（热能工程专业论文）有机工质双循环螺杆膨胀机系统研究.pdf

中文摘要 近年来，由于能源利用效率低困扰着我国经济和社会发展，节能问题越来越 受到社会各界的重视，同时各种节能新技术新设备纷呈涌现出来。有机工质双循 环螺杆膨胀机余热回收发电技术就是一种新型的能量回收技术。 通过理论分析与计算机模拟。对有机工质双循环螺杆膨胀机系统进行了研 究。首先根据工程热力学基本原理，分析了系统的基本运行原理，提出了系统运 行可采用的两种方式：蒸汽动力循环方式和汽液两相循环方式；说明了确定系统 各主要参数( 包括蒸发器和冷凝器的温度压力参数、热负荷及系统冷却水量、发 电功率等) 的方法以及系统冷却方案的选择。然后在理论分析的基础上，对系统 的实际循环进行了模拟。首先将两种循环方式做了计算比较，选择出更适合双循 环系统的循环方式；再从常用的几类低沸点工质中，由系统安全运行的要求出发， 预选出四种烷类物质根据己选定的循环方式来进行最后的优化比较，得出最适合 的系统循环工质。 通过对这种新型余热回收技术的研究，已经说明了它在技术和经济上都是可 行的。有机工质双循环螺杆膨胀机余热回收发电技术的研究成果，不仅为将来系 统的实验研究提供了理论基础，考虑到中国的实际国情，它为提高我国的能源利 用效率提出了一种新的鳃决方法，在工程应用上有重要意义。 关键词：节能有机工质螺杆膨胀机余热回收系统优化 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，b e c a u s el o we n g r g yu s a g ep e r s e c u t e st h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n ds o c i e t y , p e o p l ea t t a c hi m p o r t a n c et oe n e r g yc o n s e r v a t i o np r o b l e mm o r e a n dm o r e ，a n dm a n yn e wt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n ta p p e a r t h eo r g a n i cw o r k i n g f l u i d sb i c i r e u l a t i n gs c r e we x p a n d e rp o w e rg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yo fs u r p l u sh e a t r e c o v e r yi s j u s tan e we n e r g yr e c o v e r yt e c h n o l o g y 1 o r g a n i cw o r k i n g f l u i d sb i c i r c n l a t i n gs c r e we x p a n d e rs y s t e mi sr e s e a r c h e d m b u 曲t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u i a t i o mf i r s t l y , b a s e d0 1 1t h eb a s i c p r i n c i p l e so fe n g i n e e r i n gt h e r m o d y n a m i c s ，t h e b a s i co p e r a t i o np r i n c i p l e so ft h i s s y s t e mi sa n a l y s e d ，t w oa d o p t a b l ew a y so fs y s t e mo p e r a t i o na r ep u tf o r w a r d ：v a p o u r p o w e rc y c l ew a ya n dv a p o u r - l i q u i dt w o - p h a s ec y c l ew a y ；t h e nt h em e t h o dt o d e t e r m i n et h em a i np a r a m e t e r s ( i n c l u d e dt e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ea n dh e a t i n gl o a do f e v a p o r a t o ra n dc o n d e n s e r , c o o l i n gw a t e rm a s s 9e l e c t r i cp o w e ra n ds oo n ) a n dt h e c h o i c e o f s y s t e m c o o l i n g p r o g r a ma r e i l l u s t r a t