ORC技术全面分析(###)

ORC的基本理论1、ORC的发展2、ORC的系统构成及原理3、ORC的特点7、ORC、汽水朗肯循环、kalina循环的比较4、目前国内外研究应用现状5、ORC应用领域6、ORC投资估算8、十二五简介及发展实施规划ORC的发展ORC的定义：ORC（OrganicRankineCycle）——有机物朗肯循环是以有机物代替水作为工质，回收中低品位热能的朗肯动力循环国外发展历程：研究最早始于1924年70年代石油危机的爆发，国外进行了大量的研究九十年代后期至今，开始广泛工程应用：以色列Ormat，美国UTC国内发展历程：最早始于80年代，天津大学，双螺杆膨胀机80年代——二十世纪末，仅有少数高校，进行理论研究二十一世纪，大量高校开始理论研究，热工专业老牌名校具备实验能力工程应用尚属空白，仅西藏地热发电，采用Ormat的ORC技术研究关键：工质、膨胀机余热流体泵蒸发器透平发电机工质泵冷却水泵冷凝器冷却水4—1：工质在蒸发器中定压吸热1—2s：工质在膨胀机中理想膨胀做功1—2：工质的实际做功过程2—3：工质在冷凝器中定压放热3—4：工质在工质泵中压缩过程ORC的系统构成及原理（1）蒸发侧形式多样：70—300℃范围的余热资源均可利用针对不同热源形式，取热方式多样。（2）“三泵”泵耗较大，自用电率较高：在应用ORC时应尽量利用原有系统中的水泵或风机。（3）系统只能背压运行：尚无专用抽真空设备，工质物性决定。ORC的特点（4）有机工质T-S曲线（a）干工质（b）绝热工质（c）湿工质ORC多采用干工质或绝热工质，低过热度，无液击目前国内外研究应用现状国内研究情况：工程应用：目前国内ORC仅应用于西藏地热发电，工业余热领域尚无ORC应用高校研究：仍以理论计算为主，实验较少。热源温度70~250℃，ORC系统理论循环效率5%~20%工质主要选择：R245fa、R142b、R134a及R123等具备实验能力的高校：西安交通大学，上海交通大学及浙江大学均采用涡旋式膨胀机北京工业大学采用单螺杆膨胀机作坊式的实验平台，系统效率低于10%，膨胀机内效率60%左右西安交通大学、浙江大学：涡旋式膨胀机问题：严重的机内泄露北京工业大学：单螺杆膨胀机问题：行星轮变形容积式膨胀机天津大学（江西华电电力有限责任公司）：双螺杆膨胀机问题：轴端密封至2009年为止，ORC系统的总装机容量已达160万千瓦世界范围ORC系统设计安装企业十余家，以奥马特为代表到2009年3月为止，Ormat装机容量已超过1200MW，数量超过2600座美国UTC，在74℃热源温度下，稳定发电效率8.2%国外研究应用现状ORC应用领域工业余热：钢铁、水泥、化工有色金属冶炼等温度范围70~300℃，废气，废水产能5000t/d水泥生产线，尚未利用的150℃左右余热烟气（如窑尾电收尘器入口），新增发电量1000kW，提高发电量10%-12%，690余条（2010）；在冶金和钢铁企业，可回收钢铁企业的冲渣废热水（80-90℃），可以为每个企业带来MW级的电能；在电力行业，存在许多需要减温减压的蒸汽，如锅炉连排水余热回收潜力巨大；有色金属冶金，电解铝低温烟气。发电系统底层循环：用于燃料电池、燃气轮机、内燃机等燃料电池提高效率20%左右相比传统燃气—蒸汽联合循环，提高1/3的发电能力地热：使得100-220℃的中低温地热资源，具备了发电利用的经济性太阳能热发电：光伏电池高污染、高能耗、关键技术依赖进口；热发电真正绿色、环保、相对自主。ORC投资估算ORC机组——1.2万~1.3万/kW（蒸发器、冷凝器、汽轮发电机组、工质泵）普惠280kW机组，离岸价：43万美元增加辅助配套设备（水泥行业——中间换热器——热水型低压热水锅炉）投资增加——1.7万~1.8万/kW如果ORC机组设备实现国产化，成本降低——万元以下/kW投资回收期3（设备国产，有效利用原系统风机水泵及冷凝系统）-5年同以朗肯循环作为理论基础ts12341—2工质在蒸发器中定压吸热，变为具有一定温度、压力的过热蒸汽2—3蒸汽通过透平，绝热膨胀做功，输出动力3—4透平排出乏汽在冷凝器中定压冷凝为液态4—1液态工质通过泵绝热压缩，进入蒸发器，如此往复循环ORC与汽水朗肯循环的比较蒸汽动力循环：水工质不同ORC：有机工质，如R245fa、R123、正丁烷及正戊烷等水临界温度：373.95℃有机工质临界温度：R123：183.68℃R245fa：154.01℃正丁烷：151.98℃正戊烷：196.55℃常用ORC有机工质临界温度均低于200℃，对于余热发电系统，一般不采用超临界循环，因此：当余热热源温度