ORC发电技术及应用

1、低沸点工质循环发电技术及应用低沸点工质循环发电技术及应用西安交通大学能动学院西安交通大学能动学院 程代京程代京 2013.3.182013.3.18主要内容1. 项目背景项目背景2. ORC原理原理3. ORC装置装置4. ORC透平设计透平设计5. ORC热水发电热水发电1.项目背景 “节能减排节能减排”是重要国策；是重要国策； 节能节能21%指标（万元工业增加值能耗指标（万元工业增加值能耗5年累计年累计 下降下降21 ）完成困难较大；）完成困难较大； 低于低于300的低温余热总资源约占余热总资源的的低温余热总资源约占余热总资源的 30%，其利用率低，大都直接排入大气，造成能，其利用率低，大

2、都直接排入大气，造成能源的浪费及对环境的热污染；源的浪费及对环境的热污染； 国内低温余热的热源广泛：钢铁工业、水泥工业、国内低温余热的热源广泛：钢铁工业、水泥工业、石油精炼化学工业、玻璃工业、地热水和太阳能石油精炼化学工业、玻璃工业、地热水和太阳能热水；热水； 缺乏有效的技术和设备加以利用。缺乏有效的技术和设备加以利用。工业和信息化部、科学技术部、财政部及国务院工业和信息化部、科学技术部、财政部及国务院国有资产监督管理委员会给出国有资产监督管理委员会给出“重大技术装备自重大技术装备自主创新指导目录（主创新指导目录（2012版）版）” 国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要国民经济和社会发展第十

3、二个五年规划纲要 国务院国务院“十二五十二五”节能减排综合性工作方案节能减排综合性工作方案 节能减排规划（节能减排规划（20112015年）年）余热发电概况 最大限度地回收余热源的热量；最大限度地回收余热源的热量； 能使回收的热量能有效地转换为有效功能使回收的热量能有效地转换为有效功(电能或电能或动力功动力功)； 设备可靠性高，运行安全和维护方便设备可靠性高，运行安全和维护方便。目前技术：目前技术： 窑炉蒸汽余热发电系统 ； 带补燃锅炉的中低温蒸汽余热发电系统； 不带补燃锅炉的中低温蒸汽余热发电； 300以上以上：汽轮机发电机组汽轮机发电机组； 300以下以下：低沸点气：低沸点气轮机发电系统轮

4、机发电系统(ORC) 透平膨胀机透平膨胀机/螺杆膨胀机螺杆膨胀机/活塞膨胀机活塞膨胀机系统组成换热器（蒸发器换热器（蒸发器/预热器）预热器）低沸点工质透平低沸点工质透平冷凝器（空冷冷凝器（空冷/水冷）水冷）发电机（直流发电机（直流/交流）交流）工质泵工质泵2.ORC原理有机朗肯循环（有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称，简称ORC）是一种新型环保型的发电技术）是一种新型环保型的发电技术低沸点工质透平设计低沸点工质透平设计发电系统设计发电系统设计余热换热器设计余热换热器设计辅助、成套设备的设计辅助、成套设备的设计名称分子量(g/mol)常压沸点()三相点温度()临界温度

5、()临界压力(MPa)安全分类环境友好(是/否)NH317.03-33.327-77.655132.2511.333B2是正丁烷58.122-0.55-138.28151.983.796A3是异丁烷58.122-11.67-159.59134.673.64A3是正戊烷72.148836.064-129.68196.553.37异戊烷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 工质选取名称分子量(g/mol)常压沸点()三相点温度()临界温度()临界压力(MPa)安全分类环境友好(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是工质选取2.2 有机工质的饱和蒸气曲线2.3 工质特性有良

8、好的热力学性能，相同的余热资源条件下，有良好的热力学性能，相同的余热资源条件下，应提供更多的动力；应提供更多的动力；合适的压力水平，蒸发时蒸发压力不太高，冷凝合适的压力水平，蒸发时蒸发压力不太高，冷凝时压力又不太低，最好不要在真空下工作。时压力又不太低，最好不要在真空下工作。比热和密度较大，传热性能好，这样可以减少透比热和密度较大，传热性能好，这样可以减少透平尺寸、换热器的传热面积；平尺寸、换热器的传热面积；热稳定性好，不易分解，不腐蚀设备；热稳定性好，不易分解，不腐蚀设备；无毒，不易燃，不易爆，运行安全、可靠；无毒，不易燃，不易爆，运行安全、可靠；价格低廉，输送与储存方便，高纯度，易得到。价

