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摘 要 ： 目前常规发电要求热源温度在350℃以上，200℃以下余热资源回收发电技术还不成熟，特別是能实现80℃余热回收和发电的最低余热资源，这是常规发电技术不能做到的。本文研究的关键技术就是将有机工质作为热力循环的工质与船舶低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，从而推动螺杆膨胀机带动发电机发电。
关键词：余热;发电;节能;研究
1、 引言
柴油机作为船舶的主要动力，其热效率已接近50 %，但仍有50 %的能量被废气、冷却介质带走。常规发电要求热源温度在350℃以上，对于温度低于350℃的热源由于缺乏有效的技术手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量、大机型，无法利用这部分巨大的热源。
目前国际上船用低速机能量利用装置主要为余热锅炉、单双压凝汽式汽轮机发电系统，动力涡轮发电系统，以回收柴油机排气能量为主。为了达到对柴油机排气的综合利用，从船用柴油机排气能量为主，需考虑不同因素，由于缺少一体化、集成化解决方案，造成了整个余热利用系统和装置体积大、重量重、空间占用不合理及系统配置不紧凑等问题。
我国拥有几千艘海洋运输船舶，安装余热利用系统，每年可节省大量的燃油使用及CO2的排放，但由于我国余热利用还没有装船应用，已使用部分船舶主机订购了国外企业，随着时间的推进，我国船舶余热利用配套产品的市场压力将会更大，势必对我国造船业形成严重的压力。因此，如何高效的利用船舶上所产生的余热资源，对于提高我国能源利用率、节能减排、降低船舶营运成本具有重要意义。
2、 船用螺杆膨胀发电机组的工作原理
本文研究的内容就是提供一种船用螺杆膨胀发电机组，该机组采用有机工质朗肯循环，以有机工质R245Fa作为热力循环的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动螺杆膨胀机带动发电机发电，能够实现低温余热回收。
工作原理：螺杆膨胀机从蒸发器中吸入高温高压制冷剂蒸气体，经膨胀变成低温低压制冷剂蒸汽，螺杆膨胀机带动船用发电机转动对外输出电能，输出的电能通过变流器并入船舶电网系统，螺杆膨胀发电机组与船舶并网系统采用永磁发电机加逆变器的形式，具有运行稳定可靠的特点。低温低压制冷剂蒸汽进入油分离器进行油气分离，分离后的制冷剂蒸汽进入到预热器，经过预热器降温后再进入到冷凝器，被海水冷凝成制冷剂液体，从冷凝器输出的制冷剂液体经过工质泵加压后进入油冷却器，经过油冷却器加热后进入到预热器，再经过预热器加热后进入到回热器，最后经过回热器加热后进入到蒸发器，制冷剂液体在蒸发器内吸收热量而沸腾蒸发，蒸发后的制冷剂气体被输送至螺杆膨胀机的进气口，完成循环过程。冷冻机油与制冷剂蒸汽的混合物进入油分离器进行油气分离，分离后的冷冻机油进入到油冷却器，经过油冷却器降温后回到螺杆膨胀机，完成循环过程。高温的热水进入到蒸发器后与制冷剂进行换热后，进入到回热器，经过回热器降温后进入到系统末端进行加热后回到蒸发器，完成循环过程。
3 、 船用螺杆膨胀发电机组关键技术
采用有机工质R245Fa作为热力循环的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动螺杆膨胀机带动发电机发电，发电的最低余热资源温度可达到80℃，能够最大限度地实现低温热源的余热回收。设计的油冷却器采用工质冷却，提高了热量利用率，而且冷凝器采用海水冷却，可以利用充分利用自然资源，蒸发器、回热器和油冷却器均采用板壳式结构，板壳换热器与壳管式换热器相比具有换热效率高、结构紧凑、占地面积小的优点。将冷凝器与预热器采用一体化设计，作为独立的容器进行制造检验，减少了二者之间的连接管道及装配。整机一体化设计，空间占用率小、配置紧凑、能量利用率高。
