1、目錄一、 螺桿膨脹機(jī)的背景及意義. 21、應(yīng)用背景. 22、技術(shù)背景. 23、推廣意義. 3二、 工作原理及特點(diǎn). 41、概述. 42、工作原理. 43、技術(shù)特點(diǎn). 54、低溫螺桿膨脹發(fā)電熱力循環(huán)性能. 6三、 螺桿膨脹機(jī)工作過程的理論基礎(chǔ). 71、實(shí)際氣體狀態(tài)方程式. 72實(shí)際氣體的絕熱等熵膨脹過程. 73際氣體的絕熱非等熵膨脹過程. 84熱力學(xué)第一定律方程式. 95伯努利通用方程式. 106工作過程在圖形上的表示. 11四、 螺桿膨脹機(jī)的損失、效率及功率. 131泄漏損失. 132流動(dòng)損失. 143等熵效率、制冷量與機(jī)械功. 16五、螺桿膨脹機(jī)在電力行業(yè)的應(yīng)用. 201、熱電廠的應(yīng)用. 2

2、0（一）概述. 20（二）蒸汽壓差螺桿膨脹機(jī)發(fā)電原理. 20（三）蒸汽壓差螺桿膨脹機(jī)發(fā)電經(jīng)濟(jì)分析. 21（四）應(yīng)用案例. 242、凝汽式火力發(fā)電廠. 28（一）連續(xù)排污水的回收利用. 28（二）電廠減溫減壓閥節(jié)流損失的回收利用. 32六、 螺桿膨脹機(jī)在石油化工行業(yè)的應(yīng)用. 331、 煉油廠余熱回收的應(yīng)用. 332、 黃磷廠余熱回收的應(yīng)用. 343、 堿廠余熱回收的應(yīng)用. 35七、 螺桿膨脹機(jī)在冶金鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用. 371、在冶煉廠的應(yīng)用范圍及方式. 372、在冶煉廠的應(yīng)用實(shí)例及效益分析. 393、回收加熱爐驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī). 414、回收轉(zhuǎn)爐驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī). 435、余熱蒸汽的回收利用. 436、工業(yè)熱

3、水（60以上）發(fā)電的利用. 457、鋼鐵工業(yè)輻射熱發(fā)電的利用. 48八、 螺桿膨脹機(jī)在造紙印染行業(yè)的應(yīng)用. 50九、 螺桿膨脹機(jī)在食品醫(yī)藥行業(yè)的應(yīng)用. 52十、 螺桿膨脹機(jī)在建材行業(yè)的應(yīng)用. 531、螺桿膨脹機(jī)回收水泥廠蒸汽的應(yīng)用. 532、利用玻璃行業(yè)的飽和蒸汽發(fā)電. 54十一、 螺桿膨脹機(jī)在地?zé)岷吞?yáng)能發(fā)電中的應(yīng)用. 551、地?zé)岚l(fā)電的應(yīng)用. 552、太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用. 58十二、 螺桿膨脹機(jī)產(chǎn)品. 601、產(chǎn)品概述. 602、工作過程. 603、主要設(shè)備及運(yùn)行管理. 604、主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及條件. 625、產(chǎn)品特性與水平. 626、產(chǎn)品規(guī)格系列. 62螺桿膨脹機(jī)的背景及意義1、應(yīng)用背景

4、我國(guó)的一次能源資源現(xiàn)狀不容樂觀，煤炭資源儲(chǔ)量雖然世界排名第二（美國(guó)第一，是我國(guó)儲(chǔ)量的一倍），但我國(guó)可開采的煤炭資源不足百年時(shí)間，遠(yuǎn)少于世界前六位儲(chǔ)煤量國(guó)家；我國(guó)的石油和天然氣資源也僅夠開采幾十年，世界范圍內(nèi)的石油資源開采也可能在本世紀(jì)內(nèi)短缺。過去二十年我國(guó)的能源消耗量迅猛增長(zhǎng)，1 9 9 3 年我國(guó)作為能源凈進(jìn)口國(guó)以后，能源缺口越來越大，隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的日益擴(kuò)大，能源需求迅猛增加。然而，我國(guó)的能源利用率水平卻十分低下，按照單位能耗創(chuàng)產(chǎn)值來看，我國(guó)的能耗指標(biāo)是全世界平均水平的5 倍；是日本能耗的1 5 . 5 倍；連印度這樣的人口大國(guó)，我國(guó)的能耗也是她的2 倍。這種驚人浪費(fèi)能源的狀況，導(dǎo)致掠奪性能

