有機朗肯循環(huán)專利技術(shù)綜述

彭小熙

摘 要： 為了提高中低溫余熱的利用效率，世界各國科學(xué)家付出了巨大的努力，而使用有機朗肯循環(huán)來回收該部分熱量進行利用便是其中典型代表。本文首先簡要介紹了有機朗肯循環(huán)技術(shù)及相關(guān)特點，在此基礎(chǔ)上分析了有機朗肯循環(huán)的全球與中國的專利情況，最后對該領(lǐng)域進行展望。

關(guān)鍵詞： 朗肯循環(huán)；有機；中低溫余熱

一、前言

隨著我國經(jīng)濟技術(shù)的飛速發(fā)展和人口數(shù)量的不斷增長，所消耗的化石能源數(shù)量也在不斷攀升，同時在工業(yè)生產(chǎn)中，大量余熱被直接排放到大氣中，這樣不僅僅造成了環(huán)境的污染，更是白白損耗了一大部分可用能源。因此，對中低溫余熱的回收和利用便具有重要的現(xiàn)實意義。若以水作為朗肯循環(huán)的工質(zhì)，來回收這部分低溫余熱，則由于水的沸點較高，將會導(dǎo)致系統(tǒng)的效率低下。如若選用有機朗肯循環(huán)（ORC）來回收余熱，則既能實現(xiàn)能源的回收利用，又能在同等的輸出條件下，減少二氧化碳等污染物的排放，有利于環(huán)境保護。同時，有機朗肯循環(huán)（ORC）也可以用于自然界中的其他低品位能量，實現(xiàn)能源利用的多樣性，從而彌補了能源不足的現(xiàn)狀。

二、有機朗肯循環(huán)基本技術(shù)原理淺析

（一）、性能簡介及優(yōu)勢分析

有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle）是以低沸點有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)[1]。整個系統(tǒng)由換熱器、透平機、冷凝器和工質(zhì)泵四大部件組成，有機工質(zhì)首先在換熱器中從廢氣等需要余熱回收的流體中吸收熱量，從而形成蒸汽，進而，蒸汽進入透平機中膨脹對外輸出功，從透平機排出的蒸汽在凝汽器中放熱，凝結(jié)成液態(tài)，再通過工質(zhì)泵重新回到換熱器中，從而形成一個完整的循環(huán)。

ORC循環(huán)與傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)的根本區(qū)別在于采用有機工質(zhì)，所以整個工質(zhì)的特性將主導(dǎo)整個發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及效率。在中低溫（低于650℃）情況下，由于ORC在顯熱回收方面有較高效率，因此ORC循環(huán)的效率明顯比水作為工質(zhì)的朗肯循環(huán)效率高得多。

（二）、關(guān)鍵技術(shù)

ORC循環(huán)是通過透平機來實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的，因此，透平機的設(shè)計是系統(tǒng)效率的一個保證，其要求在相同熱量的條件下使得發(fā)電功率最大化。此外，換熱器的構(gòu)造以及工質(zhì)的選取也將直接影響能源回收的效率，而由此選用混合工質(zhì)也是拓寬ORC循環(huán)工質(zhì)選擇范圍的另一種方法。通過余熱源的溫度范圍，工質(zhì)與管道的兼容性，混合工質(zhì)的特性，換熱效率，安全性，經(jīng)濟性等方面進行考量，配比出最合適的換熱工質(zhì)和換熱器。進而，在優(yōu)化系統(tǒng)性能發(fā)面，還需要系統(tǒng)能夠運行平穩(wěn)，噪聲低，結(jié)構(gòu)簡單以及使用范圍廣。

