（热能工程专业论文）单螺杆膨胀机及其有机朗肯循环系统研究.pdf

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 塞王些盍堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：剖焦亟日期：逊二玉衫 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 廛王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 摘要 摘要 余热余压利用工程是我国节能减排工程的重点之一。目前在我国工业领域中 存在大量小规模的余热资源，由于缺乏有效的技术手段而没有得到充分利用，使 得总体的能源使用效率偏低。因此，开发新型高效的中低温余热发电系统，对于 提高我国能源利用率，改善我国余热资源利用技术缺乏的现状具有重要的意义。 本课题根据中低温余热资源的特点，提出了用单螺杆膨胀机和有机朗肯循环 相结合的发电系统来解决余热资源的高效利用问题。本文首先设计并搭建了单螺 杆膨胀机基本性能测试实验台，以压缩空气为动力源对单螺杆膨胀机进行了基本 性能的试验研究，得到了单螺杆膨胀机的全负荷特性曲线、不同阀门开度下的性 能曲线以及湿度和背压对膨胀机性能的影响曲线。试验结果表明：单螺杆膨胀机 运行平稳、噪音低，运行过程中功率输出特性较好、温降明显，膨胀机的最大输 出功可达5 k w ，温降最大为6 3 ；样机的效率并不是很理想，膨胀机还存在着 很多不完善的地方，尤其是机械损失过大。其中，机械效率最高达到了9 5 ，等 熵效率最高为5 9 ，总效率最大可以达到3 5 。综合看来，样机基本上达到了 设计的初步要求，同时也存在着很大的改进余地。 此外，本文针对以4 0 0 烟气为热源的有机朗肯循环系统，提出确定系统各 主要参数的方法，对r 1 3 4 a 和r 2 4 5 f a 两种工质，利用m a t l a b 进行了计算。比较了 两种工质在此热源条件下的优劣以及过热度对有机朗肯循环系统的影响。通过对 以烟气为热源的有机朗肯循环系统的计算表明，对于r 1 3 4 a 和i 也4 5 f a 两种工质， 过热对增加热力系统输出功没有太大意义。综合比较来看，r 1 3 4 a 在低温段的性 能要好于i 匕4 5 f a ，而r 2 4 5 f a 在高温段的性能更优。 最后，本文还在对膨胀机基本性能测试的基础上，设计并搭建了单螺杆膨胀 机的有机朗肯循环发电系统。同时，创新性的设计和分析了单螺杆膨胀机有机朗 肯循环发电系统在低温余热动力回收方面的应用案例，为中低温余热利用领域开 辟了思路。 关键词单螺杆膨胀机；有机朗肯循环系统；余热余压利用 ：i e 京t 、l k 大学硕十学位论文 i i 。 s y s t e mc o m b m e db yas i n g l es c r e we x p a j l d e ra n do r g a n i cr a n “n ec y c l ew a sp u t f o 州a r dt oi m p r 0 v et h el o we m c i e n tu s eo fw a s t eh e a t f i r s t l y ，t h ea l l t h o rd e s i g n e d a i l db u i l tab a s i cp e r f b m a j l c et e s tb e n c ho fs i n g l es c r e we x p a n d e r s 晰t hc o m p r e s s e d a i ra st h ep o w e rs o u r c e t l l ec h 硼璩t e r i s t i cc u n ，e si n 如l ll o a da n dd i f f e r e n tv a l v e o p e i l i i l ga 1 1 dt h ep e r f o 咖a n c ec u r v ei nd i f f e r e n th 啪i d i t ) ，a i l db a c k i n gp r e s s u r ew e r c o b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es i n g l es c r e we x p a r l d e rp r o t o t ) r p ei n d i c a t e d t h a t ：d u r i n gt h eo p e r a t i o n ，s i n 9 1 es c r e we x p a n d e rn m ss t e a d i l yw i t hl o wn o i s e ，i th a s g o o dp o 、v e ro u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，m em a x i m u mo u t p u tp o 、e rm a yr e a c h5 k w ，a n d m e t e m p e r a t u r ed r o p ss i g n i f i c a n t l y ，u pt o6 3 ；b u t 也ee m c i e n c yo ft h ep r o t o 妙p ei s n o t v e r ys a t i s f a c t o 巧，t h e r e a r es t i l l m a n yi m p e r f e c t i o n se s p e c i a l l y t h e l a r g e m e c h a l l i c a l l o s s h o w e v e rt l l em a x i m u mr n e c h a j l i c a le m c i e n c ym a yr e a c h9 5 ，t h e i s e m r o p i ce m c i e n c y5 9 a n dt l l eo v e r a l le m c i e n c y3 5 t h ep r o t o 够p eb 2 u s i c a l l y m e e t s l ep r e l i m i n a r y d e s i g n ，m e a j l w l l i l et h e r e i sa l s oc o n s i d e r a b l er o o mf o r i i i i p r o v e m e n t s e c o n d l y ，也em e t h o do fd e t e m i n i n gt h em a i np a r a m e t e r sa _ b o u tm eo r g a n i c r 矗n 心n ec y c l es y s t e mw i t l l4 0 0 f l u eg a sa sp o w e rs o u r c ew a sp r o p o s e d ，a 1 1 dt 1 1 e m a i np a r a m e t e r so ft h es y s t e m 、) l j r h i c h 研ok i n d so fr e m g e r a i l tr l3 4 aa l l di 也4 5 f aw e r e u s e di nc a l c u l a t e db ym a t l a b w i t l l4 0 0 f l u eg a s 硒p o 、v e rs o u r c e ，t h ea d v a n t a g e s 柚dd i s a d v a i l t a g e so f 铆or e 伍g e r a n t sw e r ec o m p a r e da 1 1 dt h ei n n u e n c eo fs u p e r h e a t d e g eo nt h ec i r c u l a t o 巧s y s t e mo ft h eor g j 疵cj r a n k i n e 镯a l s oa n a l y z e d t h e c a l c u l a t i o i l so ft h eo r g a n i cr a n l 【i n ec y c l es y s t e mw i t ht l l en u eg a sa st l l ep o 、v e r r e s o u r c es h o wt h a t ，f o rt h er e 衔g e r a n tr 13 4 aa n dr 2 4 5 f a ，o v e r h e a t i n gd o e sn o th a v e m u c hs i g n i f i c 锄to ni n c r e a s i n gt h eo u t p u tp o 、v e ro ft h et h e n n o d y n 锄i cs y s t e m a n d t h ep e r f 0 n 】= l 砒1 c eo frl3 4 ai sb e t