单螺杆膨胀机有机朗肯循环发电技术是一种高效分布式低温热源发电技术，实现了由“低能”到“高能”的转换，在中低温余热发电、分布式太阳能和地热能发电方面具有广阔的应用前景。

在工业领域，有一种潜力巨大、但在利用方面存在不小挑战的资源，那就是余热。

一般来说，工业能耗中至少有50%的能量会转化为载体不同、温度不同的余热，比如高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等。

按照温度的不同，余热可以分为温度高于500摄氏度的高温余热、温度在200～500摄氏度的中温余热以及低温余热（包括温度低于200摄氏度的烟气和低于100摄氏度的液体）。

这些余热经过回收和处理等一系列环节，便可以变废为宝，用于城市供暖和发电等，不仅能够提高能源利用率，还能够缓解能源消耗给环境带来的压力。

目前我国高温工业余热发电技术已经在水泥等行业得到了普遍应用，而对于广泛存在的小容量中低温余热资源，该如何进行利用呢?

北京工业大学研究团队承担了国家973计划项目“工业余热高效综合利用的重大共性基础问题研究”中“提高余热发电效率的基本原理、关键技术及集成优化方法”课题的研究。

研究团队发现，近年来，随着对节能减排和分布式能源发展的需求越来越迫切，在国际上已得到了大规模应用的有机朗肯循环发电技术是一种有效、可靠的低温余热利用方式，这成为研究团队寻求低温余热利用的突破点。

有机朗肯循环

有机朗肯循环采用低沸点有机工质，将可实现热功转换的热源温度由朗肯循环的300摄氏度降低到了100摄氏度，实现了中低温热源的高效发电。一般来说，有机朗肯循环系统主要包括膨胀机、蒸发器、冷凝器和工质泵四大部件。

在整个循环过程中，中低温热源通过蒸发器加热有机工质，产生的高压蒸气进入膨胀机后膨胀做功，带动发电机发电，在膨胀机内膨胀后的低压蒸汽进入冷凝器冷凝，变为液体，再通过工质泵打入蒸发器中进行蒸发。在这个过程中，膨胀是有机朗肯循环的核心，因此，膨胀机作为有机朗肯循环的“主机”和“心脏”，关系重大。

膨胀机

包括两大类：

●一类是透平膨胀机，这类膨胀机已实现了商业化应用，技术比较成熟，但只能用于兆瓦级以上的有机朗肯循环发电；

●另一类是容积式膨胀机，如螺杆膨胀机。容积式膨胀机具有转速低、压比高、流量低等特点，因此更适合分布式有机朗肯循环发电。不过，虽然目前全球投入运行的有机朗肯循环系统已超过2000套，装机容量突破200万千瓦，但这些系统主要为兆瓦级以上，面对工业领域中数量巨大的小规模低温余热资源则无能为力，急需变工况性能好、转速低、压比高和流量小的容积式膨胀机。

鉴于此，研究团队经过反复思考，创新性地将单螺杆压缩机技术用于膨胀机，从2011年发表第一篇单螺杆膨胀机研究论文开始，历经数年研发，实现了小流量、大压比的膨胀过程，研制了5～170千瓦的5种型号单螺杆膨胀机，打破了一直以来小规模低温余热难以被利用的局面。

研究团队

单螺杆膨胀机结构简单，由一个螺杆、两个对称配置的平面星轮和壳体组成，受力平衡、运转平稳、振动噪声低，具有转速低、压比高、流量低等特点，因此更适用于分布式中低温余热发电。

单螺杆膨胀机的膨胀过程在旋转复杂三维空间中进行，涉及热力学、传热学、流体力学、机械设计、材料学、摩擦学及控制等多个学科，研究难度巨大；此外，提升余热品位的热力循环模式以及工质的筛选等对效率也有显著影响。研究团队针对这些难题进行了一一突破。

研究团队利用螺槽排气余速实现了单螺杆膨胀机的准二级膨胀，研发了新型大膨胀比单螺杆膨胀机样机并进行了试验，消除了大膨胀比工况下的欠膨胀损失，拓宽了单螺杆膨胀机的高效工作范围。为了实现单螺杆膨胀机的全工况高效运行，还提出了单螺杆膨胀机的复合滑阀调节策略。

为了确保单螺杆膨胀机能够满足实际应用的需求，研究团队对CP、PP、CC和PC型4种单螺杆能量转换机构的主要几何关系展开了研究，成功建立了单螺杆膨胀机工作过程的三维数学模型，获得了单螺杆膨胀机的主要结构参数，包括螺杆头数与星轮齿数、螺杆与星轮的直径、螺杆星轮间中心距、螺杆与星轮的齿宽、螺杆的各轴向尺寸、啮合角、封闭角的设计方法；得到了螺杆直径对额定功率的影响以及啮合深度对单螺杆转子结构参数的影响规律，揭示了结构参数对单螺杆膨胀机性能的影响机理。

