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浙江开山压缩机股份有限公司螺杆膨胀机发电站项目可行性研究报告浙江省工业设计研究院二零一三年十月11工程号：2013K048浙江开山压缩机股份有限公司螺杆膨胀机发电站项目院长：章华总工程师：徐和财项目负责人：朱锡坤浙江省工业设计研究院工程咨询资质证号：11220070045二零一三年十月报告编、审人员专业设计人员校审人员工艺：朱锡坤徐卫波总图：周志校徐琴土建：曹伟红宋皓电气：徐培华曹洪建水道：魏晓斌严美霞概算：余国秀陈洪新技经：余国秀陈洪新目录1、立项的背景和意义……………………………………12、国内外研究现状和发展趋势…………………………73、产品技术性能特点及项目解决方案…………………134、天津天丰钢铁余压、余热回收技术方案……………205、螺杆膨胀机生产工艺与设备…………………………246、现有工作基础和条件…………………………………317、产品推广方案…………………………………………368、结论…………………………………………………4211、立项的背景和意义1.1立项的背景2009年11月3日上午，中共中央政治局常委、国务院总理温家宝在北京人民大会堂向首都科技界发表题为《让科技引领中国可持续发展》的讲话。温总理强调，科学选择新兴战略性产业非常重要，选对了就能跨越发展，选错了将会贻误时机。我国发展新兴战略性产业，具备一定的比较优势和广阔的发展空间，完全可以有所作为。一要高度重视新能源产业发展、创新发展可再生能源技术、节能减排技术、清洁煤技术及核能技术，大力推进节能环保和资源循环利用，加快构建以低碳排放为特征的工业、建筑、交通体系。节约能源、提高能源利用率在国家“十一五”规划纲要中列为基本国策。回收利用工业生产过程中伴生的大量余热是节约能源、提高能源利用率的重要途径之一。因此，国内许多高校和科研单位早在20世纪80年代就开展了回收工业余热的热机研究，并且取得了一些成果。热机是一种靠气体膨胀消耗内能对外作功的机械，如燃气轮机、内燃机等，热机实质上就是膨胀机。按膨胀机能量转换方式不同，分为容积式和速度式二大类。一般地讲：容积式膨胀机适用于各种流量的场合，而速度式的透平膨胀机仅适用于大流量的场合。如何有效地回收企业放散浪费的热能进行发电，是我国节能减排行业的一项重点攻关技术。我国拥有约40万台工业锅炉，产生的蒸汽十分可观，是进行余压、余热回收发电的大市场；我国的水泥、陶瓷等行业的大2型工业窑炉排烟温度高达400摄氏度以上而未加利用，如果能有效地回收并进行发电，既有经济效益又可解决烟尘的净化环保问题；许多化工厂工艺流程中的反应热、压差及工矿企业废气、废液都有大量的潜热和显热可以回收利用。目前，国内已有的汽轮机只能针对高品质的余热实现回收发电，但不能解决上述大量低品质余热的回收问题。由于缺乏技术和相关产品，目前国内工矿企业对生产中产生的大量的余热、蒸汽、烟气等一排了之，无法利用和推进循环经济的发展。近几年，作为节能技术的发展方向之一是回收中、小规模余热。可是在现有技术条件下，用速度式的小透平膨胀机回收中、小流量的低品质余热存在效率低、制造成本高、容易发生喘振和投资回收期长等一系列问题。而用容积式膨胀机中的螺杆膨胀机回收中、小流量余热就不存在上述的那些问题，其效率比透平膨胀机高30%以上，制造成本仅为同容量透平膨胀机的15%至20%。因此世界发达国家为了回收利用中、小规模余热都在研发螺杆膨胀机。螺杆膨胀发电机昀显著的特点就是吃“粗粮”，不需要柴油、汽油和煤等能源，而是通过回收工业生产中产生的的副产品蒸汽、热水、烟气以及地热等热源进行发电，对热源的温度等要求低，是一种“统吃”的专门回收各种低品质热能发电的新型高新技术，它不仅适用于工业余热废气发电，而且适宜利用地热、太阳能、生物能发电。适合应用于分布式能源。适合用在单机功率为2~3000kW的系统。全流膨胀：允许湿蒸汽进入膨胀机，这样可以提高循环效率和降低换3热器的成本。这种膨胀机适合多种工质，例如过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液混合物、烟气、废气以及热水。