低溫余熱發電（ORC）綜述

李剛

摘 要：低溫余熱發電技術在提高能源再利用的有效方法之一，有機朗肯循環（ORC）技術是是低溫余熱發電技術之一，本文主要介紹了ORC循環的系統的結構和工質的選擇方法，為ORC技術研究提供參考。

關鍵詞：低溫余熱發電；有機朗肯循環；系統結構；有機工質

1 前言

由于世界人口的增長和全球經濟的快速發展，能源消耗日漸增長。為了保護環境、維護人類良好的生存環境，開發新能源和提高能量利用效率是亟須解決的問題。可利用再生能源如：太陽能、風能及地熱能，在滿足能源需求起了越來越多的作用。而提高能源再利用有效的方法之一就是利用中低溫熱源的有機郎肯循環。有機朗肯循環（organic rankine cycle，簡稱ORC）是低溫余熱發電技術之一，ORC是使用具有較低臨界溫度的有機物作為循環工質的朗肯循環。

2 研究現狀

國外有機郎肯循環主要應用在地熱、太陽能、煙氣余熱回收等工業余熱，多數文獻根據熱力學定律建立模型，計算不同工質和溫度下的循環熱效率和介紹工質的選擇方法，并介紹了有機郎肯循環中的重要設備——蒸汽膨脹做功的設備的選擇和設計。工質均為飽和曲線斜率為負值或者無窮大的干流體和等熵流體。文獻中工質的選擇大多為各種CFC（含氯、氟、碳的完全鹵代烴）等對環境有一定破壞的有機工質，如R113、R245fa、R123等等。個別采用氨、烷烴等對環境有好的工質。而且文獻中對工質的選擇局限在某一特定的溫度范圍內。追求最優系統，工質被加熱到飽和狀態后在膨脹做功的熱效率最高，過熱或者未飽和使得不可逆損失和成本增加，降低熱效率和經濟性。

文獻還對有機郎肯循環的系統結構做了詳細的介紹，對于溫度較高的低溫熱源，為了提高能源利用率，采用常規的有機郎肯循環已不能滿足需求，所以對常規ORC系統結構做了一些改進，如多級或單級抽汽回熱ORC和抽汽再熱ORC，并對這兩種循環方式分別進行了熱力分析和計算。雖然有大量的文獻介紹了有機郎肯循環的設計、工質選擇，但是多數是基于實驗、理論和小型機組上。

3 低溫余熱發電（ORC）系統結構

常規的ORC系統由蒸發器、透平、冷凝器和工質泵四大部件以及輔助系統組成。低溫余熱經過換熱器的一邊，將熱量傳給有機工質，有機工質從余熱流中吸收熱量，生成具有一定壓力和溫度的蒸汽，蒸汽進入透平機械膨脹做功，從而帶動發電機或拖動其他動力機械做功。從透平排出的工質蒸汽在凝汽器中向空氣或者冷卻放熱，凝結成液態，最后借助工質泵重新回到換熱器。

低溫余熱發電的設備中蒸發器一般為余熱鍋爐（管殼式換熱器），工質側增加涂層；冷凝器（管殼式換熱器），一般選用冷卻水冷卻工質，工質側有涂層；但是對于不同的ORC 循環工質及用途，透平（膨脹做功的設備）的設計是不相同的。因為工質不同，循環的熱力性質不同，所以透平的結構設計方面也是不同的。對于太陽能光伏發電和有機郎肯循環聯合的發電機組中大部分的ORC組件在市場上是可以買到的，除了膨脹器（expander），膨脹器的作用是既能操作有機流體又能滿足性能要求。到目前為止最適合的膨脹器就是反向漩渦壓縮機（scroll compressor in reverse operation）。

回熱抽汽式ORC系統結構類似于以水蒸汽做工質回熱抽汽郎肯循環。從透平的第一級中抽汽加熱冷凝后的工質，以提高循環的熱效率，減少不可逆損失，但是抽汽使得工質的總的做功能力降低了。

對于干流體和等熵流，他們在透平中膨脹做功后仍然是飽和蒸汽或者過熱蒸汽，透平出口溫度總是高于入口溫度，所以采用改良ORC系統，即回熱再熱一體化ORC系統。系統選擇在透平出口、冷凝器之前安裝過熱換熱器加熱冷凝后的工質，然后在使用抽汽混合加熱工質。這樣避免了回熱系統中輸出功的減少，同樣使得循環熱效率提高。（改良版的有機郎肯循環適用于余熱溫度很高的場合）

系統的熱效率的高低除了取決于系統結構、設備的性能外，還依賴于余熱的溫度和有機循環工質的選擇。

4 有機郎肯循環工質選擇

有機工質的選擇要考慮的工質的熱力性能和環境因素。工質的比容、比熱容、質量流量、壓比、毒性、易燃性及全球變暖的影響因子等都是工質選擇考慮的因素。

根據流體的T-s圖上的飽和曲線，可以把流體分為3組，（1）干流體，如：戊烷，苯，甲苯等有著正的斜率；（2）濕流體，例如：水，氨等有著負的斜率；（3）等熵流體，如：三氯一氟甲烷，二氯二氟甲烷等斜率無限大（這種流體的飽和蒸汽曲線幾乎是垂直的）。理想的郎肯循環中蒸汽在透平中等熵膨脹做功，由于濕流體的飽和曲線斜率為負值所以在透平出口的蒸汽的濕度很大。透平內蒸汽含水不僅破壞葉片也會降低透平的等熵效率，因此在透平出口最小的干度必須保持在0.85以上。為了滿足透平出口的干度，透平入口的濕流體應該過熱。但是低品位熱源的溫度一般低于300℃，因此對于常規郎肯循環，沒有足夠的熱量使得工質在透平入口處過熱。而對于干流體和等熵流體他們在T-s圖上的飽和曲線有著負的或者無限大的斜率，所以他們在膨脹做功后仍然處于飽和或者過熱狀態，是最適合低溫熱源的有機循環工質。

另外工質還需要根據余熱的溫度來選擇，同時也要考慮到環保要求，避免選用Montreal協議（1987）限制了的工質。

5 結論

通過對低溫余熱發電熱力學分析得出，當在工質飽和溫度之下，提高膨脹機的入口溫度，可以提高循環的熱效率和火用效率，降低循環的不可逆損失和循環的工質流量；反之，當膨脹機的入口溫度高于對應的飽和溫度時（即工質處于過熱狀態），循環熱效率和火用效率不會增加反而降低，所以過熱狀態對于干工質是不適合的。因此根據運行時余熱溫度選擇工質，選擇抽汽回熱ORC和抽汽再熱ORC循環裝置。裝置的設備結構的形式需要根據工質確定。

參考文獻

[1]李昀竹.有機工質朗肯循環的熱力性能分析和關鍵部件研制[D].中國科技大學，2010.

[2]汪玉林.低溫余熱能源發電裝置綜述[J].熱電技術，2007，（1）：1-5.

（作者單位：哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司）