5、源資源的巨量消耗，其結(jié)果將對(duì)我國(guó)環(huán)境和生態(tài)造成永久性的沖擊，可能成為我國(guó)下一代或者下幾代的沉重負(fù)擔(dān)。所以，解決我國(guó)能源短缺和能源結(jié)構(gòu)的問題，已經(jīng)成為影響我國(guó)可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全的戰(zhàn)略性大問題。我國(guó)政府非常清楚所面臨的能源發(fā)展?fàn)顩r，從八十年代開始，就制定了“能源開發(fā)與節(jié)約并重，節(jié)約優(yōu)先”的政策，大力扶持和開發(fā)世界上的第五大能源 “節(jié)能”技術(shù)，并制定了節(jié)能法。從第五大能源的資源來看，高品位能源的浪費(fèi)是有限的，因?yàn)橥ㄟ^現(xiàn)有的技術(shù)都可以較好地回收和利用；大量浪費(fèi)的是低品位能源低溫、低壓、污染的、不穩(wěn)定的熱能，占到總浪費(fèi)能源的7 0 8 0 ，甚至更多。如何高效回收低品位能源并轉(zhuǎn)化成高品位能源( 如電能

6、) ，是擺在全世界能源專家前面的一項(xiàng)很大的技術(shù)難題。2、技術(shù)背景現(xiàn)有的將熱能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能或者電能的動(dòng)力機(jī)，主要有燃燒油、氣的燃燒動(dòng)力機(jī)（汽油機(jī)、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)）和利用蒸汽沖轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)。低品位能源一般都以蒸汽、汽水混合物、熱水等形態(tài)存在，或者其他形態(tài)通過換熱器轉(zhuǎn)換成這種形態(tài)存在，因而回收低品位能源的設(shè)備主要以汽輪機(jī)為主。根據(jù)汽輪機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，它只能適用于過熱蒸汽、干凈蒸汽而且蒸汽流量和參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定的熱源情況，設(shè)備要求的人員技術(shù)水平和維護(hù)條件都很高。這種技術(shù)特點(diǎn)，使得汽輪機(jī)大多適合于帶基本負(fù)荷的發(fā)電企業(yè)，無法應(yīng)用在現(xiàn)有工業(yè)大量低品位余熱廢熱的回收利用中。為解決這個(gè)技術(shù)難題，全世界許多能源工作者付

7、出大量心血，積極開發(fā)新型的低品位熱能動(dòng)力機(jī)，希望不僅能回收各種復(fù)雜的低品位浪費(fèi)的熱能，而且效率高、安全可靠、容易施工和運(yùn)行操作，在許多能源技術(shù)相對(duì)薄弱的用戶企業(yè)也可以應(yīng)用推廣的熱動(dòng)力機(jī)。螺桿膨脹機(jī)就是這樣一種低品位熱能動(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)具有三個(gè)非常重要的技術(shù)特點(diǎn)：熱源適應(yīng)范圍非常寬廣：可以適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水混合物、熱水和高含鹽份的各種低品位熱源的熱電轉(zhuǎn)換，屬于國(guó)際上唯一具備如此優(yōu)點(diǎn)的熱動(dòng)力機(jī)。變工況能力十分優(yōu)越：在熱源負(fù)荷和參數(shù)大范圍（從1 2 0 到1 0 范圍）變化波動(dòng)的情況下，不僅運(yùn)行穩(wěn)定可

