ORC發(fā)電技術及應用

1、低沸點工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術及應用低沸點工質(zhì)循環(huán)發(fā)電技術及應用西安交通大學能動學院西安交通大學能動學院 程代京程代京 2013.3.182013.3.18主要內(nèi)容1. 項目背景項目背景2. ORC原理原理3. ORC裝置裝置4. ORC透平設計透平設計5. ORC熱水發(fā)電熱水發(fā)電1.項目背景 “節(jié)能減排節(jié)能減排”是重要國策；是重要國策； 節(jié)能節(jié)能21%指標（萬元工業(yè)增加值能耗指標（萬元工業(yè)增加值能耗5年累計年累計 下降下降21 ）完成困難較大；）完成困難較大； 低于低于300的低溫余熱總資源約占余熱總資源的的低溫余熱總資源約占余熱總資源的 30%，其利用率低，大都直接排入大氣，造成能，其利用率低，大

2、都直接排入大氣，造成能源的浪費及對環(huán)境的熱污染；源的浪費及對環(huán)境的熱污染； 國內(nèi)低溫余熱的熱源廣泛：鋼鐵工業(yè)、水泥工業(yè)、國內(nèi)低溫余熱的熱源廣泛：鋼鐵工業(yè)、水泥工業(yè)、石油精煉化學工業(yè)、玻璃工業(yè)、地熱水和太陽能石油精煉化學工業(yè)、玻璃工業(yè)、地熱水和太陽能熱水；熱水； 缺乏有效的技術和設備加以利用。缺乏有效的技術和設備加以利用。工業(yè)和信息化部、科學技術部、財政部及國務院工業(yè)和信息化部、科學技術部、財政部及國務院國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會給出國有資產(chǎn)監(jiān)督管理委員會給出“重大技術裝備自重大技術裝備自主創(chuàng)新指導目錄（主創(chuàng)新指導目錄（2012版）版）” 國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十

3、二個五年規(guī)劃綱要 國務院國務院“十二五十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案節(jié)能減排綜合性工作方案 節(jié)能減排規(guī)劃（節(jié)能減排規(guī)劃（20112015年）年）余熱發(fā)電概況 最大限度地回收余熱源的熱量；最大限度地回收余熱源的熱量； 能使回收的熱量能有效地轉(zhuǎn)換為有效功能使回收的熱量能有效地轉(zhuǎn)換為有效功(電能或電能或動力功動力功)； 設備可靠性高，運行安全和維護方便設備可靠性高，運行安全和維護方便。目前技術：目前技術： 窯爐蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng) ； 帶補燃鍋爐的中低溫蒸汽余熱發(fā)電系統(tǒng)； 不帶補燃鍋爐的中低溫蒸汽余熱發(fā)電； 300以上以上：汽輪機發(fā)電機組汽輪機發(fā)電機組； 300以下以下：低沸點氣：低沸點氣輪機發(fā)電系統(tǒng)輪

4、機發(fā)電系統(tǒng)(ORC) 透平膨脹機透平膨脹機/螺桿膨脹機螺桿膨脹機/活塞膨脹機活塞膨脹機系統(tǒng)組成換熱器（蒸發(fā)器換熱器（蒸發(fā)器/預熱器）預熱器）低沸點工質(zhì)透平低沸點工質(zhì)透平冷凝器（空冷冷凝器（空冷/水冷）水冷）發(fā)電機（直流發(fā)電機（直流/交流）交流）工質(zhì)泵工質(zhì)泵2.ORC原理有機朗肯循環(huán)（有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，簡稱，簡稱ORC）是一種新型環(huán)保型的發(fā)電技術）是一種新型環(huán)保型的發(fā)電技術低沸點工質(zhì)透平設計低沸點工質(zhì)透平設計發(fā)電系統(tǒng)設計發(fā)電系統(tǒng)設計余熱換熱器設計余熱換熱器設計輔助、成套設備的設計輔助、成套設備的設計名稱分子量(g/mol)常壓沸點()三相點溫度()臨界溫度

5、()臨界壓力(MPa)安全分類環(huán)境友好(是/否)NH317.03-33.327-77.655132.2511.333B2是正丁烷58.122-0.55-138.28151.983.796A3是異丁烷58.122-11.67-159.59134.673.64A3是正戊烷72.148836.064-129.68196.553.37異戊烷72.148827.83-160.5187.23.378R11137.3723.708-110.47197.964.4076A1否R113187.3847.585-36.22214.063.3922A1否R114170.923.586-94.15145.683.25

