有机朗肯循环(ORC)中低温余热发电与工业余热利用

有机朗肯循环(ORC)中低温余热发电技术与工业余热利用SchoolOfMechanicalEngineering关键设备与技术研究概况技术应用背景工业余热回收利用有机朗肯循环(ORC)余热发电技术建议和总结技术应用背景

余热余压利用工程是我国《节能中长期发展专项规划》中的十大重点节能工程之一。

根据《“十三五”节能减排综合性工作方案》，我国将加快推进工业节能，重点推进电力、煤炭、钢铁、有色金属、石油化工、化工、纺织、印染等行业节能减排，加快节能减排技术推广应用，加大对工业余热的综合梯级利用，加快推行合同能源管理。技术应用背景

我国钢铁冶金余热总量达15000万tce/a，目前平均余热回收水平仅为30%。主要原因在于我国现有技术难以回收数量庞大的中低温余热。因此，我国钢铁工业中有大量的中低温余热资源可供开发。

我国有色冶金行业存在大量的容易收集的温度在60℃以上的液态余热（如冷却水）及低压蒸汽，据不完全统计蕴含可用的热能约1800万tce/a，潜在发电能力相当于3/4个三峡工程发电量。

我国钢铁工业余热我国有色冶金工业余热技术应用背景我国建材工业余热水泥窑炉陶瓷窑炉玻璃窑炉技术应用背景

我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的10.3％、美国的28.6％。我国工业用能中近60-65%的能源转化为余热资源，其中温度低于350℃以下的低温余热，约占余热总量的60%，由于传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较为分散但总量巨大的能源。

常规水蒸汽朗肯循环发电系统图

1.系统构成复杂，锅炉给水需要除氧、除盐，在锅炉部件及管路上需要设置排污及疏放水管路；凝结器里需保持较高的真空度，要设置真空维持系统。2.透平进排气压力低，蒸汽体积较大，透平通流面积较大。3.通常透平进口蒸汽需具有一定的过热度，在余热锅炉中必然要设置过热蒸汽加热段，余热锅炉的结构比较复杂。4.需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。5.单机容量不能太小,系统满负荷运行率不高。6.一般只适用于烟气温度高于350℃以上的余热。

常规水蒸汽朗肯循环发电技术的特点

技术应用背景能源危机！中低品位热能的回收利用受到重视！如何有效地回收利用中低品位热能？有机工质朗肯循环发电技术技术（ORC)可高效回收中低温余热资源(350℃以下，低压或常压）对于提高我国能源利用率、节能减排，保护环境具有重要的意义。技术应用背景性能稳定，热回收效率高达10%-20%中低温余热发电解决方案有机工质朗肯循环余热发电技术(ORC)(OrganicRankineCycle)有机工质朗肯循环余热发电技术(ORC)～冷却塔有机工质余热锅炉加压泵储液罐有机透平发电机凝汽器冷却泵中低温烟气烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电系统示意图

有机工质朗肯循环余热发电原理

有机工质朗肯循环,即在传统朗肯循环中采用有机工质代替水推动膨胀机做功。上图为有机工质朗肯循环发电系统示意图。

低压液态有机工质经过工质泵增压后进入蒸发器吸收热量转变为高温高压蒸气,高温高压有机工质蒸气推动膨胀机做功,产生能量输出，膨胀机出口的低压蒸气进入冷凝器,向低温热源放热并冷凝为液态,如此往复循环。

有机工质朗肯循环余热发电原理

有机朗肯循环系统能够实现余热回收发电的最低余热资源温度可到80℃，（这一温度还可降低，但发电效率会降低，影响经济性）这是常规发电技术不能做到的（常规发电要求热源温度在350℃以上），从而拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为建材、冶金、化工等行业的低温余热资源回收提供了技术手段和设备。

同时，这项技术还可以推广到可再生能源发电系统中（如地热、太阳能和生物质能），为可再生能源发电提供关键技术和设备。余热温度范围：80－350℃余热的形态：烟气，蒸汽，热水可以扩展的应用：地热利用、太阳能利用、生物质能。

