基于單螺桿膨脹機(jī)的余熱余壓發(fā)電_吳玉庭

1、基于單螺桿膨脹的中小型基于單螺桿膨脹的中小型 余熱余熱余壓發(fā)電技術(shù)余壓發(fā)電技術(shù) 報(bào)告內(nèi)容報(bào)告內(nèi)容 余熱回收重點(diǎn)在中低溫余熱回收 1 1 背景背景 4 我國工業(yè)余熱資源十分豐富，估計(jì)其市 場容量達(dá)到2600億元，目前所開發(fā)的多是高 溫（400 C以上）大功率（1000 kW以上） 的余熱資源，對(duì)于廣泛存在的中低溫（300 C以下）低功率（數(shù)十和數(shù)百千瓦）的余熱 資源，由于技術(shù)的限制尚未開發(fā)利用。 余熱回收重點(diǎn)在中低溫余熱回收 1 1 背景背景 低溫余熱回收市場容量大 5 工業(yè)部門工業(yè)部門余熱來源余熱來源 余熱約占燃料余熱約占燃料 消耗量的比例消耗量的比例 年燃料年燃料 消耗量消耗量 /萬噸標(biāo)煤萬

2、噸標(biāo)煤 余熱總量余熱總量 /萬噸標(biāo)煤萬噸標(biāo)煤 冶金工業(yè)高爐、轉(zhuǎn)爐、平爐、均熱爐、軋鋼加熱爐等33%51445.6416977.62 化學(xué)工業(yè)高溫氣體、化學(xué)反應(yīng)、可燃?xì)怏w、高溫產(chǎn)品等15%41301.036195.16 機(jī)械工業(yè)鍛造加熱爐、沖天爐、退火爐等15%10401.371560.25 造紙工業(yè)造紙烘缸、木材壓機(jī)、烘干 機(jī)、制漿黑液等15%3443516.45 玻璃搪瓷工 業(yè) 玻璃熔窯、坩堝窯、搪瓷轉(zhuǎn)爐、搪瓷窯爐等17% 19948.44987 建材工業(yè)高溫排煙、窯頂冷卻、高溫產(chǎn)品等40% 余熱資源合計(jì)30236.48 低溫余熱資源合計(jì)：30236.4830%=9071萬噸標(biāo)煤低溫余熱發(fā)電

3、市場容量：25910MW 總市場容量：25910 MW, 2590億人民幣 年市場容量：500 MW, 50億人民幣 1 1 背景背景 有機(jī)朗肯循環(huán)低溫?zé)嵩窗l(fā)電技術(shù) 與朗肯循環(huán)不同指出在于與朗肯循環(huán)不同指出在于 : : 使用使用 低沸點(diǎn)工質(zhì)做為有機(jī)朗肯循環(huán)工低沸點(diǎn)工質(zhì)做為有機(jī)朗肯循環(huán)工 質(zhì)質(zhì) 在較低溫度下可獲得相對(duì)較高的 發(fā)電效率 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)密度遠(yuǎn)大于水 蒸氣，減小了膨 脹機(jī)、管路和 換熱器 的體積和重量，減小了 空冷冷凝器的尺寸，因此特別適 合空冷使用 冷凝壓力高，因此不需抽真空設(shè) 備 凝固點(diǎn)低于50，無需擔(dān)心 冬天的凍堵問題 1 1 背景背景 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù) 國外有機(jī)朗肯循環(huán)系

4、統(tǒng)的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了國外有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到了190190萬千瓦萬千瓦 國外發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)狀 1 1 背景背景 目前有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率與卡諾循環(huán)效率還有很大差距，需要進(jìn)一步提高目前有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率與卡諾循環(huán)效率還有很大差距，需要進(jìn)一步提高 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度，提高效率。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱力學(xué)完善度，提高效率。 1 1 背景背景 國際上有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量已達(dá)200萬千瓦以 上，但都是MW級(jí)的，缺乏百、十千瓦級(jí)的有機(jī)朗肯循環(huán) 電站。 工業(yè)過程中廣泛存在數(shù)量巨大的小規(guī)模熱源，急需百千瓦、 十千瓦級(jí)的有機(jī)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電 目前廣泛使用的蒸汽

