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信然螺杆膨胀机的技术优势

信然螺杆膨胀机的技术优势

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多年专业从事螺杆机械的设计、生产,包括空压机、制冷压缩机、空调压缩机、螺杆膨胀机等,为我们积累了丰富的设计、制造、使用经验,能够从一系列角度提升螺杆膨胀机的性能,提高使用的可靠性,降低使用成本,从而用最少的热能,达到最多的输出。
目前我们的产品有XR 型螺杆膨胀机、蒸汽型螺杆膨胀机两种类型。
(1)由XINRAN发明的、世界先进的Y 型线,确保了转子啮合过程中绝热效率最高,内泄漏最少,排气量最大。型线由多端曲线组成,使得流动阻力减小,流动损失较小,运转平滑、平稳,从而使得机械效率最高。我们完全拥有自主知
识产权的型线。实验证明,Y 型线性能高于大多数厂家使用的D 型线。
(2)针对使用条件的细小差别,我们可以进行型线的优化,即特殊设计,这意味着
我们可以实现更高的目标。
(3)5:6 齿数比,可以达到较大的高压孔口,减少进气阻力,同时使得转子强度
更高,避免转子在使用过程中挠度变化带来的问题,如啮合间隙变化、机壳
与转子间隙变化等。
(4)XR 螺杆膨胀机转子腔喷入少量润滑油,有利于减少摩擦、降低振动和噪声、提高密封性能,从而提高机器运转的性能,减少运转故障;蒸汽型螺杆膨胀机依靠转子端的同步齿轮确保啮合关系,转子腔无油润滑。
(5)针对XR 膨胀机使用条件专门开发的专用润滑油,可以使用的温度更高,确保长期使用润滑油不变质、粘度不下降,减少换油次数,降低使用成本。
(6)对于有机循环使用条件开发XR 螺杆膨胀机,有效减少不必要的复杂结构,降低摩擦损失,提高机械效率,可以使膨胀机效率更高、容易启动、维修方便,降低维修成本。
(7)采用世界上公认的高质量零配件,如机械密封、轴承、液体泵等关键部件,均为大公司可靠产品。
(8)首推R245fa 作为工质。因其密度高,在同样热源、冷源条件下,可以使用较小排气量的机型。
(9)完整的质量监控体系,确保生产无缺陷。
(10)公司专设膨胀机试验台,确保每台出厂机器都进行过性能测试。

★·余热和废热的背景知识
在石油、化工、采油行业,工艺过程中伴随有大量的水蒸汽,也产生大量的废热液,这些废弃、排放掉的热源都可以利用螺杆膨胀机来回收发电。85℃以上的液体均可以考虑余热发电。
在冶金和钢铁企业,加热炉冷却套均有热水、热蒸汽产生,这些热源要么冷却、要么排放掉。对于低压水蒸汽,可以使用蒸汽型螺杆膨胀机降压、发电,随后产生的废蒸汽,再进入ORC 螺杆膨胀发电站发电。串联使用后的水蒸汽变为热水,发电效率高于传统的凝汽式汽轮机。
在电力企业,尤其热电联产企业,有许多蒸汽减温、减压节流过程和排放的过程(如连排水排放),可以应用蒸汽型螺杆膨胀机来拖动负载或者发电,从而有效降低厂用电率。
在地热发电和太阳能发电方面,螺杆膨胀机提供了一种非常好的能量转换途径,把热量转化为动力,不再局限于太阳能电池。
在其他的行业,包括建材水泥、造纸、印染、纺织、糖业、食品、酒业、药厂等等领域,螺杆膨胀机都具有非常好的应用前景。
柴油机的余热。柴油机的燃料热源,大约35‐45%转变为轴功,10‐22%被冷却水带走,25‐40%被废气带走,4‐7 被润滑油带走。
对于螺杆膨胀机而言,废热、余热热源可分为两类:带压蒸汽,无压热源。
对于大多数热源,利用有机朗肯循环,可以把温度变为压力,从而转化为动力输出,这时使用ORC 型螺杆膨胀机。在热源为带一定压力的水蒸汽时,可以使用蒸汽型螺杆膨胀机。
螺杆膨胀机发电技术具有非常重要的特点:
☆热源适应范围广,对热源要求不高,过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水混合物、热水、其他热流体均可以利用,是纯粹的废热利用。
☆变工况能力优越,在热源负荷和参数大范围(从1 2 0 %到1 0 %范围)波动的情况下,仍可运行稳定。
☆维护费用低,属于十年无大修的动力机,小修维护和运行操作都简单方便,对用户原系统不产生干扰影响,安装和移动十分简易。
☆配异步发电机,并网方便,无任何波动和冲击。
总之,不同形式的膨胀机适用的热源可分类如下:
 