可利用的余热需要根据具体环境、条件及应用需求进行系统设计。关键设备与技术研究概况技术应用背景工业余热回收利用有机朗肯循环(ORC)余热发电技术建议和总结国外的研究应用状况

八十年代美国研制出利用地热水发电的汽水两相螺杆膨胀机，功率60KW，并完成一台1000KW地热水发电机组。随后，日本北海道大学进行了氟利昂工质的发电试验，且进行了工业锅炉余热发电研究，功率102KW。近年来，美国，德国，以色列，瑞典都有相关研究和产品应用报导。不同国家ORC发电机组的装机数量国外的研究应用状况

国外ORC技术已成功商业化，涌现出许多ORC设计与制造厂，如美国ORMAT公司、意大利Turboden、德国GMK公司等，普惠、GE、三菱等著名叶轮机械设计制造企业也成立了专门的ORC公司。国内的研究应用状况

国内对于ORC发电技术的研究较多，目前仍需要深入解决理论研究与工程实际相结合问题，ORC发电系统的工程化应用仍需要有多项关键技术攻克。

我校在有机工质朗肯循环发电的研究

天津大学热能工程系和教育部“中低温热能高效利用”重点实验室对有机工质的热物理性质及热力循环的研究水平位居国内领先水平，在ORC技术的理论与实验研究中均取得了具有实用价值的成果。

早在上世纪70年代，即建成了国内首台ORC太阳能热发电（1kW）实验系统，并取得了大量运行实验数据，近年，发表多篇关于ORC系统的理论实验研究论文，同时拥有多项关于有机工质及ORC系统构成的发明及实用新型专利。关键设备与技术研究概况技术应用背景工业余热回收利用有机朗肯循环(ORC)余热发电技术建议和总结有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一螺杆膨胀机简介螺杆膨胀机的基本构造

螺杆膨胀机是一种依据容积变化原理工作的双轴回转式螺杆机械。它的结构与螺杆压缩机基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋形阴、阳转子平行地置于气缸中。结构简图螺杆膨胀机的工作原理

作功介质先进入机内螺杆齿槽A，推动螺杆转动，随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐渐加长、容积增大，介质降压降温膨胀（或闪蒸）做功，最后从齿槽排出，功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱动风机、压缩机、水泵或发电机发电等。螺杆膨胀机的应用

螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW～1000kW之间，弥补了蒸汽轮机单机功率不能太小的空间。对于有压力的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机对于<350℃的无压力的余热流体，利用有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统。还可以用到太阳能、地热能等中低温可再生能源发电项目中去

有机工质循环螺杆膨胀机系统用于低温余热回收利用，有广阔的技术发展空间（1）螺杆膨胀机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流体、（带压）热水及无压热流体的动力机械，可以回收不同种类的工业余热；（2）螺杆膨胀机还适用于高盐份的碱性流体，能除垢自洁，而且结垢有利于提高机器效率，因而对余热流体品质要求不高，扩大了应用范围；（3）当余热热源不稳定，参数变化时，机组效率表现稳定。螺杆膨胀机允许热源压力、流量在大范围内波动，对机组效率影响不大；螺杆膨胀机为容积式工作原理，机内流速低，除泄漏损失外，很少其他损失，机组效率较高，即使蒸汽参数或负荷变动仍能保持高效率。螺杆膨胀机的技术特点（4）螺杆膨胀机运行不用盘车、不暖机、不会飞车，可以直接冲转启动，操作简单，可实现无人职守，维修容易，不需要专门的专业技术人员，很适合工矿企业使用；（5）螺杆膨胀机的零部件少。螺杆转子坚固，大修周期长，小修简单，运行维护费用很低；（6）可调速，作为动力机使用，如拖动给水泵或灰浆水泵，拖动风机，压缩机可以根据要求灵活变速，使用方便。螺杆膨胀机的技术特点单螺杆膨胀机有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一涡轮机（透平）简介涡轮机（透平）的应用

