低温余热发电（ORC）综述

摘 要：低温余热发电技术在提高能源再利用的有效方法之一，有机朗肯循环（ORC）技术是是低温余热发电技术之一，本文主要介绍了ORC循环的系统的结构和工质的选择方法，为ORC技术研究提供参考。

关键词：低温余热发电；有机朗肯循环；系统结构；有机工质

1 前言

由于世界人口的增长和全球经济的快速发展，能源消耗日渐增长。为了保护环境、維护人类良好的生存环境，开发新能源和提高能量利用效率是亟须解决的问题。可利用再生能源如：太阳能、风能及地热能，在满足能源需求起了越来越多的作用。而提高能源再利用有效的方法之一就是利用中低温热源的有机郎肯循环。有机朗肯循环（organic rankine cycle，简称ORC）是低温余热发电技术之一，ORC是使用具有较低临界温度的有机物作为循环工质的朗肯循环。

2 研究现状

国外有机郎肯循环主要应用在地热、太阳能、烟气余热回收等工业余热，多数文献根据热力学定律建立模型，计算不同工质和温度下的循环热效率和介绍工质的选择方法，并介绍了有机郎肯循环中的重要设备——蒸汽膨胀做功的设备的选择和设计。工质均为饱和曲线斜率为负值或者无穷大的干流体和等熵流体。文献中工质的选择大多为各种CFC（含氯、氟、碳的完全卤代烃）等对环境有一定破坏的有机工质，如R113、R245fa、R123等等。个别采用氨、烷烃等对环境有好的工质。而且文献中对工质的选择局限在某一特定的温度范围内。追求最优系统，工质被加热到饱和状态后在膨胀做功的热效率最高，过热或者未饱和使得不可逆损失和成本增加，降低热效率和经济性。

文献还对有机郎肯循环的系统结构做了详细的介绍，对于温度较高的低温热源，为了提高能源利用率，采用常规的有机郎肯循环已不能满足需求，所以对常规ORC系统结构做了一些改进，如多级或单级抽汽回热ORC和抽汽再热ORC，并对这两种循环方式分别进行了热力分析和计算。虽然有大量的文献介绍了有机郎肯循环的设计、工质选择，但是多数是基于实验、理论和小型机组上。

3 低温余热发电（ORC）系统结构

常规的ORC系统由蒸发器、透平、冷凝器和工质泵四大部件以及辅助系统组成。低温余热经过换热器的一边，将热量传给有机工质，有机工质从余热流中吸收热量，生成具有一定压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其他动力机械做功。从透平排出的工质蒸汽在凝汽器中向空气或者冷却放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器。

低温余热发电的设备中蒸发器一般为余热锅炉（管壳式换热器），工质侧增加涂层；冷凝器（管壳式换热器），一般选用冷却水冷却工质，工质侧有涂层；但是对于不同的ORC 循环工质及用途，透平（膨胀做功的设备）的设计是不相同的。因为工质不同，循环的热力性质不同，所以透平的结构设计方面也是不同的。对于太阳能光伏发电和有机郎肯循环联合的发电机组中大部分的ORC组件在市场上是可以买到的，除了膨胀器（expander），膨胀器的作用是既能操作有机流体又能满足性能要求。到目前为止最适合的膨胀器就是反向漩涡压缩机（scroll compressor in reverse operation）。

回热抽汽式ORC系统结构类似于以水蒸汽做工质回热抽汽郎肯循环。从透平的第一级中抽汽加热冷凝后的工质，以提高循环的热效率，减少不可逆损失，但是抽汽使得工质的总的做功能力降低了。

对于干流体和等熵流，他们在透平中膨胀做功后仍然是饱和蒸汽或者过热蒸汽，透平出口温度总是高于入口温度，所以采用改良ORC系统，即回热再热一体化ORC系统。系统选择在透平出口、冷凝器之前安装过热换热器加热冷凝后的工质，然后在使用抽汽混合加热工质。这样避免了回热系统中输出功的减少，同样使得循环热效率提高。（改良版的有机郎肯循环适用于余热温度很高的场合）

系统的热效率的高低除了取决于系统结构、设备的性能外，还依赖于余热的温度和有机循环工质的选择。

4 有机郎肯循环工质选择

有机工质的选择要考虑的工质的热力性能和环境因素。工质的比容、比热容、质量流量、压比、毒性、易燃性及全球变暖的影响因子等都是工质选择考虑的因素。

根据流体的T-s图上的饱和曲线，可以把流体分为3组，（1）干流体，如：戊烷，苯，甲苯等有着正的斜率；（2）湿流体，例如：水，氨等有着负的斜率；（3）等熵流体，如：三氯一氟甲烷，二氯二氟甲烷等斜率无限大（这种流体的饱和蒸汽曲线几乎是垂直的）。理想的郎肯循环中蒸汽在透平中等熵膨胀做功，由于湿流体的饱和曲线斜率为负值所以在透平出口的蒸汽的湿度很大。透平内蒸汽含水不仅破坏叶片也会降低透平的等熵效率，因此在透平出口最小的干度必须保持在0.85以上。为了满足透平出口的干度，透平入口的湿流体应该过热。但是低品位热源的温度一般低于300℃，因此对于常规郎肯循环，没有足够的热量使得工质在透平入口处过热。而对于干流体和等熵流体他们在T-s图上的饱和曲线有着负的或者无限大的斜率，所以他们在膨胀做功后仍然处于饱和或者过热状态，是最适合低温热源的有机循环工质。

另外工质还需要根据余热的温度来选择，同时也要考虑到环保要求，避免选用Montreal协议（1987）限制了的工质。

5 结论

通过对低温余热发电热力学分析得出，当在工质饱和温度之下，提高膨胀机的入口温度，可以提高循环的热效率和火用效率，降低循环的不可逆损失和循环的工质流量；反之，当膨胀机的入口温度高于对应的饱和温度时（即工质处于过热状态），循环热效率和火用效率不会增加反而降低，所以过热状态对于干工质是不适合的。因此根据运行时余热温度选择工质，选择抽汽回热ORC和抽汽再热ORC循环装置。装置的设备结构的形式需要根据工质确定。

参考文献

[1]李昀竹.有机工质朗肯循环的热力性能分析和关键部件研制[D].中国科技大学，2010.

[2]汪玉林.低温余热能源发电装置综述[J].热电技术，2007，（1）：1-5.

（作者单位：哈尔滨汽轮机厂辅机工程有限公司）

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