e d a f t e r t h a t , o n t h e b a s i s o f t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o no fa c t u a ls y s t e mc y c l ei sm a d e a tf i r s t t w oc y c l ew a y sa r e c i r c u l a t e da n dc o m p a r e d , a na d a p t a b l ec y c l ew a yi ss e l e c t e d ；t h e nf r o ms o m en o r m a l l o wb o i l i n gp o m tw o r k i n gf l u i d s ，a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to fs y s t e ms e c u r i t y , f o u r a l k a n e sf l u i d sa r e1 0 r e s e l e c t e dt op r o c e e dt h ef i n a lo p t i m i z a t i o n , t h em o s ta d a p t a b l e o d ei ss e l e c t e da st h ec y c l ef l u i do f t h es y s t e r n b 瑚t h e r e s e a r c h0 1 1t h i sn e w s u r p l u sh e a tr e c o v e r yt e c h n o l o g y , t h et h e s i sh a s a p p r o v e di t sf e a s i b i l i t yi nb o t ht e c h n i c a la n de c o n o m i c a l i t sr e s e a r c hc o n c l u s i o n sn o t o n l ys u p p l yt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ef u t u r ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h , c o n s i d e r e dt h e s i t u a t i o no fo u rc o u n t r y , i tp u t sf o r w a r dan e ws e t t l e m e n tt oi n c r e a s ee n e r g yb s a g e ， a n ds oh a sa ni m p o r t a n tm e a n i n gi ne n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：e n e r g yc o n s e r v a t i o n , o r g a n i cw o r k i n gf l u i d s , s c r e we x p a n d e r , s u r p l u sh e a tr e c o v e r y , s y s t e mo p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘茎或其他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。 学位论文作者签名：昔翻l 起 签字日期：如年z 月印日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：翔4 超 导师签名： 签字日期：纠c 年月”日 签字日期：如一，年。月2 - 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 当今，节能问题越来越受到社会各界的重视，各种节能新技术新设备从各个 技术门类中纷里涌现出来。螺杆膨胀机就是一种新型能量转换机。它是根据螺杆 压缩机压缩原理的逆原理制成的。虽然发展历史不长，但已被广泛用于石油和石 油化工部门的气体加工工业、蒸汽与各种气体的减压工程、能量回收工程、发电 工程等实际应用场合。 1 1 螺秆膨胀机简介 螺杆膨胀机是一种按容积变化原理工作的双轴回转式螺杆机械。它没有活塞 式机械那样的气阀、活塞等滑动部件，因而可进行高速运转，气流速度比普通容 积式机械大得多。它不但具有螺杆压缩机的转速高、工艺性良好和无磨损、无不 平衡的质量力等特点，而且可应用现有的螺杆压缩机的生产技术来进行生产。 螺杆膨胀机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极少的零件组成，结构很简单，其气缸呈 两圆相交的“c o ”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。 