美嘉华系列之--低温余热发电技术优势

1、 全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 随着世界范围内的能源紧缺，全球正致力于节能、减排，力争可持续的发展。到2030年，全球对能源的需求预计将增加60，到2050年将翻一番。美国能源部预测，在美国，每年有280,000MW的废热能源被排放，这些废热可以被回收，为美国提供20%的电力需求，同时能削减20%的温室气体排放，每年可节约70-150B美元的能源成本。废热可被认为是另一种绿色能源，因为它是一种与可再生能源等价的资源，能够提高目前矿物燃料使用的能源效率，同时通过将回收的热量转换为可用的电能、加热或冷却来减少输电网的需求。不同来源的独立数据表明，这种废热回收机会的价值超过6

2、00B美元。同样，在世界范围内存在许多这样的机会。 对能源的可承受性、安全性以及温室气体排放的担心已经大大提高了人们对能源效率潜能的兴趣，因为它能够为世界经济提供大量的未开发能源。废热发电是能源效率的一项主要应用领域，能够满足这种不断增长的需求。宜科根超临界二氧化碳基废热发电循环技术就是在此目的下研发的国际最为前列的先进的技术产品。 全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 目前国内低温余热发电技术是采用有机工质（也就是以有机物如：R R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等作为工作介质）作为热力循环（也就是朗肯循环）的工质与低温余热换热，有机工质吸热后产

3、生高压蒸汽，推动汽轮机或其他膨胀动力机带动发电机发电。因此，系统能够实现余热回收和发电的最低余热资源温度可到80，这是常规发电技术不能做到的（常规发电要求热源温度在350以上），从而拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为各行业的低温余热资源回收提供了技术手段和设备。 有机工质朗肯循环，即在传统朗肯循环中采用有机工质代替水推动涡轮机做功。右图为有机工质朗肯循环发电系统示意图。低压液态有机工质经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收热量转变为高温高压蒸气之后，高温高压有机工质蒸气推动涡轮机做，产生能量输出，涡轮机出口的低压蒸气进入冷凝器，向低温热源放热并冷凝为液态，如此往复循环实现发电。 全球专业的工

4、业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 20世纪60年代，圣地亚国家实验室的每个工程师或许都想参与阿波罗空间计划。今天，那种兴奋与热情集中在了超临界二氧化碳（S-CO2）技术的启动上。圣地亚国家实验室超临界二氧化碳功率转换项目的主机械工程师达理弗莱明说：“超临界二氧化碳就是未来；是一项改变游戏规则的技术，是一种进一步改善功率效率的方法”。 的确，超临界二氧化碳极有可能会成为发电厂经济、效率和环境的规则改变者：简单循环效率超过50%；碳足迹是同样功率输出的传统涡轮机械的百分之一；并且没有氮氧化物的排放。这些就是传说中的超临界二氧化碳涡轮机的益处，目前正在良好的设计和研究阶段。 突破性的热机技术

5、以采用超临界二氧化碳作为工作液体的废热发电循环为基础。超临界二氧化碳环保、无毒具有良好的传热传质性能。超临界二氧化碳较高的能量密度能减少系统的结构尺寸和成本，在系统效率、碳足迹以及易于安装方面提供了显著的优势。它能将大量的废热转换为电能，应用领域包括燃气轮机底部循环、固定式柴油机发电机组、工业废热回收、太阳能热量、地热及混合内燃机等。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 废热发电代表了满足全球能源稳定性和安全性的关键部分。国际能源展望2011报告中估计美国在2008年消耗了100.1库德的能量，预计会以每年0.5%的速度增长，至2035年增加至114.2库德。印度、中国和非经合

6、组织亚洲区域的能源消耗预计见表1。表1：按区域的一次性消费能源总量区域区域按区域的能源消耗（库德）按区域的能源消耗（库德）20082008（历史数据）（历史数据）20352035（预计数据）（预计数据）平均每年的百分比变化（平均每年的百分比变化（2008-20352008-2035）非经合组织亚洲区域137.9298.82.9中国86.2191.43.0印度21.149.23.2其它30.758.22.4美国100.0114.20.5 据美国能源部表示，美国工业每年消耗的能量约为32库德，几乎是美国能源消耗总量的三分之一，其中有280,000MWh作为废热而损失的热量可能能够回收作为可用的能量