t e rt h a nr 2 4 5 f ao nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v e c o m p 撕s o n si nl o w e rt e m p e r a t u r e h o 、v e v e r ，r 2 4 5 f ai sb e t t e ri nh i g h e rt e m p e r a t u r c f i n a l l y ，ae x p e r i m e n t a ls y s t e mo fo r g a j l i c 胁墩i n ec y c l ep o 、e rg e n e r a t i o n 谢t h s i n g l es c r e we x p a n d e r 、a sd e s i g n e da n db u i l to nt h eb a s i so ft h ep e r f o n n a n c et e s to f t h ee x p a n d e r i na d d i t i o n ，i nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i c a t i o nc a s eo ft h eo r g 撕cr a j l k i n e c y c l ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i t hs i n g l es c r e we x p a n d e rw h i c hw a su s e di nt h el o w t e m p e r a t u r e 、糯t eh e a tp o w e rr e c o v e 巧w a sd e s i g l l e da n da n a l y z e di r u l o v a t i v e l yi nt h e i i i 北京丁、i k 夫学硕i j 学住论义 f u t u r e k e y w o r d ss i n g l es c r e we x p a n d e r ；o r g a n i cr a n k i n ec y c l es y s t e m ； 、v a s t eh e a ta n dp r e s s u r er e c o v e 巧 ， p e g q 直管直径，m ； 工质流量，k s ； 感应电动势，v ； 摩擦因子； 重力加速度，“s 2 ； 扬程，m ； 理想焓差，k j l ( g ； 焓值，l ( j 瓜g ； 电流，a ； 定熵指数； 长度，m ； 电磁力矩，n m ； - 扭矩，n m ； 转速，r m i n ； 压力，p a ； 功率，k w ； 轴功率，k w ； 质量流量，k s ； 耗气率，k ( k w h ) ； 体积流量，m 3 l l ； 换热量，k j ； f 温度，； 一时间，s ； 一最小传热温差， 国 一冷却水温升， “ 一流体速度，州s ； y 一容积，m 3 ； ， 一比体积，m 3 蚝； w 一冷却水流量，t l l ； x 一直接测量参数； 希腊字母 万误差： 伊 一磁通量，m ； y 一汽化潜热，k j l ( g ； 刁 一效率； 一动力粘度，k ( m s ) ： p 一密度，蚝m 3 ； 孝 一阻力系数； 下角标 c 冷凝； p 冷源； f 内侧； e 厂 g 珥 办 ， 七 己 m 胛 p 北京厂、l p _ 尺字：硕f “位论文 g 过热器： 热源； 朋质量； 机械； p 泵； s 等熵； r 理想状态或过程； v 体积； w _ 水； 叩水泵； y 预热器； z 蒸发器； 聊绷最大值： ，z 鲥静值； 上角标 7 过热状态 目录 目录 摘昙要i a b s t r a c t i i i 物理量名称及符号表v 第1 章绪论一l 1 1 课题背景和意义1 1 1 1 余压余热资源的回收发电尚缺乏有效的技术1 1 1 2 有机朗肯循环在低温发电系统应用中的优越性1 1 1 3 单螺杆膨胀动力机在低温发电动力设备中的先进性2 1 1 4 本选题的研究意义4 1 2 国内外研究水平及现状4 1 2 1 螺杆膨胀机技术国内外发展概况及现状4 1 2 2 有机朗肯循环余热发电系统国内外研究现状6 1 3 本课题的研究内容和目标7 1 3 1 研究内容7 1 3 2 研究目标8 第2 章单螺杆膨胀机基本性能测试一9 2 1 试验系统概况一9 2 1 1 试验系统简介：9 2 1 2 试验方法及目的9 2 1 3 实验系统主要设备参数和性能。