有機朗肯循環(huán)膨脹機的研究進展和應用現(xiàn)狀

閆靜文，楊柯峰，侯 佳，李剛輝，郭紅斌

有機朗肯循環(huán)膨脹機的研究進展和應用現(xiàn)狀

閆靜文，楊柯峰，侯 佳，李剛輝，郭紅斌

（北京康吉森節(jié)能環(huán)保技術有限公司，北京 101318）

能源需求的持續(xù)增長和環(huán)境問題要求越來越多地利用可持續(xù)能源，有機朗肯循環(huán)（ORC）由于其能夠有效利用低溫熱能、提高能源利用效率、減少二氧化碳排放等優(yōu)點，逐漸成為關注熱點。膨脹機是ORC系統(tǒng)的核心部件，對系統(tǒng)的發(fā)電效率、可靠性和經(jīng)濟性等影響較大。本文總結了用于低品位能源利用ORC的各種膨脹機類型，并對其工作原理、技術特點、研究進展和應用現(xiàn)狀進行了分析。結果表明：綜合考慮其性能效率，透平膨脹機適用于>50 kW的余熱利用系統(tǒng)，容積式膨脹機在<200 kW的ORC系統(tǒng)中有明顯優(yōu)勢，螺桿膨脹機適宜<500 kW的ORC系統(tǒng)，其他機型目前實驗研究較多，應用較少；膨脹機的選擇不僅需要考慮其效率高低，還需要考慮其適用范圍、經(jīng)濟性、復雜程度和后期維修成本等因素。

有機朗肯循環(huán)；膨脹機；透平膨脹機；容積式膨脹機；余熱利用；低品位能源

化石燃料的大量消耗造成了能源短缺和嚴重的環(huán)境問題，引起了國際社會的廣泛關注。有統(tǒng)計指出，在能量轉換過程中有50%的熱能最終以低品位熱能的形式被浪費[1]。低品位熱能包括工業(yè)低溫余熱及新能源領域的地熱能、太陽能、生物質能等，數(shù)量巨大。對低品位熱能進行合理利用，不僅能夠提高能源利用率，還能起到節(jié)能減排，緩解化石能源供給緊張的作用[2]。有機朗肯循環(huán)（ORC）作為一種能將低品位熱能轉變?yōu)楦咂肺浑娔茌敵龅南到y(tǒng)，被認為是一種切實可行并且高效的余熱利用技術[3]。

ORC理論上可用于各種類型低品位能源的開發(fā)和利用。目前，該技術主要應用于地熱能發(fā)電、工業(yè)余熱回收、太陽能發(fā)電、生物質能燃燒發(fā)電和海洋溫差發(fā)電等領域[4]，對于不同應用領域其系統(tǒng)也各不相同，當前的研究主要針對系統(tǒng)的技術應用[5-9]、工質選擇[10-12]、設計與優(yōu)化[13-15]、膨脹機的選擇[10,16-17]等幾個方面，在這些研究中，膨脹機作為最重要的動力部件，其成本約占整個系統(tǒng)成本的60%[18]，而且其采用的形式、運行特性和效率對于整個機組效率的提高至關重要。

1 膨脹機研究進展

目前用于ORC系統(tǒng)的膨脹機主要分為2類：一類是速度型膨脹機，也稱透平膨脹機，通常分徑流式透平和軸流式透平2種；另一類是容積式膨脹機，如渦旋膨脹機、螺桿膨脹機、活塞膨脹機和滑片膨脹機等[16]，主要通過容積改變來獲得膨脹比和焓降，對外輸出功，用于小流量大膨脹比的場合[17]，轉速較低，輸出功率隨轉速的增大而增大。

1.1 透平膨脹機

透平膨脹機不適用于功率較小的ORC系統(tǒng)，因為隨著其輸出功率的下降，轉速會呈指數(shù)增 長[19]，甚至可以達到每分鐘十幾萬轉甚至幾十萬轉，此時采用一般的油膜軸承已經(jīng)無法滿足要求甚至失效，所以透平膨脹機常用于大中型的ORC系統(tǒng)。Qiu[16]和Pei[20]等人認為當膨脹機功率<50 kW時，發(fā)電效率明顯降低，同時高轉速帶來高成本、穩(wěn)定性下降等問題也不容忽視。

根據(jù)比轉速公式，在余熱利用時，軸流式透平適合于大流量、低膨脹比的場合，徑流式透平適合于小流量、高膨脹比的場合。比轉速的計算式如下：

式中，s為比轉速，為轉速，為流量，Δ為 焓降。

另外，有機朗肯循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)相比，具有低比熱容、低音速、低焓降的特點，所以ORC透平一般是高膨脹比透平[10]。尤其是在低品位能源利用中，各級損失均有增加，徑流式透平比軸流式透平更具優(yōu)勢。在流量較小時，徑流式透平由于旋轉葉盤的數(shù)量較少，機械損失少；對間隙損失的敏感度低[21]，而且葉片安裝方便；當級數(shù)較多時，造價也比軸流式透平要低。但是，隨著流量的增大，徑流式透平尺寸將大幅度增加，此時采用軸流式透平來應對大流量和高焓降更適合。