8、靠，而且高效平穩(wěn)。維護(hù)費(fèi)用和使用技術(shù)門檻很低：屬于十年無大修的動(dòng)力機(jī)，小修維護(hù)和運(yùn)行操作都簡(jiǎn)單方便，對(duì)用戶原系統(tǒng)不產(chǎn)生干擾影響，安裝和移動(dòng)十分簡(jiǎn)易。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)際上最高水平1 5 0 0 KW（國(guó)際上同時(shí)開發(fā)的國(guó)家：日本投用的單機(jī)產(chǎn)品功率為1 0 2 KW；美國(guó)投試的樣機(jī)功率1 0 0 0 KW），并經(jīng)過了長(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。3、推廣意義根據(jù)國(guó)家原經(jīng)貿(mào)委統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，在我國(guó)輕工等行業(yè)有工業(yè)鍋爐超過5 0 萬臺(tái)，利用螺桿膨脹機(jī)可以回收許多工業(yè)鍋爐的蒸汽壓差損失，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)合理利用，按照平均每臺(tái)1

9、 0 0 KW電能的回收水平，可以為國(guó)家?guī)韮蓚€(gè)三峽的發(fā)電能量，其戰(zhàn)略意義和經(jīng)濟(jì)意義是不言而喻的。在實(shí)際工業(yè)中不少工業(yè)鍋爐的蒸汽利用效率低，有些不穩(wěn)定蒸汽甚至排空浪費(fèi)，所以實(shí)際回收的電能量將更為豐厚。在石油化工行業(yè)，因?yàn)楣に囘^程中伴隨有大量的蒸汽，也產(chǎn)生大量的廢熱液，這些廢棄排放掉的熱源都可以利用螺桿膨脹機(jī)來回收發(fā)電。根據(jù)我們調(diào)研的數(shù)據(jù)，若在石油化工企業(yè)投用2 0 0 0 個(gè)5 0 0 KW規(guī)模的螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組，即可以為石油化工企業(yè)多產(chǎn)生1 0 0 0 MW的電能，而投資成本只有同規(guī)?；痣姀S的一半，每年可以為國(guó)家節(jié)省3 0 0 萬噸煤炭資源，相當(dāng)于一個(gè)中型煤礦的年產(chǎn)煤量，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)

10、環(huán)保效益是十分巨大的。對(duì)于我國(guó)如此龐大的石油化工企業(yè)，應(yīng)用螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)可以節(jié)約產(chǎn)生許多個(gè)1 0 0 0 MW電能的發(fā)電電源，是實(shí)實(shí)在在的高效節(jié)能的環(huán)保產(chǎn)品。同樣在冶金和鋼鐵企業(yè)，僅回收鋼鐵企業(yè)的沖渣廢熱水（8 0 - 9 0 ）一項(xiàng)，就可以為每個(gè)企業(yè)帶來2 MW到5 MW的電能，對(duì)于世界最大鋼鐵產(chǎn)量的我國(guó)來說，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是不可估量的。另外，鋼鐵企業(yè)的廢棄蒸汽也很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于沖渣廢熱水廢棄的能量，因而回收能源的空間總量將是非常巨大的。在電力企業(yè)尤其在熱電聯(lián)產(chǎn)企業(yè)，有許多減溫減壓蒸汽節(jié)流損失的能量回收和排放的廢熱（如連排水排放）的能量回收，可以應(yīng)用螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)來拖動(dòng)負(fù)載（或者發(fā)電）從

11、而有效降低廠用電率。例如，對(duì)冬天供暖的熱電廠，一般用高品位蒸汽來加熱低品位的供暖熱水，造成極大的能源品質(zhì)的浪費(fèi)；若將加熱蒸汽先通過螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電（或者拖動(dòng)負(fù)載），然后再加熱供暖熱水，可以大幅度降低廠用電量，發(fā)電成本僅為原電廠成本的1 / 3 1 / 5 。在地?zé)岚l(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電方面，螺桿膨脹機(jī)提供了一種非常好的能量轉(zhuǎn)換途徑。地?zé)崴梢灾苯舆M(jìn)入螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，省除了地?zé)崴Y(jié)垢腐蝕帶來系統(tǒng)龐大投資和維護(hù)的問題，前景廣泛。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)由于螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)的誕生而重現(xiàn)活力，原來的太陽(yáng)能發(fā)電主要采取光電轉(zhuǎn)換技術(shù)，存在成本很高和長(zhǎng)期可靠等問題；現(xiàn)在利用普通太陽(yáng)能板吸收能量再通過螺桿膨脹動(dòng)