特点：功率密度高，适用于50-5000kW，用于余热量较大的场合，在余热量大的场合，可体现出占地小，效率高，造价低的优势。涡轮机（透平）的应用涡轮机一般分为轴流式透平和径流式透平两种。工质流动的方向与动叶轮转轴大致平行的称为轴流式膨胀透平；工质流动的方向与动叶轮转轴大致垂直的称为径流式膨胀透平；类型：速度型参考功率：50~5000kW成本：高适用于中小型系统功率高；变工况性能较差；转速高，对轴承及其密封要求较高类型：速度型参考功率：>100kW成本：高流量大，适用于中大型系统；用于小流量系统时泄漏大，效率低轴流透平膨胀机径向透平膨胀机有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一热交换器热交换器的设计

需要根据余热的类型和特点设计热交换器，包括蒸发器，冷凝器，预热器等；同时需要考虑防腐，防磨和除灰除垢和降低阻力等问题。有机工质朗肯循环中低温余热发电关键技术之一有机工质的优选

对于有机工质循环，经常选用的工质有R123、R245fa、R134a、R152a、R141b、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等。在余热发电系统中，对于不同类型，不同温度的热源应当选择不同的工质，工质的优选也会影响到系统的效率。工质优选不同工质的T-S曲线工质优选根据热源温度不同，有机工质的优化选择参考工质优选ORC发电系统图热力学循环过程图R245fa的优化目标函数随冷凝温度的变化不同工质综合评价函数随冷凝温度的变化有机工质朗肯循环中低温余热发电关键技术之一发电系统优化设计发电系统优化设计

有机工质朗肯循环的热力系统设计（包括系统热力参数的确定、工质选择、热交换器设计等），会直接影响系统的运行效率。在得到热源的温度和流量等条件后，需要确定有机工质的蒸发温度、冷凝温度以及换热温差等，这些参数会对循环效率有较大的影响。

蒸发温度和膨胀比对ORC系统（R245fa)㶲效率的影响热力过程和经济性估算A有机工质蒸汽动力循环B有机工质汽液两相动力循环例如：余热热源为220℃的烟气，流量为2.5万m3/h，冷却水温度为25℃。采用有机工质循环方式，以R245fa作为循环工质，在扣除工质泵耗功、冷却水泵耗功之后，计算表明，每小时大约可以发出100度的电。关键设备与技术研究概况技术应用背景工业余热回收利用有机朗肯循环(ORC)余热发电技术建议和总结工业余热回收利用技术参数热源类型迴转窑排烟膨胀机绝热效率0.75热源温度240℃有机工质泵效率0.5热源流量33万方/小时发电机发电功率0.98烟气排压0.1MPa循环工质流量120℃有机工质R113冷凝器温度45℃冷却水泵效率0.5冷却水进口温度27℃冷却水流量475.8kg/s冷却水出口温度35℃系统净功率1641kW系统净效率14.87%1641KWX0.6元/度7884hX=776.3万元/年投资回收期约2~3年。1:迴转窑排烟余热利用工业余热回收利用2：卡琳娜循环发电技术卡琳娜循环发电系统是一种利用氨和水混合物作为工作介质的新型、高效的动力循环系统。在一定的系统压力下，氨-水混合物的沸点和凝固点不是定值，而是随混合物中氨的浓度不同而变化，混合物在循环过程中变温蒸发，降低了工质吸热和凝结过程的不可逆性，改善了热源与工质的匹配性能，提高了余热热源的利用率。工业余热回收利用基于卡琳娜循环的燃煤电厂烟气余热发电关键设备研制与示范25kW卡琳娜循环实验系统图工业余热回收利用3：小温差ORC螺杆膨胀动力机组小温差ORC膨胀螺杆动力机组稳定运行工业余热回收利用30~50℃的余热：采用热泵技术为可考虑的方案之一；50~80℃的余热：可以直接用于吸附、吸收制冷的驱动源或者用来加热、干燥等；80~350℃的余热：有机朗肯循环技术、卡琳娜循环技术；大于350℃的余热

：一般用水蒸汽朗肯循环；大于470℃