螺桿膨脹機(jī)余熱利用技術(shù)及熱力性能研究

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(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384)

螺桿膨脹機(jī)余熱利用技術(shù)及熱力性能研究

張利，劉衛(wèi)平，張宇，甘智勇，王梓越

(國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384)

為了掌握螺桿膨脹機(jī)余熱利用效果及其熱力經(jīng)濟(jì)性能，本文從余熱利用角度出發(fā)，介紹了螺桿膨脹機(jī)的工作原理，從等熵效率、循環(huán)熱效率、有效余熱利用率等方面對(duì)其熱力經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行分析，并給出了具體計(jì)算實(shí)例。結(jié)果表明，螺桿膨脹機(jī)組是一種適用范圍廣泛、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著的余熱利用技術(shù)，根據(jù)余熱熱源的實(shí)際情況，合理選擇機(jī)組型號(hào)和參數(shù)，可以達(dá)到較好的節(jié)能減排效果。

螺桿膨脹機(jī)；余熱利用；等熵效率；循環(huán)熱效率；有效余熱利用率

由于國(guó)家對(duì)“節(jié)能減排”工作的要求，余熱利用越來(lái)越受到節(jié)能工作者的重視，孔祥強(qiáng)[1]等利用熱泵技術(shù)回收電廠循環(huán)冷卻水熱量用于對(duì)外供熱；周志輝[2]利用復(fù)合相變換熱器回收鍋爐煙氣余熱加熱凝結(jié)水提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；王政偉[3]等指出飽和蒸汽發(fā)電技術(shù)是低溫余熱發(fā)電的重要趨勢(shì)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)代各企業(yè)飽和蒸汽發(fā)電的情況進(jìn)行總結(jié)和歸納，提出飽和蒸汽發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，余熱利用技術(shù)將會(huì)有很大的發(fā)展前景，但是以上回收余熱的方式投資成本較大，且需要固定的用熱對(duì)象，適用于余熱量較大的利用項(xiàng)目。目前，對(duì)于余熱量較少且熱源品質(zhì)不穩(wěn)定的余熱利用技術(shù)較少。

螺桿膨脹機(jī)余熱利用技術(shù)[4-7]是以余熱為驅(qū)動(dòng)熱源進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)，與其他類型的膨脹機(jī)相比[8]，具有熱源適用范圍廣、變工況能力優(yōu)越、自動(dòng)化程度高、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。

1 螺桿膨脹機(jī)簡(jiǎn)介

螺桿膨脹機(jī)按螺桿壓縮機(jī)的逆原理工作，其基本構(gòu)造與螺桿壓縮機(jī)相似，工作過(guò)程相反，且對(duì)汽源具有良好的適應(yīng)性[9-11]。根據(jù)循環(huán)工質(zhì)的不同，螺桿膨脹機(jī)可分為蒸汽型和有機(jī)工質(zhì)型兩種。

蒸汽型螺桿膨脹機(jī)汽源采用品質(zhì)較高的余熱蒸汽，利用蒸汽的內(nèi)能驅(qū)動(dòng)螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

有機(jī)工質(zhì)型螺桿膨脹機(jī)利用低溫低壓的余熱熱源，在換熱器(預(yù)熱器和蒸發(fā)器)中對(duì)有機(jī)工質(zhì)加熱，使之成為具有一定壓力和溫度的蒸汽，此氣體經(jīng)過(guò)螺桿膨脹機(jī)完成膨脹做功后，排氣進(jìn)入油分離器完成油、氣分離，潤(rùn)滑油返回螺桿膨脹機(jī)，排氣進(jìn)入冷凝器冷卻后重新變成液態(tài)，經(jīng)工質(zhì)泵增壓，回到預(yù)熱器、蒸發(fā)器吸熱，完成一個(gè)熱力循環(huán)。有機(jī)工質(zhì)型螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)圖如圖1所示

圖1 有機(jī)工質(zhì)型螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

2 機(jī)組熱力性能及評(píng)價(jià)方法

螺桿膨脹機(jī)的等熵效率和機(jī)組的循環(huán)熱效率直接反應(yīng)了螺桿膨脹機(jī)組的熱力性能，有效余熱利用率則體現(xiàn)了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能[12-13]。因此，分別從機(jī)組的等熵效率、循環(huán)熱效率和有效余熱利用率等3個(gè)方面對(duì)機(jī)組的熱力經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。計(jì)算方法如下

