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1、181螺杆膨螺杆膨胀动胀动力机在冶力机在冶炼炼厂的厂的应应用技用技术术南昌有色冶金设计研究院 阮建国 内容摘要内容摘要 目前，低压饱和蒸汽差压能量回收,在冶金行业还是空白,本文介绍了一种新 型的回收装置-螺杆膨胀动力机的工作原理、技术特点、应用范围、应用方式及经济、节能 效益，并认为螺杆膨胀动力机将在冶金行业有广泛的应用前景。 关关 键键 词词 螺杆膨胀动力机、闪蒸膨胀、内效率、差压能量、热电联产1 前言前言利用液体、气体介质在成对螺杆间降温、降压膨胀推动主轴转动的螺杆膨胀 动力机技术，在上世纪七十年代被美国率先研制，并成功地用于地热水汽水两相 全流 60kW 螺杆膨胀动力机，八十年代美国又试
2、制成功 1000kW 地热水螺杆膨胀 发电机机；日本北海道大学也进行过氟里昂汽液两相全流螺杆膨胀动力机研制， 1985 年日本株式会社前川制作所研究成功用于工业锅炉饱和蒸汽差压发电的螺 杆膨胀发电机机，其功率为 102kW；我国八五计划将螺杆膨胀动力机技术列为重 点攻关项目，1990 年研制出实用动力样机，同年通过国家建材工业局组织的验收， 现在建材、发电、化工行业得到利用。目前，我国制造的螺杆膨胀发电机单机功率 可达 1500kW。2 工作原理工作原理如图（一）所示流体介质进入螺杆齿槽 A，推动阴阳两螺杆向相反方向转动，螺杆的 转动，使齿槽 A 旋转到 B、C、D 的位置。随着 行程的加长，
3、容积增大，介质流体降温降压闪 蒸膨胀作功，然后从齿槽 E 排出，同时，主动 阳转子将功输出。 螺杆膨胀动力机是回转式容积膨胀机， 在每一工作周期，流体介质依次进入若干相 同182的工作容积膨胀作功， 分析工作容积（基元 图 （一）螺杆膨胀机工作原理容积）的变化可知，螺杆膨胀动力机过程是由转子及流体介质进口、排出口的设计参数决定的，即对于特定的机器，其膨胀比一定，当流体介质的进口压力恒定则排出压力一定。3 技技术术特点特点螺杆膨胀动力机是利用流体在阴阳螺杆间膨胀作功, 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仅为一对螺杆和铸钢外壳，其结构形式还是
4、非常简单的。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，无其它能量损失，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。图（二）为每吨饱和蒸汽的发电功率 图 （二）每吨饱和蒸汽的发电功率曲线；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、噪声低的目的和效果； 3)螺杆粗大结实、机组转速低（3000RPM），机组除轴承密封件易损外，无其它磨损件，安全可靠，使用寿命长； 4)螺杆膨胀动力机起动力矩大，作为原动机可直接驱动风机、水泵、压缩机，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
5、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，为此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 的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；7)采用微机电液调速及保安装置，机组起动及带负荷操作简单，可实现全自动无人管理；1834 应应用范用范围围及方式及方式螺杆膨胀动力机可利用蒸汽、高温热水、汽液两相流体等介质为动力，将热能转换为动力并驱动发电机、风机、水泵、球磨机等机械设备，能替代汽轮机、电动机。在大中型铜冶炼厂，因熔炼及电解工艺过程需用压力为 0.8 MPa0.15 MPa低压
