ORC技術(shù)全面分析

ORC的基本理論ORC技術(shù)全面分析1、ORC的發(fā)展2、ORC的系統(tǒng)構(gòu)成及原理3、ORC的特點(diǎn)7、ORC、汽水朗肯循環(huán)、kalina循環(huán)的比較4、目前國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀5、ORC應(yīng)用領(lǐng)域6、ORC投資估算8、十二五簡(jiǎn)介及發(fā)展實(shí)施規(guī)劃ORC技術(shù)全面分析ORC的發(fā)展ORC的定義：ORC（OrganicRankineCycle）——有機(jī)物朗肯循環(huán)是以有機(jī)物代替水作為工質(zhì)，回收中低品位熱能的朗肯動(dòng)力循環(huán)國(guó)外發(fā)展歷程：研究最早始于1924年70年代石油危機(jī)的爆發(fā)，國(guó)外進(jìn)行了大量的研究九十年代后期至今，開始廣泛工程應(yīng)用：以色列Ormat，美國(guó)UTC國(guó)內(nèi)發(fā)展歷程：最早始于80年代，天津大學(xué)，雙螺桿膨脹機(jī)80年代——二十世紀(jì)末，僅有少數(shù)高校，進(jìn)行理論研究二十一世紀(jì)，大量高校開始理論研究，熱工專業(yè)老牌名校具備實(shí)驗(yàn)?zāi)芰こ虘?yīng)用尚屬空白，僅西藏地?zé)岚l(fā)電，采用Ormat的ORC技術(shù)研究關(guān)鍵：工質(zhì)、膨脹機(jī)ORC技術(shù)全面分析余熱流體泵蒸發(fā)器透平發(fā)電機(jī)工質(zhì)泵冷卻水泵冷凝器冷卻水4—1：工質(zhì)在蒸發(fā)器中定壓吸熱1—2s：工質(zhì)在膨脹機(jī)中理想膨脹做功1—2：工質(zhì)的實(shí)際做功過(guò)程2—3：工質(zhì)在冷凝器中定壓放熱3—4：工質(zhì)在工質(zhì)泵中壓縮過(guò)程ORC的系統(tǒng)構(gòu)成及原理ORC技術(shù)全面分析（1）蒸發(fā)側(cè)形式多樣：70—300℃范圍的余熱資源均可利用

針對(duì)不同熱源形式，取熱方式多樣。（2）“三泵”泵耗較大，自用電率較高：在應(yīng)用ORC時(shí)應(yīng)盡量利用原有系統(tǒng)中的水泵或風(fēng)機(jī)。（3）系統(tǒng)只能背壓運(yùn)行：尚無(wú)專用抽真空設(shè)備，工質(zhì)物性決定。ORC的特點(diǎn)ORC技術(shù)全面分析（4）有機(jī)工質(zhì)T-S曲線（a）干工質(zhì)（b）絕熱工質(zhì)（c）濕工質(zhì)ORC多采用干工質(zhì)或絕熱工質(zhì)，低過(guò)熱度，無(wú)液擊ORC技術(shù)全面分析目前國(guó)內(nèi)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)研究情況：工程應(yīng)用：目前國(guó)內(nèi)ORC僅應(yīng)用于西藏地?zé)岚l(fā)電，工業(yè)余熱領(lǐng)域尚無(wú)ORC應(yīng)用高校研究：仍以理論計(jì)算為主，實(shí)驗(yàn)較少。熱源溫度70~250℃，ORC系統(tǒng)理論循環(huán)效率5%~20%工質(zhì)主要選擇：R245fa、R142b、R134a及R123等具備實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ母咝＃何靼步煌ù髮W(xué)，上海交通大學(xué)及浙江大學(xué)均采用渦旋式膨脹機(jī)北京工業(yè)大學(xué)采用單螺桿膨脹機(jī)作坊式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，系統(tǒng)效率低于10%，膨脹機(jī)內(nèi)效率60%左右ORC技術(shù)全面分析西安交通