等熵效率

ηs=(H1-H2)/(H1-Hs)

式中H1——螺桿膨脹機(jī)進(jìn)氣有機(jī)工質(zhì)蒸汽焓值/kJ·kg-1；

H2——螺桿膨脹機(jī)排氣有機(jī)工質(zhì)蒸汽焓值/kJ·kg-1；

Hs——螺桿膨脹機(jī)排氣有機(jī)工質(zhì)蒸汽等熵焓值/kJ·kg-1。

循環(huán)熱效率

η=Qu/Qy=3.6×Pa/Qy

式中Qu——機(jī)組能量轉(zhuǎn)換利用熱量/kJ；

Qy——機(jī)組余熱利用量(全部吸熱量)/MJ·h-1；

Pa——實(shí)測(cè)機(jī)組發(fā)電機(jī)功率/kW。

有效余熱利用率

ηy=Quy/Qy=3.6×(Pa-Pb)/Qy

式中Quy——機(jī)組有效余熱利用量/MJ·h-1；

Pb——機(jī)組輔助發(fā)電機(jī)功率/kW。

3 計(jì)算實(shí)例

天津某鋼鐵公司為了充分利用其在燒結(jié)、煉鋼、軋鋼等生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱蒸汽，采用螺桿膨脹機(jī)技術(shù)建立余熱蒸汽梯度利用電站。

余熱蒸汽梯度利用電站[14-15]分為兩級(jí)：第1級(jí)為蒸汽型螺桿膨脹機(jī)，鋼鐵生產(chǎn)中產(chǎn)生的余熱蒸汽在螺桿膨脹機(jī)中膨脹做功后，低溫低壓的排汽作為第2級(jí)機(jī)組的熱源；第2級(jí)為有機(jī)工質(zhì)型螺桿膨脹機(jī)，有機(jī)工質(zhì)為制冷劑R245fa。該余熱蒸汽梯度利用電站螺桿膨脹機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1，電站系統(tǒng)示意圖如圖2所示，試驗(yàn)工況下各螺桿膨脹機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)及熱力性能計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 螺桿膨脹機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)表

表2 螺桿膨脹機(jī)主要運(yùn)行參數(shù)及熱力性能計(jì)算結(jié)果

圖2 余熱蒸汽梯度利用電站系統(tǒng)示意圖

經(jīng)計(jì)算，余熱蒸汽梯度利用電站所用螺桿膨脹機(jī)等熵效率較高，其中450型的等熵效率達(dá)到了87.23%。該余熱蒸汽梯度利用電站在試驗(yàn)工況下余熱利用量為22 854 MJ/h，余熱有效利用量為3 315 MJ/h(每小時(shí)上網(wǎng)電量921 kW·h)，有效余熱利用率為14.51%。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)螺桿膨脹機(jī)作為一種低品質(zhì)余熱熱源利用技術(shù)，具有熱源適用范圍廣、變工況能力優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。

(2)螺桿膨脹機(jī)可以直接將余熱轉(zhuǎn)化為電能，供給工廠自用或并入電網(wǎng)運(yùn)行，具有較高的轉(zhuǎn)換效率。

(3)螺桿膨脹機(jī)適用于火電廠定連排系統(tǒng)或煉鋼、水泥等其他余熱利用較為困難的行業(yè)，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

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ScrewExpansionofTechnologyandResearchontheThermodynamicPerformanceusingWasteHeat

ZHANG Li，LIU Wei-Ping，ZHANG Yu，GAN Zhi-Yong，WANG Zi-yue

(Tianjin Electric Power Science&Research Institute,Tianjin 300384,China)

In order to grasp the screw expander waste heat utilization economic performance and heat，introduces the work principle of screw expanding machine，from the view of hear utilization.Based on the isentropic efficiency，cycle thermal efficiency，utilization ratio of effective heat of the thermal economic performance are analyzed and the specific calculation example is given. The results show that，screw expansion unit is a kind of wide application range，waste heat and significant economic and social benefits of the use of technology，according to the actual situation of heat source，the reasonable selection of unit type and parameter can achieve good effect of energy saving and emission reduction.

screw expansion unit；waste heat utilization；isentropic efficiency；thermal efficiency；the utilization rate of effective heat

2013-12-18修訂稿日期2014-03-25

張利(1985～)，男，碩士，工程師，主要從事電廠節(jié)能技術(shù)方面的研究工作。

TK11+5

A

1002-6339 (2014) 05-0475-03