有机工质循环螺杆膨胀机低温余热发电系统

余热回收再利用技术与产业发展研讨会

有机工质循环螺杆膨胀机低温余热发电系统
天津大学机械工程学院热能工程系李惟毅 liwy@tju.edu.cn 2010.12.12
1
Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

?技术应用背景介绍
?螺杆膨胀机的构造和工作原理
? ?

螺杆膨胀机的技术特点研究状况

?有机工质螺杆膨胀机系统的设计 ?经济效益和环境效益 ?总结

2

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

技术应用背景
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中能源为排在首位的重点领域，工业节能又是该领域的优先主题，余热余压利用工程是中国《节能中长期发展专项规划》中的十大重点节能工程之一。在我国化工、冶金、纺织、建材、电力、医药等各工业领域存在着大量的余热，但有些余热规模较小，温度较低（<250℃），难以采用常规发电技术进行余热回收发电。利用有机工质循环（也称为双循环）的螺杆膨胀机来回收余热进行发电或输出动力，是解决这个问题的一条途径。
3
Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW～1000kW之间，恰好弥补了蒸汽轮机单机功率不能太小的空间。另外，蒸汽轮机的蒸汽只能是过热蒸汽和饱和蒸汽，而对于<250℃的余热回收，利用有机工质循环螺杆膨胀机系统是有效的选择方案之一。同时，这一系统还可以用到太阳能、地热能等中低温可再生能源发电项目中去。因此，有机工质循环螺杆膨胀机系统用于低温余热回收利用，应当有广阔的技术发展空间。
4
Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

螺杆膨胀机的基本构造
螺杆膨胀机是一种依据容积变化原理工作的双轴回转式螺杆机械。它的结构与螺杆压缩机基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中。
5
Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

结构简图

6

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

螺杆膨胀机的工作原理
作功介质先进入机内螺杆齿槽A，推动螺杆转动，随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐渐加长、容积增大，介质降压降温膨胀（或闪蒸）做功，最后从齿槽E排出，功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱动风机、压缩机、水泵或发电机发电等。

7

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

螺杆膨胀机作为余热回收动力机，具有的技术特点
（1）螺杆膨胀机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相及（带压）热水的动力机械，可以回收不同种类的工业余热；

（2）螺杆膨胀机还适用于高盐份的强碱流体，能除垢自洁，而且结垢有利于提高机器效率，因而对余热流体品质要求不高，扩大了应用范围；（3）当余热热源不稳定，参数变化时，机组效率表现稳定。螺杆膨胀机允许热源压力、流量在大范围内波动，对机组效率影响不大；螺杆膨胀机为容积式工作原理机，机内流速低，除泄漏损失外，很少其他损失，机组效率较高，即使蒸汽参数或负荷变动仍能保持高效率。
8
Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

（4）螺杆膨胀机运行不用盘车、不暖机、不会飞车，可以直接冲转启动，操作简单，可实现无人职守，维修容易，不需要专门的专业技术人员，很适合工矿企业使用；（5）螺杆膨胀机的零部件少。螺杆转子坚固，大修周期长，小修简单，运行维护费用很低；（6）可调速，作为动力机使用，如拖动给水泵或灰浆水泵，拖动风机，压缩机可以根据要求灵活变速，使用方便。

9

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

螺杆膨胀机的研究状况
七十年代末，美国研制出利用地热水发电的汽水两相螺杆膨胀机，功率60KW。八十年代后期美国完成一台1000KW地热水发电螺杆膨胀机，随后，日本北海道大学进行了氟利昂汽液两相螺杆膨胀机的试验，80年代后期，日本进行了工业锅炉饱和蒸汽螺杆膨胀机压差发电研究，功率102KW。近年来，美国，以色列，瑞典都有相关研究报导。
10
Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

我国对螺杆膨胀机的研究始于上世纪80年代。

天津大学热能系在1987年研制成功汽液两相地热
螺杆膨胀机发电装置 (功率为5kw)。此后，对螺

杆膨胀机进行了系统的理论和试验研究。近年来
，由于节能减排的需求，在前期研究基础上，完

成了有机工质循环螺杆膨胀机的热力循环研究、
有机工质应用研究、装置结构研究和系统优化配置研究等项工作，并取得了一定的技术成果。

11

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

有机工质循环螺杆膨胀机系统
对于低于250℃的低温低压（或常压）余热热源，不能直接利用螺杆膨胀机作功，要先用低温余热与有机工质进行热交换，再将有机工质引入螺杆膨胀机作功。整个系统主要

由蒸发器、螺杆膨胀机、冷凝器、工质泵等
设备组成。
12
Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

有机工质循环螺杆膨胀机发电系统简图

13

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

有机工质螺杆膨胀机系统的设计
有机工质循环螺杆膨胀机的热力系统设计（包括系统热力参数的确定、工质选择、热交换器设计等）。会直接影响系统的运行效率。

14

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

循

环系统热力参数确定
在得到热源的温度和流量等条件后，需要
确定循环热力参数，主要是有机工质的蒸发温度和冷凝温度以及换热温差等，这些参数会对循环效率有较大的影响。

15

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

有机工质的选择
对于有机工质循环，经常选用的工质有 R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等。在余热发电系统中，对于不同类型，不同温度的热源应当选择

不同的工质，工质的优选也会影响到系统
的效率。
16
Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

对于工质的选择要求
（1）发电性能好，在相同条件下，实际发电量较大；（2）传热性能好，在相同条件下，换热系数较大；（3）工质的压力水平适宜，在相应的热源温度下，工质的饱和压力不很高；在冷源温度下，不会出现高度真空；（4）来源丰富，价格低廉；（5）化学稳定性好，不分解，对金属的腐蚀性小，毒性小，不燃，不爆。

17

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

热交换器的设计
需要根据余热的类型和特点设计热交换器。包括蒸发器，冷凝器，预热器等。

18

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

经济效益
例如：余热热源为85℃的热水，流量为100t/h，冷却水温度为25℃。采用有机工质循环方式，以戊烷作为循环工质，在扣除工质泵耗功，冷却水泵耗功之后，计算表明，一吨热水每小时大约可以发出1.0度的电。为此，系统设计方案的经济效益估算如下：

19

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

年发电量估算年运行按7000小时计算，则年发电量为（采用带有冷却水塔或喷水池的循环供水冷却系统） 1.0×100×7000=700000 kW· h 年经济效益电价按0.5元/ kW· h计算，则年效益为 700000×0.5＝35.0万元/年

20

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

环境效益
采用有机工质循环螺杆膨胀机系统，全年发电量700000 kW· h，若替代火力发电，估算 SO2、CO2减排量为：减排二氧化硫SO2：约21吨

减排二氧化碳CO2：约650吨
由以上数据可知，有机工质循环螺杆膨胀机低温余热回收系统，环保效应非常显著。

21

Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.

总结
● 有机工质循环螺杆膨胀机发电系统是一种低温余热回收新技术，尤其适用于<250℃的低温余热热源。 ●可以应用于化工、冶金、纺织、建材、电力、医药等工业领域还可以推广到可再生能源发电领域中去。 ● 为提高系统效率，根据不同的余热热源特点，要进行系统的优化设计，包括循环热力参数确定，工质的选择，换热器设计等。 ● 有机工质循环螺杆膨胀机不仅可以带动发电机发电，还可以作为动力机拖动压缩机、泵和风机工作