有機朗肯循環低溫余熱發電系統綜述

趙俊林 秦虹

摘 要：當下我國能源形勢日趨嚴峻。我國有大量低溫余熱資源沒有得到有效利用，包括太陽能、地熱能、工業余熱等低溫余熱資源。以工業余熱為例，我國工業能耗的50%左右沒有得到利用，而是通過各種形式的余熱直接排放。導致嚴重的能源和環境問題。在低溫余熱的研究中，學者發現，余熱發電不僅可以實現余熱資源的循環利用，而且有利于環境保護。現有的回收技術對低溫余熱資源回收率較低。因此，提出了有機朗肯循環低溫余熱發電（ORC）技術，以實現低溫余熱的有效利用，并提高能源利用率，改善環境問題，具有顯著的社會效益和經濟效益。介紹了有機朗肯循環發電的原理，有機工質、膨脹機、工質泵和換熱器的優選，以及ORC余熱發電技術的發展前景。

關鍵詞：有機朗肯循環;低溫余熱回收;利用率;膨脹機的優選

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.095

0 引言

我國低溫余熱資源豐富，其中工業余熱資源可回收率高達60%，尤其是在鋼鐵、化工、石油與石化等行業。目前，我國余熱資源回收利用率較低，大型鋼鐵企業余熱利用率最高僅為50%，提高余熱利用率的潛力較大。

1 有機朗肯循環發電系統簡介

有機朗肯循環發電系統（Organic Rankine Cycle，簡稱ORC）主要由換熱器、膨脹機、發電機和工質泵四部分組成。有機工質從蒸發器的余熱中吸收熱量，產生具有一定壓力和溫度的蒸氣。推動膨脹機運轉，推動發電機發電。膨脹機排出的廢氣將熱量釋放到冷凝器的冷卻水中，冷凝成液態，最后在工質泵的幫助下返回換熱器，完成一個熱力循環，從而實現對低溫余熱的回收利用。圖1所示為ORC低溫余熱發電系統示意圖。

1.1 低溫余熱資源簡介

低溫余熱資源是指企業在生產過程中產生的熱量沒有得到有效利用。它具有分散性強、形式多樣、產業分布不均、資源質量差異大等特點。低溫余熱可通過有機朗肯循環轉化為機械能、電能加以利用，對降低企業能耗、減少不可再生能源消耗、環境保護具有重要意義。

我國的低溫余熱資源總量巨大，余熱主要來源于鋼鐵、水泥、玻璃、等工業余熱，以及地熱、生物質能、太陽能等可再生低溫能源，節能潛力巨大。因此，加強低溫余熱資源的回收利用，不僅可以降低我國的能源消耗，還可以提高能源利用水平，而且有效解決了環境和生態問題。

1.2 ORC低溫余熱發電技術研究利用現狀

國外對于低溫余熱的研究開始于20世紀70年代，其中對ORC系統進行研究的更早，早在20世紀20年代初期，就有人開始研究使用苯醚為工質的有機朗肯循環系統。總結了國外一部分ORC系統設備生產商及相應的技術參數，研究發現比較適合用于300℃以下的余熱熱源。

工業余熱資源回收潛力和余熱發電環保效應巨大，美國MTI公司曾經建造了利用煉油廠為余熱（110℃）的ORC系統，該系統運用單級向心透平，有機工質為R113，輸出功率約為1174KW。ORMAT公司和日本曾建造了以工業廢熱為熱源的ORC系統，最終取得了良好的社會和經濟效益。

太陽能有著資源豐富，對環境無任何污染的優點，缺點是太陽能具有即時性，不易保存，且能流密度低，熱源溫度低，但將太陽能和ORC系統結合起來發電是具有可行性的。最具代表的是美國的SEGS，總發電量達到354MW，單系統的最大裝機容量為80MW，是目前世界上最大的太陽能熱電系統。

煙氣余熱ORC發電系統，在國內有輥道爐熱空氣低溫余熱ORC發電項目，介質是從輥道爐排放的熱空氣，為了對企業多余熱量的熱空氣加以利用，考慮了采用Pure Cycle ORC低溫發電機組回收該部分余熱進行發電，這也促進了節能減排的進一步發展。

美國ORMAT公司是目前地熱ORC發電技術最為先進的公司，該公司大多數項目平均發電量都在10MW以上。但地熱源缺點是存在鉆探困難、水中礦物雜質難以分離等問題，我國西藏那曲地熱電站采用了ORMAT公司的設備，于1993年11月正式投入生產，后因結垢問題嚴重未能正常運行，最終關停。

