ORC技術全面分析

ORC的基本理論ORC技術全面分析1、ORC的發(fā)展2、ORC的系統(tǒng)構成及原理3、ORC的特點7、ORC、汽水朗肯循環(huán)、kalina循環(huán)的比較4、目前國內外研究應用現狀5、ORC應用領域6、ORC投資估算8、十二五簡介及發(fā)展實施規(guī)劃ORC技術全面分析ORC的發(fā)展ORC的定義：ORC（OrganicRankineCycle）——有機物朗肯循環(huán)是以有機物代替水作為工質，回收中低品位熱能的朗肯動力循環(huán)國外發(fā)展歷程：研究最早始于1924年70年代石油危機的爆發(fā)，國外進行了大量的研究九十年代后期至今，開始廣泛工程應用：以色列Ormat，美國UTC國內發(fā)展歷程：最早始于80年代，天津大學，雙螺桿膨脹機80年代——二十世紀末，僅有少數高校，進行理論研究二十一世紀，大量高校開始理論研究，熱工專業(yè)老牌名校具備實驗能力工程應用尚屬空白，僅西藏地熱發(fā)電，采用Ormat的ORC技術研究關鍵：工質、膨脹機ORC技術全面分析余熱流體泵蒸發(fā)器透平發(fā)電機工質泵冷卻水泵冷凝器冷卻水4—1：工質在蒸發(fā)器中定壓吸熱1—2s：工質在膨脹機中理想膨脹做功1—2：工質的實際做功過程2—3：工質在冷凝器中定壓放熱3—4：工質在工質泵中壓縮過程ORC的系統(tǒng)構成及原理ORC技術全面分析（1）蒸發(fā)側形式多樣：70—300℃范圍的余熱資源均可利用

針對不同熱源形式，取熱方式多樣。（2）“三泵”泵耗較大，自用電率較高：在應用ORC時應盡量利用原有系統(tǒng)中的水泵或風機。（3）系統(tǒng)只能背壓運行：尚無專用抽真空設備，工質物性決定。ORC的特點ORC技術全面分析（4）有機工質T-S曲線（a）干工質（b）絕熱工質（c）濕工質ORC多采用干工質或絕熱工質，低過熱度，無液擊ORC技術全面分析目前國內外研究應用現狀國內研究情況：工程應用：目前國內ORC僅應用于西藏地熱發(fā)電，工業(yè)余熱領域尚無ORC應用高校研究：仍以理論計算為主，實驗較少。熱源溫度70~250℃，ORC系統(tǒng)理論循環(huán)效率5%~20%工質主要選擇：R245fa、R142b、R134a及R123等具備實驗能力的高校：西安交通大學，上海交通大學及浙江大學均采用渦旋式膨脹機北京工業(yè)大學采用單螺桿膨脹機作坊式的實驗平臺，系統(tǒng)效率低于10%，膨脹機內效率60%左右ORC技術全面分析西安交通大學、浙江大學：渦旋式膨脹機問題：嚴重的機內泄露ORC技術全面分析北京工業(yè)大學：單螺桿膨脹機問題：行星輪變形ORC技術全面分析容積式膨脹機天津大學（江西華電電力有限責任公司）：雙螺桿膨脹機問題：軸端密封ORC技術全面分析至2009年為止，ORC系統(tǒng)的總裝機容量已達160萬千瓦世界范圍ORC系統(tǒng)設計安裝企業(yè)十余家，以奧馬特為代表到2009年3月為止，Ormat裝機容量已超過1200MW，數量超過2600座美國UTC，在74℃熱源溫度下，穩(wěn)定發(fā)電效率8.2%國外研究應用現狀ORC技術全面分析ORC技術全面分析ORC應用領域工業(yè)余熱：鋼鐵、水泥、化工有色金屬冶煉等

溫度范圍70~300℃，廢氣，廢水產能5000t/d水泥生產線，尚未利用的150℃左右余熱煙氣（如窯尾電收塵器入口），新增發(fā)電量1000kW，提高發(fā)電量10%-12%，690余條（2010）；在冶金和鋼鐵企業(yè)，可回收鋼鐵企業(yè)的沖渣廢熱水（80-90℃），可以為每個企業(yè)帶來MW級的電能；在電力行業(yè)，存在許多需要減溫減壓的蒸汽，如鍋爐連排水余熱回收潛力巨大；有色金屬冶金，電解鋁低溫煙氣。ORC技術全面分析發(fā)電系統(tǒng)底層循環(huán)：用于燃料電池、燃氣輪機、內燃機等