在近年來的研究中，由于徑流式透平等熵效率高、結構緊湊、轉速高、高膨脹比等優(yōu)點，引起了學者們的關注。Colonna等人[22]的研究表明，當?shù)蜏責嵩礈囟葹?20~350 ℃、輸出功率大于100 kW時，透平膨脹機等熵效率可以達到90%以上。Fiachi等人[23]選擇了6種不同工質對徑流式透平進行了初步設計，保證輸出功率為50 kW時，透平效率可達到72%~80%。國內學者對于徑流式透平的研究集中在透平的一維和三維結構形式的改進和優(yōu)化等方面。鄧蘭等[24]研究了90°進汽和后掠式進汽2種進汽結構對等熵效率的影響。王智等[25]比較了7種不同出口相對氣流角對透平效率的影響，最后得出氣流角度為32°時有較好的葉輪性能和較高的透平效率。張振康等[26]對透平變工況特性開展模擬分析，研究了壓力、溫度、轉速以及膨脹比對透平輸出功與等熵效率的影響規(guī)律。Pan等人[27]采用徑流式ORC透平機，通過對14種有機工質和90 ℃熱源進行分析，發(fā)現(xiàn)透平內效率由轉子膨脹比決定，并隨著轉子膨脹比的增加而減小。

除了在徑流式透平本身的渦輪設計、等熵效率、匹配工質等方面進行研究外，近些年來，國內外針對小型和微型ORC的研究十分集中。Yamamoto等人[28]設計了徑流式透平的小型ORC系統(tǒng)，并進行實驗研究，輸出功率為0.15 kW。Pei等人[29]設計了以R123為循環(huán)工質的徑流式透平ORC實驗，當入口溫度和壓力分別為100 ℃和0.786 MPa時輸出功率為3.3 kW，等熵效率為71%，隨后做出的模型驗證表明，由于各種損失的存在，最終等熵效率為65%，輸出軸功為1.36 kW。Nithesh等人[30]設計了以R22為工質的徑流式透平機閉路循環(huán)海洋熱能轉換實驗，轉速為34 000 r/min，發(fā)電量為2 kW。如上所述，徑流式透平不太適合于50 kW以下的功率范圍，所以目前進行小型徑流式透平研究主要為科研院所和高校實驗室使用。

1.2 渦旋膨脹機

渦旋膨脹機是由制冷空調系統(tǒng)中的渦旋式壓縮機演變而來，它由一對動渦旋盤和靜渦旋盤組成，兩盤組裝后形成月牙形的封閉腔，工作時，外側空間與排氣口相通，中心部位與吸氣口相通。動渦旋盤旋轉時，月牙形封閉腔容積增大，氣體不斷膨脹，如此循環(huán)，進行連續(xù)進氣、膨脹和排氣過 程[31]。渦旋膨脹機工作原理如圖1所示。

圖1 渦旋膨脹機工作原理

1988年Yanagisawa等人[32]將汽車空調壓縮機改裝成渦旋膨脹機并進行了試驗，但等熵效率僅為60%。為了解決效率低的問題，Wang等人[33]采用R134a作為循環(huán)工質，分別對渦旋盤和軸承采用2種不同的密封和潤滑方法，在密封油壓為712 kPa時，等熵效率上升至77%。為了減少泄漏方面的影響，Zenelli等人[34]采用R134a作為工質，進行了封閉式渦旋膨脹機的實驗研究，輸出軸功3.5 kW，等熵效率為43%~65%。另外關于欠/過膨脹的影響，Bracco等人[35]將全封閉式渦旋壓縮機改造成渦旋膨脹機，采用Kane等人[36]的方法對膨脹機的潤滑和密封做了改進，結果表明，當膨脹機在膨脹不足時，等熵效率從75% 下降至60%，膨脹比從5.0上升至6.0，轉速相應的從4 500 r/min降至3 000 r/min。Lemort等人[37]建立了一個無油開式渦旋膨脹機模型，采用R123作為工質進行實驗，分析指出內部泄漏、吸氣壓力下降和機械損失是渦旋膨脹機的主要損失。

1.3 螺桿膨脹機

通常所稱的螺桿膨脹機是指雙螺桿膨脹機，做功由吸氣、膨脹、排氣3個過程組成。吸氣時工質進入雙螺桿齒槽A，熱能推動螺桿轉動到B，齒槽容積增加，工質流體壓力下降膨脹做功，最后從齒槽C排出，主軸兩螺桿可直接/同步驅動發(fā)電機發(fā)電。螺桿膨脹機工作原理[38]如圖2所示。

圖2 螺桿膨脹機工作原理

最早對螺桿膨脹機進行研究的是美國學者Nillson[39]，于1952年取得螺桿膨脹機的專利；1973年Sprankle[40]采用雙螺桿膨脹機，以濕蒸汽或熱水為介質用于地熱發(fā)電；1983年日本學者Tatushi等人[41]通過在螺桿機上打孔測量動態(tài)壓力，得到了實際螺桿膨脹機和理想膨脹機示功圖的對比，將螺桿機的理論研究引向實驗階段；而用于有機工質朗肯發(fā)電系統(tǒng)的螺桿膨脹機由Taniguchi[42]于1988年在日本提出。

