ORC技术全面分析(###).ppt

ORC的基本理论,ORC的发展,ORC的定义：ORC（Organic Rankine Cycle）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,41：工质在蒸发器中定压吸热 12s：工质在膨胀机中理想膨胀做功 12：工质的实际做功过程 23：工质在冷凝器中定压放热 34：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：70300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70250，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70300，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,t,s,1,2,3,4,12 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,23 蒸汽通过透平，绝热膨胀做功，输出动力,34 透平排出乏汽在冷凝器中定压冷凝为液态,41 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300350 时，ORC系统最高蒸发温度不超过200 ，蒸汽系统可在200250 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,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,针对300350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300350余热资源的回收利用,ORC适用的范围,1,2,3,1,2,3,比较可知：,有机工质气化潜热更小，即1-21-2,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2-32-3,结果：当余热资源温度150250时,ORC系统，依然可以保证蒸发温度130170 ,蒸汽系统，为保证传热温差与过热度，蒸发温度120130 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7-8 Mpa，即：,理论上，Kalina发电量可以达到900010000kW,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1020%,200kW Kalina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七三研究所,经费分配：国拨专项资金400万，中材150万，七三所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150180kW，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