ORC发电技术与应用课件

低沸点工质循环发电技术及应用2013.3.18主要内容1.项目背景2.ORC原理3.ORC装置4.ORC透平设计5.ORC热水发电1.项目背景“节能减排”是重要国策；节能21%指标（万元工业增加值能耗5年累计下降21％）完成困难较大；

低于300℃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、石油精炼化学工业、玻璃工业、地热水和太阳能热水；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、财政部及国务院国有资产监督管理委员会给出“重大技术装备自主创新指导目录（2012版）”《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》《国务院“十二五”节能减排综合性工作方案》

《节能减排规划（2011－2015年）》余热发电概况

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(电能或动力功)；

设备可靠性高，运行安全和维护方便。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：汽轮机发电机组；

300℃以下：低沸点气轮机发电系统(ORC)

透平膨胀机/螺杆膨胀机/活塞膨胀机系统组成换热器（蒸发器/预热器）低沸点工质透平冷凝器（空冷/水冷）发电机（直流/交流）工质泵2.ORC原理有机朗肯循环（OrganicRankineCycle，简称ORC）是一种新型环保型的发电技术低沸点工质透平设计发电系统设计余热换热器设计辅助、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(℃)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72.148827.83-160.5187.23.378————R11137.3723.708-110.47197.964.4076A1否R113187.3847.585-36.22214.063.3922A1否R114170.923.586-94.15145.683.257A1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R152a66.051-24.023-118.59113.264.5168A2是R227ea170.03-16.45-126.8101.652.926——否R236ea152.046.19-273.15139.293.502————R236fa152.04-1.44-93.63124.923.2A1否R245ca134.0525.13-273.15174.423.925————R245fa134.0514.9-273.15154.053.64B1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；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。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；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；价格低廉，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、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。A方案：260℃烟气与低沸点工质直接换热2.4朗肯循环方案B方案：采用导热油将烟气热量传递给低沸点工质朗肯循环方案2.5循环原理及T-S图

利用中低温下能产生高压气体的介质（有机工质、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。它由余热锅炉换热器、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，借助工质泵重新泵回换热器，如此不断循环就能发电或产生动力。

2.6简化热力系统及过程说明

采用无过热、回热

T-s图

采用过热的T-s图

采用过热、回热的T-s图

采用回热的T-s图

2.7循环方式

三种工质在不同过热度下的净功率如图所示。R134a与R245fa的做功能力均随过热度的增加而增大。增设回热装置对R123和R245fa做功能力的影响如图所示。采用回热后显著提高了R245fa循环的最大输出净功率，最大净功率由623.5kW增至674.2kW，提高了8.1%。但是回热对R123系统的影响较小。2.8回热及过热的影响3.1主要应用场合工业余热废热的动力学回收太阳能热力发电，例如用平板集热器收集低于100℃的太阳热水作驱动热源，用ORC透平等构成低温太阳能热力发电系统，可作为分布式能源地热发电，我国在1993年底建成的那曲地热电站，装机容量为1MW，采用以色列ORMAT公司的双工质有机朗肯循环机组系统，地热热源温度为110℃，有机工质采用异戊烷

生物质能发电海洋温差能发电，闭式、开式及混合式循环3.ORC装置3.2奥玛特

(Ormat)公司ORC装置

气轮发电机组完全封闭,包含向心式透平,感应式发电机（3相电压）和离心式工质泵。ORC系统的全部旋转部件都安装在一根轴上,并在一个壳体内。机组垂直布置,透平位于底部,工质泵和轴承位于顶部,发电机在中间,位于两个径向轴承之间。其特点是发电机利用泵和上轴承逸出的工质液体自由落下润滑、冷却;发电机和轴承的润滑液也可方便的排到位于下面的冷凝器中。

3.3新型一体化ORC设计示意3.4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。双螺杆膨胀机特点闭式海洋温差发电系统

热带海洋表层海水温度24~29℃，而在深度约600m以下的海水常年在2~7℃。闭式循环用温水泵将温海水抽送至蒸发器内将热量传递给工作流体，工作流体受热后蒸发推动透平旋转，透平带发电机发电。工作流体用有机工质。3.6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发器，闪蒸出的水蒸汽再导入蒸发器加热工作流体，该系统发电的同时还可以产淡水。工作流体用有机工质。混合式海洋温差发电系统国家199019951998美国277528172850菲律宾89111911814意大利545632769墨西哥700753743印尼145310590日本215414530新西兰283286345冰岛4550140哥斯达黎加055120莎尔瓦多95105105中国192932世界总计586767988239单位：

MW3.7世界地热发电装机容量类型精炼厂石化厂造纸厂水泥厂焚烧炉燃气轮机电厂地址美国美国荷兰德国日本加拿大余热类型柴油冷凝碳氢化合物低压蒸汽冷却机排气蒸汽燃机尾气流量t/h5085131966.7295进口温度℃184104105275167275出口温度℃8085801258092冷凝器介质水水空气空气空气输出功率kW30078093013105505825ORC技术在部分国家的应用

4.ORC透平设计透平：轴流式或向心式采用三元流方法设计，高效、安全、工作稳定密封：透平轴端采用机械密封或浮环密封转速：3000r/min或更高转速功率：1#炉608kW;一托三2616kW4.1三维叶片的参数化拟合叶片参数化拟合过程4.2向心式透平特点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为机械功

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1-静环2-动环3-传动销4-弹簧5-弹簧座6-紧定螺钉7-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低沸点工质密封优点：封液泄漏量小，气体完全不泄漏，使用可靠。缺点：高转速下，辅助系统复杂，安装技术要求高。适用：输送各种气体改进：完全集装化，可使安装更为方便、简单。机械密封的优缺点集装式机械密封

产品周期：12个月

方案设计（二个月）；

工程设计（二个月）；

工艺审查、设计修改和完善（一个月）

设备制造（六个月）；

现场安装调试（一个月）。4.4产品周期产品的模块化；

产品的系列化；加强整机试验和调整；提高产品质量

；以市场为导向，扩大产品数量。

产品某厂热水流量600m~3/h，水温93℃，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。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，具有示范作用。可用热量

Q=CP×Gw×（t1–t2）=4.186×600／3.6×(93-30)=43953kJ/s发电量

Ne=Q×ηe=43963×0.083=3649kJ/s

5.ORC热水发电5.1工程概况工程投资概算（单位万元，总计3500万元）序号项目名称数量设备费基建安装费备注1低沸点发电系统1套2641345按3.5MW计2管网系统1套2591553项目前期费用50设计、勘探等4其它费用50含不可预见费用5小计30005005.2工程投资5.3经济性分析工业用电价0.42元/度，年发电8000小时，年供暖3000小时年发电量：28.0GW.h/a发电收益：1122.7万元供暖收