2 有機工質的選擇

在ORC低溫余熱發電系統中，有機工質的研究和選擇是最重要的內容之一，因為有機工質的物理性質對熱源的回收效率起著決定性的作用，并對系統組件的設計難度有重要影響。例如，工質的冷凝壓力高，會導致密封系統設計難度高。由于ORC系統回收的是低溫余熱，為了使工作介質在較低溫度下汽化，應采用沸點較低的有機工作介質。同時，低沸點有機工作介質還應具有以下理想特性：低臨界壓力和臨界溫度，良好的干濕性能，低粘度，低表面張力，高循環效率，較高的安全性和環境友好性。

在這一方面的研究就有：王懷信等人設計了以低溫地熱為熱源的熱電聯產系統，并對不同工質展開了研究，最后推薦采用E-170，R-600，R-141b作為該系統工質。王輝濤等人運用熱動力循環的分析方法，分析了10種干流體有機工質，最后推薦R-227ea為中低溫地熱發電ORC系統的有機工質。不同的有機工質適合于不同的應用條件，因此不同文獻推薦使用的有機工質也各有不同。國內研究根據各自情況采用較多的有機工質是R-245fa、R-123和R-134a。

3 設備選型

3.1 工質泵的選擇

工質泵是ORC低溫余熱發電系統的基本組成部分，是將冷凝器的低溫低壓液體有機工質經絕熱增壓后，高壓輸送到蒸發器入口的裝置。作為一種成熟的產品，市場上有多種工質泵。研究發現，以下泵適用于ORC低溫余熱發電系統：液壓隔膜泵，具有壓力高、適用于危險化學介質、維護簡單等特點;立式離心泵采用變頻調速、機械密封;多級離心泵可實現更高的揚程和設定壓力;多級離心泵是在離心泵級內安裝兩臺或兩臺以上具有相同功能的離心泵，相對于活塞泵等往復泵能輸送更多的流量。

3.2 膨脹機的選擇

膨脹機是ORC余熱發電系統中的核心設備，它是將蒸發器出口的高溫高壓的有機飽和蒸氣的熱能轉化為機械能從而對外做功的設備。膨脹機按工作性質和結構的不同，可分為速度式和容積式膨脹機。速度式膨脹機適用于大流量場合，其輸出功率和轉速相應較高。小流量，大膨脹比的場合采用容積型膨脹機較為合適。現目前研究較多的是螺桿膨脹機和徑流式透平膨脹機。螺桿膨脹機有較為成熟的工業應用，適合行業較多，目前我國已成功研制出了10KW和40KW的單螺桿膨脹機的樣機。在國外代表廠家有GMK和Elctratherm等。最后是徑流式透平膨脹機，其等熵膨脹效率較高，可達85%;密封性良好，應用范圍廣泛，有著流量大、裝機功率大等特點。不足之處是價格昂貴、投資回收期長。

3.3 發電機的選擇

一般ORC發電系統選擇使用異步電機，考慮因素是系統控制問題，異步電機對轉速控制要求不高，在熱源不穩定的情況下，電機對機組有較大工況的變化范圍適應性較強。ORC發電機組的裝機容量和對電網的沖擊較小，并網更方便，功率較大，運用范圍更廣。

3.4 換熱器的選擇

蒸發器和冷凝器統稱為換熱器，其作用和工作原理一樣。在ORC發電系統中換熱器類型的選用對機組效率與經濟技術性影響較大。現目前運用于ORC發電系統的換熱器有管殼式換熱器和板式換熱器，相對而言，管殼式換熱器較平板式換熱器運用更多，而板式換熱器與常規的管殼式換熱器相比，傳熱系數較高，在一定的范圍內有取代管殼式換熱器的趨勢。

4 結論

本文介紹了有機朗肯循環發電系統的基本原理，分析了ORC低溫余熱發電技術的現狀，展開了對該系統設備選型，有機工質選擇等方面的研究，現得出以下結論：

（1）我國低溫余熱資源潛力巨大，回收利用率有待提升，ORC發電技術市場潛力大。

（2）目前國內ORC低溫余熱發電技術發展空間很大，仍有多項關鍵技術需要解決。

（3）不同的余熱源所適應的條件也不同，要根據余熱條件和需求，具體分析，綜合利用，系統優化設計對于ORC發電系統意義重大。

（4）ORC余熱發電技術實現對低溫余熱的有效應用，提高能源的利用效率，改善環境問題，具有顯著的社會和經濟效益。

（5）應多展開實驗方面的研究，在成熟可靠的基礎上加快ORC發電技術的實際運用，早日并入電網，實現大規模的商業化運行，緩解我國傳統能源發電的壓力。

參考文獻

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