螺杆膨胀机余热利用技术及热力性能研究

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(国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384)

螺杆膨胀机余热利用技术及热力性能研究

张利，刘卫平，张宇，甘智勇，王梓越

(国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300384)

为了掌握螺杆膨胀机余热利用效果及其热力经济性能，本文从余热利用角度出发，介绍了螺杆膨胀机的工作原理，从等熵效率、循环热效率、有效余热利用率等方面对其热力经济性能进行分析，并给出了具体计算实例。结果表明，螺杆膨胀机组是一种适用范围广泛、经济和社会效益显著的余热利用技术，根据余热热源的实际情况，合理选择机组型号和参数，可以达到较好的节能减排效果。

螺杆膨胀机；余热利用；等熵效率；循环热效率；有效余热利用率

由于国家对“节能减排”工作的要求，余热利用越来越受到节能工作者的重视，孔祥强[1]等利用热泵技术回收电厂循环冷却水热量用于对外供热；周志辉[2]利用复合相变换热器回收锅炉烟气余热加热凝结水提高机组运行经济性；王政伟[3]等指出饱和蒸汽发电技术是低温余热发电的重要趋势，通过对现代各企业饱和蒸汽发电的情况进行总结和归纳，提出饱和蒸汽发电的关键技术和趋势。由此可见，余热利用技术将会有很大的发展前景，但是以上回收余热的方式投资成本较大，且需要固定的用热对象，适用于余热量较大的利用项目。目前，对于余热量较少且热源品质不稳定的余热利用技术较少。

螺杆膨胀机余热利用技术[4-7]是以余热为驱动热源进行发电的技术，与其他类型的膨胀机相比[8]，具有热源适用范围广、变工况能力优越、自动化程度高、占地面积小等优点。

1 螺杆膨胀机简介

螺杆膨胀机按螺杆压缩机的逆原理工作，其基本构造与螺杆压缩机相似，工作过程相反，且对汽源具有良好的适应性[9-11]。根据循环工质的不同，螺杆膨胀机可分为蒸汽型和有机工质型两种。

蒸汽型螺杆膨胀机汽源采用品质较高的余热蒸汽，利用蒸汽的内能驱动螺杆膨胀机转动，带动发电机将机械能转化为电能。

有机工质型螺杆膨胀机利用低温低压的余热热源，在换热器(预热器和蒸发器)中对有机工质加热，使之成为具有一定压力和温度的蒸汽，此气体经过螺杆膨胀机完成膨胀做功后，排气进入油分离器完成油、气分离，润滑油返回螺杆膨胀机，排气进入冷凝器冷却后重新变成液态，经工质泵增压，回到预热器、蒸发器吸热，完成一个热力循环。有机工质型螺杆膨胀机系统图如图1所示

图1 有机工质型螺杆膨胀机系统简图

2 机组热力性能及评价方法

螺杆膨胀机的等熵效率和机组的循环热效率直接反应了螺杆膨胀机组的热力性能，有效余热利用率则体现了机组的经济性能[12-13]。因此，分别从机组的等熵效率、循环热效率和有效余热利用率等3个方面对机组的热力经济性能进行评价。计算方法如下

等熵效率

ηs=(H1-H2)/(H1-Hs)

式中H1——螺杆膨胀机进气有机工质蒸汽焓值/kJ·kg-1；

H2——螺杆膨胀机排气有机工质蒸汽焓值/kJ·kg-1；

Hs——螺杆膨胀机排气有机工质蒸汽等熵焓值/kJ·kg-1。

循环热效率

η=Qu/Qy=3.6×Pa/Qy

式中Qu——机组能量转换利用热量/kJ；

Qy——机组余热利用量(全部吸热量)/MJ·h-1；

Pa——实测机组发电机功率/kW。

有效余热利用率

ηy=Quy/Qy=3.6×(Pa-Pb)/Qy

式中Quy——机组有效余热利用量/MJ·h-1；

Pb——机组辅助发电机功率/kW。

3 计算实例

天津某钢铁公司为了充分利用其在烧结、炼钢、轧钢等生产过程中产生的余热蒸汽，采用螺杆膨胀机技术建立余热蒸汽梯度利用电站。

余热蒸汽梯度利用电站[14-15]分为两级：第1级为蒸汽型螺杆膨胀机，钢铁生产中产生的余热蒸汽在螺杆膨胀机中膨胀做功后，低温低压的排汽作为第2级机组的热源；第2级为有机工质型螺杆膨胀机，有机工质为制冷剂R245fa。该余热蒸汽梯度利用电站螺杆膨胀机组主要技术参数见表1，电站系统示意图如图2所示，试验工况下各螺杆膨胀机主要运行参数及热力性能计算结果见表2。

表1 螺杆膨胀机组主要技术参数表

表2 螺杆膨胀机主要运行参数及热力性能计算结果

图2 余热蒸汽梯度利用电站系统示意图

经计算，余热蒸汽梯度利用电站所用螺杆膨胀机等熵效率较高，其中450型的等熵效率达到了87.23%。该余热蒸汽梯度利用电站在试验工况下余热利用量为22 854 MJ/h，余热有效利用量为3 315 MJ/h(每小时上网电量921 kW·h)，有效余热利用率为14.51%。

4 结语

(1)螺杆膨胀机作为一种低品质余热热源利用技术，具有热源适用范围广、变工况能力优越等优点。

(2)螺杆膨胀机可以直接将余热转化为电能，供给工厂自用或并入电网运行，具有较高的转换效率。

(3)螺杆膨胀机适用于火电厂定连排系统或炼钢、水泥等其他余热利用较为困难的行业，经济和社会效益显著。

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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修订稿日期2014-03-25

张利(1985～)，男，硕士，工程师，主要从事电厂节能技术方面的研究工作。

TK11+5

A

1002-6339 (2014) 05-0475-03