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

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

技術(shù)應(yīng)用背景介紹螺桿膨脹機的構(gòu)造和工作原理

螺桿膨脹機的技術(shù)特點

研究狀況有機工質(zhì)螺桿膨脹機系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)濟效益和環(huán)境效益總結(jié)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》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)先主題，余熱余壓利用工程是中國《節(jié)能中長期發(fā)展專項規(guī)劃》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。

螺桿膨脹機的輸出功率可以在5kW～1000kW之間，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，而對于<250℃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、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“∞”字形，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。結(jié)構(gòu)簡圖

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A，推動螺桿轉(zhuǎn)動，隨著螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽A旋轉(zhuǎn)到B、C、D逐漸加長、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，功率從主軸陽螺桿輸出，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。

螺桿膨脹機作為余熱回收動力機，具有的技術(shù)特點（1）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)余熱；（2）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)要求不高，擴大了應(yīng)用范圍；（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。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)或負荷變動仍能保持高效率。（4）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；（5）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；（6）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，使用方便。

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)電的汽水兩相螺桿膨脹機，功率60KW。八十年代后期美國完成一臺1000KW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脹機的試驗，80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102KW。近年來，美國，以色列，瑞典都有相關(guān)研究報導(dǎo)。

我國對螺桿膨脹機的研究始于上世紀(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膨脹機發(fā)電裝置(功率為5kw)。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，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、有機工質(zhì)應(yīng)用研究、裝置結(jié)構(gòu)研究和系統(tǒng)優(yōu)化配置研究等項工作，并取得了一定的技術(shù)成果。

有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)

對于低于250℃的低溫低壓（或常壓）余熱熱源，不能直接利用螺桿膨脹機作功，要先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)主要由蒸發(fā)器、螺桿膨脹機、冷凝器、工質(zhì)泵等設(shè)備組成。

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)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（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)會對循環(huán)效率有較大的影響。

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)選也會影響到系統(tǒng)的效率。

對于工質(zhì)的選擇要求（1）發(fā)電性能好，在相同條件下，實際發(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，不會出現(xiàn)高度真空；（4）來源豐富，價格低廉；（5）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。熱交換器的設(shè)計需要根據(jù)余熱的類型和特點設(shè)計熱交換器。包括蒸發(fā)器，冷凝器，預(yù)熱器等。

經(jīng)濟效益

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，計算表明，一噸熱水每小時大約可以發(fā)出1.0度的電。為此，系統(tǒng)設(shè)計方案的經(jīng)濟效益估算如下：年發(fā)電量估算年運行按7000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)）1.0×100×7000=700000kW·h年經(jīng)濟效益電價按0.5元/kW·h計算，則年效益為700000×0.5＝35.0萬元/年

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，有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機低溫余熱回收系統(tǒng)，環(huán)保效應(yīng)非常顯著。

總結(jié)●有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機發(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