低品位熱能回收發電應用研究

梅映新 李志 夏煥錦

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所， 武漢 4300064）

0 引言

我國已成為世界第二大能源消費國，能源消耗大，能源利用率不高。一些發達國家的能源利用率已超過50%，美國的能源利用率達到60%以上，而我國的能源平均利用率約為 30%[1]，也就是說，約70%的能量，以各種形式白白排放掉了。我們通常把這些排放掉的余熱能源分為高溫、中溫、低溫三類，溫度高于650 ℃的為高溫余熱，230 ℃～650 ℃之間的為中溫余熱，低于230 ℃以下的為低溫余熱[2]。對于中高溫余熱的回收再利用，方式很多且技術成熟，例如，可以采用余熱鍋爐回收余熱產生高溫高壓的水蒸汽，水蒸汽進入汽輪機組做功驅動發電機發電輸出電能。而對于以煙氣、蒸汽、高溫冷卻水等形式存在的低溫余熱，由于其品位不高，回收效率則低得多，甚至無法回收。如何高效、經濟地將這些總量巨大的低品位熱能轉化為高品質的電能，是目前國內外相關領域科研人員研究的熱點。本文介紹了一種基于有機朗肯循環的余熱回收發電系統的研究情況，對影響系統熱電效率的主要因素進行了分析，并介紹了該系統的市場應用前景。

1 系統組成及工作原理

1.1 ORC余熱回收發電系統組成

有機朗肯循環一詞來源于英文 Organic Rankine Cycle ，簡稱ORC，意為采用有機物做為循環工質的朗肯循環。ORC余熱回收發電系統其基本組成包括：汽輪發電機組、蒸發器、冷凝器、回熱器、工質循環泵以及電氣控制部分等，所有設備集成在一個鋼性公共底座上。圖 1是ORC余熱發電系統組成結構示意圖。

1.2 ORC余熱回收發電系統工作原理

如圖1所示，工質循環泵將液態有機工質加壓，泵入蒸發器中。液態的有機工質在蒸發器中吸收余熱的熱能，變為高溫高壓的氣態有機工質，氣態工質進入汽輪發電機組中做功，驅動汽輪發電機組對外輸出電能。在汽輪機中做完功排除來的有機工質經過冷凝器冷凝，變為液態，回到儲液罐中。如此周而復始的循環，即可源源不斷地輸出電能或機械功。

圖1 ORC余熱發電系統組成結構示意圖

由于朗肯循環只是最基本的熱力循環，結構簡單但效率不高，實際應用中，需要進行預熱、回熱等設計，對冷凝有機工質的冷卻水，也可綜合利用，如作為冬季供暖用水等，從而提高系統整體熱能利用效率。

2 系統的主要特點

對于低品位溫余熱的回收利用，有機物做為循環工質比水蒸汽具有顯著的優勢，主要表現在回收顯熱方面具有較高效率，對低溫熱源，ORC技術可以回收更多的熱量。從圖2水蒸汽和有機工質的溫熵圖可以看出，ORC技術可回收的顯熱/潛熱比例明顯高于常規水蒸汽朗肯循環。

圖2 水和有機工質的溫熵圖

根據T-s圖中飽和蒸汽曲線dT/ds的情況，可將工質分為三種類型，dT/ds>0為干性工質，一般為有機物；dT/ds<0為濕性工質，如水蒸汽等；干性工質在汽輪機中膨脹做功后仍呈現干蒸汽狀態，不會出現液滴，因此有機工質的飽和蒸汽無需過熱即可以進入汽輪機做功。與常規水蒸汽朗肯循環發電形式比較，ORC技術具有如下顯著特點[3]：

1）有機工質沸點低，在較低的溫度下即可沸騰，且沸騰時產生的蒸發壓力較高，適宜回收低溫余熱。其密度大、比熱容小，所需汽輪機尺寸、排氣管道尺寸、換熱器換熱面積等都較小，節約成本。

2）有機工質在汽輪機中做功后仍呈現干蒸汽狀態，因此有機工質的飽和蒸汽無需過熱即可以進入汽輪機做功，不會出現形成液滴對高速旋轉的汽輪機葉片產生沖擊腐蝕的情況。

3）與水蒸汽相比，有機工質聲速較低，汽輪機在葉片輪周速度較低時就能獲得有利的空氣動力性能，常規轉速下即可獲得較高的效率。

4）有機工質冷凝壓力高，可在稍高于大氣壓的壓力下冷凝，使系統壓力保持正壓，防止空氣進入影響系統性能。有機工質凝固點低，即使在嚴寒地區使用，仍不需進行防凍處理。

5）與常規水蒸汽汽輪發電機組比，ORC發電系統不需要除鈣、除鎂離子的軟化水設備，不需要除水中溶氧設備。

3 影響系統熱電效率的主要因素分析

3.1 有機工質的選擇

有機工質的選擇對系統整體性能具有重要影響。針對不同的余熱熱源溫度，選擇的有機工質不一樣。即使對相同溫度的熱源，也應該有多種有機工質可供選擇，某些混合工質的熱力性能應優于單一純工質。總的來說，應以追求最高的系統整體熱電轉化效率為目標，兼顧環保等其它因素。理想的有機工質應具有如下特征：

