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(xiàng)新技術(shù)， 主要是利用蒸汽在降壓或者排放時(shí)的壓力進(jìn)行做功發(fā)電，從而充分利用蒸汽的余能，達(dá)到節(jié)能減排目的。一、 背景介紹我國(guó)一次能源的70%以上由全國(guó)55萬(wàn)臺(tái)鍋爐所消耗，其中工業(yè)鍋爐有53萬(wàn)臺(tái)，60%左右的容量為蒸汽鍋爐，共計(jì)消耗4.4億噸標(biāo)煤，占整個(gè)國(guó)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(guó)由于蒸汽系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良，存在蒸汽壓力等級(jí)不匹配、蒸汽產(chǎn)量與用量不匹配、蒸汽品質(zhì)低等問(wèn)題，導(dǎo)致在生產(chǎn)生活過(guò)程中大量蒸汽被降壓使用，或者對(duì)空排放，浪費(fèi)嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)目前對(duì)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(jì)、降壓閥組效率等方面，忽視了被浪費(fèi)掉的大

2、量蒸汽的壓力能的利用問(wèn)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(jìn)行做功進(jìn)行分布式發(fā)電，則可明顯降低社會(huì)總能耗。二、 成果介紹2.1 技術(shù)原理蒸汽的減溫減壓過(guò)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(hù)裝置及熱力調(diào)節(jié)儀表組成。一次蒸汽通過(guò)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(gè)過(guò)程中蒸汽的做功能力大約損失15%，如果將其驅(qū)動(dòng)機(jī)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(dòng)力機(jī)。目前主流的動(dòng)力機(jī)為低壓濕式汽輪機(jī)和螺桿膨脹機(jī)。低壓濕式汽輪機(jī)可以

3、使用飽和蒸汽作為動(dòng)力，但是需要在汽輪機(jī)的中間采取除濕技術(shù)，以保證汽輪機(jī)的安全運(yùn)行，這樣會(huì)降低蒸汽做功的能力。螺桿膨脹機(jī)則可以使用飽和蒸汽、熱水作為動(dòng)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(jī)高。2.3螺桿膨脹機(jī)螺桿膨脹機(jī)是一種低品位熱能動(dòng)力機(jī)，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(dòng)力機(jī)。螺桿膨脹機(jī)是螺桿壓縮機(jī)的逆運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)器，工作的熱物理過(guò)程與螺桿壓縮機(jī)恰恰相反，從膨脹始點(diǎn)到終點(diǎn)。隨著多方膨脹過(guò)程的進(jìn)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(jī)械能對(duì)外作功。螺桿膨脹機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機(jī)相同，主要由一對(duì)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(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙臺(tái)的螺旋形陰、陽(yáng)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(yáng)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(jī)系容積式膨脹機(jī)械，其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程從吸氣過(guò)程開(kāi)始，然后氣體在封閉的齒間容積中膨脹，最后移至排氣過(guò)程。在膨脹機(jī)機(jī)體兩端，分別開(kāi)設(shè)一定形狀和大小的孔口，一個(gè)是吸氣孔口，一個(gè)是排氣孔口。陰、陽(yáng)螺桿和氣缸之間形成的呈“V”字形的一對(duì)齒間容積值隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)而變化，同時(shí)，其位置在空間也不斷移動(dòng)。其具體過(guò)程是：（1）吸氣過(guò)程：高壓氣體由吸氣孔口分別進(jìn)入陰、陽(yáng)螺桿“V”字形的齒間容積

5、，推動(dòng)陰、陽(yáng)螺桿向彼此背離的方向旋轉(zhuǎn)，這兩個(gè)齒間容積不斷擴(kuò)大。于是不斷進(jìn)氣，當(dāng)這對(duì)齒間容積后面一齒一旦切斷吸氣孔口時(shí)，這對(duì)齒間容積的吸氣過(guò)程也就結(jié)束，膨脹過(guò)程開(kāi)始。（2）膨脹過(guò)程：在吸氣過(guò)程結(jié)束后的齒間容積對(duì)里充滿著高壓氣體，其壓力高于順轉(zhuǎn)向前面一對(duì)齒間容積對(duì)里的氣體壓力。在壓力差的作用下，形成一定的轉(zhuǎn)矩，陰、陽(yáng)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(duì)外作功。轉(zhuǎn)子繼續(xù)回轉(zhuǎn)，經(jīng)某轉(zhuǎn)角后，陰、陽(yáng)螺桿齒問(wèn)容積脫離，再轉(zhuǎn)一個(gè)角度，當(dāng)陰螺桿齒間容積的后齒從陽(yáng)螺桿齒問(wèn)容積中離開(kāi)時(shí)，這時(shí)陰、陽(yáng)齒間容積值為最大值直，膨脹結(jié)束，排氣開(kāi)始。（3）排氣過(guò)程：當(dāng)膨脹結(jié)束時(shí)，齒間容積與