7、，同时能削减20%的温室气体排放，每年可节约70-150B美元的能源成本。同样的机会在印度、中国和其它的非经合组织亚洲区域也存在。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 能源密集型制造商，如钢铁、玻璃、水泥、化工、铝、造纸、油&气等行业，在美国通常会有利润空间狭窄的经历，通过减少能量消耗来降低运行成本能帮助他们获得竞争优势。例如，一个具有标准利润边际的钢铁厂降低66,000美元的能量消耗（如通过将废热转换为电能）必须要增加1,000,000美元的销售额以达到同样的财务水平。 1998年，在发电行业有15%的燃气轮机，预计到2020年可增加至40%。2009年国际预测公司研

8、究估计46455台工业汽轮机的全球安装包含21%的（9755台）航改式汽轮机，46%的（21370台）轻型框架设备，剩余的33%（15330台）为大型框架涡轮机。大型框架设备（如，120Mwe以上的）通常是安装用于通用规模发电，一般配置用作大型热回收蒸汽发生器的联合循环服务。小型至中型燃气轮机市场一般是作为单循环设备销售，因为缩小联合循环服务的蒸汽系统规模非常困难。小型至中型燃气轮机市场对其它底部循环技术来说非常有意义，如超临界二氧化碳基功率循环，是底部循环的更小、更经济的解决方案。我们预计，在现有的和新的20-120Mwe底部循环上安装宜科根热机的市场份额可占到10%，简单循环的燃气轮机系统

9、延伸到下一个五年将是一个很好的机会，预计可超过3B美元。 全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率低下。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本的10.3、美国的28.6。我国工业用能中近60-65%的能源转化为余热资源，其中温度低于350以下的低温余热，约占余热总量的60%。目前低温余热利用最多的国家是美国，它的利用率达60%，欧洲的利用率是50%，我们国家只有30%。就低温余热利用现状来看，我国还很大的利用空间。按品质分类按品质分类 高品位高品位余热余热( 900) ( 900) 47%47%中品位中品位余热余热 (400 (400900

10、) 900) 30%30%低品位低品位余热余热( 400) ( 400) 23%23% 我国钢铁冶金余热总量达15000万tce/a，目前平均余热回收水平仅为30%。主要原因在于我国现有技术难以回收数量庞大的中低温余热。因此，我国钢铁工业中有大量的中低温余热资源可供开发。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范1.1.水泥工业：水泥工业：随着新型干法水泥熟料技术在全国范围内的推广、普及，水泥生产过程中存在大量350-400以下的余热不能充分利用，这部分热量占到水泥熟料烧成总耗热量35以上造成的能源浪费高得惊人。我国水泥低温余热潜在的发电容量约800亿kWh/a，相当于1个三峡工程的

11、年发电量 。2.2.陶瓷工业：陶瓷工业：日用陶瓷烧制窑炉排烟温度一般在200-300，排烟带走的热量损失约占总热量的20%-40%。我国现有陶瓷生产企业约3000家，余热发电能力约1200亿kWh/a,相当于2个三峡工程的年发电量。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 地热是一种可持续发展的能源，我国的地热资源分布很广，资源储量约为4.41027kJ，蕴含发电能力可达6.74GW。 我国2/3的面积年日照时间在2300小时以上，每平方米太阳能年辐射总量3340-8400MJ，陆地表面每年接收的太阳辐射能相当于17000亿吨标准煤，而且分布极为广泛 ，蕴含的发电能力约1400万亿

12、kWh/a，是我国一年总发电量的近300倍。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 在全球气候异常变化日益严重，各项与气候变化相关的自然灾害频发的背景下，控制温室气体排放，实现节能减排成为了全球关注的焦点。作为碳排放大国，我国曾在2009年郑重承诺：到2020年，我国单位国内生产总值二氧化碳排放量将在2005年基础上减少40-45%。“十二五”规划明确提出了2015年单位GDP二氧化碳排放总量比2005年降低17%的目标。要实现上述碳减排目标，除了积极开发应用各项节能减排的新技术外，通过碳排放交易这一市场化的手段同样能有效实现减少碳排放的目标。目前，我国在碳排放交易制度的构建领域