1 0 2 1 4 实验测量系统及性能1 2 2 2 实验系统的搭建1 4 2 2 1 试验平台布置1 4 2 2 2 连轴器的选择和安装1 4 2 2 3 阀门的选择和安装1 4 2 2 4 管路连接和设备的安装1 4 2 3 实验操作步骤15 2 3 1 实验前准备。15 2 3 2 实验中1 6 2 3 3 实验结束后18 2 3 4 实验的重点及难点1 8 2 4 试验结果及分析18 2 4 1 试验结果的整理1 8 2 4 2 试验结果的分析2 0 2 5 实验误差分析2 8 2 6 本章小结3 0 第3 章单螺杆膨胀机有机朗肯循环系统计算3 3 3 1 单螺杆膨胀机有机朗肯循环系统原理3 3 3 2 循环系统分析和计算3 4 3 2 1 系统循环工质的选择3 4 3 2 2 系统各主要参数的确定一3 4 北京t 业大学硕| f 学位论文 3 3 系统的模拟计算及优化3 9 3 4 计算结果分析4 l 3 4 1 采用r 1 3 4 a 为工质的计算结果分析4 l 3 4 2 采用r 2 4 5 f a 为工质的计算结果分析4 3 3 4 3 两种工质的比较4 5 3 5 本章小结4 6 第4 章单螺杆膨胀机有机朗肯循环试验系统搭建4 7 4 1 试验系统设计4 7 4 1 1 试验系统介绍4 7 4 1 2 试验系统计算4 8 4 2 试验主要设备选型5 0 4 2 1 测功系统5 0 4 2 2 导热油加热罐选型设计5 4 4 2 3 换热器选型设计。5 5 4 2 4 工质循环泵5 8 4 2 5 导热油循环泵6 0 4 2 6 储液罐6 0 4 3 试验测量装置及性能6 0 4 3 1 流量测量6 0 4 3 2 温度测量6 l 4 3 3 其他参数的测量6 2 4 4 试验台的搭建6 2 4 4 1 阀门的选择6 2 4 4 2 管路和换热器的保温及防腐6 3 4 5 本章小结6 3 第5 章低温发电项目案例分析6 5 5 1 背景介绍6 5 5 2 系统方案6 5 5 2 1 已知参数6 5 5 2 2 计算依据6 5 5 2 3 技术方案6 6 5 2 4 系统流程6 7 5 2 5 设备选型6 8 5 3 效益分析。6 9 5 4 本章小结7 0 结论及展望7 l 参考文献7 3 攻读硕士期间所发表的学术论文7 7 致谢7 9 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 1 1 1 余压余热资源的回收发电尚缺乏有效的技术 当前，世界各国都非常重视能源的有效利用，一些发达国家能源利用率都占 5 0 以上，美国的能源利用率已超过6 0 ，而我国只有3 0 左右【1 1 。我国能源利 用率低的一个重要原因是能源没有充分达到梯级利用，大量的余压余热资源没有 得到充分利用，而提高能源利用效率的关键措施是节能科学技术进步( 研究分析 显示，技术进步对节能贡献率达到4 0 6 0 ) 【2 1 。在工业生产过程中存在着大 量的余热余压资源：很多工业锅炉由于生产工艺方面的要求需要减压运行；许多 换热设备的排气温度较高【3 】( 见表1 1 ) 。目前，常用的技术手段主要是预热空气、 干燥、生产热水和蒸汽等，但在许多情况下现场没有干燥、热水和蒸汽的需求， 造成余热无法利用，如果能将余热转化为电能，则能够方便使用，具有广泛的适 用性。而传统的利用余热蒸汽直接驱动蒸汽轮机或燃气轮机带动发电机组发电的 方法只适用于高、中温余热的回收利用，对于各工业领域存在的大量低温小规模 余热资源( 2 3 0 以下，1 0 0 0 k w 以下) 尚缺乏有效的技术手段进行回收发电。 因此，寻求实用有效的热力循环方式和高端高效的热力设备已成为了解决此问题 的重要研究课题之一。 表1 1 常见热设备的排气温度 t 蚰1 - 1e x h a u s tt e m p e r a t u r eo ft h ec o m m o nt h e r m a le q u i p m e n t 设备排气温度设备排气温度 高炉1 1 0 0 1 2 0 0干法水泥窑9 0 0 1 0 0 0 炼钢平炉6 0 0 l 1 0 0玻璃熔窑 6 5 0 9 0 0 氧气顶吹转炉 1 6 5 0 1 9 0 0煤气发牛炉4 0 0 7 0 0 铡坯加热炉9 0 0 1 2 0 0燃气轮机 4 0 0 5 5 0 炼焦炉 约1 0 0 0 内燃机 3 0 0 6 0 0 炼铜炉 1 0 0 0 1 3 0 0 热处理炉 4 0 0 6 0 0 镍精炼炉1 4 0 0 1 6 0 0 千燥炉 2 5 0 6 0 0 石油化工装备 3 0 0 4 5 0 锅炉 1 0 0 3 5 0 1 1 2 有机朗肯循环在低温发电系统应用中的优越性 利用低温热能发电的技术主要是基于朗肯循环的热力发电系统设计，如有机 朗肯循环( o r g ；狐c l n k i n ec y c l e ) 、水蒸汽扩容循环、k a l i n a 循环、氨吸收式动力 制冷复合循环等。