有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)課件

1、Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 余熱回收再利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會余熱回收再利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)天津大學(xué)機械工程學(xué)院熱能工程系天津大學(xué)機械工程學(xué)院熱能工程系李惟毅李惟毅 2010.12.122010.12.12Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 技術(shù)應(yīng)用背景介紹技術(shù)應(yīng)用背景介紹螺桿膨脹機的構(gòu)造和工作原理螺桿膨脹機的構(gòu)造和工作原理 螺桿膨脹機的技術(shù)特點螺桿膨脹機的技術(shù)特點 研究狀況研究狀況有機工

2、質(zhì)螺桿膨脹機系統(tǒng)的設(shè)計有機工質(zhì)螺桿膨脹機系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)濟效益和環(huán)境效益經(jīng)濟效益和環(huán)境效益總結(jié)總結(jié)Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 技術(shù)應(yīng)用背景技術(shù)應(yīng)用背景 國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要中能源為中能源為排在首位的重點領(lǐng)域，工業(yè)節(jié)能又是該領(lǐng)域的優(yōu)先排在首位的重點領(lǐng)域，工業(yè)節(jié)能又是該領(lǐng)域的優(yōu)先主題，余熱余壓利用工程是中國主題，余熱余壓利用工程是中國節(jié)能中長期發(fā)展節(jié)能中長期發(fā)展專項規(guī)劃專項規(guī)劃中的十大重點節(jié)能工程之一。在我國化中的十大重點節(jié)能工程之一。在我國化工、冶金、紡織、建材、電力、醫(yī)藥等各工業(yè)領(lǐng)域工、

3、冶金、紡織、建材、電力、醫(yī)藥等各工業(yè)領(lǐng)域存在著大量的余熱，但有些余熱規(guī)模較小，溫度較存在著大量的余熱，但有些余熱規(guī)模較小，溫度較低（低（250250），難以采用常規(guī)發(fā)電技術(shù)進行余熱回），難以采用常規(guī)發(fā)電技術(shù)進行余熱回收發(fā)電。利用有機工質(zhì)循環(huán)（也稱為雙循環(huán)）的螺收發(fā)電。利用有機工質(zhì)循環(huán)（也稱為雙循環(huán)）的螺桿膨脹機來回收余熱進行發(fā)電或輸出動力，是解決桿膨脹機來回收余熱進行發(fā)電或輸出動力，是解決這個問題的一條途徑。這個問題的一條途徑。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機的輸出功率可以在螺桿膨脹機的輸出功率可以在5kW5kW1000

4、kW1000kW之間，之間，恰好彌補了蒸汽輪機單機功率不能太小的空間。另外恰好彌補了蒸汽輪機單機功率不能太小的空間。另外，蒸汽輪機的蒸汽只能是過熱蒸汽和飽和蒸汽，而對，蒸汽輪機的蒸汽只能是過熱蒸汽和飽和蒸汽，而對于于250250的余熱回收，利用有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機的余熱回收，利用有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)是有效的選擇方案之一。同時，這一系統(tǒng)還可以系統(tǒng)是有效的選擇方案之一。同時，這一系統(tǒng)還可以用到太陽能、地?zé)崮艿戎械蜏乜稍偕茉窗l(fā)電項目中用到太陽能、地?zé)崮艿戎械蜏乜稍偕茉窗l(fā)電項目中去。因此，有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)用于低溫余去。因此，有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)用于低溫余熱回收利用，應(yīng)當(dāng)有廣

5、闊的技術(shù)發(fā)展空間。熱回收利用，應(yīng)當(dāng)有廣闊的技術(shù)發(fā)展空間。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機的基本構(gòu)造螺桿膨脹機的基本構(gòu)造 螺桿膨脹機是一種依據(jù)容積變化原理工作的螺桿膨脹機是一種依據(jù)容積變化原理工作的雙軸回轉(zhuǎn)式螺桿機械。它的結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機雙軸回轉(zhuǎn)式螺桿機械。它的結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機基本相同，主要由一對螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承基本相同，主要由一對螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等零件組成、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等零件組成，結(jié)構(gòu)簡單，其氣缸呈兩圓相交的，結(jié)構(gòu)簡單，其氣缸呈兩圓相交的“”“”字形字形，兩根按一定傳