图1 - 1 螺杆膨胀机内部转子示意图 螺杆膨胀机的工作周期是由齿间容积中的吸气、膨胀和排气三个过程组成 第一章绪论 的。吸气过程中，工作介质直接从纵向或轴向进入机内螺杆齿槽a ，吸入终了时， 吸气口关闭，这时齿间容积就形成了一个由转子和机壳共同围成的密闭空间，吸 入的介质在此空间膨胀并产生一个转矩。齿槽a 随介质的膨胀向排气端移动到b 、 c 、d ，当啮合点到达排气端，膨胀过程结束，这时螺杆齿问容积最大。当膨胀过 程结束的同时，吸气端的又一个啮合开始，新的啮合点又开始向排气端移动。排 气过程开始，齿间容积减少到转子的转角相一致的位置时的大小，介质最后从齿 槽e 排出。随着转子的转动，不断循环重复，实现气体的吸气、膨胀、排气三个 连续不断的过程。这就是螺杆膨胀机的工作原理 。从膨胀始点到终点，随着膨 胀过程的进行，其压力、温度和焓值下降，比容和熵值增加，气体内能转换为机 械能对外傲功。 1 2 螺杆膨胀机技术国内外发展概况及现状脚 对于螺杆膨胀机的研究最早始于1 9 5 2 年，当时，h r n i l i s e n 取得了螺杆 膨胀机作为动力机的专利。但此后的二十年内，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以及地热能、太阳能及工业余 热的开发和利用受到注意以后，螺杆机作为一种有效的低焓能源动力利用的动力 机，才重新得到重视。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 n k l e 获得了螺杆膨胀机用于地热发电的专利【3 】。 s p r a n l d 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【4 】。 1 9 7 1 年至1 9 7 3 年，美国水热电力公司将两台螺杆压缩机改造为膨胀机，并 分别在加利福尼亚i m p e r i a lv a l l e y 和墨西哥c e r r op r i e t o 进行了现场实验。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 1 m w 大型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 【5 】o 1 9 5 3 年，日本学者t a m h ik a n e k o 等人对空气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【6 】。 两相螺杆机械除了应用在地热发电厂外，还可以应用于化工厂及用于空调和 热泵系统的大型蒸汽压缩设备的节流过程，来代替节流阀，通过利用径流透平和 螺杆膨胀机回收功可以达到更高的效率。但国外的实践表明，这些方案共同的特 2 天津大学硕士学位论文 点是，膨胀效率仍然较低。据有关文献报道，径流式透平的绝热效率是6 7 ， 而全流螺杆膨胀机的效率几乎不到5 0 ，这也是阻碍两相膨胀机应用发展的一 个主要因素【”。 经过多年研究，目前的螺杆膨胀机可以在每级固定容积比3 ：l 下，获得较 大的膨胀比。这样就允许在体积相当小的机械中有较高的质量流速，因此减小了 泄漏损失。 在正确设计下，小机器可以达到7 0 7 5 的绝热效率，在大机械中， 如果提供合适的工质，如制冷剂、轻的烃化合物，还可以增加到8 0 。当水作 为工质的时候，相同的容积比下绝热效率降低。如果提高容积比，又会要求机械 体积变大，从而泄漏损失增加。这就是以水为工质的螺杆膨胀机效果差的原因。 我国对全流螺杆膨胀机的研究始于2 0 世纪8 0 年代 8 1 。当时，天津大学热能 研究所开展了螺杆膨胀机全流系统的研究。1 9 8 7 年，我国第一台汽液两相地热 发电螺杆膨胀机小型试验装置在天津大学热能研究所研制成功( 功率为5 k w ) ，此 后，天津大学继续对螺杆膨胀机性能、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1 9 。九十年代初，在前期研究基础上，进行了相当于4 0 0 k w 机型的汽液两相螺杆膨胀机工业性试验研究并获得成功，通过了国家级专家鉴定 验收。该试验系统连续运行5 0 0 小时，螺杆膨胀机、调速系统及配套设备运转正 常。发电质量达到并网要求，螺杆膨胀机内效率达到7 0 整个装置全部国产 化。目前，这种螺杆膨胀机机型的应用示范工作正在加紧进行【l o j 。 1 3 螺杆膨胀机余热回收发电技术特点及应用领域简介 螺杆机由一对阴、阳转子和机壳组成，高压工作流体进入工作齿槽推动转子 做功，同时容积增加，流体降压膨胀做功，功率由主轴阳转子输出带动发电机发 电，做功后的低压流体流出螺杆机【】。 从技术实用性及设备运行方面分析比较，采用螺杆膨胀机驱动发电机发电， 技术特点鲜明、并有同类型汽轮机发电不可比拟的优越性。 与小型汽轮机相比，螺杆膨胀机发电的特剧1 2 l 为： ( 1 ) 螺杆膨胀机除适用于汽液两相、热水和饱和蒸汽外，也适用于过热蒸汽。 ( 2 ) 螺杆机结构简单，主要部件仅两根螺杆和外壳，安装维修容易。 ( 3 ) 机组转速可调，一般可按被驱动机械的转速设计，直接驱动，不需要减速 器，运转平稳，振动小，噪声低。 ( 4 ) 螺杆膨胀机为容积式工作原理动力机，机内流速低，除泄漏损失外，很少 有其它损失，机组效率较高，即使蒸汽参数或负荷变动仍能保持高效率1 1 3 1 。 第一章绪论 调节罔 图1 2 螺秆膨胀动力发电机组示意图 ( 5 ) 螺杆机除轴承、密封外，无其它磨损件，螺杆转速不高，机组寿命长，维 修费用低，安全可靠性高。 ( 6 ) 螺杆膨胀机允许单机和并网运行，扭矩大，能直接拖动风机、水泵或压缩 机，当带动发电机发电时能承受较大的冲击负荷。 ( 7 ) 螺杆机对于工业锅炉蒸汽或工厂热水品质要求不高，因为螺杆与螺杆、螺 杆与机壳的相对运行是具有除垢自洁能力的，而未能除去的剩余污垢可起到减少 间隙的作用，减少了泄漏损失，提高了机组效率。 ( 8 ) 螺杆膨胀机是小型汽轮机的替代产品，可广泛用于工业余热余压动力回收 及作为地热太阳能等新能源动力机。 ( 9 ) 螺杆机采用新型微机调速控制装置，机组起动及带负荷操作很简单，正常 运行可以实现全自动无人管理。 由于我国能源结构的特点，能源没有充分达到梯级利用，所以该项技术适合 我国国情；又由于我国能源利用率较低，含热资源量大而广，这为利用螺杆膨胀 机进行余热回收发电提供了广阔空间【1 4 1 。 ( 1 ) 我国现有工业锅炉约5 0 万台，其中相当部分6 一l o t h 锅炉的额定蒸汽压 力为1 3 m p a ，由于生产工艺方面的原因，需降压运行、减温减压使用，造成大 量浪费。 ( 2 ) 随着工业的发展及人民生活水平的不断提高，城市集中供热普及率也将不 断提高，供热站般都有部分余压可以利用，而且热源条件也不错，利用螺杆机 进行发电，其节能效益、社会效益、环保效益将十分显著。 ( 3 ) 大量的工业窑炉消耗了大量能源。如水泥行业，由于生产工艺落后，企业 4 天津大学硕士学位论文 平均熟料能耗是国外先进水平的2 倍以上，窑炉排出的废气温度在3 0 0 - - - 4 0 0 ( 2 左右，余热回收率仅为2 ，是发电项目应用的一个巨大的潜在市场，提高余 热利用率对企业节能有重要意义。 ( 4 ) 钢铁厂的高炉冲渣热水及高炉煤气这部分余热的回收发电也具有巨大的市 场潜力。 ( 5 ) 其它如大型柴油机废气，石油化工行业及新能源利用都是该技术发挥其技 术优势的重要市场。 以上列举的各项，虽然反映出我国能源利用效率低，浪费大量余热的情况， 说明了我国加强节能工作的重要性和紧迫性，但也同时体现了螺杆膨胀机余热回 收发电的应用前景。 i 4 有机工质双循环螺杆膨胀机系统 在上节中，可以看出利用螺杆膨胀机进行余热的回收发电在技术上是完全可 行的，并且有很广阔的市场空间。但在实际的应用中，针对具体情况，系统需要 相应的进行一些改变。单循环系统( 即将含热流体直接引入螺杆膨胀机利用的系 统方式) 更适用于高温高压流体的能量回收，而与之相对应的双循环系统( 即低 沸点有机工质与含热流体进行换热后再引入螺杆膨胀机利用的系统方式) 对含热 流体的水质的好坏以及流体的温度和压力都没有太高的要求，甚至六七十度的低 温热水，也可以通过双循环的系统方式发电【1 5 l6 】。而这种温度范围的工业余热在 全国是很普遍的，将这部分能量回收起来，将会产生巨大的经济效益，并为提高 我国的能源利用效率做出巨大贡献。 由于国外，特别是发达国家的工业能源利用效率较高，并不像国内有如此巨 大的工业余热资源，所以目前似乎并没有进行有机工质双循环螺杆机系统的研 究，无法检索到关于这方面的文章。国内在7 0 年代设计了一些地下热水的“中 间介质法”的双循环汽轮机发电的地热电站【1 日，如河北省怀来地区的地熟试验电 站、江西省宜春县温汤地热试验电站等，运行情况良好，达到了设计要求，但后 来都没有持续下去。 目前，有机工质双循环螺杆膨胀机系统还处于理论研究阶段，国内并没有实 际投入运行的工业系统，考虑到中国的实际国情，对有机工质双循环螺杆膨胀机 系统的研究是很有意义的，将会为未来的实际系统试验打下良好的基础。 第一章绪论 1 5 本课题的主要研究内容 本课题以工程热力学基本理论为基础，对有机工质双循环螺杆膨胀机系统这 种新型的余热回收技术进行了研究，主要内容如下： 研究有机工质双循环螺杆膨胀机系统的运行原理，以及确定系统各主要参数 的方法； 在理论分析和计算机模拟的基础上确定系统循环方式 在理论分析和计算机模拟的基础上确定系统循环工质 系统的经济、环保分析 6 天津大学硕士学位论文 第二章有机工质双循环螺杆机系统原理 2 1 有机工质双循环螺杆机系统组成及特点 如绪论所述，有机工质双循环螺杆机系统是一种含热流体与低沸点工质换 热，再将低沸点工质引入螺杆膨胀机进行能量回收的系统方式。整个系统主要是 由蒸发器、螺杆机、冷凝器、工质泵等设备和一些管道组成的。 含热废水( 汽) 在经过一定的杂质处理过程后，进入蒸发器加热有机工质， 使工质温度升高，到达饱和温度，生成饱和汽或汽液两相。从蒸发器排出的工质 ( 饱和汽或汽液两相) 进入螺杆膨胀机膨胀做功，驱动发电机发电i l 羽。做功后的 汽液混合物从螺杆机排出进入冷凝器，将其中的蒸汽冷凝，最后再经工质泵返回 蒸发器( 见图2 1 ) 。