ORC 與 SRC 余熱發(fā)電系統(tǒng)的選型原則

陶軍普

1 前言

余熱發(fā)電即利用工業(yè)生產(chǎn)中廢棄的熱量進(jìn)行發(fā)電，通常是將工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的高溫廢氣、廢液等的熱量通過(guò)一系列裝置轉(zhuǎn)化為電能。在水泥廠、玻璃廠、炭素廠、焦化廠、鋼鐵廠、工業(yè)硅廠、燃?xì)廨啓C(jī)廠等工廠中，往往集中或分散地存在著一些廢熱，有高達(dá)1 200℃的廢煙氣，也有僅100℃的廢水，而余熱發(fā)電的過(guò)程即是將這些廢棄的熱量轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。

隨著節(jié)能技術(shù)的不斷進(jìn)步及環(huán)保要求的不斷提高，配套余熱發(fā)電系統(tǒng)已成為水泥工廠建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)配置，但截至目前，水泥工廠里的余熱發(fā)電仍主要集中在對(duì)燒成窯頭和預(yù)熱器排出的高溫廢氣的回收利用。另外，受余熱條件、水資源狀況、氣象條件、設(shè)備成本等條件限制，國(guó)內(nèi)水泥廠余熱發(fā)電項(xiàng)目的主流發(fā)電仍采用的是常規(guī)的蒸汽朗肯循環(huán)（Steam Rankine Cycle，以下簡(jiǎn)稱“SRC”）技術(shù)，而有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，以下簡(jiǎn)稱“ORC”）技術(shù)在水泥窯余熱發(fā)電中尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例。

ORC 技術(shù)是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)技術(shù)，是一種可以將低品位熱能高效轉(zhuǎn)化為電能的動(dòng)力循環(huán)技術(shù)。本文通過(guò)對(duì)比SRC和ORC兩種技術(shù)路線的特點(diǎn)，介紹兩種技術(shù)路線在水泥工廠余熱發(fā)電中的應(yīng)用情況。

2 國(guó)內(nèi)外ORC技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

1967 年，蘇聯(lián)在帕拉唐卡（Paratunka）建立了世界上第一座地?zé)嵊袡C(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)電站，裝機(jī)容量500kW。自上世紀(jì)70 年代起，美國(guó)陸續(xù)在加州和愛(ài)德華州等地建成了多個(gè)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)地?zé)犭娬?，裝機(jī)容量從10kW 至1 500kW，再至10MW，至80年代，裝機(jī)容量仍在不斷擴(kuò)大[1]。

進(jìn)入上世紀(jì)90 年代后，以意大利Turboden 公司及以色列奧馬特（ORMAT）公司為代表，開(kāi)始使用有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)，對(duì)中低溫余熱資源進(jìn)行回收利用并將其熱量轉(zhuǎn)化為電能，熱源溫度最低可至90℃，使用效果良好。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

上世紀(jì)70 年代初至80 年代中期，國(guó)內(nèi)各地陸續(xù)建成多臺(tái)地?zé)嵊袡C(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電試驗(yàn)機(jī)組，但由于地?zé)豳Y源（水溫偏低）的限制及技術(shù)的不完善，試驗(yàn)電站陸續(xù)停運(yùn)或拆除。直至1993年，才在西藏地區(qū)真正建成應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際的有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)地?zé)犭娬?，使用機(jī)組為以色列ORMAT 公司產(chǎn)品，裝機(jī)容量為1MW，井口溫度為110°C。

隨著對(duì)ORC 技術(shù)研究的不斷深入，本世紀(jì)初至今，以各大高校為主的研究單位針對(duì)不同有機(jī)工質(zhì)、膨脹形式及系統(tǒng)優(yōu)化等方面展開(kāi)了ORC 技術(shù)試驗(yàn)研究，但受資金及制造能力限制，研究進(jìn)展緩慢。目前，我國(guó)自主研發(fā)的有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在小型發(fā)電站（通常＜2MW）中的應(yīng)用日益增多，但仍未有較大型工業(yè)余熱回收工程的實(shí)際應(yīng)用。

截至目前，在水泥窯余熱發(fā)電項(xiàng)目中，尚無(wú)ORC技術(shù)應(yīng)用實(shí)例。

3 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)特點(diǎn)

3.1 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)組成

以水泥工廠余熱回收利用項(xiàng)目為例，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)主要由煙氣余熱回收系統(tǒng)、導(dǎo)熱油—有機(jī)工質(zhì)熱交換系統(tǒng)及有機(jī)工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)三部分組成。

其中，煙氣余熱回收系統(tǒng)主要由余熱鍋爐（或?qū)嵊蜖t）、煙風(fēng)系統(tǒng)、輸灰系統(tǒng)等組成，用于回收水泥工廠余熱并將工廠余熱轉(zhuǎn)化為中間傳熱介質(zhì)的熱量。中間傳熱介質(zhì)通常選用導(dǎo)熱油，有時(shí)也會(huì)采用水或有機(jī)工質(zhì)本身，具體視熱源情況而定。