研究的关键技术：
1） 包括船用膨胀机、热交换系统、工质加压系统、冷却系统和发电机及辅助系统;
2） 优化了机组系统循环参数和部件参数，提高了船用膨胀机内效率和耐温性;
3）热交换器（蒸发器、冷凝器、回热器）结构紧凑，换热效率高;
4）机组可以适应在船舶摇摆条件下正常运行
5）与船舶用电分配系统并网设计，并网系统、集成布置和控制系统设计更紧凑、高效、可靠及良好变工况性能的有机工质膨胀发电系统
4 、 螺杆膨胀机关键技术的研究
膨胀机机体部件主要由吸气端座、机体、排气端座组成。其中吸、排气端座中分别设有吸气、排气腔，承担转子重量的轴承孔等;机体中设有转子工作腔，气体回流通道等，机体部件同时起到腔体与外部密封的作用。
转子部件是膨胀机的核心部件，实现吸气、膨胀、排气的工作过程等。一对相互啮合的按一定传动比反向旋转的螺旋形转子，水平且平行配置于机体内部，在阴、阳转子的两端（吸气端和排气端）各有一只滚动轴承承受径向力量，在两转子的排气端各有一只四点球轴承，该轴承承受轴向推力，位于阳转子吸气端轴颈尾部的平衡活塞起平衡轴向力、减轻四点球轴承的负荷的作用。轴向定位和径向支撑全部采用高质量原装进口滚动轴承，使转子定位精确，轴颈无磨损，转子装配间隙减小、容积效率高，内、外调整圈用来调整排气端间隙。
轴封部件对于膨胀机驱动轴的一端要伸出机体的外部，为了防止工质向外泄漏，必须在轴的伸出部位及机体之间设置轴封装置。螺杆膨胀机采用的是弹簧式机械密封，安装在主动转子靠联轴器一端轴上。轴封是由动环、静环、弹簧或波纹管、弹簧座和0型胶圈，其中动环、弹簧、弹簧座及动环胶圈装配在一起，并随主动转子旋转而旋转，静环及静环胶圈装配在轴封压盖上相对于机体固定。0型胶圈起静密封作用;动、静环起动密封作用;弹簧既可为动密封提供必需的压紧力，同时也起到对动环磨损后进行补偿作用。
螺杆膨胀机DN200吸气口设计在顶部，DN300排气口设计在底部，蒸发器来的工质气体从上部进入膨胀机，经过膨胀后由下部排出后直接进入油分离器，同时润滑油可以直接通过重力进入油分离器，减少吸排气过程中的阻力损耗。
膨胀机安装时通过螺栓连接固定到机组油分离器上，通过联轴器与发电机直接连接，膨胀机排气口与油分离器吸气口通过法兰直接连接，膨胀机吸气口与蒸发器出气口通过法兰直接连接。
5 、 螺杆膨胀发电机组关键技术的研究
螺杆膨胀发电机组采用撬装框架结构，将蒸发器、膨胀机、发电机、回热器、冷凝器和储液罐、工质泵、以及控制系统和辅助系统等集成在一个钢架内，形成一个动力模块。通过三维建模、系统性能分析和回路优化、工质泵选型和换热器设计，开展有机朗肯循环与船用发电技术总体布置研究和结构总体设计。通过合理优化和设计减小船用螺杆膨胀机组的主要部件的尺寸和占用的空间体积。采用有机工质热交换器（蒸发器、冷凝器、回热器）紧凑型结构设计和一体化气液分离结构设计研究。通过交直交软逆变器并网技术实现与船用电网的接入，研究各并网方式与船用电网之间的相互影响。
通过上述研究获得成果：拓宽了回收发电的余热资源范围，高效利用船舶所产生的余热资源，提高了船舶主机燃油利用率，提升了我国船舶和船舶主机的市场竞争力，为船舶可再生能源发电提供关键技术和设备。
参考文献
[1] 李贞成等. 船用螺杆膨胀发电机组. 中国专利，专利号ZL2017205455500.