近年來，針對螺桿膨脹機的研究集中在轉子型線、內泄漏、吸氣壓力損失、轉速等對于容積效率的影響。Smith等人[43]研制出了一種新型N型線用于螺桿膨脹機，并指出其優(yōu)于其他型線。劉廣斌等[44]基于一種圓弧、橢圓及相應包絡線的螺桿轉子型線，分析中心距、相對齒根深度、轉子齒數(shù)對轉子型線特征參數(shù)的影響，計算轉子的變形，為螺桿膨脹機的設計、分析提供理論基礎。Shen等人[45]建立了螺桿膨脹機的泄漏路徑和泄漏數(shù)學模型，通過擬合間隙高度和轉速，顯示體積效率和輸出功率均受到影響，同時容積效率也會隨著內部體積比的增大而減小。Tang等人[46]針對雙螺桿膨脹機建立了數(shù)學模型，并通過實驗驗證，結果表明膨脹機轉速、吸氣壓力對膨脹機的效率影響很大，當轉速從1 250 r/min上升至6 000 r/min時，等熵效率和容積效率分別下降40%和7.5%，吸氣壓力從0.33 MPa上升至0.47 MPa時，容積效率從0.91下降至0.85。Hu等人[47]也做了類似的實驗，驗證了上述結果。

除雙螺桿膨脹機外，新型的單螺桿膨脹機由于其結構簡單，運動部件少，可靠性高，且可利用最低溫度達80 ℃等優(yōu)點，引起了學者的關注[48-50]。單螺桿膨脹機（圖3）由1個螺桿和2個對稱配置的平面星輪組成嚙合副，安裝在膨脹機殼體內[50]。從結構上看，單螺桿膨脹機采用雙星輪的對稱布置，使得單螺桿膨脹機主軸的運行處于完全平衡的狀態(tài)，無軸向和徑向力，可靠性很高，同時由于其沒有雙螺桿的三角泄漏區(qū)，所以具有更高的容積效率。

圖3 單螺桿膨脹機工作原理

1.4 滑片膨脹機

滑片膨脹機的基本工作原理如圖4所示。轉子上開有4個凹槽，滑片安裝在凹槽內，當轉子偏心旋轉時，滑片在離心力的作用下甩出并與定子緊密接觸，形成4個空腔[51]。有機工質流體從入口通道進入形成的腔A，隨著轉子的連續(xù)旋轉，空間容積不斷變化，實現(xiàn)膨脹做功。

圖4 滑片膨脹機工作原理

滑片膨脹機具有結構簡單，轉子不受軸向和徑向力，對軸承和裝配精度要求低，可靠性高，成本低等優(yōu)勢，使其在余熱回收領域很有競爭力。但受制于結構和體積限制，目前實驗機型的功率范圍在1~10 kW。Qiu等人[16]認為滑片膨脹機具有高膨脹比、流量小、操作設計簡單等優(yōu)勢，所以適合于小型ORC領域。Vodicka等人[52]指出滑片膨脹機的嚴重內部泄漏使膨脹過程的壓力下降非常迅速，并產(chǎn)生過度膨脹現(xiàn)象，導致等熵效率降低，通過在滑片底部設置彈簧，改善了滑片與氣缸內壁之間的密封。Suankramdee等人[53]通過添加O型圈和軸封對滑片式空壓機進行了改造，解決了有機工質泄漏問題，同時通過增加工作流體流動面積，提高了滑片膨脹機的性能。Subiantoro等人[54]改進了常規(guī)滑片式膨脹機的設計，將滑片固定到氣缸上，氣缸作為旋轉部件，結果表明，效率提升至少10%。另外還有學者針對無油滑片膨脹機進行試驗，用于生物質發(fā)電領域，試驗表明性能同噴油潤滑的方式相當[55]。

除了對滑片膨脹機內部結構和型式改進的探討，學者們也進行了大量的實驗研究。Badr等人[56]利用滑片膨脹機可實現(xiàn)輸出功率1.8 kW，等熵效率為73%；Mohd等人[57]開發(fā)了一套滑片膨脹機ORC系統(tǒng)，結果表明輸出功率為30 W時，膨脹機效率為48%，系統(tǒng)熱效率為4%，遠低于理論計算的數(shù)值。Singh等人[58]發(fā)現(xiàn)密封性是導致理論和實際差異的一個主要因素，對模型進行修正后，實驗結果與理論值吻合良好。

1.5 活塞膨脹機

活塞膨脹機是一種通過氣體膨脹推動活塞向外界輸出功的設備，其原理近似于往復活塞壓縮機，目前被廣泛應用于內燃機的余熱回收[59]。

Glavatskaya等人[60]開發(fā)了穩(wěn)態(tài)半經(jīng)驗模型，模型中考慮了環(huán)境、機械損失以及內部泄漏等因素，得出的預測值與實測數(shù)據(jù)之間的最大偏差為4.7%。他指出隨著轉速增大，等熵效率隨之增大，等熵效率約為55%~70%，同時壓力損失增大導致容積效率下降；隨著壓比的增大，等熵效率降低，這是由于工質欠膨脹造成了功率損失。Clemente等人[61]針對活塞式膨脹機和渦旋膨脹機的數(shù)學模型進行對比發(fā)現(xiàn)，在大膨脹比時，活塞式膨脹機的性能更為優(yōu)越。Tenissara等人[62]采用壓縮空氣為工質，研究了低壓下活塞式膨脹機的性能，結果表明該機型也可用于低壓工質，平均等熵效率在57%左右。

