吳華根,唐昊,陳文卿,邢子文

(西安交通大學壓縮機工程系, 710049, 西安)

雙螺桿水蒸氣膨脹機的研究與開發(fā)

吳華根,唐昊,陳文卿,邢子文

(西安交通大學壓縮機工程系, 710049, 西安)

針對雙螺桿水蒸氣膨脹機的工作過程進行了理論研究,結(jié)果表明,在欠、過膨脹工作過程中回收功減少,且當壓差相等時欠膨脹引起的做功能力下降幅度較小。通過研究內(nèi)容積比、進口蒸汽熱力參數(shù)和欠、過膨脹對雙螺桿水蒸氣膨脹機回收功和容積流量影響時發(fā)現(xiàn):內(nèi)容積比存在最優(yōu)值,其可使膨脹機回收功最大;欠膨脹會導致膨脹功下降,膨脹機的容積流量減少。由此,提出了雙螺桿膨脹機的經(jīng)濟性設計思路:在大中型雙螺桿膨脹機的設計時宜采用欠膨脹工況,使膨脹終了壓力接近且略大于出口背壓,相應的內(nèi)容積比小于最優(yōu)內(nèi)容積比。采用該思路進行設計,不僅可以得到較好的回收功,而且可使得膨脹機容積流量減少、經(jīng)濟性提高,為指導雙螺桿膨脹機的設計提供借鑒。

雙螺桿膨脹機;水蒸氣;回收功;內(nèi)容積比

工業(yè)生產(chǎn)中存在著大量的低溫余熱,如在石化、鋼鐵冶煉、火力發(fā)電、水泥制造等行業(yè)的生產(chǎn)過程中,有大量的低品位水蒸氣直接排放到空氣和河流中,造成了熱源浪費和環(huán)境污染。利用雙螺桿膨脹機進行低品位水蒸氣的余熱回收,不僅可為企業(yè)產(chǎn)生直接的經(jīng)濟效益、降低環(huán)境熱污染,而且可實現(xiàn)能源的有效梯次利用。雙螺桿膨脹機初期投資少、維護費用低、可靠性高,很適合能耗較高的企業(yè)進行余能回收,從而降低生產(chǎn)成本。

雙螺桿膨脹機的研究始于石油化工業(yè)中低壓氣體利用,如油田氣分離等[1]。國外的研究主要是英國City大學有關有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中雙螺桿膨脹機的特性研究[2-4],研究中提出了在高溫工況利用水蒸氣作為第一級朗肯循環(huán)雙螺桿膨脹機的工質(zhì),第二級采用有機工質(zhì)進行熱源的回收利用[5],同時還提出了利用雙螺桿膨脹機代替高壓制冷系統(tǒng)中的節(jié)流閥,以提高系統(tǒng)的性能系數(shù)(COP)[6]。國內(nèi)研究也有綜合性報道[7],王維對螺桿膨脹機的結(jié)構參數(shù)與膨脹過程的關系進行了研究[8],北京工業(yè)大學對單螺桿膨脹機的工作原理、運行特性及應用進行了深入研究[9-10]。

本文主要針對雙螺桿水蒸氣膨脹機的工作過程和不同工況下工作性能的變化及影響因素進行了研究,并提出了雙螺桿水蒸氣膨脹機的設計準則,以期為相關技術研究提供參考。

1 膨脹做功過程分析

雙螺桿水蒸氣膨脹機的工作過程與雙螺桿壓縮機的工作過程相反,它經(jīng)歷了高壓進汽、膨脹、低壓排汽的過程[11]。該過程中蒸汽、氣液兩相等熱源工質(zhì)直接送入雙螺桿膨脹機工作腔,利用熱源工質(zhì)的膨脹帶動陰陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,來驅(qū)動發(fā)動機、壓縮機、發(fā)電機等機械設備,從而實現(xiàn)內(nèi)能向動能或電能轉(zhuǎn)換。

1為雙螺桿膨脹機工作腔內(nèi)水蒸氣膨脹起始點;2為工作腔內(nèi)等熵膨脹終點;2′為實際膨脹終點

以水蒸氣作為膨脹工質(zhì)的膨脹過程溫熵T-s圖如圖1所示。在此工況下,雙螺桿膨脹機的實際做功能力

P=qm(h1-h2′)

