單螺桿膨脹機有機朗肯循環發電技術是一種高效分佈式低溫熱源發電技術，實現了由“低能”到“高能”的轉換，在中低溫餘熱發電、分佈式太陽能和地熱能發電方面具有廣闊的應用前景。

在工業領域，有一種潛力巨大、但在利用方面存在不小挑戰的資源，那就是餘熱。

一般來說，工業能耗中至少有50%的能量會轉化為載體不同、溫度不同的餘熱，比如高溫廢氣餘熱、冷卻介質餘熱、廢汽廢水餘熱、高溫產品和爐渣餘熱、化學反應餘熱、可燃廢氣廢液和廢料餘熱以及高壓流體餘壓等。

按照溫度的不同，餘熱可以分為溫度高於500攝氏度的高溫餘熱、溫度在200～500攝氏度的中溫餘熱以及低溫餘熱（包括溫度低於200攝氏度的煙氣和低於100攝氏度的液體）。

這些餘熱經過回收和處理等一系列環節，便可以變廢為寶，用於城市供暖和發電等，不僅能夠提高能源利用率，還能夠緩解能源消耗給環境帶來的壓力。

目前我國高溫工業餘熱發電技術已經在水泥等行業得到了普遍應用，而對於廣泛存在的小容量中低溫餘熱資源，該如何進行利用呢?

北京工業大學研究團隊承擔了國家973計劃項目“工業餘熱高效綜合利用的重大共性基礎問題研究”中“提高餘熱發電效率的基本原理、關鍵技術及集成優化方法”課題的研究。

研究團隊發現，近年來，隨著對節能減排和分佈式能源發展的需求越來越迫切，在國際上已得到了大規模應用的有機朗肯循環發電技術是一種有效、可靠的低溫餘熱利用方式，這成為研究團隊尋求低溫餘熱利用的突破點。

有機朗肯循環

有機朗肯循環採用低沸點有機工質，將可實現熱功轉換的熱源溫度由朗肯循環的300攝氏度降低到了100攝氏度，實現了中低溫熱源的高效發電。一般來說，有機朗肯循環系統主要包括膨脹機、蒸發器、冷凝器和工質泵四大部件。

在整個循環過程中，中低溫熱源通過蒸發器加熱有機工質，產生的高壓蒸氣進入膨脹機後膨脹做功，帶動發電機發電，在膨脹機內膨脹後的低壓蒸汽進入冷凝器冷凝，變為液體，再通過工質泵打入蒸發器中進行蒸發。在這個過程中，膨脹是有機朗肯循環的核心，因此，膨脹機作為有機朗肯循環的“主機”和“心臟”，關係重大。

膨脹機

包括兩大類：

●一類是透平膨脹機，這類膨脹機已實現了商業化應用，技術比較成熟，但只能用於兆瓦級以上的有機朗肯循環發電；

●另一類是容積式膨脹機，如螺桿膨脹機。容積式膨脹機具有轉速低、壓比高、流量低等特點，因此更適合分佈式有機朗肯循環發電。不過，雖然目前全球投入運行的有機朗肯循環系統已超過2000套，裝機容量突破200萬千瓦，但這些系統主要為兆瓦級以上，面對工業領域中數量巨大的小規模低溫餘熱資源則無能為力，急需變工況性能好、轉速低、壓比高和流量小的容積式膨脹機。

鑑於此，研究團隊經過反覆思考，創新性地將單螺桿壓縮機技術用於膨脹機，從2011年發表第一篇單螺桿膨脹機研究論文開始，歷經數年研發，實現了小流量、大壓比的膨脹過程，研製了5～170千瓦的5種型號單螺桿膨脹機，打破了一直以來小規模低溫餘熱難以被利用的局面。

研究團隊

單螺桿膨脹機結構簡單，由一個螺桿、兩個對稱配置的平面星輪和殼體組成，受力平衡、運轉平穩、振動噪聲低，具有轉速低、壓比高、流量低等特點，因此更適用於分佈式中低溫餘熱發電。

單螺桿膨脹機的膨脹過程在旋轉複雜三維空間中進行，涉及熱力學、傳熱學、流體力學、機械設計、材料學、摩擦學及控制等多個學科，研究難度巨大；此外，提升餘熱品位的熱力循環模式以及工質的篩選等對效率也有顯著影響。研究團隊針對這些難題進行了一一突破。

研究團隊利用螺槽排氣餘速實現了單螺桿膨脹機的準二級膨脹，研發了新型大膨脹比單螺桿膨脹機樣機並進行了試驗，消除了大膨脹比工況下的欠膨脹損失，拓寬了單螺桿膨脹機的高效工作範圍。為了實現單螺桿膨脹機的全工況高效運行，還提出了單螺桿膨脹機的複合滑閥調節策略。

為了確保單螺桿膨脹機能夠滿足實際應用的需求，研究團隊對CP、PP、CC和PC型4種單螺桿能量轉換機構的主要幾何關係展開了研究，成功建立了單螺桿膨脹機工作過程的三維數學模型，獲得了單螺桿膨脹機的主要結構參數，包括螺桿頭數與星輪齒數、螺桿與星輪的直徑、螺桿星輪間中心距、螺桿與星輪的齒寬、螺桿的各軸向尺寸、齧合角、封閉角的設計方法；得到了螺桿直徑對額定功率的影響以及齧合深度對單螺桿轉子結構參數的影響規律，揭示了結構參數對單螺桿膨脹機性能的影響機理。

