付文華，侯少健，劉民凱

（1.國(guó)網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.山西杉大科能自動(dòng)化科技有限公司，山西 晉中 030610）

0 引言

我國(guó)電力供應(yīng)的60%以上由燃煤電廠(chǎng)提供，而燃煤電廠(chǎng)中煤炭資源的平均利用率只有40%，其余約60%大部分以冷卻塔、灰渣物理熱損失、排煙熱損失及散熱損失等形式排入了環(huán)境中。將排放的余熱加以利用，回饋入電能生產(chǎn)環(huán)節(jié)，或以電能的形式送入電網(wǎng)，對(duì)提高燃煤電廠(chǎng)效率、減少污染物排放、削減一次能源的消耗有重要的意義。

在余熱利用領(lǐng)域，以R744(CO2)為工質(zhì)的熱泵技術(shù)有很好的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[1]。作為壓縮工質(zhì)，CO2天然、經(jīng)濟(jì)、安全、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但是在CO2的跨臨界循環(huán)中，CO2工質(zhì)由超臨界節(jié)流到亞臨界區(qū)域，導(dǎo)致節(jié)流損失過(guò)大，因此CO2的跨臨界循環(huán)效率較氟系工質(zhì)低[2-3]。文獻(xiàn)《大型二氧化碳熱泵電廠(chǎng)余熱供熱利用》表述了研究設(shè)計(jì)高性能的MW級(jí)CO2膨脹壓縮一體機(jī)，以提高循環(huán)效率將顯得十分必要。

1 CO2膨脹壓縮一體機(jī)工作原理

CO2具有環(huán)保、良好的安全性、壓縮比低、在超臨界狀態(tài)下具有優(yōu)越的流動(dòng)傳熱性能等諸多特性，非常適用于熱泵系統(tǒng)[4-5]；但對(duì)于高壓、大壓差的CO2壓縮機(jī)，伴隨壓縮過(guò)程會(huì)導(dǎo)致材料和零件變形、摩擦增大，嚴(yán)重時(shí)甚至造成部件損傷而無(wú)法正常工作，引起工質(zhì)泄漏；并且，目前的傳統(tǒng)系統(tǒng)中直接采用膨脹閥來(lái)節(jié)流氣體冷卻器流出的CO2工質(zhì)，較大的壓損會(huì)造成能量的大量浪費(fèi)，使得系統(tǒng)運(yùn)行能效降低30%。本文設(shè)計(jì)了雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)，對(duì)30%的膨脹功進(jìn)行回收，以提高系統(tǒng)能效，使其獲得比氟系工質(zhì)更高的循環(huán)效率，如圖1所示。

圖1 雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)結(jié)構(gòu)

雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)由一個(gè)缸體，4個(gè)換熱器和多組管道組成。其中，缸體1分為4個(gè)部分，分別是膨脹壓縮缸A、B和液壓油缸A、B；缸體內(nèi)液壓油缸和膨脹壓縮缸體由一組連軸活塞分隔，在壓力的作用下活塞可以在缸體內(nèi)左右移動(dòng)。膨脹壓縮缸體內(nèi)充滿(mǎn)了CO2，液壓油缸內(nèi)充滿(mǎn)了液壓油，工作過(guò)程如下。

a） 活塞右行程運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，閥門(mén)2—7打開(kāi)，壓縮膨脹缸A進(jìn)氣，壓縮膨脹缸B排氣；活塞右行程到1/3～2/3時(shí)，所有閥門(mén)關(guān)閉（絕熱膨脹—壓縮）；活塞右行程到2/3～3/3時(shí)，閥門(mén)4—5打開(kāi)，壓縮膨脹缸A蒸發(fā)，壓縮膨脹缸B加壓升溫。

b） 活塞左行程運(yùn)動(dòng)開(kāi)始時(shí)，閥門(mén)3—6打開(kāi)，壓縮膨脹缸B進(jìn)氣，壓縮膨脹缸A排氣；活塞左行程到1/3～2/3時(shí)，所有閥門(mén)關(guān)閉（絕熱膨脹—壓縮）；活塞左行程到2/3～3/3時(shí)，閥門(mén)1—8打開(kāi)，壓縮膨脹缸B蒸發(fā)，壓縮膨脹缸A加壓升溫。

雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)以巨型活塞缸和液壓技術(shù)為基礎(chǔ)，以液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力交換橋梁，通過(guò)閥門(mén)1—8對(duì)CO2壓縮膨脹過(guò)程進(jìn)行精確控制，以得到優(yōu)化的CO2壓縮比和膨脹比。其中氣體冷卻器A/B與蒸發(fā)器A/B組成壓縮—膨脹工作組對(duì)，兩組交叉分時(shí)互換進(jìn)行工作，在同一個(gè)行程中汽缸進(jìn)行了“膨脹—絕熱膨脹—蒸發(fā)”過(guò)程，另一汽缸進(jìn)行“排氣—絕熱壓縮—壓縮”過(guò)程，隨著活塞運(yùn)動(dòng)方向的改變，汽缸A/B交替進(jìn)行前述2個(gè)過(guò)程。在一個(gè)完整的工作循環(huán)過(guò)程中，氣體冷卻器A/B與汽缸A/B要進(jìn)行A-A、AB、B-B、B-A各接通一次，蒸發(fā)器A/B與汽缸A/B也要進(jìn)行A-A、A-B、B-B、B-A各接通一次。其工作方式即雙對(duì)分時(shí)循環(huán)方式，因此將裝置命名為雙對(duì)式CO2壓縮膨脹裝置。

本裝置將CO2高壓循環(huán)介質(zhì)與液壓系統(tǒng)進(jìn)行壓力能量交換，壓縮膨脹機(jī)與電機(jī)通過(guò)液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流量控制和機(jī)械傳動(dòng)，中間沒(méi)有變速齒輪，可以輕松實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速和精確的流量控制；同時(shí)液壓系統(tǒng)和汽缸還具有“倍壓”功能，可以實(shí)現(xiàn)任何CO2熱泵工況下的運(yùn)行需求。一體機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成為模塊化結(jié)構(gòu)，可以很方便地進(jìn)行機(jī)組容量擴(kuò)充，方便設(shè)備的制造、運(yùn)輸、安裝和維護(hù)，具有良好的性?xún)r(jià)比。

2 CO2膨脹壓縮一體機(jī)實(shí)驗(yàn)研究

圖2中搭建的換熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，以雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)作為壓縮機(jī)，并由液壓驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。膨脹壓縮一體機(jī)性能實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，環(huán)境溫度24℃。將CO2作為介質(zhì)封進(jìn)膨脹壓縮缸，液壓系統(tǒng)提供不小于30 MPa的壓力。利用液壓系統(tǒng)對(duì)膨脹壓縮缸施壓，完成介質(zhì)CO2的壓縮膨脹，實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)由液壓動(dòng)力部分提供動(dòng)力后，再由控制器控制電磁閥執(zhí)行器對(duì)膨脹機(jī)的膨脹比進(jìn)行控制，壓縮機(jī)自適應(yīng)進(jìn)行CO2工質(zhì)壓縮，壓縮比4.1，膨脹比控制在3.5～3.8之間，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度24℃，熱源熱水溫度45℃的情況下，實(shí)現(xiàn)熱水輸出溫度92℃，熱泵制熱性能系數(shù)COP（coefficient of performance） 達(dá)到5.2的高效水平。

圖2 雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)試驗(yàn)臺(tái)

通過(guò)實(shí)際樣機(jī)的開(kāi)發(fā)制作，實(shí)現(xiàn)了40℃的低溫水的熱量回收，得到高于90℃的高溫?zé)崴?，COP達(dá)到了5.2，具有很高的系統(tǒng)性能。如果將系統(tǒng)投入到燃煤電廠(chǎng)的冷卻塔并行運(yùn)行，不但能回收低于45℃的低溫?zé)嵩?，還能提高凝汽器的真空度，改善汽輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和發(fā)電效率，為燃煤電廠(chǎng)節(jié)能降耗、提升效益帶來(lái)好處。

表1 雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)論

CO2循環(huán)系統(tǒng)膨脹功的回收對(duì)系統(tǒng)性能影響巨大[6]，因此將膨脹功直接回收用于壓縮環(huán)節(jié)，提高換熱效率是非常必要的。雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)在結(jié)構(gòu)上多加了一組換熱器和一組閥門(mén)，配合第一、第二膨脹壓縮室實(shí)現(xiàn)膨脹功能，完成了壓縮機(jī)到膨脹壓縮一體機(jī)的改變，并且可以根據(jù)熱源溫差的不同，實(shí)現(xiàn)熱泵—余熱發(fā)電的運(yùn)行方式無(wú)障礙互逆運(yùn)行。雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)的特點(diǎn)如下。

a） 設(shè)計(jì)CO2壓縮膨脹一體機(jī)具備高工作壓力、大壓差的工作特性，可以解決CO2的跨臨界循環(huán)中節(jié)流損失大的問(wèn)題，提高其循環(huán)效率。

b）壓縮膨脹一體機(jī)由液壓驅(qū)動(dòng)，動(dòng)能可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速轉(zhuǎn)換。

c）壓縮膨脹四象限運(yùn)行，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率。

雙對(duì)式CO2熱泵壓縮膨脹一體機(jī)可以廣泛應(yīng)用于燃煤電廠(chǎng)的余熱回收和再利用，有效提高燃煤電廠(chǎng)的煤炭綜合利用效率，盡可能減少一次能源的消耗。