其中，0 r c 的研究和应用最为广泛，它是采用彳、= 同的低沸点有 机物( 或者混合物) 作为工质，可回收不同温度范围的低温热能，对于低温及中温 的焓热，o r c 技术比常规的水蒸汽朗肯循环有很多优点，主要是在回收显热方面 e 京t 业大学t 学硕十学位论义 有较高的效率，由于循环中显热潜热比例不相等，o r c 技术中此比例大，因此采 用o r c 技术比水蒸气循环会回收较多的热量。到目前为止，全世界已有2 0 0 0 多套 o r c 装置在运行，并且已生产出单机容量为1 4 0 0 0 k w 的o r c 发电机组1 4 7 j 。 1 1 3 单螺杆膨胀动力机在低温发电动力设备中的先进性 螺杆膨胀动力机是一种特别适用于低温、小规模热源发电的动力设备。螺杆 膨胀动力机的功率一般可以在1 0 k w 1 0 0 0 k w 之间【引，而我国目前最小的蒸汽 轮机发电功率为7 5 0 k w ，螺杆膨胀动力机正好弥补了蒸汽轮机单机功率不能太 小的缺陷。而且，蒸汽轮机的进汽只能是过热蒸汽和饱和蒸汽，而螺杆膨胀动力 机由于其独特的结构形式，对进汽的要求不高，可以是过热蒸汽、饱和蒸汽、汽 液两相甚至是热液，这样刁、= 仅利用了工质的显热同时也可能利用工质的潜热，使 热源达到了更为充分的利用，从而提升了能源利用效率。因此，螺杆膨胀动力机 可以很好地与有机朗肯循环配合，在低温余热的应用中相得益彰。螺杆膨胀动力 机又分为单螺杆膨胀动力机和双螺杆膨胀动力机，双螺杆机在我国及美、日等国 家均已得到了成功的研制和应用，而单螺杆机却因其技术之高端，在国际上还未 发现有公司能够生产。双螺杆机是目前市场现有动力膨胀机中的顶端产品，但由 于单螺杆膨胀机具有转子受力平衡、运动部件少等独特的结构，与双螺杆膨胀机 相比具有运转平稳、振动小、噪音低、寿命长和容积效率高等多方面的优势【2 3 】 ( 具体可参考单螺杆压缩机与双螺杆压缩机比较，见表1 2 ) ，因此，单螺杆膨 胀动力机在低温发电动力设备中具有其独特的优势。 表l - 2 单螺杆压缩机与( 双) 螺杆压缩机比较 t a b 1 2t h ec o m p a r i s o no fs i n g l es c r e wc o m p r e s s o ra n dt w i n - s c r e wc o m p r e s s o r 比较项目单螺杆压缩机( 双) 螺杆压缩机 作用力完全平衡，轴承各零部件寿命作用力不平衡，轴承及机器寿命受到 力的平衡性 长，机器寿命长影响 噪声水平 运行较安静比单螺杆压缩机高l o 1 5 d b ( a ) 维修性可现场维修需熟练工人或制造厂维修 运行温度运行温度较低，油温低，零件寿命较长排气温度高1 6 左右 需要排除齿轮故障，存在齿轮传动功 传动方式直接传动，无齿轮的维修及故障 率损失 摩擦情况 摩擦力小，效率高，运行费用低效率较高，运行费用高 注：本表根据美困芝加哥风动工具公司资料整理 工作过程如下： 1 ) 进气过程。高压气体经进气口进入齿间容积后，将推动螺杆旋转，并使齿间 容积不断增大，当图1 3 单螺杆膨胀机的关键部件齿间容积完全与进气口脱离时， 进气过程结束。 2 ) 膨胀过程。进气结束后，螺杆在高压气体的作用下继续转动，随着星轮齿沿 着螺槽推进，齿间容积继续增大，高压高温气体将膨胀为低压低温的气体，同时 输出轴功。当齿间容积与排气口连通时，膨胀过程结束。 3 ) 排气过程。当齿间容积与排气口连通后，由于螺杆继续旋转，做完功的气体 通过排气口输送至排气管，直至星轮齿脱离该螺槽为止。 图1 2 单螺杆膨胀机的工作过程 f i g 1 - 2w 6 r k i n gp r o c e s so f t h es i n g l es c r e w e x p a n d e r p p s y 图1 3 单螺杆膨胀机的理论工作过程 f i g 1 3t h ep r o c e s so ft h e o r e t i c a lw o r kf o r s i n g l es c r e we x p a n d e r 北京t 业大学t 学硕十学位论文 1 1 4 本选题的研究意义 由于有机朗肯循环和单螺杆膨胀机在低温余热发电系统的应用中都独具优 越性，因此，单螺杆膨胀机驱动的低温热源发电热电联产机组采用低沸点有机 工质作为热力循环工质，在理论上必将可以实现在较低温度下获得相对较高的发 电效率。