國內天津大學研發(fā)了針對R245fa的滾動活塞膨脹機[63]，與往復活塞膨脹機結構有所不同，通過滾動活塞的周期性轉動，完成吸氣、膨脹和排氣過程。滾動活塞膨脹機工作原理如圖5所示。

圖5 滾動活塞膨脹機工作原理

活塞膨脹機由于存在進、排氣閥節(jié)流阻力、欠膨脹、摩擦損失、外部與內部熱交換等引起的冷量損失，所以目前研究顯示的膨脹效率都比較低。馬一太等[64]通過雙缸滾動活塞解決了進排氣閥帶來的摩擦損失、節(jié)流損失等，但轉動部件、摩擦損失、泄漏損失等問題仍有待進一步研究。

2 膨脹機選擇

近些年應用于ORC的膨脹機技術眾多，根據(jù)Imran等人[65]對2000—2016年該技術的文獻統(tǒng)計（圖6）顯示,學者們研究的重心集中在透平膨脹機、渦旋膨脹機和螺桿膨脹機。究其原因，一方面是這3種機型都相對成熟，在此基礎上進行有機工質應用的改造和研究較為方便，費用相對便宜；另一方面這與市場應用的需求也很符合，目前市面上商業(yè)化的設備傾向于50 kW以上的機組，對于小型ORC設備（＜50 kW）進行商業(yè)化的公司并不是很多。

圖6 2000—2016年ORC系統(tǒng)膨脹機選擇情況

對于一個合適的膨脹機型的選擇，不能僅考慮膨脹機的等熵效率，還需要綜合考慮膨脹機的功率范圍、膨脹比、復雜程度、組成部件、經(jīng)濟性等多方面的因素?；谏鲜鲅芯课墨I，對用于ORC系統(tǒng)的不同種類膨脹機的優(yōu)缺點進行了對比，結果見表1。從表1可以看出：透平膨脹機往往用于較大流量、大功率的ORC機組，其制造工藝成熟，結構簡單，壽命長，故障率低，但是轉速較高，因此需要齒輪箱減速后與發(fā)電機或動力機械相連，勢必造成機械損失和成本的增加；容積式膨脹機轉速較低，較適合于小流量、小功率的ORC機組，當要實現(xiàn)大功率輸出時需要通過并聯(lián)的形式，否則體積將十分笨重。另外，容積式膨脹機往往需要潤滑系統(tǒng)，給齒輪或渦旋盤、轉子等接觸部件潤滑，增加了系統(tǒng)的復雜性，同時泄漏損失也是影響其性能的主要因素。

表1 各種膨脹機優(yōu)缺點對比

Tab.1 Summary of advantages and disadvantages of different expanders

在中小型ORC的余熱利用（200 kW以下）中，容積式膨脹機具有明顯的優(yōu)勢[10]。首先余熱資源往往波動較大，負荷不穩(wěn)定，容積式膨脹機受工況變化的影響較??；其次余熱利用中往往用到的容量不大，屬于容積式膨脹機能夠覆蓋到的功率范圍；另外容積式膨脹機成本較低，投資回收期較短，雖然效率比透平膨脹機略低，但整體性價比較高。但是目前除了螺桿膨脹機外，其他幾種容積式膨脹機都處于實驗研究階段，尚未進行商業(yè)應用。

另外，在設計方面如何進行膨脹機的選擇，學者們也提出了自己的看法，其中Kenneth和Nichols等人[66]列出了按照比轉速s和比直徑s進行選擇的方法，其中參數(shù)s和s是關于體積流量3和等熵膨脹焓降ad的函數(shù)，每一種類型的膨脹機在一定的s和s區(qū)間內都存在最優(yōu)性能。例如，活塞膨脹機在比轉速0.01~0.10范圍內性能較好，而徑流式透平在比轉速30~300范圍內性能較好。

3 膨脹機應用現(xiàn)狀

3.1 膨脹機類型

在歐美等發(fā)達國家對于ORC低溫余熱回收的研究和應用都開始較早，最早的應用在地熱和生物質領域，膨脹機的形式采用透平膨脹機為主。因為中低溫地熱水溫度基本在150~300 ℃，儲量大，比熱容高，非常適合采用軸流式透平；而生物質能由于熱值較低，雖然溫度較高，但是單臺電站裝機容量并不大，在1 MW左右，所以徑流式和軸流式透平均可采用。以色列的ORMAT公司和意大利的Turboden公司是ORC低溫余熱發(fā)電領域的國際領軍者，也是以生產(chǎn)軸流/徑流膨脹機為主。我國1977年在西藏羊八井地區(qū)的第一臺ORC地熱發(fā)電裝置就是依托ORMAT公司的技術，裝機容量1 MW，利用熱水溫度110 ℃，工質采用異丁烷，年發(fā)電量600萬kW·h[67]。

由于西方國家居住分散，集中供電代價較高，電價昂貴，加上歐盟關于利用可再生能源的強制性規(guī)定，小型ORC市場逐步興起。在工業(yè)余熱領域，太陽能和海洋能的微型分布式能源電站，多采用小型徑流式透平和容積式膨脹機。據(jù)報道，全球范圍內1~100 kW的ORC發(fā)電機組的市場容量為4.95 MW[5]，但該部分市場主要集中在國外。

