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1、基于单螺杆膨胀的中小型余热余压发电技术,吴玉庭 马重芳传热强化与过程节能教育部重点实验室传热与能源利用北京市重点实验室北京工业大学,报告内容,背景 单螺杆膨胀机研究进展 应用案例结论,余热回收重点在中低温余热回收,1 背景,4,我国工业余热资源十分丰富，估计其市场容量达到2600亿元，目前所开发的多是高温（400 C以上）大功率（1000 kW以上）的余热资源，对于广泛存在的中低温（300 C以下）低功率（数十和数百千瓦）的余热资源，由于技术的限制尚未开发利用。,余热回收重点在中低温余热回收,1 背景,低温余热回收市场容量大,5,总市场容量：25910 MW,2590亿人民币 年市场容量：50
2、0 MW,50亿人民币,1 背景,有机朗肯循环低温热源发电技术,与朗肯循环不同指出在于:使用低沸点工质做为有机朗肯循环工质,在较低温度下可获得相对较高的发电效率有机朗肯循环工质密度远大于水蒸气，减小了膨 胀机、管路和换热器 的体积和重量，减小了空冷冷凝器的尺寸，因此特别适 合空冷使用冷凝压力高，因此不需抽真空设备 凝固点低于50，无需担心冬天的冻堵问题,1 背景,有机朗肯循环发电技术,国外有机朗肯循环系统的累计装机容量达到了190万千瓦,国外发展现状,1 背景,目前有机朗肯循环系统的发电效率与卡诺循环效率还有很大差距，需要进一步提高有机朗肯循环系统的热力学完善度，提高效率。,1 背景,国际上有
3、机朗肯循环发电系统装机容量已达200万千瓦以上，但都是MW级的，缺乏百、十千瓦级的有机朗肯循环电站。工业过程中广泛存在数量巨大的小规模热源，急需百千瓦、十千瓦级的有机朗肯循环余热发电目前广泛使用的蒸汽轮机一般在1000千瓦以上，几十千瓦的小型蒸汽轮机效率很低。航空上广泛采用的涡轮膨胀机虽然功率可满足要求，但由于转速极高，因此需要减速装置，增加了成本，降低了效率，尤其对于小型余热装置来说，增加一套减速装置，将会显著增加发电成本。,目前缺乏技术成熟的小型膨胀机技术,1 背景,速度式膨胀机：透平膨胀机 优点：技术成熟，效率高 缺点：转速高，膨胀比低，流量大 容积式膨胀机：螺杆式膨胀机、涡旋式膨胀机、
4、活塞式膨胀机，等等 优点：转速低，膨胀比高，流量低,一、研究背景及关键科学问题膨胀机类型,容积式膨胀机适合小型膨胀机,1 背景,进出口温度与膨胀比的关系（R245fa为例）,有机朗肯循环所需膨胀机要求较高的膨胀比,高热效率,工质物性,充分利用温差,大膨胀比,1 背景,活塞机,涡旋膨胀机,双螺杆,单螺杆,螺杆膨胀机工质试验范围广，适合百千瓦级、十千瓦级和千瓦级,螺杆膨胀机适合于全流膨胀：允许湿蒸汽进入膨胀机（过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液混合物、烟气、废气以及热水）,1 背景,单杆膨胀机原理,1 背景,单螺杆同双螺杆的比较,受力不平衡 存在三角泄露区,受力平衡低泄露,容积效率:92%(单螺杆),88%
5、(双螺杆)轴向和径向受力平衡使单螺杆技术具有寿命长、结构简单和低噪音低振动的优势！,1 背景,单螺杆膨胀机技术在余热回收中的优势,（1）转速与主机大体相同，两种发动机可以同轴输出功率；（2）膨胀机结构简单，运动件少（只有两个星轮，一个螺杆），受力平衡、运转平稳、振动噪音低、寿命长；（3）单螺杆膨胀动力机尚未见于国外任何报道，我们具有自主知识产权。,1 背景,我们的创新：单螺杆膨胀机+有机朗肯循环,1.单螺杆膨胀机，填补国际空白优点：单机功率11000kW，蒸汽轮机不适用 工质适应性广：饱和蒸汽、过热蒸汽，气液混合物 结构简单，寿命长，效率高 2.有机朗肯循环。采用有机工质代替水最为工质，可使余
6、热回收发电的最低温度降低到80,1 背景,单螺杆膨胀机相关科研项目,2 进展,关键部件加工技术,研发出展成法加工高精度螺杆和星轮我们加工的啮合副在槽底的配合间隙0.02mm具有良好的互换性研发出5级精度的专用加工机床（加工螺杆直径42200mm,年生产能力：1500台）正在开发大型专用加工机床（最大加工螺杆直径：200500mm）已完成设计，部件正在加工之中正在开发小型专用机床（螺杆直径：2042mm),2 进展,117mm,155mm,175mm,195 mm,除了我们团队外还未见到其他单位研制成功单螺杆膨胀机公开文献报道,研制了四种型号的单螺杆膨胀机,2 进展,建立了单螺杆膨胀机和压缩机数
