)子。螺桿膨脹機系容積式膨脹機械，其運轉(zhuǎn)過程從吸氣過程開始，然后氣體在封閉的齒間容積中膨脹，最后移至排氣過程。在膨脹機機體兩端，分別開設(shè)一定形狀和大小的孔口，一個是吸氣孔口，一個是排氣孔口。陰、陽螺桿和氣缸之間形成的呈“V”字形的一對齒間容積值隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化，同時，其位置在空間也不斷移動。其具體過程是：（1）吸氣過程：高壓氣體由吸氣孔口分別進入陰、陽螺桿“V”字形的齒間容積

5、，推動陰、陽螺桿向彼此背離的方向旋轉(zhuǎn)，這兩個齒間容積不斷擴大。于是不斷進氣，當(dāng)這對齒間容積后面一齒一旦切斷吸氣孔口時，這對齒間容積的吸氣過程也就結(jié)束，膨脹過程開始。（2）膨脹過程：在吸氣過程結(jié)束后的齒間容積對里充滿著高壓氣體，其壓力高于順轉(zhuǎn)向前面一對齒間容積對里的氣體壓力。在壓力差的作用下，形成一定的轉(zhuǎn)矩，陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子便朝相互背離的方向轉(zhuǎn)去。于是齒間容積變大，氣體膨脹，螺桿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對外作功。轉(zhuǎn)子繼續(xù)回轉(zhuǎn)，經(jīng)某轉(zhuǎn)角后，陰、陽螺桿齒問容積脫離，再轉(zhuǎn)一個角度，當(dāng)陰螺桿齒間容積的后齒從陽螺桿齒問容積中離開時，這時陰、陽齒間容積值為最大值直，膨脹結(jié)束，排氣開始。（3）排氣過程：當(dāng)膨脹結(jié)束時，齒間容積與

6、排氣孔口接通，隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)。兩個齒間容積因齒的侵入不斷縮小，將膨脹后的氣體往排氣端推趕，爾后經(jīng)排氣孔口排出，此過程直到齒間容積達最小值為止。螺桿嚙合所形成的每對齒間容積里的氣體進行的上述三個過程是周而復(fù)始的，所以機器便不停地旋轉(zhuǎn)。螺桿膨脹機是利用流體在陰陽螺桿間膨脹作功, 故對陰陽螺桿加工精度要求極高（其嚙合間隙不得大于5絲），雖然如此，但該機的主要機械部件僅為一對螺桿和鑄鋼外殼，其結(jié)構(gòu)形式還是非常簡單的。螺桿膨脹機有以下特點：（1）它是一種容積式的全流動力設(shè)備，能適應(yīng)過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體和熱水(包括高鹽分熱水)工質(zhì)；（2）無級調(diào)速，轉(zhuǎn)速一般設(shè)計為（15003000）r/min，

7、相比同功率汽輪機，有較高的內(nèi)效率，一般在65%以上；（3）在熱源參數(shù)、功率及熱負荷50%變化范圍內(nèi)，能保持平穩(wěn)工作且較高運行效率；（4）單機功率在（501500）Kw；（5）設(shè)備緊湊，占地少，工程施工量??；（6）操作方便，運行維護簡單，而且具有除垢自潔能力，大修周期長；（7）起動不需要盤車、暖機。噪音低、平穩(wěn)、安全、可靠，全自動無人值守運行。與汽輪機比較，螺桿膨脹動力機有如下技術(shù)特點：1)蒸汽在機內(nèi)流速低，除機械泄漏外，無其它能量損失，機組內(nèi)效率高達65%75%，即使蒸汽參數(shù)或流量波動仍能維持較高的內(nèi)效率。2)主動陽轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可根據(jù)被拖動機械的要求設(shè)計，能達到直接驅(qū)動、平穩(wěn)運轉(zhuǎn)、設(shè)備振動小、噪

8、聲低的目的和效果；3)螺桿粗大結(jié)實、機組轉(zhuǎn)速低（3000RPM），機組除軸承密封件易損外，無其它磨損件，安全可靠，使用壽命長；4)螺桿膨脹機起動力矩大，作為原動機可直接驅(qū)動風(fēng)機、水泵、壓縮機，帶動發(fā)電機時能承受較大的沖擊荷載，可單機或并網(wǎng)運行；5)因為螺桿與螺桿、螺桿與機殼的相對運行能限制污垢的生長，具有自清潔能力，為此機組對蒸汽的品質(zhì)要求不高，特別適用于蒸汽壓力0.3MPa、溫度300、0.2MPa進出壓差1.0MPa的利用飽和蒸汽差壓發(fā)電的系統(tǒng)；6)設(shè)備體積小，重量輕，安裝方便，土建工程量?。?)采用微機電液調(diào)速及保安裝置，機組起動及帶負荷操作簡單，可實現(xiàn)全自動無人管理。與其他膨脹機比較，

9、螺桿膨脹機有如下技術(shù)特點：1)螺桿膨脹機間隙密封，從而具有透平膨脹機和活塞膨脹機均不具有的獨特優(yōu)點，即對進氣為含有液滴的濕蒸汽有良好的適應(yīng)性。當(dāng)進氣為濕蒸汽時，液滴有助于密封。2)螺桿膨脹機可作為全流膨脹機使用，即工作介質(zhì)的進氣口狀態(tài)不僅可為干蒸汽，也可為二相流體或全液體。在螺桿膨脹機中，高壓介質(zhì)直接作用在轉(zhuǎn)子齒面上，因而有近似于直流電機啟動時的轉(zhuǎn)矩特性，即能進行重負荷啟動。3)螺桿膨脹機轉(zhuǎn)速較低，一般約為同容量透平膨脹機的1/10左右，因而可不通過減速裝置而直接驅(qū)動發(fā)電機或其它低速耗能機械，且軸封效果好，壽命長。目前，我國的螺桿膨脹機產(chǎn)品，不僅完全擁有核心知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，而且單機功率達到國際上

10、最高水平1500KW（國際上同時開發(fā)的國家：日本投用的單機產(chǎn)品功率為102KW；美國投試的樣機功率1000KW），并經(jīng)過了長時間多行業(yè)的實踐運行檢驗，形成了多系列標(biāo)準(zhǔn)的成熟產(chǎn)品。今年，我國的ORC螺桿膨脹機實現(xiàn)了商品化，使蒸汽余熱余壓利用率又提高了近5%。因此，可增設(shè)一套螺桿蒸汽發(fā)電裝置替代一組減溫減壓裝置，發(fā)出的電并入380V電壓電網(wǎng)系統(tǒng)，同時保證蒸汽出口壓力溫度滿足后續(xù)工藝使用要求，就可以充分利用減溫減壓所產(chǎn)生的能量損失。蒸汽螺桿膨脹機已經(jīng)大量使用，ORC螺桿膨脹機則剛剛進入工業(yè)化階段，在蒸汽壓差發(fā)電領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。三、 下一步工作建議目前，國外已經(jīng)規(guī)模開展工業(yè)化應(yīng)用，但是主要是疏水和閥門、管道優(yōu)化節(jié)能，蒸汽余壓利用主要是利用汽輪機，螺桿機應(yīng)用比較少。我國目前在低壓蒸汽發(fā)電方面大量使用了汽輪機和螺桿機，并且擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。對于蒸汽差壓發(fā)電，首先應(yīng)開展我國蒸汽降壓使用和蒸汽排放的市場調(diào)查，掌握蒸汽余能總量，其次聯(lián)合國內(nèi)擁有關(guān)鍵制造能力的廠商開展螺桿機