在我國ORC的應用領域集中在工業(yè)余熱方面。目前主要的制造單位有陜西博爾能源科技有限公司（博爾Boer）、北京華航盛世能源技術有限公司（華航盛世）、浙江開山股份有限公司（浙江開山）、江西華電電力有限責任公司（江西華電）、上海奇耀動力技術有限公司（上海奇耀）、北京康吉森節(jié)能環(huán)保有限公司等。博爾Boer自行研發(fā)并成功投入商業(yè)使用的國內首套兆瓦級ORC低溫余熱發(fā)電機組在包頭鋼鐵（集團）有限責任公司投入使用并運行良好；華航盛世制造的2 MW徑流式透平ORC機組成功打破了歐美技術壟斷，創(chuàng)造目前國內最大的ORC應用業(yè)績。容積式膨脹機的應用方面，我國目前已經(jīng)具備了螺桿膨脹機產(chǎn)品的批量生產(chǎn)能力。浙江開山國外地熱發(fā)電業(yè)務業(yè)績較多，并積極在國內推廣，在核心部件的研發(fā)上，如轉子和型線設計上，已經(jīng)具備了自己獨特的研發(fā)設計能力。各個生產(chǎn)廠家的膨脹機類型、功率輸出范圍等數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 各生產(chǎn)廠家膨脹機類型及適用溫度

Tab.2 The types and applicable temperatures of the expander provided by different manufacturers

針對我國工業(yè)領域余熱量大，在某些煉油、化工企業(yè)，高溫冷凝液（100 ℃以上）的流量達到上千噸是十分常見的，此時選用大容量的透平膨脹機較為適合。但是目前在國內應用較多的是容積式螺桿膨脹機，這一方面是因為螺桿膨脹機的研發(fā)可以依托國內的螺桿壓縮機平臺，另一方面是由于其成本較透平膨脹機低。所以在犧牲部分效率的情況下，螺桿膨脹機得到了很大的發(fā)展。但是容積式膨脹機當功率增大到一定數(shù)值，泄漏損失增加，性能下降，尺寸呈指數(shù)增加[68]，所以在商業(yè)應用中往往采用多機并聯(lián)的方式用于大流量大功率的場合。

3.2 膨脹機工程應用

國外的ORC應用十分成熟，有大量應用實例，并集中在生物質能、地熱和工業(yè)余熱方面，膨脹機的選擇上，透平膨脹機是技術主流；在國內的ORC應用主要集中在鋼鐵行業(yè)、化工煉油等工業(yè)余熱方面，螺桿膨脹機是主要應用方式。表3為ORC機組工程應用案例。

表3 ORC機組工程應用案例

Tab.3 Engineering case analysis for ORC units

4 結論與展望

1）膨脹機作為ORC系統(tǒng)中的核心部件，對系統(tǒng)的效率和總體成本都有重要的影響。綜合考慮其性能效率，透平膨脹機適用于>50 kW的余熱利用系統(tǒng)，商業(yè)應用十分廣泛；容積式膨脹機在<200 kW的ORC系統(tǒng)中有明顯優(yōu)勢，商業(yè)應用中螺桿膨脹機往往＜500 kW，其他機型目前實驗研究較多，應用較少。

2）膨脹機的選擇不僅需要考慮其效率高低，還需要考慮其適用范圍、經(jīng)濟性、復雜程度和后期維修成本等因素。

3）在小型低溫余熱領域，新型膨脹機技術正在興起，但其實際應用仍需相關政策的推動和支持。

［1］ Siemens Power Generation Division. Waste heat recovery with organic Rankine cycle technology[R/OL]. 2014. http: //www.energy.siemens.com/mx/pool/hq/power-eneration/ steam-turbines/downloads/brochure-orc-organic-rankine-cycle-technology_EN. pdf.

［2］ IMRAN M, USMAN M, PARK B S, et al. Comparative assessment of organic Rankine cycle integration for low temperature geothermal heat source applications[J]. Energy, 2016, 102: 473-490.

［3］ VéLEZ F, SEGOVIA J J, MARTíN M C, et al. A technical,economical and market review of organic Rankine cycles for the conversion of low-grade heat for power generation[J]. Renew Sustain Energy Review, 2012, 16: 4175-4189.

［4］ TCHANCHE B F, LAMBRINOS G, FRANGOUDAKIS A, et al. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles: a review of various applications[J]. Renew Sustain Energy Review, 2011, 15: 3963-3979.

［5］ ZHANG S J, WANG H X, GAO T, et al. Performance comparison and parametric optimization of subcritical organic Rankine cycle (ORC) and transcritical power cycle system for low-temperature geothermal power generation[J]. Applied Energy, 2011, 88(8): 2740-2754.

［6］ 劉廣彬, 趙遠揚, 李連生, 等. 小型低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)性能分析[J]. 工程熱物理學報, 2011, 32(2): 186-188. LIU Guangbin, ZHAO Yuanyang, LI Liansheng, et al. Performances analysis of small low-temperature waste heat power generation system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(2): 186-188.

［7］ 郭叢, 杜小澤, 楊立軍, 等. 地熱能有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)性能分析[J]. 熱力發(fā)電, 2014, 43(6): 11-16. GUO Cong, DU Xiaoze, YANG Lijun, et al. Performance analysis of organic Rankine cycle of power recovery from geothermal energy[J]. Thermal Power Generation, 2014, 43(6): 11-16.

