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1、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 2011.12.24 深圳,技术应用背景介绍 有机工质朗肯循环余热发电原理 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,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
2、，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。,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。,有机工质朗肯循环余
3、热发电原理,有机工质朗肯循环余热发电原理,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。,可利用的余热,余热温度范围： 80250 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。,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
4、机 3.涡旋式膨胀机 4.,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,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。,结构简图,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
5、从阴螺杆输出，驱动风机、压缩机、水泵或发电机发电等。,螺杆膨胀机的应用,螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW1000kW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。,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
6、； （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。,（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
7、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。,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。,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
8、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。,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。整个系统主要由蒸发器、螺杆膨胀机、冷凝器、工质泵等设备组成。,有机工质循环螺杆膨胀机发电系统简图,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 B 有机工质汽液两相动力循环,有机工质螺杆膨胀机系统的设计,有机工质朗肯循环螺
9、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。,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。,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不同的工质，工质的优选也会影响到系统的效率。,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；
10、 （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。,相同初始条件不同有机工质发电能力比较,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。,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：,年发电量估算 年运行按7000
11、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） 1.01007000=700000 kWh 年经济效益 电价按0.5元/ kWh计算，则年效益为 7000000.535.0万元/年,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 kWh，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。,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。,建议,根据余热条件和需求，具体分析，因地制宜，综合利用。 高效的余热利用系统需要优化设计。,感谢各位领导和嘉宾 谢 谢！,
