技術應用背景介紹螺桿膨脹機的構造和工作原理

螺桿膨脹機的技術特點

研究狀況有機工質螺桿膨脹機系統的設計經濟效益和環境效益總結第1頁/共23頁第一頁，共24頁。技術應用背景

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》中能源為排在首位的重點領域，工業節能又是該領域的優先主題，余熱余壓利用工程是中國《節能中長期發展專項規劃》中的十大重點節能工程之一。在我國化工、冶金、紡織、建材、電力、醫藥等各工業領域存在著大量的余熱，但有些余熱規模較小，溫度較低（<250℃），難以采用常規發電技術進行余熱回收發電。利用有機工質循環（也稱為雙循環）的螺桿膨脹機來回收余熱進行發電或輸出動力，是解決這個問題的一條途徑。第2頁/共23頁第二頁，共24頁。

螺桿膨脹機的輸出功率可以在5kW～1000kW之間，恰好彌補了蒸汽輪機單機功率不能太小的空間。另外，蒸汽輪機的蒸汽只能是過熱蒸汽和飽和蒸汽，而對于<250℃的余熱回收，利用有機工質循環螺桿膨脹機系統是有效的選擇方案之一。同時，這一系統還可以用到太陽能、地熱能等中低溫可再生能源發電項目中去。因此，有機工質循環螺桿膨脹機系統用于低溫余熱回收利用，應當有廣闊的技術發展空間。第3頁/共23頁第三頁，共24頁。

螺桿膨脹機的基本構造

螺桿膨脹機是一種依據容積變化原理工作的雙軸回轉式螺桿機械。它的結構與螺桿壓縮機基本相同，主要由一對螺桿轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯軸節等零件組成，結構簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子平行地置于氣缸中。第4頁/共23頁第四頁，共24頁。結構簡圖第5頁/共23頁第五頁，共24頁。

螺桿膨脹機的工作原理作功介質先進入機內螺桿齒槽A，推動螺桿轉動，隨著螺桿轉動，齒槽A旋轉到B、C、D逐漸加長、容積增大，介質降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽E排出，功率從主軸陽螺桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅動風機、壓縮機、水泵或發電機發電等。第6頁/共23頁第六頁，共24頁。

螺桿膨脹機作為余熱回收動力機，具有的技術特點（1）螺桿膨脹機適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相及（帶壓）熱水的動力機械，可以回收不同種類的工業余熱；（2）螺桿膨脹機還適用于高鹽份的強堿流體，能除垢自潔，而且結垢有利于提高機器效率，因而對余熱流體品質要求不高，擴大了應用范圍；（3）當余熱熱源不穩定，參數變化時，機組效率表現穩定。螺桿膨脹機允許熱源壓力、流量在大范圍內波動，對機組效率影響不大；螺桿膨脹機為容積式工作原理機，機內流速低，除泄漏損失外，很少其他損失，機組效率較高，即使蒸汽參數或負荷變動仍能保持高效率。第7頁/共23頁第七頁，共24頁。（4）螺桿膨脹機運行不用盤車、不暖機、不會飛車，可以直接沖轉啟動，操作簡單，可實現無人職守，維修容易，不需要專門的專業技術人員，很適合工礦企業使用；（5）螺桿膨脹機的零部件少。螺桿轉子堅固，大修周期長，小修簡單，運行維護費用很低；（6）可調速，作為動力機使用，如拖動給水泵或灰漿水泵，拖動風機，壓縮機可以根據要求靈活變速，使用方便。第8頁/共23頁第八頁，共24頁。

螺桿膨脹機的研究狀況

七十年代末，美國研制出利用地熱水發電的汽水兩相螺桿膨脹機，功率60KW。八十年代后期美國完成一臺1000KW地熱水發電螺桿膨脹機，隨后，日本北海道大學進行了氟利昂汽液兩相螺桿膨脹機的試驗，80年代后期，日本進行了工業鍋爐飽和蒸汽螺桿膨脹機壓差發電研究，功率102KW。近年來，美國，以色列，瑞典都有相關研究報導。第9頁/共23頁第九頁，共24頁。