(1)

相應的等熵膨脹做功

Pad=qm(h1-h2)

(2)

因此水蒸氣雙螺桿膨脹機的等熵膨脹效率

(3)

該雙螺桿膨脹機的膨脹做功過程p-V圖如圖2所示。完全膨脹過程表示終了壓力與出口背壓相等。

過程線4-1為高壓進汽過程;過程線1-2′為完全膨脹過程;過程線2′-3為低壓排汽過程

圖2曲線所圍面積S4-1-2′-3-4表征螺桿膨脹機的實際做功能力,圖中ps為進氣壓力,pd為排氣壓力。當點2′表示單位時間內(nèi)的容積流量時,該面積的積分數(shù)值與式(1)中的P相等。

由于雙螺桿膨脹機是容積式膨脹機,因此設計進汽和排汽孔口時必然考慮內(nèi)容積比,而內(nèi)容積比的大小決定著某一運行工況下膨脹過程中是否會產(chǎn)生欠膨脹和過膨脹。不管是欠膨脹還是過膨脹,都會對膨脹機的做功能力,即輸出功產(chǎn)生影響。欠、過膨脹對膨脹機的做功能力和容積流量的影響如圖3所示。

從圖3可以看出:在同一進、排汽壓力及進汽質(zhì)量流量工況下(理想工作過程),欠膨脹時雙螺桿膨脹機工作腔內(nèi)膨脹終點為2i,水蒸氣做功能力可用面積S4-1-2′-3-4-S2i-2′-2d-2i表示,即為S4-1-2i-2d-3-4,相對于從完全膨脹到排氣背壓pd而言,做功的減少量為面積S2i-2′-2d-2i,該膨脹機的容積流量從完全膨脹時的Vm降到欠膨脹時的Vu,內(nèi)容積比降低,從而減少了雙螺桿膨脹機的體積和生產(chǎn)成本;過膨脹時,水蒸氣做功能力可用面積S4-1-2i-3i-4-S3-2d-2i-3i-3表示,即為S4-1-2′-3-4-S2′-2i-2d-2′,相對于從完全膨脹到排氣背壓pd而言,做功的減少量為面積S2′-2i-2d-2′,該膨脹機的容積流量從Vm上升到過膨脹時的Vo,內(nèi)容積比升高,從而增加了雙螺桿膨脹機的體積和生產(chǎn)成本。

(a)欠膨脹

(b)過膨脹2′為完全膨脹工況下的內(nèi)膨脹終點;2i為欠膨脹、過膨脹工況下的內(nèi)膨脹終點;2d為欠膨脹排汽孔口打開時工作腔等容膨脹結(jié)束點或為過膨脹排汽孔口打開時工作腔等容壓縮結(jié)束點

2 雙螺桿水蒸氣膨脹機開發(fā)

根據(jù)實際運行工況參數(shù),膨脹機進口的飽和水蒸氣壓力為0.8 MPa,出口背壓為0.15MPa,水蒸氣流量為6 t·h-1。利用西安交通大學開發(fā)的SCCAD軟件設計開發(fā)了一種雙螺桿水蒸氣膨脹機,該膨脹機的基本參數(shù)如表1所示。在該參數(shù)設計中已考慮泄漏影響,其理論水蒸氣流量為5.5t·h-1。

表1 雙螺桿水蒸氣膨脹機的基本參數(shù)

雙螺桿水蒸氣膨脹機的轉(zhuǎn)子及主機分別如圖4和圖5所示。

圖4 雙螺桿水蒸氣膨脹機轉(zhuǎn)子

圖5 雙螺桿水蒸氣膨脹機主機

3 雙螺桿膨脹機性能研究

在上述運行工況下,本文對雙螺桿水蒸氣膨脹機的膨脹做功能力進行了研究,分析了欠膨脹、過膨脹、不同內(nèi)容積比和進口壓力的影響,并假設工作過程中忽略了泄漏的影響,且等熵效率為70%。

