浅谈螺杆动力机有机工质循环系统

浅谈螺杆动力机有机工质循环系统浅谈螺杆动力机有机工质循环系统 作者 窦文强 佟有德 苗宇欣 单位 丹东克隆集团有限责任公司 II 摘摘 要要 随着国家工业水平的发展 对能源利用情况的不断重视 如何节能减排已 被政府引入到国家的发展规划中 各种新型节能设备纷纷涌现出来 螺杆动力 机有机工质循环系统就是一种新型的能量回收技术 通过对螺杆动力机的介绍及对国内外发展概况及现状的阐述 螺杆动力机 有机工质循环系统在技术上是可行的 在国内具有相当巨大的市场空间 通过 对此系统进行热力计算分析 螺杆动力机有机工质循环系统在余热回收利用上 提出了一种新的解决方法 关键词 螺杆动力机 能源利用 有机工质 余热回收 III 目 录 螺杆动力机有机工质循环系统分析螺杆动力机有机工质循环系统分析 I 摘摘 要要 II 一 绪言一 绪言 1 二 螺杆动力机简介二 螺杆动力机简介 1 1 1 螺杆动力机工作原理 1 1 2 螺杆动力机技术参数 2 1 3 螺杆动力机技术国内外发展概况及现状 2 三 螺杆动力机有机工质循环系统三 螺杆动力机有机工质循环系统 4 3 1 螺杆动力机有机工质循环系统原理及组成 4 3 2 有机工质蒸汽动力循环 5 3 2 1 有机工质蒸汽动力循环过程介绍 5 3 2 2 有机工质的选择 6 3 3 螺杆动力机有机工质循环系统项目应用热力计算 6 3 2 1 项目现场汽源条件 6 3 2 2 有机工质蒸汽动力循环系统计算 7 3 2 2 1 蒸发换热器侧热力计算 7 3 2 2 2 螺杆动力机侧热力计算 7 3 2 2 3 冷凝器侧热力计算 8 3 2 2 4 工质泵侧热力计算 8 3 2 3 有机工质蒸汽动力循环系统效率 8 四 结论四 结论 9 参考资料参考资料 10 1 一 绪言一 绪言 随着国家工业水平的发展 对能源利用情况的不断重视 新科技 新技术 的引进 国内各个行业均在不同程度进行工业改造 能源利用效率逐年提高 目前国内大多数余热发电均采用以水为工质的单循环系统 1 即 我公司所生 产制造的汽液全流螺杆动力机蒸汽动力循环所适用的热源条件正逐渐减少 针对此种情况 设计螺杆动力机有机工质循环系统 进一步扩大螺杆动力 机可回收利用的热源范围意义重大 二 螺杆动力机简介二 螺杆动力机简介 丹东克隆螺杆动力机是在螺杆压缩机基础上研发的一种新型动力机 是一 种专门回收低品位能源的高效率动力机 它利用蒸汽 湿蒸汽 热水和其它热 液介质作为动力源 将热能转换为机械能 直接驱动发电机 各种泵 风机 压缩机 磨煤机 搅拌机 制粉机等设备 达到节能降耗的经济效果 它具有 螺杆压缩机所有的优点 结构简单 运行平稳 易维护 经久耐用 它是目前 唯一能适应汽 水两相全流介质的动力机 它是当前工业 企业节能 降耗 减排 提高效益 净化环境的理想技术设备 1 1 螺杆动力机工作原理 螺杆动力机主要由两根 阴 阳 螺杆转子 机壳体 轴承和机械密封装 置等部件组成 作为一种容积型机器 动力机主要利用压差作功回收动力 工 作时 蒸汽介质先进入机内螺杆齿槽 A 推动螺杆转动 使齿槽 A 旋转到 B C D 的位置 齿槽间容积不断增大 蒸汽降压降温膨胀 或闪蒸 做功 然后从齿槽 E 排出 主轴阳转子输出功率 驱动发电机或水泵 螺杆动力机工作过程如图 1 所示 是由进汽过程 膨胀过程和排汽过程三 个过程组成的 此过程也是一能量转换过程 即将具有余热余压的流体工质的 热能通过螺杆动力机转换为机械能的过程 并将能量输出 用于驱动风机 泵 压缩机等负载 或者用于驱动发电机 将机械能进一步转换为电能 对外输出 在热力学上 将热能转换为机械能是一个焓降过程 在螺杆动力机膨胀过 2 程中 流体工质压力 温度 焓值下降 比容增加 流体工质内能转换为机械 能对外做功 流体工质做功的必备的两个条件 有压差 有压差 压差作用促使螺杆 动力机转动 有焓降 有焓降 焓降越大说明单位介质做功越大 两个条件同时满足 缺一不可 同时 需保证工质条件在螺杆动力机设计技术参数范围内 图 1 螺杆动力机工作原理图 1 2 螺杆动力机技术参数 1 最高进汽压力 3 0MPa 2 最低进汽压力 0 3MPa 3 最高进汽温度 300 4 最低进汽温度 130 5 最大进排汽压差 1 7MPa 6 单机最大功率 3000Kw 7 转速 1000 4000rpm 无级调速 3 1 3 螺杆动力机技术国内外发展概况及现状 国外汽液全流螺杆动力机领域发展概况 国外汽液全流螺杆动力机的研究 