6、7A1否R12120.91-29.752-157.05111.974.1361A1否R123152.9327.823-107.15183.683.6618B1是R124136.48-11.963-199.15122.283.6243A1否R134a102.03-26.074-103.3101.064.0593A1是2.1 工質(zhì)選取名稱分子量(g/mol)常壓沸點()三相點溫度()臨界溫度()臨界壓力(MPa)安全分類環(huán)境友好(是/否)R141b116.9532.05-103.3206.814.46否R142b100.5-9.15-130.43137.114.07A2否R152a66.051-2

7、4.023-118.59113.264.5168A2是R227ea170.03-16.45-126.8101.652.926否R236ea152.046.19-273.15139.293.502R236fa152.04-1.44-93.63124.923.2A1否R245ca134.0525.13-273.15174.423.925R245fa134.0514.9-273.15154.053.64B1是RC318200.03-5.975-39.8115.232.7775否Water18.01599.9740373.9522.064A1是工質(zhì)選取2.2 有機工質(zhì)的飽和蒸氣曲線2.3 工質(zhì)特性有良

8、好的熱力學性能，相同的余熱資源條件下，有良好的熱力學性能，相同的余熱資源條件下，應提供更多的動力；應提供更多的動力；合適的壓力水平，蒸發(fā)時蒸發(fā)壓力不太高，冷凝合適的壓力水平，蒸發(fā)時蒸發(fā)壓力不太高，冷凝時壓力又不太低，最好不要在真空下工作。時壓力又不太低，最好不要在真空下工作。比熱和密度較大，傳熱性能好，這樣可以減少透比熱和密度較大，傳熱性能好，這樣可以減少透平尺寸、換熱器的傳熱面積；平尺寸、換熱器的傳熱面積；熱穩(wěn)定性好，不易分解，不腐蝕設備；熱穩(wěn)定性好，不易分解，不腐蝕設備；無毒，不易燃，不易爆，運行安全、可靠；無毒，不易燃，不易爆，運行安全、可靠；價格低廉，輸送與儲存方便，高純度，易得到。價

9、格低廉，輸送與儲存方便，高純度，易得到。從工質(zhì)的熱力特性、傳熱性、透平的氣動特性、從工質(zhì)的熱力特性、傳熱性、透平的氣動特性、熱穩(wěn)定性、可燃性、毒性、腐蝕性、價格以及對熱穩(wěn)定性、可燃性、毒性、腐蝕性、價格以及對大氣環(huán)境的影響等方面來考慮。大氣環(huán)境的影響等方面來考慮。A A方案：方案：260260煙氣與低沸點工質(zhì)直接換熱煙氣與低沸點工質(zhì)直接換熱2.4 朗肯循環(huán)方案B B方案：方案：采用導熱油將煙氣熱量傳遞給低沸采用導熱油將煙氣熱量傳遞給低沸點工質(zhì)點工質(zhì)朗肯循環(huán)方案朗肯循環(huán)方案2.5 循環(huán)原理及循環(huán)原理及T-S圖圖 利用中低溫下能產(chǎn)生高壓氣體的介質(zhì)（有機工利用中低溫下能產(chǎn)生高壓氣體的介質(zhì)（有機工質(zhì)、

10、沸點較低）作為工質(zhì)，在中低溫下蒸發(fā)產(chǎn)生質(zhì)、沸點較低）作為工質(zhì)，在中低溫下蒸發(fā)產(chǎn)生的高壓氣體去驅(qū)動透平的循環(huán)。它由余熱鍋爐換的高壓氣體去驅(qū)動透平的循環(huán)。它由余熱鍋爐換熱器熱器、透平、冷凝器和工質(zhì)泵四大部套組成。余透平、冷凝器和工質(zhì)泵四大部套組成。余熱流體在換熱器中放熱給有機工質(zhì)，工質(zhì)由于吸熱流體在換熱器中放熱給有機工質(zhì)，工質(zhì)由于吸熱而成蒸氣。這種蒸氣通過透平膨脹作功，從而熱而成蒸氣。這種蒸氣通過透平膨脹作功，從而帶動發(fā)電機發(fā)電或拖動其它轉(zhuǎn)動機械。從透平排帶動發(fā)電機發(fā)電或拖動其它轉(zhuǎn)動機械。從透平排出的蒸氣在冷凝器中向冷卻水放出熱量而凝結(jié)成出的蒸氣在冷凝器中向冷卻水放出熱量而凝結(jié)成液體，借助工質(zhì)泵重