这种有机工质发电循环系统，具有回收余热量大、设备紧凑、 发电效率高等特点。 囊楚水褒2 图2 - 1 有机工质双循环螺杆机系统示意图 此外，这种系统：首先，低沸点物质在这个闭合回路中循环，工作时起“介 质”的作用，只要管道和设备严密不漏，低沸点物质并不消耗；其次，低沸点物 质在循环中和含热流体、冷却水都不是直接接触的，而是隔着管壁传递热量，因 此，除了排出的含热流体温度降低了一些，冷却水温度升高了一些外，这两部分 在品质上都没有任何变化，仍然可以用作其它生产，生活用途。 根据蒸发器出口状态的不同，有机工质双循环螺杆膨胀机系统又分成有机工 质蒸汽动力循环和有机工质汽液两相动力循环两种循环方式。 第二章有机工质双循环螺杆机系统原理 2 2 有机工质蒸汽动力循环和有机工质汽液两相动力循环 当蒸发器出i z l 为饱和蒸汽或过热蒸汽时，采用有机工质蒸汽动力循环方式， 见图2 - 2 ( 1 - 2 s 3 - 4 1 ) 。从r s 图上，可以看出这就是一个理想的朗肯循环【聊。 口 _ 2 ： 蕾 墨 番 卜 e n t r o p y 1 k l k - k 铂 图2 2 有机工质蒸汽动力循环图 螺杆机中的膨胀过程1 - - 2 s ：可逆绝热过程，即定熵过程。应用开口系能量 方程，过程中工质对外做功w r = 一吃。 冷凝器中的放热过程2 s 一3 ：定压过程。过程中工质放热g ：= 吃，一绣 工质泵中的压缩过程3 - - 4 ：定熵过程。过程中工质接收外功w 。= 瞳一吃 蒸发器中的吸热过程4 - - 1 ：定压过程。过程中工质吸热吼= 啊一啊 由于工质的不可压缩性( 或压缩过程中体积变化很小) ，故泵功常可按下式 近似计算； = lj 呻l * f 呦i = b ( 风一见) 在通常的朗肯循环中，例如最简单的水蒸气动力循环中( 由锅炉、汽轮机、 冷凝器和水泵组成) ，由于泵耗远小于汽轮机做功，所以在近似计算中常常忽略 泵功w 。不计。但在有机工质双循环螺杆机系统中，由于工质的饱和压力和流量 的缘故，工质泵耗功相对于螺杆机做功并不是可轻易忽略的，这在计算系统发电 能力时尤为重要。 所以循环的热效率为 力：w ：w t - - w p ：f 刍二丝：2 二! 垒二垫2 ” g l吼 一 如果考虑螺杆机内的各种不可逆损失，即蒸汽在螺杆机中如图2 2 所示由状 态1 不可逆绝热膨胀至状态2 ，则螺杆机的实际作功量将小于理想情况下的作功 8 天津大学硕士学位论文 量坼，即 峙= 鱼一红 聊= a 一红， 螺杆机的相对内效率。= 兰= ；l 粤 q 一 目前由深圳市汇和新能源技术有限公司生产的螺杆膨胀动力机的相对内效 率在6 5 7 5 之间。 当蒸发器出口为湿蒸汽时，采用有机工质汽液两相动力循环方式，见图2 3 。 巨 2 耄 言 i - e n t r o p y k j ，- k g 图2 3 有机工质汽液两相动力循环图 从图2 3 可以看出汽液两相动力循环与蒸汽动力循环在循环方式上大体上 是一样的，只是蒸发器出口是湿蒸汽，螺杆膨胀机的做功膨胀过程处于汽液两相 区内。 同样考虑螺杆机内的各种不可逆损失，即湿蒸汽在螺杆机中如图2 3 所示由 状态1 不可逆绝热膨胀至状态2 。 2 3 确定系统各主要参数的方法 蒸发器中进行液体工质汽化成蒸汽的过程，冷凝器中进行蒸汽凝结成液体的 过程。当饱和液体在蒸发器中汽化和蒸汽在冷凝器中凝结成饱和液体时，饱和压 力和饱和温度有对应的关系。所以，只要确定了蒸发器的温度五就能确定蒸发器 中的压力写，确定了凝结温度五。就能确定冷凝器中的压力曼2 0 1 。 第二章有机工质双循环螺杆机系统原理 2 3 1 确定冷凝器的温度压力参数 先来讨论如何根据冷却水温度五，确定冷凝器的压力墨。蒸汽在凝结时放热 绘冷却水，冷却水因被加热而温度由互。升高到。热量在传递时是需要有温度 差的，即蒸汽的凝结温度瓦总是要比冷却水的最高温度( 出口时的温度) 毛：高 一些。当一种流体在有相变的情况下传热时，是没有顺、逆流的区别的 2 l l 。这样， 凝结温度和冷却水的温度之间一定有如下的关系( 见图2 - 4 ) ： 图2 _ 4 冷凝器中传热示意图 五o = 瓦2 + 五= 五l + s t + a 五，口 ( 2 一1 ) 式中，砑冷却水的温升，刀= 疋，一乃，。冷却水的温升大一些，需要的冷 却水量可以减少，冷却水泵的电能消耗也可以小一些。但是，凝 结温度瓦就较高了，这样，冷凝器中压力最也较高，将使螺杆 机进出口的压力差减小，因而发电量也将减少。所以冷却水的温 升6 r 需要选择得恰当合理，通常可选5 1 0 ，必要时要进行 方案比较。 正t 质冷凝器出口端和冷却水之间的传热温差。正选择小些，可 以使凝结温度低些，增加发电量，但是冷凝器的传热面积就需要 大些，通常选择3 7 。 冷却水的进口温度正。是己知的，合理选择了冷却水的温升艿r 和温差正后， 就可以根据式( 2 1 ) 确定蒸汽的凝结温度瓦，从而确定冷凝器中的压力只。 冷凝器的压力只确定后，就很容易确定计算所必须知道的点3 和点4 的状态： 热力系统计算时通常认为蒸汽在冷凝器中冷凝成饱和液体，髓= 破( 以是 压力只下饱和液体的焓，可由热力性质表中查得) 。 