1 前言
【壓縮機網】煉油運行二部ⅠⅡⅢ硫磺回收裝置溶劑再生系統(tǒng)內溶劑再生塔塔底采用釜式重沸器，熱源為系統(tǒng)1.0MPa飽和蒸汽經減溫減壓為0.35MPa的低低壓蒸汽。在1.0MPa飽和蒸汽通過減溫減壓器轉化為0.35MPa低壓蒸汽的過程，蒸汽通過節(jié)流閥節(jié)流降壓及噴入除鹽水降溫等措施，這樣造成很大的能量損失，蒸汽沒有進行合理的梯級利用，同時也不利于裝置挖潛增效。鑒于上述情況，采用以旁路形式接入螺桿膨脹動力機既可實現(xiàn)減溫減壓，又能利用原減壓閥的蒸汽壓差驅動螺桿膨脹動力機做功，帶動發(fā)電機進而進行發(fā)電，衍生節(jié)能效益。
2 螺桿膨脹機簡介
2.1 主要參數(shù)
2.2 主要結構
螺桿膨脹機主機主要由一對螺桿轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等零件組成，結構簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子，平行地置于氣缸中。螺桿膨脹機主機是按照螺桿壓縮機的逆原理來工作的，其基本結構和螺桿壓縮機相同，工作過程相反。螺桿轉子可用現(xiàn)有的螺桿壓縮機的生產技術來進行生產，但其制造工藝和控制系統(tǒng)要比螺桿壓縮機復雜的多。【1】
2.3 工作原理
蒸汽首先進入膨脹機內螺桿齒槽，推動螺桿轉動。隨著螺桿轉動，膨脹機容積不斷增大，蒸汽降壓、降溫膨脹做功，最后排出氣體，從主軸陽轉子螺桿輸出動力，驅動發(fā)電機，實現(xiàn)能量轉換做功。
螺桿膨脹機的工作周期由齒間容積中的吸氣、膨脹和排氣三個過程組成【2】：
1）吸氣過程：工作介質從進氣管中流入齒間容積A（如圖2），吸氣結束時，齒間容積A就形成了一個由轉子和機殼共同圍成的密閉空間；
2）膨脹過程：齒間容積A中的高溫高壓工質在齒間容積中有膨脹的力并對轉子施加一個轉矩，推動螺桿轉動。隨著螺桿轉動，齒槽A旋轉到B、C、D逐漸加長、容積增大，壓力和溫度下降。當氣體移到位置D時，膨脹過程結束，這時螺桿齒間容積達到最大；
3）排氣過程：有機工質隨著轉子的不斷旋轉，通過與齒間容積接通的排氣口排出，完成整個膨脹過程。
從膨脹的始點到終點，隨著膨脹過程的進行，其中氣體的壓力、溫度和焓值（蒸汽具有的做功能力）下降，比容和熵值增加，氣體的內能轉化為機械能對外做功。上述的氣體吸氣、膨脹、排氣三個過程不斷循環(huán)重復，并不斷對外做功。
一般用實際焓值降低與理想膨脹過程焓值降低（等熵焓降）的比值來衡量螺桿膨脹機主機的效率，稱為等熵效率或內效率。螺桿膨脹機的內效率與主機型線設計、加工精度、工質、工作狀態(tài)穩(wěn)定性等密切相關。
3 螺桿膨脹機組的試運行
螺桿蒸汽膨脹機組為廠家成套設備，相關儀表、控制信號通過儀表組態(tài)進入DCS系統(tǒng)，發(fā)電機為異步發(fā)電機，其發(fā)電并網過程都是自動的。機組至現(xiàn)場安裝就位、管線配管結束后，主要工作是對入口蒸汽管線的吹掃、打靶，因低壓蒸汽吹掃打靶行業(yè)內未有相關標準、規(guī)范，加之該入口段管線流程較短，故在操作中主要是參考中壓蒸汽打靶方案來執(zhí)行，管線內吹掃、打靶后狀態(tài)如圖4所示。在機組進行聯(lián)鎖調試正常后，機組達開機條件，2014年5月6日機組一次開車成功、發(fā)電并網，發(fā)電功率平均在200kW左右。