我國對螺桿膨脹機的研究始于上世紀80年代。天津大學熱能系在1987年研制成功汽液兩相地熱螺桿膨脹機發電裝置(功率為5kw)。此后，對螺桿膨脹機進行了系統的理論和試驗研究。近年來，由于節能減排的需求，在前期研究基礎上，完成了有機工質循環螺桿膨脹機的熱力循環研究、有機工質應用研究、裝置結構研究和系統優化配置研究等項工作，并取得了一定的技術成果。第10頁/共23頁第十頁，共24頁。

有機工質循環螺桿膨脹機系統

對于低于250℃的低溫低壓（或常壓）余熱熱源，不能直接利用螺桿膨脹機作功，要先用低溫余熱與有機工質進行熱交換，再將有機工質引入螺桿膨脹機作功。整個系統主要由蒸發器、螺桿膨脹機、冷凝器、工質泵等設備組成。第11頁/共23頁第十一頁，共24頁。

有機工質循環螺桿膨脹機發電系統簡圖第12頁/共23頁第十二頁，共24頁。有機工質螺桿膨脹機系統的設計有機工質循環螺桿膨脹機的熱力系統設計（包括系統熱力參數的確定、工質選擇、熱交換器設計等）。會直接影響系統的運行效率。

第13頁/共23頁第十三頁，共24頁。循環系統熱力參數確定

在得到熱源的溫度和流量等條件后，需要確定循環熱力參數，主要是有機工質的蒸發溫度和冷凝溫度以及換熱溫差等，這些參數會對循環效率有較大的影響。第14頁/共23頁第十四頁，共24頁。

有機工質的選擇

對于有機工質循環，經常選用的工質有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在余熱發電系統中，對于不同類型，不同溫度的熱源應當選擇不同的工質，工質的優選也會影響到系統的效率。第15頁/共23頁第十五頁，共24頁。

對于工質的選擇要求（1）發電性能好，在相同條件下，實際發電量較大；（2）傳熱性能好，在相同條件下，換熱系數較大；（3）工質的壓力水平適宜，在相應的熱源溫度下，工質的飽和壓力不很高；在冷源溫度下，不會出現高度真空；（4）來源豐富，價格低廉；（5）化學穩定性好，不分解，對金屬的腐蝕性小，毒性小，不燃，不爆。第16頁/共23頁第十六頁，共24頁。熱交換器的設計需要根據余熱的類型和特點設計熱交換器。包括蒸發器，冷凝器，預熱器等。第17頁/共23頁第十七頁，共24頁。

經濟效益

例如：余熱熱源為85℃的熱水，流量為100t/h，冷卻水溫度為25℃。采用有機工質循環方式，以戊烷作為循環工質，在扣除工質泵耗功，冷卻水泵耗功之后，計算表明，一噸熱水每小時大約可以發出1.0度的電。為此，系統設計方案的經濟效益估算如下：第18頁/共23頁第十八頁，共24頁。年發電量估算年運行按7000小時計算，則年發電量為（采用帶有冷卻水塔或噴水池的循環供水冷卻系統）1.0×100×7000=700000kW·h年經濟效益電價按0.5元/kW·h計算，則年效益為700000×0.5＝35.0萬元/年第19頁/共23頁第十九頁，共24頁。

環境效益

采用有機工質循環螺桿膨脹機系統，全年發電量700000kW·h，若替代火力發電，估算SO2、CO2減排量為：減排二氧化硫SO2：約21噸減排二氧化碳CO2：約650噸由以上數據可知，有機工質循環螺桿膨脹機低溫余熱回收系統，環保效應非常顯著。第20頁/共23頁第二十頁，共24頁。

總結●有機工質循環螺桿膨脹機發電系統是一種低溫余熱回收新技術，尤其適用于<250℃的低溫余熱熱源。●可以應用于化工、冶金、紡織、建材、電力、醫藥等工業領域還可以推廣到可再生能源發電領域中去。●為提高系統效率，根據不同的余熱熱源特點，要進行系統的優化設計，包括循環熱力參數確定，工質的選擇，換熱器設計等。●有機工質循環螺桿膨脹機不僅可以帶動發電機發電，還可以作為動力機拖動壓縮機、泵和風機工作，作為動力機具有良好的調速性能。第21頁/共23頁第二十一頁，共24頁。感謝各位領導和專家謝謝！第22頁/共23頁第二十二頁，共24頁。感謝您的觀看！第23頁/共23頁第二十三頁，共24頁。內容總結技術應用背景介紹。利用有機工質循環（也稱為雙循