9、格低廉，输送与储存方便，高纯度，易得到。从工质的热力特性、传热性、透平的气动特性、从工质的热力特性、传热性、透平的气动特性、热稳定性、可燃性、毒性、腐蚀性、价格以及对热稳定性、可燃性、毒性、腐蚀性、价格以及对大气环境的影响等方面来考虑。大气环境的影响等方面来考虑。A A方案：方案：260260烟气与低沸点工质直接换热烟气与低沸点工质直接换热2.4 朗肯循环方案B B方案：方案：采用导热油将烟气热量传递给低沸采用导热油将烟气热量传递给低沸点工质点工质朗肯循环方案朗肯循环方案2.5 循环原理及循环原理及T-S图图 利用中低温下能产生高压气体的介质（有机工利用中低温下能产生高压气体的介质（有机工质、

10、沸点较低）作为工质，在中低温下蒸发产生质、沸点较低）作为工质，在中低温下蒸发产生的高压气体去驱动透平的循环。它由余热锅炉换的高压气体去驱动透平的循环。它由余热锅炉换热器热器、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。余透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。余热流体在换热器中放热给有机工质，工质由于吸热流体在换热器中放热给有机工质，工质由于吸热而成蒸气。这种蒸气通过透平膨胀作功，从而热而成蒸气。这种蒸气通过透平膨胀作功，从而带动发电机发电或拖动其它转动机械。从透平排带动发电机发电或拖动其它转动机械。从透平排出的蒸气在冷凝器中向冷却水放出热量而凝结成出的蒸气在冷凝器中向冷却水放出热量而凝结成液体，借助工质泵重

11、新泵回换热器，如此不断循液体，借助工质泵重新泵回换热器，如此不断循环就能发电或产生动力。环就能发电或产生动力。 2.6 简化热力系统及过程说明简化热力系统及过程说明 TS61223457TS1233456TS812234567TTS91233 45678采用无过热、回热采用无过热、回热 T-s图图 采用过热的采用过热的T-s图图 采用过热、回热的采用过热、回热的T-s图图 采用回热的采用回热的T-s图图 2.7 循环方式循环方式 三种工质在不同过热度下的净功率如图三种工质在不同过热度下的净功率如图所示。所示。R134a与与R245fa的做功能力均随的做功能力均随过热度的增加而增大。过热度的增加

12、而增大。增设回热装置对增设回热装置对R123和和R245fa做功能力的做功能力的影响如图所示。采用回热后显著提高了影响如图所示。采用回热后显著提高了R245fa循环的最大输出净功率，最大净功循环的最大输出净功率，最大净功率由率由623.5kW增至增至674.2kW，提高了，提高了8.1%。但是回热对但是回热对R123系统的影响较小。系统的影响较小。2.8 回热及过热的影响回热及过热的影响3.1 3.1 主要应用场合主要应用场合工业余热废热的动力学回收工业余热废热的动力学回收太阳能热力发电太阳能热力发电，例如用平板集热器收集低于例如用平板集热器收集低于100100的的太阳热水作驱动热源，用太阳热

13、水作驱动热源，用 ORCORC透平等构成低温太阳能热力透平等构成低温太阳能热力发电系统发电系统 ，可作为分布式能源，可作为分布式能源地热发电地热发电，我国在我国在19931993年底建成的那曲地热电站，装机年底建成的那曲地热电站，装机容量为容量为1MW1MW，采用以色列，采用以色列ORMATORMAT公司的双工质有机朗肯循环公司的双工质有机朗肯循环机组系统，地热热源温度为机组系统，地热热源温度为110110，有机工质采用异戊烷，有机工质采用异戊烷 生物质能发电生物质能发电海洋温差能发电海洋温差能发电，闭式、开式及混合式循环，闭式、开式及混合式循环3. ORC装置装置3.2 奥玛特奥玛特 (Or

