1、 有机朗肯循环有机朗肯循环(ORC)(ORC)中中低温低温余热余热发电技术发电技术介绍介绍天津大学机械工程学院天津大学机械工程学院李惟毅李惟毅 2014.11.52014.11.52Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.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？技术应用背景技术应用背景3Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.技术应用背景技术应用背景 余热余压利用工程是我国余热余压利用工程是我国节能中长期发展专节能中长期发展专项规划项规划中的十大重点节能工程之一。目前在我中的十大重
2、点节能工程之一。目前在我国工业的各个领域中存在大量的低温余热资源（国工业的各个领域中存在大量的低温余热资源（350350以下，低压或常压），由于缺乏有效的技术以下，低压或常压），由于缺乏有效的技术手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作手段而没有得到充分利用，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。而利用有机工质朗肯为分散但总量巨大的能源。而利用有机工质朗肯循环，开发新型、高效的低温余热发电系统，对循环，开发新型、高效的低温余热发电系统，对于提高我国能源利用率、节能减排，保护环境具于提高我国能源利用率、节能
3、减排，保护环境具有重要的意义。有重要的意义。4Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率目前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低下。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的的10.310.3、美国的、美国的28.628.6。我国工业用能中近。我国工业用能中近60-60-65%65%的能源转化为余热资源，其中温度低于的能源转化为余热资源，其中温度低于350350以下的低温余热，约占余热总量的以下的低温余热，约占余热总量的60%60%，目前技术，目前技术实现对其有效的回收利用
4、较低。实现对其有效的回收利用较低。技术应用背景技术应用背景5Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.6Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.常规水蒸汽朗肯循环发电技术的特点常规水蒸汽朗肯循环发电技术的特点1.1.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。，要设置真空维持系统。2.2.透平进排气压力低，蒸汽体积较大，透平通
5、流面积较大。透平进排气压力低，蒸汽体积较大，透平通流面积较大。3.3.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。设置过热蒸汽加热段，余热锅炉的结构比较复杂。4.4.需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。5.5.单机容量不能太小单机容量不能太小,系统满负荷运行率不高。系统满负荷运行率不高。6.6.一般只适用于烟气温度高于一般只适用于烟气温度高于350350以上的余热。以上的余热。(Organic(Organic RankineRankine Cy
6、cle)Cycle)中低温余热发电解决方案中低温余热发电解决方案8Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.烟气余热有机朗肯循环（烟气余热有机朗肯循环（ORCORC）发电系统示意图）发电系统示意图9Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.有机工质朗肯循环余热发电原理有机工质朗肯循环余热发电原理 有机工质朗肯循环有机工质朗肯循环 ,即在传统朗肯循环中采用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。上图为有机工质代替水推动膨胀机做功。上图为有机工有机工质朗肯循环发电系统质朗肯循环发电系统示意图。低压液态有机工质示
7、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温高压蒸气 ,高温高压有机工质蒸气推动膨胀机高温高压有机工质蒸气推动膨胀机做功做功,产生能量输出，膨胀机出口的低压蒸气进入产生能量输出，膨胀机出口的低压蒸气进入冷凝器冷凝器 ,向低温热源放热并冷凝为液态向低温热源放热并冷凝为液态,如此往复如此往复循环。循环。10Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.有机工质朗肯循环余热发电原理有机工质朗肯循环余热发电原理 有机工质朗肯循环系统能够实现余热回收和发电的最有机工质朗肯循环系统能够实现余热回收和
8、发电的最低余热资源温度低余热资源温度可到可到8080，（这一温度还可降低，但，（这一温度还可降低，但发电效率会降低，影响经济性）发电效率会降低，影响经济性）这是常规发电技术不这是常规发电技术不能做到的（常规发电要求热源温度在能做到的（常规发电要求热源温度在350350以上），以上），从而拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为从而拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为建材、建材、冶金、化工冶金、化工等行业的低温余热资源回收提供了技术手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段和设备。同时，这项技术还可以推广到可再生能源可再生能源发电发电系统中，（如地热、太阳能和生物质