作者简介 汪涛，工程师，主要从事压缩机、制冷、制热、余热余压回收方面的研究。
关键词：余热;发电;节能;研究
1、 引言
柴油机作为船舶的主要动力，其热效率已接近50 %，但仍有50 %的能量被废气、冷却介质带走。常规发电要求热源温度在350℃以上，对于温度低于350℃的热源由于缺乏有效的技术手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量、大机型，无法利用这部分巨大的热源。
目前国际上船用低速机能量利用装置主要为余热锅炉、单双压凝汽式汽轮机发电系统，动力涡轮发电系统，以回收柴油机排气能量为主。为了达到对柴油机排气的综合利用，从船用柴油机排气能量为主，需考虑不同因素，由于缺少一体化、集成化解决方案，造成了整个余热利用系统和装置体积大、重量重、空间占用不合理及系统配置不紧凑等问题。
我国拥有几千艘海洋运输船舶，安装余热利用系统，每年可节省大量的燃油使用及CO2的排放，但由于我国余热利用还没有装船应用，已使用部分船舶主机订购了国外企业，随着时间的推进，我国船舶余热利用配套产品的市场压力将会更大，势必对我国造船业形成严重的压力。因此，如何高效的利用船舶上所产生的余热资源，对于提高我国能源利用率、节能减排、降低船舶营运成本具有重要意义。
2、 船用螺杆膨胀发电机组的工作原理
本文研究的内容就是提供一种船用螺杆膨胀发电机组，该机组采用有机工质朗肯循环，以有机工质R245Fa作为热力循环的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动螺杆膨胀机带动发电机发电，能够实现低温余热回收。
工作原理：螺杆膨胀机从蒸发器中吸入高温高压制冷剂蒸气体，经膨胀变成低温低压制冷剂蒸汽，螺杆膨胀机带动船用发电机转动对外输出电能，输出的电能通过变流器并入船舶电网系统，螺杆膨胀发电机组与船舶并网系统采用永磁发电机加逆变器的形式，具有运行稳定可靠的特点。低温低压制冷剂蒸汽进入油分离器进行油气分离，分离后的制冷剂蒸汽进入到预热器，经过预热器降温后再进入到冷凝器，被海水冷凝成制冷剂液体，从冷凝器输出的制冷剂液体经过工质泵加压后进入油冷却器，经过油冷却器加热后进入到预热器，再经过预热器加热后进入到回热器，最后经过回热器加热后进入到蒸发器，制冷剂液体在蒸发器内吸收热量而沸腾蒸发，蒸发后的制冷剂气体被输送至螺杆膨胀机的进气口，完成循环过程。冷冻机油与制冷剂蒸汽的混合物进入油分离器进行油气分离，分离后的冷冻机油进入到油冷却器，经过油冷却器降温后回到螺杆膨胀机，完成循环过程。高温的热水进入到蒸发器后与制冷剂进行换热后，进入到回热器，经过回热器降温后进入到系统末端进行加热后回到蒸发器，完成循环过程。
3 、 船用螺杆膨胀发电机组关键技术
采用有机工质R245Fa作为热力循环的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动螺杆膨胀机带动发电机发电，发电的最低余热资源温度可达到80℃，能够最大限度地实现低温热源的余热回收。设计的油冷却器采用工质冷却，提高了热量利用率，而且冷凝器采用海水冷却，可以利用充分利用自然资源，蒸发器、回热器和油冷却器均采用板壳式结构，板壳换热器与壳管式换热器相比具有换热效率高、结构紧凑、占地面积小的优点。将冷凝器与预热器采用一体化设计，作为独立的容器进行制造检验，减少了二者之间的连接管道及装配。整机一体化设计，空间占用率小、配置紧凑、能量利用率高。
