基于单螺杆膨胀机的余热余压发电_吴玉庭
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报告内容
➢ 背景 ➢ 单螺杆膨胀机研究进展 ➢ 应用案例 ➢ 结论
1 背景 余热回收重点在中低温余热回收
1 背景 余热回收重点在中低温余热回收
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 ºC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 ºC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。
• 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。
1 背景一、研究背景及关键科学问题——膨胀机类型
锻造加热炉、冲天炉、退火炉等
15%
10401.37
1560.25
造纸工业 造纸烘缸、木材压机、烘干 机、制浆黑液等
玻璃搪瓷工 业
玻璃熔窑、坩埚窑、搪瓷转炉、搪瓷窑炉等
建材工业
高温排烟、窑顶冷却、高温产品等
余热资源合计
低温余热资源合计：30236.48×30%=9071万吨标煤
15%
3443
516.45
• 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
国外发展现状
国外有机朗肯循环系统的累计装机容量达到了190万千瓦
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
目前缺乏技术成熟的小型膨胀机技术
• 国际上有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
3
1 背景
低温余热回收市场容量大
工业部门
余热来源
余热约占燃料 消耗量的比例
年燃料 消耗量 /万吨标煤
余热总量 /万吨标煤
冶金工业 高炉、转炉、平炉、均热炉、轧钢加热炉等
33%
51445.64 16977.62
化学工业 高温气体、化学反应、可燃气体、高温产品等
15%
41301.03
6195.16
机械工业
17%
19948.4
4987
40%
30236.48 低温余热发电市场容量：25910MW
总市场容量：25910 MW, 2590亿人民币
年市场容量：500 MW, 50亿人民币
4
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
单螺杆
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）
涡旋膨胀机
双螺杆
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
受力平衡Hale Waihona Puke Baidu
存在三角泄露区
低泄露
容积效率 : 92%(单螺杆), 88%(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！
50℃ 60℃
10
8
6
4
2
0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
进口温度 / ℃
高热效率
充分利用温差 工 质 物 性
大膨胀比
进出口温度与膨胀比的关系（R245fa为例）
1 背景
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
活塞机
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
变流量可加热压缩空气单 螺杆膨胀机性能实验台
➢ 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42~200mm,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：200~500mm）
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：20~42mm)
2 进展
建立了单螺杆膨胀机和压缩机数字化设计平台
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。
1. 单螺杆膨胀机，填补国际空白 优点：单机功率1～1000kW，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，可使余热回收发电的最低温度 降低到80℃
2 进展
单螺杆膨胀机相关科研项目
2 进展
关键部件加工技术
2 进展 研制了四种型号的单螺杆膨胀机
Φ117mm Φ155mm
Φ175mm
Φ195 mm
规格
最大输出功率(kW) 最大总效率(%) 最大温差(℃)
Φ117
5
Φ155
9.9
Φ175
22.4
Φ195
51.8
66%
63
58.3%
64
70%
70
63%
88
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
容积式膨胀机适合小型膨胀机
➢ 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、
活塞式膨胀机，等等 优点：转速低，膨胀比高，流量低
1 背景
膨胀比
有机朗肯循环所需膨胀机要求较高的膨胀比
20
18
出口温度
16
30℃
14
40℃
12
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
➢ 背景 ➢ 单螺杆膨胀机研究进展 ➢ 应用案例 ➢ 结论
1 背景 余热回收重点在中低温余热回收
1 背景 余热回收重点在中低温余热回收
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 ºC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 ºC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。
• 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。
1 背景一、研究背景及关键科学问题——膨胀机类型
锻造加热炉、冲天炉、退火炉等
15%
10401.37
1560.25
造纸工业 造纸烘缸、木材压机、烘干 机、制浆黑液等
玻璃搪瓷工 业
玻璃熔窑、坩埚窑、搪瓷转炉、搪瓷窑炉等
建材工业
高温排烟、窑顶冷却、高温产品等
余热资源合计
低温余热资源合计：30236.48×30%=9071万吨标煤
15%
3443
516.45
• 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
国外发展现状
国外有机朗肯循环系统的累计装机容量达到了190万千瓦
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
目前缺乏技术成熟的小型膨胀机技术
• 国际上有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
3
1 背景
低温余热回收市场容量大
工业部门
余热来源
余热约占燃料 消耗量的比例
年燃料 消耗量 /万吨标煤
余热总量 /万吨标煤
冶金工业 高炉、转炉、平炉、均热炉、轧钢加热炉等
33%
51445.64 16977.62
化学工业 高温气体、化学反应、可燃气体、高温产品等
15%
41301.03
6195.16
机械工业
17%
19948.4
4987
40%
30236.48 低温余热发电市场容量：25910MW
总市场容量：25910 MW, 2590亿人民币
年市场容量：500 MW, 50亿人民币
4
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
单螺杆
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）
涡旋膨胀机
双螺杆
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
受力平衡Hale Waihona Puke Baidu
存在三角泄露区
低泄露
容积效率 : 92%(单螺杆), 88%(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！
50℃ 60℃
10
8
6
4
2
0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
进口温度 / ℃
高热效率
充分利用温差 工 质 物 性
大膨胀比
进出口温度与膨胀比的关系（R245fa为例）
1 背景
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
活塞机
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
变流量可加热压缩空气单 螺杆膨胀机性能实验台
➢ 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42~200mm,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：200~500mm）
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：20~42mm)
2 进展
建立了单螺杆膨胀机和压缩机数字化设计平台
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。
1. 单螺杆膨胀机，填补国际空白 优点：单机功率1～1000kW，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，可使余热回收发电的最低温度 降低到80℃
2 进展
单螺杆膨胀机相关科研项目
2 进展
关键部件加工技术
2 进展 研制了四种型号的单螺杆膨胀机
Φ117mm Φ155mm
Φ175mm
Φ195 mm
规格
最大输出功率(kW) 最大总效率(%) 最大温差(℃)
Φ117
5
Φ155
9.9
Φ175
22.4
Φ195
51.8
66%
63
58.3%
64
70%
70
63%
88
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
容积式膨胀机适合小型膨胀机
➢ 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、
活塞式膨胀机，等等 优点：转速低，膨胀比高，流量低
1 背景
膨胀比
有机朗肯循环所需膨胀机要求较高的膨胀比
20
18
出口温度
16
30℃
14
40℃
12
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