浅议螺杆膨胀发电机组在地热能源上的应用

浅议螺杆膨胀发电机组在地热能源上的应用

童世君

（浙江锦鑫建设工程有限公司浙江省杭州市310000）

摘要：我国是一个地热资源丰富的国家，地热资源的品质以中低温为主，高温地热资源集中于藏南川西等地。采用常规的汽轮机发电工艺运行周期短，使用效率不足；同时高温饱和水不能直接用于汽轮机发电导致热利用率低。螺杆式膨胀机组以其独特的运行原理首次在地热发电项目上以完整的工艺系统，以小型火力发电厂的设计要求，进行了工业化试验。并取得了丰富的设计、制造、运行以及工程建设经验，为推动我国的地热能源产业做出了贡献。

关键词：螺杆膨胀机；地热；发电

1.引言

我国地热资源丰富，地热资源占全球的7.9%，高温地热资源主要分布在藏南川西等地，中低温资源遍布全国各地，但是地热发电利用尚处于起步阶段。国家能源发展十三五规划中明确要求：“在当前加快地热能、海洋能综合开发利用。2020年生物质能发电装机规模达到1500万千瓦左右，地热能利用规模达到7000万吨标煤以上。”，使得全国地热发电产业作为清洁能源之一迎来发展的契机。

目前我国的地热发电工程仅有一例较为成功的案例，即西藏羊八井地热电站，采用常规地热蒸汽轮机工艺。在运行中面临结构和腐蚀的问题是该工艺的主要弊端，由于地热水在扩容过程中析出大量的钙离子，产生钙垢，主要结垢部位在汽轮机叶片。汽轮机叶片的结垢问题目前只能采用缩短检修周期，定期清垢的方法。腐蚀主要发生在射水抽气、循环水和热力系统。目前在射水抽气、循环水系统中采用玻璃钢材料、冷油器汽轮机汽封片采用不锈钢、凝汽器淋水板用渗铝，汽缸内壁和凝汽器内壁涂以特别的防锈漆等措施，取得了一定效果，但汽轮机低压部分、水泵、阀门等设备仍有不同程度的腐蚀。同时饱和水大量的直接外排造成较大的热量浪费。

螺杆膨胀发电机组因其特有的工艺条件，在防腐、防垢以及中低温热水的发电利用问题上有了较大的改进。因为螺杆与螺杆、螺杆与机壳的相对运行是具有除垢的自洁能力，而未能除去的剩余污垢可起到减小间隙的作用，减少泄漏损失，提高机组效率。能同时解决中低温蒸汽以及中低温饱和水的热能回收发电，在地热资源的发电利用下有着明显的优势。但是整体技术能力还处在发展阶段，需要在更多的工程上不断应用来完善并提升其技术工艺适合性。

螺杆膨胀动力机本体由阴、阳两根螺杆、外壳、轴承等组成，结构类似于螺杆压缩机。工作介质进入机内阴阳螺杆间齿槽，推动螺杆转动。随着螺杆转动，齿槽间的容积逐渐增大，介质降压降温膨胀做功，最后从齿槽末端排出，功率从主轴阳螺杆输出。螺杆膨胀动力机与螺杆压缩机工作原理正好相反。

2.螺杆膨胀发电试验电站简介

2.1系统总体概述

地热井出来的地热流体经除沙装置后进入汽水分离器，分离出的蒸汽和热水分别通过厂外管道送至厂内母管。蒸汽用于驱动1台蒸汽型螺杆膨胀机组，热水用于驱动1台热水型螺杆膨胀机组。蒸汽型螺杆膨胀机组排汽进入混合式凝汽器冷凝后经热井进入循环冷却水系统；热水型螺杆膨胀机组排汽先进入疏水罐分离，蒸汽进入混合式凝汽器冷凝后经热井进入循环冷却水系统，地热尾水通过疏水泵升压进入回灌水池。

2.1.1厂内蒸汽、热水分配系统

厂内蒸汽、热水分配系统包括从蒸汽（热水）母管至螺杆膨胀机组。在接入螺杆机的支管设置有手动关断阀，以便隔离检修，也方便分步施工、调试。所有螺杆机蒸汽（热水）进口管道上均设置厂家配供的快速关断阀和调节阀，用于机组运行控制和快速切断。

