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螺杆式膨胀机
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螺杆式膨胀机
Screw Expander
用途

螺杆膨胀机属于实现热功转换的热能机械,利用低品位热源,实现功率输出。
传统的热功转化,是利用高压、高温过热蒸汽推动汽轮机转动,再带动同步发电机,从而实现热到功。电力,属于最高级别的能源,使用传输方便,是现今最主要的工农业生产动力来源。
汽轮机等发电机组,消耗的是高品位能源或原料,无法使用低品位的能源,同时产生很多废热。
螺杆膨胀动力机正是利用低品位的热源,实现热功转换。这样做的好处是,热源可以是余热、废热,变废为宝,降低了能耗,增加了产出。

1,使用要求条件

温度高于85℃的热水
温度高于85℃的其他液体,如油,化工原料
低压水蒸汽
烟气
高压水蒸汽

2,收益

一般以发电为目标,用户可以得到电力
特殊使用

3,产品种类

不论螺杆膨胀机直接使用的是哪种工质,膨胀机本身的结构和原理都是一样的。精密加工的一对螺杆转子,安装在机壳内,在啮合运转过程中,工作腔容积有变化,这样就可以实现膨胀或者压缩。
高压介质从高压孔口进入工作腔后,气体要膨胀,这样就推动转子向前运转,当工作腔到达排气位置时,开始排气,完成工作腔的膨胀过程。
螺杆膨胀机的转子分别称为阳转子、阴转子,阳转子输出动力。


螺杆膨胀机转子
ORC型膨胀机(ORC  Screw  Expander)

使用有机介质,在一个封闭循环内部实现朗肯循环,从高温热源吸热,向低温热源放热,输出轴功率。
膨胀机需要利用循环系统才能起作用,不能单独使用。
机组结构复杂。
所需条件低,更适合低品味热源回收。

朗肯循环发电单级流程_副本.bmp      
ORC热力循环原理图

ORC螺杆膨胀机运转原理:
预热器、蒸发器接受热源的热量,将工质加热成高温高压的蒸汽(非水蒸汽),然后进入膨胀机推动转子做工,同时降温降压。蒸汽从膨胀机排出后,进入油分离器,分离润滑油,气体进入冷凝器冷凝成液体,液体被液体泵升压,进入预热器、蒸发器,完成一轮循环。
同时还存在的一路循环是润滑油在油分离气实现分离后,借助油泵输送至各润滑点,确保轴承等零件的润滑与降温。


ORC循环组成部件
ORC循环中,工质的作用是将热源的热值提取出来,将温度转化为压力、动力,从而实现低温热源的动力输出。因为无压力、低压力的热源,无法利用其它办法实现热工转换,ORC螺杆膨胀机是唯一选择。
工质的选择很重要,对于发电效率的高低、机器设备的规格、造价,它都能有影响。最好的工质是R245fa。

蒸汽型膨胀机(Steam  Screw  Expander)

利用高温高压蒸汽直接进入膨胀机膨胀,输出轴功率。
可不用循环系统,机组简单。
所需条件较高。

蒸汽直接膨胀原理图

水蒸汽直接膨胀,膨胀机需要在结构上做些特殊设计。水蒸汽与轴承腔之间要实现隔离,不能让水蒸汽进入轴承腔,也不能让润滑油进入转子腔。转子腔内不喷油,所以需要为一对转子设置同步齿轮。
润滑油是必需的,需要设置润滑油泵、油冷却器、减速机等.

