螺桿膨脹機(jī)在石油化工裝置的節(jié)能應(yīng)用分析

雷耀彩

（中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471012）

·機(jī)械設(shè)計(jì)與制造·

螺桿膨脹機(jī)在石油化工裝置的節(jié)能應(yīng)用分析

雷耀彩

（中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽分公司，河南 洛陽 471012）

目前，大部分石油化工企業(yè)在生產(chǎn)過程中，將高壓蒸汽轉(zhuǎn)換為低壓蒸汽一般通過減溫減壓器來完成，但在這一過程中損耗了大量差壓能量，造成能源損失，不符合節(jié)能降耗綠色低碳發(fā)展要求。本文以中國(guó)石油化工股份有限公司洛陽分公司（以下簡(jiǎn)稱洛陽石化）芳烴聯(lián)合裝置為例，通過對(duì)差壓能量回收裝置-螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)的分析，提出了運(yùn)用螺桿膨脹機(jī)替代減溫減壓器的改造方案，并分析其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)和節(jié)能效益。

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)；閃蒸膨脹；差壓能量；節(jié)能

目前我國(guó)已成為世界第一大能源消耗國(guó)和二氧化碳排放國(guó)，節(jié)能工作刻不容緩。我國(guó)的主要能耗為工業(yè)能耗，約占社會(huì)總能耗的70%左右［1］。而石油化工企業(yè)既是供能大戶，也是耗能大戶，能源的梯度利用尤為重要。

洛陽石化芳烴聯(lián)合裝置加工能力為21.5萬t/年，生產(chǎn)加工過程中需要2.0MPa蒸汽為裝置提供熱源，而洛陽石化蒸汽管網(wǎng)無2.0MPa等級(jí)的蒸汽。為了滿足生產(chǎn)用蒸汽需要，目前通過蒸汽減溫減壓器將3.5MPa、380℃、流量為15t/h的高壓蒸汽，轉(zhuǎn)換為2.0MPa、215℃的低壓蒸汽供生產(chǎn)使用。目前使用的減溫減壓器具有投資少、占地面積小、運(yùn)行操作方便等優(yōu)點(diǎn)，但是長(zhǎng)期運(yùn)行沒有合理利用蒸汽熱能梯度，能源浪費(fèi)較為突出。采用減壓方式降低蒸汽壓力來滿足工藝用汽的生產(chǎn)要求，其蒸汽差壓在1.5MPa左右，每年能量損失在37.97×1012J左右，其絕熱減溫減壓過程是高品質(zhì)的蒸汽變成低品質(zhì)的蒸汽的過程，也是能量的無效損耗過程。因此各石油化工企業(yè)都在進(jìn)行這方面的探索，設(shè)法降低本企業(yè)的裝置能耗。

如何將差壓蒸汽能量有效地轉(zhuǎn)化利用，是節(jié)能降耗的重要內(nèi)容。根據(jù)上述分析，本文提出了在洛陽石化芳烴聯(lián)合裝置原減溫減壓器旁并聯(lián)一套螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組的方案，既可實(shí)現(xiàn)減溫減壓功能，又可發(fā)電增效。

1　螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)概述

1.1工作原理

螺桿膨脹機(jī)具有流量范圍寬、運(yùn)行穩(wěn)定性好、工況變化適應(yīng)性強(qiáng)、可帶液膨脹等特點(diǎn)，在工業(yè)余壓回收、制冷系統(tǒng)節(jié)能、低溫余熱回收等方面具有較好的應(yīng)用前景，已成為近年來的研究熱點(diǎn)［2］。螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)基本構(gòu)造是由一對(duì)螺旋轉(zhuǎn)子和機(jī)殼組成的動(dòng)力機(jī)。流體進(jìn)入螺桿齒槽，壓力推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽容積增加，流體降壓膨脹做功，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。具體的工作原理見圖1，蒸汽、熱液或汽液兩相流體先進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽A，推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽A旋轉(zhuǎn)到B、C、D逐漸加長(zhǎng)，容積增大，流體降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽E排出，供生產(chǎn)用熱或循環(huán)再加熱做功。功率從主軸陽螺桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、水泵或驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

圖1　螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)工作原理

1.2技術(shù)特點(diǎn)

螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)是利用流體在陰陽螺桿間膨脹做功，故對(duì)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(jī)的主要機(jī)械部件為一對(duì)螺桿和鑄鋼外殼，其結(jié)構(gòu)形式比較簡(jiǎn)單。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，無其他能量損失，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。每噸飽和蒸汽的發(fā)電功率曲線見圖2。

圖2　每噸飽和蒸汽發(fā)電功率

②主動(dòng)陽轉(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、噪聲低的效果。

③螺桿粗大結(jié)實(shí)、機(jī)組轉(zhuǎn)速低（≤3000r/min），機(jī)組除軸承密封件易損外，無其他磨損件，安全可靠，使用壽命長(zhǎng)。

④螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)啟動(dòng)力矩大，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，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等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，可以邊生產(chǎn)邊施工，適合對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)裝置進(jìn)行技術(shù)改造。

根據(jù)工質(zhì)的不同，螺桿膨脹機(jī)可分為蒸汽型和有機(jī)工質(zhì)型兩種。蒸汽型螺桿膨脹機(jī)汽源采用品質(zhì)較高的余熱蒸汽，利用蒸汽的內(nèi)能驅(qū)動(dòng)螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能［3］。本方案擬采用蒸汽型螺桿膨脹機(jī)。