燃料電池提高效率20%左右相比傳統(tǒng)燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)，提高1/3的發(fā)電能力地熱：使得100-220℃的中低溫地熱資源，具備了發(fā)電利用的經濟性太陽能熱發(fā)電：光伏電池高污染、高能耗、關鍵技術依賴進口；熱發(fā)電真正綠色、環(huán)保、相對自主。ORC技術全面分析ORC投資估算ORC機組——1.2萬~1.3萬/kW（蒸發(fā)器、冷凝器、汽輪發(fā)電機組、工質泵）普惠280kW機組，離岸價：43萬美元增加輔助配套設備（水泥行業(yè)——中間換熱器——熱水型低壓熱水鍋爐）投資增加——1.7萬~1.8萬/kW如果ORC機組設備實現國產化，成本降低——萬元以下/kW投資回收期3（設備國產，有效利用原系統(tǒng)風機水泵及冷凝系統(tǒng)）-5年ORC技術全面分析同以朗肯循環(huán)作為理論基礎ts12341—2工質在蒸發(fā)器中定壓吸熱，變?yōu)榫哂幸欢囟?、壓力的過熱蒸汽2—3蒸汽通過透平，絕熱膨脹做功，輸出動力3—4透平排出乏汽在冷凝器中定壓冷凝為液態(tài)4—1液態(tài)工質通過泵絕熱壓縮，進入蒸發(fā)器，如此往復循環(huán)ORC與汽水朗肯循環(huán)的比較ORC技術全面分析蒸汽動力循環(huán)：水工質不同ORC：有機工質，如R245fa、R123、正丁烷及正戊烷等ORC技術全面分析水臨界溫度：373.95℃有機工質臨界溫度：R123：183.68℃R245fa：154.01℃正丁烷：151.98℃正戊烷：196.55℃常用ORC有機工質臨界溫度均低于200℃，對于余熱發(fā)電系統(tǒng)，一般不采用超臨界循環(huán)，因此：當余熱熱源溫度300~350℃時，ORC系統(tǒng)最高蒸發(fā)溫度不超過200℃，蒸汽系統(tǒng)可在200~250℃之間選擇蒸發(fā)溫度蒸發(fā)溫度比較：ORC技術全面分析冷凝溫度比較：ORC系統(tǒng)：無真空維持設備，故系統(tǒng)只能采取背壓運行方式蒸汽系統(tǒng)：通過射水抽氣器，維持系統(tǒng)真空度冷凝溫度（℃）冷凝壓力（Mpa）R245fa400.25R123400.15正丁烷400.38正戊烷400.12水400.007由于射水抽氣器的采用，蒸汽系統(tǒng)同樣可以在較低的溫度下實現冷凝ORC技術全面分析ORC系統(tǒng)蒸汽系統(tǒng)蒸發(fā)溫度（℃）130~170200~250冷凝溫度（℃）4040針對300~350℃余熱資源：通過比較可知，蒸汽系統(tǒng)由于具有更高的蒸發(fā)溫度，所以系統(tǒng)循環(huán)效率更高，更適用于300~350℃余熱資源的回收利用ORC技術全面分析ORC適用的范圍1231’2’3’比較可知：有機工質氣化潛熱更小，即1’-2’<1-2有機工質不需要較大的過熱度，以保證工質在透平做功過程中，避免“液擊”發(fā)生，即2’-3’<2-3結果：當余熱資源溫度150~250℃時ORC系統(tǒng)，依然可以保證蒸發(fā)溫度130~170℃蒸汽系統(tǒng)，為保證傳熱溫差與過熱度，蒸發(fā)溫度120~130℃當余熱資源溫度低于200℃時，由于蒸發(fā)溫度、壓力過低已不能利用現有常規(guī)形式汽輪機實現動力循環(huán)。針對250℃以下余熱資源，更適宜采用ORC系統(tǒng)進行回收利用ORC技術全面分析針對不同熱源溫度，比較兩種系統(tǒng)理論性能ORC技術全面分析系統(tǒng)設備比較：蒸汽系統(tǒng)：余熱煙氣