大學(xué)、浙江大學(xué)：渦旋式膨脹機(jī)問(wèn)題：嚴(yán)重的機(jī)內(nèi)泄露ORC技術(shù)全面分析北京工業(yè)大學(xué)：?jiǎn)温輻U膨脹機(jī)問(wèn)題：行星輪變形ORC技術(shù)全面分析容積式膨脹機(jī)天津大學(xué)（江西華電電力有限責(zé)任公司）：雙螺桿膨脹機(jī)問(wèn)題：軸端密封ORC技術(shù)全面分析至2009年為止，ORC系統(tǒng)的總裝機(jī)容量已達(dá)160萬(wàn)千瓦世界范圍ORC系統(tǒng)設(shè)計(jì)安裝企業(yè)十余家，以?shī)W馬特為代表到2009年3月為止，Ormat裝機(jī)容量已超過(guò)1200MW，數(shù)量超過(guò)2600座美國(guó)UTC，在74℃熱源溫度下，穩(wěn)定發(fā)電效率8.2%國(guó)外研究應(yīng)用現(xiàn)狀ORC技術(shù)全面分析ORC技術(shù)全面分析ORC應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)余熱：鋼鐵、水泥、化工有色金屬冶煉等

溫度范圍70~300℃，廢氣，廢水產(chǎn)能5000t/d水泥生產(chǎn)線，尚未利用的150℃左右余熱煙氣（如窯尾電收塵器入口），新增發(fā)電量1000kW，提高發(fā)電量10%-12%，690余條（2010）；在冶金和鋼鐵企業(yè)，可回收鋼鐵企業(yè)的沖渣廢熱水（80-90℃），可以為每個(gè)企業(yè)帶來(lái)MW級(jí)的電能；在電力行業(yè)，存在許多需要減溫減壓的蒸汽，如鍋爐連排水余熱回收潛力巨大；有色金屬冶金，電解鋁低溫?zé)煔狻RC技術(shù)全面分析發(fā)電系統(tǒng)底層循環(huán)：用于燃料電池、燃?xì)廨啓C(jī)、內(nèi)燃機(jī)等

燃料電池提高效率20%左右相比傳統(tǒng)燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)，提高1/3的發(fā)電能力地?zé)幔菏沟?00-220℃的中低溫地?zé)豳Y源，具備了發(fā)電利用的經(jīng)濟(jì)性太陽(yáng)能熱發(fā)電：光伏電池高污染、高能耗、關(guān)鍵技術(shù)依賴進(jìn)口；熱發(fā)電真正綠色、環(huán)保、相對(duì)自主。ORC技術(shù)全面分析ORC投資估算ORC機(jī)組——1.2萬(wàn)~1.3萬(wàn)/kW（蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪發(fā)電機(jī)組、工質(zhì)泵）普惠280kW機(jī)組，離岸價(jià)：43萬(wàn)美元增加輔助配套設(shè)備（水泥行業(yè)——中間換熱器——熱水型低壓熱水鍋爐）投資增加——1.7萬(wàn)~1.8萬(wàn)/kW如果ORC機(jī)組設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，成本降低——萬(wàn)元以下/kW投資回收期3（設(shè)備國(guó)產(chǎn)，有效利用原系統(tǒng)風(fēng)機(jī)水泵及冷凝系統(tǒng)）-5年ORC技術(shù)全面分析同以朗肯循環(huán)作為理論基礎(chǔ)ts12341—2工質(zhì)在蒸發(fā)器中定壓吸熱，變?yōu)榫哂幸欢囟取毫Φ倪^(guò)熱蒸汽2—3蒸汽通過(guò)透平，絕熱膨脹做功，輸出動(dòng)力3—4透平排出乏汽在冷凝器中定壓冷凝為液態(tài)4—1液態(tài)工質(zhì)通過(guò)泵絕熱壓縮，進(jìn)入蒸發(fā)器，如此往復(fù)循環(huán)ORC與汽水朗肯循環(huán)的比較ORC技術(shù)全面分析蒸汽動(dòng)力循環(huán)：水工質(zhì)不同ORC：有機(jī)工質(zhì)，