12、力機(jī)發(fā)電，系統(tǒng)簡(jiǎn)單而且造價(jià)大幅度降低，具有非常大的應(yīng)用前景。在其他的行業(yè)，包括建材水泥、造紙印染、紡織、糖業(yè)食品、酒業(yè)、藥廠等等領(lǐng)域，螺桿膨脹機(jī)都具有非常好的應(yīng)用前景。綜上所述，螺桿膨脹機(jī)的應(yīng)用范圍非常廣泛，推廣螺桿膨脹機(jī)對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和能源戰(zhàn)略產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，可以將我國(guó)能源的利用效率提高到一個(gè)全新水平，對(duì)我國(guó)資源循環(huán)節(jié)約和環(huán)境保護(hù)都將產(chǎn)生積極的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義。一、 工作原理及特點(diǎn)1、概述膨脹機(jī)是一種靠氣體膨脹消耗內(nèi)能對(duì)外作功的機(jī)械，如汽輪機(jī)（透平）、燃?xì)廨啓C(jī)、螺桿機(jī)、活塞機(jī)等。膨脹機(jī)按能量轉(zhuǎn)換方式不同，分為速度式和容積式二大類。速度式膨脹機(jī)適用于熱源品質(zhì)高、負(fù)荷穩(wěn)定、大流量的場(chǎng)合，如汽

13、輪機(jī)（透平）、燃?xì)廨啓C(jī)等。而容積式膨脹機(jī)適用于熱源品位低，流量小、負(fù)荷變化大的場(chǎng)合，如螺桿膨脹機(jī)。與汽輪機(jī)相比較，造價(jià)低,適應(yīng)性強(qiáng)，能適應(yīng)各種工質(zhì)，如過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體和熱水（包括高鹽分熱水）工質(zhì)。2、工作原理螺桿膨脹機(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?；窘Y(jié)構(gòu)如圖 2一l 所示，其氣缸呈兩圓相交的“”字形，兩根按一定傳動(dòng)比反

14、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)工作過程如圖 22 所示：螺桿膨脹機(jī)系容積式膨脹機(jī)械，其運(yùn)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(jī)機(jī)體兩端，分別開設(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)。（1）吸氣過程(圖22 a)：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，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，

15、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)齒間容積的吸氣過程也就結(jié)束，膨脹過程開始(圖22 b)。（2）膨脹過程(圖22 c)：在吸氣過程結(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)螺桿齒問容積中離開時(shí)，這時(shí)陰、陽(yáng)齒間容積值選最大直，膨脹結(jié)束，排氣開始。（3）排氣過程(圖22d)；當(dāng)膨脹結(jié)束時(shí)，齒間容積與排氣孔口接通，隨著轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)。兩個(gè)齒間

16、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(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)過程是周而復(fù)始的，所以機(jī)器便不停地旋轉(zhuǎn)。3、技術(shù)特點(diǎn)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。它是一種容積式的全流動(dòng)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)；無級(jí)調(diào)速，轉(zhuǎn)速一般設(shè)計(jì)為（15003000）r/min，相比同功率汽輪機(jī)，有較高的內(nèi)效率，一般在65%以上；在熱源參

17、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；單機(jī)功率在（501500）Kw；設(shè)備緊湊，占地少，工程施工量?。徊僮鞣奖?，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)；起動(dòng)不需要盤車、暖機(jī)。噪音低、平穩(wěn)、安全、可靠，全自動(dòng)無人值守運(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

18、外，無其它磨損件，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??；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)無人管理。 與其他膨脹機(jī)比較，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

19、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)。4、低溫螺桿膨脹發(fā)電熱力循環(huán)性能二、 螺桿膨脹機(jī)工作過程的理論基礎(chǔ)1、實(shí)際氣體狀態(tài)方程式在膨脹機(jī)中工作的介質(zhì)大多數(shù)是雙原子或單原子氣體，它們?cè)诔貐^(qū)與理想氣體比較

