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摘要：指出了燃煤电厂煤炭资源的平均利用率不足 50%，有 50%以上的能量以各种热损失的形式排入环境。为了充分利用燃煤电厂排放的余热，设计完成了一种 CO2 膨胀压缩一体机热泵系统，其具有高工作压力、大压差的工作特性，解决了 CO2 的跨临界循环中节流损失大的问题，提高其循环效率；系统由液压提供动力，能实现无极调速及设备积木式容量扩展；压缩膨胀双冲程直线对置运行，提高了设备的运行效率；另外，还搭建了试验台，对设备运行的可行性进行了验证。CO2 膨胀压缩一体机的使用将对燃煤电厂的低温余热回收，提高运行效率提供一种方法。 关键词：二氧化碳；热泵；压缩膨胀；余热利用 0 引言 我国电力供应的 60%以上由燃煤电厂提供，而燃煤电厂中煤炭资源的平均利用率只有 40%，其余约 60%大部分以冷却塔、灰渣物理热损失、排烟热损失及散热损失等形式排入了环境中。将排放的余热加以利用，回馈入电能生产环节，或以电能的形式送入电网，对提高燃煤电厂效率、减少污染物排放、削减一次能源的消耗有重要的意义。 在余热利用领域，以 R744 (CO2) 为工质的热泵技术有很好的应用优势。作为压缩工质，CO2天然、经济、安全、结构稳定，但是在 CO2 的跨临界循环中，CO2 工质由超临界节流到亚临界区域，导致节流损失过大，因此 CO2 的跨临界循环效率较氟系工质低。文献 《大型二氧化碳热泵电厂余热供热利用》 表述了研究设计高性能的 MW级CO2膨胀压缩一体机，以提高循环效率将显得十分必要。 1 CO2 膨胀压缩一体机工作原理 CO2 具有环保、良好的安全性、压缩比低、在超临界状态下具有优越的流动传热性能等诸多特性，非常适用于热泵系统；但对于高压、大压差的 CO2 压缩机，伴随压缩过程会导致材料和零件变形、摩擦增大，严重时甚至造成部件损伤而无法正常工作，引起工质泄漏；并且，目前的传统系统中直接采用膨胀阀来节流气体冷却器流出的 CO2 工质，较大的压损会造成能量的大量浪费，使得系统运行能效降低 30%。本文设计了双对式 CO2 热泵压缩膨胀一体机，对 30%的膨胀功进行回收，以提高系统能效，使其获得比氟系工质更高的循环效率，如图 1 所示。 双对式 CO2 热泵压缩膨胀一体机由一个缸体，4个换热器和多组管道组成。其中，缸体 1 分为 4个部分，分别是膨胀压缩缸 A、B 和液压油缸 A、B；缸体内液压油缸和膨胀压缩缸体由一组连轴活塞分隔，在压力的作用下活塞可以在缸体内左右移动。膨胀压缩缸体内充满了 CO2，液压油缸内充满了液压油，工作过程如下。 a） 活塞右行程运动开始时，阀门2—7打开，压缩膨胀缸A进气，压缩膨胀缸B排气；活塞右行程到1/3～2/3时，所有阀门关闭 （绝热膨胀—压缩）；活塞右行程到2/3～3/3时，阀门4—5打开，压缩膨胀缸A蒸发，压缩膨胀缸B加压升温。 b）活塞左行程运动开始时，阀门3—6打开，压缩膨胀缸B进气，压缩膨胀缸A排气；活塞左行程到1/3～2/3时，所有阀门关闭 （绝热膨胀—压缩）；活塞左行程到2/3～3/3时，阀门1—8 打开，压缩膨胀缸B蒸发，压缩膨胀缸A加压升温。 双对式CO2热泵压缩膨胀一体机以巨型活塞缸和液压技术为基础，以液压系统作为动力交换桥梁，通过阀门1—8对CO2压缩膨胀过程进行精确控制，以得到优化的CO2压缩比和膨胀比。其中气体冷却器A/B与蒸发器A/B组成压缩—膨胀工作组对，两组交叉分时互换进行工作，在同一个行程中汽缸进行了“膨胀—绝热膨胀—蒸发”过程，另一汽缸进行“排气—绝热压缩—压缩”过程，随着活塞运动方向的改变，汽缸 A/B 交替进行前述 2 个过程。在一个完整的工作循环过程中，气体冷却器 A/B 与汽缸 A/B 要进行 A-A、A-B、B-B、B-A各接通一次，蒸发器A/B与汽缸A/B 也要进行 A-A、A-B、B-B、B-A 各接通一次。其工作方式即双对分时循环方式，因此将装置命名为双对式 CO2 压缩膨胀装置。 本装置将 CO2 高压循环介质与液压系统进行压力能量交换，压缩膨胀机与电机通过液压系统实现流量控制和机械传动，中间没有变速齿轮，可以轻松实现无极调速和精确的流量控制；同时液压系统和汽缸还具有“倍压”功能，可以实现任何 CO2 热泵工况下的运行需求。一体机系统构成为模块化结构，可以很方便地进行机组容量扩充，方便设备的制造、运输、安装和维护，具有良好的性价比。 2 CO2 膨胀压缩一体机实验研究 图2中搭建的换热实验系统中，以双对式CO2 热泵压缩膨胀一体机作为压缩机，并由液压驱动。系统及结构参数如表1所示。膨胀压缩一体机性能实验在室内进行，环境温度24℃。将CO2作为介质封进膨胀压缩缸，液压系统提供不小于30 MPa的压力。利用液压系统对膨胀压缩缸施压，完成介质 CO2 的压缩膨胀，实现热能与机械能之间的转换。系统由液压动力部分提供动力后，再由控制器控制电磁阀执行器对膨胀机的膨胀比进行控制，压缩机自适应进行CO2工质压缩，压缩比4.1，膨胀比控制在3.5～3.8之间，从而实现环境温度24℃，热源热水温度45℃的情况下，实现热水输出温度92℃，热泵制热性能系数COP（coefficient of performance）达到5.2的高效水平。 通过实际样机的开发制作，实现了 40 ℃的低温水的热量回收，得到高于 90 ℃的高温热水，COP 达到了 5.2，具有很高的系统性能。如果将系统投入到燃煤电厂的冷却塔并行运行，不但能回收低于 45 ℃的低温热源，还能提高凝汽器的真空度，改善汽轮机的运转和发电效率，为燃煤电厂节能降耗、提升效益带来好处。 |
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