工质泵出口不忽略泵功= 岛+ w ，= 畦- i - w ，。 冷凝器应当能不断地将螺杆机排出的乏汽全部凝结成液体。 l o 天津大学硕士学位论文 2 3 2 确定蒸发器的温度压力参数 再来讨论蒸发器压力只如何确定。 由传热学和换热器设计的相关知识【2 1 】可知： 换热器中，逆流时，冷流体的出口温度可高于热流体的出口温度，而在顺流 时，冷流体的出口温度总是低于热流体的出口温度，因而在逆流时，热流体或冷 流体的温度变化值可以比较大，从而有可能使流体消耗量减少；同时，在流体的 进出口温度相同的条件下，以逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，因此 在逆流时可减小所需的传热面，或者在传热面相同时，可传递较多的热量。 综合以上考虑，在蒸发器中采用逆流方式( 见图2 5 ) 。 r f 图2 - 5 蒸发器中传热示意图 在蒸发器中，工质既有相变又有单相对流换热，传热温差的变化要比冷凝器 中复杂一些。 合理情况下，蒸发器最小传热温差磊，通常选择为3 - 7 。c 。若热水量较充 裕，为减少蒸发器传热面积，传热温差可取得较大些。热水的入口温度矗。和工 质的蒸发器入口温度瓦是已知的，只要确定了蒸发温度墨，查相应的数据图表， 马上就能确定蒸发器中压力只，同时由流量计算和能量平衡原理可以很容易得出 热水出口温度，： 首先通过汽化段热平衡计算单吨热水产生的工质的质量流量 d x ( 吩一啊) = 1 0 0 0 x c x ( 瓦。一互一耳) d f f i 塑颦皇型，k g h ( 2 - 2 ) q 一惕 式中，c 热水的比热容 蒸发器出i z l 工质焓。对蒸汽动力循环， 是温度写下的饱和蒸 汽焓；对汽液两相动力循环，h 是温度墨下某干度的湿蒸汽焓。 | j i 温度正下的饱和液焓 第二章有机工质双循环螺杆机系统原理 再根据液体加热段熟平衡计算热水出口温度磊，。 1 0 0 0 x c ( 五4 - 耳一2 ) = d ( 啊一啊) ：正+ 疋型型 “ l o o o c 对于蒸发温度王，在冷凝器压力b 确定之后，蒸发器的蒸发温度正的高低会 给能量转换过程引起两方面的影响圈。一方面，如果蒸发温度正选得高，螺杆机 进汽和排汽的压差大，工质在螺杆机中的理想焓降= 红一，可以较大；另一方 面，蒸发温度选得高，由计算工质流量的( 2 - 2 ) 式，可以看出强+ 品) 也要相 应提高，( 一五一品) 值减小，即热水的能量利用程度降低，每吨热水能够产 生的工质质量流量d 减少。 从这两方面看，蒸发温度五的高低对( d ) 乘积的大小影响很大，影响了热 水的发电效果，并最终影响整个系统的经济性，因为乘积( d ) 就是每吨热水理 论上可能转变为机械能( 或电能) 的热能数量。 在某蒸发温度时乘积( d ) 为最大。( d ) 乘积达到最大值时的蒸发温度通 常称为“最佳蒸发温度”四】。从前面的分析可以得出结论，最佳蒸发温度的高 低主要决定于热水温度珏。和冷凝器中的冷凝温度瓦。 最佳蒸发温度可以根据试算法确定。假定不同的蒸发温度z ，计算各种蒸发 温度时的d 、和乘积( 嬲。) ，乘积( 嬲。) 为最大值时对应的蒸发温度即为最佳蒸 发温度。但这种算法具有一定的盲目性，并且计算速度较慢。本论文通过程序的 编制来优选特定工质，特定热水入口条件下的最佳蒸发温度。 考虑管道输送损失等原因，实际蒸发器的蒸发温度可以选择比最佳蒸发温度 适当偏高几度( 如2 3 ) 。 由于冷却水的温度在一年四季中的变化对于发电的影响是相当大的，因此不 仅设计时需要考虑最佳蒸发温度，而且系统在运行中也要注意根据不同的季节条 件确定合理的冷凝器压力只和蒸发器压力只。 2 3 3 确定系统其余参数 ( 1 ) 冷凝器热负荷 冷凝器应当能不断地将螺杆机排出的乏汽全部凝结成液体。因此当热水流量 为每小时1 吨时的冷凝器热负荷毋可按下式计算： 毋= 烈琏一玛) ，蠡，似吨热水) 式中( 一呜) 为每千克工质冷凝成液体所放出的热量，其中吃应是螺杆机排 1 2 天津大学硕士学位论文 汽的实际焓。可用下式计算： 趣= 如+ ( 1 一，) ，w t 堙 螺杆机设计制造不良时，相对内效率低，能量转换过程不完善，将直接影响 发电量，并增大冷却水带走的热量。 ( 2 ) 冷却水量 冷却水的计算可采取如下形式： 磷2 志，吨( 吨热水) ( 3 ) 蒸发器热负荷 蒸发器的热负荷应能完成需要传递的热量。当热水流量为每小时1 吨时的蒸 发器热负荷9 2 可用下式计算： ，吼= 4 1 8 7 x 岱。一2 ) x 1 0 3 , 材坳吨热水) 或吼= d ( 啊一啊) ，( j l l 吨热水) ( 4 ) 1 吨小时热水发电量 确定了热力系统中各计算点的工质状态后，就可以计算理想焓降和工质流 量d ，并由下式计算每小时每吨热水的发电量： j = 竺l 3 业6 0 0 ，七矽他吨热水) ( 2 - 3 ) 式中，( d ) 吨，j 、时热水对应的工质流量理论上在螺杆机中所能产生的机 械功率 ，螺杆机的相对内效率。考虑实际螺杆机中能量转换过程的损失， ( 砜) 乘以螺杆机的相对内效率，后就得到螺杆机轴上实际所能 产生的功率 ，7 ，机械效率。