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单螺杆高精能源装备制造


一、单螺杆的技术成果

压缩机是一种通用设备,每年耗电占全社会用电的1/5。制冷压缩机是热泵、空调、冷冻冷藏和工业制冷机组的关键部件和核心技术。对于家用空调和电冰箱的小型压缩机已在美的、格力、庆安制冷等国内公司实现了稳定的大批量生产。对于占有49%市场份额的工商用冷水及热泵机组、冷冻冷藏机组、工业制冷机组等所需的大中型制冷压缩机基本上没有自主品牌,主要依靠进口。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。膨胀动力机是化石能源发电、可再生能源热发电、余压发电等热功转换系统,同时也是深冷液化的核心设备,目前对于MW级以上的膨胀动力机主要采用蒸汽轮机,目前已在东方汽轮机、哈尔滨汽轮机、上海汽轮机、杭州汽轮机厂实现大批量生产,技术比较成熟,但对于适用于分布式能源的百千瓦、十千瓦级以及数千瓦级的小型膨胀动力机在我国还缺乏技术成熟的低成本高性能膨胀动力机。

单螺杆压缩机具有效率高、噪音低、振动小、寿命长、可靠性高的特点,代表了压缩机的高水平,是双螺杆等压缩机升级换代的理想产品。单螺杆压缩机,可以在原有耗电的基础上节能10%以上。北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室在马重芳教授的带领下,历经十多年的潜心研究,成功研发出单螺杆压缩机/膨胀机关键部件螺杆转子和星轮的展成加工工艺,克服了仿形加工的缺陷,加工出的转子和星轮片的啮合可以达到完全互换,获得了单螺杆核心技术的突破。取得以下成果:

1. 掌握了单螺杆转子和星轮展成加工专用机床的设计和制造技术,可以达到五级高精度,建立了螺杆转子和星轮加工专用机床的数字化设计平台。完成了大、中两种规格的机床制造,可加工的螺杆和星轮的范围分别为Ø200—500mm和Ø42—200mm。为各种型号的单螺杆压缩机和膨胀机的低成本、高精度、批量化生产奠定了基础。

2. 成功研制了电机功率1.3KW、37KW、75KW、90KW四种单螺杆制冷压缩机,填补了国内没有自主品牌单螺杆制冷压缩机空白。其中42mm的单螺杆制冷压缩机是目前较小的单螺杆制冷压缩机。

3. 国际上率先研制成功了公开文献报道的世界上第一台单螺杆膨胀机,到现在为止成功研制了117mm、147mm、175mm、195mm、350mm五种型号的单螺杆膨胀机,采用压缩空气、水蒸汽和有机工质进行了单螺杆膨胀机的性能试验,试验结果表明,研制的单螺杆膨胀机能够长期稳定运行,效率均可达60%以上,最高效率达73%。到目前为止,世界上除了我们之外只有比利时烈日大学在2014年报道了单螺杆膨胀机性能试验结果,他们的试验结果比我们发表的第一篇单螺杆膨胀机实验的国际期刊论文晚了整整三年,而且我们的效率远高于比利时的效率。

4. 先后承担了三个国家973计划项目和5个国家863项目,以及各类国家自然科学基金项目五项,其他项目十四项,项目经费超过了3000万元,参与制定了多个压缩机类国家标准。


二、单螺杆技术运用领域及市场现状

单螺杆技术运用领域极为广阔,包括制冷压缩机、空调、热泵系统;膨胀机余热、余压动力系统;太阳能热电联供系统;电动汽车热泵系统,以及高速铁路、航天、输油输气管道上运用的高压气体压缩机系统等。单螺杆技术运用产品市场容量超过万亿元。目前国际上能生产单螺杆制冷压缩机的厂家仅有美国爱默生旗下的维尔特公司、日本大金公司和日本三菱公司,且生产规模均不大,生产产品单一。就国内市场而言,绝大多数制冷设备厂只能依赖国外进口或进口部件组装,技术含量较低。而用于回收工业余热、余压进行发电的单螺杆膨胀机,世界上还没有公司能生产。在单螺杆膨胀机热电联供应用机组方面,公司在国际上亦属首创。


三、产品市场需求分析

(1)建筑用单螺杆空调热泵系统
热泵可实现冬季供暖,夏季空调和全年提供生活热水,是一种高效节能环保的建筑供能装置。国家和地方均把热泵做为“十一五”、“十二五”的建筑节能技术进行示范和推广,并出台了相应的激励政策。到2014年年底,全国已有3.6亿平方米建筑使用了水源热泵供暖空调系统,空气源热泵热水器的销售额已达73.9亿元。目前雾霾频发,是节能减排事业首要解决的问题。传统采暖方式造成了巨大的环境污染和巨大的能源浪费。实现供暖技术的创新,是破解上述难题的路径。采用热泵取代燃煤锅炉进行供暖和提供生活热水,将成为推进冬季供暖模式革命性变革,解决雾霾问题的一项主要技术途径。此外冷水机组在南方也有巨大的市场。估计全国建筑热泵空调市场容量为314亿人民币/年,国际市场容量为3050亿人民币/年。