20、接近在常溫區(qū)膨脹時(shí)可利用理想氣體的狀態(tài)方程式進(jìn)行計(jì)算：Pv=RT （3-1）但是，隨著膨脹溫度的下降，介質(zhì)會(huì)逐漸偏離理想氣體，比如在膨脹機(jī)出口可能接近冷凝溫度。這樣，在計(jì)算時(shí)必須考慮實(shí)際氣體的影響。比較方便的一種方法，是利用氣體壓縮性系數(shù)Z來修正理想氣體狀態(tài)方程式的實(shí)際氣體方程式：Pv=ZRT （3-2）壓縮性系數(shù)Z可從有關(guān)資料查得。為了獲取更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，尤其是在多組分氣體混合物的情況下，還需采用多項(xiàng)修正的實(shí)際氣體狀態(tài)方程式。這類方程式的形式很多，這里不作贅述。2實(shí)際氣體的絕熱等熵膨脹過程若把螺桿膨脹機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，視為具有良好絕熱，又沒有內(nèi)部損失的情況，則氣體的膨脹過程可以按絕熱等熵過程來考慮

21、。因此絕熱等熵過程是螺桿膨脹機(jī)的理想過程。在焓熵圖上是平行于縱直標(biāo)的等熵線12 S，如圖31所示。由熱力學(xué)可知3實(shí)際氣體的絕熱非等熵膨脹過程氣體在膨脹機(jī)中流動(dòng)存在著壁面摩擦、渦流、沖擊等流動(dòng)損失，使氣體實(shí)際膨脹過程偏離了等熵線l一2 S ，成為不可逆的非等熵程l一2如圖3 2所示。4熱力學(xué)第一定律方程式熱力學(xué)第一定律方程式實(shí)質(zhì)上是氣體微團(tuán)的能量守恒方程式，它與能量方程式一起，可用來確定氣流的參數(shù)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律dq=di-vdp (3 7 )對(duì)于螺桿膨脹機(jī)，從進(jìn)口截面1l到出口截面22將式(37)積分求得。5伯努利通用方程式伯努利通用方程式可看作是機(jī)械功形式的能量守恒方程式，應(yīng)用到螺桿膨機(jī)

22、上具有如下形式。6工作過程在圖形上的表示螺桿膨脹機(jī)的陽(yáng)轉(zhuǎn)子(或陰轉(zhuǎn)子)的每個(gè)運(yùn)動(dòng)周期(例如旋轉(zhuǎn)一周)。分別有若干相同的工作容積(容積數(shù)等于陽(yáng)轉(zhuǎn)子齒數(shù))依次進(jìn)行相同的工作過程。因此，在討論螺桿膨脹機(jī)的工作過程時(shí)，只需討論其中一個(gè)與陰轉(zhuǎn)子齒間槽形成的容積對(duì)的一個(gè)工作容積的全過程，就能完全了解整個(gè)機(jī)器的工作，這一工作容積稱為基元容積。現(xiàn)設(shè)陽(yáng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，基元容積完成膨脹機(jī)的一個(gè)工作循環(huán)，因此，可以認(rèn)為基元容積的容積值是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角參數(shù)的函數(shù)。圖3 3中橫坐標(biāo)表示陽(yáng)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角參數(shù)，它從陽(yáng)轉(zhuǎn)子的吸氣位置開始算起。即以基元容積最小值的位置作為起始角(= 0)?？v坐標(biāo)表示基元容積在相應(yīng)轉(zhuǎn)角下的容積值。陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子

23、嚙合期，進(jìn)、排氣容積變化是非線性的，在陽(yáng)轉(zhuǎn)子扭轉(zhuǎn)角小于240的情況下，可 認(rèn)為轉(zhuǎn)子不嚙合時(shí)的最大齒間容積等于完全膨脹容積。理想螺桿膨脹機(jī)是無泄漏，無流動(dòng)損失和熱交換的絕熱等熵膨脹機(jī)，它的pV圖如圖3一4所示。圖中齒間容積對(duì)下標(biāo)表示：1 進(jìn)氣過程結(jié)束2 膨脹過程結(jié)束當(dāng)供給一個(gè)容積V1，由進(jìn)氣壓力pl絕熱等熵膨脹到排氣壓力p2的氣體，可回收的可用功為圖中斜線陰影部份面積相應(yīng)著該可用功Lad。三、 螺桿膨脹機(jī)的損失、效率及功率1泄漏損失氣體泄漏損失可分為內(nèi)泄漏和外泄漏兩類，內(nèi)泄漏影響氣體從缸體排出時(shí)的焓值，因而影響實(shí)際有效焓降；外泄漏不影響出口焓值，但是使進(jìn)螺桿膨脹機(jī)齒間容積對(duì)進(jìn)氣量的減少。因而影響

