有機朗肯循環(ORC)中低溫余熱發電技術與工業余熱利用SchoolOfMechanicalEngineering關鍵設備與技術研究概況技術應用背景工業余熱回收利用有機朗肯循環(ORC)余熱發電技術建議和總結技術應用背景

余熱余壓利用工程是我國《節能中長期發展專項規劃》中的十大重點節能工程之一。

根據《“十三五”節能減排綜合性工作方案》，我國將加快推進工業節能，重點推進電力、煤炭、鋼鐵、有色金屬、石油化工、化工、紡織、印染等行業節能減排，加快節能減排技術推廣應用，加大對工業余熱的綜合梯級利用，加快推行合同能源管理。技術應用背景

我國鋼鐵冶金余熱總量達15000萬tce/a，目前平均余熱回收水平僅為30%。主要原因在于我國現有技術難以回收數量龐大的中低溫余熱。因此，我國鋼鐵工業中有大量的中低溫余熱資源可供開發。

我國有色冶金行業存在大量的容易收集的溫度在60℃以上的液態余熱（如冷卻水）及低壓蒸汽，據不完全統計蘊含可用的熱能約1800萬tce/a，潛在發電能力相當于3/4個三峽工程發電量。

我國鋼鐵工業余熱我國有色冶金工業余熱技術應用背景我國建材工業余熱水泥窯爐陶瓷窯爐玻璃窯爐技術應用背景

我國能源形勢嚴峻的根本原因在于用能效率低下。我國每噸標準煤的產出效率僅相當于日本的10.3％、美國的28.6％。我國工業用能中近60-65%的能源轉化為余熱資源，其中溫度低于350℃以下的低溫余熱，約占余熱總量的60%，由于傳統發電技術的工作參數大多為高參數、大容量，無法利用這部分較為分散但總量巨大的能源。

常規水蒸汽朗肯循環發電系統圖

1.系統構成復雜，鍋爐給水需要除氧、除鹽，在鍋爐部件及管路上需要設置排污及疏放水管路；凝結器里需保持較高的真空度，要設置真空維持系統。2.透平進排氣壓力低，蒸汽體積較大，透平通流面積較大。3.通常透平進口蒸汽需具有一定的過熱度，在余熱鍋爐中必然要設置過熱蒸汽加熱段，余熱鍋爐的結構比較復雜。4.需要較多的運行、維修人員，運行成本較高。5.單機容量不能太小,系統滿負荷運行率不高。6.一般只適用于煙氣溫度高于350℃以上的余熱。

常規水蒸汽朗肯循環發電技術的特點

技術應用背景能源危機！中低品位熱能的回收利用受到重視！如何有效地回收利用中低品位熱能？有機工質朗肯循環發電技術技術（ORC)可高效回收中低溫余熱資源(350℃以下，低壓或常壓）對于提高我國能源利用率、節能減排，保護環境具有重要的意義。技術應用背景性能穩定，熱回收效率高達10%-20%中低溫余熱發電解決方案有機工質朗肯循環余熱發電技術(ORC)(OrganicRankineCycle)有機工質朗肯循環余熱發電技術(ORC)～冷卻塔有機工質余熱鍋爐加壓泵儲液罐有機透平發電機凝汽器冷卻泵中低溫煙氣煙氣余熱有機朗肯循環（ORC）發電系統示意圖

有機工質朗肯循環余熱發電原理

有機工質朗肯循環,即在傳統朗肯循環中采用有機工質代替水推動膨脹機做功。上圖為有機工質朗肯循環發電系統示意圖。

低壓液態有機工質經過工質泵增壓后進入蒸發器吸收熱量轉變為高溫高壓蒸氣,高溫高壓有機工質蒸氣推動膨脹機做功,產生能量輸出，膨脹機出口的低壓蒸氣進入冷凝器,向低溫熱源放熱并冷凝為液態,如此往復循環。

有機工質朗肯循環余熱發電原理

有機朗肯循環系統能夠實現余熱回收發電的最低余熱資源溫度可到80℃，（這一溫度還可降低，但發電效率會降低，影響經濟性）這是常規發電技術不能做到的（常規發電要求熱源溫度在350℃以上），從而拓寬了可以回收發電的余熱資源范圍，為建材、冶金、化工等行業的低溫余熱資源回收提供了技術手段和設備。

同時，這項技術還可以推廣到可再生能源發電系統中（如地熱、太陽能和生物質能），為可再生能源發電提供關鍵技術和設備。余熱溫度范圍：80－350℃余熱的形態：煙氣，蒸汽，熱水可以擴展的應用：地熱利用、太陽能利用、生物質能。