螺杆膨胀机形式
可使用热源
XR型
较低压力的水蒸汽
热水
烟气(转化为导热油)
其他热流体
蒸汽型
较高压力的水蒸汽
 

6.1 有机循环膨胀机回收余热的热力学原理
根据热力学原理,有机朗肯循环可以利用热源产生动力,高温热源向工质供热,低温热源提供冷却,液体泵将冷却后的工质送入蒸发器。
•有机循环为封闭系统
•有机循环需要合适介质
•冷凝温度和蒸发温度要合适
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6.2 有机循环工质
R245fa,属于等熵流体,最初为Honeywell 公司发明,适用于膨胀机,膨胀后进入干区。
临界温度154.05℃
临界压力3.64 MPa
临界密度517.0kg/m3
标准沸点14.9 ℃
三相点-273.15 ℃
摩尔质量134.05kg.kmol
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6.3 水蒸汽直接膨胀原理
高压水蒸汽直接进入蒸汽型膨胀机,在转子腔内膨胀,变为低压蒸汽后排放到环境、下级工艺,转子对外输出功率,这样的开式系统不存在循环,系统较为简单。与汽轮机工作原理相同。
为使相同蒸汽发电量最大化,需要首先使用蒸汽型膨胀机发电,在下级使用ORC 型螺杆膨胀机。两者发电量总和大于凝汽式。
蒸汽型螺杆膨胀机可以使用带压力的干饱和蒸汽、湿饱和蒸汽、过热蒸汽。

★·XR螺杆膨胀发电站主要设备
膨胀机发电站内,各设备经过内部管路有效联结为一个封闭式热力循环系统。该系统从高温吸热,向低温环境放热,通过膨胀机输出动力。
发电站有控制器完成全部控制、调节、保护等动作。人员操作负荷小。
以下分别介绍主要机械设备:
A 开启式XR 螺杆膨胀机
膨胀机采用开启式结构,一端出轴,经过连轴器与同步发电机直联。
膨胀机高压端上侧进气,低压端下侧出气。
膨胀机转子采用我公司专利Y 型线,在世界范围内属于绝对领先水平,密封性能好,绝热效率高,力矩传递性能好,经过专业磨削加工,运转稳定,震动极低,噪声超低。
转子使用合金材料,耐高温高压工况,安全性好。
全滚动轴承设计,使用润滑油较少,摩擦损失小,动力输出提高。轴承为国外大公司产品,设计使用寿命长,对运行条件适应性宽。
机械密封使用国际大公司成熟产品,性能可靠,使用寿命长,维修更换简便,有效杜绝跑冒滴漏现象。
整机结构设计吸取了多年相关领域经验,布局合理,结构优化,维修、安装、调试均方便。
联轴器使用柔性膜片联轴器结构,专递动力平稳,安全性高,噪声低,发热少,基本无维修。
  

B 高效异步发电机
采用名厂产品,效率高,质量可靠,较宽运行范围内维持高效率。可以依据客户需要选定发电机形式。
C 液体泵
采用电力驱动泵,适用于各种氟利昂工质,转速较低,效率高,无气蚀,故障率低。
D 蒸发器
满液蒸发器,热效率高,传热温差小,适用于有机工质朗肯循环。在结构设计中充分考虑换热的强化,降低设备成本,减少材料消耗,缩小机组体积,减低成本。
减少传热温差的好处在于,尽可能利用热源的负荷,从而得到更多的功率输出,有利于提高
用户废热利用的经济性。
对于蒸汽、热水、导热油等不同换热工质,换热器需要针对具体条件优化设计。
E 预热器
为了更有效加强换热,设置壳管式预热器,热效率高,传热温差小,适用于有机工质朗肯循环。
蒸发器和预热器采用壳管换热器,有利于使用中的除垢。
F 冷凝器
在有机循环的实现过程中,冷凝器至关重要,如何降低冷凝温度,始终是面临的问题。
其中最有效的办法之一,就是提高换热器的性能,减少传热温差。
本系统中的冷凝器,采用蒸发式冷凝器,最大程度的减小换热温差,提高了换热效果,减少
水的消耗,降低自用电量。
G 油分离器
膨胀机之后,分离出润滑油。
H 油泵
确保膨胀机轴承、轴封、转子等处的润滑、冷却、密封、降噪等需要。

