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

余熱回收再利用技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研討會(huì)有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院熱能工程系李惟毅liwy@2010.12.12

技術(shù)應(yīng)用背景介紹螺桿膨脹機(jī)的構(gòu)造和工作原理

螺桿膨脹機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

研究狀況有機(jī)工質(zhì)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益總結(jié)技術(shù)應(yīng)用背景

《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》中能源為排在首位的重點(diǎn)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(guó)《節(jié)能中長(zhǎng)期發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》中的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。在我國(guó)化工、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，溫度較低（<250℃），難以采用常規(guī)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行余熱回收發(fā)電。利用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)（也稱為雙循環(huán)）的螺桿膨脹機(jī)來(lái)回收余熱進(jìn)行發(fā)電或輸出動(dòng)力，是解決這個(gè)問(wèn)題的一條途徑。

螺桿膨脹機(jī)的輸出功率可以在5kW～1000kW之間，恰好彌補(bǔ)了蒸汽輪機(jī)單機(jī)功率不能太小的空間。另外，蒸汽輪機(jī)的蒸汽只能是過(guò)熱蒸汽和飽和蒸汽，而對(duì)于<250℃的余熱回收，利用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)是有效的選擇方案之一。同時(shí)，這一系統(tǒng)還可以用到太陽(yáng)能、地?zé)崮艿戎械蜏乜稍偕茉窗l(fā)電項(xiàng)目中去。因此，有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)用于低溫余熱回收利用，應(yīng)當(dāng)有廣闊的技術(shù)發(fā)展空間。

螺桿膨脹機(jī)的基本構(gòu)造

螺桿膨脹機(jī)是一種依據(jù)容積變化原理工作的雙軸回轉(zhuǎn)式螺桿機(jī)械。它的結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機(jī)基本相同，主要由一對(duì)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，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋形陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

螺桿膨脹機(jī)的工作原理

作功介質(zhì)先進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽A，推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽A旋轉(zhuǎn)到B、C、D逐漸加長(zhǎng)、容積增大，介質(zhì)降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽E排出，功率從主軸陽(yáng)螺桿輸出，亦可通過(guò)同步齒輪從陰螺桿輸出，驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、水泵或發(fā)電機(jī)發(fā)電等。

螺桿膨脹機(jī)作為余熱回收動(dòng)力機(jī)，具有的技術(shù)特點(diǎn)（1）螺桿膨脹機(jī)適用于過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相及（帶壓）熱水的動(dòng)力機(jī)械，可以回收不同種類的工業(yè)余熱；（2）螺桿膨脹機(jī)還適用于高鹽份的強(qiáng)堿流體，能除垢自潔，而且結(jié)垢有利于提高機(jī)器效率，因而對(duì)余熱流體品質(zhì)要求不高，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍；（3）當(dāng)余熱熱源不穩(wěn)定，參數(shù)變化時(shí)，機(jī)組效率表現(xiàn)穩(wěn)定。螺桿膨脹機(jī)允許熱源壓力、流量在大范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)機(jī)組效率影響不大；螺桿膨脹機(jī)為容積式工作原理機(jī)，機(jī)內(nèi)流速低，除泄漏損失外，很少其他損失，機(jī)組效率較高，即使蒸汽參數(shù)或負(fù)荷變動(dòng)仍能保持高效率。（4）螺桿膨脹機(jī)運(yùn)行不用盤(pán)車、不暖機(jī)、不會(huì)飛車，可以直接沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人職守，維修容易，不需要專門(mén)的專業(yè)技術(shù)人員，很適合工礦企業(yè)使用；（5）螺桿膨脹機(jī)的零部件少。螺桿轉(zhuǎn)子堅(jiān)固，大修周期長(zhǎng)，小修簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用很低；（6）可調(diào)速，作為動(dòng)力機(jī)使用，如拖動(dòng)給水泵或灰漿水泵，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)可以根據(jù)要求靈活變速，使用方便。