可利用的余熱需要根據具體環境、條件及應用需求進行系統設計。關鍵設備與技術研究概況技術應用背景工業余熱回收利用有機朗肯循環(ORC)余熱發電技術建議和總結國外的研究應用狀況

八十年代美國研制出利用地熱水發電的汽水兩相螺桿膨脹機，功率60KW，并完成一臺1000KW地熱水發電機組。隨后，日本北海道大學進行了氟利昂工質的發電試驗，且進行了工業鍋爐余熱發電研究，功率102KW。近年來，美國，德國，以色列，瑞典都有相關研究和產品應用報導。不同國家ORC發電機組的裝機數量國外的研究應用狀況

國外ORC技術已成功商業化，涌現出許多ORC設計與制造廠，如美國ORMAT公司、意大利Turboden、德國GMK公司等，普惠、GE、三菱等著名葉輪機械設計制造企業也成立了專門的ORC公司。國內的研究應用狀況

國內對于ORC發電技術的研究較多，目前仍需要深入解決理論研究與工程實際相結合問題，ORC發電系統的工程化應用仍需要有多項關鍵技術攻克。

我校在有機工質朗肯循環發電的研究

天津大學熱能工程系和教育部“中低溫熱能高效利用”重點實驗室對有機工質的熱物理性質及熱力循環的研究水平位居國內領先水平，在ORC技術的理論與實驗研究中均取得了具有實用價值的成果。

早在上世紀70年代，即建成了國內首臺ORC太陽能熱發電（1kW）實驗系統，并取得了大量運行實驗數據，近年，發表多篇關于ORC系統的理論實驗研究論文，同時擁有多項關于有機工質及ORC系統構成的發明及實用新型專利。關鍵設備與技術研究概況技術應用背景工業余熱回收利用有機朗肯循環(ORC)余熱發電技術建議和總結有機工質朗肯循環中低溫余熱發電關鍵設備之一螺桿膨脹機簡介螺桿膨脹機的基本構造

螺桿膨脹機是一種依據容積變化原理工作的雙軸回轉式螺桿機械。它的結構與螺桿壓縮機基本相同，主要由一對螺桿轉子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯軸節等零件組成，結構簡單，其氣缸呈兩圓相交的“∞”字形，兩根按一定傳動比反向旋轉相互嚙合的螺旋形陰、陽轉子平行地置于氣缸中。結構簡圖螺桿膨脹機的工作原理

作功介質先進入機內螺桿齒槽A，推動螺桿轉動，隨著螺桿轉動，齒槽A旋轉到B、C、D逐漸加長、容積增大，介質降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽排出，功率從主軸陽螺桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅動風機、壓縮機、水泵或發電機發電等。螺桿膨脹機的應用

螺桿膨脹機的輸出功率可以在5kW～1000kW之間，彌補了蒸汽輪機單機功率不能太小的空間。對于有壓力的余熱流體，可直接利用螺桿膨脹機對于<350℃的無壓力的余熱流體，利用有機工質朗肯循環螺桿膨脹機系統有機工質朗肯循環螺桿膨脹機系統。還可以用到太陽能、地熱能等中低溫可再生能源發電項目中去

有機工質循環螺桿膨脹機系統用于低溫余熱回收利用，有廣闊的技術發展空間（1）螺桿膨脹機適用于過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相流體、（帶壓）熱水及無壓熱流體的動力機械，可以回收不同種類的工業余熱；（2）螺桿膨脹機還適用于高鹽份的堿性流體，能除垢自潔，而且結垢有利于提高機器效率，因而對余熱流體品質要求不高，擴大了應用范圍；（3）當余熱熱源不穩定，參數變化時，機組效率表現穩定。螺桿膨脹機允許熱源壓力、流量在大范圍內波動，對機組效率影響不大；螺桿膨脹機為容積式工作原理，機內流速低，除泄漏損失外，很少其他損失，機組效率較高，即使蒸汽參數或負荷變動仍能保持高效率。螺桿膨脹機的技術特點（4）螺桿膨脹機運行不用盤車、不暖機、不會飛車，可以直接沖轉啟動，操作簡單，可實現無人職守，維修容易，不需要專門的專業技術人員，很適合工礦企業使用；（5）螺桿膨脹機的零部件少。螺桿轉子堅固，大修周期長，小修簡單，運行維護費用很低；（6）可調速，作為動力機使用，如拖動給水泵或灰漿水泵，拖動風機，壓縮機可以根據要求靈活變速，使用方便。螺桿膨脹機的技術特點單螺桿膨脹機有機工質朗肯循環中低溫余熱發電關鍵設備之一渦輪機（透平）簡介渦輪機（透平）的應用

