有機朗肯循環(huán)(ORC)中低溫余熱發(fā)電與工業(yè)余熱利用

有機朗肯循環(huán)(ORC)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)與工業(yè)余熱利用SchoolOfMechanicalEngineering關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)研究概況技術(shù)應用背景工業(yè)余熱回收利用有機朗肯循環(huán)(ORC)余熱發(fā)電技術(shù)建議和總結(jié)技術(shù)應用背景

余熱余壓利用工程是我國《節(jié)能中長期發(fā)展專項規(guī)劃》中的十大重點節(jié)能工程之一。

根據(jù)《“十三五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，我國將加快推進工業(yè)節(jié)能，重點推進電力、煤炭、鋼鐵、有色金屬、石油化工、化工、紡織、印染等行業(yè)節(jié)能減排，加快節(jié)能減排技術(shù)推廣應用，加大對工業(yè)余熱的綜合梯級利用，加快推行合同能源管理。技術(shù)應用背景

我國鋼鐵冶金余熱總量達15000萬tce/a，目前平均余熱回收水平僅為30%。主要原因在于我國現(xiàn)有技術(shù)難以回收數(shù)量龐大的中低溫余熱。因此，我國鋼鐵工業(yè)中有大量的中低溫余熱資源可供開發(fā)。

我國有色冶金行業(yè)存在大量的容易收集的溫度在60℃以上的液態(tài)余熱（如冷卻水）及低壓蒸汽，據(jù)不完全統(tǒng)計蘊含可用的熱能約1800萬tce/a，潛在發(fā)電能力相當于3/4個三峽工程發(fā)電量。

我國鋼鐵工業(yè)余熱我國有色冶金工業(yè)余熱技術(shù)應用背景我國建材工業(yè)余熱水泥窯爐陶瓷窯爐玻璃窯爐技術(shù)應用背景

我國能源形勢嚴峻的根本原因在于用能效率低下。我國每噸標準煤的產(chǎn)出效率僅相當于日本的10.3％、美國的28.6％。我國工業(yè)用能中近60-65%的能源轉(zhuǎn)化為余熱資源，其中溫度低于350℃以下的低溫余熱，約占余熱總量的60%，由于傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的工作參數(shù)大多為高參數(shù)、大容量，無法利用這部分較為分散但總量巨大的能源。

常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)圖

1.系統(tǒng)構(gòu)成復雜，鍋爐給水需要除氧、除鹽，在鍋爐部件及管路上需要設(shè)置排污及疏放水管路；凝結(jié)器里需保持較高的真空度，要設(shè)置真空維持系統(tǒng)。2.透平進排氣壓力低，蒸汽體積較大，透平通流面積較大。3.通常透平進口蒸汽需具有一定的過熱度，在余熱鍋爐中必然要設(shè)置過熱蒸汽加熱段，余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)比較復雜。4.需要較多的運行、維修人員，運行成本較高。5.單機容量不能太小,系統(tǒng)滿負荷運行率不高。6.一般只適用于煙氣溫度高于350℃以上的余熱。

常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)的特點

技術(shù)應用背景能源危機！中低品位熱能的回收利用受到重視！如何有效地回收利用中低品位熱能？有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)技術(shù)（ORC)可高效回收中低溫余熱資源(350℃以下，低壓或常壓）對于提高我國能源利用率、節(jié)能減排，保護環(huán)境具有重要的意義。技術(shù)應用背景性能穩(wěn)定，熱回收效率高達10%-20%中低溫余熱發(fā)電解決方案有機工質(zhì)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)(ORC)(OrganicRankineCycle)有機工質(zhì)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)(ORC)～冷卻塔有機工質(zhì)余熱鍋爐加壓泵儲液罐有機透平發(fā)電機凝汽器冷卻泵中低溫煙氣煙氣余熱有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)示意圖

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電原理

有機工質(zhì)朗肯循環(huán),即在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用有機工質(zhì)代替水推動膨脹機做功。上圖為有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。

