燃煤电厂余热利用CO2膨胀压缩一体机设计研究

付文华，侯少健，刘民凯

（1.国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001；2.山西杉大科能自动化科技有限公司，山西 晋中 030610）

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[1]。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[2-3]。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[4-5]；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。

图1 双对式CO2热泵压缩膨胀一体机结构

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、AB、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。

图2 双对式CO2热泵压缩膨胀一体机试验台

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。

表1 双对式CO2热泵压缩膨胀一体机试验台结构参数

3 结论

CO2循环系统膨胀功的回收对系统性能影响巨大[6]，因此将膨胀功直接回收用于压缩环节，提高换热效率是非常必要的。双对式CO2热泵压缩膨胀一体机在结构上多加了一组换热器和一组阀门，配合第一、第二膨胀压缩室实现膨胀功能，完成了压缩机到膨胀压缩一体机的改变，并且可以根据热源温差的不同，实现热泵—余热发电的运行方式无障碍互逆运行。双对式CO2热泵压缩膨胀一体机的特点如下。

a） 设计CO2压缩膨胀一体机具备高工作压力、大压差的工作特性，可以解决CO2的跨临界循环中节流损失大的问题，提高其循环效率。

b）压缩膨胀一体机由液压驱动，动能可实现无极调速转换。

c）压缩膨胀四象限运行，提高了设备的运行效率。

双对式CO2热泵压缩膨胀一体机可以广泛应用于燃煤电厂的余热回收和再利用，有效提高燃煤电厂的煤炭综合利用效率，尽可能减少一次能源的消耗。