6、動比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋，兩根按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。 Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.結(jié)構(gòu)簡圖結(jié)構(gòu)簡圖Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機的工作原理螺桿膨脹機的工作原理 作功介質(zhì)先進入機內(nèi)螺桿齒槽作功介質(zhì)先進入機內(nèi)螺桿齒槽A A，推動螺桿，推動螺桿轉(zhuǎn)動，隨著螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽轉(zhuǎn)動，隨著螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽A A旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)到B B、C C、D D逐逐漸加長、容積增大，介質(zhì)降壓降溫膨脹（或閃漸加長、容積增

7、大，介質(zhì)降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽蒸）做功，最后從齒槽E E排出，功率從主軸陽螺排出，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)桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅(qū)動風(fēng)機、壓縮機、水泵或發(fā)電機發(fā)電等。動風(fēng)機、壓縮機、水泵或發(fā)電機發(fā)電等。 Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機作為余熱回收動力機，具有的技術(shù)特點螺桿膨脹機作為余熱回收動力機，具有的技術(shù)特點（1 1）螺桿膨脹機適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相及）螺桿膨脹機適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相及（帶壓）熱水的動力機械，可以回收不同種類的工業(yè)

8、余（帶壓）熱水的動力機械，可以回收不同種類的工業(yè)余熱；熱；（2 2）螺桿膨脹機還適用于高鹽份的強堿流體，能除垢自潔）螺桿膨脹機還適用于高鹽份的強堿流體，能除垢自潔，而且結(jié)垢有利于提高機器效率，因而對余熱流體品質(zhì)，而且結(jié)垢有利于提高機器效率，因而對余熱流體品質(zhì)要求不高，擴大了應(yīng)用范圍；要求不高，擴大了應(yīng)用范圍；（3 3）當(dāng)余熱熱源不穩(wěn)定，參數(shù)變化時，機組效率表現(xiàn)穩(wěn)定）當(dāng)余熱熱源不穩(wěn)定，參數(shù)變化時，機組效率表現(xiàn)穩(wěn)定。螺桿膨脹機允許熱源壓力、流量在大范圍內(nèi)波動，對。螺桿膨脹機允許熱源壓力、流量在大范圍內(nèi)波動，對機組效率影響不大；螺桿膨脹機為容積式工作原理機，機組效率影響不大；螺桿膨脹機為容積式工作原

9、理機，機內(nèi)流速低，除泄漏損失外，很少其他損失，機組效率機內(nèi)流速低，除泄漏損失外，很少其他損失，機組效率較高，即使蒸汽參數(shù)或負(fù)荷變動仍能保持高效率。較高，即使蒸汽參數(shù)或負(fù)荷變動仍能保持高效率。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.（4 4）螺桿膨脹機運行不用盤車、不暖機、不會飛車，可）螺桿膨脹機運行不用盤車、不暖機、不會飛車，可以直接沖轉(zhuǎn)啟動，操作簡單，可實現(xiàn)無人職守，維修以直接沖轉(zhuǎn)啟動，操作簡單，可實現(xiàn)無人職守，維修容易，不需要專門的專業(yè)技術(shù)人員，很適合工礦企業(yè)容易，不需要專門的專業(yè)技術(shù)人員，很適合工礦企業(yè)使用；使用；（5 5）螺桿膨脹機

10、的零部件少。螺桿轉(zhuǎn)子堅固，大修周期）螺桿膨脹機的零部件少。螺桿轉(zhuǎn)子堅固，大修周期長，小修簡單，運行維護費用很低；長，小修簡單，運行維護費用很低；（6 6）可調(diào)速，作為動力機使用，如拖動給水泵或灰漿水）可調(diào)速，作為動力機使用，如拖動給水泵或灰漿水泵，拖動風(fēng)機，壓縮機可以根據(jù)要求靈活變速，使用泵，拖動風(fēng)機，壓縮機可以根據(jù)要求靈活變速，使用方便。方便。 Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機的研究狀況螺桿膨脹機的研究狀況 七十年代末，美國研制出利用地?zé)崴l(fā)電的汽七十年代末，美國研制出利用地?zé)崴l(fā)電的汽水兩相螺桿膨脹機，功率水兩相螺桿