螺桿蒸汽膨脹機開機正常后各潤滑點回油正常，油溫及振動均滿足相關要求，相關參數(shù)及現(xiàn)場監(jiān)控記錄如表2。
4 機組效率核算
2014年5月6日開機正常、發(fā)電并網后出入口蒸汽及流量相關參數(shù)如下：
經查：以上兩個工況對應水蒸汽入口焓值為2929kJ/kg，出口焓值在2886.6kJ/kg，出入口焓降△H=42.4kJ/kg，若為絕熱膨脹，該工況下31.5t/h蒸汽對外做功功率為：P=△H×Q=42.4kJ/kg×31.5t/h×1000kg/t ×1h/3600s=371kW。咨詢廠家，在該工況下螺桿膨脹機內效率約為37%，因此此時膨脹機輸出軸功率為371kW×37%=137.27kW。
因背壓蒸汽至Ⅱ硫磺裝置未碰頭，機組未滿負荷運行。在此次開機工況下，全年按開機8600小時計算，工業(yè)用電價格1元/kW·h，全年回收電量所得利潤為：137.27kW××8600h×1元/kW·h=118.05萬元，項目投資約400萬（螺桿膨脹機組、項目施工及材料費用），約3.5年即能回收成本。
螺桿膨脹發(fā)電機組內效率主要影響因素有：機組的設計、機械加工精度、操作工藝及運行轉速等。但是機組在運行過程中有一定的自適應性，根據(jù)操作工藝的變化，通過不同的控制手段，如背壓控制、轉速控制、功率控制等來實現(xiàn)機組的平穩(wěn)運行。如該機組在最初設計時使用的是系統(tǒng)管網0.8MPa、200℃的過熱蒸汽，但是由于入口流程的改變，蒸汽改為Ⅲ催化富氣壓縮機背壓蒸汽，壓力0.65-0.8MPa，溫度220-240℃，有些偏移當初機組的設計工況。而且生產上考慮到螺桿蒸汽發(fā)電機組背壓蒸汽為后面再生塔等提供熱源，采用的是穩(wěn)定背壓的控制操作方式，機組發(fā)電功率會隨著入口蒸汽狀態(tài)的變化而不斷變化。
發(fā)電機組正常運行后，背壓蒸汽并入硫磺裝置減溫減壓器后，原減溫減壓器基本全關，約留1t/h的蒸汽量進行暖管，保證應急流程切換使用，溶劑再生塔處熱源供給正常，系統(tǒng)操作上各工藝指標均能滿足設計要求。
5 小結
節(jié)能減排增效是我國基本國策，特別是在當今能源危機的大背景下，如何合理利用現(xiàn)有能源，提高能源使用效率更是當務之急。用螺桿膨脹機代替減壓閥，可以將廠區(qū)蒸汽管網富裕的1.0MPa蒸汽降至裝置需要的使用壓力，余熱發(fā)電可為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經濟效益，因此具有一定的節(jié)能示范作用。該項目中的螺桿蒸汽膨脹發(fā)電機組在安裝調試結束后，一次開機成功。在實現(xiàn)原1.0MPa低壓蒸汽轉化為0.35MPa低低壓蒸汽滿足各生產需要的同時，實現(xiàn)發(fā)電并網，帶來可觀的經濟效益。
參考文獻
[1］高順慶，胡亮光；蒸汽壓差螺桿膨脹機在集中供熱中的應用 《煤氣與熱力》第20卷 第5期；
[2]米春娥；淺析螺桿膨脹機在石油化工企業(yè)的應用 《中國化工貿易》2013年6月第6期。
來源：本站原創(chuàng)
1 前言