蒸汽（热水）母管设有安全阀排汽，用于防止运行中超压，设有排水管路用于停机后排出管内存水以及负荷调节旁路，用于平衡在机组负荷调节期间地热井产生的多余蒸汽和热水。其中热水母管的安全阀排汽、负荷调节旁路以及排水均通过放水母管排至回灌水池。

2.1.2螺杆机排汽及抽真空系统

螺杆机排汽及抽真空系统由排汽系统和混合式凝汽器的抽真空系统组成。

蒸汽型螺杆膨胀机组排汽系统每台机组设1台混合式凝汽器和一个混凝土热井，其排汽进入混合式凝汽器冷凝后经热井进入循环冷却水系统；热水型螺杆膨胀机组排汽系统设1台疏水罐、1台混合式凝汽器和一个混凝土热井，其排汽先进入疏水罐，分离出来的蒸汽进入混合式凝汽器冷凝后经热水型热井进入循环冷却水系统，疏水罐分离出来的地热尾水通过疏水泵升压后进入回灌水池。蒸汽型螺杆膨胀机组和热水型螺杆膨胀机组的热井分开设置，热井设溢流堰以保证热井的正常运行水位，以维持凝汽器排水管水封进而保证凝汽器运行真空不被破坏。

每台混合式凝汽器的抽真空系统用于排出地热流体中的不凝结气体，包括2台射水抽气器和2台射水泵，正常运行时1运1备，机组启动期间可2台同时运行。另外每台蒸汽型螺杆膨胀机组还设有1台射水疏水器，用于排出排汽管道中的少量积水，防止水击。

2.1.3本体及冷却水系统

本体及冷却水系统由螺杆机组本体及其辅机的冷却水系统组成。

蒸汽和热水型螺杆膨胀机组均带有油箱、油泵和水箱、水泵以及油（水）的热交换器。

每台机组油水换热、水水换热的交换器需要的冷却水均来自循环水冷却水。冷却水进（回）水母管出口预留手动关断阀以便施工和运行管理。

2.1.4简要系统流程图

2.1.4.1热水型螺杆膨胀机组原则性热力系统图

热水型螺杆膨胀机组原则性热力系统图

2.1.4.2蒸汽型螺杆膨胀机组原则性热力系统图

蒸汽型螺杆膨胀机组原则性热力系统图

2.2安装技术要求：

本项目采用的机组是高低温螺杆机串联，配置4极发电机，属于旋转机械设备。因其属于特殊的新开发设备，没有相关安装国家以及行业规范。本项目因属发电系统，具体设计安装均参考《电力建设施工及验收技术规范》以及《GB50231-2009机械设备安装工程施工及验收通用规范》执行。同时具体的安装细节要求遵从主机厂家所提供的《螺杆膨胀动力机发电机组安装作业指导书》以及相关安装图纸要求执行。

主机厂到现场的设备基本属于完成独立组装部件，现场安装工程量相对较少，主要控制精度在于高压螺杆机和低压螺杆机的联轴器对中以及低压螺杆机和发电机的联轴器对中工作。但是因其额定运行转速为1500转/分钟，安装精度控制易于实现。

2.3系统调试

2.3.1系统调试流程

2.3.1.1蒸汽螺杆机组调试流程

2.3.1.2热水螺杆机组调试流程

2.3.2机组启动准备；

2.3.2.1各个分系统试运转合格，各个系统主要联锁保护功能检测合格。所有热工设备调试完毕，所有设备完好并处于随时可启动状态，控制系统具有按机组运行要求投入运行的功能；

