吳華根,唐昊,陳文卿,邢子文

(西安交通大學(xué)壓縮機(jī)工程系, 710049, 西安)

雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的研究與開發(fā)

吳華根,唐昊,陳文卿,邢子文

(西安交通大學(xué)壓縮機(jī)工程系, 710049, 西安)

針對(duì)雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的工作過程進(jìn)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(dāng)壓差相等時(shí)欠膨脹引起的做功能力下降幅度較小。通過研究?jī)?nèi)容積比、進(jìn)口蒸汽熱力參數(shù)和欠、過膨脹對(duì)雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)回收功和容積流量影響時(shí)發(fā)現(xiàn):內(nèi)容積比存在最優(yōu)值,其可使膨脹機(jī)回收功最大;欠膨脹會(huì)導(dǎo)致膨脹功下降,膨脹機(jī)的容積流量減少。由此,提出了雙螺桿膨脹機(jī)的經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)思路:在大中型雙螺桿膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)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(yīng)的內(nèi)容積比小于最優(yōu)內(nèi)容積比。采用該思路進(jìn)行設(shè)計(jì),不僅可以得到較好的回收功,而且可使得膨脹機(jī)容積流量減少、經(jīng)濟(jì)性提高,為指導(dǎo)雙螺桿膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

雙螺桿膨脹機(jī);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(fèi)和環(huán)境污染。利用雙螺桿膨脹機(jī)進(jìn)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(jì)效益、降低環(huán)境熱污染,而且可實(shí)現(xiàn)能源的有效梯次利用。雙螺桿膨脹機(jī)初期投資少、維護(hù)費(fèi)用低、可靠性高,很適合能耗較高的企業(yè)進(jìn)行余能回收,從而降低生產(chǎn)成本。

雙螺桿膨脹機(jī)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(guó)外的研究主要是英國(guó)City大學(xué)有關(guān)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中雙螺桿膨脹機(jī)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(jí)朗肯循環(huán)雙螺桿膨脹機(jī)的工質(zhì),第二級(jí)采用有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行熱源的回收利用[5],同時(shí)還提出了利用雙螺桿膨脹機(jī)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(guó)內(nèi)研究也有綜合性報(bào)道[7],王維對(duì)螺桿膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與膨脹過程的關(guān)系進(jìn)行了研究[8],北京工業(yè)大學(xué)對(duì)單螺桿膨脹機(jī)的工作原理、運(yùn)行特性及應(yīng)用進(jìn)行了深入研究[9-10]。

本文主要針對(duì)雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的工作過程和不同工況下工作性能的變化及影響因素進(jìn)行了研究,并提出了雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,以期為相關(guān)技術(shù)研究提供參考。

1 膨脹做功過程分析

雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的工作過程與雙螺桿壓縮機(jī)的工作過程相反,它經(jīng)歷了高壓進(jìn)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(jī)工作腔,利用熱源工質(zhì)的膨脹帶動(dòng)陰陽轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),來驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)等機(jī)械設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)能向動(dòng)能或電能轉(zhuǎn)換。

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

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(jī)的實(shí)際做功能力

P=qm(h1-h2′)

(1)

相應(yīng)的等熵膨脹做功

Pad=qm(h1-h2)

(2)

因此水蒸氣雙螺桿膨脹機(jī)的等熵膨脹效率

(3)

該雙螺桿膨脹機(jī)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(jìn)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(jī)的實(shí)際做功能力,圖中ps為進(jìn)氣壓力,pd為排氣壓力。當(dāng)點(diǎn)2′表示單位時(shí)間內(nèi)的容積流量時(shí),該面積的積分?jǐn)?shù)值與式(1)中的P相等。

由于雙螺桿膨脹機(jī)是容積式膨脹機(jī),因此設(shè)計(jì)進(jìn)汽和排汽孔口時(shí)必然考慮內(nèi)容積比,而內(nèi)容積比的大小決定著某一運(yùn)行工況下膨脹過程中是否會(huì)產(chǎn)生欠膨脹和過膨脹。不管是欠膨脹還是過膨脹,都會(huì)對(duì)膨脹機(jī)的做功能力,即輸出功產(chǎn)生影響。欠、過膨脹對(duì)膨脹機(jī)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(jìn)、排汽壓力及進(jìn)汽質(zhì)量流量工況下(理想工作過程),欠膨脹時(shí)雙螺桿膨脹機(jī)工作腔內(nèi)膨脹終點(diǎn)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(duì)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(jī)的容積流量從完全膨脹時(shí)的Vm降到欠膨脹時(shí)的Vu,內(nèi)容積比降低,從而減少了雙螺桿膨脹機(jī)的體積和生產(chǎn)成本;過膨脹時(shí),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(duì)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(jī)的容積流量從Vm上升到過膨脹時(shí)的Vo,內(nèi)容積比升高,從而增加了雙螺桿膨脹機(jī)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(diǎn);2i為欠膨脹、過膨脹工況下的內(nèi)膨脹終點(diǎn);2d為欠膨脹排汽孔口打開時(shí)工作腔等容膨脹結(jié)束點(diǎn)或?yàn)檫^膨脹排汽孔口打開時(shí)工作腔等容壓縮結(jié)束點(diǎn)

2 雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)開發(fā)

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況參數(shù),膨脹機(jī)進(jìn)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(xué)開發(fā)的SCCAD軟件設(shè)計(jì)開發(fā)了一種雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī),該膨脹機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。在該參數(shù)設(shè)計(jì)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(jī)的基本參數(shù)

雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)子及主機(jī)分別如圖4和圖5所示。

圖4 雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子

圖5 雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)主機(jī)

3 雙螺桿膨脹機(jī)性能研究

在上述運(yùn)行工況下,本文對(duì)雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的膨脹做功能力進(jìn)行了研究,分析了欠膨脹、過膨脹、不同內(nèi)容積比和進(jìn)口壓力的影響,并假設(shè)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(duì)膨脹機(jī)的影響

雙螺桿膨脹機(jī)進(jìn)口水蒸氣可能是飽和的,也可能是過熱的,因此在分析時(shí)增加了過熱度對(duì)膨脹機(jī)做功能力的影響。在實(shí)際運(yùn)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(diǎn)為本文雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)工況點(diǎn),進(jìn)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(duì)于完全膨脹,欠、過膨脹都會(huì)導(dǎo)致膨脹機(jī)回收功減小,過膨脹對(duì)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(dǎo)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(duì)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(jī)的回收功逐漸減小,這主要是因?yàn)殡S著過熱度的增加,在同一進(jìn)口壓力下,進(jìn)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(duì)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(huì)導(dǎo)致膨脹機(jī)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(duì)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(duì)于完全膨脹的容積流量的增加率。相對(duì)于完全膨脹,欠膨脹可以減少膨脹機(jī)的容積流量,進(jìn)氣為飽和蒸汽時(shí)減少了8.177%(意味著膨脹機(jī)的體積減小),回收功減少了0.169%;相對(duì)于完全膨脹,過膨脹導(dǎo)致容積流量增加,在進(jìn)氣為飽和蒸汽時(shí)增加了15.606%(意味著膨脹機(jī)的體積增大),回收功相應(yīng)減少了0.67%。由此可見,針對(duì)具體工況,雙螺桿膨脹機(jī)應(yīng)設(shè)計(jì)在欠膨脹工況點(diǎn),這樣可以減小主機(jī)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(duì)膨脹機(jī)的影響

在螺桿膨脹機(jī)中,內(nèi)容積比是非常重要的參數(shù),其決定著進(jìn)汽孔口的位置和大小,同時(shí)會(huì)影響膨脹機(jī)的回收功。

在進(jìn)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(yùn)行工況下,內(nèi)容積比對(duì)雙螺桿膨脹機(jī)回收功及容積流量的影響如圖7所示。

圖7 內(nèi)容積比對(duì)雙螺桿膨脹機(jī)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(jī)回收功呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。由此可知,對(duì)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(jī)的回收功達(dá)到最大,本文研究中最佳內(nèi)容積比為4.5。當(dāng)內(nèi)容積比小于最佳內(nèi)容積比時(shí),會(huì)發(fā)生欠膨脹,反之會(huì)發(fā)生過膨脹。圖7數(shù)據(jù)表明,欠膨脹導(dǎo)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(shí),膨脹機(jī)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(shí),膨脹機(jī)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(jī)的內(nèi)容積比選為4的原因。

從圖7還可看出:當(dāng)內(nèi)容積比小于最佳情況時(shí),隨著內(nèi)容積比的減小,膨脹機(jī)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(jī)體積減小,暫時(shí)降低了生產(chǎn)成本,但從長(zhǎng)久運(yùn)行來說,小內(nèi)容積比的回收功總量更少,膨脹機(jī)的總體經(jīng)濟(jì)性更差;當(dāng)內(nèi)容積比大于最佳情況時(shí),膨脹機(jī)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(jī)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(jī)在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的內(nèi)容積比應(yīng)該小于實(shí)際工況點(diǎn)完全膨脹時(shí)的內(nèi)容積比,即膨脹機(jī)的膨脹終了壓力應(yīng)略高于出口背壓,這樣膨脹機(jī)可以適應(yīng)進(jìn)口水蒸氣熱力參數(shù)小幅變化卻不影響自身的性能。

在進(jìn)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(shí)內(nèi)容積比對(duì)雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)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(jī)的回收功會(huì)隨之上升,但回收功上升幅度遠(yuǎn)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(shí),膨脹機(jī)的經(jīng)濟(jì)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(shí),單位質(zhì)量回收功急劇下降。

圖8 內(nèi)容積比對(duì)雙螺桿水蒸氣膨脹機(jī)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(jìn)口壓力對(duì)膨脹機(jī)的影響

在不同進(jìn)口壓力下,容積流量和內(nèi)容積比不變時(shí)膨脹機(jī)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(jī)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(jī)的回收功隨著進(jìn)口壓力的增加而增大。這是因?yàn)榕蛎洐C(jī)的進(jìn)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(shí),進(jìn)口壓力上升,單位質(zhì)量水蒸氣的進(jìn)、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(jī)的回收功略有下降,原因是質(zhì)量流量在下降。進(jìn)口壓力為0.8 MPa,從飽和蒸汽到過熱度為15℃的過熱蒸汽時(shí),流經(jīng)膨脹機(jī)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(shè)計(jì)的膨脹機(jī)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(jìn)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(huì)導(dǎo)致雙螺桿膨脹機(jī)回收功下降,相同壓差下欠膨脹導(dǎo)致的回收功下降幅度要小于過膨脹。

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

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

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

(5)在給定運(yùn)行工況下設(shè)計(jì)雙螺桿膨脹機(jī)時(shí),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(yīng)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(jī)進(jìn)口工況范圍。

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(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(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-08-0439)。

時(shí)間: 2013-12-19

TB653

:A

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

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