6、排氣孔口接通，隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)。兩個(gè)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(guò)程直到齒間容積達(dá)最小值為止。螺桿嚙合所形成的每對(duì)齒間容積里的氣體進(jìn)行的上述三個(gè)過(guò)程是周而復(fù)始的，所以機(jī)器便不停地旋轉(zhuǎn)。螺桿膨脹機(jī)是利用流體在陰陽(yáng)螺桿間膨脹作功, 故對(duì)陰陽(yáng)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(jī)的主要機(jī)械部件僅為一對(duì)螺桿和鑄鋼外殼，其結(jié)構(gòu)形式還是非常簡(jiǎn)單的。螺桿膨脹機(jī)有以下特點(diǎn)：（1）它是一種容積式的全流動(dòng)力設(shè)備，能適應(yīng)過(guò)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(wú)級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速一般設(shè)計(jì)為（15003000）r/min，

7、相比同功率汽輪機(jī)，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(fù)荷50%變化范圍內(nèi)，能保持平穩(wěn)工作且較高運(yùn)行效率；（4）單機(jī)功率在（501500）Kw；（5）設(shè)備緊湊，占地少，工程施工量?。唬?）操作方便，運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單，而且具有除垢自潔能力，大修周期長(zhǎng)；（7）起動(dòng)不需要盤(pán)車(chē)、暖機(jī)。噪音低、平穩(wěn)、安全、可靠，全自動(dòng)無(wú)人值守運(yùn)行。與汽輪機(jī)比較，螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)有如下技術(shù)特點(diǎn)：1)蒸汽在機(jī)內(nèi)流速低，除機(jī)械泄漏外，無(wú)其它能量損失，機(jī)組內(nèi)效率高達(dá)65%75%，即使蒸汽參數(shù)或流量波動(dòng)仍能維持較高的內(nèi)效率。2)主動(dòng)陽(yáng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可根據(jù)被拖動(dòng)機(jī)械的要求設(shè)計(jì)，能達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)、平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)、設(shè)備振動(dòng)小、噪

8、聲低的目的和效果；3)螺桿粗大結(jié)實(shí)、機(jī)組轉(zhuǎn)速低（3000RPM），機(jī)組除軸承密封件易損外，無(wú)其它磨損件，安全可靠，使用壽命長(zhǎng)；4)螺桿膨脹機(jī)起動(dòng)力矩大，作為原動(dòng)機(jī)可直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)能承受較大的沖擊荷載，可單機(jī)或并網(wǎng)運(yùn)行；5)因?yàn)槁輻U與螺桿、螺桿與機(jī)殼的相對(duì)運(yùn)行能限制污垢的生長(zhǎng)，具有自清潔能力，為此機(jī)組對(duì)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(jìn)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，土建工程量小；7)采用微機(jī)電液調(diào)速及保安裝置，機(jī)組起動(dòng)及帶負(fù)荷操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)無(wú)人管理。與其他膨脹機(jī)比較，

9、螺桿膨脹機(jī)有如下技術(shù)特點(diǎn)：1)螺桿膨脹機(jī)間隙密封，從而具有透平膨脹機(jī)和活塞膨脹機(jī)均不具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，即對(duì)進(jìn)氣為含有液滴的濕蒸汽有良好的適應(yīng)性。當(dāng)進(jìn)氣為濕蒸汽時(shí)，液滴有助于密封。2)螺桿膨脹機(jī)可作為全流膨脹機(jī)使用，即工作介質(zhì)的進(jìn)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(jī)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(jī)啟動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩特性，即能進(jìn)行重負(fù)荷啟動(dòng)。3)螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速較低，一般約為同容量透平膨脹機(jī)的1/10左右，因而可不通過(guò)減速裝置而直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)或其它低速耗能機(jī)械，且軸封效果好，壽命長(zhǎng)。目前，我國(guó)的螺桿膨脹機(jī)產(chǎn)品，不僅完全擁有核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)，而且單機(jī)功率達(dá)到國(guó)際上

10、最高水平1500KW（國(guó)際上同時(shí)開(kāi)發(fā)的國(guó)家：日本投用的單機(jī)產(chǎn)品功率為102KW；美國(guó)投試的樣機(jī)功率1000KW），并經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間多行業(yè)的實(shí)踐運(yùn)行檢驗(yàn)，形成了多系列標(biāo)準(zhǔn)的成熟產(chǎn)品。今年，我國(guó)的ORC螺桿膨脹機(jī)實(shí)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(shí)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(jī)已經(jīng)大量使用，ORC螺桿膨脹機(jī)則剛剛進(jìn)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(guó)外已經(jīng)規(guī)模開(kāi)展工業(yè)化應(yīng)用，但是主要是疏水和閥門(mén)、管道優(yōu)化節(jié)能，蒸汽余壓利用主要是利用汽輪機(jī)，螺桿機(jī)應(yīng)用比較少。我國(guó)目前在低壓蒸汽發(fā)電方面大量使用了汽輪機(jī)和螺桿機(jī)，并且擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。對(duì)于蒸汽差壓發(fā)電，首先應(yīng)開(kāi)展我國(guó)蒸汽降壓使用和蒸汽排放的市場(chǎng)調(diào)查，掌握蒸汽余能總量，其次聯(lián)合國(guó)內(nèi)擁有關(guān)鍵制造能力的廠商開(kāi)展螺桿機(jī)