尽管理论上这种发电系统具有极大的优越性，但对其在实际工作中真实 性能的测试和研究是十分必要和重要的，只有通过实践检验才能在真正意义上承 认其优越性，才能真正指导和应用于实际。本试验系统的成功实施运行，不仅将 为冶金、建材、化工等高耗能行业的低温余热资源回收提供有效的技术手段和设 备，而且该技术还可用于内燃机废气余热发电、液化天然气冷能回收发电等领域 咿一1 引，为我国节能减排目标的实现提供技术保证。此外，这种单螺杆膨胀机与有 机朗肯循环相结合方式的低温热源发电热电联机组还可用于太阳能热发电、地 热发电和分布式生物质发电等【1 5 l6 1 ，也将为可再生能源发电提供关键技术，促进 可再生能源在我国的利用。因而，本试验系统的设计不仅能为此种新型的高端单 螺杆膨胀机的工作性能首次提供实测数据支持，而且可以对将来应用此新型高效 低温余热发电系统作出全面的评估与探索，为未来的实际系统试验打下良好的基 础，对于推进我国余压余热利用和可再生能源利用具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究水平及现状 1 2 1 螺杆膨胀机技术国内外发展概况及现状 目前，低温余热能源发电装置主要有：低品位热能汽轮机、有机工质朗肯循 环( o r c ) 透平、全流透平、螺杆膨胀机等。相比较而言，在低温热源的利用方面， 由于透平机的工作特点决定了前三种发电装置本身或者其发电系统十分复杂，而 螺杆膨胀机则由于结构和工作原理上的特点，使其在低温余热能源发电装置中具 有明显优势p j 。 螺杆膨胀机的研究最早始于1 9 5 2 年，当时，h r n i l l s e n 取得了螺杆膨胀机 作为动力机的专利，但此后螺杆膨胀机的研究进展缓慢，发表的文章也不多。直 到7 0 年代初能源危机的出现，使得地热能、太阳能和工业余热的开发和利用受 到关注，双螺杆膨胀机作为一种有效的低品位能源动力机，才重新得到重视。双 螺杆膨胀机作为汽液两相膨胀机的尝试始于1 9 7 1 年，1 9 7 3 年美国水热电力公司 的r s p r a l l l ( 1 e 获得了双螺杆膨胀机用于地热发电的专利【l 刀。s p r a u 埘e 用双螺杆膨 胀机膨胀湿蒸汽或者恒压热水作为回收功的一种方式，主要回收来自液体或低干 度部分的地热盐水的功，两相流体的膨胀又称为“全流”过程，因此这种方案又 称为全流方案【l 引。1 9 7 1 年至1 9 7 3 年，美国水热电力公司将两台双螺杆压缩机改 造为膨胀机，并分别在加利福尼亚i i n p e r i a lv a l l e y 和墨西哥c e n op r i e t o 进行了现 第1 翠绪论 场实验。2 0 世纪8 0 年代初，在世界能源组织( i e a ) 的资助下，美国水热电力公司 设计、制造了l m w 大型双螺杆膨胀机发电机组，并分别在新西兰、意大利和墨 西哥进行了机组的性能及可靠性实验，膨胀机的最大效率达6 8 l l9 1 。1 9 8 3 年， 日本学者t a t l l l l ik a n e k o 等人对空气双螺杆膨胀机进行了理论分析，利用理想膨 胀机的示功图导出了理想双螺杆机的效率和功率表达式，并在螺杆机上打孔，安 装动态压力测量系统，得到实际双螺杆膨胀机的示功图，将螺杆膨胀机的研究引 向对机内过程的实验研究和理论分析相结合的阶段【2 们。 我国对螺杆膨胀机的研究始于1 9 7 8 年，一机部通用机械研究所通过对苏联 技术的引进吸收，为油田用1 0 万n m 3 天小型油田气分离轻油装置设计了我国第 一台双螺杆式油田气膨胀机压缩机组。该机组是用于各集气站压力回收轻油 的轻便装配式低温分离装置，不需外加冷源【2 1 1 。之后，杨庆秀翻译了达支兼子、 名内衡山等人关于双螺杆膨胀机基本性能的一些研究成果【2 2 】；郑娱泉根据实际气 体状态方程、热力学第一定律和伯努利通用方程分析了螺杆膨胀机的工作原理、 特点和工作过程，并分析推导出了螺杆膨胀机的各种损失和效率的计算公式1 2 3 1 。 1 9 8 7 年，天津大学热能研究所成功研制出了我国第一台汽液两相地热发电双螺 杆膨胀机小型试验装置( 5 k w ) 。此后，天津大学继续对双螺杆膨胀机的性能、调 节方法、设计、加工及组装技术进行了系统的理论和试验研究，并于九十年代初， 在前期研究基础上，进行了相当于4 0 0 k w 机型的汽液两相双螺杆膨胀机工业性 试验研究并获得成功【2 4 l 。 