13、仍在不断实践和摸索，一些新法规和规范性文件的出台为我国开展碳排放交易提供了重要的依据，同时也让各相关主体能够遇见我国碳排放交易制度的未来发展方向。 为此，美嘉华在此领域投入了大量的时间、精力、物力进行了分析和研究，此间并与国际为此，美嘉华在此领域投入了大量的时间、精力、物力进行了分析和研究，此间并与国际上众多专业机构进行着不断的探讨，结合国内市场需求整合了更多、更为先进的技术产品。美上众多专业机构进行着不断的探讨，结合国内市场需求整合了更多、更为先进的技术产品。美嘉华成功打造了一套符合于现代化工业需求的设备问题解决专案，期望帮助用户解决在面对今嘉华成功打造了一套符合于现代化工业需求的设备问题解

14、决专案，期望帮助用户解决在面对今天能源不断上涨、能耗居高不下、环保压力不断增大等背景下的诸多现实问题，从而实现成本天能源不断上涨、能耗居高不下、环保压力不断增大等背景下的诸多现实问题，从而实现成本的大幅控制和竞争力的提高。的大幅控制和竞争力的提高。解决碳排放重大意义解决碳排放重大意义 全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 美国美嘉华国际公司总部设立在美国新泽西州，在中国北京设有代表处，同时在中国部分省市也设有部分代表机构和产业化基地。长期以来我们一直致力于全球范围内的环保、节能等新技术资源方面的开发整合业务。我们深知在全球经济一体化和用户需求多样化的今天，单一技术和资源已经不能

15、满足发展之需要，鉴于此，美嘉华国际以积极和战略性的前瞻思想与美国、英国、德国、澳大利亚等国在内的全球数十家高新技术研发和生产机构展开了国际性的业务合作，目前在这个平台上我们拥有：设备检测预防、设备快速维修、节能、环保等系列技术和产品。 这些技术和产品在帮助用户实现节能降耗、环境保护、成本控制等资源优化方面发挥了重要作用，帮助他们取得了数以亿计的经济效益和显著的社会效益。更为重要的是通过我们与用户之间相互不懈努力和积极探索下建立了长期的信赖关系和战略合作关系，而我们坚信这些良好的关系将在全球经济一体化日趋凸显的今天会使我们彼此间的合作变得更加紧密和卓有成效。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的

16、技术与服务典范 美国美嘉华国际公司的责任和使命就是与用户建立针对设备维修维护及更多领域新技术应用合作的平台和通道，通过引进和嫁接国际最先进的技术和产品，优化和提升用户现有的设备维修维护资源和体系，使用户在设备安装调试，故障检测、隐患预防、现场治理、维修保护、设备安装调试，故障检测、隐患预防、现场治理、维修保护、环保改造环保改造等方面实现全面的技术进步和升级提高，真正帮助用户实现“控制生产成本、提高综合效益”的目标，为企业的持续健康发展作出贡献。 正基于此，美嘉华在与用户长期的合作中总结发现，企业生产过程中对节能减排资源的优化将对企业的能耗、成本控制、环保治理产生巨大的影响。为此，美嘉华在此领域

17、投入了大量的时间、精力、物力进行了分析和研究，此间并与国际上众多专业机构进行着不断的探讨，结合国内市场需求整合了更多、更为先进的技术产品。美嘉华成功打造了一套符合于现代化工业需求的设备问题解决专案，期望帮助用户解决在面对今天能源不断上涨、能耗居高不下、环保压力不断增大等背景下的诸多现实问题，从而实现成本的大幅控制和竞争力的提高。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 调整优化企业现有资调整优化企业现有资源，降低经营成本凸源，降低经营成本凸显经济效益显经济效益全面提升企业现有的全面提升企业现有的维修维护体系维修维护体系减少工人劳动强度及减少工人劳动强度及事故发生，确保企业事故发生，

18、确保企业安全生产安全生产应用范围广泛，几乎应用范围广泛，几乎可以覆盖企业所有设可以覆盖企业所有设备、设施备、设施可以避免或减少可以避免或减少设备的拆卸设备的拆卸节省企业设备节省企业设备维护综合费用，优化维护综合费用，优化企业内部资源企业内部资源 延长设备寿命延长设备寿命 预防和杜绝隐患、预防和杜绝隐患、防止突发性事件防止突发性事件发生发生 减少传统维修减少传统维修方法所造成的长时间方法所造成的长时间停机、停产停机、停产大幅度降低报废更新大幅度降低报废更新所需的采购费用并减所需的采购费用并减少部件库存少部件库存安全环保，提升安全环保，提升企业竞争力企业竞争力美嘉华技术美嘉华技术的优势的优势全球专