工作是从 1952 年 H R Nillsen 获得了螺杆机械作为动力机的专利权后开始的 80 年代初 在世界能源组织 IEA 的资助下 美国水热电力公司设计制造了 1MW 的大型地热水螺杆机全流发电装置 分别在美国 墨西哥 新西兰的地 热田进行过现场巡回中试 螺杆机内效率 65 74 2 日本北海道大学进行过 低沸点氟利昂汽液两相全流动力机试验研究 功率 10kW 内效率为 60 70 按此计算出大型全流动力机内效率可达 75 80 1985 年日本株式 会社前川制作所研制成功工业锅炉蒸汽压差发电螺杆动力机 进汽压力 1MPa 温度 250 排汽压力 0 5MPa 蒸汽流量 3 1t h 转子直径 160mm 转 速 7000rpm 功率 102 kW 机组电效率 44 由于发达国家能源综合利用率 较高 余热量较少 目前国外最大的全流螺杆动力机功率为 300 kW 日本前川 制作所 国内汽液全流螺杆动力机领域发展概况 我国对汽液全流螺杆动力机技术 的研究始于 20 世纪 80 年代 3 于 1983 年开始进行工业余热及地热等能源的回 收与发电研究 1987 年完成工作介质为汽液两相的螺杆膨胀动力机的科研项目 4 先后通过国家部委及省市小试 藏科业字 83 21 文 中试 部科专 92008 市科 900010160020 及国家八五科技攻关大试 85 518 01 03 国家经贸 委已将其推荐列入九五节能改造示范工程和重点推广应用项目 5 丹东克隆螺杆动力机技术 是在对螺杆压缩机深入研究基础上 借鉴国内 外技术理论 发挥公司机械密封强项技术和研发优势 引进人才自主研发成功 的 目前公司已开发出四个系列几十个规格的产品 最大功率可达到 1500 kW 其技术水平达到了国内外同行业在该领域的领先水平 4 三 螺杆动力机有机工质循环系统三 螺杆动力机有机工质循环系统 螺杆动力机有机工质循环系统能够进一步扩大螺杆动力机目前可回收利用 的热源范围 对热源流体品质的好坏及流体的温度和压力都没有太高的要求 甚至于八十五度的低温热水 具体参数如下 蒸汽参数 压力 0 3MPa 以下 温度 130 热水参数 压力 85 3 1 螺杆动力机有机工质循环系统原理及组成 螺杆动力机有机工质循环系统 如图 2 所示 它是一种利用含热流体与有 机工质进行热交换 使工质温度升高 再将有机工质引入螺杆动力机进行能量 回收的系统方式 整个系统主要由蒸发器 螺杆动力机 蒸发式冷凝器 工质 泵等设备和一些管道 仪表 阀门组成 螺杆动力机有机工质循环系统以低沸点有机物为工质 使工质在流动系统 中从余热流体中获得热量 产生有机质蒸汽 进而推动螺杆机 带动发电机发 电或输出动力 乏气在冷凝器中冷却为液态 又泵打入热交换器 完成一个循 环 6 图 2 螺杆动力机有机工质循环系统图 5 3 2 有机工质蒸汽动力循环 3 2 1 有机工质蒸汽动力循环过程介绍 根据有机工质在蒸发器出口热力状态的不同 螺杆动力机有机工质循环系 统分为 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 因在项目现场热源参数已知 且考虑此系统的经济效能的可行性 将以有 机工质蒸汽动力循环作为研究内容进行分析 即蒸发器出口为饱和蒸汽或过热 蒸汽 循环如图 3 所示 1 2S 3 4 1 从 T S 图上 可以看出这是一个理想 的郎肯循环 7 图 3 有机工质蒸汽动力循环图 工质在螺杆动力机中的膨胀过程 1 2S 可逆绝热过程 即定熵过程 过 程中工质对外做功 WT h1 h2S 工质在蒸发式冷凝器中的放热过程 2S 3 定压过程 过程中工质放热 q2 h2S h1 工质在泵中的压缩过程 3 4 定熵过程 过程中工质接收外功 W p h4 h3 工质在蒸发式冷凝器中的吸热过程 4 1 定压过程 过程中工质吸热 q1 h1 h4 由于工质的不可压缩性 或压缩过程中体积变化很小 故泵功长可按下 式近似计算 6 3 2 2 有机工质的选择 有机工质循环系统常用工质 R123 R245fa R152a 氯乙烷 丙烷 正 丁烷 异丁烷等 对于有机工质要求 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 在冷凝温度下 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 考虑以上信息 并结合螺杆动力机所适应的最佳膨胀比及其发电性能 5 