本项目属于《国家中长期科学和技术发展规划纲要》（2006—2020年）第三类“重点领域及其优先主题”第5条“制造业”中（26）基础件和通用部件建设项目，符合国家产业政策和浙江省科技发展规划要求。“低品质能源的高效热功转换的基础研究”列入国家十二五重点研究项目。1.2立项意义1.2.1螺杆膨胀机的开发符合我国“低碳经济”的发展大趋势螺杆膨胀机是一种回收低品质热能的能源回收装置，其工作原理相当于螺杆式压缩机的逆向运行，能够回收低品质热能并直接转换成电能，是当前能源利用领域的新型能源回收装置。现有的将热能转换成机械能或者电能的动力机，主要有汽油机、柴油机和燃气轮机和利用蒸汽冲转的汽轮机、螺杆膨胀机。低品质能源一般都以蒸汽、汽水混合物、热水等形态存在，或者其他形态通过换热器转换成这种形态存在，因而回收低品质能源的设备主要以螺杆膨胀机为主。螺杆膨胀动力机具有三个非常重要的技术特点：（1）热源适应范围非常宽广：可以适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物、热水和高含盐份的各种低品质热源的热电转换，属于国际上唯一具备如此优点的能源回收装置。（2）变工况能力十分优越：在热源负荷和参数大范围（从120%到10%范围）变化波动的情况下，不仅运行稳定可靠，而且高效平稳。4（3）维护费用和使用技术门槛很低：属于十年无大修的动力机，小修维护和运行操作都简单方便，对用户原系统不产生干扰影响，安装和移动十分简易。螺杆膨胀机对低品质能源的回收主要集中在石化、冶金和新能源方面：在石油化工行业，因为工艺过程中伴随有大量的蒸汽，也产生大量的废热液，这些废弃排放掉的热源都可以利用螺杆膨胀动力机来回收发电。据统计，每投放2,000个500KW规模的螺杆膨胀动力机发电机组，即可以为石油化工企业多产生1,000MW的电能，而投资成本只有同规模火电厂的一半，每年可以为国家节省300万吨煤炭资源，相当于一个中型煤矿的年产煤量。在冶金和钢铁行业，仅回收钢铁企业的冲渣废热水（80-90℃）一项，就可以为每个企业带来2MW到5MW的电能，我国是世界第一钢铁生产国，冶金和钢铁行业能源回收的潜力巨大。在地热发电等新能源领域，螺杆膨胀机提供了一种合适的能量转换途径。地热水可以直接进入螺杆膨胀动力机驱动发电机发电，在我国西藏羊八井地区已经有螺杆膨胀机地热发电的应用实例，解决了当地藏民的低成本用电问题。螺杆膨胀机还更多的应用在为燃气发电机、柴油机配套上，主要用来回收燃气发电机、柴油机在工作中产生的低品质热能，提高能源利用效率。在其他的行业，包括建材水泥、造纸印染、纺织、糖业食品、酒业、药厂等领域，螺杆膨胀动力机都具有非常好的应用前景。51.2.2满足市场需要，创造更大的社会经济效益“十二五”期间，我国余热余压回收利用工程将投资600亿元，这将带动螺杆膨胀机发电站市场需求快速增长。以余热余压回收利用工程总投资600亿元的30%用于螺杆膨胀机发电站建设计算，每座螺杆膨胀机发电站装机功率平均为450kW，电站投资450万元，预计“十二五”期间我国约需建造螺杆膨胀机发电站4000座。根据专家估算，螺杆膨胀发电机国内市场潜力巨大，回收废弃低温能源的总发电量可以达到两亿千瓦的装机规模，每年可为我国节约标准煤四亿吨，减少二氧化碳排放量9.5亿吨。以江苏为例，如果江苏37,000多家高耗能企业能安装螺杆膨胀动力发电机设备，达到平均每家回收热能发电300千瓦，就相当于江苏每年“拣”回1,000万千瓦的发电能力。因此，本项目实施有利于满足市场需要，创造出更大的社会经济效益。1.2.3有利于企业进一步可持续发展相比于汽轮机仅能将高品位余热较高效率的转化为电能，螺杆膨胀机具有更加广阔的市场。螺杆膨胀机适应性强，能稳定的工作在气液两相区，对余压及余热要求低，中、小规模余热回收优势明显，能够广泛的利用蒸汽、热水、烟气、地热、太阳能、生物能等能源发电。浙江开山压缩机股份有限公司作为国内专业从事螺杆机械产品研发、制造的龙头企业，适应时代的要求，研发蒸汽螺杆膨胀机发电机组及ORC膨胀机发电机组，用于各种余压、余热的回收，为用户提供整体解决方案。