19、业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 宜科根电力系统（前身为rexorce热力学公司）成立于2007年，总部设在俄亥俄州的阿克伦城，开发和商业化创新的余热回收系统。宜科根的技术，将废热直接转化为清洁，无污染物排放的电力。 宜科根的能量回收系统，利用超临界碳二氧化碳（SCCO2）和一个范围的组合流体，以创建一个电源产生周期中的应用广泛的底部循环在气体涡轮机，工业废热回收，太阳热，地热和混合到所述内燃机的替代品。宜科根的第一架原型机在2007年完成，是一个吸收式热泵二氧化碳和优选的第二流体。吸收式制冷循环中，二氧化碳被吸收到一个二次流体泵在提高能源利用效率。它减少练习的方法来发电。第二个

20、5千瓦的原型系统，在2009年年初完成，采用纯二氧化碳和证明，跨临界循环热机从商业应用程序的余热来产生电力，并建立了第一个生产经营单位的发展途径。一个15千瓦的中试规模系统目前在我们的工程实验室，以支持产品开发，示范单元测试和系统规模的后续活动。2009年期间，还设计了一个250千瓦的示范单位，目前在中西部地区电力公司完成beta测试。成功的测试与电网连接，该单位将被部署在工业环境中的长期耐力的测试和优化。目前正在进行设计工作，开发一个6MWe - 8 +兆瓦的示范项目。额外的长期示范和商业安装项目目前处于规划阶段。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范宜科根产品技术优势宜科根产

21、品技术优势 由于制造技术的差别，宜科根公司产品在品质与使用寿命上比国内同类产品都具有较大优势。美国宜科根公司产品由于采用超临界COCO2 2 （ScCOScCO2 2）作为工作介质，在系统效率和环保方面具有明显的技术优势，而国内同类产品都是采用有机物为工作介质，这类工作介质大多数都是含氟化合物和可燃的有腐蚀性的化合物，这些有机物都是对环境和大气有污染的危险化学品。就总的情况来看，国内低温余热发电系统的核心技术有机工质朗肯循环系统为主，透平机都是螺杆膨胀机，且效率较低，它们在低温 200 以下的发电效率在 10%20% 左右，单从设计结构来说螺杆膨胀机的效率要比涡轮膨胀机的小，涡轮膨胀机则需要更

22、大压力比。而美国的低温余热发电系统大多采用涡轮膨胀机。美国宜科根公司的低温余热发电系统可以做到 30%-32% 的发电效率，这个数据说明宜科根低温余热发电系统具有更高的发电效率，这个系统所用工作介质不是有机工质，而是这个系统所用工作介质不是有机工质，而是二氧化碳。用二氧化碳做工作介质更安全、更环保、更有效率。二氧化碳。用二氧化碳做工作介质更安全、更环保、更有效率。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范宜科根产品介绍宜科根产品介绍 宜科根电力系统公司开发了一种突破性的废热回收发电技术，使用超临界 CO2（ScCO2）作为工作液体，在系统效率和碳足迹方面具有明显的优势。 这项技术可用

23、于汽轮机、工业废热回收、太阳热能、地热等，该技术正在申请专利，可以将广泛的热能转换为电能。热能通过安装在客户的烟囱、锅炉或汽轮机排风管道中的废热换热器转移到 ScCO2 工作液中，加热后的 ScCO2 通过涡轮膨胀机，通过加热转换为机械轴功，从而产生电能。再生器回收余热和从谁冷凝器和空冷器系统中排放的未转换的热量。小型热力发动机（200kWe 300kWe）的一般结构和流程图见图1。图2展示的是中型热力发动机系统（6MWe - 8+MWe）。系统由3个主要部件构成：1、换热器；2、宜科根组件3、冷却系统（水或空气）全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范右图超临界二氧化碳涡轮机-交

24、流发电机-压缩机 该250kW系统重量小于22吨，可以在高速公路和卡车上运输。左图中所描述的所有部件包括主系统泵、同流换热器、冷凝器、系统控制器、涡轮交流发电机和动力电子设备。使用一个从属的天然气系统对导热流体进行加热和循环。使用传统的冷却塔和循环泵为冷凝器供水。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范图1 200kWe - 300kWe热力发动机系统 液体二氧化碳被泵吸至超临界压力，接受同流换热器中的热循环和废热换热器中的废热。高能量的ScCO2在涡轮交流发电机中得到膨胀，产生高频率的电能。膨胀的ScCO2在同流换热器中会冷却，在冷凝器中浓缩为液体，冷凝介质为水或空气（在图中未体