低壓液態(tài)有機工質(zhì)經(jīng)過工質(zhì)泵增壓后進入蒸發(fā)器吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏赫魵?高溫高壓有機工質(zhì)蒸氣推動膨脹機做功,產(chǎn)生能量輸出，膨脹機出口的低壓蒸氣進入冷凝器,向低溫熱源放熱并冷凝為液態(tài),如此往復循環(huán)。

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電原理

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)余熱回收發(fā)電的最低余熱資源溫度可到80℃，（這一溫度還可降低，但發(fā)電效率會降低，影響經(jīng)濟性）這是常規(guī)發(fā)電技術(shù)不能做到的（常規(guī)發(fā)電要求熱源溫度在350℃以上），從而拓寬了可以回收發(fā)電的余熱資源范圍，為建材、冶金、化工等行業(yè)的低溫余熱資源回收提供了技術(shù)手段和設(shè)備。

同時，這項技術(shù)還可以推廣到可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中（如地熱、太陽能和生物質(zhì)能），為可再生能源發(fā)電提供關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。余熱溫度范圍：80－350℃余熱的形態(tài)：煙氣，蒸汽，熱水可以擴展的應用：地熱利用、太陽能利用、生物質(zhì)能。

可利用的余熱需要根據(jù)具體環(huán)境、條件及應用需求進行系統(tǒng)設(shè)計。關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)研究概況技術(shù)應用背景工業(yè)余熱回收利用有機朗肯循環(huán)(ORC)余熱發(fā)電技術(shù)建議和總結(jié)國外的研究應用狀況

八十年代美國研制出利用地熱水發(fā)電的汽水兩相螺桿膨脹機，功率60KW，并完成一臺1000KW地熱水發(fā)電機組。隨后，日本北海道大學進行了氟利昂工質(zhì)的發(fā)電試驗，且進行了工業(yè)鍋爐余熱發(fā)電研究，功率102KW。近年來，美國，德國，以色列，瑞典都有相關(guān)研究和產(chǎn)品應用報導。不同國家ORC發(fā)電機組的裝機數(shù)量國外的研究應用狀況

國外ORC技術(shù)已成功商業(yè)化，涌現(xiàn)出許多ORC設(shè)計與制造廠，如美國ORMAT公司、意大利Turboden、德國GMK公司等，普惠、GE、三菱等著名葉輪機械設(shè)計制造企業(yè)也成立了專門的ORC公司。國內(nèi)的研究應用狀況

國內(nèi)對于ORC發(fā)電技術(shù)的研究較多，目前仍需要深入解決理論研究與工程實際相結(jié)合問題，ORC發(fā)電系統(tǒng)的工程化應用仍需要有多項關(guān)鍵技術(shù)攻克。

我校在有機工質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電的研究

天津大學熱能工程系和教育部“中低溫熱能高效利用”重點實驗室對有機工質(zhì)的熱物理性質(zhì)及熱力循環(huán)的研究水平位居國內(nèi)領(lǐng)先水平，在ORC技術(shù)的理論與實驗研究中均取得了具有實用價值的成果。

早在上世紀70年代，即建成了國內(nèi)首臺ORC太陽能熱發(fā)電（1kW）實驗系統(tǒng)，并取得了大量運行實驗數(shù)據(jù)，近年，發(fā)表多篇關(guān)于ORC系統(tǒng)的理論實驗研究論文，同時擁有多項關(guān)于有機工質(zhì)及ORC系統(tǒng)構(gòu)成的發(fā)明及實用新型專利。關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)研究概況技術(shù)應用背景工業(yè)余熱回收利用有機朗肯循環(huán)(ORC)余熱發(fā)電技術(shù)建議和總結(jié)有機工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備之一螺桿膨脹機簡介螺桿膨脹機的基本構(gòu)造

螺桿膨脹機是一種依據(jù)容積變化原理工作的雙軸回轉(zhuǎn)式螺桿機械。它的結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機基本相同，主要由一對螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等零件組成，結(jié)構(gòu)簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋形陰、陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。結(jié)構(gòu)簡圖螺桿膨脹機的工作原理