［8］ 應振根, 楊小軍, 湯炎. 生物質有機朗肯發(fā)電系統(tǒng)熱力性能分析[J]. 能源工程, 2017(6): 32-38. YING Zhengen, YANG Xiaojun, TANG Yan. Analysis of the thermal performance of biomass power generation system with organic Rankine cycle[J]. Energy Engineering, 2017(6): 32-38.

［9］ SUN F, IKEGAMI Y, JIA B, et al. Optimization design and exergy analysis of organic Rankine cycle in ocean thermal energy conversion[J]. Applied Ocean Research, 2012, 35: 38-46.

［10］ BAO J , ZHAO L . A review of working fluid and expander selections for organic Rankine cycle[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 24: 325-342.

［11］ 謝攀, 隆瑞, 劉政, 等. 低溫工業(yè)余熱利用ORC工質選擇[J]. 工程熱物理學報, 2016, 37(9): 1834-1838. XIE Pan, LONG Rui, LIU Zheng, et al. Working fluid selection of organic Rankine cycle for low-temperature industrial waste heat utilization[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2016, 37(9): 1834-1838.

［12］KANG S H. Design and experimental study of ORC (organic Rankine cycle) and radial turbine using R245fa working fluid[J]. Energy, 2012, 41(1): 514-524.

［13］ROBERTO S, MICHELE T, COSTANTE M I, et al. Comparison of working fluids and cycle optimization for heat recovery ORCs from large internal combustion engines[J]. Energy, 2018, 158: 396-416.

［14］MOHSEN S, ARASH N, ALIREZA G, et al. Thermodynamic analysis and multi-objective optimization of various ORC (organic Rankine cycle) configurations using zeotropic mixtures[J]. Energy, 2016, 109: 791-802.

［15］馬新靈, 孟祥睿, 魏新利, 等. 有機朗肯循環(huán)低品位熱能發(fā)電系統(tǒng)向心透平的設計與性能研究[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(14): 2289-2295. MA Xinling, MENG Xiangrui, WEI Xinli, et al. Design and performance study of radial inflow turbine used on organic Rankine cycle waste heat power generation system[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(14): 2289-2295.

［16］QIU G, LIU H, RIFFAT S. Expanders for micro-CHP systems with organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(16): 3301-3307.

［17］鄧立升, 黃宏宇, 何兆紅, 等. 有機朗肯循環(huán)的研究進展[J]. 新能源進展, 2014, 2(3): 180-189. DENG Lisheng, HUANG Hongyu, HE Zhaohong, et al. Research progress on organic Rankine cycle[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2014, 2(3): 180-189.

［18］ROWSHANZADEH R. Performance and cost evaluation of organic Rankine cycle at different technologies[J]. Applied Thermodynamics & Refrigeration, 2010, 56: 23.

［19］SONG P P, WEI M S, SHI L, et al. A review of scroll expanders for organic Rankine cycle systems[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 75: 54-64.

［20］ PEI G, LI J, LI Y, et al. Construction and dynamic test of a small-scale organic Rankine cycle[J]. Energy, 2011, 36(5): 3215-3223.

［21］ MONDEJAR M E, ANDREASEN J G, PIEROBON L, et al. A review of the use of organic Rankine cycle power system for maritime applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 91: 126-151.

［22］ COLONNA P, CASATI E, TRAPP C, et al. Organic Rankine cycle power systems: from the concept to current technology, applications, and an outlook to the future[J]. Journal of Engineering for Gas Turbine & Power, 2015, 137(10): 1-19.

［23］ FIASCHI D, MANFRIDA G, MARASCHIELLO F. Thermo-fluid dynamics preliminary design of turbo-expanders for ORC cycles[J]. Energy, 2012, 97: 601-608.

［24］ 鄧蘭, 左咪, 閆起源, 等. 低溫地熱源有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)匹配向心透平數(shù)值分析及優(yōu)化[J]. 機械科學與技術, 2018, 37(10): 1537-1543. DENG Lan, ZUO Mi, YAN Qiyuan, et al. Numerical analysis and optimization of radial inflow turbine for organic Rankine cycle system of low-temperature geothermal power[J]. Mechanical Science and Technology, 2018, 10: 1537-1543.

［25］ 王智, 尹立冰. 向心透平設計與出口相對氣流角對透平效率的影響[J]. 電力科學與工程, 2016(7): 44-49. WANG Zhi, YIN Libing. Design of the radial inflow turbine and effect of relative flow angle of outlet on turbine efficiency[J]. Power Science and Engineering, 2016(7): 44-49.

［26］張振康, 曾凡云, 王志奇, 等. 有機工質向心透平變工況特性的數(shù)值模擬與極差分析[J/OL]. 過程工程學報, http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4541.TQ.20181019.1720.007.html. ZHANG Zhenkang, ZENG Fanyun, WANG Zhiqi, et al. Numerical simulation and range analysis of off-design performance for a radial-inflow turbine[J/OL]. The Chinese Journal of Process Engineering, http://kns.cnki.net/ kcms/ detail/11.4541.TQ.20181019.1720.007.html.

［27］ PAN L, WANG H. Improved analysis of organic Rankine cycle based on radial flow turbine[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 61(2): 606-615.

［28］ YAMAMOTO T, FURUHATA T, ARAI N. Design and testing of the organic Rankine cycle[J]. Energy, 2001, 26(3): 239-251.