25、现）。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范图2 6MWe - 8+MWe中型热力发动机系统液体二氧化碳被泵吸至超临界压力，接受同流换热器中的热循环和废热换热器中的废热。高能量的ScCO2在涡轮机中得到膨胀，驱动发电机产生的电能。膨胀的ScCO2在同流换热器中会冷却，在冷凝器中浓缩为液体，冷凝介质为水或空气（在图中未体现）。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范宜科根热力发动机技术宜科根热力发动机技术 宜科根公司目前正在通过开发专利的热机来产业化生产废热发电系统，工业市场的开发已进入产品引进和客户示范阶段。突破性的热机技术以采用超临界二氧化碳作为工作液体的废热发电循

26、环为基础。超临界二氧化碳环保、无毒具有良好的传热传质性能。超临界二氧化碳较高的能量密度能减少系统的结构尺寸和成本，在系统效率、碳足迹以及易于安装方面提供了显著的优势。热机正在申请专利，它能将大量的废热转换为电能，应用领域包括燃气轮机底部循环、固定式柴油机发电机组、工业废热回收、太阳能热量、地热及混合内燃机等。 图1是宜科根热力发动机的一个简化的工艺流程图，由5个主要部分组成：废热换热器和同流换热器、冷凝器、系统泵及膨胀器。辅助部件（阀门和传感器）提供系统监控和公制功能。热能从安装在涡轮机、柴油机、其它往复式发动机、锅炉或其它工业热源排气管内的废热换热器引入。加热的超临界二氧化碳经过涡轮机，在涡

27、轮机内，废热会转换为机械轴功来产生电能。同流换热器会回收一部分余热，剩余的会通过水或空气冷却的冷凝器从系统中排放掉。运行条件维持了二氧化碳在热回收和发电部分的系统循环中处于超临界状态，在泵入口处作为低温冷却液。宜科根技术能够提供综合的功率、通过柔性系统架构进行加热和冷却，可以配置在发电、热电联产、三联产中。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 图1 宜科根热力发动机简化流程图 在两年的时间中，宜科根公司成功将其技术从最初的观念推进至产品模型。模型1（5kW）（2008），以美国国家航空航天局技术为基础，是一个采用二氧化碳和传递液的吸收式热泵，将我们的想法变为实践。模型2（5kW

28、）（2009年初期），采用纯二氧化碳，实践证明，超临界循环热机可以建造为商业应用，确立了第一个产品装置的开发途径。2009年设计制造了一台15kW的装置，最初取得未来商业型系统二氧化碳涡轮机设计和规模化的资格。在最初的测试中，已经达到交付积极的净功率输出。 全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范超临界二氧化碳的优势超临界二氧化碳的优势 宜科根技术的一个主要优势就是使用超临界二氧化碳作为工作液体进行热回收和发电。超临界液体是一种处于高于其临界温度和压力的条件下的物质。临界点代表了最高温度和压力，在此温度和压力下，物质可以以均衡的气态和液态存在。如图2所示，高于其临界点30.98、压

29、力73.78 bar时，二氧化碳是一种超临界液体，具有气态和液态的中间性能。 二氧化碳作为发电循环的工作液体具有很多优点。这种材料便宜、不易燃，并且在自然界中含量丰富。由于其较高的工作压力，二氧化碳系统可以建造地比使用其它工作液体的系统更加紧凑。图2 二氧化碳压力温度相位图全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 与其它工作液体相比，二氧化碳的高密度容积热容量使其具有更高的能量密度，意味着可以在不损失性能的情况下减少所有系统部件的尺寸包括涡轮机、泵和换热器。比较了二氧化碳涡轮机和以蒸汽为基础的涡轮机械，表明二氧化碳涡轮机非常紧凑和高效，具有更简单的单一外壳体设计，而蒸汽轮机通常需要