11、膨脹機，功率60KW60KW。八十年代后期美。八十年代后期美國完成一臺國完成一臺1000KW1000KW地?zé)崴l(fā)電螺桿膨脹機，隨后地?zé)崴l(fā)電螺桿膨脹機，隨后，日本北海道大學(xué)進行了氟利昂汽液兩相螺桿膨，日本北海道大學(xué)進行了氟利昂汽液兩相螺桿膨脹機的試驗，脹機的試驗，8080年代后期，日本進行了工業(yè)鍋爐年代后期，日本進行了工業(yè)鍋爐飽和蒸汽螺桿膨脹機壓差發(fā)電研究，功率飽和蒸汽螺桿膨脹機壓差發(fā)電研究，功率102KW102KW。近年來，美國，以色列，瑞典都有相關(guān)研究報導(dǎo)近年來，美國，以色列，瑞典都有相關(guān)研究報導(dǎo)。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng

12、. 我國對螺桿膨脹機的研究始于上世紀(jì)我國對螺桿膨脹機的研究始于上世紀(jì)8080年代。年代。天津大學(xué)熱能系在天津大學(xué)熱能系在19871987年研制成功汽液兩相地?zé)崮暄兄瞥晒ζ簝上嗟責(zé)崧輻U膨脹機發(fā)電裝置螺桿膨脹機發(fā)電裝置 ( (功率為功率為5kw)5kw)。此后，對螺。此后，對螺桿膨脹機進行了系統(tǒng)的理論和試驗研究。近年來桿膨脹機進行了系統(tǒng)的理論和試驗研究。近年來，由于節(jié)能減排的需求，在前期研究基礎(chǔ)上，完，由于節(jié)能減排的需求，在前期研究基礎(chǔ)上，完成了有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機的熱力循環(huán)研究、成了有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機的熱力循環(huán)研究、有機工質(zhì)應(yīng)用研究、裝置結(jié)構(gòu)研究和系統(tǒng)優(yōu)化配有機工質(zhì)應(yīng)用研究、裝置結(jié)構(gòu)研究

13、和系統(tǒng)優(yōu)化配置研究等項工作，并取得了一定的技術(shù)成果。置研究等項工作，并取得了一定的技術(shù)成果。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng) 對于低于對于低于250250的低溫低壓（或常壓）余熱的低溫低壓（或常壓）余熱熱源，不能直接利用螺桿膨脹機作功，要先熱源，不能直接利用螺桿膨脹機作功，要先用低溫余熱與有機工質(zhì)進行熱交換，再將有用低溫余熱與有機工質(zhì)進行熱交換，再將有機工質(zhì)引入螺桿膨脹機作功。整個系統(tǒng)主要機工質(zhì)引入螺桿膨脹機作功。整個系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、螺桿膨脹機、冷凝器、工質(zhì)泵等由蒸發(fā)器、螺桿膨

14、脹機、冷凝器、工質(zhì)泵等設(shè)備組成。設(shè)備組成。 Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機發(fā)電系統(tǒng)簡圖有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機發(fā)電系統(tǒng)簡圖Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 有機工質(zhì)螺桿膨脹機系統(tǒng)的設(shè)計有機工質(zhì)螺桿膨脹機系統(tǒng)的設(shè)計 有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機的熱力系統(tǒng)設(shè)計有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機的熱力系統(tǒng)設(shè)計（包括系統(tǒng)熱力參數(shù)的確定、工質(zhì)選擇、熱（包括系統(tǒng)熱力參數(shù)的確定、工質(zhì)選擇、熱交換器設(shè)計等）。會直接影響系統(tǒng)的運行效交換器設(shè)計等）。會直接影響系統(tǒng)的運行效率。率。 De

15、part. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 循環(huán)系統(tǒng)熱力參數(shù)確定循環(huán)系統(tǒng)熱力參數(shù)確定 在得到熱源的溫度和流量等條件后，需要在得到熱源的溫度和流量等條件后，需要確定循環(huán)熱力參數(shù)，主要是有機工質(zhì)的蒸發(fā)溫確定循環(huán)熱力參數(shù)，主要是有機工質(zhì)的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度以及換熱溫差等，這些參數(shù)會對度和冷凝溫度以及換熱溫差等，這些參數(shù)會對循環(huán)效率有較大的影響。循環(huán)效率有較大的影響。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 有機工質(zhì)的選擇有機工質(zhì)的選擇 對于有機工質(zhì)循環(huán)，經(jīng)常選用的工質(zhì)有對于有機工質(zhì)循環(huán)，經(jīng)常選用的工

