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)

1、1Depart. 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(huì)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)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)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院熱能工程系天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院熱能工程系李惟毅李惟毅 2010.12.122010.12.122Depart. 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(jī)的構(gòu)造和工作原理螺桿膨脹機(jī)的構(gòu)造和工作原理 螺桿膨脹機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)螺桿膨脹機(jī)的技術(shù)特點(diǎn) 研究狀況研究狀況有

2、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)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益總結(jié)總結(jié)3Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 技術(shù)應(yīng)用背景技術(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)主題，余熱余壓利用工程是中國(guó)節(jié)能中長(zhǎng)期發(fā)展節(jié)能中長(zhǎng)期發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃專項(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)

3、域工、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(jìn)行余熱回），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。這個(gè)問(wèn)題的一條途徑。4Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機(jī)的輸出功率可以在螺桿膨脹機(jī)的輸出功率可以在5kW5kW

4、1000kW1000kW之間，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)，蒸汽輪機(jī)的蒸汽只能是過(guò)熱蒸汽和飽和蒸汽，而對(duì)于于250250的余熱回收，利用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)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，

5、應(yīng)當(dāng)有廣闊的技術(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。5Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機(jī)的基本構(gòu)造螺桿膨脹機(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)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、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，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其氣缸呈兩圓相交的“”“”字形字形，兩

6、根按一定傳動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋，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。形陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。 6Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖7Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機(jī)的工作原理螺桿膨脹機(jī)的工作原理 作功介質(zhì)先進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽作功介質(zhì)先進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽A A，推動(dòng)螺桿，推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽A A旋轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)到B B、C C、D D逐逐漸加長(zhǎng)、容積增大，介質(zhì)降壓降溫膨脹（或閃

7、漸加長(zhǎng)、容積增大，介質(zhì)降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽蒸）做功，最后從齒槽E E排出，功率從主軸陽(yáng)螺排出，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)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。動(dòng)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、水泵或發(fā)電機(jī)發(fā)電等。 8Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 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)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 1）螺桿膨脹機(jī)適用于過(guò)熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相及）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

8、收不同種類的工業(yè)余（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；熱；（2 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）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)，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；要求不高，擴(kuò)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(shí)，機(jī)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(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)。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)組效率影響不大；螺桿膨脹

9、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。較高，即使蒸汽參數(shù)或負(fù)荷變動(dòng)仍能保持高效率。9Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.（4 4）螺桿膨脹機(jī)運(yùn)行不用盤(pán)車(chē)、不暖機(jī)、不會(huì)飛車(chē)，可）螺桿膨脹機(jī)運(yùn)行不用盤(pán)車(chē)、不暖機(jī)、不會(huì)飛車(chē)，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)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；使用；（

10、5 5）螺桿膨脹機(jī)的零部件少。螺桿轉(zhuǎn)子堅(jiān)固，大修周期）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；長(zhǎng)，小修簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用很低；（6 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）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。方便。 10Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 螺桿膨脹機(jī)的研究狀況螺桿膨脹機(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

11、膨脹機(jī)，功率水兩相螺桿膨脹機(jī)，功率60KW60KW。八十年代后期美。八十年代后期美國(guó)完成一臺(tái)國(guó)完成一臺(tái)1000KW1000KW地?zé)崴l(fā)電螺桿膨脹機(jī)，隨后地?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，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)，脹機(jī)的試驗(yàn)，8080年代后期，日本進(jìn)行了工業(yè)鍋爐年代后期，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，功率飽和蒸汽螺桿膨脹機(jī)壓差發(fā)電研究，功率102KW102KW。近年來(lái)，美國(guó)，以色列，瑞典都有相關(guān)研究報(bào)導(dǎo)近年來(lái)，美國(guó)，以色列，瑞典都有相關(guān)研究報(bào)導(dǎo)。11Depart. Thermal Energy & Refr

12、igeration Eng. 我國(guó)對(duì)螺桿膨脹機(jī)的研究始于上世紀(jì)我國(guó)對(duì)螺桿膨脹機(jī)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(jī)發(fā)電裝置螺桿膨脹機(jī)發(fā)電裝置 ( (功率為功率為5kw)5kw)。此后，對(duì)螺。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)?xiàng)U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，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、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)化配有機(jī)

13、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。置研究等項(xiàng)工作，并取得了一定的技術(shù)成果。12Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng) 對(duì)于低于對(duì)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(jī)作功，要先熱源，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

14、凝器、工質(zhì)泵等由蒸發(fā)器、螺桿膨脹機(jī)、冷凝器、工質(zhì)泵等設(shè)備組成。設(shè)備組成。 13Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 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)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖14Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 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)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)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（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)行效交換器設(shè)計(jì)等）

15、。會(huì)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。率。 15Depart. 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(jī)工質(zhì)的蒸發(fā)溫確定循環(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)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。循環(huán)效率有較大的影響。16Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 有機(jī)工質(zhì)的選擇有機(jī)工質(zhì)的選擇 對(duì)于有機(jī)工質(zhì)循環(huán)，

16、經(jīng)常選用的工質(zhì)有對(duì)于有機(jī)工質(zhì)循環(huán)，經(jīng)常選用的工質(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(duì)于不同類型，不同溫度的熱源應(yīng)當(dāng)選擇對(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)，不同的工質(zhì)，工質(zhì)的優(yōu)選也會(huì)影響到系統(tǒng)工質(zhì)的優(yōu)選也會(huì)影響到系統(tǒng)的效率。的效率。17Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 對(duì)于工質(zhì)的選擇要求對(duì)于工質(zhì)的選擇要求（1 1）發(fā)電性能好，在相同條件下，實(shí)際發(fā)電量較大；）發(fā)電性能好，在相同條件下，實(shí)際發(fā)電

17、量較大；（2 2）傳熱性能好，在相同條件下，換熱系數(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(huì)出現(xiàn)高質(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；度真空；（4 4）來(lái)源豐富，價(jià)格低廉；）來(lái)源豐富，價(jià)格低廉；（5 5）化學(xué)穩(wěn)定性好，不分解，對(duì)金屬的腐蝕性小，毒）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。性小，不燃，不爆。18Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 熱交換器的設(shè)計(jì)熱

18、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)熱交換器。包括蒸發(fā)器，冷凝器，預(yù)熱器等。器等。19Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)濟(jì)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(jī)工質(zhì)循環(huán)方式，以戊烷作為循環(huán)工質(zhì)，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)出明，

19、一噸熱水每小時(shí)大約可以發(fā)出1.01.0度的電。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：為此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)效益估算如下：20Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.年發(fā)電量估算年發(fā)電量估算 年運(yùn)行按年運(yùn)行按70007000小時(shí)計(jì)算，則年發(fā)電量為（采用小時(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)）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 7000=700000 kWhkWh年經(jīng)濟(jì)效益年經(jīng)濟(jì)效益 電價(jià)按電價(jià)按0.50.5元元/ / kWhkWh計(jì)算，則年效益為計(jì)算，則年效益為 700000 7000000.50.535.035.0萬(wàn)元萬(wàn)元/ /年年21Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng. 環(huán)境效益環(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)電量發(fā)電量700000 700000 kWhkWh，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