有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)研究

唐輝輝

（晉能控股裝備制造集團有限公司， 山西 晉城 048006）

0 引言

目前隨著節(jié)能減排工作不斷深入，低溫余熱資源的利用成為目前節(jié)能工作的首選。根據(jù)調(diào)查顯示，我國低溫余熱資源非常豐富，特別是在化工、工業(yè)領(lǐng)域中存在大量的低溫余熱，可回收率達到80%以上。因此，利用有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)對低溫余熱進行回收，進而充分回收用能設(shè)備與化學反應(yīng)設(shè)備中產(chǎn)生的未被回收的低溫余熱。有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)是利用低沸點工質(zhì)為循環(huán)介質(zhì)，在有機工質(zhì)進換熱器時可吸收熱量，進而形成一定的壓力與溫度的飽和液體狀態(tài)，在蒸發(fā)器再次吸收熱量變成飽和氣態(tài)工質(zhì)推動膨脹機運行，做工后的有機乏氣（工質(zhì)）返回儲液器循環(huán)利用，可實現(xiàn)回收低溫余熱的效果。由此可見，有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在我國有著較強的應(yīng)用價值。本文主要分析有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點，并提出目前利用現(xiàn)狀，以供參考。

1 有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)闡述

1.1 工作原理

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)低溫余熱，是通過有機工質(zhì)對低溫余熱進行吸收從而產(chǎn)生高壓蒸汽，在高壓蒸汽下可推動膨脹機帶動發(fā)電機進行發(fā)電[1]。相對傳統(tǒng)的發(fā)電原理而言，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)可有效達到對最低余熱資源的利用。因此在回收低溫余熱時可有效拓展了回收渠道，為我國工業(yè)、化工等領(lǐng)域提供了一定的技術(shù)支持。目前，這些循環(huán)系統(tǒng)也可用在再生能源發(fā)電中，例如太陽能、太陽物質(zhì)等。有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)組成如圖1 所示[2]。

圖1 有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 特點與優(yōu)勢

有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)采用了有機工質(zhì)從而代替了傳統(tǒng)的水推動渦輪機，并且在有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理中可以看出，低沸點的有機工質(zhì)實現(xiàn)了低溫余熱的充分利用，提高了余熱利用效率，低沸點有機工質(zhì)在工質(zhì)泵增壓后可在預(yù)熱器、蒸發(fā)器吸收熱量轉(zhuǎn)變成蒸汽后產(chǎn)生能量輸出，如此循環(huán)可達到對低溫余熱資源的有效回收利用。在大量工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低溫余熱若不能進行有效的回收，不僅浪費了資源也容易造成二次污染的現(xiàn)象。因此可通過有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，對低溫余熱進行回收利用，從而使工業(yè)生產(chǎn)能夠達到節(jié)能減排標準，并且有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)是一種新型環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，在冷凝器與工質(zhì)泵的組合下可達到低沸點、高蒸汽的運作效率。在有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中具有以下幾種優(yōu)勢，首先是工作效率高相比傳統(tǒng)的水蒸氣循環(huán)發(fā)電技術(shù)，其有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)不需要真空維持技術(shù)，并且系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，通流面積也較小。其次，在余熱鍋爐中不需要設(shè)置過熱段，可直接以飽和氣體的形式進入透平膨脹做工。最后，有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)可進行遠程控制，在單機容量范圍內(nèi)可達到標準化生產(chǎn)工序，從而降低制造成本。在進行整合能源系統(tǒng)發(fā)電時，也可實現(xiàn)低品位能源提供高品位能源的效果，并且對污染物的排放進行了二次處理，有效保護了環(huán)境也解決了大量低溫余熱被浪費的情況[3]。

2 有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)利用現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

目前國外對于低溫余熱的研究相對較早，早在20 世紀初就可以利用苯醚為低溫余熱工質(zhì)進行有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

國外主要ORC 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)公司包括以色列的Ormat Technologies 公司、位于意大利的Turboden 公司（現(xiàn)為三菱重工業(yè)公司子公司），此外，德國、法國、美國也有多家公司在開展相關(guān)的研究和應(yīng)用工作。

在國外的眾多公司中，以以色列Ormat Technologies 公司的技術(shù)水平最為突出。該公司通過30 多年在最具挑戰(zhàn)性的條件下使用改進，不斷完善該項技術(shù)，目前可以實現(xiàn)將低、中、高溫熱能轉(zhuǎn)化為電能，且Ormat 公司能夠提供模塊化解決方案，可以衍生應(yīng)用于地熱能，可再生能源和遠程發(fā)電等多個領(lǐng)域。同時將行業(yè)標準設(shè)置的更加簡單、可靠并保持低運營成本。

