有机朗肯循环低温余热发电系统综述
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作者:赵俊林 秦虹
摘 要：当下我国能源形势日趋严峻。我国有大量低温余热资源没有得到有效利用，包括太阳能、地热能、工业余热等低温余热资源。以工业余热为例，我国工业能耗的50%左右没有得到利用，而是通过各种形式的余热直接排放。导致严重的能源和环境问题。在低温余热的研究中，学者发现，余热发电不仅可以实现余热资源的循环利用，而且有利于环境保护。现有的回收技术对低温余热资源回收率较低。因此，提出了有机朗肯循环低温余热发电（ORC）技术，以实现低温余热的有效利用，并提高能源利用率，改善环境问题，具有显著的社会效益和经济效益。介绍了有机朗肯循环发电的原理，有机工质、膨胀机、工质泵和换热器的优选，以及ORC余热发电技术的发展前景。
关键词：有机朗肯循环;低温余热回收;利用率;膨胀机的优选
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.095
0 引言
我国低温余热资源丰富，其中工业余热资源可回收率高达60%，尤其是在钢铁、化工、石油与石化等行业。目前，我国余热资源回收利用率较低，大型钢铁企业余热利用率最高仅为50%，提高余热利用率的潜力较大。
1 有机朗肯循环发电系统简介
有机朗肯循环发电系统（Organic Rankine Cycle，简称ORC）主要由换热器、膨胀机、发电机和工质泵四部分组成。有机工质从蒸发器的余热中吸收热量，产生具有一定压力和溫度的蒸气。推动膨胀机运转，推动发电机发电。膨胀机排出的废气将热量释放到冷凝器的冷却水中，冷凝成液态，最后在工质泵的帮助下返回换热器，完成一个热力循环，从而实现对低温余热的回收利用。图1所示为ORC低温余热发电系统示意图。
1.1 低温余热资源简介
低温余热资源是指企业在生产过程中产生的热量没有得到有效利用。它具有分散性强、形式多样、产业分布不均、资源质量差异大等特点。低温余热可通过有机朗肯循环转化为机械能、电能加以利用，对降低企业能耗、减少不可再生能源消耗、环境保护具有重要意义。
我国的低温余热资源总量巨大，余热主要来源于钢铁、水泥、玻璃、等工业余热，以及地热、生物质能、太阳能等可再生低温能源，节能潜力巨大。因此，加强低温余热资源的回收利用，不仅可以降低我国的能源消耗，还可以提高能源利用水平，而且有效解决了环境和生态问题。
1.2 ORC低温余热发电技术研究利用现状
国外对于低温余热的研究开始于20世纪70年代，其中对ORC系统进行研究的更早，早在20世纪20年代初期，就有人开始研究使用苯醚为工质的有机朗肯循环系统。总结了国外一部分ORC系统设备生产商及相应的技术参数，研究发现比较适合用于300℃以下的余热热源。
工业余热资源回收潜力和余热发电环保效应巨大，美国MTI公司曾经建造了利用炼油厂为余热（110℃）的ORC系统，该系统运用单级向心透平，有机工质为R113，输出功率约为1174KW。ORMAT公司和日本曾建造了以工业废热为热源的ORC系统，最终取得了良好的社会和经济效益。
太阳能有着资源丰富，对环境无任何污染的优点，缺点是太阳能具有即时性，不易保存，且能流密度低，热源温度低，但将太阳能和ORC系统结合起来发电是具有可行性的。最具代表的是美国的SEGS，总发电量达到354MW，单系统的最大装机容量为80MW，是目前世界上最大的太阳能热电系统。
烟气余热ORC发电系统，在国内有辊道炉热空气低温余热ORC发电项目，介质是从辊道炉排放的热空气，为了对企业多余热量的热空气加以利用，考虑了采用Pure Cycle ORC低温发电机组回收该部分余热进行发电，这也促进了节能减排的进一步发展。
美国ORMAT公司是目前地热ORC发电技术最为先进的公司，该公司大多数项目平均发电量都在10MW以上。但地热源缺点是存在钻探困难、水中矿物杂质难以分离等问题，我国西藏那曲地热电站采用了ORMAT公司的设备，于1993年11月正式投入生产，后因结垢问题严重未能正常运行，最终关停。