5、輪機(jī)一般在1000千瓦以上，幾十千 瓦的小型蒸汽輪機(jī)效率很低。 航空上廣泛采用的渦輪膨脹機(jī)雖然功率可滿足要求，但由 于轉(zhuǎn)速極高，因此需要減速裝置，增加了成本，降低了效 率，尤其對(duì)于小型余熱裝置來說，增加一套減速裝置，將 會(huì)顯著增加發(fā)電成本。 目前缺乏技術(shù)成熟的小型膨脹機(jī)技術(shù) 1 1 背景背景 一、研究背景及關(guān)鍵科學(xué)問題膨脹機(jī)類型 容積式膨脹機(jī)適合小型膨脹機(jī) 1 1 背景背景 30405060708090 100 110 120 130 140 150 160 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 膨脹比膨脹比 進(jìn)口溫度 / 進(jìn)口溫度 / 出口溫度 出口溫度 30 40 50

6、60 進(jìn)出口溫度與膨脹比的關(guān)系（進(jìn)出口溫度與膨脹比的關(guān)系（R245fa為例）為例） 有機(jī)朗肯循環(huán)所需膨脹機(jī)要求較高的膨脹有機(jī)朗肯循環(huán)所需膨脹機(jī)要求較高的膨脹比比 高熱效率高熱效率 工質(zhì)物性工質(zhì)物性 充分利用溫差充分利用溫差 大膨脹比大膨脹比 1 1 背景背景 螺桿膨脹機(jī)工質(zhì)試驗(yàn)范圍廣，適合百千瓦級(jí)、十千瓦級(jí)和千瓦級(jí) 1 1 背景背景 單桿膨脹機(jī)原理單桿膨脹機(jī)原理 1 1 背景背景 單螺桿同雙螺桿的比較單螺桿同雙螺桿的比較 受力不平衡受力不平衡 存在三角泄露區(qū)存在三角泄露區(qū) 受力平衡受力平衡 低泄露低泄露 1 1 背景背景 單螺桿膨脹機(jī)技術(shù)在余熱回收中的優(yōu)勢(shì) （1）轉(zhuǎn)速與主機(jī)大體相同，兩 種發(fā)動(dòng)

7、機(jī)可以同軸輸出功率； （2）膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)件 少（只有兩個(gè)星輪，一個(gè)螺 桿），受力平衡、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、 振動(dòng)噪音低、壽命長； （3）單螺桿膨脹動(dòng)力機(jī)尚未見 于國外任何報(bào)道，我們具有 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 1 1 背景背景 我們的創(chuàng)新：單螺桿膨脹機(jī)+有機(jī)朗肯循環(huán) 1. 單螺桿膨脹機(jī)，填補(bǔ)國際空白 優(yōu)點(diǎn)：單機(jī)功率11000kW，蒸汽輪機(jī)不適用 工質(zhì)適應(yīng)性廣：飽和蒸汽、過熱蒸汽，氣液混合物 結(jié)構(gòu)簡單，壽命長，效率高 2. 有機(jī)朗肯循環(huán)。 采用有機(jī)工質(zhì)代替水最為工質(zhì)，可使余熱回收發(fā)電的最低溫度 降低到80 1 1 背景背景 單螺桿膨脹機(jī)相關(guān)科研項(xiàng)目 2 2 進(jìn)展進(jìn)展 關(guān)鍵部件加工技術(shù)關(guān)鍵部件加工技術(shù) 研發(fā)

8、出展成法加工高精度螺桿和星輪研發(fā)出展成法加工高精度螺桿和星輪 p我們加工的嚙合副在槽底的配合間隙我們加工的嚙合副在槽底的配合間隙0.02mm90(90） 3 3 應(yīng)用場合應(yīng)用場合 蒸汽鍋爐余壓發(fā)電技術(shù) 供熱鍋爐 產(chǎn)生蒸汽和熱水汽用戶之間對(duì) 蒸汽和熱水的溫度壓力要求不 同，常常需要加裝減壓閥，因此 常有0.8-1兆帕的壓力差白白的 浪費(fèi)掉 工業(yè)鍋爐 蒸汽壓力一般在0.8MPa以上， 溫度可達(dá)270以上，而造紙、 印染、化工、釀酒、制糖等行業(yè) 的生產(chǎn)設(shè)備是低壓或無壓容器， 為保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備和滿足生產(chǎn)工藝 用汽參數(shù)，不得不裝減溫減壓器， 其高位熱能白白的扔掉 ， 使用單螺桿膨脹機(jī)代替減溫減壓閥，在實(shí)現(xiàn)