1）工質的臨界溫度應略高于循環中的最高溫度，因為大多數有機工質在臨界溫度之上時，其化學穩定性變差，可能出現熱分解。

2）應選擇具有較低臨界溫度和壓力，較小的比熱容，低粘度和表面張力，高汽化顯熱，高熱傳導率，熱穩定性好的有機工質。

3）循環中最高溫度對應的飽和壓力不宜過高，過高的壓力帶來機械承壓問題，致使系統成本上升。

4）無毒、不易燃易爆、對環境無破壞性。

5）易于制備，經濟性好。

3.2 有機工質汽輪機的設計

ORC熱電冷聯產設備中使用的汽輪機與常規水蒸汽汽輪機無本質上的區別，其基本原理仍是利用噴嘴和葉輪將高溫高壓氣體轉化為高速流體，然后將高速流體的動能轉化為旋轉機械的軸功輸出。但因為有機工質所具有的一些特點，在進行有機工質汽輪機設計時必須進行專門考慮：

1）有機工質分子量遠大于水的分子量，因此音速較低，在進行汽輪機設計時應盡可能避免在噴嘴出口出現超音速，以免造成附加激波損失。

2）有機工質在汽輪機里做功時膨脹比高但焓降小，在進行汽輪機設計時應予以考慮。

3）有機工質比水貴得多，因此在進行汽輪機設計制造時要重點考慮密封問題。

4）有機工質的密度、粘度、膨脹系數等參數與水蒸汽參數都有區別，進行汽輪機設計時應充分考慮。

目前國外有機汽輪機已由以前的軸流式汽輪機向向心徑流式汽輪機發展，向心徑流式汽輪機具有損失小、效率高、轉速高、體積小等特點，是今后有機工質汽輪機發展的方向。

3.3 換熱器的設計與優化

ORC余熱回收發電系統中的換熱設備，如蒸發器、冷凝器、回熱器等，是影響系統整體熱電轉化效率的重要因素之一。選擇合適的換熱器型式，進行適當的強化傳熱優化設計，是提高系統效率的重要途徑。由于低溫余熱大量地以低溫煙氣、高溫沖渣水等形式存在，煙氣中含有硫及硫化物、灰塵等情況較為常見，沖渣水中一般也含腐蝕性成份，因此在設計 ORC余熱回收發電系統中的換熱器，特別是蒸發器時應重點考慮選擇合適的換熱器的材質，在回收低溫煙氣時，蒸發器出口側煙氣溫度應控制在控制在煙氣露點溫度以上，避免低溫腐蝕。余熱熱源中含有較多灰塵時，蒸發器應考慮增設自動除塵裝置。

3.4 控制系統的設計與優化

ORC余熱回收發電系統電氣控制部分與整個系統性能的好壞，運行自動化程度的高低，系統整體效率的高低等與電氣控制部分的性能息息相關。目前國外的 ORC余熱回收發電系統通過采用模糊邏輯控制算法，提高了系統運行的魯棒性，當負載在 50－100%范圍內變化時，系統運行平滑，動態響應良好，電氣控制系統高度智能化設計，可以做到遠程啟停操作和無人值守運行。一般來說，ORC余熱回收發電系統電氣控制部分應具有如下功能：

1）汽輪機運行控制及保護；

2）發電機運行控制及保護；

3）自動并網控制與配電保護；

4）數據采集及監測、歷史數據記錄與分析；

5）遠程通訊與智能診斷；

6）系統高效運行綜合檢測與控制；

7）系統安全保護。

4 市場前景分析

我國每年能源總消耗量巨大，但我國能源利用率遠低于世界發達國家平均水平，因此在我國的建材、鋼鐵、有色、化工等工業行業存在著大量的中低溫余熱可供回收再利用。而據保守估計，每年我國國內的 ORC余熱回收熱電聯產設備市場需求量至少在5×106 kW以上。另外，我國地大物博，太陽能、地熱能、海洋溫差能蘊藏量巨大，我國農作物種植面積廣，生物質能儲量大，這些都意味著ORC發電設備市場潛力極大。

近年來，國家高度重視生物質能的開發利用，頒布了《可再生能源法》，《2010熱電聯產發展規劃及2020年遠景目標》等，對容量大于1000 kW 余熱電站實行無條件上網并給予優惠上網電價等措施的出臺，相信很快將迎來 ORC余熱熱電聯產設備發展的高潮。

5 結束語

ORC余熱回收發電技術在歐美發達國家已有較為成熟的應用，在國內尚處于起步階段，但發展迅猛，相信不久的將來，ORC發電技術將會為我國節能減排事業做出重大的貢獻。

[1]汪玉林. 低溫余熱能源發電裝置綜述[J]. 熱電技術,2007, 93（1）: 1－4.

[2]黃素逸,王曉墨等. 能源與節能技術[M]. 中國電力出版社, 2008.

[3]王江峰, 戴義平, 陳江. 中低溫余熱發電技術及應用[J]. 節能, 2007, 2: 32－34.