11、新泵回換熱器，如此不斷循液體，借助工質(zhì)泵重新泵回換熱器，如此不斷循環(huán)就能發(fā)電或產(chǎn)生動力。環(huán)就能發(fā)電或產(chǎn)生動力。 2.6 簡化熱力系統(tǒng)及過程說明簡化熱力系統(tǒng)及過程說明 TS61223457TS1233456TS812234567TTS91233 45678采用無過熱、回熱采用無過熱、回熱 T-s圖圖 采用過熱的采用過熱的T-s圖圖 采用過熱、回熱的采用過熱、回熱的T-s圖圖 采用回熱的采用回熱的T-s圖圖 2.7 循環(huán)方式循環(huán)方式 三種工質(zhì)在不同過熱度下的凈功率如圖三種工質(zhì)在不同過熱度下的凈功率如圖所示。所示。R134a與與R245fa的做功能力均隨的做功能力均隨過熱度的增加而增大。過熱度的增加

12、而增大。增設回熱裝置對增設回熱裝置對R123和和R245fa做功能力的做功能力的影響如圖所示。采用回熱后顯著提高了影響如圖所示。采用回熱后顯著提高了R245fa循環(huán)的最大輸出凈功率，最大凈功循環(huán)的最大輸出凈功率，最大凈功率由率由623.5kW增至增至674.2kW，提高了，提高了8.1%。但是回熱對但是回熱對R123系統(tǒng)的影響較小。系統(tǒng)的影響較小。2.8 回熱及過熱的影響回熱及過熱的影響3.1 3.1 主要應用場合主要應用場合工業(yè)余熱廢熱的動力學回收工業(yè)余熱廢熱的動力學回收太陽能熱力發(fā)電太陽能熱力發(fā)電，例如用平板集熱器收集低于例如用平板集熱器收集低于100100的的太陽熱水作驅(qū)動熱源，用太陽熱

13、水作驅(qū)動熱源，用 ORCORC透平等構成低溫太陽能熱力透平等構成低溫太陽能熱力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng) ，可作為分布式能源，可作為分布式能源地熱發(fā)電地熱發(fā)電，我國在我國在19931993年底建成的那曲地熱電站，裝機年底建成的那曲地熱電站，裝機容量為容量為1MW1MW，采用以色列，采用以色列ORMATORMAT公司的雙工質(zhì)有機朗肯循環(huán)公司的雙工質(zhì)有機朗肯循環(huán)機組系統(tǒng)，地熱熱源溫度為機組系統(tǒng)，地熱熱源溫度為110110，有機工質(zhì)采用異戊烷，有機工質(zhì)采用異戊烷 生物質(zhì)能發(fā)電生物質(zhì)能發(fā)電海洋溫差能發(fā)電海洋溫差能發(fā)電，閉式、開式及混合式循環(huán)，閉式、開式及混合式循環(huán)3. ORC裝置裝置3.2 奧瑪特奧瑪特 (Or

14、mat)公司公司ORC裝置裝置 氣輪發(fā)電機組完全封閉氣輪發(fā)電機組完全封閉,包含包含向心式透平向心式透平,感應式發(fā)電機（感應式發(fā)電機（ 3相電壓）和離心式工質(zhì)泵。相電壓）和離心式工質(zhì)泵。ORC系統(tǒng)的全部旋轉(zhuǎn)部件都系統(tǒng)的全部旋轉(zhuǎn)部件都安裝在一根軸上安裝在一根軸上,并在一個殼并在一個殼體內(nèi)。機組垂直布置體內(nèi)。機組垂直布置,透平位透平位于底部于底部,工質(zhì)泵和軸承位于頂工質(zhì)泵和軸承位于頂部部,發(fā)電機在中間發(fā)電機在中間,位于兩個徑位于兩個徑向軸承之間。其特點是發(fā)電機向軸承之間。其特點是發(fā)電機利用泵和上軸承逸出的工質(zhì)液利用泵和上軸承逸出的工質(zhì)液體自由落下潤滑、冷卻體自由落下潤滑、冷卻;發(fā)電發(fā)電機和軸承的潤滑