如R245fa、R123、正丁烷及正戊烷等ORC技術(shù)全面分析水臨界溫度：373.95℃有機(jī)工質(zhì)臨界溫度：R123：183.68℃R245fa：154.01℃正丁烷：151.98℃正戊烷：196.55℃常用ORC有機(jī)工質(zhì)臨界溫度均低于200℃，對(duì)于余熱發(fā)電系統(tǒng)，一般不采用超臨界循環(huán)，因此：當(dāng)余熱熱源溫度300~350℃時(shí)，ORC系統(tǒng)最高蒸發(fā)溫度不超過(guò)200℃，蒸汽系統(tǒng)可在200~250℃之間選擇蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度比較：ORC技術(shù)全面分析冷凝溫度比較：ORC系統(tǒng)：無(wú)真空維持設(shè)備，故系統(tǒng)只能采取背壓運(yùn)行方式蒸汽系統(tǒng)：通過(guò)射水抽氣器，維持系統(tǒng)真空度冷凝溫度（℃）冷凝壓力（Mpa）R245fa400.25R123400.15正丁烷400.38正戊烷400.12水400.007由于射水抽氣器的采用，蒸汽系統(tǒng)同樣可以在較低的溫度下實(shí)現(xiàn)冷凝ORC技術(shù)全面分析ORC系統(tǒng)蒸汽系統(tǒng)蒸發(fā)溫度（℃）130~170200~250冷凝溫度（℃）4040針對(duì)300~350℃余熱資源：通過(guò)比較可知，蒸汽系統(tǒng)由于具有更高的蒸發(fā)溫度，所以系統(tǒng)循環(huán)效率更高，更適用于300~350℃余熱資源的回收利用ORC技術(shù)全面分析ORC適用的范圍1231’2’3’比較可知：有機(jī)工質(zhì)氣化潛熱更小，即1’-2’<1-2有機(jī)工質(zhì)不需要較大的過(guò)熱度，以保證工質(zhì)在透平做功過(guò)程中，避免“液擊”發(fā)生，即2’-3’<2-3結(jié)果：當(dāng)余熱資源溫度150~250℃時(shí)ORC系統(tǒng)，依然可以保證蒸發(fā)溫度130~170℃蒸汽系統(tǒng)，為保證傳熱溫差與過(guò)熱度，蒸發(fā)溫度120~130℃當(dāng)余熱資源溫度低于200℃時(shí)，由于蒸發(fā)溫度、壓力過(guò)低已不能利用現(xiàn)有常規(guī)形式汽輪機(jī)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力循環(huán)。針對(duì)250℃以下余熱資源，更適宜采用ORC系統(tǒng)進(jìn)行回收利用ORC技術(shù)全面分析針對(duì)不同熱源溫度，比較兩種系統(tǒng)理論性能ORC技術(shù)全面分析系統(tǒng)設(shè)備比較：蒸汽系統(tǒng)：余熱煙氣

風(fēng)機(jī)余熱鍋爐鍋爐給水泵冷凝器軸流式汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)循環(huán)冷卻水循環(huán)冷卻水泵射水抽氣器ORC系統(tǒng)：余熱煙氣導(dǎo)熱油鍋爐蒸發(fā)器徑流式汽輪機(jī)工質(zhì)泵發(fā)電機(jī)冷凝器循環(huán)冷卻水循環(huán)冷卻水泵油泵由于有機(jī)工質(zhì)物性特點(diǎn)，ORC系統(tǒng)采用徑流式汽輪機(jī)ORC系統(tǒng)蒸發(fā)器一般針對(duì)液相熱源設(shè)計(jì)，因此，若余熱形式為煙氣，通常需要設(shè)置導(dǎo)熱油鍋爐，將熱源形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換ORC系統(tǒng)無(wú)射抽設(shè)備，系統(tǒng)背壓運(yùn)行ORC技術(shù)全面分析系統(tǒng)凈發(fā)電效率比較：ORC系統(tǒng)：適用于250℃以下熱源，效率5%—20%蒸汽系統(tǒng)：適用于300℃以上熱源，效率20%—25%系統(tǒng)自用電率比較：蒸汽系統(tǒng)：約為7%左右系統(tǒng)安全性比較：ORC系統(tǒng)：若采用丁烷、戊烷等烷烴類作為系統(tǒng)工質(zhì)，需考慮防爆要求ORC系統(tǒng)：機(jī)組7%左右，系統(tǒng)20%左右ORC技術(shù)全面分析Kalina與汽水朗肯循環(huán)對(duì)比由系統(tǒng)圖可知：由于氨水二元混合工質(zhì)的采用，Kalina循環(huán)冷凝部分設(shè)備更復(fù)雜。