2.3.2.2拟投入运行的机组的本体及辅机的冷却水、油、软化水等应充满；

2.3.2.3循环水系统完成充水，凝汽器热井水位正常，循环水系统正常运行，抽真空系统正常运行；

2.3.2.4排空设备或管道内的不凝结气体和冷水，关闭排气及排水阀门。

2.3.2.5应确保回灌水池有一定水位，且应派人现场督查，确保水池周围无人，避免人身伤害。

2.3.3机组运行方式；

根据螺杆膨胀机特点，机组能快速启停、不暖机、不盘车、不飞车。

在调试运行期间，蒸汽型和热水型机组对应启停调试采用单机单系统调试，保证全系统的安全。即蒸汽型机组和热水型机组分开调试，以防止事故工况的发生。

在蒸汽机组调试时，停运热水机组，采用定压运行方式。通过地热井控制阀保证汽水分离器压力稳定在额定压力下，利用汽水分离器放水阀控制好热井出口汽水分离器水位。并适当打开放空阀，保持地热井出力满足蒸汽机组调试需要。通过主机进汽阀和汽水分离器的放空阀协调配合保证蒸汽压力稳定。待负荷升高后，跟着调整汽水分离器放水阀以及地热井控制阀的开度。

在热水机组调试时，停运蒸汽机组，采用定压运行方式。通过地热井控制阀保证汽水分离器稳定在额定设计压力下，利用汽水分离器放汽阀以及放水阀控制好热井出口汽水分离器水位。通过主机进水阀和汽水分离器的放水阀协调配合保证汽水分离器的液位稳定。待负荷升高后，跟着调整汽水分离器放空阀以及地热井控制阀的开度。

2.3.4调试

2.3.4.1蒸汽型机组调试

上午8点开始暖管，11点开始冲转，11：42转速升至500转，12：00转速升至1000转。13：23蒸汽型机组出现声音异常，被迫停机。打开疏水阀，里面有大量凝结水。开始排水，凝结水排完后13：48再次开机，14：02又有异常声音。再次停机排水。检查问题，查找原因。此后经过3次启停（14：34启动14：44停运，15：00启动15：05停运，15：30启动16：18停运）都出现同一故障。次日打开机组排汽管道人孔门对机组转子进行检查，发现转子间隙发生变化并有摩擦痕迹，通过评估，机组再次启动投入运行完成了机组相关的动态试验调试工作。

2.3.4.2热水型机组

上午11：20点开始冲转，到14：30转速突然降低，且带有异常声响，就地手动停机。经现场检查发现机组排汽口有积水，开启两台疏水泵将疏水打空。15：01再次启动，15：40机组再次出现异响就地紧急停机。经过检查见1000型机组转子损坏严重，于是终止热水机组热态调试。

2.4调试结果

通过实际的调试运行，蒸汽型机组完成所有启动调试的相关调试项目，调试结果基本设计要求。热水型机组因转子原因，未能按计划完成相关热态调试工作，发电系统相关试验未完成。

2.5存在问题：

因整体工艺系统组成为全国首例，通过调试运行，蒸汽机组和热水机组均在不同程度上反应出了一系列问题，主要体现在以下方面：

2.5.1螺杆机主机厂家还没有从一个小型分布式能源的主设备供应商的角度提升到一个接受电力调度管理的小型电厂的主设备供应商，厂配的负荷调节阀以及相关控制系统和电力调度的要求还存在技术上的差距。

2.5.2主机缺乏系统性的技术文件，因为没有先例，对于主机运行的系统要求还没有形成标准化的文件。没有能将螺杆机的所有相关的技术性能充分掌握且以书面的技术要求提供给设计院或者项目公司。

3.结论：

螺杆膨胀机组首次利用在地热发电项目上，以完整的工艺系统，按照小型火力发电厂的设计要求，进行了工业化试验，取得了丰富的设计、制造、运行以及工程建设经验。但是对于地热蒸汽以及热水的特点尚缺乏足够的认识，在试验中间还是暴露出一些设备以及系统的技术问题有待改进。

综上所述，地热能是一种清洁能源，是可再生能源。利用地热能源进行发电利用是符合我国能源结构改革的政策的，其开发利用前景十分广阔。合适的地热发电装备是促进地热资源开发利用的前提。而螺杆膨胀机动力机作为地热能源开发的核心设备，尚处于工业化试验的起步阶段，还有一些技术需要公关及升级。但是从螺杆膨胀动力机自身的运行特点来看，有着适应地热能源特点的优势，再进一步加大科研投入，解决好相关技术难题后，将会在地热发电领域发挥出不可估量的作用。