［29］ PEI G, LI J, LI Y, et al. Construction and dynamic test of a small-scale organic Rankine cycle[J]. Energy, 2011, 36(5): 3215-3223.

［30］ NITHESH K G, CHATTERJEE D, OH C, et al. Design and performance analysis of radial-inflow turboexpander for OTEC application[J]. Renewable Energy, 2016, 85: 834-843.

［31］ 劉井龍, 熊聯(lián)友, 侯予, 等. 一種新型膨脹機—渦旋式膨脹機[J]. 深冷技術, 2000(4): 13-15. LIU Jinglong, XIONG Lianyou, HOU Yu, et al. A new type of expander: scroll expander[J]. Cryogenic Technology, 2000(4): 13-15.

［32］ YANAGISAWA T, SHIMIZU T, FUKUTA M, et al. Study on fundamental performance of scroll expander[J]. Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineers. B, 1988, 54(506): 2798-2803.

［33］ WANG H, PETERSON R B, HERRON T. Experimental performance of a compliant scroll expander for an organic Rankine cycle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power & Energy, 2009, 223(7): 863-872.

［34］ ZANELLI R, FAVRAT D. Experimental investigation of a hermetic scroll expander-generator[C]. International Compressor Engineering Conference, Purdue, USA: 1994: 459-464.

［35］ BRACCO R, CLEMENTE S, MICHELI D, et al. Experimental tests and modelization of a domestic-scale ORC (organic Rankine cycle)[J]. Energy, 2013, 58: 107-116.

［36］ KANE M, LARRAIN D, FAVRAT D, et al. Small hybrid solar power system[J]. Energy, 2003, 28(14): 1427-1443.

［37］ LEMORT V, QUOILIN S, CUEVAS C, et al. Testing and modeling a scroll expander integrated into an organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(14): 3094-3012.

［38］ 徐繼業(yè). 蒸汽動力螺桿膨脹機在能量回收中的應用[J]. 當代化工研究, 2016(8): 118-119. XU Jiye. Application of steam power screw expander in energy recycle[J]. Chemical Intermediate, 2016(8): 118-119.

［39］ NILLSON H R. Machine of the screw compressor: US2620968[P]. 1952-12-09.

［40］ SPRANKLE R S. Electrical power generating systems: US3751673[P]. 1973-08-07.

［41］ KANEKO T, HIRAYAMA N. Study on fundamental performance of helical screw expander[J]. JSME International Journal Series B: Fluids and Thermal Engineering, 1985, 28(243): 1970-1977.

［42］ TANIGUCHI H, KUDO K, PARK I, et al. Analytical and experimental investigation of two-phase flow screw expanders for power generation[J]. Journal of Engineering for Gas Turbine & Power, 1988, 110: 4.

［43］ SMITH I K, STOSIC N, KOVACEVIC A. Chapter 3: Geometry and manufacture of screw expander rotors[M]//Power Recovery from Low Grade Heat by Means of Screw Expanders. Chandos Publishing, 2014: 59-91.

［44］ 劉廣彬, 趙遠揚, 楊啟超, 等. 螺桿膨脹機轉子型線特性研究[J]. 制冷與空調, 2014, 14(6): 25-27. LIU Guangbin, ZHAO Yuanyang, YANG Qichao, et al. Study on characteristics of screw expander’s rotor profile[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2014, 14(6): 25-27.

［45］ SHEN L L, WANG W, WU Y T, et al. Theoretical and experimental analyses of the internal leakage in single-screw expanders[J]. International Journal of Refrigeration, 2018(86): 273-281.

［46］ TANG H, WU H, WANG X, et al. Performance study of a twin-screw expander used in a geothermal organic Rankine cycle power generator[J]. Energy, 2015, 90: 631-642.

［47］ HU F F, ZHANG Z, CHEN W, et al. Experimental investigation on the performance of a twin-screw expander used in an ORC system[J]. Energy Procedia, 2017, 110: 210-215.

［48］ ZIVIANI D, GROLL E A, BRAUN J E, et al. Review and update on the geometry modeling of single-screw machines with emphasis on expanders[J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 92: 10-16.

［49］ SHEN L L, WANG W, WU Y T, et al. A study of clearance height on the performance of single-screw expanders in small-scale organic Rankine cycles[J]. Energy, 2018, 153: 45-55

［50］ 吳玉庭, 王偉, 夏國棟, 等. 基于單螺桿膨脹機的分布式太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)[J]. 可再生能源, 2015, 37(8): 33-37.WU Yuting, WANG Wei, XIA Guodong, et al. Distributed solar CHP system based on single screw expander[J]. Renewable Energy, 2015, 37(8): 33-37.

［51］ 孔祥志, 楊會林, 孫銅生. 滑片式壓縮機功率計算模型的研究[J]. 流體機械, 2005, 33(1): 25-28. KONG Xiangzhi, YANG Huilin, SUN Tongsheng. Study on the calculating model of power of vane compressor[J]. Fluid Machinery, 2005, 33(1): 25-28.

［52］ MASCUCH J, NOVOTNY V, VODICKA V, et al. Towards development of 1~10 kW pilot ORC units operating with hexamethyldisiloxane and using rotary vane expander[J]. Energy Procedia, 2017, 129: 826-833.