【壓縮機網】煉油運行二部ⅠⅡⅢ硫磺回收裝置溶劑再生系統(tǒng)內溶劑再生塔塔底采用釜式重沸器，熱源為系統(tǒng)1.0MPa飽和蒸汽經減溫減壓為0.35MPa的低低壓蒸汽。在1.0MPa飽和蒸汽通過減溫減壓器轉化為0.35MPa低壓蒸汽的過程，蒸汽通過節(jié)流閥節(jié)流降壓及噴入除鹽水降溫等措施，這樣造成很大的能量損失，蒸汽沒有進行合理的梯級利用，同時也不利于裝置挖潛增效。鑒于上述情況，采用以旁路形式接入螺桿膨脹動力機既可實現(xiàn)減溫減壓，又能利用原減壓閥的蒸汽壓差驅動螺桿膨脹動力機做功，帶動發(fā)電機進而進行發(fā)電，衍生節(jié)能效益。
2 螺桿膨脹機簡介
2.1 主要參數(shù)
2.2 主要結構
螺桿膨脹機主機主要由一對螺桿轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等零件組成，結構簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子，平行地置于氣缸中。螺桿膨脹機主機是按照螺桿壓縮機的逆原理來工作的，其基本結構和螺桿壓縮機相同，工作過程相反。螺桿轉子可用現(xiàn)有的螺桿壓縮機的生產技術來進行生產，但其制造工藝和控制系統(tǒng)要比螺桿壓縮機復雜的多。【1】
2.3 工作原理
蒸汽首先進入膨脹機內螺桿齒槽，推動螺桿轉動。隨著螺桿轉動，膨脹機容積不斷增大，蒸汽降壓、降溫膨脹做功，最后排出氣體，從主軸陽轉子螺桿輸出動力，驅動發(fā)電機，實現(xiàn)能量轉換做功。
螺桿膨脹機的工作周期由齒間容積中的吸氣、膨脹和排氣三個過程組成【2】：
1）吸氣過程：工作介質從進氣管中流入齒間容積A（如圖2），吸氣結束時，齒間容積A就形成了一個由轉子和機殼共同圍成的密閉空間；
2）膨脹過程：齒間容積A中的高溫高壓工質在齒間容積中有膨脹的力并對轉子施加一個轉矩，推動螺桿轉動。隨著螺桿轉動，齒槽A旋轉到B、C、D逐漸加長、容積增大，壓力和溫度下降。當氣體移到位置D時，膨脹過程結束，這時螺桿齒間容積達到最大；
3）排氣過程：有機工質隨著轉子的不斷旋轉，通過與齒間容積接通的排氣口排出，完成整個膨脹過程。
從膨脹的始點到終點，隨著膨脹過程的進行，其中氣體的壓力、溫度和焓值（蒸汽具有的做功能力）下降，比容和熵值增加，氣體的內能轉化為機械能對外做功。上述的氣體吸氣、膨脹、排氣三個過程不斷循環(huán)重復，并不斷對外做功。
一般用實際焓值降低與理想膨脹過程焓值降低（等熵焓降）的比值來衡量螺桿膨脹機主機的效率，稱為等熵效率或內效率。螺桿膨脹機的內效率與主機型線設計、加工精度、工質、工作狀態(tài)穩(wěn)定性等密切相關。
3 螺桿膨脹機組的試運行
螺桿蒸汽膨脹機組為廠家成套設備，相關儀表、控制信號通過儀表組態(tài)進入DCS系統(tǒng)，發(fā)電機為異步發(fā)電機，其發(fā)電并網過程都是自動的。機組至現(xiàn)場安裝就位、管線配管結束后，主要工作是對入口蒸汽管線的吹掃、打靶，因低壓蒸汽吹掃打靶行業(yè)內未有相關標準、規(guī)范，加之該入口段管線流程較短，故在操作中主要是參考中壓蒸汽打靶方案來執(zhí)行，管線內吹掃、打靶后狀態(tài)如圖4所示。在機組進行聯(lián)鎖調試正常后，機組達開機條件，2014年5月6日機組一次開車成功、發(fā)電并網，發(fā)電功率平均在200kW左右。