在理论分析基础上，研究团队研发了单螺杆膨胀机结构设计软件，为具有自主知识产权的单螺杆膨胀机技术发展、设计方法等奠定了理论基础。

基于螺杆、星轮和壳体型线方程，通过单螺杆膨胀机内部工作过程分析，对单螺杆膨胀机复杂三维旋转通道膨胀过程中内部容积、内部压力以及不考虑气体泄漏的理想情况下的理论输出扭矩变化规律进行了解析和研究，获得了膨胀机内部容积、内部压力、理论扭矩随转角的变化规律，揭示了结构参数对单螺杆膨胀机性能的影响规律。

在国际上首次采用齿廓法线法建立了CC型单螺杆和星轮的型线数学模型，推导获得了CC型螺杆加工和星轮加工刀具的数学方程，成功研发出单螺杆转子和星轮的展成加工工艺，加工的啮合副在槽底的配合间隙小于0.02毫米，具有良好的互换性。

为了验证所研发的单螺杆膨胀机的性能，研究团队搭建了压缩空气单螺杆膨胀机性能试验台、水蒸气单螺杆膨胀机性能试验台、单螺杆膨胀机有机朗肯循环试验台、压缩空气膨胀与熔盐相结合试验台、内燃机废气余热热功转换等一系列试验台，试验研究定量揭示了转速、进气压力、排气背压和入口蒸汽干度等运行参数与各型号单螺杆膨胀机性能的关联机制。

基于以上研究工作，研究团队创新性地提出了一种单螺杆膨胀机与有机朗肯循环相结合的低温热源发电技术方案，实现了80摄氏度以上热源的热功转换，创新性地提出了蒸发器工质流量计算的修正方法和一种无需油泵的新型容积式膨胀机有机朗肯循环方案，以有机朗肯循环系统单位体积的输出净功率为目标函数，基于单螺杆膨胀机效率曲线和换热器换热性能试验关联式，对有机朗肯循环系统模型进行了全局优化和变工况性能分析。

在这里，有机朗肯循环的压力损失被划分为两类高压压力损失和一类低压压力损失，研究团队据此导出了反应压力损失对有机朗肯循环效率影响大小的公式，分析了不同类型压力损失对有机朗肯循环性能的影响规律。

为了分析优化有机朗肯循环的实际净效率，研究团队提出利用膨胀机轴效率、供油功损指数、泵功指数和冷却功耗指数，建立了有机朗肯循环净效率分析与优化数学模型，准确地反映了冷却空气流速、换热面积、冷凝器功耗、环境温度、供油功损指数对循环净效率的作用机制。

通过研制大膨胀比膨胀机、优化蒸发器和冷凝器匹配，直径117毫米单螺杆膨胀机有机朗肯循环试验取得了突破性进展：膨胀比达到了8以上，直径117毫米膨胀机的输出功率达到了8.05千瓦，有机朗肯循环净效率达到了7.98%。

研究团队还成功研制了247千瓦柴油机单螺杆膨胀机有机朗肯循环废气余热热功转换系统，试验结果表明，余热回收系统最大输出功率为10.38千瓦，最大系统热功转换效率7.42%，柴油机+有机朗肯循环复合系统的效率提高了1.53%，每千瓦油耗降低了3.5%。

基于以上成果，研究团队在河北沧州成功建成了10千瓦槽式聚光熔盐传热蓄热分布式单螺杆膨胀机有机朗肯循环太阳能热发电示范工程，并完成了山西兴芜煤层气发电站的工业余热发电示范装置的方案优化设计、设备研制和系统集成。

实际应用表明，研究团队研发的单螺杆膨胀机有机朗肯循环发电技术是一种高效分布式低温热源发电技术，实现了由“低能”到“高能”的转换，在中低温余热发电、分布式太阳能和地热能发电方面具有广阔的应用前景，为钢铁、化工、煤炭以及石油开采等传统能耗大户以及工业领域的低温余热利用提供了成熟、可靠的技术保障。

致谢：感谢国家973计划项目“工业余热高效综合利用的重大共性基础问题研究”第6课题“提高余热发电效率的基本原理、关键技术及集成优化方法”（课题编号：2013CB228306）的支持。

专家简介

王景甫：博士，教授，博士生导师，北京工业大学能源科学与工程系主任。

张新欣：博士，北京工业大学讲师，硕士生导师。

吴玉庭：

王伟：博士，北京工业大学副研究员，硕士生导师。

马重芳：北京工业大学教授，博士生导师，教育部传热强化与过程节能重点实验室学术委员会副主任

閱讀更多 空壓機愛分享 的文章

關鍵字: 空气污染 发电 北京工业大学