14、mat)公司公司ORC装置装置 气轮发电机组完全封闭气轮发电机组完全封闭,包含包含向心式透平向心式透平,感应式发电机（感应式发电机（ 3相电压）和离心式工质泵。相电压）和离心式工质泵。ORC系统的全部旋转部件都系统的全部旋转部件都安装在一根轴上安装在一根轴上,并在一个壳并在一个壳体内。机组垂直布置体内。机组垂直布置,透平位透平位于底部于底部,工质泵和轴承位于顶工质泵和轴承位于顶部部,发电机在中间发电机在中间,位于两个径位于两个径向轴承之间。其特点是发电机向轴承之间。其特点是发电机利用泵和上轴承逸出的工质液利用泵和上轴承逸出的工质液体自由落下润滑、冷却体自由落下润滑、冷却;发电发电机和轴承的润滑

15、液也可方便的机和轴承的润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 新型一体化新型一体化ORC设计示意设计示意3.4 单螺杆膨胀机单螺杆膨胀机容积式，基本结构是由一对阴、阳螺杆转子和壳体组成。 进气、膨胀、排气，热流体（蒸汽、热液或汽液两相流体）进入螺杆齿槽A，热流体能量推动阴阳螺杆向相反方向旋转到B、 C、D，齿槽容积增加，热流体降压膨胀作功，最后从齿槽E排出，实现将热能转换成机械能，从主轴阳螺杆输出，驱动发电机可发电；直接驱动负载可替代电动机节约电力。3.5 双螺杆膨胀机双螺杆膨胀机1）吃粗粮的动力机能回收过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相及热水热液的新型动力机；能除

16、垢自洁，可回收70-80以上热水热液、80以上蒸汽、180以上烟气的余热可用于工业余热废热，也可以与地热、太阳热能及生物质能配合，实现热能转换为机械能。2）适合回收闲散废热用于发电允许热源压力、流量大范围内波动；机组可移动，集中或分散布置，实现分布式发电。3）使用安全简单机组运行不需暖机、不盘车、不飞车，直接冲转运转安全可靠。4）长期无大修，维护方便行操作简单，螺杆转子粗大坚实，可以长期不大修，小修简单方便，运行维护费用低。双螺杆膨胀机特点双螺杆膨胀机特点闭式海洋温差发电系统闭式海洋温差发电系统 热带海洋表层海水温热带海洋表层海水温度度2429，而在深度，而在深度约约600 m以下的海水常以下

17、的海水常年在年在27。闭式循环。闭式循环用温水泵将温海水抽送用温水泵将温海水抽送至蒸发器内将热量传递至蒸发器内将热量传递给工作流体，工作流体给工作流体，工作流体受热后蒸发推动透平旋受热后蒸发推动透平旋转，透平带发电机发电。转，透平带发电机发电。工作流体用有机工质工作流体用有机工质 。3.6 海洋温差发电系统海洋温差发电系统混合式海洋温差发电系统混合式海洋温差发电系统 将温海水先导入闪蒸蒸将温海水先导入闪蒸蒸发器，闪蒸出的水蒸汽发器，闪蒸出的水蒸汽再导入蒸发器加热工作再导入蒸发器加热工作流体，该系统发电的同流体，该系统发电的同时还可以产淡水时还可以产淡水 。工作工作流体用有机工质流体用有机工质

18、。混合式混合式海洋温差发电系统海洋温差发电系统国家国家199019951998美国美国277528172850菲律宾菲律宾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新西兰新西兰283286345冰岛冰岛4550140哥斯达黎加哥斯达黎加055120莎尔瓦多莎尔瓦多95105105中国中国192932世界总计世界总计586767988239单位： MW 3.7 世界地热发电装机容量世界地热发电装机容量类型类型精炼厂精炼厂石化厂石化厂造纸厂造纸厂水泥厂水泥厂焚烧炉焚烧炉燃气轮机燃气轮机电厂地址电厂地址美国美