螺桿蒸汽膨脹機開機正常后各潤滑點回油正常，油溫及振動均滿足相關要求，相關參數(shù)及現(xiàn)場監(jiān)控記錄如表2。
4 機組效率核算
2014年5月6日開機正常、發(fā)電并網后出入口蒸汽及流量相關參數(shù)如下：
經查：以上兩個工況對應水蒸汽入口焓值為2929kJ/kg，出口焓值在2886.6kJ/kg，出入口焓降△H=42.4kJ/kg，若為絕熱膨脹，該工況下31.5t/h蒸汽對外做功功率為：P=△H×Q=42.4kJ/kg×31.5t/h×1000kg/t ×1h/3600s=371kW。咨詢廠家，在該工況下螺桿膨脹機內效率約為37%，因此此時膨脹機輸出軸功率為371kW×37%=137.27kW。
因背壓蒸汽至Ⅱ硫磺裝置未碰頭，機組未滿負荷運行。在此次開機工況下，全年按開機8600小時計算，工業(yè)用電價格1元/kW·h，全年回收電量所得利潤為：137.27kW××8600h×1元/kW·h=118.05萬元，項目投資約400萬（螺桿膨脹機組、項目施工及材料費用），約3.5年即能回收成本。
螺桿膨脹發(fā)電機組內效率主要影響因素有：機組的設計、機械加工精度、操作工藝及運行轉速等。但是機組在運行過程中有一定的自適應性，根據(jù)操作工藝的變化，通過不同的控制手段，如背壓控制、轉速控制、功率控制等來實現(xiàn)機組的平穩(wěn)運行。如該機組在最初設計時使用的是系統(tǒng)管網0.8MPa、200℃的過熱蒸汽，但是由于入口流程的改變，蒸汽改為Ⅲ催化富氣壓縮機背壓蒸汽，壓力0.65-0.8MPa，溫度220-240℃，有些偏移當初機組的設計工況。而且生產上考慮到螺桿蒸汽發(fā)電機組背壓蒸汽為后面再生塔等提供熱源，采用的是穩(wěn)定背壓的控制操作方式，機組發(fā)電功率會隨著入口蒸汽狀態(tài)的變化而不斷變化。
發(fā)電機組正常運行后，背壓蒸汽并入硫磺裝置減溫減壓器后，原減溫減壓器基本全關，約留1t/h的蒸汽量進行暖管，保證應急流程切換使用，溶劑再生塔處熱源供給正常，系統(tǒng)操作上各工藝指標均能滿足設計要求。
5 小結
節(jié)能減排增效是我國基本國策，特別是在當今能源危機的大背景下，如何合理利用現(xiàn)有能源，提高能源使用效率更是當務之急。用螺桿膨脹機代替減壓閥，可以將廠區(qū)蒸汽管網富裕的1.0MPa蒸汽降至裝置需要的使用壓力，余熱發(fā)電可為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經濟效益，因此具有一定的節(jié)能示范作用。該項目中的螺桿蒸汽膨脹發(fā)電機組在安裝調試結束后，一次開機成功。在實現(xiàn)原1.0MPa低壓蒸汽轉化為0.35MPa低低壓蒸汽滿足各生產需要的同時，實現(xiàn)發(fā)電并網，帶來可觀的經濟效益。
參考文獻
[1］高順慶，胡亮光；蒸汽壓差螺桿膨脹機在集中供熱中的應用 《煤氣與熱力》第20卷 第5期；
[2]米春娥；淺析螺桿膨脹機在石油化工企業(yè)的應用 《中國化工貿易》2013年6月第6期。
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