9、能）为可再系统中，（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。生能源发电提供关键技术和设备。11Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.可利用的余热可利用的余热余热温度范围：余热温度范围：80350余热的形态：余热的形态：烟气，蒸汽，热水烟气，蒸汽，热水可以扩展的应用：可以扩展的应用：地热利用、太阳能利用、生物质能。地热利用、太阳能利用、生物质能。需要根据具体环境、条件及应用需求进行需要根据具体环境、条件及应用需求进行系统设计系统设计。12Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.国外的研究应用状
10、况国外的研究应用状况 七十年代末，美国研制出利用地热水发电的汽七十年代末，美国研制出利用地热水发电的汽水两相螺杆膨胀机，功率水两相螺杆膨胀机，功率60KW60KW。八十年代后期美。八十年代后期美国完成一台国完成一台1000KW1000KW地热水发电机组，随后，日本地热水发电机组，随后，日本北海道大学进行了氟利昂工质的发电试验，北海道大学进行了氟利昂工质的发电试验，8080年年代后期，日本进行了工业锅炉余热发电研究，功代后期，日本进行了工业锅炉余热发电研究，功率率102KW102KW。近年来，美国，德国，以色列，瑞典都。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。有相关研究和产品
11、应用报导。13Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.我校在有机工质朗肯循环发电的研究我校在有机工质朗肯循环发电的研究 天津大学天津大学热能工程系热能工程系和和教育部教育部“中低温热能中低温热能高效利用高效利用”重点实验室重点实验室对有机工质的热物理性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，质及热力循环的研究水平位居国内领先水平，在在ORCORC技术的理论与实验研究中均取得了具有技术的理论与实验研究中均取得了具有实用价值的成果，早在上世纪实用价值的成果，早在上世纪7070年代，即建成年代，即建成了国内首台了国内首台ORCORC太阳能热
12、发电（太阳能热发电（1kW1kW）实验系统实验系统，并取得了大量运行实验数据，近年，发表多，并取得了大量运行实验数据，近年，发表多篇关于篇关于ORCORC系统的理论实验研究论文，同时拥系统的理论实验研究论文，同时拥有多项关于有机工质及有多项关于有机工质及ORCORC系统构成的发明及系统构成的发明及实用新型专利实用新型专利 。14Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.有机工质朗肯循环余热发电关键设备与技术有机工质朗肯循环余热发电关键设备与技术1.1.螺杆膨胀机螺杆膨胀机2.2.涡轮机（透平）涡轮机（透平）3.3.热交换器热交换器4.4.有机工质优选有机工
13、质优选5.5.发电系统优化设计发电系统优化设计有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一关键设备之一螺杆膨胀机简介螺杆膨胀机简介16Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.螺杆膨胀机的基本构造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、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成
14、，结构简单，其气缸呈两圆相交的，结构简单，其气缸呈两圆相交的“”字形字形，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋，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。形阴、阳转子平行地置于气缸中。17Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.结构简图结构简图18Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.19Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.螺杆膨胀机的工作原理螺杆膨胀机的工作原理 作功介质先进入机内螺杆齿槽作功介质先进入机内螺杆齿槽A A，推动螺杆，推动螺杆
15、转动，随着螺杆转动，齿槽转动，随着螺杆转动，齿槽A A旋转到旋转到B B、C C、D D逐逐渐加长、容积增大，介质降压降温膨胀（或闪渐加长、容积增大，介质降压降温膨胀（或闪蒸）做功，最后从齿槽蒸）做功，最后从齿槽E E排出，功率从主轴阳螺排出，功率从主轴阳螺杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱驱动风机、压缩机、水泵或发电机发电等动风机、压缩机、水泵或发电机发电等。20Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.螺杆膨胀机的应用螺杆膨胀机的应用 螺杆膨胀机的输出功率可以在螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW5kW1000k