30、多重涡轮机级（例如，高压、中压和低压）以及相关的外壳，因此系统的包装复杂性会相应增加，会增加入口和出口管道。 二氧化碳能更加有效地从具有近似恒定热容量的来源中获得热能，比如涡轮机排气或其它气体。这是由于其在超临界区的热容性决定的，与采用其它工作液体（如蒸汽或有机朗肯循环系统中使用的有机工作液体）的沸腾法相比，二氧化碳能够提供与热源温度曲线极好的匹配性。所谓的夹点（见图3）出现在超临界液体的恒温相变过程中，限制了最高液体温度，因此其它废热回收技术的循环效率也受到制约。这种现象在二氧化碳换热过程中不会遇到，因为其单相性能大大超过其临界点，因此对于同样的热源，能够达到更高的液体温度。全球专业的工业设

31、备维护专家 国际认可的技术与服务典范图3 热源和不同的工作液体之间的废热换热器运行比较展示出了使用超临界二氧化碳作为工作液体进行废热发电的优势。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范同类产品技术比较同类产品技术比较 目前商业上使用的关于热回收发电的工作液体的简单比较见表1。与需要冷凝控制和水质条件要求（蒸汽形成，防止结垢、腐蚀、污染系统管道和部件）的蒸汽基系统不同，二氧化碳是一种清洁的、不结垢、无污染的工作液体，它能维持干燥的工况，并且无腐蚀。另外，由于沸腾换热过程，一般的蒸汽基热回收系统需要多级（如，节约装置、锅炉、过热器）和多重压力，从而有效地提取热能。在大型汽包中，对应力的

32、有效管理通常是蒸汽系统设计的一个限制因素，尤其是在循环运行中。二氧化碳的单相热转移过程允许使用更简单的废热换热器。对于启动程序的适当管理也能给二氧化碳提供与一般的蒸汽基系统相比更短的加热潜能和发电时间。表表1：废热回收发电循环对比：废热回收发电循环对比参数参数宜科根超临界二氧化宜科根超临界二氧化碳发电循环碳发电循环有机朗肯循环有机朗肯循环蒸汽朗肯循环蒸汽朗肯循环源温度范围（）204.4-649以上82.2-287.8343.3以上工作液体超临界二氧化碳氢氯氟碳化合物、氢氟烃或挥发性烃类处理过的水工作液体属性无腐蚀、无毒、不易燃、热稳定有限的温度范围、易燃需要进行处理，减少腐蚀&矿物质沉

33、积全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 有机朗肯循环热回收系统采用各种氢氯氟碳制冷剂，如R245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）和氢氟烃或轻烃，如正戊烷和异丁烯或甲苯。由于对高反应性氢氯化物和氢氟化物的热分解性，氢氯氟碳和氢氟烃液体具有限制温度的能力。这些液体具有较高的导致全球变暖的可能性，因此导致了对这些液体的生产和使用的管制压力。碳氢化合物工作液体具有很明显的易燃性危险。对于这两类液体，通常要通过使用中间的导热流体回路避免从高温热源直接换热，这会大大增加有机朗肯循环系统的安装成本。导热流体也有较高的温度限制，范围为300-350，这就限制了工作液体的最高温度。对于更高温

34、度的应用，当热回收系统未运行时，导热流体的温度限制需要使用分流器和旁路来适应主过程的持续运行。 由于二氧化碳具有极好的热稳定性和不易燃性，因此，直接从高温热源进行换热是可能的，允许更高的工作液体温度（因此会有更高的循环效率）。选择合适的材料和换热器设计，超临界二氧化碳系统还能够实现“干运行”，当热回收系统未运行时，主过程能够不间断运行，因此消除了对分流器和旁路的需求。 图4对比了独立的LM2500发电涡轮机与各种热回收技术相结合的功率输出对比。结果表明，与蒸汽基系统和有机朗肯循环系统相比，宜科根循环具有更高的性能，超过单压力热回收蒸汽发生宜科根循环具有更高的性能，超过单压力热回收蒸汽发生器的输

35、出量器的输出量1.131.13倍，是有机朗肯循环系统的倍，是有机朗肯循环系统的1.481.48倍。与传统的发电技术（如蒸汽轮机、热回收蒸倍。与传统的发电技术（如蒸汽轮机、热回收蒸汽发生器和有机朗肯循环系统）相比，宜科根热机技术是一种更小的、成本更低的废热回收解决汽发生器和有机朗肯循环系统）相比，宜科根热机技术是一种更小的、成本更低的废热回收解决方案。作为一种平台技术，它易于扩展（从方案。作为一种平台技术，它易于扩展（从250kW250kW至大于至大于50MW50MW）以在最宽泛的可能范围内为不同的）以在最宽泛的可能范围内为不同的工业和公共应用提供支持。宜科根热机是热源不可知论的，也就意味着大量