300~350℃时，ORC系统最高蒸发温度不超过200℃，蒸汽系统可在200~250℃之间选择蒸发温度蒸发温度比较：冷凝温度比较：ORC系统：无真空维持设备，故系统只能采取背压运行方式蒸汽系统：通过射水抽气器，维持系统真空度冷凝温度（℃）冷凝压力（Mpa）R245fa400.25R123400.15正丁烷400.38正戊烷400.12水400.007由于射水抽气器的采用，蒸汽系统同样可以在较低的温度下实现冷凝ORC系统蒸汽系统蒸发温度（℃）130~170200~250冷凝温度（℃）4040针对300~350℃余热资源：通过比较可知，蒸汽系统由于具有更高的蒸发温度，所以系统循环效率更高，更适用于300~350℃余热资源的回收利用ORC适用的范围1231’2’3’比较可知：有机工质气化潜热更小，即1’-2’1-2有机工质不需要较大的过热度，以保证工质在透平做功过程中，避免“液击”发生，即2’-3’2-3结果：当余热资源温度150~250℃时ORC系统，依然可以保证蒸发温度130~170℃蒸汽系统，为保证传热温差与过热度，蒸发温度120~130℃当余热资源温度低于200℃时，由于蒸发温度、压力过低已不能利用现有常规形式汽轮机实现动力循环。针对250℃以下余热资源，更适宜采用ORC系统进行回收利用针对不同热源温度，比较两种系统理论性能系统设备比较：蒸汽系统：余热烟气风机余热锅炉锅炉给水泵冷凝器轴流式汽轮机发电机循环冷却水循环冷却水泵射水抽气器ORC系统：余热烟气导热油锅炉蒸发器径流式汽轮机工质泵发电机冷凝器循环冷却水循环冷却水泵油泵由于有机工质物性特点，ORC系统采用径流式汽轮机ORC系统蒸发器一般针对液相热源设计，因此，若余热形式为烟气，通常需要设置导热油锅炉，将热源形式进行转换ORC系统无射抽设备，系统背压运行系统净发电效率比较：ORC系统：适用于250℃以下热源，效率5%—20%蒸汽系统：适用于300℃以上热源，效率20%—25%系统自用电率比较：蒸汽系统：约为7%左右系统安全性比较：ORC系统：若采用丁烷、戊烷等烷烃类作为系统工质，需考虑防爆要求ORC系统：机组7%左右，系统20%左右Kalina与汽水朗肯循环对比由系统图可知：由于氨水二元混合工质的采用，Kalina循环冷凝部分设备更复杂。由T-S图可知：Kalina循环平均蒸发温度更高，相比蒸汽循环，热源损失较小蒸发冷凝Kalina循环平均冷凝温度更高，相比蒸汽循环，冷源损失较大系统比较：通过系统及循环理论比较：Kalina循环相比蒸汽循环并不具备完全优势，虽然提高了动力循环的初参数，但是终参数的提高及冷凝系统设备的复杂化，也对其应用带来了不利影响。蒸汽循环压力1.25MPa通过比较可知：当汽轮机进口压力高于6MPa时，Kalina才体现出发电优势商用Kalina循环工作压力一般7-8Mpa，即：理论上，Kalina发电量可以达到9000—10000kW实际上，蒸汽循环发电量可保证7000kW以上发电量比较：Kalina循环发电量优势的讨论：应用情况：Kalina循环诞生于上世纪70年代，80，90年代少量应用于工程实践，本世纪未知再有新建，且已投运电站也大部分关停，据知，至今为止尚在运行的仅部分冰岛地热电站。学者评价：由于设备构成的过于复杂，Kalina循环实际应用情况远没有理论计算那么优秀。投资评价：商用Kalina循环投资1.4万元/kWh以上，目前蒸汽循环的一倍以上讨论：用超过蒸汽循环一倍的投资，得到并不能保证的发电量提高10~20%200kWKalina机组，相对发电量，设备构成复杂，占地面积庞大。注：热源为热水，若为水泥窑烟气，还需增加中间换热器，将余热形式从烟气转换为热水，设备投资、系统复杂程度将进一步增加十二五简介及发展实施规划十二五简介：题目：低温热源发电装置的研制合作单位：中国船舶重工集团公司第七〇三研究所经费分配：国拨专项资金400万，中材150万，七〇三所250万，中材自筹配套850万目标：针对150℃左右水泥窑余热烟气及水泥窑筒体辐射余热，采用200kW径流式汽轮机有机工质朗肯循环系统，系统发电量150~180kW，系统效率达到6%~8%。发展实施规划：指导思想：尽快实施，掌握应用目前能够与亟需解决的问题：1、热源参数的确定与选取2、中间取热装置——热水锅炉3、ORC系统的接入未来愿景：采用成熟机组，在水泥线上进行应用，速度快，领先优势，掌握ORC机组与水泥线的配合。重点攻关有机朗肯径流式汽轮机的研制，逐步掌握核心部件的生产技术。系统升级，由水泥行业走向外行业，将ORC机组向更多工业节能领域推广。透平形式升级，研制双螺杆膨胀机。