考虑轴承、传动等的功率损失及带动某些附加机构的 功率消耗a ( 矾7 0 ) 再乘以机械效率后就得到螺杆机轴端可传给 发电机的有效功率 发电机效率。考虑机械能转换为电能过程中的发电机损失，扣除 此项损失后即为发电机发出的电功率 由前面的讨论可以知道，由于冷却水温在冬夏季节变化很大，系统的发电能 力将受季节性的影响很大。因此，在系统规划时，应当合理选择冷却水的全年平 均温度，并对夏季和冬季的发电功率分别进行计算。 ( 5 ) 系统的总发电效率 在介绍了一些主要参数之后，再来看看系统总的能量转换情况。为此，用图 2 - 6 把整个过程中的能量分配情况表示出来 刎。图中是以一噫，小时热水在蒸发器 第二章有机工质双循环螺杆机系统原理 中能提供的热量吼= 4 1 8 7 ( t m 一2 ) 1 0 3 ，七，( 吨热水) 为基数的。 图中i , 为热能转换为机械能的理论热效率，按下式计算： 仇= 南* 者“击 发电 q l r t r o i 协 图2 - 6 能流图 如果我们用发电量和热水在蒸发器中所提供的热量的比值作为系统的总的 发电效率，则可以得出系统总发电效率的计算式如下： 3 6 0 0 n ， 2 _ 2 i , 编，仉 吁1 即系统总的发电效率是一系列效率数值的乘积。 举例来说，设某系统以正丁烷为工质，热水入口温度。= 9 0 。c ，出口温度 品2 = 4 4 。c ，计算得每l 口屯小时热水的理论发电量，= 1 8 8 k w ( h 吨热水) ，计 算该系统的总效率 3 6 0 0 n = 一= 3 5 2 1 4 天津大学硕士学位论文 计算结果表明，与一般火电厂相比较，有机工质双循环螺杆膨胀机系统的热 能利用程度是很低的( 火力发电厂的总效率一般在3 0 - 4 0 左右) 。但用总效率 来比较这两类系统的热经济性是不恰当的。因为有机工质双循环螺杆膨胀机系统 所利用的热源湿度不高，一般在1 0 0 以下，而且排出湿度( 即离开蒸发器时的 热水温度) 又不能太低。对燃用燃料的火电厂，由于热源( 锅炉) 温度可以达到 千度以上，而且电厂容量又很大，有条件提高蒸汽的初温、初压及实现比较理想 的循环方式，从而可获得较高的热效率。另外煤、石油燃烧时所释放出来的是高 品位热能，工厂等排出的含热废液( 汽) 是低品位热能，同样是l i d 的热量，在 可用能上是不同的，所以两者不能简单地相比较【2 5 1 。 现在的问题是，如何更有效的利用现有热源，努力提高系统的发电量，使系 统的热效率最大限度地接近理想情况。所谓的理想情况就是，假设系统的全部设 备如螺杆发电机组等设计制造十分完善，电效率魂= 编，7 ，= 1 0 0 ；热力循环 和其他加热设备也很理想，即没有任何形式的热损失；热水温度又可以由热水进 口初温品。一直冷却到环境冷源( 指当地的自然环境如空气、水源) 温度瓦【2 6 】。 在这种情况下，系统的理想热效率仇，根据热力学第二定律可以写成下列表达式： r ：塑塑垫查堂笙三塞堡堕壁垄堂皇丝塑墨奎笪 ”, q 1 q i - q 2热水温度降到环境温度时所能放出的热量：。 式中，q 为盆中未转变成电能而散失到环境中去的热量。 由工程热力学理论可知，q 2 就是热水从矗。一直冷却到环境冷源温度r o 的可 用能损失 、 q = 瓦最= t o c l n 警 1 0 又因为q 1 = c ( 一写) 所以系统的理想热效率礓又可以表示成下列数学关系式【2 7 】： i n 益 纠一毒 沿a ， 瓦 在理想情况下1 吨小时热水的最大发电容量一为： 眦= 丝豢巡, k w ( h 吨热水) ( 2 - 5 ) 取环境冷源温度为t o = 2 5 0 c ，按式( 2 - - 4 ) 、( 2 5 ) 计算不同热水温度下的r , 和m 。，可得到如下数据( 表2 - 1 ) ： 第二章有机工质双循环螺杆机系统原理 表2 - 1 热水湿麦( ) 6 07 08 09 01 0 0 玩( ) 5 4 5 6 8 78 2 39 5 41 0 8 0 二( k v ( h 吨热水) ) 2 2 23 6 05 2 67 2 19 4 2 表2 - l 所列计算结果表明，当热水初温为9 0 时，吼= 9 5 4 ， i 。= 7 2 1 k w ( h 吨热水) 。与上面实际计算的数例相比较，可以看到，由于实 际设备不完善和热力循环不理想等原因，系统的总效率吼只有3 5 2 ，每吨热水 发电量只有1 8 8 k w ( h 吨热水) ，分别仅为最大极限值的三分之强和四分之 。虽然理想情况的假设中有些是不可能实现的，但应该说在提高系统的热经济 性方面还有很大潜力。为了逐步接近理想情况，就需要从改善发电设备和热力循 环等方面进一步研究和提高。 2 4 系统冷却方案 冷却方案的选择对有机工质双循环螺杆机系统的经济性影响很大。不合理的 冷却方案将增大系统的自耗电，使系统经济性急剧下降。 有机工质螺秆机双循环系统通常以地表水作为冷源，用来冷凝螺杆机的排 汽。为了维持较低的冷凝温度，以提高系统的发电能力，冷凝器冷却水的温升一 般取得比较小( 卯= 5 - 7 。c ) ，因此，系统需要的冷却水量往往比较大。