3.1 欠、過膨脹對膨脹機的影響

雙螺桿膨脹機進口水蒸氣可能是飽和的,也可能是過熱的,因此在分析時增加了過熱度對膨脹機做功能力的影響。在實際運行工況下,欠、過膨脹與完全膨脹的做功能力隨過熱度的變化如圖6所示。欠膨脹工況點為本文雙螺桿水蒸氣膨脹機的設計工況點,進口壓力為0.8 MPa,欠膨脹工況下名義膨脹終了壓力為0.17 MPa,過膨脹工況下名義膨脹終了壓力為0.13 MPa,完全膨脹工況下膨脹終了壓力為0.15MPa。

圖6 不同膨脹過程的做功能力隨過熱度的變化

從圖6可以看出,相對于完全膨脹,欠、過膨脹都會導致膨脹機回收功減小,過膨脹對膨脹功的影響力大于欠膨脹,以飽和蒸汽為例(見表2),欠膨脹導致的回收功減少量只有過膨脹的25.2%。欠、過膨脹回收功相對于完全膨脹的減少率和容積流量增加率如表2所示。隨著過熱度的增加,膨脹機的回收功逐漸減小,這主要是因為隨著過熱度的增加,在同一進口壓力下,進口水蒸氣的比熱容基本呈線性增加,密度減小,質(zhì)量流量下降,從而造成回收功下降。相對于完全膨脹,回收功減少率隨著過熱度的增加逐漸減小,可見過熱度增加會導致膨脹機做功能力下降,但下降幅度并不大。

表2 欠、過膨脹回收功相對完全膨脹的減少率 和容積流量增加率

過熱度/℃回收功減少率/%欠膨脹過膨脹容積流量增加率/%欠膨脹過膨脹00 1690 670-8 17715 60650 1230 559-7 30514 201100 0830 463-6 44912 876150 0500 380-5 60711 630

表2也反映出欠、過膨脹相對于完全膨脹的容積流量的增加率。相對于完全膨脹,欠膨脹可以減少膨脹機的容積流量,進氣為飽和蒸汽時減少了8.177%(意味著膨脹機的體積減小),回收功減少了0.169%;相對于完全膨脹,過膨脹導致容積流量增加,在進氣為飽和蒸汽時增加了15.606%(意味著膨脹機的體積增大),回收功相應減少了0.67%。由此可見,針對具體工況,雙螺桿膨脹機應設計在欠膨脹工況點,這樣可以減小主機體積,降低成本,而且回收功下降率僅小于完全膨脹的0.2%,可以忽略。

3.2 內(nèi)容積比對膨脹機的影響

在螺桿膨脹機中,內(nèi)容積比是非常重要的參數(shù),其決定著進汽孔口的位置和大小,同時會影響膨脹機的回收功。

在進口壓力為0.8 MPa、出口背壓為0.15MPa、理論質(zhì)量流量為5.5t·h-1的飽和蒸汽運行工況下,內(nèi)容積比對雙螺桿膨脹機回收功及容積流量的影響如圖7所示。

圖7 內(nèi)容積比對雙螺桿膨脹機回收功及容積流量的影響

從圖7可以看出,相同質(zhì)量流量下,隨著內(nèi)容積比的增加,膨脹機回收功呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。由此可知,對于某一確定工況,存在著最優(yōu)的內(nèi)容積比,其使得螺桿膨脹機的回收功達到最大,本文研究中最佳內(nèi)容積比為4.5。當內(nèi)容積比小于最佳內(nèi)容積比時,會發(fā)生欠膨脹,反之會發(fā)生過膨脹。圖7數(shù)據(jù)表明,欠膨脹導致的做功損失要小于過膨脹。與最佳內(nèi)容積比相比,內(nèi)容積比為4時,膨脹機回收功減少了0.6 kW,容積流量減少了11.04 m3·min-1,膨脹終了壓力與背壓差值為0.022 MPa;內(nèi)容積比為5時,膨脹機回收功減少了1.76 kW,容積流量增加了11.03 m3·min-1,膨脹終了壓力與背壓差值為-0.015MPa。這也是本文膨脹機的內(nèi)容積比選為4的原因。