在理論分析基礎上，研究團隊研發了單螺桿膨脹機結構設計軟件，為具有自主知識產權的單螺桿膨脹機技術發展、設計方法等奠定了理論基礎。

基於螺桿、星輪和殼體型線方程，通過單螺桿膨脹機內部工作過程分析，對單螺桿膨脹機複雜三維旋轉通道膨脹過程中內部容積、內部壓力以及不考慮氣體洩漏的理想情況下的理論輸出扭矩變化規律進行了解析和研究，獲得了膨脹機內部容積、內部壓力、理論扭矩隨轉角的變化規律，揭示了結構參數對單螺桿膨脹機性能的影響規律。

在國際上首次採用齒廓法線法建立了CC型單螺桿和星輪的型線數學模型，推導獲得了CC型螺桿加工和星輪加工刀具的數學方程，成功研發出單螺桿轉子和星輪的展成加工工藝，加工的齧合副在槽底的配合間隙小於0.02毫米，具有良好的互換性。

為了驗證所研發的單螺桿膨脹機的性能，研究團隊搭建了壓縮空氣單螺桿膨脹機性能試驗檯、水蒸氣單螺桿膨脹機性能試驗檯、單螺桿膨脹機有機朗肯循環試驗檯、壓縮空氣膨脹與熔鹽相結合試驗檯、內燃機廢氣餘熱熱功轉換等一系列試驗檯，試驗研究定量揭示了轉速、進氣壓力、排氣背壓和入口蒸汽幹度等運行參數與各型號單螺桿膨脹機性能的關聯機制。

基於以上研究工作，研究團隊創新性地提出了一種單螺桿膨脹機與有機朗肯循環相結合的低溫熱源發電技術方案，實現了80攝氏度以上熱源的熱功轉換，創新性地提出了蒸發器工質流量計算的修正方法和一種無需油泵的新型容積式膨脹機有機朗肯循環方案，以有機朗肯循環系統單位體積的輸出淨功率為目標函數，基於單螺桿膨脹機效率曲線和換熱器換熱性能試驗關聯式，對有機朗肯循環系統模型進行了全局優化和變工況性能分析。

在這裡，有機朗肯循環的壓力損失被劃分為兩類高壓壓力損失和一類低壓壓力損失，研究團隊據此導出了反應壓力損失對有機朗肯循環效率影響大小的公式，分析了不同類型壓力損失對有機朗肯循環性能的影響規律。

為了分析優化有機朗肯循環的實際淨效率，研究團隊提出利用膨脹機軸效率、供油功損指數、泵功指數和冷卻功耗指數，建立了有機朗肯循環淨效率分析與優化數學模型，準確地反映了冷卻空氣流速、換熱面積、冷凝器功耗、環境溫度、供油功損指數對循環淨效率的作用機制。

通過研製大膨脹比膨脹機、優化蒸發器和冷凝器匹配，直徑117毫米單螺桿膨脹機有機朗肯循環試驗取得了突破性進展：膨脹比達到了8以上，直徑117毫米膨脹機的輸出功率達到了8.05千瓦，有機朗肯循環淨效率達到了7.98%。

研究團隊還成功研製了247千瓦柴油機單螺桿膨脹機有機朗肯循環廢氣餘熱熱功轉換系統，試驗結果表明，餘熱回收系統最大輸出功率為10.38千瓦，最大系統熱功轉換效率7.42%，柴油機+有機朗肯循環複合系統的效率提高了1.53%，每千瓦油耗降低了3.5%。

基於以上成果，研究團隊在河北滄州成功建成了10千瓦槽式聚光熔鹽傳熱蓄熱分佈式單螺桿膨脹機有機朗肯循環太陽能熱發電示範工程，並完成了山西興蕪煤層氣發電站的工業餘熱發電示範裝置的方案優化設計、設備研製和系統集成。

實際應用表明，研究團隊研發的單螺桿膨脹機有機朗肯循環發電技術是一種高效分佈式低溫熱源發電技術，實現了由“低能”到“高能”的轉換，在中低溫餘熱發電、分佈式太陽能和地熱能發電方面具有廣闊的應用前景，為鋼鐵、化工、煤炭以及石油開採等傳統能耗大戶以及工業領域的低溫餘熱利用提供了成熟、可靠的技術保障。

致謝：感謝國家973計劃項目“工業餘熱高效綜合利用的重大共性基礎問題研究”第6課題“提高餘熱發電效率的基本原理、關鍵技術及集成優化方法”（課題編號：2013CB228306）的支持。

專家簡介

王景甫：博士，教授，博士生導師，北京工業大學能源科學與工程系主任。

張新欣：博士，北京工業大學講師，碩士生導師。

吳玉庭：

王偉：博士，北京工業大學副研究員，碩士生導師。

馬重芳：北京工業大學教授，博士生導師，教育部傳熱強化與過程節能重點實驗室學術委員會副主任

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