有機(jī)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(dāng)下我國(guó)能源形勢(shì)日趨嚴(yán)峻。我國(guó)有大量低溫余熱資源沒(méi)有得到有效利用，包括太陽(yáng)能、地?zé)崮堋⒐I(yè)余熱等低溫余熱資源。以工業(yè)余熱為例，我國(guó)工業(yè)能耗的50%左右沒(méi)有得到利用，而是通過(guò)各種形式的余熱直接排放。導(dǎo)致嚴(yán)重的能源和環(huán)境問(wèn)題。在低溫余熱的研究中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)，余熱發(fā)電不僅可以實(shí)現(xiàn)余熱資源的循環(huán)利用，而且有利于環(huán)境保護(hù)。現(xiàn)有的回收技術(shù)對(duì)低溫余熱資源回收率較低。因此，提出了有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電（ORC）技術(shù)，以實(shí)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(wèn)題，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。介紹了有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的原理，有機(jī)工質(zhì)、膨脹機(jī)、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(jī)朗肯循環(huán);低溫余熱回收;利用率;膨脹機(jī)的優(yōu)選

中圖分類(lèi)號(hào)：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.095

0 引言

我國(guó)低溫余熱資源豐富，其中工業(yè)余熱資源可回收率高達(dá)60%，尤其是在鋼鐵、化工、石油與石化等行業(yè)。目前，我國(guó)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(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)（Organic Rankine Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)ORC）主要由換熱器、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)和工質(zhì)泵四部分組成。有機(jī)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(dòng)膨脹機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。膨脹機(jī)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?fù)Q熱器，完成一個(gè)熱力循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jiǎn)介

低溫余熱資源是指企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量沒(méi)有得到有效利用。它具有分散性強(qiáng)、形式多樣、產(chǎn)業(yè)分布不均、資源質(zhì)量差異大等特點(diǎn)。低溫余熱可通過(guò)有機(jī)朗肯循環(huán)轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、電能加以利用，對(duì)降低企業(yè)能耗、減少不可再生能源消耗、環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

我國(guó)的低溫余熱資源總量巨大，余熱主要來(lái)源于鋼鐵、水泥、玻璃、等工業(yè)余熱，以及地?zé)帷⑸镔|(zhì)能、太陽(yáng)能等可再生低溫能源，節(jié)能潛力巨大。因此，加強(qiáng)低溫余熱資源的回收利用，不僅可以降低我國(guó)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(wèn)題。

1.2 ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)研究利用現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于低溫余熱的研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，其中對(duì)ORC系統(tǒng)進(jìn)行研究的更早，早在20世紀(jì)20年代初期，就有人開(kāi)始研究使用苯醚為工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。總結(jié)了國(guó)外一部分ORC系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)商及相應(yīng)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(yīng)巨大，美國(guó)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(yùn)用單級(jí)向心透平，有機(jī)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(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

太陽(yáng)能有著資源豐富，對(duì)環(huán)境無(wú)任何污染的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是太陽(yáng)能具有即時(shí)性，不易保存，且能流密度低，熱源溫度低，但將太陽(yáng)能和ORC系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)發(fā)電是具有可行性的。最具代表的是美國(guó)的SEGS，總發(fā)電量達(dá)到354MW，單系統(tǒng)的最大裝機(jī)容量為80MW，是目前世界上最大的太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)。

煙氣余熱ORC發(fā)電系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)有輥道爐熱空氣低溫余熱ORC發(fā)電項(xiàng)目，介質(zhì)是從輥道爐排放的熱空氣，為了對(duì)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(jī)組回收該部分余熱進(jìn)行發(fā)電，這也促進(jìn)了節(jié)能減排的進(jìn)一步發(fā)展。

美國(guó)ORMAT公司是目前地?zé)酧RC發(fā)電技術(shù)最為先進(jìn)的公司，該公司大多數(shù)項(xiàng)目平均發(fā)電量都在10MW以上。但地?zé)嵩慈秉c(diǎn)是存在鉆探困難、水中礦物雜質(zhì)難以分離等問(wèn)題，我國(guó)西藏那曲地?zé)犭娬静捎昧薕RMAT公司的設(shè)備，于1993年11月正式投入生產(chǎn)，后因結(jié)垢問(wèn)題嚴(yán)重未能正常運(yùn)行，最終關(guān)停。