作功介質(zhì)先進入機內(nèi)螺桿齒槽A，推動螺桿轉(zhuǎn)動，隨著螺桿轉(zhuǎn)動，齒槽A旋轉(zhuǎn)到B、C、D逐漸加長、容積增大，介質(zhì)降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽排出，功率從主軸陽螺桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅(qū)動風機、壓縮機、水泵或發(fā)電機發(fā)電等。螺桿膨脹機的應用

螺桿膨脹機的輸出功率可以在5kW～1000kW之間，彌補了蒸汽輪機單機功率不能太小的空間。對于有壓力的余熱流體，可直接利用螺桿膨脹機對于<350℃的無壓力的余熱流體，利用有機工質(zhì)朗肯循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)有機工質(zhì)朗肯循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)。還可以用到太陽能、地熱能等中低溫可再生能源發(fā)電項目中去

有機工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機系統(tǒng)用于低溫余熱回收利用，有廣闊的技術(shù)發(fā)展空間（1）螺桿膨脹機適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體、（帶壓）熱水及無壓熱流體的動力機械，可以回收不同種類的工業(yè)余熱；（2）螺桿膨脹機還適用于高鹽份的堿性流體，能除垢自潔，而且結(jié)垢有利于提高機器效率，因而對余熱流體品質(zhì)要求不高，擴大了應用范圍；（3）當余熱熱源不穩(wěn)定，參數(shù)變化時，機組效率表現(xiàn)穩(wěn)定。螺桿膨脹機允許熱源壓力、流量在大范圍內(nèi)波動，對機組效率影響不大；螺桿膨脹機為容積式工作原理，機內(nèi)流速低，除泄漏損失外，很少其他損失，機組效率較高，即使蒸汽參數(shù)或負荷變動仍能保持高效率。螺桿膨脹機的技術(shù)特點（4）螺桿膨脹機運行不用盤車、不暖機、不會飛車，可以直接沖轉(zhuǎn)啟動，操作簡單，可實現(xiàn)無人職守，維修容易，不需要專門的專業(yè)技術(shù)人員，很適合工礦企業(yè)使用；（5）螺桿膨脹機的零部件少。螺桿轉(zhuǎn)子堅固，大修周期長，小修簡單，運行維護費用很低；（6）可調(diào)速，作為動力機使用，如拖動給水泵或灰漿水泵，拖動風機，壓縮機可以根據(jù)要求靈活變速，使用方便。螺桿膨脹機的技術(shù)特點單螺桿膨脹機有機工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備之一渦輪機（透平）簡介渦輪機（透平）的應用

特點：功率密度高，適用于50-5000kW，用于余熱量較大的場合，在余熱量大的場合，可體現(xiàn)出占地小，效率高，造價低的優(yōu)勢。渦輪機（透平）的應用渦輪機一般分為軸流式透平和徑流式透平兩種。工質(zhì)流動的方向與動葉輪轉(zhuǎn)軸大致平行的稱為軸流式膨脹透平；工質(zhì)流動的方向與動葉輪轉(zhuǎn)軸大致垂直的稱為徑流式膨脹透平；類型：速度型參考功率：50~5000kW成本：高適用于中小型系統(tǒng)功率高；變工況性能較差；轉(zhuǎn)速高，對軸承及其密封要求較高類型：速度型參考功率：>100kW成本：高流量大，適用于中大型系統(tǒng)；用于小流量系統(tǒng)時泄漏大，效率低軸流透平膨脹機徑向透平膨脹機有機工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備之一熱交換器熱交換器的設(shè)計

需要根據(jù)余熱的類型和特點設(shè)計熱交換器，包括蒸發(fā)器，冷凝器，預熱器等；同時需要考慮防腐，防磨和除灰除垢和降低阻力等問題。有機工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)之一有機工質(zhì)的優(yōu)選