Turboden 公司也是歐洲領(lǐng)先的發(fā)展和生產(chǎn)ORC渦輪式發(fā)電機的公司，能夠提供可再生能源和工業(yè)過程的熱回收產(chǎn)生熱量和電力的相關(guān)設(shè)備。

2.2 國內(nèi)ORC 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展及問題分析

國內(nèi)的主要制造單位包括開山股份，江西華電電力，博爾能源，浙江銀輪機械，上海齊耀動力等。

目前，我國出現(xiàn)了大批ORC 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)成果，有些成果已經(jīng)實現(xiàn)了投產(chǎn)，并取得了良好的運行效果。其中以開山股份為首，該公司的螺桿膨脹機業(yè)務(wù)首先在國外取得了良好的應(yīng)用業(yè)績，目前作為其重點業(yè)務(wù)之一，正在國內(nèi)進行推廣應(yīng)用。中船重工第七一二研究所掌握了大功率ORC 低溫余熱回收發(fā)電裝置的核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)。博爾能源成功研發(fā)了低溫余熱ORC 透平發(fā)電機組，且成功投入商業(yè)化運營，首套兆瓦級ORC 低溫余熱綜合利用項目在包鋼投入使用。

由此可見，ORC 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)在國內(nèi)引起了足夠的重視，并取得了大量的可研性成果。

在有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，有機工質(zhì)作為最主要的核心內(nèi)容對低溫余熱的回收有著決定性的作用。例如在工質(zhì)冷凝壓力較高的情況下，為了使有機功介質(zhì)在低溫下進行汽化，就需要采用沸點較低的介質(zhì)進行處理[4]。

3 有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的選擇

3.1 循環(huán)系統(tǒng)熱力參數(shù)的選擇

在有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)對循環(huán)系統(tǒng)熱力參數(shù)進行確定。在一般情況下得到熱源后，其溫度與流量條件應(yīng)符合循環(huán)系統(tǒng)熱力參數(shù)。其主要包含的參數(shù)為有機工質(zhì)蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、換熱溫差等。這些參數(shù)應(yīng)進行確定與合理的選擇，若選擇不當則會對循環(huán)效率有一定的影響。

3.2 有機工質(zhì)的選擇

對于有機朗肯循環(huán)低溫余熱系統(tǒng)中的有機工質(zhì)，其經(jīng)常被選用的工質(zhì)有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。這些有機工質(zhì)在低溫余熱循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中需要進行不同類型、不同種類、不同熱源的工質(zhì)處理，并且工質(zhì)的選擇也會影響到發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

3.3 膨脹機的選擇

膨脹機是有機朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中核心設(shè)備，主要是利用蒸汽出口在高溫高壓下進行蒸汽熱能轉(zhuǎn)化，從而為機械做出外做功的設(shè)備。膨脹機的主要工作原理：以螺桿膨脹機為例，是利用做功介質(zhì)進入機內(nèi)螺桿齒槽，并推動螺桿轉(zhuǎn)動完成做功，同時介質(zhì)在做功過程中降壓降溫膨脹（或閃蒸），最后從齒槽內(nèi)排出，能量既可以從主軸陽螺桿輸出，也可以通過同步齒輪從陰螺桿輸出，最終驅(qū)動負載或直接驅(qū)動發(fā)電機進行發(fā)電等。其膨脹機在選擇時應(yīng)根據(jù)工作性質(zhì)與有機工質(zhì)、結(jié)構(gòu)等進行選擇，一般可分為速度式與容積式膨脹機。

3.4 發(fā)電機的選擇

在有機朗肯循環(huán)低溫余熱系統(tǒng)中應(yīng)對發(fā)電機進行選擇。在選擇時應(yīng)考慮到系統(tǒng)控制等因素。例如異步發(fā)電機，其異步發(fā)電機對控制要求不高，但在熱源不穩(wěn)定的情況下會產(chǎn)生一定的變化。所以在選擇時應(yīng)考慮到功率、系統(tǒng)、運用范圍等因素[5]。

4 結(jié)語

在采用有機朗肯低溫余熱循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)時，應(yīng)提高系統(tǒng)工作效率并根據(jù)不同的熱源特點進行有機工質(zhì)、膨脹機、發(fā)電機的選擇。其中也包括對參數(shù)的確定、換熱器的設(shè)計等。同時，也需要對低溫余熱所具備的條件與需求進行分析，應(yīng)因地制宜綜合利用有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)，從而達到回收余熱的效果。