有机工质朗肯循环中低温余热发电技术
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我国对螺杆膨胀机的研究始于上世纪80年代。 天津大学热能工程系在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 。
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Baidu Nhomakorabea
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
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总结
● 采用有机工质朗肯循环余热发电系统是一种适用于 <250℃低温余热回收技术。 ●可以应用于化工、冶金、纺织、建材、电力、医药等 工业领域，还可以推广到可再生能源发电领域中去。 ● 为提高系统效率，根据不同的余热热源特点，要进行 系统的优化设计，包括循环热力参数确定，工质的选 择，换热器设计等。 ● 有机工质朗肯循环膨胀动力机不仅可以带动发电机发 电，还可以作为动力机拖动压缩机、泵和风机工作， 作为动力机具有良好的调速性能。
B 有机工质汽液两相动力循环
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有机工质螺杆膨胀机系统的设计
有机工质朗肯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。
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有机工质朗肯循环余热发电用膨胀动力机
1.涡轮机 2.螺杆膨胀机 3.涡旋式膨胀机 4……….
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有机工质朗肯循环中低温余热发电 关键设备之一
螺杆膨胀机简介
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不同的工质，工质的优选也会影响到系统
的效率。
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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。
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可利用的余热
余热温度范围： 80－250℃ 余热的形态： 烟气，蒸汽，热水 可以扩展的应用： 地热利用、太阳能利用、生物质能。
需要根据具体环境、条件及应用需求进行 系统设计。
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螺杆膨胀机的应用
●螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW～1000kW之间，弥补了蒸汽 轮机单机功率不能太小的空间。 ●对于有压力的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机 ●对于<250℃的无压力的余热流体，利用有机工质朗肯循环螺杆 膨胀机系统。 ●有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统。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。 有机工质循环螺杆膨胀机系统用于低温余热回收利用，有 广阔的技术发展空间。
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环境效益
采用有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统， 全年发电量700000 kW· 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，有机工质朗肯循环螺杆 膨胀机低温余热回收系统，环保效应非常显 著。
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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=700000 kW· 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
有机工质朗肯循环 ,即在传统朗肯循环中采用 有机工质代替水推动涡轮机做功。上图为有机工 质朗肯循环发电系统示意图。低压液态有机工质 经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收热量 转变为高温高压蒸气之后 ,高温高压有机工质蒸 气推动涡轮机做功,产生能量输出，涡轮机出口的 低压蒸气进入冷凝器 ,向低温热源放热并冷凝为 液态,如此往复循环。
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相同初始条件不同有机工质发电能力比较
1.2
发 电 功 率（ kW）
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 74 76
丙 烷 正丁烷 异丁烷 戊 烷
78
80
82
84
86
88
90
92
热水入口温度(oC)
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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、汽水两相流 体、（带压）热水及无压热流体的动力机械，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。
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（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。
由蒸发器、螺杆膨胀机、冷凝器、工质泵等
设备组成。
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有机工质循环螺杆膨胀机发电系统简图
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有机工质循环螺杆膨胀机热力过程
A 有机工质蒸汽动力循环
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有机工质朗肯循环余热发电原理
采用有机工质作为热力循环的工质与低温余热换热 ，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动汽轮机或其他 膨胀动力机带动发电机发电。因此，系统能够实现余 热回收和发电的最低余热资源温度可到80℃，这是常 规发电技术不能做到的（常规发电要求热源温度在 350℃以上），从而拓宽了可以回收发电的余热资源 范围，为建材、冶金、化工等行业的低温余热资源回 收提供了技术手段和设备。同时，这项技术还可以推 广到可再生能源发电系统中，（如地热、太阳能和生 物质能）为可再生能源发电提供关键技术和设备。
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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 。
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。
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螺杆膨胀机简介及技术特点 研究状况
有机工质朗肯循环余热发电系统 经济效益和环境效益 总结
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技术应用背景
余热余压利用工程是我国《节能中长期发展专 项规划》中的十大重点节能工程之一。目前在我 国工业的各个领域中存在大量的低温余热资源（ 250℃以下，低压或常压），由于缺乏有效的技术 手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作 参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较 为分散但总量巨大的能源。而利用有机工质朗肯 循环，开发新型、高效的低温余热发电系统，对 于提高我国能源利用率、节能减排，保护环境具 有重要的意义。
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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。
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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：
第四届全国余热回收再利用技术与产业发展研讨会
有机工质朗肯循环 中低温余热发电技术
天津大学机械工程学院热能工程系 李惟毅
liwy@tju.edu.cn 2011.12.24 深圳
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技术应用背景介绍
有机工质朗肯循环余热发电原理
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结构简图
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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。
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。
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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
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有机工质朗肯循环余热发电原理
膨胀动力机+发电机 蒸 发 器
工 业 余 热
预 热 器
冷 凝 器
工质泵
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有机工质朗肯循环余热发电原理
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我国对螺杆膨胀机的研究始于上世纪80年代。 天津大学热能工程系在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 。
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Baidu Nhomakorabea
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
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总结
● 采用有机工质朗肯循环余热发电系统是一种适用于 <250℃低温余热回收技术。 ●可以应用于化工、冶金、纺织、建材、电力、医药等 工业领域，还可以推广到可再生能源发电领域中去。 ● 为提高系统效率，根据不同的余热热源特点，要进行 系统的优化设计，包括循环热力参数确定，工质的选 择，换热器设计等。 ● 有机工质朗肯循环膨胀动力机不仅可以带动发电机发 电，还可以作为动力机拖动压缩机、泵和风机工作， 作为动力机具有良好的调速性能。
B 有机工质汽液两相动力循环
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有机工质螺杆膨胀机系统的设计
有机工质朗肯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。
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有机工质朗肯循环余热发电用膨胀动力机
1.涡轮机 2.螺杆膨胀机 3.涡旋式膨胀机 4……….