6、饱和蒸汽作为热源来保温或加热工艺介质，为此，除设有余热锅炉外通常还需建较大规模的低压工业锅炉房。而锅炉单机出力6t/h 时，其额定工作压力均1.27MPa，所以大中型铜冶炼厂的低压工业锅炉房锅炉的额定工作压力均1.27MPa。表 1 为贵溪冶炼厂及金隆公司生产、生活用饱和蒸汽参数及消耗量表，其锅炉房锅炉额定工作压力分别为 1.27MPa 和 1.57MPa，从锅炉房到用汽工段的蒸汽管网压力损失约 0.3 MPa 左右。表 1 冶炼厂生产、生活用饱和蒸汽参数及消耗量表贵溪冶炼厂（20104t 电铜/a）金隆公司（15104t 电铜/a）序号用汽工段蒸汽压力（MPa）蒸汽消耗（kg/h）蒸汽压力（
7、MPa）蒸汽消耗（kg/h）使用制度1熔炼工段0.837300.8600连续2电解工段0.3160000.1513000连续3净液工段0.3200000.154800连续4重油卸车0.847000.58000间断5重油加热0.818000.52500连续6干燥、收尘0.428000.30.62100连续7硫酸系统0.48000.6500间断8阳极泥处理0.37500连续9氧化砷工段0.82770间断10砷酸铜0.42200连续11维修中心0.43000连续12制氧站0.730000.81500间断13生活、采暖0.467000.32000间断14锅炉房0.2115000.25500连续由表 1
8、 可知，生产、生活用蒸汽压力在 0.5 MPa0.15 MPa 的用量占工厂蒸汽 总用量的 80%以上， 这些蒸汽有 1.4 MPa0.5 MPa 的差压，若采用减压方式降低 蒸汽压力以满足工艺用汽参数的要求,其绝热节流过程是高品质的蒸汽变成低品 质的蒸汽的过程,也是能量的白白损耗过程。而采用螺杆膨胀动力机来回收这部分184差压能量，实现热动热电联产，则可降低企业能耗，提高企业能源的综合利用率和 经济效益。表 2 为利用螺杆膨胀动力机可回收的能量。表 2 贵溪冶炼厂、金隆公司各工段可回收的蒸汽差压能量 贵溪冶炼厂（20104t 电铜/a）金隆公司（15104t 电铜/a）序号用汽工段压差 （M
9、Pa）可回收能量（kW）压差（MPa）可回收能量（kW）工作制度1熔炼工段0.246.60.510连续2电解工段0.75201.1609.7连续3净液工段0.76501.1225.1连续4重油卸车0.258.70.8251.2间断5重油加热0.222.50.878.5连续6干燥、收尘0.6700.865.9连续7硫酸系统0.6200.917.2间断8阳极泥处理0.724.4连续9氧化砷工段0.234.7间断10砷酸铜0.656.1连续11维修中心0.675.6连续12制氧站0.341.70.524.8间断13生活、采暖0.6168.81.083间断14锅炉房1.1557.81.4298.1连续
10、15合计2346.91663.5各工段的差压蒸汽能量是否回收、如何回收、在何处回收、回收后如何利用，应 根据工艺用汽制度、用汽量波动程度、该工段动力设备负荷及动力设备负荷与工 艺用汽的匹配性，并经技术经济分析比较后才能确定。但下列因素必须考虑： 1）由于螺杆加工精度要求高，当回收能量小于 100kW 时，受加工技术及加 工设备的影响，回收设备的单位功率投资较高，故不宜采用螺杆膨胀动 力机；2）对间断用汽的工段，若间断不频繁且工艺用汽中断期间锅炉或蒸汽管网 仍可向螺杆膨胀动力机供汽，则可回收蒸汽差压能量；若间断频繁，在工 艺用汽中断期间大量放空背压蒸汽既造成能源的浪费还产生噪声污染或 在工艺用汽
11、中断期间停止向螺杆膨胀动力机供汽，使机组处在频繁的冷 热交替状态，既影响机组寿命也不利于回收能量的应用； 3）螺杆膨胀动力机回收的能量既可用于拖动转动设备也可用于拖动发电机 发电，若用于拖动转动设备，则被拖动设备应在用汽设备附近且运行制185度、功率、负荷变化规律与用汽设备运行制度、可回收功率、负荷变化规 律匹配一致；由于，螺杆膨胀动力机具有良好的负荷及介质品质适应性， 回收的能量用于拖动发电机发电时，发出的电能与厂区电网并网，实现 热电联产； 4）螺杆膨胀动力机是设置在用汽工段还是设置在锅炉房，要根据工厂的供汽方式（单母管制或多母管制或多管制）、总图布置（包括输送距离、同参 数用汽工段间距等
