有機朗肯循環低溫余熱發電系統研究

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

目前隨著節能減排工作不斷深入，低溫余熱資源的利用成為目前節能工作的首選。根據調查顯示，我國低溫余熱資源非常豐富，特別是在化工、工業領域中存在大量的低溫余熱，可回收率達到80%以上。因此，利用有機朗肯循環發電系統對低溫余熱進行回收，進而充分回收用能設備與化學反應設備中產生的未被回收的低溫余熱。有機朗肯循環系統是利用低沸點工質為循環介質，在有機工質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，在蒸發器再次吸收熱量變成飽和氣態工質推動膨脹機運行，做工后的有機乏氣（工質）返回儲液器循環利用，可實現回收低溫余熱的效果。由此可見，有機朗肯循環低溫余熱發電系統在我國有著較強的應用價值。本文主要分析有機朗肯循環低溫余熱發電系統的特點，并提出目前利用現狀，以供參考。

1 有機朗肯循環低溫余熱發電系統闡述

1.1 工作原理

有機工質朗肯循環低溫余熱，是通過有機工質對低溫余熱進行吸收從而產生高壓蒸汽，在高壓蒸汽下可推動膨脹機帶動發電機進行發電[1]。相對傳統的發電原理而言，有機朗肯循環系統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、化工等領域提供了一定的技術支持。目前，這些循環系統也可用在再生能源發電中，例如太陽能、太陽物質等。有機朗肯循環低溫余熱發電系統組成如圖1 所示[2]。

圖1 有機朗肯循環發電系統基本結構

1.2 特點與優勢

有機朗肯循環低溫余熱發電系統采用了有機工質從而代替了傳統的水推動渦輪機，并且在有機朗肯循環低溫余熱發電系統的原理中可以看出，低沸點的有機工質實現了低溫余熱的充分利用，提高了余熱利用效率，低沸點有機工質在工質泵增壓后可在預熱器、蒸發器吸收熱量轉變成蒸汽后產生能量輸出，如此循環可達到對低溫余熱資源的有效回收利用。在大量工業生產過程中產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象。因此可通過有機朗肯循環系統，對低溫余熱進行回收利用，從而使工業生產能夠達到節能減排標準，并且有機朗肯循環系統是一種新型環保的發電技術，在冷凝器與工質泵的組合下可達到低沸點、高蒸汽的運作效率。在有機朗肯循環系統中具有以下幾種優勢，首先是工作效率高相比傳統的水蒸氣循環發電技術，其有機朗肯循環系統不需要真空維持技術，并且系統構成相對簡單，通流面積也較小。其次，在余熱鍋爐中不需要設置過熱段，可直接以飽和氣體的形式進入透平膨脹做工。最后，有機朗肯循環系統可進行遠程控制，在單機容量范圍內可達到標準化生產工序，從而降低制造成本。在進行整合能源系統發電時，也可實現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 有機朗肯循環低溫余熱發電系統利用現狀

2.1 國外現狀

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進行有機朗肯循環系統。

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

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

Turboden 公司也是歐洲領先的發展和生產ORC渦輪式發電機的公司，能夠提供可再生能源和工業過程的熱回收產生熱量和電力的相關設備。

2.2 國內ORC 低溫余熱發電系統發展及問題分析

國內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，我國出現了大批ORC 低溫余熱發電系統成果，有些成果已經實現了投產，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務首先在國外取得了良好的應用業績，目前作為其重點業務之一，正在國內進行推廣應用。中船重工第七一二研究所掌握了大功率ORC 低溫余熱回收發電裝置的核心技術和知識產權。博爾能源成功研發了低溫余熱ORC 透平發電機組，且成功投入商業化運營，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 低溫余熱發電系統方面的研究已經在國內引起了足夠的重視，并取得了大量的可研性成果。

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

3 有機朗肯循環低溫余熱發電系統的選擇

3.1 循環系統熱力參數的選擇

在有機朗肯循環低溫余熱發電系統中，應對循環系統熱力參數進行確定。在一般情況下得到熱源后，其溫度與流量條件應符合循環系統熱力參數。其主要包含的參數為有機工質蒸發溫度、冷凝溫度、換熱溫差等。這些參數應進行確定與合理的選擇，若選擇不當則會對循環效率有一定的影響。

3.2 有機工質的選擇

對于有機朗肯循環低溫余熱系統中的有機工質，其經常被選用的工質有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。這些有機工質在低溫余熱循環發電系統中需要進行不同類型、不同種類、不同熱源的工質處理，并且工質的選擇也會影響到發電系統的發電效率。

3.3 膨脹機的選擇

膨脹機是有機朗肯循環低溫余熱發電系統中核心設備，主要是利用蒸汽出口在高溫高壓下進行蒸汽熱能轉化，從而為機械做出外做功的設備。膨脹機的主要工作原理：以螺桿膨脹機為例，是利用做功介質進入機內螺桿齒槽，并推動螺桿轉動完成做功，同時介質在做功過程中降壓降溫膨脹（或閃蒸），最后從齒槽內排出，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，最終驅動負載或直接驅動發電機進行發電等。其膨脹機在選擇時應根據工作性質與有機工質、結構等進行選擇，一般可分為速度式與容積式膨脹機。

3.4 發電機的選擇

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

4 結語

在采用有機朗肯低溫余熱循環發電系統時，應提高系統工作效率并根據不同的熱源特點進行有機工質、膨脹機、發電機的選擇。其中也包括對參數的確定、換熱器的設計等。同時，也需要對低溫余熱所具備的條件與需求進行分析，應因地制宜綜合利用有機朗肯循環系統，從而達到回收余熱的效果。