16、質(zhì)有R123R123、R245faR245fa、R152aR152a、氯乙烷、丙烷、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。正丁烷、異丁烷等。在余熱發(fā)電系統(tǒng)中，在余熱發(fā)電系統(tǒng)中，對于不同類型，不同溫度的熱源應(yīng)當(dāng)選擇對于不同類型，不同溫度的熱源應(yīng)當(dāng)選擇不同的工質(zhì)，不同的工質(zhì)，工質(zhì)的優(yōu)選也會影響到系統(tǒng)工質(zhì)的優(yōu)選也會影響到系統(tǒng)的效率。的效率。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 對于工質(zhì)的選擇要求對于工質(zhì)的選擇要求（1 1）發(fā)電性能好，在相同條件下，實際發(fā)電量較大；）發(fā)電性能好，在相同條件下，實際發(fā)電量較大；（2 2）傳熱性能好，在相同條件下，換熱系

17、數(shù)較大；）傳熱性能好，在相同條件下，換熱系數(shù)較大；（3 3）工質(zhì)的壓力水平適宜，在相應(yīng)的熱源溫度下，工）工質(zhì)的壓力水平適宜，在相應(yīng)的熱源溫度下，工質(zhì)的飽和壓力不很高；在冷源溫度下，不會出現(xiàn)高質(zhì)的飽和壓力不很高；在冷源溫度下，不會出現(xiàn)高度真空；度真空；（4 4）來源豐富，價格低廉；）來源豐富，價格低廉；（5 5）化學(xué)穩(wěn)定性好，不分解，對金屬的腐蝕性小，毒）化學(xué)穩(wěn)定性好，不分解，對金屬的腐蝕性小，毒性小，不燃，不爆。性小，不燃，不爆。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 熱交換器的設(shè)計熱交換器的設(shè)計 需要根據(jù)余熱的類型和特點設(shè)計熱需要根據(jù)余

18、熱的類型和特點設(shè)計熱交換器。包括蒸發(fā)器，冷凝器，預(yù)熱交換器。包括蒸發(fā)器，冷凝器，預(yù)熱器等。器等。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 經(jīng)濟效益經(jīng)濟效益 例如：例如：余熱熱源為余熱熱源為8585的熱水，流量為的熱水，流量為100t/h100t/h，冷卻水溫度為冷卻水溫度為2525。 采用有機工質(zhì)循環(huán)方式，以戊烷作為循環(huán)工質(zhì)，采用有機工質(zhì)循環(huán)方式，以戊烷作為循環(huán)工質(zhì)，在扣除工質(zhì)泵耗功，冷卻水泵耗功之后，計算表在扣除工質(zhì)泵耗功，冷卻水泵耗功之后，計算表明，一噸熱水每小時大約可以發(fā)出明，一噸熱水每小時大約可以發(fā)出1.01.0度的電。度的電。為此

19、，系統(tǒng)設(shè)計方案的經(jīng)濟效益估算如下：為此，系統(tǒng)設(shè)計方案的經(jīng)濟效益估算如下：Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.年發(fā)電量估算年發(fā)電量估算 年運行按年運行按70007000小時計算，則年發(fā)電量為（采用小時計算，則年發(fā)電量為（采用帶有冷卻水塔或噴水池的循環(huán)供水冷卻系統(tǒng)）帶有冷卻水塔或噴水池的循環(huán)供水冷卻系統(tǒng)） 1.0 1.01001007000=700000 kWh7000=700000 kWh年經(jīng)濟效益年經(jīng)濟效益 電價按電價按0.50.5元元/ kWh/ kWh計算，則年效益為計算，則年效益為 700000 7000000.50.535.035.0萬元萬元/ /年年Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 環(huán)境效益環(huán)境效益 采用有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)，全年采用有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)，全年發(fā)電量發(fā)電量700000 kWh700000 kWh，若替代火力發(fā)電，估，若替代火力發(fā)電，估算算SO2SO2、CO2CO2減排量為：減排量為： 減排二氧化硫減排二氧化硫S