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有机工质朗肯循环中低温余热发电 关键设备之一
螺杆膨胀机简介
9
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不同的工质，工质的优选也会影响到系统
的效率。
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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。
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可利用的余热
余热温度范围： 80－250℃ 余热的形态： 烟气，蒸汽，热水 可以扩展的应用： 地热利用、太阳能利用、生物质能。
需要根据具体环境、条件及应用需求进行 系统设计。
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螺杆膨胀机的应用
●螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW～1000kW之间，弥补了蒸汽 轮机单机功率不能太小的空间。 ●对于有压力的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机 ●对于<250℃的无压力的余热流体，利用有机工质朗肯循环螺杆 膨胀机系统。 ●有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统。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。 有机工质循环螺杆膨胀机系统用于低温余热回收利用，有 广阔的技术发展空间。
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环境效益
采用有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统， 全年发电量700000 kW· 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，有机工质朗肯循环螺杆 膨胀机低温余热回收系统，环保效应非常显 著。
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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=700000 kW· 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
有机工质朗肯循环 ,即在传统朗肯循环中采用 有机工质代替水推动涡轮机做功。上图为有机工 质朗肯循环发电系统示意图。低压液态有机工质 经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收热量 转变为高温高压蒸气之后 ,高温高压有机工质蒸 气推动涡轮机做功,产生能量输出，涡轮机出口的 低压蒸气进入冷凝器 ,向低温热源放热并冷凝为 液态,如此往复循环。
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相同初始条件不同有机工质发电能力比较
1.2
发 电 功 率（ kW）
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 74 76
丙 烷 正丁烷 异丁烷 戊 烷
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热水入口温度(oC)
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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、汽水两相流 体、（带压）热水及无压热流体的动力机械，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。
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（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。
由蒸发器、螺杆膨胀机、冷凝器、工质泵等
设备组成。
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有机工质循环螺杆膨胀机发电系统简图
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有机工质循环螺杆膨胀机热力过程
A 有机工质蒸汽动力循环
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有机工质朗肯循环余热发电原理
采用有机工质作为热力循环的工质与低温余热换热 ，有机工质吸热后产生高压蒸汽，推动汽轮机或其他 膨胀动力机带动发电机发电。因此，系统能够实现余 热回收和发电的最低余热资源温度可到80℃，这是常 规发电技术不能做到的（常规发电要求热源温度在 350℃以上），从而拓宽了可以回收发电的余热资源 范围，为建材、冶金、化工等行业的低温余热资源回 收提供了技术手段和设备。同时，这项技术还可以推 广到可再生能源发电系统中，（如地热、太阳能和生 物质能）为可再生能源发电提供关键技术和设备。
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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 。
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。
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螺杆膨胀机简介及技术特点 研究状况
有机工质朗肯循环余热发电系统 经济效益和环境效益 总结
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技术应用背景
余热余压利用工程是我国《节能中长期发展专 项规划》中的十大重点节能工程之一。目前在我 国工业的各个领域中存在大量的低温余热资源（ 250℃以下，低压或常压），由于缺乏有效的技术 手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作 参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较 为分散但总量巨大的能源。而利用有机工质朗肯 循环，开发新型、高效的低温余热发电系统，对 于提高我国能源利用率、节能减排，保护环境具 有重要的意义。
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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。
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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：
第四届全国余热回收再利用技术与产业发展研讨会
有机工质朗肯循环 中低温余热发电技术
天津大学机械工程学院热能工程系 李惟毅
liwy@tju.edu.cn 2011.12.24 深圳
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技术应用背景介绍
有机工质朗肯循环余热发电原理
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结构简图
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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。
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。
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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
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有机工质朗肯循环余热发电原理
膨胀动力机+发电机 蒸 发 器
工 业 余 热
预 热 器
冷 凝 器
工质泵
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有机工质朗肯循环余热发电原理