9、減使用單螺桿膨脹機(jī)代替減溫減壓閥，在實(shí)現(xiàn)減 壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，可取得很大的節(jié)能效益壓的同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)電，可取得很大的節(jié)能效益 3 3 應(yīng)用場合應(yīng)用場合 天然氣輸送管線的余壓發(fā)電系統(tǒng) 僅西氣東輸管道工 程公司就可以建立270余 座功率不等的余壓發(fā)電 站，潛在的市場價(jià)值更 在10億元人民幣以上。 隨著輸氣管線增加，市 場也會(huì)不斷擴(kuò)大。余壓 發(fā)電的每千瓦的市場價(jià) 格約為5000元人民幣， 設(shè)備的生產(chǎn)和制造可獲 得成倍利潤。 設(shè)備投產(chǎn)后，2年回 收成本。 3 3 應(yīng)用場合應(yīng)用場合 天然氣輸配系統(tǒng)余壓發(fā)電技術(shù)（美國）天然氣輸配系統(tǒng)余壓發(fā)電技術(shù)（美國） 中石油西氣東輸公司資助我們59萬元開發(fā)單螺桿膨脹 機(jī)輸氣

10、管道壓力能發(fā)電系統(tǒng) 單螺桿膨脹機(jī)在千瓦百千瓦級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)中具有很好 的應(yīng)用前景； 北京工業(yè)大學(xué)掌握了單螺桿膨脹機(jī)關(guān)鍵部件的制造技術(shù)， 研制了四種型號(hào)的膨脹機(jī)，并進(jìn)行了壓縮空氣、水蒸汽和 有機(jī)工質(zhì)的單螺桿膨脹機(jī)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果證明單螺桿 膨脹機(jī)目前穩(wěn)定運(yùn)行效率在6080%之間，已達(dá)到實(shí)用 化水平 北京工業(yè)大學(xué)成功進(jìn)行了單螺桿膨脹機(jī)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電 系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室長期運(yùn)行，特別為濰柴動(dòng)力生產(chǎn)247kW柴 油機(jī)配套研發(fā)的單螺桿膨脹機(jī)廢氣余熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生了最 大10.38kW的功率輸出，最大凈發(fā)電效率大于6.5% 單螺桿膨脹機(jī)余熱余壓發(fā)電可在工業(yè)窯爐煙氣余熱發(fā)電、 固定式和車載內(nèi)燃機(jī)廢氣余熱發(fā)電、工

11、業(yè)廢水余熱發(fā)電、 天然氣余壓發(fā)電和蒸汽余壓發(fā)電中得到應(yīng)用。 結(jié)論結(jié)論 感謝各位的光臨感謝各位的光臨 歡迎提出寶貴建議！歡迎提出寶貴建議！ 有機(jī)朗肯循環(huán)低溫?zé)嵩窗l(fā)電技術(shù) 與朗肯循環(huán)不同指出在于與朗肯循環(huán)不同指出在于 : : 使用使用 低沸點(diǎn)工質(zhì)做為有機(jī)朗肯循環(huán)工低沸點(diǎn)工質(zhì)做為有機(jī)朗肯循環(huán)工 質(zhì)質(zhì) 在較低溫度下可獲得相對(duì)較高的 發(fā)電效率 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)密度遠(yuǎn)大于水 蒸氣，減小了膨 脹機(jī)、管路和 換熱器 的體積和重量，減小了 空冷冷凝器的尺寸，因此特別適 合空冷使用 冷凝壓力高，因此不需抽真空設(shè) 備 凝固點(diǎn)低于50，無需擔(dān)心 冬天的凍堵問題 1 1 背景背景 建立了單螺桿膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的仿真和模擬平臺(tái) 可進(jìn)行單螺桿壓縮機(jī)和膨可進(jìn)行單螺桿壓縮機(jī)和膨 脹機(jī)內(nèi)部工作過程的仿真，脹機(jī)內(nèi)部工作過程的仿真， 流動(dòng)傳熱和容積變化計(jì)算，流動(dòng)傳熱和容積變化計(jì)算， 受力分析、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參受力分析、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參 數(shù)優(yōu)化等的研究。數(shù)優(yōu)化等的研究。 2 2 進(jìn)展進(jìn)展 建立了單螺桿膨脹機(jī)和壓縮機(jī)的仿真和模擬平臺(tái) 可進(jìn)行單螺桿壓縮機(jī)和膨可進(jìn)行單螺桿壓縮機(jī)和膨 脹機(jī)內(nèi)部工作過程的仿真，脹機(jī)內(nèi)部工作過程的仿真， 流動(dòng)傳熱和容積變化計(jì)算，流動(dòng)傳熱和容積變化計(jì)算， 受力分析、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參受力分析、壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)參 數(shù)優(yōu)化等的研究。數(shù)優(yōu)化等的研究。 2 2 進(jìn)展進(jìn)展 熱水（蒸汽）廢熱發(fā)電系統(tǒng)熱水（蒸汽）廢熱發(fā)電系統(tǒng) 鋼鐵沖