2 有機(jī)工質(zhì)的選擇

在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，有機(jī)工質(zhì)的研究和選擇是最重要的內(nèi)容之一，因?yàn)橛袡C(jī)工質(zhì)的物理性質(zhì)對(duì)熱源的回收效率起著決定性的作用，并對(duì)系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)難度有重要影響。例如，工質(zhì)的冷凝壓力高，會(huì)導(dǎo)致密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)采用沸點(diǎn)較低的有機(jī)工作介質(zhì)。同時(shí)，低沸點(diǎn)有機(jī)工作介質(zhì)還應(yīng)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(jì)了以低溫地?zé)釣闊嵩吹臒犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)，并對(duì)不同工質(zhì)展開(kāi)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(yùn)用熱動(dòng)力循環(huán)的分析方法，分析了10種干流體有機(jī)工質(zhì)，最后推薦R-227ea為中低溫地?zé)岚l(fā)電ORC系統(tǒng)的有機(jī)工質(zhì)。不同的有機(jī)工質(zhì)適合于不同的應(yīng)用條件，因此不同文獻(xiàn)推薦使用的有機(jī)工質(zhì)也各有不同。國(guó)內(nèi)研究根據(jù)各自情況采用較多的有機(jī)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(jī)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(chǎng)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(xiǎn)化學(xué)介質(zhì)、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn);立式離心泵采用變頻調(diào)速、機(jī)械密封;多級(jí)離心泵可實(shí)現(xiàn)更高的揚(yáng)程和設(shè)定壓力;多級(jí)離心泵是在離心泵級(jí)內(nèi)安裝兩臺(tái)或兩臺(tái)以上具有相同功能的離心泵，相對(duì)于活塞泵等往復(fù)泵能輸送更多的流量。

3.2 膨脹機(jī)的選擇

膨脹機(jī)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(jī)飽和蒸氣的熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從而對(duì)外做功的設(shè)備。膨脹機(jī)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(jī)。速度式膨脹機(jī)適用于大流量場(chǎng)合，其輸出功率和轉(zhuǎn)速相應(yīng)較高。小流量，大膨脹比的場(chǎng)合采用容積型膨脹機(jī)較為合適。現(xiàn)目前研究較多的是螺桿膨脹機(jī)和徑流式透平膨脹機(jī)。螺桿膨脹機(jī)有較為成熟的工業(yè)應(yīng)用，適合行業(yè)較多，目前我國(guó)已成功研制出了10KW和40KW的單螺桿膨脹機(jī)的樣機(jī)。在國(guó)外代表廠家有GMK和Elctratherm等。最后是徑流式透平膨脹機(jī)，其等熵膨脹效率較高，可達(dá)85%;密封性良好，應(yīng)用范圍廣泛，有著流量大、裝機(jī)功率大等特點(diǎn)。不足之處是價(jià)格昂貴、投資回收期長(zhǎng)。

3.3 發(fā)電機(jī)的選擇

一般ORC發(fā)電系統(tǒng)選擇使用異步電機(jī)，考慮因素是系統(tǒng)控制問(wèn)題，異步電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速控制要求不高，在熱源不穩(wěn)定的情況下，電機(jī)對(duì)機(jī)組有較大工況的變化范圍適應(yīng)性較強(qiáng)。ORC發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量和對(duì)電網(wǎng)的沖擊較小，并網(wǎng)更方便，功率較大，運(yùn)用范圍更廣。

3.4 換熱器的選擇

蒸發(fā)器和冷凝器統(tǒng)稱(chēng)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(lèi)型的選用對(duì)機(jī)組效率與經(jīng)濟(jì)技術(shù)性影響較大。現(xiàn)目前運(yùn)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(duì)而言，管殼式換熱器較平板式換熱器運(yùn)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(shì)。

4 結(jié)論

本文介紹了有機(jī)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(kāi)了對(duì)該系統(tǒng)設(shè)備選型，有機(jī)工質(zhì)選擇等方面的研究，現(xiàn)得出以下結(jié)論：

（1）我國(guó)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(chǎng)潛力大。

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

（3）不同的余熱源所適應(yīng)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(jì)對(duì)于ORC發(fā)電系統(tǒng)意義重大。

（4）ORC余熱發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)低溫余熱的有效應(yīng)用，提高能源的利用效率，改善環(huán)境問(wèn)題，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

（5）應(yīng)多展開(kāi)實(shí)驗(yàn)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(shí)際運(yùn)用，早日并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化運(yùn)行，緩解我國(guó)傳統(tǒng)能源發(fā)電的壓力。

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