★·蒸汽直喷型螺杆膨胀发电站主要设备
水蒸汽直接膨胀发电站:
该膨胀发电站主要设备有蒸汽型螺杆膨胀机、减速机、联轴器、进排气阀门、油系统等,配置电控设备,实现发电的自动控制。

★·发电项目热力计算结果—举例
针对某公司的热力学条件,计算如下。
热力学条件
热源:汽包水蒸汽151℃,压力0.5MPa(A),2.5t/h,汽包安全阀起跳压力0.5MPa(g)。
冷却介质:水冷却,30℃冷凝。
9.1 流程图
ORC 膨胀发电机站:

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水蒸汽直接膨胀发电站:
\

9.2 计算结果
第一项,水蒸汽直接膨胀
高压水蒸汽,可以首先利用直接膨胀发电。
蒸汽进
MPA(A)
0.525
 
153.7
蒸汽出
MPA(A) 0.105
0.105
净发电功率
101
 
KW
125
所选膨胀机规格XRYEV1200/5
配发电机185KW,3000rpm
变速机
控制柜、开关柜、进气控制阀、机架等。
第二项,有机朗肯循环膨胀发电站
第一项使用后的蒸汽,进入有机朗肯循环螺杆发电站,进一步发电。
蒸汽进
MPA(A)
0.105
 
100
蒸汽出
MPA(A) 0.105
0.105
净发电功率
70
 
KW
132
9.3 实现热功转换的条件
(1)合适的蒸发温度
最高不可超过120℃,临界温度是154.05℃
(2)合适的冷凝温度
尽量降低冷凝温度,空气冷却因传热温差的原因,会导致冷凝温度较高。
(3)适当的压比
热源条件好,有利于提高膨胀机压比,以提高功率输出效率。

★·设备参数
以下表格为单台XR 型螺杆膨胀发电站KE185 主要设备清单。
序号
名称
规格
数量
1
膨胀机
Skye1930
1
2
发电机
200kW,3p,50Hz,380V,,3000rpm
1
3
联轴器
 
1
4
仪控
热力循环、发电合网
1
5
冷凝器
 
1
6
蒸发器
 
1
7
预热器
 
1
8
油分离器
 
1
9
液体泵
 
1
10
油泵
 
1
11
油粗过滤器
PN2.0MPa,72 目
1
12
油精过滤器
PN2.0MPa,10m
1
13
液体过滤器
 
1
14
进气过滤器
 
1
15
干燥过滤器
 
1
16
冷却水水泵
 
1
17
凉水塔
 
1
18
热水水泵
 
0
19
水过滤器
 
2
20
阀门
 
1
21
管线
 
1
22
机组底架
 
1
23
润滑油
 
1
24
R245fa
 
1
以下表格为单台水蒸汽型螺杆膨胀发电站KEV120 主要设备清单。
序号
名称
规格
数量
1
膨胀机
SKYEV1200/4.7
1
2
发电机
250kW,3p,50Hz,160V,rpm
1
3
联轴器
 
1
4
仪控
热力循环、发电合网
1
5
减速机
 
1
6
油泵
 
1
7
油粗过滤器
PN2.0MPa,72 目
1
8
油精过滤器
PN2.0MPa,10m
1
9
进气过滤器
 
1
10
阀门
 
1
11
管线
 
1
12
机组底架
 
1
13
润滑油
 
1
机组重量(未加工质、润滑油): 
机组型号
重量,kg
KE160
9000
KEC120
3000
机组加油量、工质充注量
机组型号
润滑油(膨胀机专用),L
R245fa  kg
KE160
200
900
KEV120
200
0
 
