低温发电技术简介剖析

低温发电技术简介

山西易通环能科技集团有限公司

2014.2.28

一、山西易通环能科技集团有限公司情况简介

山西易通环能科技集团有限公司系从事工业余热及地源热综合利用节能环保技术领域的产品研发、生产制造、工程承建、技术服务于一体的科技型企业；长期为高耗能企业提供相应的节能减排方案并提供相应的节能设备的生产和节能工程项目施工管理的企业。该公司主要生产的产品有：低温发电机组、双螺杆膨胀机、双螺杆空压机、矿山污水净化设备、地源热利用成套设备、高效磁力选矿系列产品等。

2012年与天津大学通过科技成果转让与研发战略合作，成为国家“973”课题成果受让和延续研发示范单位；2013年10月16日，我国首台双循环全流发电机组在山西易通集团的生产车间成功下线。该机组采用国内领先、世界先进的低温发电技术，为低温余热回收利用领域开辟了新的天地，它的应用标志着我国低温热源利用率的提高，有望实现低温区余热梯级利用。低温余热发电技术是国家科技部多年立项连续支持并取得了科研成果的“973”科技项目，天津大学与易通集团合作开发出具有完全自主知识产权的天易系列化低温双循环全流发电机组。

二、低温发电技术应用背景

我国八大能耗企业使用的能源占工业能源使用量的70%以上，由于热能使用方式必定会带来废热的排放，因此工业余热的排放量是十分惊人的。这些废热的排放造成能源利用的极大浪费，也是造成温室效应的主要因素。

目前温度低于150 ℃的热能无法实现发电利用，在无直接热利用的条件下，基本排放到大气中，造成极大的能源浪费和环境污染，这种工业余热的总量是非常巨大的。如钢铁冶金行业、热电行业、煤炭行业、石油炼化行业、化工行业、建材加工行业、食品加工行业等（图1）都有工艺循环冷却水、烟气、乏蒸汽等低品味能源排放。我国单位产值能耗比世界平均水平高2.4倍，能源利用效率比国际先进水平低10个百分点，回收工业余热可减少工业能源消耗和温室气体的排放，具有巨大的节能潜力。

钢铁行业

冶金行业

煤炭行业

石化行业

建材行业

干燥行业

油田行业化工行业

图1 各工业余热排放图

为充分利用大规模工业过程中的余热，将其转化为高品质的机械能、电能等，本项研究设计开发出了低温有机工质朗肯循环发电系统，用于回收和转化工业过程中的大量余热资源，并转化为高品位的电能，供运行设备再利用，同时将原余热进一步降低能级后再排出系统，使过程能量的优化利用达到新的水平。

三、 低温余热发电技术原理

有机朗肯循环发电是利用液态有机工质低沸点蒸发的热物理性质，经蒸发器与低温热源换热，蒸发为饱和或者过热蒸汽，推动膨胀机做功，将携带的低品位热能转化为机械能，由发电机进一步转化为电能。膨胀后的乏汽进入冷凝器冷凝为饱和液体，经工质循环泵加压进入蒸发器，完成循环，流程如图2所示，除有机工质循环之外，还有低温热源载体的循环和冷却系统的循环。图3的T-S 以及P-V 图中e c c b a -'---为理想的循环过程，可以理想化为两个等压过程（定压蒸发过程a e d c ---'和定压冷凝过程c b -）和两个等熵过程（等熵膨胀过程b a -和等熵压缩过程c c '-）。图中，a e d c c b a ---'---的面积代表了发电量；而a e d c ---'表示蒸发器中有机工质的吸热量；c c '-是工质循环泵对工质液体的等熵压缩过程。

热水供水热水回水蒸发器

工质

循环泵

冷凝器膨胀机冷却水供水冷却水回水a

b

c d e 发电机

图2 低温有机工质双循环发电流程图

图3 朗肯循环图（a:P-V图；b:T-S图）

低温有机工质双循环发电系统与单循环系统相比具有两方面优越性：第一，作为换热介质的有机工质在一个封闭的回路里循环工作，只要设备的密封性良好，有机工质的质量不会发生变化；第二，有机工质的种类很多，不同工质都有其最适宜发电的工况，因此双循环系统可以根据不同的工况采用最适合的工质发电，灵活性比较强。

四、低温余热发电机组主要设备简介

1)换热器

低温余热发电机组的换热器包括三个部分：预热器、蒸发器、冷凝器。

预热器与蒸发器是机组的取热设备，负责将能量从余热流体中吸收出来。取热技术是余热利用发电的第一步，只有确定出理想的取热方式和相应的换热器形式，才可以完成后续的发电过程。

针对低温发电换热特点，设计了“壳管式预热器+满液式蒸发器”的组合式蒸发器，利用壳管式换热器为过冷液体提供较大换热流程，以满足较大温升；利用满液式蒸发器高效的沸腾换热和储液量大，稳定的提供有机工质的饱和蒸汽。在组合式蒸发器中，预热器将过冷液体加热到接近饱和，而蒸发器出口的工质气体过热度在1 ℃左右。

而冷凝器是发电机组的散热设备，在有机朗肯循环的实现过程中，冷凝器至关重要，良好的散热效果，可以降低冷凝温度，提高发电效率。可以根据不同的实际情况选用不同的冷凝器：蒸发式冷凝器。管壳式冷凝器、风冷式冷凝器。

换热技术的主要技术特点是：

●加大低温余热的取热温差，以便能够更大量地利用低温余热，目前的单

级换热取热温差可达到20 ℃以上，如管壳式换热器。

●降低流体间的换热温差，以使发电温度尽可能提高，并以提高换热设备

的热效率。目前的换热技术可使流体间的换热温差最小可达到1℃，如

板式换热器和热管式换热器。

管壳式换热器板式换热器热管式换热器

图4各种换热器

目前的换热器（各种换热器图如图4所示）很难兼顾上述两种优良的品质，同时工业余热的形态复杂，余热流体中的成分复杂，内含酸性物质和颗粒物质是常见的。因此取热用换热器需要你根据实际情况采用不同的材质和形式以解决换热设备的防酸问题和防堵问题。

2)螺杆膨胀机

余热发电机组采用汽液全流双螺杆膨胀机作为系统的机械动力输出设备，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。其工作过程如下图：

图5螺杆膨胀机的工作过程

它具有结构简单运行平稳、易维护、经久耐用等特点，是目前唯一能适应汽、水两相介质的动力机。与汽轮机相比，他不需要对工质的过热度进行严格控制，拓宽了发电机组的适用领域。