研究的关键技术：
1） 包括船用膨胀机、热交换系统、工质加压系统、冷却系统和发电机及辅助系统;
2） 优化了机组系统循环参数和部件参数，提高了船用膨胀机内效率和耐温性;
3）热交换器（蒸发器、冷凝器、回热器）结构紧凑，换热效率高;
4）机组可以适应在船舶摇摆条件下正常运行
5）与船舶用电分配系统并网设计，并网系统、集成布置和控制系统设计更紧凑、高效、可靠及良好变工况性能的有机工质膨胀发电系统
4 、 螺杆膨胀机关键技术的研究
膨胀机机体部件主要由吸气端座、机体、排气端座组成。其中吸、排气端座中分别设有吸气、排气腔，承担转子重量的轴承孔等;机体中设有转子工作腔，气体回流通道等，机体部件同时起到腔体与外部密封的作用。
转子部件是膨胀机的核心部件，实现吸气、膨胀、排气的工作过程等。一对相互啮合的按一定传动比反向旋转的螺旋形转子，水平且平行配置于机体内部，在阴、阳转子的两端（吸气端和排气端）各有一只滚动轴承承受径向力量，在两转子的排气端各有一只四点球轴承，该轴承承受轴向推力，位于阳转子吸气端轴颈尾部的平衡活塞起平衡轴向力、减轻四点球轴承的负荷的作用。轴向定位和径向支撑全部采用高质量原装进口滚动轴承，使转子定位精确，轴颈无磨损，转子装配间隙减小、容积效率高，内、外调整圈用来调整排气端间隙。
轴封部件对于膨胀机驱动轴的一端要伸出机体的外部，为了防止工质向外泄漏，必须在轴的伸出部位及机体之间设置轴封装置。螺杆膨胀机采用的是弹簧式机械密封，安装在主动转子靠联轴器一端轴上。轴封是由动环、静环、弹簧或波纹管、弹簧座和0型胶圈，其中动环、弹簧、弹簧座及动环胶圈装配在一起，并随主动转子旋转而旋转，静环及静环胶圈装配在轴封压盖上相对于机体固定。0型胶圈起静密封作用;动、静环起动密封作用;弹簧既可为动密封提供必需的压紧力，同时也起到对动环磨损后进行补偿作用。
螺杆膨胀机DN200吸气口设计在顶部，DN300排气口设计在底部，蒸发器来的工质气体从上部进入膨胀机，经过膨胀后由下部排出后直接进入油分离器，同时润滑油可以直接通过重力进入油分离器，减少吸排气过程中的阻力损耗。
膨胀机安装时通过螺栓连接固定到机组油分离器上，通过联轴器与发电机直接连接，膨胀机排气口与油分离器吸气口通过法兰直接连接，膨胀机吸气口与蒸发器出气口通过法兰直接连接。
5 、 螺杆膨胀发电机组关键技术的研究
螺杆膨胀发电机组采用撬装框架结构，将蒸发器、膨胀机、发电机、回热器、冷凝器和储液罐、工质泵、以及控制系统和辅助系统等集成在一个钢架内，形成一个动力模块。通过三维建模、系统性能分析和回路优化、工质泵选型和换热器设计，开展有机朗肯循环与船用发电技术总体布置研究和结构总体设计。通过合理优化和设计减小船用螺杆膨胀机组的主要部件的尺寸和占用的空间体积。采用有机工质热交换器（蒸发器、冷凝器、回热器）紧凑型结构设计和一体化气液分离结构设计研究。通过交直交软逆变器并网技术实现与船用电网的接入，研究各并网方式与船用电网之间的相互影响。
通过上述研究获得成果：拓宽了回收发电的余热资源范围，高效利用船舶所产生的余热资源，提高了船舶主机燃油利用率，提升了我国船舶和船舶主机的市场竞争力，为船舶可再生能源发电提供关键技术和设备。
参考文献
[1] 李贞成等. 船用螺杆膨胀发电机组. 中国专利，专利号ZL2017205455500.
作者简介 汪涛，工程师，主要从事压缩机、制冷、制热、余热余压回收方面的研究。