 
★·厂房
不同机组的占地面积如下(单位:m)
机组型号
长(x)m
宽(y)m
高(z)m
KE160
6
5
5
KEV120
5
5
5
机组应设在室内,同时设置通风机;
为机组预浇地基,地基高于地面至少100mm;
机组上方应有起吊设备;
地基周围应有排水沟;
高温设备应予保温。
其余说明
膨胀发电机组输出电力到用户网上的电缆,请用户准备;
膨胀发电机、开关柜之间的电缆,请用户准备;
机组安全阀接到室外的管路,请用户准备;
排水设备,用户准备;
设备保温,施工方完成。

★·声明
此资料为可行性研究所用,既非专门报价单,又非合同。
技术资料,请注意保密。
螺杆式膨胀机
Screw Expander
用途
螺杆膨胀机属于实现热功转换的热能机械,利用低品位热源,实现功率输出。
传统的热功转化,是利用高压、高温过热蒸汽推动汽轮机转动,再带动同步发电机,从而实现热到功。电力,属于最高级别的能源,使用传输方便,是现今最主要的工农业生产动力来源。
汽轮机等发电机组,消耗的是高品位能源或原料,无法使用低品位的能源,
同时产生很多废热。
螺杆膨胀动力机正是利用低品位的热源,实现热功转换。这样做的好处是,
热源可以是余热、废热,变废为宝,降低了能耗,增加了产出。
1 使用要求条件
温度高于85℃的热水
温度高于85℃的其他液体,如油,化工原料
低压水蒸汽
烟气
高压水蒸汽
2 收益
一般以发电为目标,用户可以得到电力
特殊使用
3 产品种类
不论螺杆膨胀机直接使用的是哪种工质,膨胀机本身的结构和原理都是一样的。精密加工的一对螺杆转子,安装在机壳内,在啮合运转过程中,工作腔容积有变化,这样就可以实现膨胀或者压缩。
高压介质从高压孔口进入工作腔后,气体要膨胀,这样就推动转子向前运转,当工作腔到达排气位置时,开始排气,完成工作腔的膨胀过程。
螺杆膨胀机的转子分别称为阳转子、阴转子,阳转子输出动力。
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螺杆膨胀机转子
(1)XR型膨胀机(XR Screw Expander)
使用有机介质,在一个封闭循环内部实现朗肯循环,从高温热源吸热,向低温热源放热,输出轴功率。
膨胀机需要利用循环系统才能起作用,不能单独使用。
机组结构复杂。
所需条件低,更适合低品味热源回收。
 
 
XR热力循环原理图
 
XR 螺杆膨胀机运转原理:
预热器、蒸发器接受热源的热量,将工质加热成高温高压的蒸汽(非水蒸汽),然后进入膨胀机推动转子做工,同时降温降压。蒸汽从膨胀机排出后,进入油分离器,分离润滑油,气体进入冷凝器冷凝成液体,液体被液体泵升压,进入预热器、蒸发器,完成一轮循环。
同时还存在的一路循环是润滑油在油分离气实现分离后,借助油泵输送至各润滑点,确保轴承等零件的润滑与降温。
XR循环组成部件
XR 循环中,工质的作用是将热源的热值提取出来,将温度转化为压力、动力,从而实现低温热源的动力输出。因为无压力、低压力的热源,无法利用其它办法实现热工转换,XR 螺杆膨胀机是唯一选择。
工质的选择很重要,对于发电效率的高低、机器设备的规格、造价,它都能有影响。最好的工质是R245fa。
(2)蒸汽型膨胀机(Steam Screw Expander)
利用高温高压蒸汽直接进入膨胀机膨胀,输出轴功率。
可不用循环系统,机组简单。
所需条件较高。

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蒸汽直接膨胀原理图
水蒸汽直接膨胀,膨胀机需要在结构上做些特殊设计。水蒸汽与轴承腔之间要实现隔离,不能让水蒸汽进入轴承腔,也不能让润滑油进入转子腔。转子腔内不喷油,所以需要为一对转子设置同步齿轮。
润滑油是必需的,需要设置润滑油泵、油冷却器、减速机等。
4 性能及规格
(1)XR型膨胀机
热源为清洁热水,实现朗肯循环的最低条件:
热水  湿球温度    蒸发温度    冷凝温度
84℃    15℃      73.4℃       25℃
90℃    20℃      80℃       30℃
97℃    25℃       86.4℃       35℃
103℃   30℃      93℃       40℃
110℃   35℃      99.7℃      45℃