15、液也可方便的機和軸承的潤滑液也可方便的排到位于下面的冷凝器中。排到位于下面的冷凝器中。 3.3 新型一體化新型一體化ORC設計示意設計示意3.4 單螺桿膨脹機單螺桿膨脹機容積式，基本結(jié)構是由一對陰、陽螺桿轉(zhuǎn)子和殼體組成。 進氣、膨脹、排氣，熱流體（蒸汽、熱液或汽液兩相流體）進入螺桿齒槽A，熱流體能量推動陰陽螺桿向相反方向旋轉(zhuǎn)到B、 C、D，齒槽容積增加，熱流體降壓膨脹作功，最后從齒槽E排出，實現(xiàn)將熱能轉(zhuǎn)換成機械能，從主軸陽螺桿輸出，驅(qū)動發(fā)電機可發(fā)電；直接驅(qū)動負載可替代電動機節(jié)約電力。3.5 雙螺桿膨脹機雙螺桿膨脹機1）吃粗糧的動力機能回收過熱蒸汽、飽和蒸汽、汽水兩相及熱水熱液的新型動力機；能除

16、垢自潔，可回收70-80以上熱水熱液、80以上蒸汽、180以上煙氣的余熱可用于工業(yè)余熱廢熱，也可以與地熱、太陽熱能及生物質(zhì)能配合，實現(xiàn)熱能轉(zhuǎn)換為機械能。2）適合回收閑散廢熱用于發(fā)電允許熱源壓力、流量大范圍內(nèi)波動；機組可移動，集中或分散布置，實現(xiàn)分布式發(fā)電。3）使用安全簡單機組運行不需暖機、不盤車、不飛車，直接沖轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)安全可靠。4）長期無大修，維護方便行操作簡單，螺桿轉(zhuǎn)子粗大堅實，可以長期不大修，小修簡單方便，運行維護費用低。雙螺桿膨脹機特點雙螺桿膨脹機特點閉式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)閉式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng) 熱帶海洋表層海水溫熱帶海洋表層海水溫度度2429，而在深度，而在深度約約600 m以下的海水常以下

17、的海水常年在年在27。閉式循環(huán)。閉式循環(huán)用溫水泵將溫海水抽送用溫水泵將溫海水抽送至蒸發(fā)器內(nèi)將熱量傳遞至蒸發(fā)器內(nèi)將熱量傳遞給工作流體，工作流體給工作流體，工作流體受熱后蒸發(fā)推動透平旋受熱后蒸發(fā)推動透平旋轉(zhuǎn)，透平帶發(fā)電機發(fā)電。轉(zhuǎn)，透平帶發(fā)電機發(fā)電。工作流體用有機工質(zhì)工作流體用有機工質(zhì) 。3.6 海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)混合式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)混合式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng) 將溫海水先導入閃蒸蒸將溫海水先導入閃蒸蒸發(fā)器，閃蒸出的水蒸汽發(fā)器，閃蒸出的水蒸汽再導入蒸發(fā)器加熱工作再導入蒸發(fā)器加熱工作流體，該系統(tǒng)發(fā)電的同流體，該系統(tǒng)發(fā)電的同時還可以產(chǎn)淡水時還可以產(chǎn)淡水 。工作工作流體用有機工質(zhì)流體用有機工質(zhì)

18、。混合式混合式海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)海洋溫差發(fā)電系統(tǒng)國家國家199019951998美國美國277528172850菲律賓菲律賓89111911814意大利意大利545632769墨西哥墨西哥700753743印尼印尼145310590日本日本215414530新西蘭新西蘭283286345冰島冰島4550140哥斯達黎加哥斯達黎加055120莎爾瓦多莎爾瓦多95105105中國中國192932世界總計世界總計586767988239單位： MW 3.7 世界地熱發(fā)電裝機容量世界地熱發(fā)電裝機容量類型類型精煉廠精煉廠石化廠石化廠造紙廠造紙廠水泥廠水泥廠焚燒爐焚燒爐燃氣輪機燃氣輪機電廠地址電廠地址美國美

19、國美國美國荷蘭荷蘭德國德國日本日本加拿大加拿大余熱類型余熱類型柴油柴油冷凝碳氫化冷凝碳氫化合物合物低壓蒸汽低壓蒸汽冷卻機排冷卻機排氣氣蒸汽蒸汽燃機尾氣燃機尾氣流量流量 t/h5085131966.7295進口溫度進口溫度184104105275167275出口溫度出口溫度8085801258092冷凝器介質(zhì)冷凝器介質(zhì)水水水水空氣空氣空氣空氣空氣空氣輸出功率輸出功率kW30078093013105505825ORC 技術在部分國家的應用技術在部分國家的應用 4. ORC透平設計透平設計透平：軸流式或向心式透平：軸流式或向心式 采用三元流方法設計，高效、安全、工作穩(wěn)定采用三元流方法設計，高效、安全