16、W1000kW之间之间，弥补了蒸汽，弥补了蒸汽轮机单机功率不能太小的空间。轮机单机功率不能太小的空间。对于对于有压力有压力的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机 对于对于350350的无压力的无压力的余热流体，利用有机工质朗肯循环螺杆的余热流体，利用有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统。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、地热太阳能、地热能等中低温可再生能源发电项目能等中低温可再生能源发电项目中去。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
17、的技术发展空间。广阔的技术发展空间。21Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.螺杆膨胀机作为余热回收动力机，具有的技术特点螺杆膨胀机作为余热回收动力机，具有的技术特点（1 1）螺杆膨胀机适用于）螺杆膨胀机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流体、（带压）热水及无压热流体体、（带压）热水及无压热流体的动力机械，可以回收的动力机械，可以回收不同种类的工业余热；不同种类的工业余热；（2 2）螺杆膨胀机还适用于）螺杆膨胀机还适用于高盐份的碱性高盐份的碱性流体，能流体，能除垢自洁除垢自洁，而且，而且结垢有利于提高机器效率结垢有利于提高
18、机器效率，因而对余热流体品质，因而对余热流体品质要求不高，扩大了应用范围；要求不高，扩大了应用范围；（3 3）当余热热源不稳定，参数变化时，机组效率表现稳定当余热热源不稳定，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。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，机组效率影响不大；螺杆膨胀机为容积式工作原理机，机内流速低，除泄漏损失外，很少其他损失，机组效率机内流速低，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。较高，即使蒸汽参数或负荷变动仍能保持高效率。22Depart.Th
19、ermal Energy&Refrigeration Eng.（4 4）螺杆膨胀机运行不用盘车、不暖机、不会飞车，可）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，很适合工矿企业容易，不需要专门的专业技术人员，很适合工矿企业使用；使用；（5 5）螺杆膨胀机的零部件少。螺杆转子坚固，大修周期）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；长，小修简单，运行维护费用很低；（6 6）可调速，作为动力机使用可调速，作为动力机使用，如拖动给水泵或灰浆水，
20、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，使用泵，拖动风机，压缩机可以根据要求灵活变速，使用方便。方便。23Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.我国对螺杆膨胀机的研究始于上世纪我国对螺杆膨胀机的研究始于上世纪8080年代。年代。天天津大学热能工程系在津大学热能工程系在19871987年研制成功汽液两相地热年研制成功汽液两相地热螺杆膨胀机发电装置螺杆膨胀机发电装置 (功率为功率为5kw)5kw)。此后，对螺杆此后，对螺杆膨胀机进行了系统的理论和试验研究。近年来，由膨胀机进行了系统的理论和试验研究。近年来，由于节能减排的需求，在前期研
21、究基础上，完成了有于节能减排的需求，在前期研究基础上，完成了有机工质循环螺杆膨胀机的热力循环研究、有机工质机工质循环螺杆膨胀机的热力循环研究、有机工质应用研究、装置结构研究和系统优化配置研究等项应用研究、装置结构研究和系统优化配置研究等项工作，并取得了一定的技术成果。工作，并取得了一定的技术成果。24Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.单螺杆膨胀机单螺杆膨胀机有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一关键设备之一涡轮机（透平）涡轮机（透平）26Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng
22、.27Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.涡轮机（透平）的应用涡轮机（透平）的应用特点：特点：功率密度高功率密度高 适用于适用于500-4000kW 用于余热量较大的场合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，在余热量大的场合，可体现出占地小，效率高，造价低的优势。造价低的优势。有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发电关键设备之一关键设备之一热交换器热交换器29Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.热交换器的设计热交换器的设计 需要根据余热的类型和特点设计热交换需要