導(dǎo)熱油—有機(jī)工質(zhì)熱交換系統(tǒng)由若干組管殼式熱交換器構(gòu)成，用于將中間傳熱介質(zhì)攜帶的熱量傳遞給有機(jī)工質(zhì)。有機(jī)工質(zhì)在換熱器內(nèi)吸收熱量，從低溫液態(tài)變?yōu)楦邷貧鈶B(tài)，同時(shí)導(dǎo)熱油在換熱器放熱后，經(jīng)導(dǎo)熱油循環(huán)泵為導(dǎo)熱油爐供油。

有機(jī)工質(zhì)發(fā)電系統(tǒng)由透平、發(fā)電機(jī)、再熱器、冷凝器及工質(zhì)泵等設(shè)備組成，在油—烷換熱器中吸熱后的高品質(zhì)有機(jī)工質(zhì)蒸氣，在透平中膨脹做功并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，做功后的乏蒸氣經(jīng)再熱器后進(jìn)入冷凝設(shè)備進(jìn)行冷卻，冷卻后的液態(tài)有機(jī)工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵及再熱器后，進(jìn)入油—烷換熱器。

綜上，ORC余熱發(fā)電循環(huán)系統(tǒng)共分為中間介質(zhì)（導(dǎo)熱油）循環(huán)及有機(jī)工質(zhì)循環(huán)兩大系統(tǒng)。典型的ORC余熱發(fā)電流程如圖1所示。

圖1 典型的ORC余熱發(fā)電流程圖

3.2 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理

有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）基本工作原理與蒸汽朗肯循環(huán)（SRC）相同，典型的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 典型的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理

3.3 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、工作介質(zhì)的熱物理性質(zhì)特點(diǎn)及ORC余熱發(fā)電技術(shù)的主要特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

4 ORC與SRC系統(tǒng)構(gòu)成及效率對(duì)比

現(xiàn)有的水泥窯余熱發(fā)電系統(tǒng)多以SRC 系統(tǒng)為主，SRC 系統(tǒng)以水為工作介質(zhì)，工質(zhì)單一、系統(tǒng)成熟、性能可靠，未來(lái)幾年內(nèi)仍會(huì)在工業(yè)余熱發(fā)電領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但隨著工廠超低排放及減員增效壓力的增大，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)逐漸受到水資源匱乏的中東地區(qū)和人力成本較高的歐美地區(qū)部分客戶的青睞。為了滿足不同客戶對(duì)余熱發(fā)電系統(tǒng)的需求，有必要對(duì)ORC和SRC系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，并根據(jù)具體項(xiàng)目特點(diǎn)，為客戶推薦最適宜項(xiàng)目的余熱發(fā)電解決方案。

基于國(guó)內(nèi)主流的汽輪機(jī)供應(yīng)商和國(guó)外主流的ORC透平供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，從系統(tǒng)構(gòu)成及系統(tǒng)效率等方面，對(duì)ORC 和SRC 系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比。ORC和SRC系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)比見(jiàn)表2，ORC與SRC基于余熱條件的系統(tǒng)效率對(duì)比見(jiàn)表3，基于氣象條件的系統(tǒng)效率對(duì)比見(jiàn)表4。

表2 SRC系統(tǒng)與ORC系統(tǒng)構(gòu)成對(duì)比

表3 ORC與SRC基于余熱條件的系統(tǒng)效率對(duì)比

表4 ORC與SRC基于氣象條件的系統(tǒng)效率對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比不同余熱條件、不同氣象條件下ORC與SRC余熱發(fā)電系統(tǒng)的性能，并結(jié)合兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)，確定兩種系統(tǒng)的選型原則如下：

（1）在充分利用余熱的條件下，煙風(fēng)溫度較高（＞450℃）時(shí)，SRC 的性能優(yōu)勢(shì)較明顯；煙風(fēng)溫度較低（＜200℃）時(shí)，ORC 的性能優(yōu)勢(shì)較明顯；在中溫段（200℃～450℃），ORC 和SRC 的性能基本持平，但ORC 自用電量相對(duì)較高，且隨著SRC 透平的低參數(shù)化，ORC的優(yōu)勢(shì)范圍不斷縮小。

（2）透平乏蒸汽的冷凝系統(tǒng)對(duì)SRC的性能影響較大，尤其在采用空冷系統(tǒng)時(shí)，SRC 系統(tǒng)的電站自用電量和投資成本均有所增加，而對(duì)ORC 的影響較小。

（3）對(duì)于水資源豐富的地區(qū)，SRC有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)穩(wěn)定，性能可靠。對(duì)于水資源極度匱乏的地區(qū)，ORC有相對(duì)優(yōu)勢(shì)，基本可以實(shí)現(xiàn)零耗水。

（4）對(duì)于環(huán)境溫度較低的地區(qū)（＜17℃），受工質(zhì)物理性能影響，ORC有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

基于以上對(duì)比，用戶在進(jìn)行余熱電站前期評(píng)估時(shí)，可根據(jù)水泥生產(chǎn)線的工藝特點(diǎn)、余熱資源情況、當(dāng)?shù)貧庀髼l件等初步確定技術(shù)路線，作為可行性研究報(bào)告的依據(jù)。