有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)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(yè)余熱等低溫余熱資源。以工業(yè)余熱為例，我國工業(yè)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(huán)境問題。在低溫余熱的研究中，學者發(fā)現(xiàn)，余熱發(fā)電不僅可以實現(xiàn)余熱資源的循環(huán)利用，而且有利于環(huán)境保護。現(xiàn)有的回收技術(shù)對低溫余熱資源回收率較低。因此，提出了有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電（ORC）技術(shù)，以實現(xiàn)低溫余熱的有效利用，并提高能源利用率，改善環(huán)境問題，具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。介紹了有機朗肯循環(huán)發(fā)電的原理，有機工質(zhì)、膨脹機、工質(zhì)泵和換熱器的優(yōu)選，以及ORC余熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：有機朗肯循環(huán);低溫余熱回收;利用率;膨脹機的優(yōu)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(yè)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(yè)。目前，我國余熱資源回收利用率較低，大型鋼鐵企業(yè)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(huán)發(fā)電系統(tǒng)簡介

有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（Organic Rankine Cycle，簡稱ORC）主要由換熱器、膨脹機、發(fā)電機和工質(zhì)泵四部分組成。有機工質(zhì)從蒸發(fā)器的余熱中吸收熱量，產(chǎn)生具有一定壓力和溫度的蒸氣。推動膨脹機運轉(zhuǎn)，推動發(fā)電機發(fā)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(tài)，最后在工質(zhì)泵的幫助下返回換熱器，完成一個熱力循環(huán)，從而實現(xiàn)對低溫余熱的回收利用。圖1所示為ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖。

1.1 低溫余熱資源簡介

低溫余熱資源是指企業(yè)在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的熱量沒有得到有效利用。它具有分散性強、形式多樣、產(chǎn)業(yè)分布不均、資源質(zhì)量差異大等特點。低溫余熱可通過有機朗肯循環(huán)轉(zhuǎn)化為機械能、電能加以利用，對降低企業(yè)能耗、減少不可再生能源消耗、環(huán)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(yè)余熱，以及地熱、生物質(zhì)能、太陽能等可再生低溫能源，節(jié)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(huán)境和生態(tài)問題。

1.2 ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)研究利用現(xiàn)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(tǒng)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(zhì)的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)?？偨Y(jié)了國外一部分ORC系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)商及相應的技術(shù)參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)比較適合用于300℃以下的余熱熱源。

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

太陽能有著資源豐富，對環(huán)境無任何污染的優(yōu)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(tǒng)結(jié)合起來發(fā)電是具有可行性的。最具代表的是美國的SEGS，總發(fā)電量達到354MW，單系統(tǒng)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(tǒng)。

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

美國ORMAT公司是目前地熱ORC發(fā)電技術(shù)最為先進的公司，該公司大多數(shù)項目平均發(fā)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(zhì)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(shè)備，于1993年11月正式投入生產(chǎn)，后因結(jié)垢問題嚴重未能正常運行，最終關(guān)停。

2 有機工質(zhì)的選擇

在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，有機工質(zhì)的研究和選擇是最重要的內(nèi)容之一，因為有機工質(zhì)的物理性質(zhì)對熱源的回收效率起著決定性的作用，并對系統(tǒng)組件的設(shè)計難度有重要影響。例如，工質(zhì)的冷凝壓力高，會導致密封系統(tǒng)設(shè)計難度高。由于ORC系統(tǒng)回收的是低溫余熱，為了使工作介質(zhì)在較低溫度下汽化，應采用沸點較低的有機工作介質(zhì)。同時，低沸點有機工作介質(zhì)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(huán)效率，較高的安全性和環(huán)境友好性。

在這一方面的研究就有：王懷信等人設(shè)計了以低溫地熱為熱源的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并對不同工質(zhì)展開了研究，最后推薦采用E-170，R-600，R-141b作為該系統(tǒng)工質(zhì)。王輝濤等人運用熱動力循環(huán)的分析方法，分析了10種干流體有機工質(zhì)，最后推薦R-227ea為中低溫地熱發(fā)電ORC系統(tǒng)的有機工質(zhì)。不同的有機工質(zhì)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(zhì)也各有不同。國內(nèi)研究根據(jù)各自情況采用較多的有機工質(zhì)是R-245fa、R-123和R-134a。

3 設(shè)備選型

3.1 工質(zhì)泵的選擇

工質(zhì)泵是ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的基本組成部分，是將冷凝器的低溫低壓液體有機工質(zhì)經(jīng)絕熱增壓后，高壓輸送到蒸發(fā)器入口的裝置。作為一種成熟的產(chǎn)品，市場上有多種工質(zhì)泵。研究發(fā)現(xiàn)，以下泵適用于ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)：液壓隔膜泵，具有壓力高、適用于危險化學介質(zhì)、維護簡單等特點;立式離心泵采用變頻調(diào)速、機械密封;多級離心泵可實現(xiàn)更高的揚程和設(shè)定壓力;多級離心泵是在離心泵級內(nèi)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(fā)電系統(tǒng)中的核心設(shè)備，它是將蒸發(fā)器出口的高溫高壓的有機飽和蒸氣的熱能轉(zhuǎn)化為機械能從而對外做功的設(shè)備。膨脹機按工作性質(zhì)和結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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?，F(xiàn)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(yè)應用，適合行業(yè)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(fā)電機的選擇

一般ORC發(fā)電系統(tǒng)選擇使用異步電機，考慮因素是系統(tǒng)控制問題，異步電機對轉(zhuǎn)速控制要求不高，在熱源不穩(wěn)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(fā)電機組的裝機容量和對電網(wǎng)的沖擊較小，并網(wǎng)更方便，功率較大，運用范圍更廣。

3.4 換熱器的選擇

蒸發(fā)器和冷凝器統(tǒng)稱為換熱器，其作用和工作原理一樣。在ORC發(fā)電系統(tǒng)中換熱器類型的選用對機組效率與經(jīng)濟技術(shù)性影響較大?，F(xiàn)目前運用于ORC發(fā)電系統(tǒng)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(guī)的管殼式換熱器相比，傳熱系數(shù)較高，在一定的范圍內(nèi)有取代管殼式換熱器的趨勢。

4 結(jié)論

本文介紹了有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的基本原理，分析了ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀，展開了對該系統(tǒng)設(shè)備選型，有機工質(zhì)選擇等方面的研究，現(xiàn)得出以下結(jié)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(fā)電技術(shù)市場潛力大。

（2）目前國內(nèi)ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展空間很大，仍有多項關(guān)鍵技術(shù)需要解決。

（3）不同的余熱源所適應的條件也不同，要根據(jù)余熱條件和需求，具體分析，綜合利用，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計對于ORC發(fā)電系統(tǒng)意義重大。

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

（5）應多展開實驗方面的研究，在成熟可靠的基礎(chǔ)上加快ORC發(fā)電技術(shù)的實際運用，早日并入電網(wǎng)，實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化運行，緩解我國傳統(tǒng)能源發(fā)電的壓力。

參考文獻

[1]王大彪，段捷，胡哺松，等.有機朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].節(jié)能技術(shù)，2015，33（03）：235-242.

[2]CUO Tao，WANG Huaixin， ZHANG Shengjun. Fluids andparametersoptimization for a novel cogeneration system driven by low-temperature geothermal sources[J].Energ，2011，36（5）：2639-2649.

[3]王輝濤，王華，葛眾.中低溫地熱發(fā)電有機朗肯循環(huán)工質(zhì)的選擇[J].昆明理工大學學報：自然科學版，2012，37（1）：41-46.