36、的热源都适用于能量工业和公共应用提供支持。宜科根热机是热源不可知论的，也就意味着大量的热源都适用于能量转换为电能的技术。热机可在操作温度范围为转换为电能的技术。热机可在操作温度范围为204204至大于至大于650650以及其它设备无法运行的条件下以及其它设备无法运行的条件下工作，能够回收更多的废弃能量转换为电能或工业用热。工作，能够回收更多的废弃能量转换为电能或工业用热。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范图4 宜科根热机与LM2500发电涡轮机相结合的效用率与其它竞争性废热回收技术对比的系统性能模型全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范超临界二氧化碳与蒸汽相比较

37、的优点超临界二氧化碳与蒸汽相比较的优点 超临界二氧化碳在闭合回路的发电应用中是一种理想的工作液体。它是一种低成本的工作液体，无毒、不易燃、无腐蚀、易于使用。超临界二氧化碳的高液体密度使得涡轮机械的设计能够非常紧凑。图5对比了正在设计中计划用于商业服务的宜科根10Mwe二氧化碳涡轮机和市场上能买到的10Mwe的蒸汽轮机。超临界二氧化碳涡轮机非常紧凑、高效，具有简单的单壳体设计，而蒸汽轮机通常需要多重涡轮级（如高压、中压、低压）以及相关的外壳，会相应增加系统包装复杂性，带有附加的入口和出口管道。例如，大规模宜科根超临界二氧化碳热机的动力涡轮机采用一个0.24米的涡轮级叶轮来为大约8000户家庭产生

38、足够的电能。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范图5 宜科根10Mwe超临界二氧化碳动力涡轮机与10Mwe蒸汽轮机的对比全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 超临界二氧化碳具有高密度，在宜科根热机换热器中可以使用高紧凑性的、微管道基换热器技术。高紧凑式换热器与管壳式换热器实际布局与重量对比见表2。表表2 2：管壳式换热器与高紧凑式换热器对比：管壳式换热器与高紧凑式换热器对比同流换热器类型同流换热器类型尺寸（米）尺寸（米）重量（千克）重量（千克）管壳式4壳，直径0.25*长6.097771高紧凑式微管道0.58*0.58*0.58969.78 二氧化碳还能有效地从

39、近似恒定热容的热源中捕获废热，如涡轮机废气或其它热气。这是由于其在超临界区的热容性决定的，与采用其它工作液体（如蒸汽或有机朗肯循环系统中使用的有机工作液体）的沸腾法相比，二氧化碳能够提供与热源温度曲线极好的匹配性。 如图6所示，所谓的夹点出现在由水向蒸汽的恒温相变过程中，限制了最高液体温度，影响蒸汽基废热回收与发电技术的循环效率。这种现象在超临界二氧化碳换热过程中不会遇到，因为其单相性能大大超过其临界点，因此对于同样的热源，能够达到更高的液体温度。蒸汽系统的沸腾过程限制了最高液体温度，需要多重压力（如双重或三重压力余热锅炉系统）来达到接近排气或烟气的温度。宜科根循环使单向热传递成为可能，改善了

40、换热器效率，同时减少了废热换热器尺寸和成本。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范图6 与蒸汽（左）不同，超临界二氧化碳（右）是一种单相液体，在废热换热器加热过程中能产生更高的液体温度和循环效率。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 超临界二氧化碳的单相性能允许能够设计简单、单相、单压的排气换热器，侧压力下降低。由于二氧化碳具有极好的热稳定性和不易燃性，从高温热源的直接换热是可能的，能够允许更高的工作液体温度（更高的循环效率）。选择合适的材料和换热器设计，超临界二氧化碳系统还能够实现“干运行”，当热回收系统未运行时，主过程能够不间断运行，因此消除了对分流器和旁路的

41、需求。 最后，以需求和周期循环为基础运行联合循环燃气轮机的发展趋势能引起余热蒸汽发生器硬件的严重损坏，缩短其使用寿命，因为在锅炉和过热器管束中存在热疲劳和流动加速腐蚀。周期循环运行还能导致涡轮机叶片侵蚀，因为冷凝蒸汽轮机在低压阶段含有水滴。 由于超临界二氧化碳是一种单向工作液体，无需热量输入时进行由水到蒸汽的相变，不会产生相关的热疲劳或腐蚀。紧凑的设备和先进的控制使EPS100投产时间快（约20分钟即可达到全功率）。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范系统性能比较系统性能比较 EPS100系统的性能（功率输出vs环境温度）大大超过了单压蒸汽系统，可以和双压蒸汽系统相媲美（见图7