19、国美国美国荷兰荷兰德国德国日本日本加拿大加拿大余热类型余热类型柴油柴油冷凝碳氢化冷凝碳氢化合物合物低压蒸汽低压蒸汽冷却机排冷却机排气气蒸汽蒸汽燃机尾气燃机尾气流量流量 t/h5085131966.7295进口温度进口温度184104105275167275出口温度出口温度8085801258092冷凝器介质冷凝器介质水水水水空气空气空气空气空气空气输出功率输出功率kW30078093013105505825ORC 技术在部分国家的应用技术在部分国家的应用 4. ORC透平设计透平设计透平：轴流式或向心式透平：轴流式或向心式 采用三元流方法设计，高效、安全、工作稳定采用三元流方法设计，高效、安全

20、、工作稳定密封：透平轴端采用机械密封或浮环密封密封：透平轴端采用机械密封或浮环密封转速：转速：3000 r/min或更高转速或更高转速功率：功率： 1#炉炉 608 kW; 一托三一托三 2616 kW流 面 类 型 定 义流 面 径 向 位 置 定 义吸 力 边 定 义中 弧 线 定 义压 力 边 定 义其 他 特 性 定 义二 维 叶 型 定 义积 叠 规 律 定 义流 面 定 义子 午 流 道 轮 廓 形 状 定 义轮 毂 端 壁 定 义机 匣 端 壁 定 义轴 向 积 叠 线 定 义积 叠 点 定 义轴 向 积 叠 线 定 义压 力 边 尾 缘 钝 头 定 义吸 力 边 尾 缘 钝 头

21、 定 义4.1 三维叶片的参数化拟合三维叶片的参数化拟合叶片参数化拟合过程叶片参数化拟合过程4.2 向心式透平特点向心式透平特点进汽管道损失比轴流式透平小进汽管道损失比轴流式透平小 环形叶栅中的相对速度较小，而且汽流扩压段消环形叶栅中的相对速度较小，而且汽流扩压段消失，从而使损失下降失，从而使损失下降其等熵功绝大部分无损失的通过离心力作用转变其等熵功绝大部分无损失的通过离心力作用转变为机械功为机械功 出口平均直径小于进口平均直径，余速损失小出口平均直径小于进口平均直径，余速损失小 向心式透平叶轮三维模型向心式透平叶轮三维模型1-静环 2-动环 3-传动销 4-弹簧 5-弹簧座 6-紧定螺钉 7

22、-传动螺钉 8、9、10-O形密封环11-防转销 12-压盖 13-推环 14-轴套4.3 低沸点工质密封低沸点工质密封优点：封液泄漏量小，气体完全不泄漏，优点：封液泄漏量小，气体完全不泄漏，使用可靠。使用可靠。缺点：高转速下，辅助系统复杂，安装缺点：高转速下，辅助系统复杂，安装技术要求高。技术要求高。适用：输送各种气体适用：输送各种气体改进：完全集装化，可使安装更为方便、改进：完全集装化，可使安装更为方便、简单。简单。机械密封的优缺点机械密封的优缺点集装式机械密封集装式机械密封 产品周期：产品周期：1212个月个月 方案设计（二个月）；方案设计（二个月）； 工程设计（二个月）；工程设计（二个

23、月）； 工艺审查、设计修改和完善（一个月）工艺审查、设计修改和完善（一个月） 设备制造（六个月）；设备制造（六个月）； 现场安装调试（一个月）。现场安装调试（一个月）。4.4 产品周期产品周期产品的模块化；产品的模块化； 产品的系列化产品的系列化；加强整机试验和调整；加强整机试验和调整；提高产品质量提高产品质量 ；以市场为导向，扩大产品数量以市场为导向，扩大产品数量。 产品产品某厂热水流量某厂热水流量600m3/h，水温，水温93，利用热水发，利用热水发电是绿色能源和可再生能源，减少污染和碳排放。电是绿色能源和可再生能源，减少污染和碳排放。 采用低沸点工质发电。采用低沸点工质发电。具有独立知识产权，填补了国内空白，创新性强，具有独立知识产权，填补了国内空白，创新性强，具有示范作用。具有示范作用。可用热量可用热量 Q = CPGw（t1t2