摘 要：介绍螺杆膨胀机的工作原理、性能特点，分析其在钢铁行业的应用情况，认为采用螺杆膨胀机余热回收系统对我国钢铁企业节能降耗具有重要意义。
关键词：节能；余热余压回收；螺杆膨胀机；钢铁行业
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.001
1 钢铁企业能源及其利用状况
2015年中国钢铁工业总能耗4.6亿吨标准煤，占全国总能耗的16.3%。我国钢铁能源利用效率约为30%～50%，与国际先进水平相比我国吨钢可比能耗高出10%～20%。目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。
钢铁工业余热余压中品质较高且稳定的高温高压蒸汽、各种热值的煤气等回收利用可行性高，目前已得到较为充分的回收利用。品质略低的加热炉汽化冷却余热余压等具有回收利用可行性，到目前为止并没有得到完全的利用。这类余热余压的有效回收利用是钢铁工业节能降耗的重要途径。
2 螺杆膨胀机余热余压发电技术
近30年来，国内外研发了各种低品质能源回收技术，以实现对低参数、大容量、分散的各种能源进行回收，并在国内经济各领域中开始应用。其中螺杆蒸汽膨胀机[1]和ORC螺杆膨胀机[2]在近几年内逐步显示其技术的优越性。
2.1 发电原理及主要设备
（1）发电原理：螺杆膨胀机发电回收余热是以蒸汽和有机工质为热载体实现朗肯热力循环，将热能做功推动螺杆膨胀机，带动发电机发电。
（2）发电设备—螺杆膨胀机：它是一种根据容量变化原理工作的双轴回转式螺杆机械。主要由一对阴阳螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件及联轴器等部件组成。其缸体呈两圆相交的“∞”型，两轴按一定的转动比反向旋转，互相啮合的螺旋阴阳转子平行地置于气缸中。做功介质（热载体）先进入机内螺杆齿槽，并推动螺杆转动。随着螺杆转动，齿槽加长容积扩大，介质降压降温膨胀做功，最后排出，功率从主轴阳螺杆输出，带动动力机或发电机发电。
2. 2 螺杆膨胀机余热发电系统
螺杆膨胀机发电系统按低品位热源是否直接驱动螺杆膨胀机做功，可分为常规循环系统与有机朗肯循环系统。常规循环系统是将含热流体直接引入螺杆膨胀机主机并推动主机膨胀做功。该类型系统较为简单，适用于高温高压流体的能量回收。受膨胀能力限制，热源应用范围为低于300℃的0.15～3.0MPa的蒸汽或压力0.8MPa以上、高于170℃的热水等。有机朗肯循环系统（ORC型）是低压液态有机工质经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收热量转变为高温高压蒸气之后，推动螺杆膨胀机做功，产生能量输出，螺杆膨胀机出口的低压蒸气进入冷凝器，向低温热源放热并冷凝为液态，如此往复循环。对小于的0.1MPa的蒸汽或压力0.8MPa以下、高于85℃的热水、烟气、可以采用二次循环有机工质螺杆膨胀机系统进行余热回收。
2. 3 螺杆膨胀机余热余压发电技术特点
从目前国内螺杆膨胀机余热余压发电装置的运行情况来看，其应用实践已有如下特点：（1）可以回收不同种类的工业余热；（2）变工况适用范围大，且机组效率表现稳定；（3）机组输出功率空间大，弥补了蒸汽轮机单机功率不能太小的空间；（4）设备结构简单，检修、运行维护费用低。
3 螺杆膨胀机在天津市钢铁企业中应用状况
螺杆膨胀机发电技术在电厂、石化等领域已有广泛应用，在钢铁领域的应用相对较少。钢铁行业是天津市第一大耗能行业，一直是节能工作的重点和难点。为推动本市钢铁企业节能降耗和能源的综合利用工作，市政府积极在钢铁企业中推广蒸汽螺杆膨胀机和ORC螺杆膨胀机二级梯度发电技术。
天丰钢铁公司率先在钢铁企业采用浙江开山的梯级发电余热余能回收技术及设备。这项技术主要应用在轧钢加热炉的余热蒸汽和转炉水冷低压饱和蒸汽的回收发电上。其轧钢加热炉蒸汽发电电站采用两级梯度发电工艺：第一级，将加热炉产生的饱和蒸汽（压力为0.5MPa，温度为160℃）引至蒸汽型螺杆膨胀机发电机组；发电后，能源介质变压力为0.018MPa，温度为102℃的水蒸汽。第二级，将从第一级蒸汽螺杆膨胀机排出的蒸汽送进ORC螺杆膨胀机发电；发电后，加热有机工质的水蒸气变为45℃的软水，回收再利用。第二级机组发电不但回收了一般热功转换装置不能利用的水蒸汽的低温余热，而且冷凝水可以循环利用，大大地提高了能源的利用率，可以达到了余热、余能的吃干榨净。
改系统余热发电项目2016年4月份净发电量55.9万千瓦时，机组日平均净发电2万千瓦时，按年运行330天、电价0.73元测算，年净发电660万千瓦时，折合节能量2244吨标准煤、减排量5834吨二氧化碳，年节能效益481.8万元，取得了良好的经济效益和社会效益。
天津市还有几家钢铁企业正在进行螺杆膨胀机中低温余热发电项目建设，总装机容量6326KW（其中蒸汽螺杆膨胀机4537KW，ORC螺杆膨胀机1825KW），预计年可发电量4364.6Kwh，减少CO2排放36994吨，年节能效益2793.33万元。
4 总结
螺杆膨胀机余热余压回收技术在钢铁企业的应用有效解决了高品质能源发电后蒸汽放散及分散的热源浪费问题，有利于企业将能源吃干榨净。目前钢铁行业面临产能过剩和环境污染两大考验，螺杆膨胀机余热余压发电的技术应用，能从节能减排方面为企业增效和改善环境发挥重要作用。
参考文献：
[1]杨金焕，夏葵，姚艳霞等.两相螺杆膨胀机的发展及其在制冷系统中的应用[J].制冷，2003，22（01）：23-27.
[2]谈西峰，李维毅，史维秀.非共沸混合工质用于螺杆膨胀机双循环低温余热回收系统的理论研究[J].机械工程学报，2012，48（06）：136-141.
作者简介：白俊丽（1984-），女，湖北人，硕士，讲师，主要从事冶金技术教学及科研工作。