24、總的回收功和制冷量。內(nèi)泄漏產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子進(jìn)氣端端面。陰陽(yáng)螺桿接觸線以及齒頂?shù)忍幍拈g隙中。在間隙前后由于P1 P2，使焓值較高的氣體泄漏到膨脹后低焓值的排氣主氣流里，即提高了排氣主氣流的焓值。從而降低了機(jī)器效率?？紤]流動(dòng)損失和泄漏損失的i-S圖，如圖41所示。2流動(dòng)損失3等熵效率、制冷量與機(jī)械功五、螺桿膨脹機(jī)在電力行業(yè)的應(yīng)用1、熱電廠的應(yīng)用（一）概述在我國(guó)共有熱電廠2 0 0 0 多家，熱電廠機(jī)組發(fā)電容量從 1 . 5 MW - 2 0 0 MW, 鍋爐從中低壓至超高壓。大部分熱電廠都是通過汽機(jī)抽汽供熱或者背壓排汽供熱，滿足熱用戶的供熱要求。熱電廠由于機(jī)組偏小，廠用電率比較高；有的熱電廠考慮環(huán)保要求

25、采用循環(huán)流化床鍋爐后廠用電率更高；有時(shí)實(shí)現(xiàn)用戶供熱也消耗較高的廠用電（如冬天供暖熱水泵）；因此，如何有效降低熱電廠的廠用電率，對(duì)企業(yè)經(jīng)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)效益十分重要。熱電聯(lián)產(chǎn)具有節(jié)約能源、改善環(huán)境污染、提高供熱質(zhì)量、增加電力供應(yīng)等綜合效益。但是為了滿足不同熱用戶的需要,區(qū)域性熱電廠供汽干網(wǎng)一般為1 MPa 左右或更高壓力向用戶輸送蒸汽(例如天津一熱輸汽壓力為11. 2 MPa) ,而大部分熱用戶因工藝要求不同,一般使用壓力僅為0. 10. 5 MPa 范圍內(nèi)。為了滿足工藝的要求,用戶一般采用降溫減壓閥將熱電廠供汽壓力降至用汽設(shè)備所需要的使用壓力,蒸汽節(jié)流降壓將造成很大的能量損失,利用螺桿膨脹機(jī)余壓發(fā)電或

26、直接拖動(dòng)水泵、風(fēng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械既可有效地克服這種節(jié)流損失,又可使蒸汽按品位梯度使用,達(dá)到節(jié)約能源的目的。（二）蒸汽壓差螺桿膨脹機(jī)發(fā)電原理(1) 螺桿膨脹機(jī)基本上相當(dāng)螺桿壓縮機(jī)的倒置,它是由一對(duì)相向轉(zhuǎn)動(dòng)的螺桿轉(zhuǎn)子組成。蒸汽壓差螺桿膨脹機(jī)發(fā)電熱力系統(tǒng)見圖5-1。從圖中可以看出,蒸汽進(jìn)入螺桿膨脹機(jī)發(fā)電或拖動(dòng)水泵等設(shè)備膨脹作功降壓后,蒸汽進(jìn)入低壓分汽缸送至工藝設(shè)備使用。熱用戶僅將減壓閥改作系統(tǒng)旁路備用。(2) 為保證螺桿膨脹機(jī)發(fā)電穩(wěn)定,機(jī)組采用性能可靠的機(jī)械液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)來控制螺桿機(jī)的轉(zhuǎn)速,其工作原理如圖5-2 所示,當(dāng)熱電廠供汽干管的蒸汽壓力變化或者熱用戶用汽量的變化引起發(fā)電負(fù)荷的增加或減少時(shí),螺桿膨脹

