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@2010.12.12

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。

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。

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。结构简图

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。

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。（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。

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。

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。

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。

有机工质循环螺杆膨胀机发电系统简图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。

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。

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。

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。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。

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：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=700000kW·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

环境效益

采用有机工质循环螺杆膨胀机系统，全年发电量700000kW·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。

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