特點：功率密度高，適用于50-5000kW，用于余熱量較大的場合，在余熱量大的場合，可體現出占地小，效率高，造價低的優勢。渦輪機（透平）的應用渦輪機一般分為軸流式透平和徑流式透平兩種。工質流動的方向與動葉輪轉軸大致平行的稱為軸流式膨脹透平；工質流動的方向與動葉輪轉軸大致垂直的稱為徑流式膨脹透平；類型：速度型參考功率：50~5000kW成本：高適用于中小型系統功率高；變工況性能較差；轉速高，對軸承及其密封要求較高類型：速度型參考功率：>100kW成本：高流量大，適用于中大型系統；用于小流量系統時泄漏大，效率低軸流透平膨脹機徑向透平膨脹機有機工質朗肯循環中低溫余熱發電關鍵設備之一熱交換器熱交換器的設計

需要根據余熱的類型和特點設計熱交換器，包括蒸發器，冷凝器，預熱器等；同時需要考慮防腐，防磨和除灰除垢和降低阻力等問題。有機工質朗肯循環中低溫余熱發電關鍵技術之一有機工質的優選

對于有機工質循環，經常選用的工質有R123、R245fa、R134a、R152a、R141b、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在余熱發電系統中，對于不同類型，不同溫度的熱源應當選擇不同的工質，工質的優選也會影響到系統的效率。工質優選不同工質的T-S曲線工質優選根據熱源溫度不同，有機工質的優化選擇參考工質優選ORC發電系統圖熱力學循環過程圖R245fa的優化目標函數隨冷凝溫度的變化不同工質綜合評價函數隨冷凝溫度的變化有機工質朗肯循環中低溫余熱發電關鍵技術之一發電系統優化設計發電系統優化設計

有機工質朗肯循環的熱力系統設計（包括系統熱力參數的確定、工質選擇、熱交換器設計等），會直接影響系統的運行效率。在得到熱源的溫度和流量等條件后，需要確定有機工質的蒸發溫度、冷凝溫度以及換熱溫差等，這些參數會對循環效率有較大的影響。

蒸發溫度和膨脹比對ORC系統（R245fa)?效率的影響熱力過程和經濟性估算A有機工質蒸汽動力循環B有機工質汽液兩相動力循環例如：余熱熱源為220℃的煙氣，流量為2.5萬m3/h，冷卻水溫度為25℃。采用有機工質循環方式，以R245fa作為循環工質，在扣除工質泵耗功、冷卻水泵耗功之后，計算表明，每小時大約可以發出100度的電。關鍵設備與技術研究概況技術應用背景工業余熱回收利用有機朗肯循環(ORC)余熱發電技術建議和總結工業余熱回收利用技術參數熱源類型迴轉窯排煙膨脹機絕熱效率0.75熱源溫度240℃有機工質泵效率0.5熱源流量33萬方/小時發電機發電功率0.98煙氣排壓0.1MPa循環工質流量120℃有機工質R113冷凝器溫度45℃冷卻水泵效率0.5冷卻水進口溫度27℃冷卻水流量475.8kg/s冷卻水出口溫度35℃系統凈功率1641kW系統凈效率14.87%1641KWX0.6元/度7884hX=776.3萬元/年投資回收期約2~3年。1:迴轉窯排煙余熱利用工業余熱回收利用2：卡琳娜循環發電技術卡琳娜循環發電系統是一種利用氨和水混合物作為工作介質的新型、高效的動力循環系統。在一定的系統壓力下，氨-水混合物的沸點和凝固點不是定值，而是隨混合物中氨的濃度不同而變化，混合物在循環過程中變溫蒸發，降低了工質吸熱和凝結過程的不可逆性，改善了熱源與工質的匹配性能，提高了余熱熱源的利用率。工業余熱回收利用基于卡琳娜循環的燃煤電廠煙氣余熱發電關鍵設備研制與示范25kW卡琳娜循環實驗系統圖工業余熱回收利用3：小溫差ORC螺桿膨脹動力機組小溫差ORC膨脹螺桿動力機組穩定運行工業余熱回收利用30~50℃的余熱：采用熱泵技術為可考慮的方案之一；50~80℃的余熱：可以直接用于吸附、吸收制冷的驅動源或者用來加熱、干燥等；80~350℃的余熱：有機朗肯循環技術、卡琳娜循環技術；大于350℃的余熱

：一般用水蒸汽朗肯循環；大于470℃