7、字化设计平台,该设计平台由266个文件组成作用：1.能直观显示压缩机和膨胀机的外形及内部结构2.大大提高了设计效率3.显著缩短新产品研制周期,2 进展,建立了单螺杆膨胀机和压缩机的仿真和模拟平台,可进行单螺杆压缩机和膨胀机内部工作过程的仿真，流动传热和容积变化计算，受力分析、压缩机结构参数优化等的研究。,2 进展,单螺杆膨胀机试验平台建设,压缩空气/水蒸汽单螺杆膨胀机性能试验台,中压大流量压缩空气单螺杆膨胀机性能试验台,变流量可加热压缩空气单螺杆膨胀机性能实验台,单螺杆膨胀机有机朗肯循环试验台,85kW柴油机废气余热热功转换系统,247kW柴油机废气余热热功转换系统实验台,2 进展,单螺杆膨胀
8、机的压缩空气变工况试验,建立了单螺杆膨胀机压缩空气性能试验台，实验揭示了进口压力、出口背压和转速等对单螺杆膨胀机输出功率、效率、多变指数、耗气率、温降等技术经济性能的影响规律,获得了单螺杆膨胀机压力特性曲线方程,为ORC系统设计优化和控制提供了膨胀机基础数据和实验依据,2 进展,试验获得了水蒸气单螺杆膨胀机的性能曲线,以水蒸汽为工质进行了单螺杆彭胀机的性能试验，获得了转速、压力对单螺杆膨胀机技术经济性能的影响规律，结果表明，水蒸汽单螺杆膨胀机效率明显高于压缩空气，达到了66%，膨胀机最优转速也明显高于压缩空气，达到了3400r/min,2 进展,提出了单螺杆膨胀机有机朗肯循环低温热源发电系统方
9、案，分析比较了工质、循环流程结构、运行参数等对系统性能的影响规律，获得了适合不同热源单螺杆膨胀机优化方案。,单螺杆膨胀机有机朗肯循环发电系统分析优化,2 进展,建立了ORC实验系统，初步获得了实验数据,最大功率约1.7kW膨胀机效率约为70%循环热效率约为5%,2 进展,潍柴动力资助292万元用于柴油机废气余热热功转换系统的研发，目前已经完成了两轮研制，获得了初步试验数据,单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机废气余热发电系统的研发和试验,2 进展,设备布置,冷凝器,单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机废气余热发电系统的研发和试验,2 进展,最大输出功率为10.38kW单螺杆膨胀机的效率最大为57.88%余
10、热回收系统的热功转换效率最大7.42%,单螺杆膨胀机有机朗肯循环柴油机废气余热发电系统的研发和试验,2 进展,工业窑炉烟气余热发电,锅炉烟气，工业炉烟气等,3 应用场合,固定式内燃机废气余热发电,固定式柴油机发电系统，天然气发动机发电系统燃气驱动的大型压缩机等,3 应用场合,重型卡车发动机废气余热动力系统,3 应用场合,热水（蒸汽）废热发电系统,钢铁冲渣废水，化工厂热水、石油开采的排放热水(90）,3 应用场合,蒸汽锅炉余压发电技术,供热锅炉 产生蒸汽和热水汽用户之间对蒸汽和热水的温度压力要求不同，常常需要加装减压阀，因此常有0.8-1兆帕的压力差白白的浪费掉工业锅炉 蒸汽压力一般在0.8MP
11、a以上，温度可达270以上，而造纸、印染、化工、酿酒、制糖等行业的生产设备是低压或无压容器，为保护生产设备和满足生产工艺用汽参数，不得不装减温减压器，其高位热能白白的扔掉，,使用单螺杆膨胀机代替减温减压阀，在实现减压的同时实现发电，可取得很大的节能效益,3 应用场合,天然气输送管线的余压发电系统,仅西气东输管道工程公司就可以建立270余座功率不等的余压发电站，潜在的市场价值更在10亿元人民币以上。随着输气管线增加，市场也会不断扩大。余压发电的每千瓦的市场价格约为5000元人民币，设备的生产和制造可获得成倍利润。设备投产后，2年回收成本。,3 应用场合,天然气输配系统余压发电技术（美国）,中石油
12、西气东输公司资助我们59万元开发单螺杆膨胀机输气管道压力能发电系统,单螺杆膨胀机在千瓦百千瓦级有机朗肯循环中具有很好的应用前景；北京工业大学掌握了单螺杆膨胀机关键部件的制造技术，研制了四种型号的膨胀机，并进行了压缩空气、水蒸汽和有机工质的单螺杆膨胀机性能试验，试验结果证明单螺杆膨胀机目前稳定运行效率在6080%之间，已达到实用化水平北京工业大学成功进行了单螺杆膨胀机有机朗肯循环发电系统的实验室长期运行，特别为潍柴动力生产247kW柴油机配套研发的单螺杆膨胀机废气余热发电系统产生了最大10.38kW的功率输出，最大净发电效率大于6.5%单螺杆膨胀机余热余压发电可在工业窑炉烟气余热发电、固定式和车载内燃机废气余热发电、工业废水余热发电、天然气余压发电和蒸汽余压发电中得到应用。,结论,感谢各位的光临欢迎提出宝贵建议！,