［53］ SUANKRAMDEE W, THONGTIP T, APHORNRATANAS. Development of a sliding vane expander in micro-scale ORC system for utilizing low-grade heat[J]. Energy Procedia, 2017, 138: 817-822.

［54］ SUBIANTORO A, OOI K T. Comparison and performance analysis of the novel revolving vane expander design variants in low and medium pressure applications[J]. Energy, 2014, 78: 747-757.

［55］ LIU H, QIU G, DAMINABO F, et al. Preliminary experimental investigations of a biomass-fired micro-scale CHP with organic Rankine cycle[J]. International Journal of Low Carbon Technologies, 2010, 5: 81-87.

［56］ BADR O, NAIK S, O’CALLAGHAN P W. Expansion machines for a low power-output steam Rankine-cycle engine[J]. Applied Energy, 1991, 39: 93-116.

［57］ MOHD M, TAHIR N Y, HOSHINO T. Efficiency of compact organic Rankine cycle system with rotary vane type expander for low temperature waste heat recovery[J]. International Journal of Environmental Science and Engineering, 2010, 2(1): 11-16.

［58］ SINGH B R, SINGH O. Study of the influence of vane angle on shaft output of a multivane air turbine. II. Different rotor to casing diameter ratios with optimal injection angle[J]. Journal of Renewable & Sustainable Energy, 2011, 3(3): 7-25.

［59］ WANG T, ZHANG Y, PENG Z, et al. A review of researches on thermal exhaust heat recovery with Rankine cycle[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(6): 2862-2871.

［60］ GLAVATSKAYA Y, PODEVIN P, LEMORT V, et al. Reciprocating expander for an exhaust heat recovery Rankine cycle for a passenger car application[J]. Energy, 2012, 5(6): 1751-1765.

［61］ CLEMENTE S, MICHELI D, REINI M, et al. Energy efficiency analysis of organic Rankine cycles with scroll expanders for cogenerative applications[J]. Applied Energy, 2012, 97(9): 792-801.

［62］ TENISSARA N, THEPA S, MONYAKUL M. Simulation, construction and evaluation of cheap piston expander for low-pressure power generation by compressed air as working ?uid[J]. Energy, 2018, 142: 655-665.

［63］ WANG X D, ZHAO L, WANG J L, et al. Performance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fa[J]. Solar Energy, 2010, 84: 353-364.

［64］ 馬一太, 張美蘭, 田華, 等. CO2雙缸滾動活塞膨脹機Fluent模擬與分析[J]. 天津大學學報, 2011, 44(12): 1093-1099. MA Yitai, ZHANG Meilan, TIAN Hua, et al. Fluent simulation and analysis of CO2two-cylinder rolling piston expander[J]. Journal of Tianjin University, 2012, 44(12): 1093-1099.

［65］ IMRAN M, HAGLIND F, ASIM M, et al. Recent research trends in organic Rankine cycle technology: a bibliometric approach[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 81: 552-562.

［66］ KENNETH E, NICHOLS P E. How to select turbomachinery for your application[M]. Barber-Nichols Inc, Arvada, CO, USA, 2012: 5-6.

［67］ 劉廣林, 呂鵬飛. 簡述地熱發(fā)電利用形式[J]. 科技創(chuàng)新導報, 2013(28): 68. LIU Guanglin, LYU Pengfei. A summary of utilization for geothermal power generation[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2013(28): 68.

［68］ TOCCI L, PAL T, PESMAZOGLOU I, et al. Small scale organic Rankine cycle (ORC): a techno-economic review[J]. Energies, 2017, 10(4): 1-26.

Research progress and application status of organic Rankine cycle expanders

YAN Jingwen, YANG Kefeng, HOU Jia, LI Ganghui, GUO Hongbin

(Research and Development Department, Beijing Consen Energy Conservation Co., Ltd., Beijing 101318, China)

The continual increase in energy demand and environmental problems calls for more and more utilization of sustainable energy. Since the organic Rankine cycle (ORC) is capable of converting low grade thermal energy into electricity, improving energy utilization efficiency and reducing CO2 emissions, it is gradually becoming a hot spot of concern. Expander is the core component of the organic Rankine cycle which directly affects the power generation efficiency, reliability and economy of the system. This paper summarizes various types of expander for low-grade energy utilization ORC system, and reviews their working principle, technical characteristics, research progress and application status. The results show that, comprehensively considering its performance and efficiency, the turbine expander is suitable for the waste heat utilization system with scale of >50 kW, the volumetric expander has obvious advantages in the ORC system with scale of <200 kW, and the screw expander is suitable for the ORC system with scale of <500 kW. For other types of expander, there are more experimental studies and fewer applications at present. During the selection of the expanders, not only the efficiency, but also the application, economy, complexity and post-maintenance cost need to be considered.

organic Rankine cycle, expander, turbine expander, volumetric expander, waste heat utilization, low grade energy

TK11

A

10.19666/j.rlfd.201812210

閆靜文, 楊柯峰, 侯佳, 等. 有機朗肯循環(huán)膨脹機的研究進展和應用現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(7): 10-18. YAN Jingwen, YANG Kefeng, HOU Jia, et al. Research progress and application status of organic Rankine cycle expanders[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 10-18.

2018-12-02

閆靜文(1987—)，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為低溫余熱回收利用技術，yesjessie@163.com。

（責任編輯 馬昕紅）