從圖7還可看出:當內(nèi)容積比小于最佳情況時,隨著內(nèi)容積比的減小,膨脹機的回收功下降幅度要比容積流量下降幅度小,雖然小內(nèi)容積比可以使膨脹機體積減小,暫時降低了生產(chǎn)成本,但從長久運行來說,小內(nèi)容積比的回收功總量更少,膨脹機的總體經(jīng)濟性更差;當內(nèi)容積比大于最佳情況時,膨脹機的回收功不僅下降幅度增大,而且容積流量也大幅增加,這使得雙螺桿膨脹機的轉(zhuǎn)子加工更困難。因此,選取的內(nèi)容積比與最佳內(nèi)容積比的偏差較大是不可取的。

綜上分析來看,為了兼顧成本和回收功,雙螺桿膨脹機在設計工況點的內(nèi)容積比應該小于實際工況點完全膨脹時的內(nèi)容積比,即膨脹機的膨脹終了壓力應略高于出口背壓,這樣膨脹機可以適應進口水蒸氣熱力參數(shù)小幅變化卻不影響自身的性能。

在進口壓力為0.8 MPa、出口背壓為0.15MPa下,保持理論容積流量不變時內(nèi)容積比對雙螺桿水蒸氣膨脹機回收功及水蒸氣的供給量(質(zhì)量流量)的影響如圖8所示。隨著內(nèi)容積比的降低,只要保證供給水蒸氣,膨脹機的回收功會隨之上升,但回收功上升幅度遠不及水蒸氣供給量的上升幅度,這就意味著在小內(nèi)容積比下,需要水蒸氣提供更多的熱量,可見小內(nèi)容積比時,膨脹機的經(jīng)濟性較差。在上述工況下,單位質(zhì)量的水蒸氣回收功隨內(nèi)容積比的變化如圖9所示。從圖9可以看出,內(nèi)容積比與最佳內(nèi)容積比偏差越大,單位質(zhì)量的回收功越少,采用小容積比時,單位質(zhì)量回收功急劇下降。

圖8 內(nèi)容積比對雙螺桿水蒸氣膨脹機回收功及質(zhì)量流量的影響

圖9 單位質(zhì)量的水蒸氣回收功隨內(nèi)容積比的變化

3.3 進口壓力對膨脹機的影響

在不同進口壓力下,容積流量和內(nèi)容積比不變時膨脹機的回收功和質(zhì)量流量隨過熱度的變化如圖10所示。

圖10 膨脹機的回收功和質(zhì)量流量隨過熱度的變化

從圖10可以看出,膨脹機的回收功隨著進口壓力的增加而增大。這是因為膨脹機的進口水蒸氣比熱容隨壓力的上升而減小,在相同的容積流量下,質(zhì)量流量隨之增大;出口背壓相同時,進口壓力上升,單位質(zhì)量水蒸氣的進、出口焓差增大,從而引起回收功增多。但是,隨著過熱度的增大,膨脹機的回收功略有下降,原因是質(zhì)量流量在下降。進口壓力為0.8 MPa,從飽和蒸汽到過熱度為15℃的過熱蒸汽時,流經(jīng)膨脹機的質(zhì)量流量從5.5t·h-1下降到5.27 t·h-1,下降了4.18%,膨脹回收功從310.995kW下降到303.801 kW,下降幅度為2.31%?？傮w來說,本文設計的膨脹機在15℃過熱度的范圍內(nèi)都能得到較好的回收功,在一定程度上拓寬了使用范圍,可適用于進口工況在一定范圍內(nèi)的壓力和過熱度變化。

4 結(jié) 論

(1)欠、過膨脹都會導致雙螺桿膨脹機回收功下降,相同壓差下欠膨脹導致的回收功下降幅度要小于過膨脹。

(2)在水蒸氣進、出口壓力及質(zhì)量流量一定的情況下,雙螺桿膨脹機存在最優(yōu)的內(nèi)容積比,其可使膨脹機的回收功最大,膨脹機的容積流量隨內(nèi)容積比的增加而增大。

(3)在水蒸氣進、出口壓力及膨脹機容積流量一定的情況下,雙螺桿膨脹機的回收功和質(zhì)量流量隨內(nèi)容積比的增加而減少。

(4)對于給定的雙螺桿膨脹機,在出口背壓一定的情況下,膨脹機的回收功和質(zhì)量流量均隨進口壓力的增大而增多,隨過熱度的增加而減少。

(5)在給定運行工況下設計雙螺桿膨脹機時,宜采用欠膨脹工況,即膨脹終了壓力接近但略大于出口背壓,相應的內(nèi)容積比小于最優(yōu)內(nèi)容積比,這樣不僅可獲得較理想的回收功,還可降低成本、拓寬膨脹機進口工況范圍。

[1] 陳康平.螺桿式膨脹機 [J].流體機械, 1980(2): 40-43.CHEN Kangping.Screw expander [J].Fluid Machinery, 1980(2): 40-43.