由T-S圖可知：Kalina循環(huán)平均蒸發(fā)溫度更高，相比蒸汽循環(huán)，熱源損失較小蒸發(fā)冷凝Kalina循環(huán)平均冷凝溫度更高，相比蒸汽循環(huán)，冷源損失較大系統(tǒng)比較：ORC技術(shù)全面分析通過(guò)系統(tǒng)及循環(huán)理論比較：Kalina循環(huán)相比蒸汽循環(huán)并不具備完全優(yōu)勢(shì)，雖然提高了動(dòng)力循環(huán)的初參數(shù)，但是終參數(shù)的提高及冷凝系統(tǒng)設(shè)備的復(fù)雜化，也對(duì)其應(yīng)用帶來(lái)了不利影響。ORC技術(shù)全面分析蒸汽循環(huán)壓力1.25MPa通過(guò)比較可知：當(dāng)汽輪機(jī)進(jìn)口壓力高于6MPa時(shí)，Kalina才體現(xiàn)出發(fā)電優(yōu)勢(shì)商用Kalina循環(huán)工作壓力一般7-8Mpa，即：理論上，Kalina發(fā)電量可以達(dá)到9000—10000kW實(shí)際上，蒸汽循環(huán)發(fā)電量可保證7000kW以上發(fā)電量比較：ORC技術(shù)全面分析Kalina循環(huán)發(fā)電量?jī)?yōu)勢(shì)的討論：應(yīng)用情況：Kalina循環(huán)誕生于上世紀(jì)70年代，80，90年代少量應(yīng)用于工程實(shí)踐，本世紀(jì)未知再有新建，且已投運(yùn)電站也大部分關(guān)停，據(jù)知，至今為止尚在運(yùn)行的僅部分冰島地?zé)犭娬?。學(xué)者評(píng)價(jià)：由于設(shè)備構(gòu)成的過(guò)于復(fù)雜，Kalina循環(huán)實(shí)際應(yīng)用情況遠(yuǎn)沒(méi)有理論計(jì)算那么優(yōu)秀。投資評(píng)價(jià)：商用Kalina循環(huán)投資1.4萬(wàn)元/kWh以上，目前蒸汽循環(huán)的一倍以上討論：用超過(guò)蒸汽循環(huán)一倍的投資，得到并不能保證的發(fā)電量提高10~20%ORC技術(shù)全面分析200kWKalina機(jī)組，相對(duì)發(fā)電量，設(shè)備構(gòu)成復(fù)雜，占地面積龐大。注：熱源為熱水，若為水泥窯煙氣，還需增加中間換熱器，將余熱形式從煙氣轉(zhuǎn)換為熱水，設(shè)備投資、系統(tǒng)復(fù)雜程度將進(jìn)一步增加ORC技術(shù)全面分析十二五簡(jiǎn)介及發(fā)展實(shí)施規(guī)劃十二五簡(jiǎn)介：題目：低溫?zé)嵩窗l(fā)電裝置的研制合作單位：中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所經(jīng)費(fèi)分配：國(guó)撥專項(xiàng)資金400萬(wàn)，中材150萬(wàn)，七〇三所250萬(wàn)，中材自籌配套850萬(wàn)目標(biāo)：針對(duì)150℃左右水泥窯余熱煙氣及水泥窯筒體輻射余熱，采用200kW徑流式汽輪機(jī)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電量150~180kW，系統(tǒng)效率達(dá)到6%~8%。ORC技術(shù)