图1 41 0 k w 单螺杆膨胀机实物图图1 54 0 k w 单螺杆膨胀机实物图 f i g 1 - 4l0 k ws i n g l es c r e we x p a n d e rf i g 1 - 54 0 k ws i n g l es c r e we x p a n d e r 螺杆式膨胀机的发展和螺杆式压缩机的发展是休戚相关的，螺杆式膨胀机按 螺杆式压缩机的逆原理工作，其基本构造几乎与螺杆式压缩机完全相同，但工作 过程正好相反【2 5 ，2 6 1 。单螺杆膨胀机就是在单螺杆压缩机技术取得了长足发展之 后，由北京工业大学热能重点实验室在多年单螺杆压缩机的研究与制造后，研发 出来的新型动力机械。目前，北京工业大学重点实验室已经成功研制出了1 0 k w 和4 0 k w 样机，样机实物见图1 4 和1 5 。 北京t 业大学t 学硕i ：学位论文 1 2 2 有机朗肯循环佘热发电系统国内外研究现状 低温热源有机朗肯循环发电系统近十年来已经在地热发电、生物质热电联 供、太阳能热发电、工业和机械设备余热发电等方面得到应用。到2 0 0 9 年为止， 有机朗肯循环发电系统的总装机容量已达1 6 0 万千瓦。目前世界上从事有机朗肯 循环系统设计安装的公司有十多个，如表1 3 所示【2 7 1 。以色列奥马特公司首先开 发出了有机朗肯循环发电机组，并已在口本、荷兰、美国、加拿大、德国的水泥、 造纸、石化、炼油、余热发电、太阳能等众多领域得到应用。到2 0 0 9 年3 月为 止，o m a t 公司销售的有机朗肯循环电站已超过1 2 0 0 m w ，安装有机朗肯循环电 站的数量超过2 6 0 0 座，o m a t 公司有机朗肯循环电站已有几十年的成功运行经 验。除o m a t 外，最近几年国外数个公司都开发了有机朗肯循环的低温热源发电 系统，如表1 3 所示。比较典型的有，美国联合技术公司也开发成功了低温有机 朗肯循环发电系统，在7 4 热源温度下，能达到稳定的8 2 的发电效率，并已 在余热发电和煤层气发电系统废气余热发电等领域。美国e l e c 仃at h e 姗公司依托 英国城市大学开发了系列基于双螺杆膨胀机的有机朗肯循环发电系统。 表1 3 有机朗肯循环系统主要生产商清单 t a b 1 3n o n e x h a u s t i v el i s to ft h em a i no r cm a n u f a c t u r e r s 生产商应用范围功率范围k w热源温度关键技术 地热，余热回 o r m a t ，以色列2 0 0 7 2 0 0 01 5 0 3 0 0工质：正戊烷 收，太阳能 热电联和循环，轴流式透平 t u r b o d e n ，意大利 2 0 0 一2 0 0 0l o o 3 0 0 地热工质：o m t s ，s o l k a t h e m a d o r a t e c ，德闷 热电联和循环 31 5 1 6 0 03 0 0工质：o m t s 余热回收，地 3 0 0 0 r p m 多级轴流式透平 g m k ，德团热，热电联和循 5 0 一2 0 0 01 2 0 3 5 0 ( k k k ) 环工质：g l l 6 0 ( g m k 专利) k o e h l e 卜z i e g l e r ， 热电联和循环 7 0 2 0 01 5 0 2 7 0 螺杆膨胀机 德国工质：烃 u t c ，美国余热回收，地热 2 8 0 9 3 径流式透平 c q o s t 盯余热回收，地热 1 0 0 4 0 0 工质：r 2 4 5 氏r 1 3 4 a f r e e p o w e r ，英国 余热回收 6 一1 2 01 8 0 2 2 5 t r i o - g e n ，荷兰 余热回收 1 6 0 3 5 0 涡轮膨胀机 e l e c t r a t h e 肿，美国余热回收 5 0 9 3 双螺杆膨胀机 径流式透平膨胀机 i n f i n i t ) rt u r b i n e余热回收 2 5 0 8 0 工质：r 1 3 4 a 我国早在上世纪8 0 年代初，严家骤、王补宣等人就从理论和推导方面对低 温余热动力回收进行了研究b 和3 0 1 ，提出了很多有价值的计算公式，为低温热能发 电方案的热力计算提供了很大的方便。之后，国内的广大学者从各种新型工质出 发，对新工质在低温余热回收利用方面做了大量很有意义的工作。 第l 罩绪论 综上所述，有机朗肯循环低温热源发电系统已经在节能与可再生能源领域得 到了示范应用，但这些示范装置大都是m w 级以上，而且绝大部分是采用透甲 膨胀机。国外的研究表明【2 7 1 ，对于十千瓦、百千瓦级的小型有机朗肯循环发电系 统采用容积式膨胀机较为合适。如前节所述，国内外对双螺杆膨胀机也进行了大 量研究，并有样机和示范装置，但都还未规模进入市场，而且也只能做百千瓦级 的。