2　差壓蒸汽發(fā)電工程方案

洛陽石化芳烴聯(lián)合裝置現(xiàn)有一臺(tái)減溫減壓器，將3.5MPa、380℃的中壓蒸汽轉(zhuǎn)換為2.0MPa、215℃的低壓蒸汽供生產(chǎn)需求。使用蒸汽熱力參數(shù)如下：閥前蒸汽來自中壓蒸汽管網(wǎng)，壓力3.1MPa～3.5MPa（表），溫度370℃～380℃，流量15t/h；減壓后閥后工藝要求蒸汽壓力2.0MPa（表），溫度215℃。

根據(jù)以上生產(chǎn)技術(shù)要求參數(shù)進(jìn)行改造，在現(xiàn)有的一臺(tái)減溫減壓器旁并聯(lián)一臺(tái)螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)，利用該過熱蒸汽經(jīng)減溫水減溫后進(jìn)入螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)做功發(fā)電，做功后的蒸汽再供裝置使用。經(jīng)核算，可裝機(jī)一套200kW螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組，額定發(fā)電功率150kW，年發(fā)電量達(dá)1.2×106kW·h（以每年運(yùn)行8 000h核算），年發(fā)電效益60萬元，不僅節(jié)約了能源，同時(shí)降低了裝置用電及生產(chǎn)成本。

2.1設(shè)計(jì)原則及技術(shù)參數(shù)

本工程技術(shù)設(shè)計(jì)原則，將蒸汽經(jīng)減溫水減溫后引入螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)組做功發(fā)電，做功后蒸汽供工藝使用。

表1　螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)技術(shù)參數(shù)

2.2一套200kW螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組技術(shù)方案

根據(jù)熱源的實(shí)際情況，擬選用一套200kW的螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組回收上述蒸汽能量，額定發(fā)電功率為150kW。

表2　螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)性能參數(shù)

2.3一套200kW發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)圖，具體熱力系統(tǒng)如圖3所示：

圖3　200kW發(fā)電機(jī)組熱力系統(tǒng)圖

2.4一套200kW發(fā)電工程經(jīng)濟(jì)效益

一套200kW發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功率，按照技術(shù)方案，發(fā)電機(jī)組額定發(fā)電功率為：N=150kW

一套200kW發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電量，按年運(yùn)行8 000h計(jì)算，則年發(fā)電量為：

一套200kW發(fā)電機(jī)組的年發(fā)電效益，按電價(jià)0.5元/ kW·h計(jì)算，則年發(fā)電效益為：

洛陽石化芳烴聯(lián)合裝置應(yīng)用螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電工程，熱力系統(tǒng)簡(jiǎn)單、初投入少、回收周期短，4個(gè)月可建成并投產(chǎn)，投資回報(bào)期約為2年。

3　結(jié)束語

洛陽石化芳烴聯(lián)合裝置在原減溫減壓器旁并聯(lián)一套螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組的方案，能將差壓蒸汽能量有效地轉(zhuǎn)化利用，既實(shí)現(xiàn)減溫減壓功能，又可回收損失的能量發(fā)電增效，是提高企業(yè)能源綜合利用效率的有效途徑。目前洛陽石化共有減溫減壓器22臺(tái)，如果全部采用減溫減壓器旁并聯(lián)一套螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)發(fā)電機(jī)組的方案，年可發(fā)電2500萬kW·h（以每年運(yùn)行8 000h核算），節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。因此，螺桿膨脹機(jī)在石油化工裝置的節(jié)能應(yīng)用有著十分廣闊的前景。

［1］蔣毅一，王皓良.中國(guó)工業(yè)能耗與工業(yè)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的關(guān)系研究［J］.統(tǒng)計(jì)與決策，2009（4）：114-116.

［2］劉廣彬，等.兩相螺桿膨脹機(jī)熱力過程特性研究［J］．液體機(jī)械，2014（9）：43-45.

［3］張利，等.螺桿膨脹機(jī)余熱利用技術(shù)及熱力性能研究［J］.節(jié)能技術(shù)，2014（9）：52-53.

Analysis on the Energy Conservation Application of Screw Expander in Petrochemical Industry

Lei Yaocai
（China Petroleum&Chemical Corporation Luoyang Branch，Luoyang Henan 471012）

Recently，in the production process of most petrochemical industries，desuperheater and decompressor is generally used for transforming high pressure steam into low pressure steam in，but considerable energy of dif?ferential pressure is wasted in this process，which dose not meet the developing demand of energy conservation and green low carbon.Integrated aromatics plant of Luoyang branch of Sinopec is offered for an example，the oper?ating principle and technique characteristics of differential energy recovery device-screw expansion generator is analyzed，the transforming plan of using screw expander to take place of desuperheater and decompressor is pro?posed，and its causing benefits of economy and energy conservation are analyzed in this paper.

screw expansion generator；flashing dilate；energy of differential pressure；energy conservation

TQ325

A

1003-5168（2015）05-0026-3

2015-4-20

雷耀彩（1968.9-），男，本科，工程師，研究方向：石油化工設(shè)備。