[2] SMITH I K.Development of the trilateral flash cycle system: part 1 Fundamental considerations [J].Journal of Power and Energy, 1993, 207(A3): 179-194.

[3] SMITH I K, PITANGA M R.Development of the trilateral flash cycle system: part 2 Increasing power output with working fluid mixtures [J].Journal of Power and Energy, 1994, 208(A2): 135-144.

[4] SMITH I K, STOSIC N, ALDIS C A.Development of the trilateral flash cycle system: part 3 The design of high efficiency two-phase screw expanders [J].

Journal of Power and Energy, 1996, 210(A2): 75-93.

[5] SMITH I K, STOSIC N, MUJIC E, et al.Steam as the working fluid for power recovery from exhaust gases by means of screw expanders [J].Journal of Process Mechanical Engineering, 2011, 225(2): 117-125.

[6] STOSIC N, SMITH I K, KOVACEVIC A.A twin screw combined compressor and expander for CO2refrigeration systems [C]∥16th International Compressor Engineering Conference.Purdue, USA: Purdue University, 2002: 703-710.

[7] 鄭娛泉.螺桿膨脹機的研究 [J].四川工業(yè)學院學報, 1991, 10(3/4): 150-164.ZHENG Yuquan.Study on twin screw expander [J].Journal of Sichuan Institute of Technology, 1991, 10(3/4): 150-164.

[8] 王維.螺桿膨脹機內(nèi)體積膨脹過程與結(jié)構參數(shù)的關系 [J].天津城市建筑學院學報, 1995, 1(2): 27-30.

WANG Wei.The relationship between internal volume expansion of helical screw expander and its structure parameters [J].Journal of Tianjin Institute of Urban Construction, 1995, 1(2): 27-30.

[9] 何為, 吳玉庭, 馬重芳, 等.單螺桿壓縮空氣單級動力系統(tǒng)性能研究 [J].工程熱物理學報, 2010, 31(6): 1023-1026.HE Wei, WU Yuting, MA Chongfang, et al.Performance study of single-stage compressed air power system based on single-screw expander [J].Journal of Engineering Thermophysics, 2010, 31(6): 1023-1026.

[10]LU Yuanwei, HE Wei, WU Yuting, et al.Performance study on compressed air refrigeration system based on single screw expander [J].Energy, 2013, 55(15): 762-768.

[11]邢子文.螺桿壓縮機——理論、設計及應用 [M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2000.

(編輯 苗凌)

ResearchandDevelopmentofSteamTwinScrewExpander

WU Huagen,TANG Hao,CHEN Wenqing,XING Ziwen

(Department of Compressor Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The expansion working process of a steam twin screw expander was theoretically studied.The influences of internal volume ratio, thermal parameters of inlet steam, under-and over-expansion on the recovery work of the steam screw expander were investigated.The effects of the deviation between the optimum internal volume ratio and the actual internal volume ratio on the recovery work and volume flow of the steam screw expander were analyzed.The results show that under-expansion and over-expansion can lead to the decrease in recovery work of the steam twin screw expander compared with full expansion.The decrement of recovered power by under-expansion is less than that by over-expansion when the pressure difference between the internal pressure of end expansion and discharge pressure is the same.There is an optimum internal volume ratio matching the maximum recovery work at certain thermal parameters of inlet steam.It is suggested that large scale twin screw expanders should be designed according to the under-expansion condition because under-expansion will cause small drop in the recovery work and significant decrease in the volume flow ratio.

twin screw expander;steam;recovery work;internal volume ratio

10.7652/xjtuxb201403001

2013-06-09。

吳華根(1977—),男,副教授。

教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-08-0439)。

時間: 2013-12-19

TB653

:A

:0253-987X(2014)03-0001-05

網(wǎng)絡出版地址: http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20131219.1121.007.html