27、機(jī)可通過調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié),使機(jī)組轉(zhuǎn)速維持不變,從而保證機(jī)組發(fā)電380 V 周波和50 Hz 頻率始終衡定。圖5-1 蒸汽壓差螺桿膨脹機(jī)熱力系統(tǒng)圖5-2 調(diào)速系統(tǒng)原理圖(3) 與小型汽輪機(jī)相比,螺桿膨脹機(jī)發(fā)電的特點(diǎn)為: 螺桿膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理不同于汽輪機(jī),由于螺桿發(fā)電機(jī)配有完善的自控裝置,對(duì)運(yùn)行工質(zhì)的品位要求不苛刻,對(duì)工質(zhì)參數(shù)及負(fù)荷變化不敏感,不管蒸汽流量和壓力怎樣改變,都能保證發(fā)出電量的品質(zhì)不變。它可以直接利用飽和蒸汽,濕蒸汽,甚至熱水,機(jī)器本身有除垢自潔能力,剩余污垢反而會(huì)使螺桿齒間嚙合更好,增加密封性,有利于提高效率。蒸汽壓差螺桿膨脹機(jī)應(yīng)用范圍廣,它既可為用汽單位發(fā)電,又可代替電動(dòng)機(jī)直接拖

28、動(dòng)風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等動(dòng)力設(shè)備。可廣泛用于熱電廠或鍋爐房集中供熱中發(fā)電或熱電冷全能量聯(lián)合利用。螺桿膨脹機(jī)與小型汽輪機(jī)相比,發(fā)電量在100500kW的情況下,效率高于同功率的汽輪機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明,最小功率的螺桿機(jī)發(fā)電的內(nèi)效率可達(dá)到70 %80 % ,基本相當(dāng)于較大型汽輪機(jī)的效率水平。蒸汽壓差螺桿膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,零部件少,占地面積小,除軸承外無磨擦部件,振動(dòng)小,經(jīng)久耐用,運(yùn)行平穩(wěn)可靠,操作維修方便,且噪音比螺桿壓縮機(jī)小。（三）蒸汽壓差螺桿膨脹機(jī)發(fā)電經(jīng)濟(jì)分析、工藝參數(shù)國(guó)外5001 000 kW的螺桿發(fā)電機(jī)設(shè)備早已見諸有關(guān)資料,例如日本小型空氣螺桿機(jī)的效率為70%73 % ,美國(guó)較大型螺桿膨脹機(jī)發(fā)電效

29、率達(dá)84%。國(guó)內(nèi)對(duì)螺桿機(jī)發(fā)電已比較成熟。圖5-3 為國(guó)產(chǎn)螺桿機(jī)的發(fā)電性能曲線。表1 為螺桿膨脹機(jī)蒸汽進(jìn)、出口參數(shù)。圖5-3 螺桿機(jī)壓差發(fā)電性能曲線(p2 = 0. 3 MPa)、螺桿膨脹機(jī)組效率螺桿膨脹機(jī)機(jī)組效率見表2。、螺桿膨脹機(jī)發(fā)電的熱力計(jì)算(1) 螺桿膨脹機(jī)組發(fā)電功率W= G1 (h1 - h2 )/3 600 = 212. 8 kW(2) 螺桿膨脹機(jī)的排汽供熱量Q2 = Gh2 = 26 880 103 kJ / h(3) 不考慮節(jié)流損失減溫降壓閥節(jié)流后供熱量Q1 = Gh2 = = 27 480 103 kJ / h(4) 減壓閥與螺桿膨脹機(jī)降壓后供熱量的差值Q = Q1 - Q2

30、= 599 103 kJ / h則1 年補(bǔ)償螺桿機(jī)降壓損失需1 MPa 蒸汽量為G=QH/ h1 = 1294. 2 t/ a將以上熱力計(jì)算結(jié)果匯于表3。、螺桿膨脹機(jī)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算取電的售價(jià)為0. 45 元/ 度,蒸汽售價(jià)為50 元/t ,螺桿機(jī)機(jī)組一次性投資為60 萬元/ 臺(tái)(包括發(fā)電機(jī)組設(shè)備、管道及現(xiàn)場(chǎng)基建改造費(fèi)等) ,投資利率為12 % ,螺桿膨脹機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間為6 000 h ,采用動(dòng)態(tài)投資回收期法計(jì)算公式(1) 可計(jì)算出螺桿膨脹機(jī)發(fā)電的投資回收期。有關(guān)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見表4。動(dòng)態(tài)投資回收期計(jì)算公式: N = 式中:N 投資回收期(年) ;P 總投資(萬元) ;A 年收益(萬元) ;