12、）、管理方式、工程投资等因素而定。集中设置在锅炉 房可减少机组台数，减少单位功率设备投资，便于集中维护和管理，但背 压蒸汽压力较低，密度减小，则输送管道管径增大，管网输送系统投资增 加；机组分设在各工段，其优点与缺点正与前者相反。为此，具体情况， 具体分析是解决机组配置的唯一正确方法； 5）当可利用的蒸汽差压大于 1.0MPa，应采用多级螺杆膨胀动力机串联工作， 使每级动力机的蒸汽差压1.0MPa。5 应应用用实实例及效益分析例及效益分析 福建上杭紫金山铜矿是我院承接的集采矿、选矿、湿法冶金与一体的综合性 工程，其电积工段需用低压饱和蒸汽间接加热电解液，表 3 是紫金山铜矿生产用 蒸汽参数及消
13、耗量。表 3 生产用蒸汽参数及消耗量饱和蒸汽参数蒸汽消耗（kg/h）序 号用汽工段用汽设备蒸汽压力（MPa）平均最大年消量（t/a）回水量（kg/h）使用制度1电积工段板式换热器0.288001000070000无连续2锅炉房热力除氧器0.217602000140002000连续经设计计算，选 1.27MPa、6.0t/h 燃煤链条炉排锅炉三台，燃用二类无烟煤。锅 炉按额定压力运行，管网蒸汽压力损失控制在 0.2MPa 范围内，为此低压蒸汽有 近 0.9MPa 的差压能量可回收利用。因锅炉房及电积工段无可匹配的动力设备，故 采用螺杆膨胀动力机回收的能量用于发电的工艺路线，实现低压蒸汽热电联产，
14、 是唯一可行的方案。 螺杆膨胀发电机组设计参数： 进汽压力 P1=1.37MPa(A) 排汽压力 P2=0.5MPa(A) 蒸汽 流量 Q=12000kg/h 进蒸汽焓 h0=2790kj/kg 排蒸汽焓 hct=2600kj/kg 机组186内效率 i=0.65机组机械效率 m=0.95 蒸汽总量 Qm=84000t/a 螺杆膨胀动力机轴输出功率为： N=Qim ( h0-hct)/(4.186860)=120000.650.96(2790-2600)/ (4.186860)=391kW 螺杆膨胀发电机组技术参数：N=400kW V=400V f=50Hz n=3000rpm 螺杆膨胀发电机
15、组年发电量： M = Qmim ( h0-hct)/(4.186860) =840001030.650.96(2790-2600)/ (4.186860)=2737000kW.h 工艺流程： 锅炉产生的 1.27MPa 饱和蒸汽，通过蒸汽母管至前置汽水分离器，干蒸汽出 分离器经主蒸汽调节阀直接进入螺杆膨胀动力机，膨胀做功后的 0.4MPa 背压湿 蒸汽出螺杆膨胀动力机即进入后置汽水分离器，将汽水分离，干蒸汽至分汽缸，冷 凝水则至回收装置回收。为确保工艺流程可靠，在螺杆膨胀动力机进出口处设有 旁通减压装置，作为备用蒸汽的通道，详细流程见图 3。187设备配置： 因本工程配套的锅炉只为电积工段供热
16、，所以在总图布置上可将锅炉房配置在电积工段附近，供汽管道较短，为便于管理将螺杆膨胀动力发电机组设在锅炉 房的单独房间内，发电机房为 66m。 经济效益： 采用螺杆膨胀动力发电机取代常规流程中的减压阀，每年能回收2737000kW.h 电能，按每度电 0.4 元计，每年可减少矿山电费支出 109.48 万元，而 一套用 400kW 螺杆膨胀动力发电机组的设备购置费、土建工程、安装工程费约 180 万元左右，即两年内可回收投资。 节能效益： 按福建省 2001 年供电平均煤耗 370g/kW.h 计，年能回收 2737000kW.h 电能 则相当于节约标煤 1012.7t/a。 目前，我院已按低压蒸汽热电联产方案编制完成