选取 R245fa 作为螺杆动力机有机工质循环系统的循环工质 其物性参数表如下 有机工质有机工质 R245fa 相关性质参数表相关性质参数表 项 目参 数项 目参 数 沸点 1atm 15 14密度 kg m3516 0846 临界温度 154 01饱和蒸汽压 20 kpa123 临界压力 kpa3651破坏臭氧潜能值 ODP 0 分子量134全球变暖潜能值 GWP 820 3 3 螺杆动力机有机工质循环系统项目应用热力计算 3 2 1 项目现场汽源条件 序号项 目数 值单位备 注 1汽源压力 MPa 表 0 4MPa 2汽源温度 151 3蒸汽流量3t h 4冷却水进水温度 15 7 3 2 2 有机工质蒸汽动力循环系统计算 3 2 2 1 蒸发换热器侧热力计算 1 热源参数 蒸汽压力0 4 MPa蒸汽温度151 蒸汽流量3 t h饱和蒸汽焓2748 706 KJ Kg 2 热水参数 蒸汽冷凝温度100 热水焓值420KJ Kg 热源焓降 h S 2748 706 420 2328 706 KJ Kg 循环系统循环介质为循环系统循环介质为 R245fa 3 工质换热器进口参数 R245fa 压力1 4 MPaR245fa 温度31 R245fa 流量30 42t h过冷态焓值240 7735KJ Kg R245fa 比容7 540468e 004 m3 kg 4 工质换热器出口参数 R245fa 压力1 16MPaR245fa 温度96 R245fa 流量30 42 t h工质焓 饱和 471 9895KJ Kg R245fa 比容1 511036e 002 m3 kgR245fa 比熵1 7891KJ Kg 工质焓升 h 471 9895 240 7735 231 216KJ Kg 被加热工质量 Q 2328 706 3 02 231 216 30 42 t h 3 2 2 2 螺杆动力机侧热力计算 1 螺杆动力机进汽参数 进汽压力1 15 MPaR245fa 温度96 R245fa 流量30 45t h进汽工质焓 饱和态 471 7604 KJ Kg R245fa 比容1 525375e 002 m3 kgR245fa 比熵 1 7889KJ Kg 2 螺杆动力机排汽参数 排汽压力0 235MPaR245fa 温度48 32 R245fa 流量30 45 t h排汽工质焓 过热 442 5408 KJ Kg R245fa 比容7 881102e 002 m3 kgR245fa 比熵1 7889KJ Kg 8 h 471 7604 442 5408 29 2196 KJ Kg V2 V1 7 881102e 002 1 525375e 002 5 166665 Q 40m3 mim 60min V2 30 45 t h P 60 148 3KW 螺杆动力机选型参数为 KLD321 1 65 1500 150 F 3 2 2 3 冷凝器侧热力计算 1 工质进口参数 工质压力0 235MPaR245fa 温度48 32 R245fa 流量30 45 t h排汽工质焓 过热 442 5408 KJ Kg R245fa 比容7 881102e 002 m3 kgR245fa 比熵 1 7889KJ Kg 2 工质出口参数 工质压力0 22MPaR245fa 温度31 工质焓 过冷 240 4487 KJ KgR245fa 比容7 563095e 004 m3 kg R245fa 密度1322 21 kg m3 h 442 5408 240 4487 202 0921 KJ Kg 冷凝器换热量 1712 169KW 项目所用冷却水进水温度为 15 出水温度为 25 冷凝器补水量为 1 5t h 3 2 2 4 工质泵侧热力计算 1 泵进口工质参数 R245fa 温度31 工质焓 过冷 240 4487 KJ Kg 2 泵出口工质参数 R245fa 压 力 1 4 MPaR245fa 温度31 R245fa 流 量 30 45 t h过冷态焓值240 7735KJ Kg R245fa 比 容 7 540468e 004 m3 kg 9 3 2 3 有机工质蒸汽动力循环系统效率 1 热源提供总热量 P 总 2328 706 3000 3600 1940 588 KW 2 整个系统热量平衡 总 148 3KW 1940 5988KW 0 07642 3 螺杆动力机理论发电功率占总能量的 7 64 10 四 结论四 结论 螺杆动力机有机工质循环系统属