三、有機朗肯循環(huán)專利情況分析

（一）、申請量分析

表2為不同時間段有機朗肯循環(huán)的國內(nèi)專利申請量與全球?qū)＠暾埩康膶Ρ?。截?018年3月8日，有機朗肯循環(huán)領(lǐng)域的相關(guān)專利申請總量達到了2110篇，而國內(nèi)關(guān)于該領(lǐng)域的申請總量達到了1065件，在全球申請中占據(jù)了重要的地位。然而，在這之前的很長一段時間，國內(nèi)每年有機朗肯循環(huán)領(lǐng)域的專利申請量不足5篇，直至2009年以后申請量才逐漸呈現(xiàn)上升趨勢。在我國，該項技術(shù)起步較晚，中國第一篇國內(nèi)申請人的關(guān)于有機朗肯循環(huán)裝置的專利申請的公開日為2006年。并且，在早期，國內(nèi)對有機朗肯循環(huán)裝置的研究主要是從理論上對該循環(huán)系統(tǒng)進行研究，直至近幾年，隨著我國在各式能源大規(guī)模利用方面出現(xiàn)了大量的需求，這也促使國內(nèi)對該項技術(shù)的研究無論是從理論上或者是實際改造上均更加深入。專利申請量的增加，不僅僅體現(xiàn)了我國對該項技術(shù)的研究發(fā)展，同時也反映出近幾年國人逐漸形成了專利保護意識。

（二）、申請人分析

根據(jù)申請量分析，并結(jié)合前期的統(tǒng)計結(jié)果所抽取的樣本中所得到有機朗肯循環(huán)領(lǐng)域申請量較大的申請人，以及行業(yè)中較為知名的申請人，如下表所示：

可以看出，目前，在國外ORC技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，并且在統(tǒng)計中得知外國已將該項技術(shù)從余熱的回收方面擴大到地熱、太陽能、生物能等新能源的利用上來。而我國對于ORC的研究起步較晚，故而該領(lǐng)域的大多數(shù)申請人為科研單位：天津大學(xué)的主要研究方向是雙螺桿有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，北京工業(yè)大學(xué)主要研究單螺桿有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，而中國科技大學(xué)研究的是太陽能有機朗肯循環(huán)利用等。同時，自2008年以來，清華大學(xué)和杭州中能汽輪動力有限公司聯(lián)合開展對ORC工業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究和關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，將ORC工業(yè)低溫余熱技術(shù)積極推向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。此外，在有機朗肯循環(huán)領(lǐng)域中并沒有出現(xiàn)明顯的技術(shù)壟斷，而是一種百花齊放的發(fā)展趨勢，這有利于不同創(chuàng)新技術(shù)之間的交流與學(xué)習，更有利于該項技術(shù)的發(fā)展。

（三）、有效性分析

截至至2018年，有機朗肯循環(huán)領(lǐng)域中，國內(nèi)申請的公開量為1065篇，而公告量僅為289，專利授權(quán)率為27.36%。這說明雖然各個研究院或者企業(yè)在有機朗肯循環(huán)技術(shù)方面進行著不斷的研究和探索，但是由于我國現(xiàn)在仍處于理論研究階段，技術(shù)尚未成熟，由于理論重復(fù)性較高，因此造成了該領(lǐng)域?qū)＠跈?quán)率的低下。

四、有機朗肯循環(huán)領(lǐng)域展望

有機朗肯循環(huán)是回收低品位余熱的有效途徑之一，在國外，該項技術(shù)已經(jīng)有非常成熟及廣泛地應(yīng)用，同時，該項技術(shù)也成功應(yīng)用到新能源領(lǐng)域中去；然而在我國，該項技術(shù)尚有不足，仍有很大的發(fā)展空間。

隨著科技的發(fā)展，有機朗肯循環(huán)技術(shù)將愈加成熟，當前該技術(shù)主要發(fā)展方向為：提升有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)理論的完備性和復(fù)雜性，或者系統(tǒng)整合滿足空間集成化需求，以使得系統(tǒng)效率更優(yōu)。

參考文獻

[1] 李艷，連紅奎，顧春偉. 有機朗肯循環(huán)在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用[J]. 2009年中國動力工程學(xué)會透平專業(yè)委員會2009年學(xué)術(shù)研討會論文集，123-127頁，2009.