23、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。器。包括蒸发器，冷凝器，预热器等。同时需要考虑防腐，防磨和除灰除垢和同时需要考虑防腐，防磨和除灰除垢和降低降低阻阻力等问题。力等问题。有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发电关键技术之一关键技术之一有机工质优选有机工质优选31Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.有机工质的选择有机工质的选择 对于有机工质循环，经常选用的工质有对于有机工质循环，经常选用的工质有R123R123、R245faR245fa、R134aR134a、R152aR152a、氯乙烷、氯乙烷、丙烷、正
24、丁烷、异丁烷等。丙烷、正丁烷、异丁烷等。在余热发电系在余热发电系统中，对于不同类型，不同温度的热源应统中，对于不同类型，不同温度的热源应当选择不同的工质，当选择不同的工质，工质的优选也会影响工质的优选也会影响到系统的效率。到系统的效率。32Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.对于工质的选择要求对于工质的选择要求（1 1）发电性能好，在相同条件下，实际发电量较大；）发电性能好，在相同条件下，实际发电量较大；（2 2）传热性能好，在相同条件下，换热系数较大；）传热性能好，在相同条件下，换热系数较大；（3 3）工质的压力水平适宜，在相应的热源温度下，工）工
25、质的压力水平适宜，在相应的热源温度下，工质的饱和压力不很高；在冷源温度下，不会出现高质的饱和压力不很高；在冷源温度下，不会出现高度真空；度真空；（4 4）来源丰富，价格低廉；）来源丰富，价格低廉；（5 5）化学稳定性好，不分解，对金属的腐蚀性小，毒）化学稳定性好，不分解，对金属的腐蚀性小，毒性小，不燃，不爆。性小，不燃，不爆。33Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.4321蒸发器冷凝器循环泵发电机G汽轮机ORC发电系统图热力学循环过程图工工质质选选择择不同工质经济效率随蒸发温度的变化34Depart.Thermal Energy&Refrigerat
26、ion Eng.混合工质用于有机朗肯循环的研究混合工质用于有机朗肯循环的研究 可改善系统工作特性可改善系统工作特性 可提高发电效率可提高发电效率有机工质朗肯循环中低温余热发电有机工质朗肯循环中低温余热发电关键技术关键技术之一之一发电发电系统优化设计系统优化设计36Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.有机工质朗肯循环发电系统的优化设计有机工质朗肯循环发电系统的优化设计 有机工质朗肯循环的热力系统设计（包括系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
27、。等）。会直接影响系统的运行效率。在得到热在得到热源的温度和流量等条件后，需要确定有机工质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。参数会对循环效率有较大的影响。37Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.有机工质循环热力过程有机工质循环热力过程A 有机工质蒸汽动力循环 B 有机工质汽液两相动力循环 38Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.经济性估算经济性估算 例如：例如：余热热源为余热热源为220220
28、的烟气，流量为的烟气，流量为2.52.5万万m m3 3/h/h，冷却水温度为，冷却水温度为2525。采用有机工质循环方式，以采用有机工质循环方式，以R245faR245fa作为循环工质作为循环工质，在扣除工质泵耗功，冷却水泵耗功之后，计算，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表明，每小时大约可以发出100100度的电。度的电。1.1.首先要对企业的余热资源及用能情况进行调研评估首先要对企业的余热资源及用能情况进行调研评估2.2.建议首先考虑余热直接利用的建议首先考虑余热直接利用的方式方式,遵循遵循“温度对口，温度对口，梯次利用梯次利用”的的原则原则3 3.余热余热
29、发电是余热利用的有效方式之一，不是唯一发电是余热利用的有效方式之一，不是唯一4.4.对余热利用方案从热利用效率和经济性两个方面评价对余热利用方案从热利用效率和经济性两个方面评价 对于企业余热余压资源回收利用的几点建议对于企业余热余压资源回收利用的几点建议40Depart.Thermal Energy&Refrigeration Eng.总结总结余热利用要对企业的余热资源及用能情况调研评估，建议首余热利用要对企业的余热资源及用能情况调研评估，建议首先考虑余热直接利用的方式，遵循先考虑余热直接利用的方式，遵循“温度对口，梯次利用温度对口，梯次利用”的原则。余热发电是余热利用的有效方式之一，不是唯一
30、。的原则。余热发电是余热利用的有效方式之一，不是唯一。采用有机工质朗肯循环余热发电系统是一种适用于采用有机工质朗肯循环余热发电系统是一种适用于350350低低温余热回收技术。温余热回收技术。可以应用于可以应用于化工、冶金、纺织、建材、电力、医药等工业领化工、冶金、纺织、建材、电力、医药等工业领域，还可以推广到可再生能源发电领域中去。域，还可以推广到可再生能源发电领域中去。为提高系统效率，根据不同的余热热源特点，要进行系统的为提高系统效率，根据不同的余热热源特点，要进行系统的优化设计，包括循环热力参数确定，工质的选择，换热器设优化设计，包括循环热力参数确定，工质的选择，换热器设计等。计等。有机工质朗肯循环膨胀动力机不仅可以带动发电机发电，还有机工质朗肯循环膨胀动力机不仅可以带动发电机发电，还可以作为动力机拖动压缩机、泵和风机工作，作为动力机具可以作为动力机拖动压缩机、泵和风机工作，作为动力机具有良好的调速性能。有良好的调速性能。谢谢 谢！谢！