20、、工作穩(wěn)定密封：透平軸端采用機械密封或浮環(huán)密封密封：透平軸端采用機械密封或浮環(huán)密封轉(zhuǎn)速：轉(zhuǎn)速：3000 r/min或更高轉(zhuǎn)速或更高轉(zhuǎn)速功率：功率： 1#爐爐 608 kW; 一托三一托三 2616 kW流 面 類 型 定 義流 面 徑 向 位 置 定 義吸 力 邊 定 義中 弧 線 定 義壓 力 邊 定 義其 他 特 性 定 義二 維 葉 型 定 義積 疊 規(guī) 律 定 義流 面 定 義子 午 流 道 輪 廓 形 狀 定 義輪 轂 端 壁 定 義機 匣 端 壁 定 義軸 向 積 疊 線 定 義積 疊 點 定 義軸 向 積 疊 線 定 義壓 力 邊 尾 緣 鈍 頭 定 義吸 力 邊 尾 緣 鈍 頭

21、 定 義4.1 三維葉片的參數(shù)化擬合三維葉片的參數(shù)化擬合葉片參數(shù)化擬合過程葉片參數(shù)化擬合過程4.2 向心式透平特點向心式透平特點進汽管道損失比軸流式透平小進汽管道損失比軸流式透平小 環(huán)形葉柵中的相對速度較小，而且汽流擴壓段消環(huán)形葉柵中的相對速度較小，而且汽流擴壓段消失，從而使損失下降失，從而使損失下降其等熵功絕大部分無損失的通過離心力作用轉(zhuǎn)變其等熵功絕大部分無損失的通過離心力作用轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功為機械功 出口平均直徑小于進口平均直徑，余速損失小出口平均直徑小于進口平均直徑，余速損失小 向心式透平葉輪三維模型向心式透平葉輪三維模型1-靜環(huán) 2-動環(huán) 3-傳動銷 4-彈簧 5-彈簧座 6-緊定螺釘 7

22、-傳動螺釘 8、9、10-O形密封環(huán)11-防轉(zhuǎn)銷 12-壓蓋 13-推環(huán) 14-軸套4.3 低沸點工質(zhì)密封低沸點工質(zhì)密封優(yōu)點：封液泄漏量小，氣體完全不泄漏，優(yōu)點：封液泄漏量小，氣體完全不泄漏，使用可靠。使用可靠。缺點：高轉(zhuǎn)速下，輔助系統(tǒng)復雜，安裝缺點：高轉(zhuǎn)速下，輔助系統(tǒng)復雜，安裝技術要求高。技術要求高。適用：輸送各種氣體適用：輸送各種氣體改進：完全集裝化，可使安裝更為方便、改進：完全集裝化，可使安裝更為方便、簡單。簡單。機械密封的優(yōu)缺點機械密封的優(yōu)缺點集裝式機械密封集裝式機械密封 產(chǎn)品周期：產(chǎn)品周期：1212個月個月 方案設計（二個月）；方案設計（二個月）； 工程設計（二個月）；工程設計（二個

23、月）； 工藝審查、設計修改和完善（一個月）工藝審查、設計修改和完善（一個月） 設備制造（六個月）；設備制造（六個月）； 現(xiàn)場安裝調(diào)試（一個月）?，F(xiàn)場安裝調(diào)試（一個月）。4.4 產(chǎn)品周期產(chǎn)品周期產(chǎn)品的模塊化；產(chǎn)品的模塊化； 產(chǎn)品的系列化產(chǎn)品的系列化；加強整機試驗和調(diào)整；加強整機試驗和調(diào)整；提高產(chǎn)品質(zhì)量提高產(chǎn)品質(zhì)量 ；以市場為導向，擴大產(chǎn)品數(shù)量以市場為導向，擴大產(chǎn)品數(shù)量。 產(chǎn)品產(chǎn)品某廠熱水流量某廠熱水流量600m3/h，水溫，水溫93，利用熱水發(fā)，利用熱水發(fā)電是綠色能源和可再生能源，減少污染和碳排放。電是綠色能源和可再生能源，減少污染和碳排放。 采用低沸點工質(zhì)發(fā)電。采用低沸點工質(zhì)發(fā)電。具有獨立知識產(chǎn)權，填補了國內(nèi)空白，創(chuàng)新性強，具有獨立知識產(chǎn)權，填補了國內(nèi)空白，創(chuàng)新性強，具有示范作用。具有示范作用?？捎脽崃靠捎脽崃?Q = CPGw（t1t2