風機余熱鍋爐鍋爐給水泵冷凝器軸流式汽輪機發(fā)電機循環(huán)冷卻水循環(huán)冷卻水泵射水抽氣器ORC系統(tǒng)：余熱煙氣導熱油鍋爐蒸發(fā)器徑流式汽輪機工質泵發(fā)電機冷凝器循環(huán)冷卻水循環(huán)冷卻水泵油泵由于有機工質物性特點，ORC系統(tǒng)采用徑流式汽輪機ORC系統(tǒng)蒸發(fā)器一般針對液相熱源設計，因此，若余熱形式為煙氣，通常需要設置導熱油鍋爐，將熱源形式進行轉換ORC系統(tǒng)無射抽設備，系統(tǒng)背壓運行ORC技術全面分析系統(tǒng)凈發(fā)電效率比較：ORC系統(tǒng)：適用于250℃以下熱源，效率5%—20%蒸汽系統(tǒng)：適用于300℃以上熱源，效率20%—25%系統(tǒng)自用電率比較：蒸汽系統(tǒng)：約為7%左右系統(tǒng)安全性比較：ORC系統(tǒng)：若采用丁烷、戊烷等烷烴類作為系統(tǒng)工質，需考慮防爆要求ORC系統(tǒng)：機組7%左右，系統(tǒng)20%左右ORC技術全面分析Kalina與汽水朗肯循環(huán)對比由系統(tǒng)圖可知：由于氨水二元混合工質的采用，Kalina循環(huán)冷凝部分設備更復雜。由T-S圖可知：Kalina循環(huán)平均蒸發(fā)溫度更高，相比蒸汽循環(huán)，熱源損失較小蒸發(fā)冷凝Kalina循環(huán)平均冷凝溫度更高，相比蒸汽循環(huán)，冷源損失較大系統(tǒng)比較：ORC技術全面分析通過系統(tǒng)及循環(huán)理論比較：Kalina循環(huán)相比蒸汽循環(huán)并不具備完全優(yōu)勢，雖然提高了動力循環(huán)的初參數，但是終參數的提高及冷凝系統(tǒng)設備的復雜化，也對其應用帶來了不利影響。ORC技術全面分析蒸汽循環(huán)壓力1.25MPa通過比較可知：當汽輪機進口壓力高于6MPa時，Kalina才體現出發(fā)電優(yōu)勢商用Kalina循環(huán)工作壓力一般7-8Mpa，即：理論上，Kalina發(fā)電量可以達到9000—10000kW實際上，蒸汽循環(huán)發(fā)電量可保證7000kW以上發(fā)電量比較：ORC技術全面分析Kalina循環(huán)發(fā)電量優(yōu)勢的討論：應用情況：Kalina循環(huán)誕生于上世紀70年代，80，90年代少量應用于工程實踐，本世紀未知再有新建，且已投運電站也大部分關停，據知，至今為止尚在運行的僅部分冰島地熱電站。學者評價：由于設備構成的過于復雜，Kalina循環(huán)實際應用情況遠沒有理論計算那么優(yōu)秀。投資評價：商用Kalina循環(huán)投資1.4萬元/kWh以上，目前蒸汽循環(huán)的一倍以上討論：用超過蒸汽循環(huán)一倍的投資，得到并不能保證的發(fā)電量提高10~20%ORC技術全面分析200kWKalina機組，相對發(fā)電量，設備構成復雜，占地面積龐大。注：熱源為熱水，若為水泥窯煙氣，還需增加中間換熱器，將余熱形式從煙氣轉換為熱水，設備投資、系統(tǒng)復雜程度將進一步增加ORC技術全面分析十二五簡介及發(fā)展實施規(guī)劃十二五簡介：題目：低溫熱源發(fā)電裝置的研制合作單位：中國船舶重工集團公司第七〇三研究所經費分配：國撥專項資金400萬，中材150萬，七〇三所250萬，中材自籌配套850萬目標：針對150℃左右水泥窯余熱煙氣及水泥窯筒體輻射余熱，采用200kW徑流式汽輪機有機工質朗肯循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)發(fā)電量150~180kW，系統(tǒng)效率達到6%~8%。ORC技術