单螺杆压缩机/膨胀机及其可持续能源技术

 

单螺杆压缩机/膨胀机及其可持续能源技术

一、研究必要性和意义

压缩和膨胀是能源利用和过程工业的两个基本过程，为实现这两个过程，必须有先进高效的压缩机和膨胀机。压缩机是动力机带动下能够实现气体压缩的机械。膨胀机是高压气体或蒸汽作用下，能够实现气体膨胀同时做功降温的机械。

无论是中央空调冷水机组、热泵，还是工业制冷和冷冻冷藏机组，其核心技术是制冷压缩机技术。我国大部分制冷空调生产厂家都是组装型企业，缺乏核心技术。制冷压缩机技术在我国更是比较落后，少数几家企业只能生产双螺杆或活塞式制冷压缩机，其产量远远不能满足国内制冷行业的需求，产品性能也难与国外品牌竞争，绝大多数只能依赖进口压缩机，2005年制冷压缩机进口额高达10.13亿美元。

气体压缩机是一种通用机械，在各个行业都有重要的用途。对于小排量低压的空气压缩机，国内已有上百家企业在生产，竞争非常激烈，但对于大排量，中高压和无油空气或工艺气体压缩机这些高端压缩机产品，我国大部分依靠进口，2006年我国进口气体压缩机11.93亿美元。据统计我国发电量的9.4%用于驱动气体压缩机。

目前对于大规模集中式大型热功转换系统其热力学完善度相对较高，其效率提升空间很小。实际上除了大规模集中式大型热功转换系统，存在非常多的中小功率（MW级以下）热功转换系统，如余热余压发电、分布式可再生能源热发电（太阳能、地热能及生物质能等）、伴生可燃气体液化和热泵等。这些中小功率热功转换系统尽管单个系统对节能的贡献微不足道，但由于他们量大面广，数量巨大，因此效率提升带来的总节能量对节能贡献甚至要大于大规模集中式热功转换系统。压缩机和膨胀机是中小功率热功转换系统的核心关键部件，被称为热功转换系统的“主机”。因此发展高性能中小功率压缩机和膨胀机对于提高中小功率热功转换系统的热力学完善度的关键途径。

二、技术原理

单螺杆压缩机/膨胀机由一个螺杆和两个对称配置的平面星轮组成啮合副，安装在压缩机/膨胀机壳体内。螺杆的螺旋槽、壳体内壁和星轮齿侧和齿顶构成封闭容积。星轮的作用相当于活塞式压缩机的活塞，带螺旋槽的螺杆相当于活塞式压缩机的缸体。单螺杆压缩机的工作原理是当动力传送到螺杆上，由螺杆带动星轮旋转，气体由吸气腔进入螺旋槽内，随着星轮旋转，封闭容积逐渐减少，气体受到压缩，压缩终了的气体通过排气口和排气腔排出。单螺杆膨胀机的工作原理是高压气体或蒸汽进入机内齿槽，推动螺杆和星轮转动。随着螺杆和星轮转动，齿槽间的容积逐渐增大，介质降压降温膨胀做功，最后从齿槽末端排出。螺杆转动可带动发电机转动输出功率。

图1 单螺杆压缩机/膨胀机的基本构成图

图2 单螺杆压缩/膨胀机的关键部件

图1 单螺杆膨胀机压缩空气/水蒸气性能实验台

图2 80kW柴油机废气余热有机朗肯循环试验台（北工大实验室）

图3 247kW柴油机废气余热有机朗肯循环试验台(潍柴动力实验室)

图4变流量可加热压缩空气单螺杆膨胀机性能试验台

115mm单螺杆膨胀机

175mm单螺杆膨胀机

图5 研制的1.3kW电机功率单螺杆制冷压缩机

图3 单螺杆和双螺杆的比较

（4）摩擦副合理。螺杆星轮受力平衡，可以分别以金属和特殊非金属材料形成合理的摩擦副，使工作更加可靠，振动噪音进一步降低，同时也降低了对润滑性的要求，甚至可以以水带油作为润滑剂。

（5）使用寿命长。具有比其它机型更长的使用寿命，比双螺杆高出一倍以上，可达10万小时，使用寿命20年。

（6）运转平稳，噪音低。单螺杆压缩机运转时，几乎感觉不到振动。而活塞式压缩机在运转时会产生大幅度的低频振动，双螺杆式压缩机则会产生小幅度的高频振动。在同样的电机输出功率及同样负荷情况下,噪音比双螺杆机型低10-15分贝。