无论是中央空调冷水机组、还是热泵,其核心技术是制冷压缩机技术。近年来,我国制冷空调行业发展迅速,并以20%的年平均速度增长,据统计,目前其电耗约占总电耗的10%左右,但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,而特殊机型,无论是成本,还是产品性能均难与国外品牌竞争,绝大多数只能依赖进口压缩机,2014年我国制冷压缩机进口量402万台。

单螺杆制冷压缩机具有受力平衡,容积效率高、寿命长等一系列优点,是制冷压缩机升级换代的理想产品,目前国际上只有3家公司(包括大金、霍尔公司/美国维尔特)可以生产单螺杆制冷压缩机,其产量远不能满足国际市场的需求。国内除项目业主外还没有企业能够生产单螺杆制冷压缩机,国内几千家的制冷设备企业只能依赖国外品牌的压缩机产品,国内市场缺口大。

目前,公司与美国爱默生公司签定了合作协议,利用其品牌效应和渠道优势在全球范围内推广单螺杆热泵空调技术,另外,公司也与冀东水泥、法国电力集团等一些房地产企业和热泵企业达成使用单螺杆热泵的合作意向,预计2016年将实现产值1亿元,2017年实现产值8亿元。


(2)汽车用单螺杆空调热泵系统

制冷压缩机是空调系统的核心,用于汽车空调的压缩机多达30--40种,主要机型包括斜盘式、旋叶式、涡旋式等,国外也曾经进行双螺杆汽车空调制冷压缩机的研发,但未得到应用。

北京工业大学在世界上首次提出采用单螺杆制冷压缩机做为汽车空调压缩机。与现有内燃动力汽车空调压缩机相比,单螺杆制冷压缩机具有噪音低,振动小、寿命长、压比高等优点。与现有电动汽车空调压缩机相比,单螺杆制冷压缩机还具有转速高达8000~12000转/分,远高于目前电动汽车热泵压缩机6000转/分的现状,这样电机重量和尺寸可显著减少。

目前纯电动汽车冬季基本采用PTC 电加热供暖,然而纯电动汽车的车载电池蓄电能力有限,采用电加热供暖势必会影响汽车的续驶里程。北京工业大学拟将补气增焓技术首次应用于单螺杆制冷压缩机,研制在在-20℃的低温环境下仍能实现冬天车内供暖的电动汽车热泵系统,从而实现电动汽车冬季供暖、夏季制冷都使用电动汽车热泵,从而节省电动汽车电耗,增加续航里程。

据中国汽车工业协会统计, 2011~2013年我国乘用车产量分别为 1,448.53 万辆、 1,552.37 万辆、 1,808.52 万辆,年复合增长率为 11.74%,乘用车空调市场规模已达到约 290 亿元、 310 亿元、 360 亿元。2014年中国电动汽车销售8.78万辆,电动汽车热泵热管理市场容量7亿元,全球市场可达10亿元以上,到2020年中国若能实现500万辆电动汽车目标,电动汽车热泵市场高达400亿元以上。

目前,公司与北汽、宇通客车公司都签定了合作协议,为其量身定做新能源电动汽车空调热泵系统,预计2016年将实现产值5000万元,2017年实现产值5亿元。


(3)单螺杆膨胀机余热、余压发电系统

单螺杆膨胀动力机是一种填补国际空白的容积式新型膨胀机,该系统可在较低温度下获得相对较高的发电效率。其余热回收发电的最低温度可达80℃,从而大大拓宽了能够回收发电的余热资源范围,可广泛运用于工业余热回收、地热发电及低温太阳能供热、余压发电等领域。

目前,公司与西气东输管道公司签定了供货协议,在2016年至2017年将建成270余座余压发电站,可实现10亿元的产值。同时与胜利油田动力设备公司也签定了供货协议,每年提供400台余热发电机与之配套,年产值可达2亿元。


我国的工业余热、余压资源十分丰富,估计市场容量达4800亿元。单螺杆膨胀机的运用将使这些余热、余压变废为宝,大大提高发电效率。
此外单螺杆冷链制冷系统、动力压缩机系统、分布式太阳能热电联供系统、分布式地热能系统、移动式可燃气体液化系统,市场需求也十分巨大。


单螺杆生产基地