2 有机工质的选择
在ORC低温余热发电系统中，有机工质的研究和选择是最重要的内容之一，因为有机工质的物理性质对热源的回收效率起着决定性的作用，并对系统组件的设计难度有重要影响。例如，工质的冷凝压力高，会导致密封系统设计难度高。由于ORC系统回收的是低温余热，为了使工作介质在较低温度下汽化，应采用沸点较低的有机工作介质。同时，低沸点有机工作介质还应具有以下理想特性：低临界压力和临界温度，良好的干湿性能，低粘度，低表面张力，高循环效率，较高的安全性和环境友好性。
在这一方面的研究就有：王怀信等人设计了以低温地热为热源的热电联产系统，并对不同工质展开了研究，最后推荐采用E-170，R-600，R-141b作为该系统工质。王辉涛等人运用热动力循环的分析方法，分析了10种干流体有机工质，最后推荐R-227ea为中低温地热发电ORC系统的有机工质。不同的有机工质适合于不同的应用条件，因此不同文献推荐使用的有机工质也各有不同。国内研究根据各自情况采用较多的有机工质是R-245fa、R-123和R-134a。
3 设备选型
3.1 工质泵的选择
工质泵是ORC低温余热发电系统的基本组成部分，是将冷凝器的低温低压液体有机工质经绝热增压后，高压输送到蒸发器入口的装置。作为一种成熟的产品，市场上有多种工质泵。研究发现，以下泵适用于ORC低温余热发电系统：液压隔膜泵，具有压力高、适用于危险化学介质、维护简单等特点;立式离心泵采用变频调速、机械密封;多级离心泵可实现更高的扬程和设定压力;多级离心泵是在离心泵级内安装两台或两台以上具有相同功能的离心泵，相对于活塞泵等往复泵能输送更多的流量。 3.2 膨胀机的选择
膨胀机是ORC余热发电系统中的核心设备，它是将蒸发器出口的高温高压的有机饱和蒸气的热能转化为机械能从而对外做功的设备。膨胀机按工作性质和结构的不同，可分为速度式和容积式膨胀机。速度式膨胀机适用于大流量场合，其输出功率和转速相应较高。小流量，大膨胀比的场合采用容积型膨胀机较为合适。现目前研究较多的是螺杆膨胀机和径流式透平膨胀机。螺杆膨胀机有较为成熟的工业应用，适合行业较多，目前我国已成功研制出了10KW和40KW的单螺杆膨胀机的样机。在国外代表厂家有GMK和Elctratherm等。最后是径流式透平膨胀机，其等熵膨胀效率较高，可达85%;密封性良好，应用范围广泛，有着流量大、装机功率大等特点。不足之处是价格昂贵、投资回收期长。
3.3 发电机的选择
一般ORC发电系统选择使用异步電机，考虑因素是系统控制问题，异步电机对转速控制要求不高，在热源不稳定的情况下，电机对机组有较大工况的变化范围适应性较强。ORC发电机组的装机容量和对电网的冲击较小，并网更方便，功率较大，运用范围更广。
3.4 换热器的选择
蒸发器和冷凝器统称为换热器，其作用和工作原理一样。在ORC发电系统中换热器类型的选用对机组效率与经济技术性影响较大。现目前运用于ORC发电系统的换热器有管壳式换热器和板式换热器，相对而言，管壳式换热器较平板式换热器运用更多，而板式换热器与常规的管壳式换热器相比，传热系数较高，在一定的范围内有取代管壳式换热器的趋势。
4 结论
本文介绍了有机朗肯循环发电系统的基本原理，分析了ORC低温余热发电技术的现状，展开了对该系统设备选型，有机工质选择等方面的研究，现得出以下结论：
（1）我国低温余热资源潜力巨大，回收利用率有待提升，ORC发电技术市场潜力大。
（2）目前国内ORC低温余热发电技术发展空间很大，仍有多项关键技术需要解决。
（3）不同的余热源所适应的条件也不同，要根据余热条件和需求，具体分析，综合利用，系统优化设计对于ORC发电系统意义重大。
（4）ORC余热发电技术实现对低温余热的有效应用，提高能源的利用效率，改善环境问题，具有显著的社会和经济效益。
（5）应多展开实验方面的研究，在成熟可靠的基础上加快ORC发电技术的实际运用，早日并入电网，实现大规模的商业化运行，缓解我国传统能源发电的压力。
参考文献
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