对企业进一步可持续发展将起重要作用，意义重大。1.2.4为地方经济发展作新贡献6本项目实施将为当地提供较多的就业机会和增加地方财政收入，以及为打造浙江、上海成为螺杆膨胀动力机先进制造业基地作出新的贡献。综上所述，本项目实施符合我国《节能减排“十二五”规划》，推进节能减排工作，加快建设资源节约型、环境友好型社会，其应用领域广泛，市场前景十分良好，技术基础优越，项目建设将会产生较大的经济效益和社会效益。因此本项目的建设是很必要的。72、国内外研究现状和发展趋势2.1国内外研究现状在节能减排的各种技术中，影响昀大、难度昀大的就是如何高效回收废弃低温能源和可再生能源，并将其转化为高品质电能。世界各国能源专家已经进行了近百年的探索研究，希望能突破长期困扰人类因为无法回收而造成大量浪费、环境污染的低品质余热、余压技术瓶颈。我们知道，汽轮发电机以“自我”为中心，对热源要求非常“苛刻”，只青睐高品质余热。因而，工业生产中大量过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物、热水热液、易结垢热源等低品质热源大量白白浪费。如何寻找到一种以“热源”为中心的“吃粗粮”的发电机组，就成了研究的目标。利用冷媒介质在螺杆付间降温、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，从本世纪开始成功地用于地热水、汽水两相流37kW螺杆膨胀动力机；日本北海道大学也进行过氟里昂、汽液两相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，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年已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，现已在建材、钢铁等行业得到有限的利用。据资料介绍，江西华电经过8年的研发验证，螺杆膨胀发电机在建材、钢铁等行业得到有限的应用。江西华电依托天津大学的技术，2002年10月研制生产出首台蒸汽螺杆膨胀发电机。经过多年的努力，目前已经研制成功功率从50千瓦～900千瓦的4个型8号的螺杆膨胀机，已有70多台机组在钢铁和建材行业投入运行。但是，由于资金缺口等原因，该公司发展较慢，目前还没有形成规模生产能力。而且，该公司的螺杆转子是落后的4:6国标非对称齿形，动力损失大，而且是低精度的铣削成型，等熵效率低，对能源的回收率也低。同时，该公司产品仅有蒸汽压差发电的案例，没有成功的ORC案例，所以没有实现更低品质热源的余热发电，产品有短板。在美国，ET公司从2002年开始从英国伦敦城市大学取得螺杆转子N型线的生产许可，研发螺杆膨胀动力机，已能生产废热螺杆膨胀发电机（WHG）和气体减压螺杆膨胀发电机（GPRG），有一定的历史，但是昀大发电功率37kW。2.2发展趋势螺杆膨胀机作为一种能量回收装置，能够将工业生产中产生的热量转化为可供人们回收利用的能量（如电能），逐渐成为能源领域关注的焦点。关于传统的热功转换技术，通常利用汽轮机发电，汽轮机属于速度型机器，其对进口水蒸汽的条件要求较高，高压、过热、稳定的蒸汽工况下可以获得较高的效率。在国标GB/T754-2007发电用汽轮机参数系列中规定了汽轮机适用蒸汽的参数系列，其中非再热式汽轮机新蒸汽参数如表2-1所示。表2-1非再热式汽轮机新蒸汽参数类别新蒸汽压力MPa新蒸汽温度℃新蒸汽流量推荐范围t/h仅凝汽式汽轮机使用的额定功率等级/相应的大致新蒸汽流量（阀门全开）MW/(t/h)低压1.283405～100.75/51/10次中压2.3539010～201.5/103/209中压3.4343545047020～1203/206/4012/7020/10025/1204.90435450470次高压5.8846047030～1506/3012/6520/9025/11035/150高压8.8535100～41025/10035/14050/210100/410从上表看出，