31、i 年利率%。（四）應(yīng)用案例熱源參數(shù)：（1）蒸汽壓力：0.15MPa-2.5MPa汽液兩相、飽和蒸汽、過熱蒸汽（2）蒸汽壓力：低于0.15MPa汽液兩相、飽和蒸汽、過熱蒸汽應(yīng)用方案：（1）應(yīng)用方式：螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)直接拖動(dòng)（蒸汽）機(jī)組構(gòu)成：螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)（選用）冷凝裝置（選用）投資回報(bào)：1.0年3.0年（2）應(yīng)用方式：雙循環(huán)螺桿膨脹發(fā)電機(jī)組（低溫工質(zhì)）機(jī)組構(gòu)成：螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)換熱器高效冷凝裝置輔助設(shè)備投資回報(bào)：2.5年5.0年案例1：工程實(shí)例：華能北京熱電廠減壓裝置節(jié)能項(xiàng)目指標(biāo)如下：進(jìn)汽參數(shù)：1.5-1.6MPa，240排汽參數(shù)：0.8-1.0MPa，60-80t/h節(jié)電功率：125

32、0KW機(jī)型指標(biāo)：SEPG500-1250/2400-S投運(yùn)效益：年節(jié)電800-900萬Kw.h投資回報(bào)：1年半左右簡(jiǎn)易熱力系統(tǒng)圖：圖5-4 螺桿機(jī)余熱蒸汽發(fā)電熱力系統(tǒng)圖案例2：工程實(shí)例：電廠汽機(jī)抽汽 0.9Mpa ，利用螺桿膨脹機(jī)作功驅(qū)動(dòng)給水泵，作功后的排汽排到除氧器返回電廠熱力系統(tǒng)。指標(biāo)如下：螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)組型號(hào)： SEPG400-300 進(jìn)汽壓力： 0.9Mpa ， 230 排氣壓力： 0.02Mpa 蒸汽流量： 5.75t/h 發(fā)電功率： 278KW 轉(zhuǎn)速： 2500rpm 年節(jié)電量： 222 萬 kw. H簡(jiǎn)易熱力系統(tǒng)圖：目前，應(yīng)用螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)電廠給水泵已經(jīng)有多家成功范例，基本應(yīng)

33、用的熱力設(shè)計(jì)參數(shù)如下表所示：應(yīng)用方案的熱力系統(tǒng)圖如圖5-4所示圖5-8 熱電廠螺桿膨脹機(jī)驅(qū)動(dòng)給水泵案例螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)除直接驅(qū)動(dòng)給水泵外，還可以直接驅(qū)動(dòng)磨煤機(jī)、熱水泵、循環(huán)水泵等耗電負(fù)載，降低熱電廠的廠用電率（單機(jī)組3 4 ，甚至更多），經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。廣泛推廣本項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)，可以為熱電廠企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益，為國(guó)家節(jié)省大量寶貴的煤炭資源，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。2、凝汽式火力發(fā)電廠凝汽式火力發(fā)電廠（1 0 0 MW8 0 0 MW機(jī)組），螺桿膨脹機(jī)的應(yīng)用主要在如下幾個(gè)方面：（一）連續(xù)排污水的回收利用對(duì)于汽包鍋爐的發(fā)電機(jī)組，為保證汽水品質(zhì)符合電廠運(yùn)行要求，都需要進(jìn)行鍋爐汽包污水的連續(xù)排放（俗稱連排）。這部分連排水由于含鹽量高，除部分閃蒸蒸汽回到除氧器外，其余都發(fā)放到地溝損失掉了。由于螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)可以直接用熱水（包括含鹽垢的）作功發(fā)電或驅(qū)動(dòng)負(fù)載，所以，可以將電廠的連排水直接通過螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)作功，拖動(dòng)電廠電機(jī)負(fù)