有机朗肯循环低温余热发电系统研究

唐辉辉

（晋能控股装备制造集团有限公司， 山西 晋城 048006）

0 引言

目前随着节能减排工作不断深入，低温余热资源的利用成为目前节能工作的首选。根据调查显示，我国低温余热资源非常丰富，特别是在化工、工业领域中存在大量的低温余热，可回收率达到80%以上。因此，利用有机朗肯循环发电系统对低温余热进行回收，进而充分回收用能设备与化学反应设备中产生的未被回收的低温余热。有机朗肯循环系统是利用低沸点工质为循环介质，在有机工质进换热器时可吸收热量，进而形成一定的压力与温度的饱和液体状态，在蒸发器再次吸收热量变成饱和气态工质推动膨胀机运行，做工后的有机乏气（工质）返回储液器循环利用，可实现回收低温余热的效果。由此可见，有机朗肯循环低温余热发电系统在我国有着较强的应用价值。本文主要分析有机朗肯循环低温余热发电系统的特点，并提出目前利用现状，以供参考。

1 有机朗肯循环低温余热发电系统阐述

1.1 工作原理

有机工质朗肯循环低温余热，是通过有机工质对低温余热进行吸收从而产生高压蒸汽，在高压蒸汽下可推动膨胀机带动发电机进行发电[1]。相对传统的发电原理而言，有机朗肯循环系统可有效达到对最低余热资源的利用。因此在回收低温余热时可有效拓展了回收渠道，为我国工业、化工等领域提供了一定的技术支持。目前，这些循环系统也可用在再生能源发电中，例如太阳能、太阳物质等。有机朗肯循环低温余热发电系统组成如图1 所示[2]。

图1 有机朗肯循环发电系统基本结构

1.2 特点与优势

有机朗肯循环低温余热发电系统采用了有机工质从而代替了传统的水推动涡轮机，并且在有机朗肯循环低温余热发电系统的原理中可以看出，低沸点的有机工质实现了低温余热的充分利用，提高了余热利用效率，低沸点有机工质在工质泵增压后可在预热器、蒸发器吸收热量转变成蒸汽后产生能量输出，如此循环可达到对低温余热资源的有效回收利用。在大量工业生产过程中产生的低温余热若不能进行有效的回收，不仅浪费了资源也容易造成二次污染的现象。因此可通过有机朗肯循环系统，对低温余热进行回收利用，从而使工业生产能够达到节能减排标准，并且有机朗肯循环系统是一种新型环保的发电技术，在冷凝器与工质泵的组合下可达到低沸点、高蒸汽的运作效率。在有机朗肯循环系统中具有以下几种优势，首先是工作效率高相比传统的水蒸气循环发电技术，其有机朗肯循环系统不需要真空维持技术，并且系统构成相对简单，通流面积也较小。其次，在余热锅炉中不需要设置过热段，可直接以饱和气体的形式进入透平膨胀做工。最后，有机朗肯循环系统可进行远程控制，在单机容量范围内可达到标准化生产工序，从而降低制造成本。在进行整合能源系统发电时，也可实现低品位能源提供高品位能源的效果，并且对污染物的排放进行了二次处理，有效保护了环境也解决了大量低温余热被浪费的情况[3]。

2 有机朗肯循环低温余热发电系统利用现状

2.1 国外现状

目前国外对于低温余热的研究相对较早，早在20 世纪初就可以利用苯醚为低温余热工质进行有机朗肯循环系统。

国外主要ORC 低温余热发电系统公司包括以色列的Ormat Technologies 公司、位于意大利的Turboden 公司（现为三菱重工业公司子公司），此外，德国、法国、美国也有多家公司在开展相关的研究和应用工作。

在国外的众多公司中，以以色列Ormat Technologies 公司的技术水平最为突出。该公司通过30 多年在最具挑战性的条件下使用改进，不断完善该项技术，目前可以实现将低、中、高温热能转化为电能，且Ormat 公司能够提供模块化解决方案，可以衍生应用于地热能，可再生能源和远程发电等多个领域。同时将行业标准设置的更加简单、可靠并保持低运营成本。

Turboden 公司也是欧洲领先的发展和生产ORC涡轮式发电机的公司，能够提供可再生能源和工业过程的热回收产生热量和电力的相关设备。

2.2 国内ORC 低温余热发电系统发展及问题分析

国内的主要制造单位包括开山股份，江西华电电力，博尔能源，浙江银轮机械，上海齐耀动力等。

目前，我国出现了大批ORC 低温余热发电系统成果，有些成果已经实现了投产，并取得了良好的运行效果。其中以开山股份为首，该公司的螺杆膨胀机业务首先在国外取得了良好的应用业绩，目前作为其重点业务之一，正在国内进行推广应用。中船重工第七一二研究所掌握了大功率ORC 低温余热回收发电装置的核心技术和知识产权。博尔能源成功研发了低温余热ORC 透平发电机组，且成功投入商业化运营，首套兆瓦级ORC 低温余热综合利用项目在包钢投入使用。

由此可见，ORC 低温余热发电系统方面的研究已经在国内引起了足够的重视，并取得了大量的可研性成果。

在有机朗肯循环低温余热发电系统中，有机工质作为最主要的核心内容对低温余热的回收有着决定性的作用。例如在工质冷凝压力较高的情况下，为了使有机功介质在低温下进行汽化，就需要采用沸点较低的介质进行处理[4]。

3 有机朗肯循环低温余热发电系统的选择

3.1 循环系统热力参数的选择

在有机朗肯循环低温余热发电系统中，应对循环系统热力参数进行确定。在一般情况下得到热源后，其温度与流量条件应符合循环系统热力参数。其主要包含的参数为有机工质蒸发温度、冷凝温度、换热温差等。这些参数应进行确定与合理的选择，若选择不当则会对循环效率有一定的影响。

3.2 有机工质的选择

对于有机朗肯循环低温余热系统中的有机工质，其经常被选用的工质有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等。这些有机工质在低温余热循环发电系统中需要进行不同类型、不同种类、不同热源的工质处理，并且工质的选择也会影响到发电系统的发电效率。

3.3 膨胀机的选择

膨胀机是有机朗肯循环低温余热发电系统中核心设备，主要是利用蒸汽出口在高温高压下进行蒸汽热能转化，从而为机械做出外做功的设备。膨胀机的主要工作原理：以螺杆膨胀机为例，是利用做功介质进入机内螺杆齿槽，并推动螺杆转动完成做功，同时介质在做功过程中降压降温膨胀（或闪蒸），最后从齿槽内排出，能量既可以从主轴阳螺杆输出，也可以通过同步齿轮从阴螺杆输出，最终驱动负载或直接驱动发电机进行发电等。其膨胀机在选择时应根据工作性质与有机工质、结构等进行选择，一般可分为速度式与容积式膨胀机。

3.4 发电机的选择

在有机朗肯循环低温余热系统中应对发电机进行选择。在选择时应考虑到系统控制等因素。例如异步发电机，其异步发电机对控制要求不高，但在热源不稳定的情况下会产生一定的变化。所以在选择时应考虑到功率、系统、运用范围等因素[5]。

4 结语

在采用有机朗肯低温余热循环发电系统时，应提高系统工作效率并根据不同的热源特点进行有机工质、膨胀机、发电机的选择。其中也包括对参数的确定、换热器的设计等。同时，也需要对低温余热所具备的条件与需求进行分析，应因地制宜综合利用有机朗肯循环系统，从而达到回收余热的效果。