在其余条件不变的条件下,提高热源温度、降低冷却水温度,有利于提高发电量。
定义名义工况30℃冷凝,80℃蒸发,在此工况下,不同膨胀机性能如下:

膨胀机型号 净发电,kW 热水温度,℃ 热水流量,t/h
XRYe297,1500rpm 250 90 460
280 95 231
290 100 153
300 105 115
XRYe192,3000rpm 103 90 186
115 95 93
120 100 62
123 105 46
XRYe192,1500rpm 51 90 94
57 95 47
60 100 32
61 105 23

鉴于热源冷源条件的千差万别,需要针对用户的实际条件做差异化设计,上表仅供参考。
热源为低压水蒸汽,实现循环的最低条件:
定义名义工况30℃冷凝,95℃蒸发
XRYe192 膨胀机净发电量118kW,水蒸汽量2.5t/h
XRYe297 膨胀机净发电量302 kW,水蒸汽量6.4t/h
蒸汽进气温度 100
蒸发温度 95
冷凝温度 35 25 10   35 25 10
蒸汽量 t/h 2.43 2.57 2.79   6.17 6.54 7.08
膨胀机轴功率 kW 143 181 211   363 460 536
净发电功率 kW 102 136 161   259 346 410
发电站型号 KE185   KE450
热源为烟气,实现循环的最低条件:
烟气多有燃烧化石燃料生成,成分中一定有硫、氢,所以使用中必须避免腐蚀。
所有烟气的最后使用温度必须高于160℃。
不同烟气温度、流量所带来的热负荷不同,最好分别设计。
定义名义工况30℃冷凝,110℃蒸发,水蒸汽作为中间换热载体以600℃烟气为例,10000m3/h 的烟气可以净发电74kW SKYe192 膨胀机净发电量190 kW,烟气量27400m3/h  SKYe297 膨胀机净发电量480kW,烟气量68100 m3/h
(2)蒸汽直喷型螺杆膨胀机
可以使用蒸汽的温度范围为>135℃,压力高于0.315MPa(a)。
气源条件不同,发电量不同。
定义名义工况进气0.42 MPa(a),排气0.105 MPa(a)
不同气量,在一定范围内可以通过膨胀机升速,减速机再拖动发电机实现。
1t/h 不同压力的水蒸汽,直接膨胀可以得到净功率如下:
饱和蒸汽    压比      3       4       5       6       7       8        9       10
入口温度    ℃   135.19   145.38  153.68  160.74  166.92  172.44   177.43   182.01
入口压力     MPa    0.315     0.42   0.525    0.63   0.735    0.84    0.945     1.05
出口温度    ℃      101      101     101     101     101     101      101      101
出口压力     MPa   0.1050   0.1050  0.1050  0.1050  0.1050  0.1050   0.1050   0.1050
净发电功率P  kW     32.80    41.39   48.04   53.46   58.03   61.99    65.43    68.51
5 螺杆膨胀机外观
开启式ORC 膨胀机外形如下:


半封闭形式XR膨胀机
 
 
蒸汽型膨胀机
 
6 XR螺杆膨胀发电站外观
 
7 高压水蒸汽的使用方法
当蒸汽的温度高于135℃,压力高于0.315MPa(a),可以使用蒸汽型螺杆膨胀机。蒸汽
直接膨胀到常压,然后把低压尾气送给ORC 螺杆膨胀机继续发电,两者相加可以得到最大的
发电量,甚至大于凝汽式汽轮机。
汽轮机的工作条件之一是过热水蒸汽进入汽轮机,排气也要求达到过热状态,否则会威
胁汽轮机安全。
串联发电等收益,可见下图。
        
8 总结
 
高压水蒸汽     蒸汽直接膨胀    +    XR
低压水蒸汽          No              XR
热液体              No              XR
烟气                               XR
   

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