42、）。下面关于EPS100热机的所有案例采用了蒸发冷却系统冷凝器。在大多数气候条件下，基线循环能够提供较好的性能平衡。在高温气候条件下，尤其是在水管制成为运行限制的地方，正在开发全空冷式装置。宜科根系统还能够增加净功率产量，例如，20-50MWe燃气轮机净功率可增加至30%。图7 功率输出vs环境温度宜科根EPS100热机性能可与双压热回收蒸汽系统相媲美。 全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范更低的安装和运行维护成本更低的安装和运行维护成本 完全安装的6-8MWe以上的超临界二氧化碳系统的详细成本预算与类似的双压蒸汽系统相比较（图7）。超临界二氧化碳系统具有更低的安装成本，具有更

43、小的足迹，减少了对辅助系统的需求。注意，许多部件成本以在6-8MWe以上模型制造过程中累积的实际购买的硬件成本为基础。安装成本以独立的EPC所执行的研究为基础，该EPC已经完成了许多小型蒸汽轮机简单和联合循环的安装。 超临界二氧化碳发电循环是一种紧凑的闭合回路系统，需要极少的运行和维护支持。超临界二氧化碳系统的运行和维护成本大大低于蒸汽系统。对于余热蒸汽发生器系统来说，运行和维护成本的很大一部分是水质和相关锅炉给水供应和冷凝回路系统的化学处理，这会对系统的可用性、部件的可靠性、对波峰循环运行的耐受性起到反作用。相反，二氧化碳清洁、无垢、无污染、无腐蚀，具有更低的维护成本。因此，用来维护超临界二

44、氧化碳系统的人员会大大减少，因为不需要水质和水处理方面的技术人员。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范图8宜科根EPS100每千瓦的安装成本比余热蒸汽系统低达40%全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范电力平准化成本电力平准化成本关键性能指标关键性能指标 最终，电力平准化成本是进行对比的最重要的参数。因为它可以恰当的解释系统安装过程中所有的设备、安装和运行/维护成本。以卡古伦描述的方法为基础，我们已经计算了许多不同设备配置的平准化电力成本，采用22MWe LM2500固定燃气轮机作为初级电力发电机，在涡轮机排至装置上带有蒸汽基或超临界二氧化碳基热回收系统： 简单循

45、环燃气轮机（SC） 带有双压余热蒸汽发生器底部循环和湿冷却（蒸汽湿润）的联合循环燃气轮机（CCGT） 带有双压余热蒸汽发生器底部循环和空气（干燥）冷却（蒸汽干燥）的联合循环燃气轮机（CCGT） 带有宜科根EPS100底部循环和湿冷却（超临界二氧化碳湿润）的联合循环燃气轮机（CCGT） 带有宜科根EPS100底部循环和干冷却（超临界二氧化碳干燥）的联合循环燃气轮机（CCGT）全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 平准化电力成本的表达式为：平准化电力成本的表达式为： 其中： = 平准化持有费用系数或资金成本 C = 工厂成本总额（美元） H = 年度运行小时数 P = 净额定输出（

46、kW） f = 平准化燃料成本（美元/千瓦时） = 联合循环工厂的净额定效率（LHV） OM = 固定的运行&维护成本（美元/千瓦-年） （,b）= 基本负载运行的可变运行&维护成本（美元/千瓦时） = 维护成本增加系数（基本负载运行时为1.0） 平准化持有费用系数根据美国能源部能效和可再生能源局办公室推荐的2010-2011年度4% 的名义贴现率以及20年的设备使用寿命进行计算。工厂成本为所有者的总成本估算。全球专业的工业设备维护专家 国际认可的技术与服务典范 超临界二氧化碳系统的较低的平准化能源成本使其在基本负载和循环运行条件下与余热蒸汽系统相比更具有经济性。 高输出功率高输出功率+ +低成本低成本+ +低运行低运行& &维护成本维护成本= =低的平准化能源成本低的平准化能源成本与传统的热回收蒸汽系统相比，在基本负载和循环运行时，超临界二氧化碳循环提供了10%-20%的更低的平准化能源成本由于更小的系