（7）可靠性高，维护费用低。由于其合理的主机结构，单螺杆技术比活塞式或双螺杆及涡旋式压缩机具有更高的可靠性。十年期内单螺杆压缩机的维护费用只是双螺杆压缩机的30%，十五年期内单螺杆是双螺杆的50%。

（8）部分负荷下的效率高。在75%负荷下单螺杆比双螺杆节省5%的能耗，在50%负荷下单螺杆比双螺杆节省10%的能耗，在25%负荷下单螺杆比双螺杆节省20%的能耗。

除了前面提到的单螺杆压缩机具有的优势，单螺杆膨胀机还具有：

（1） 特别适合适合余热压发电应用。工业余热回收发电，一般功率在几千瓦至几千千瓦之间，对于传统的透平膨胀机做小比较困难和效率低，单螺杆膨胀机正适应这个范围。

（2） 全流膨胀。允许湿蒸汽进入膨胀机，这样可以提高循环效率和降低换热器的成本。这种膨胀机适合多种工质，例如过热蒸汽、饱和蒸汽、汽液混合物、烟气、废气以及热水，等等

四、主要研究内容

（1） 单螺杆压缩机/膨胀机内部复杂旋转流道内多元单相或两相流体的流动、传热传质与能量转换机理；

（2） 提高压缩机与膨胀机全工况效率的结构参数优化与调控策略；

（3） 适合不同可持续能源系统要求的系列单螺杆压缩机与膨胀机的研发；

（4） 低温热源发电系统、余压发电与制冷系统、热泵、撬装式可燃气体液化等可持续能源系统的研发与应用

五、主要承担的科研项目

1. 973项目课题：“内燃机余热能转化热力单元和材料性能强化设计和集成优化” (2011CB707202）,课题负责人：吴玉庭，经费：522万元；

2. 973项目课题：“膨胀机中多组分多相流动与全流膨胀机理”（2011CB710704），课题负责人：夏国栋，经费：449万元

3. 973项目课题：“提高余热发电效率的基本原理、关键技术及集成优化方法”（2013CB228306），课题负责人：王景甫，经费：560万元

4. 863项目“基于百kW级单螺杆膨胀机的太阳热电联供技术”(2012AA051101)，课题负责人：郭航，经费：550万元

5. 863项目“基于单螺杆膨胀机的中低温余热发电技术”（2007AA05Z212），课题负责人：吴玉庭，经费：100万元

6. 863项目：“单螺杆有机朗肯循环车用发动机排气余热回收技术研发”(2009AA05Z206)，课题负责人：张红光，经费：80万元

7. 863项目：“高效率低温地热发电关键技术与设备的研究“（2009AA05Z32），课题负责人：王景甫，经费：89万元

8. 国家自然科学基金项目“熔盐加热和单螺杆膨胀机相结合的气动汽车混合动力系统的基础研究”（50976004），项目负责人：吴玉庭，经费：37万元

9. 国家自然科学基金青年基金：“单螺杆膨胀机全流膨胀过程机理分析与研究”（51006002），项目负责人：王伟，经费：25万元

10. 北京市自然科学基金重点项目：““槽式聚光太阳能单螺杆膨胀热电联供系统的关键技术研究”（3081002），项目负责人：吴玉庭，经费：40万元

六、研究进展

（1） 目针对目前国内外缺乏千瓦到百千瓦级小流量高压比膨胀动力机的现状，，研制成功了115mm、155mm、175mm和195mm螺杆直径的四种型号单螺杆膨胀机，填补了国际空白。单螺杆膨胀机已在实验室成功运行上千小时，总效率最高达到了69.94%。

（2） 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，从而实现了80℃以上热源的热功转换，搭建了单螺杆膨胀机有机朗肯循环实验台，并在实验室成功实现了运行和发电。这一技术不仅可用于低品位余能热功转换，而且可用于地热发电、分布式太阳能热发电等可再生能源发电。

（3） 创新性提出了两种节能与新能源汽车方案：熔盐蓄热和单螺杆膨胀机相结合的新型压缩空气汽车动力系统；内燃机与单螺杆废气余热回收的混合动力汽车，并分别搭建了实验系统，实现了成功运行。（4）创新性提出一种基于单螺杆压缩机和膨胀机的橇装式可燃气体液化方案，为零散可燃气体的回收提供了一种有效的技术手段，同时得到了橇装式可燃气体液化系统的优化方案；

（4） 研制成功了四种型号单螺杆制冷压缩机，填补了国内空白，其中研制成功的42mm螺杆直径单螺杆制冷压缩机为世界最小的单螺杆制冷压缩机，该压缩机在实验室成功实现了长期运行试验。