對于有機工質(zhì)循環(huán)，經(jīng)常選用的工質(zhì)有R123、R245fa、R134a、R152a、R141b、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在余熱發(fā)電系統(tǒng)中，對于不同類型，不同溫度的熱源應當選擇不同的工質(zhì)，工質(zhì)的優(yōu)選也會影響到系統(tǒng)的效率。工質(zhì)優(yōu)選不同工質(zhì)的T-S曲線工質(zhì)優(yōu)選根據(jù)熱源溫度不同，有機工質(zhì)的優(yōu)化選擇參考工質(zhì)優(yōu)選ORC發(fā)電系統(tǒng)圖熱力學循環(huán)過程圖R245fa的優(yōu)化目標函數(shù)隨冷凝溫度的變化不同工質(zhì)綜合評價函數(shù)隨冷凝溫度的變化有機工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)之一發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

有機工質(zhì)朗肯循環(huán)的熱力系統(tǒng)設(shè)計（包括系統(tǒng)熱力參數(shù)的確定、工質(zhì)選擇、熱交換器設(shè)計等），會直接影響系統(tǒng)的運行效率。在得到熱源的溫度和流量等條件后，需要確定有機工質(zhì)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及換熱溫差等，這些參數(shù)會對循環(huán)效率有較大的影響。

蒸發(fā)溫度和膨脹比對ORC系統(tǒng)（R245fa)?效率的影響熱力過程和經(jīng)濟性估算A有機工質(zhì)蒸汽動力循環(huán)B有機工質(zhì)汽液兩相動力循環(huán)例如：余熱熱源為220℃的煙氣，流量為2.5萬m3/h，冷卻水溫度為25℃。采用有機工質(zhì)循環(huán)方式，以R245fa作為循環(huán)工質(zhì)，在扣除工質(zhì)泵耗功、冷卻水泵耗功之后，計算表明，每小時大約可以發(fā)出100度的電。關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)研究概況技術(shù)應用背景工業(yè)余熱回收利用有機朗肯循環(huán)(ORC)余熱發(fā)電技術(shù)建議和總結(jié)工業(yè)余熱回收利用技術(shù)參數(shù)熱源類型迴轉(zhuǎn)窯排煙膨脹機絕熱效率0.75熱源溫度240℃有機工質(zhì)泵效率0.5熱源流量33萬方/小時發(fā)電機發(fā)電功率0.98煙氣排壓0.1MPa循環(huán)工質(zhì)流量120℃有機工質(zhì)R113冷凝器溫度45℃冷卻水泵效率0.5冷卻水進口溫度27℃冷卻水流量475.8kg/s冷卻水出口溫度35℃系統(tǒng)凈功率1641kW系統(tǒng)凈效率14.87%1641KWX0.6元/度7884hX=776.3萬元/年投資回收期約2~3年。1:迴轉(zhuǎn)窯排煙余熱利用工業(yè)余熱回收利用2：卡琳娜循環(huán)發(fā)電技術(shù)卡琳娜循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是一種利用氨和水混合物作為工作介質(zhì)的新型、高效的動力循環(huán)系統(tǒng)。在一定的系統(tǒng)壓力下，氨-水混合物的沸點和凝固點不是定值，而是隨混合物中氨的濃度不同而變化，混合物在循環(huán)過程中變溫蒸發(fā)，降低了工質(zhì)吸熱和凝結(jié)過程的不可逆性，改善了熱源與工質(zhì)的匹配性能，提高了余熱熱源的利用率。工業(yè)余熱回收利用基于卡琳娜循環(huán)的燃煤電廠煙氣余熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備研制與示范25kW卡琳娜循環(huán)實驗系統(tǒng)圖工業(yè)余熱回收利用3：小溫差ORC螺桿膨脹動力機組小溫差ORC膨脹螺桿動力機組穩(wěn)定運行工業(yè)余熱回收利用30~50℃的余熱：采用熱泵技術(shù)為可考慮的方案之一；50~80℃的余熱：可以直接用于吸附、吸收制冷的驅(qū)動源或者用來加熱、干燥等；80~350℃的余熱：有機朗肯循環(huán)技術(shù)、卡琳娜循環(huán)技術(shù)；大于350℃的余熱

：一般用水蒸汽朗肯循環(huán)；大于470℃