单螺杆膨胀动力机尚无研制成功的产品，国际上对于这种更先进的单螺杆与 有机朗肯相结合的发电方式的研究更是空白。 1 3 本课题的研究内容和目标 1 3 1 研究内容 本文针对单螺杆膨胀机及其有机朗肯循环开展研究工作，主要内容包括： ( 1 )以压缩空气为动力源对单螺杆膨胀机的基本性能进行研究。本文设计并搭 建了单螺杆膨胀机基本性能测试实验台，以压缩空气为动力源对单螺杆膨 胀机进行了基本性能的试验研究，测得单螺杆膨胀机的全负荷特性曲线、 不同阀门开度下的性能曲线以及湿度和背压对膨胀机性能的影响曲线。研 究单螺杆膨胀机样机的基本性能，分析影响膨胀机效率、功率和耗气率的 主要因素。通过对单螺杆膨胀机基本性能的测试，对膨胀机的调节控制和 进一步优化提供数据支持，指出进一步开发的切入点。膨胀机的调节控制 将直接影响到其在实际中的应用，尤其是在变工况( 部分负荷) 下的运行 调节机理则显得更为重要。 ( 2 ) 针对以4 0 0 烟气为热源的有机朗肯循环系统，提出确定系统各主要参数 的方法，对r 1 3 4 a 和r 2 4 5 f a 两种工质，利用m a t l a b 进行了计算。比较两 种工质在此热源条件下的优劣以及过热度对有机朗肯循环系统输出功的 影响。 ( 3 ) 设计并搭建单螺杆膨胀机的有机朗肯循环发电系统。有机朗肯循环系统是 在基本性能的测试得到的一些基本数据上，考虑有机朗肯循环自身的特点 来进行设计的。设计时，首先对该发电系统的各主要设备( 蒸发器、冷凝 器、工质泵、冷却水循环泵和油泵等) 进行选型估算，通过估算的结果进 行初步选型，然后再根据初步选型设备的技术参数进行校核计算，直到达 到设计和精度要求为止。搭建实验台时，根据膨胀机基本性能测试实验台 的搭建经验，并考虑高温对设备和装配的影响，合理安排布置。 ( 4 )针对目前钢厂所存在的大量低温冲渣水余热，提出单螺杆膨胀机有机朗肯 循环发电系统在低温冲渣水余热动力回收方面的应用，设计有效的技术解 决方案，并对该方案作出一定的评价。 北京t 、i k 人学t 学硕十学位论文 1 3 2 研究目标 本文的研究目标主要有以下几点： ( 1 ) 在设计和搭建单螺杆膨胀机基本性能实验台的基础上，测试膨胀机的各种 性能曲线，研究背压控制和湿空气对膨胀机性能的影响。通过对单螺杆膨 胀机基本性能的测试，分析影响单螺杆膨胀机效率的主要因素。有了单螺 杆膨胀机的一些基本性能曲线，就可以对单螺杆膨胀机在有机朗肯循环中 的应用提供指导，对整个有机朗肯循环实验台相关计算提供必要的数据支 持。同时，通过实测数据和主要设计参数的对比，判断其实际性能，以便 为膨胀机的进一步改进提供基本的数据支持，明确改进方向。 ( 2 ) 通过计算判定在以烟气为热源时，饱和蒸汽动力循环和过热蒸汽动力循环 系统的优劣性，计算r 1 3 4 a 和r 2 4 5 f a 两种工质的输出功率、机组循环热 效率和火用效率，综合工质的物性，比较两种工质在不同蒸发温度段的适 用性，为下一步有机朗肯循环试验工质的选择提供一定的指导。 ( 3 ) 完成单螺杆膨胀机有机朗肯循环发电系统的设计计算、设备选型和搭建工 作。为下一步单螺杆膨胀机在有机朗肯循环系统中的试验测试打下良好的 基础。 第2 章i 、f f 螺”嘭| j ：机疑本t 牛能洲试 第2 章单螺杆膨胀机基本性能测试 2 1 试验系统概况 2 1 1 试验系统简介 本试验主要针对单螺杆膨胀机的样机进行初步的探索性研究，考虑安全因 素，初次试验采用温度和压力相对较低的压缩空气为气源，气源压力为0 8 m p a 。 另外，采用压缩空气为气源也有其现实意义，该系统可以很好的模拟工业中直接 排放的具有一定压力废气利用的过程，以及气体膨胀制冷的效果。 单螺杆膨胀机基本性能研究试验流程如图2 1 。压缩机提供的高压空气经过 空气干燥器进入储气罐，储气罐为整个试验提供了稳定气源，压缩空气从储气罐 出来后经过调节阀的调节进入膨胀机进行膨胀做功，做完功的气体由排气管路引 至室外排出。膨胀机输出的轴功则通过扭矩传感器测出，同时以磁粉制动器为负 载将轴功消耗掉，磁粉制动器的励磁电流可调，这样就可以用来控制负载大小。 在膨胀机的进出口都布置了测点，用来监测膨胀机进出口的压力、温度变化以及 流量变化，出口还安装了背压控制阀用来调节膨胀机的背压变化。 t 空压机：2 空气千燥器：3 储气罐：4 进气调节阀：5 单螺秆嘭胀机： 6 扭矩僵感器：7 磁粉测功机：8 背压控制阀 图2 1 单螺杆膨胀机基本性能测试系统流程图 f i g 2 1f l o wd i a g r a i l lo ft h et e s t i n gs y s