螺桿膨脹機(jī)的研究狀況

七十年代末，美國(guó)研制出利用地?zé)崴l(fā)電的汽水兩相螺桿膨脹機(jī)，功率60KW。八十年代后期美國(guó)完成一臺(tái)1000KW地?zé)崴l(fā)電螺桿膨脹機(jī)，隨后，日本北海道大學(xué)進(jìn)行了氟利昂汽液兩相螺桿膨脹機(jī)的試驗(yàn)，80年代后期，日本進(jìn)行了工業(yè)鍋爐飽和蒸汽螺桿膨脹機(jī)壓差發(fā)電研究，功率102KW。近年來(lái)，美國(guó)，以色列，瑞典都有相關(guān)研究報(bào)導(dǎo)。

我國(guó)對(duì)螺桿膨脹機(jī)的研究始于上世紀(jì)80年代。天津大學(xué)熱能系在1987年研制成功汽液兩相地?zé)崧輻U膨脹機(jī)發(fā)電裝置(功率為5kw)。此后，對(duì)螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究。近年來(lái)，由于節(jié)能減排的需求，在前期研究基礎(chǔ)上，完成了有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)的熱力循環(huán)研究、有機(jī)工質(zhì)應(yīng)用研究、裝置結(jié)構(gòu)研究和系統(tǒng)優(yōu)化配置研究等項(xiàng)工作，并取得了一定的技術(shù)成果。

有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)

對(duì)于低于250℃的低溫低壓（或常壓）余熱熱源，不能直接利用螺桿膨脹機(jī)作功，要先用低溫余熱與有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行熱交換，再將有機(jī)工質(zhì)引入螺桿膨脹機(jī)作功。整個(gè)系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、螺桿膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵等設(shè)備組成。

有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖有機(jī)工質(zhì)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)的熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)（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(jì)等）。會(huì)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

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，需要確定循環(huán)熱力參數(shù)，主要是有機(jī)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(huì)對(duì)循環(huán)效率有較大的影響。

有機(jī)工質(zhì)的選擇

對(duì)于有機(jī)工質(zhì)循環(huán)，經(jīng)常選用的工質(zhì)有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在余熱發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)于不同類型，不同溫度的熱源應(yīng)當(dāng)選擇不同的工質(zhì)，工質(zhì)的優(yōu)選也會(huì)影響到系統(tǒng)的效率。

對(duì)于工質(zhì)的選擇要求（1）發(fā)電性能好，在相同條件下，實(shí)際發(fā)電量較大；（2）傳熱性能好，在相同條件下，換熱系數(shù)較大；（3）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(huì)出現(xiàn)高度真空；（4）來(lái)源豐富，價(jià)格低廉；（5）化學(xué)穩(wěn)定性好，不分解，對(duì)金屬的腐蝕性小，毒性小，不燃，不爆。熱交換器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)余熱的類型和特點(diǎn)設(shè)計(jì)熱交換器。包括蒸發(fā)器，冷凝器，預(yù)熱器等。

經(jīng)濟(jì)效益

例如：余熱熱源為85℃的熱水，流量為100t/h，冷卻水溫度為25℃。采用有機(jī)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(jì)算表明，一噸熱水每小時(shí)大約可以發(fā)出1.0度的電。為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)效益估算如下：年發(fā)電量估算年運(yùn)行按7000小時(shí)計(jì)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)）1.0×100×7000=700000kW·h年經(jīng)濟(jì)效益電價(jià)按0.5元/kW·h計(jì)算，則年效益為700000×0.5＝35.0萬(wàn)元/年

環(huán)境效益

采用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)，全年發(fā)電量700000kW·h，若替代火力發(fā)電，估算SO2、CO2減排量為：減排二氧化硫SO2：約21噸減排二氧化碳CO2：約650噸由以上數(shù)據(jù)可知，有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)低溫余熱回收系統(tǒng)，環(huán)保效應(yīng)非常顯著。

總結(jié)●有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)是一種低溫余熱回收新技術(shù)，尤其適用于<250℃的低溫余熱熱源?！窨梢詰?yīng)用于化工、冶金、紡織、建材、電力、醫(yī)藥