对于热 水温度为7 0 9 0 的余热资源，冷却水量大致为热水量的3 5 倍。 系统的冷却水供应方案应因地制宣她根据实际情况合理确定，如水源充足 ( 附近有河流、湖泊及海水等) ，可采用直流供水冷却系统( 即冷却水排出冷凝 器以后不再重复使用，因为冷却水的温升不大，不会对自然水体产生热污染) 。 如水源不足，可采用带有冷却水塔或喷水池的循环供水冷却系统( 即冷却水排出 冷凝器后，经过塔或池的冷却，再循环使用的系统，见图2 - 7 ) 。 1 6 天津大学硕士学位论文 工质夏 冷却水泵 图2 - 7 使用冷却水塔的循环供水冷却系统 在实际的系统设计的时候，冷却水源的选择往往将成为系统规划的主要困难 问题之一。一方面容易受工作地点的限制，形成冷却水源过远，输水管道太长的 情况；另一方面则可能由于冷却水源温度较高或温度变化太大，而影响系统发电 能力。 因为有机工质双循环螺杆膨胀机系统冷热源间发电温差不大，所以不论是直 流供水系统还是循环供水冷却系统，由于冷却水温的变化，系统的发电能力冬夏 季差别都是很大的。假设冷却水温度( 取年平均) 为2 0 c ，冷水温度夏季最高 可超过3 0 ，冬季最低可能达到5 ，冬夏季温差2 5 ，因而由于冷却水温的 差别，冬季发电能力可能比夏季要大一半以上。冷水温度不但随季节变化大，在 某些地区，一天之内也受日照、晴雨及气温变化有较大幅度的波动。为此，冷水 温度的年变化、日变化在双循环系统规划设计时要很好的考虑，并要预先安排好 如何与用电方适应的问题【2 9 l 。 在我国北方寒冷地区进行双循环系统设计时，也可以考虑空气冷却方案。充 分利用寒冷地区的气候条件，来解决冷凝排热问题。由于利用空气冷却不需要冷 却水，故此方案主要适用于缺乏冷却水源的地区。但空气冷却方案也有很大的缺 点：首先，空气的比热比水小的多，所以相同的冷凝负荷需要的冷却空气量很大， 相应的风机泵耗就很大，大大降低了系统的经济性；其次，若采用表面式空气冷 却换热器，传热系数小，换热面积相当大。 第三章热力循环系统的优化 第三章热力循环系统的优化 在第二章关于系统的总发电效率的讨论中，计算了在理想情况下( 假设系 统的全部设备如螺杆发电机组等设计制造十分完善，电效率 魂= ，7 ，锄= 1 0 0 ；热力循环和其他加热设备也很理想，即没有任何形式的热 损失；热水温度又可以由热水进口初温。一直冷却到环境温度瓦等) 的发电总 效率和发电功率。上述的理想情况虽然在实际上是不可能实现的，但可以通过一 些优化，使系统在尽可能接近理想情况下运行，为此需要对系统的热力循环等方 面作进一步研究和提高。 3 1 有机工质双循环螺杆机系统优化程序 为更高效迅速的进行有机工质双循环螺杆膨胀机系统的优化设计，特编制系 统优化程序以验证理论分析的结论。 作为程序设计的数据准备，需要首先将低沸点工质的热物理性质利用 o r i g i n 软件进行高精度的曲线拟和，得出大量高次多项式物性方程式，包括丙 烷，正丁烷，异丁烷等低沸点工质在不同温度下焓值、熵值、比容与干度关系式， 特定冷凝温度下焓值、比容与熵值关系式，饱和温度和饱和压力关系式，饱和液、 饱和汽焓值与温度关系式等。这些关系式作为系统优化程序的数据支持部分。 根据有机工质双循环螺杆机系统的理论模型，使用v i s u a lb a s i c 设计了系统 优化程序，进行有机工质双循环螺杆机系统循环方式的选择，有机工质的选择和 工质螺杆机最佳入口状态的确定等计算分析，得出对系统优化有用的重要结果。 本程序设定热源为热水，因为是理论分析，假设水质纯净，蒸发器、冷凝器无换 热损失，连接管道无散热损失，但考虑螺杆膨胀机不可逆绝热膨胀的相对内效率。 程序的主要步骤如下： 1 、输入热水参数( 温度，流量) ； 2 、输入螺杆膨胀机膨胀比； 3 、设定冷却水温度； 4 、选择系统循环方式( 蒸汽动力循环，或者汽液两相循环) ； 5 、选择有机工质； 1 8 天津大学硕士学位论文 6 、计算有机工质螺杆机最佳入口状态( 选择蒸汽动力循环，计算最佳入口 湿度，即最佳蒸发温度；选择汽液两相循环，计算最佳入口温度，入口 干度) ； 7 、计算两种循环方式下的热水蒸发器出口温度，有机工质的工质流量，冷 凝器换热量，系统的理论功率，考虑工质泵耗功后的理论功率，考虑工 质泵及冷凝侧耗功后的理论功率等。 经过对理论分析和程序的计算结果进行对比验证，本程序顺利地达到了通过 计算机模拟来对系统进行优化的效果。 具体的程序设计框图见附录l 。 3 2 系统循环方式的优化选择 3 2 1 定熵膨胀功率的比较 在第二章中提到根据蒸发器出口状态的不同，有机工质双循环螺杆机系统又 分成有机工质蒸汽动力循环和有机工质汽液两相动力循环两种循环方式。 有机工质蒸汽动力循环就是工程热力学理论中的朗肯循环。 1 9 8 1 年，英国伦敦大学的史密斯博士提出了回收工业余热和利用地热等低 品位能源的有机介质湿蒸汽三角循环。这个循环不存在换热“节点”的影响，因 此，效率较高。该循环是在湿蒸汽区膨胀做功，也就是有机工质汽液两相动力循 环f 3 0 】。 在不考虑内部损失( 泄漏、流动损失) 和外部损失( 传热、机械摩擦等) 情况下 螺杆膨胀机的功率称为理论功率，理论功率即定熵膨胀功率，记为只。研究理论 功率的变化规