4,性能及规格

(1)ORC型膨胀机

热源为清洁热水,实现朗肯循环的最低条件:

热水

湿球温度

蒸发温度

冷凝温度

84℃

15℃

73.4℃

25℃

90℃

20

80℃

30℃

97℃

25℃

86.4℃

35℃

103℃

30℃

93℃

40℃

110℃

35℃

99.7℃

45℃

在其余条件不变的条件下,提高热源温度、降低冷却水温度,有利于提高发电量。

定义名义工况  30℃冷凝,80℃蒸发,在此工况下,不同膨胀机性能如下:

膨胀机型号

净发电,kW

热水温度,℃

热水流量,t/h

SKYe297,1500rpm

250

90

460

280

95

231

290

100

153

300

105

115

SKYe192,3000rpm

103

90

186

115

95

93

120

100

62

123

105

46

SKYe192,1500rpm

51

90

94

57

95

47

60

100

32

61

105

23

鉴于热源冷源条件的千差万别,需要针对用户的实际条件做差异化设计,上表仅供参考。

热源为低压水蒸汽,实现朗肯循环的最低条件:

定义名义工况  30℃冷凝,95℃蒸发
SKYe192 膨胀机净发电量  118kW,水蒸汽量2.5t/h
SKYe297 膨胀机净发电量  302 kW,水蒸汽量6.4t/h

蒸汽进气温度

100

蒸发温度

95

冷凝温度

35

25

10

 

35

25

10

蒸汽量

t/h

2.43

2.57

2.79

 

6.17

6.54

7.08

膨胀机轴功率

kW

143

181

211

 

363

460

536

净发电功率

kW

102

136

161

 

259

346

410

发电站型号

KE185

 

KE450

热源为烟气,实现朗肯循环的最低条件:

烟气多有燃烧化石燃料生成,成分中一定有硫、氢,所以使用中必须避免腐蚀。
所有烟气的最后使用温度必须高于160℃。
不同烟气温度、流量所带来的热负荷不同,最好分别设计。
定义名义工况  30℃冷凝,110℃蒸发,水蒸汽作为中间换热载体

以600℃烟气为例,10000m3/h 的烟气可以净发电74kW

SKYe192 膨胀机净发电量  190 kW, 烟气量27400m3/h
SKYe297 膨胀机净发电量  480kW, 烟气量68100 m3/h

蒸汽直喷型螺杆膨胀机

可以使用蒸汽的温度范围为>135℃,压力高于0.315MPa(a)。
气源条件不同,发电量不同。
定义名义工况  进气0.42 MPa(a),排气0.105 MPa(a)
不同气量,在一定范围内可以通过膨胀机升速,减速机再拖动发电机实现。
1t/h 不同压力的水蒸汽,直接膨胀可以得到净功率如下:

饱和蒸汽

压比

3

4

5

6

7

8

9

10

入口温度

135.19

145.38

153.68

160.74

166.92

172.44

177.43

182.01

入口压力

MPa

0.315

0.42

0.525

0.63

0.735

0.84

0.945

1.05

出口温度

101

101

101

101

101

101

101

101

出口压力

MPa

0.1050

0.1050

0.1050

0.1050

0.1050

0.1050

0.1050

0.1050

净发电功率 P

kW

32.80

41.39

48.04

53.46

58.03

61.99

65.43

68.51

5,螺杆膨胀机外观

开启式ORC膨胀机外形如下:

半封闭形式ORC膨胀机



蒸汽型膨胀机


ORC螺杆膨胀发电站外观



7,
高压水蒸汽的使用方法

当蒸汽的温度高于135℃,压力高于0.315MPa(a),可以使用蒸汽型螺杆膨胀机。蒸汽直接膨胀到常压,然后把低压尾气送给ORC螺杆膨胀机继续发电,两者相加可以得到最大的发电量,甚至大于凝汽式汽轮机。
汽轮机的工作条件之一是过热水蒸汽进入汽轮机,排气也要求达到过热状态,否则会威胁汽轮机安全。
串联发电等收益,可见下图。


8,
总结

高压水蒸汽

蒸汽直接膨胀

+

ORC

低压水蒸汽

No

 

ORC

热液体

No

 

ORC

烟气

 

 

ORC

 

规格参数
商品编号 1
螺杆式膨胀机

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