梅映新 李志 夏煥錦

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所， 武漢 4300064）

0 引言

我國已成為世界第二大能源消費(fèi)國，能源消耗大，能源利用率不高。一些發(fā)達(dá)國家的能源利用率已超過50%，美國的能源利用率達(dá)到60%以上，而我國的能源平均利用率約為 30%[1]，也就是說，約70%的能量，以各種形式白白排放掉了。我們通常把這些排放掉的余熱能源分為高溫、中溫、低溫三類，溫度高于650 ℃的為高溫余熱，230 ℃～650 ℃之間的為中溫余熱，低于230 ℃以下的為低溫余熱[2]。對于中高溫余熱的回收再利用，方式很多且技術(shù)成熟，例如，可以采用余熱鍋爐回收余熱產(chǎn)生高溫高壓的水蒸汽，水蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)組做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電輸出電能。而對于以煙氣、蒸汽、高溫冷卻水等形式存在的低溫余熱，由于其品位不高，回收效率則低得多，甚至無法回收。如何高效、經(jīng)濟(jì)地將這些總量巨大的低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)的電能，是目前國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域科研人員研究的熱點(diǎn)。本文介紹了一種基于有機(jī)朗肯循環(huán)的余熱回收發(fā)電系統(tǒng)的研究情況，對影響系統(tǒng)熱電效率的主要因素進(jìn)行了分析，并介紹了該系統(tǒng)的市場應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 ORC余熱回收發(fā)電系統(tǒng)組成

有機(jī)朗肯循環(huán)一詞來源于英文 Organic Rankine Cycle ，簡稱ORC，意為采用有機(jī)物做為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)。ORC余熱回收發(fā)電系統(tǒng)其基本組成包括：汽輪發(fā)電機(jī)組、蒸發(fā)器、冷凝器、回?zé)崞鳌⒐べ|(zhì)循環(huán)泵以及電氣控制部分等，所有設(shè)備集成在一個(gè)鋼性公共底座上。圖 1是ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 ORC余熱回收發(fā)電系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，工質(zhì)循環(huán)泵將液態(tài)有機(jī)工質(zhì)加壓，泵入蒸發(fā)器中。液態(tài)的有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收余熱的熱能，變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)有機(jī)工質(zhì)，氣態(tài)工質(zhì)進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)組中做功，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組對外輸出電能。在汽輪機(jī)中做完功排除來的有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過冷凝器冷凝，變?yōu)橐簯B(tài)，回到儲液罐中。如此周而復(fù)始的循環(huán)，即可源源不斷地輸出電能或機(jī)械功。

圖1 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

由于朗肯循環(huán)只是最基本的熱力循環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單但效率不高，實(shí)際應(yīng)用中，需要進(jìn)行預(yù)熱、回?zé)岬仍O(shè)計(jì)，對冷凝有機(jī)工質(zhì)的冷卻水，也可綜合利用，如作為冬季供暖用水等，從而提高系統(tǒng)整體熱能利用效率。

2 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

對于低品位溫余熱的回收利用，有機(jī)物做為循環(huán)工質(zhì)比水蒸汽具有顯著的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在回收顯熱方面具有較高效率，對低溫?zé)嵩矗琌RC技術(shù)可以回收更多的熱量。從圖2水蒸汽和有機(jī)工質(zhì)的溫熵圖可以看出，ORC技術(shù)可回收的顯熱/潛熱比例明顯高于常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)。

圖2 水和有機(jī)工質(zhì)的溫熵圖

根據(jù)T-s圖中飽和蒸汽曲線dT/ds的情況，可將工質(zhì)分為三種類型，dT/ds>0為干性工質(zhì)，一般為有機(jī)物；dT/ds<0為濕性工質(zhì)，如水蒸汽等；干性工質(zhì)在汽輪機(jī)中膨脹做功后仍呈現(xiàn)干蒸汽狀態(tài)，不會出現(xiàn)液滴，因此有機(jī)工質(zhì)的飽和蒸汽無需過熱即可以進(jìn)入汽輪機(jī)做功。與常規(guī)水蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電形式比較，ORC技術(shù)具有如下顯著特點(diǎn)[3]：

1）有機(jī)工質(zhì)沸點(diǎn)低，在較低的溫度下即可沸騰，且沸騰時(shí)產(chǎn)生的蒸發(fā)壓力較高，適宜回收低溫余熱。其密度大、比熱容小，所需汽輪機(jī)尺寸、排氣管道尺寸、換熱器換熱面積等都較小，節(jié)約成本。

2）有機(jī)工質(zhì)在汽輪機(jī)中做功后仍呈現(xiàn)干蒸汽狀態(tài)，因此有機(jī)工質(zhì)的飽和蒸汽無需過熱即可以進(jìn)入汽輪機(jī)做功，不會出現(xiàn)形成液滴對高速旋轉(zhuǎn)的汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生沖擊腐蝕的情況。

3）與水蒸汽相比，有機(jī)工質(zhì)聲速較低，汽輪機(jī)在葉片輪周速度較低時(shí)就能獲得有利的空氣動(dòng)力性能，常規(guī)轉(zhuǎn)速下即可獲得較高的效率。

4）有機(jī)工質(zhì)冷凝壓力高，可在稍高于大氣壓的壓力下冷凝，使系統(tǒng)壓力保持正壓，防止空氣進(jìn)入影響系統(tǒng)性能。有機(jī)工質(zhì)凝固點(diǎn)低，即使在嚴(yán)寒地區(qū)使用，仍不需進(jìn)行防凍處理。

5）與常規(guī)水蒸汽汽輪發(fā)電機(jī)組比，ORC發(fā)電系統(tǒng)不需要除鈣、除鎂離子的軟化水設(shè)備，不需要除水中溶氧設(shè)備。

3 影響系統(tǒng)熱電效率的主要因素分析

3.1 有機(jī)工質(zhì)的選擇

有機(jī)工質(zhì)的選擇對系統(tǒng)整體性能具有重要影響。針對不同的余熱熱源溫度，選擇的有機(jī)工質(zhì)不一樣。即使對相同溫度的熱源，也應(yīng)該有多種有機(jī)工質(zhì)可供選擇，某些混合工質(zhì)的熱力性能應(yīng)優(yōu)于單一純工質(zhì)?？偟膩碚f，應(yīng)以追求最高的系統(tǒng)整體熱電轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo)，兼顧環(huán)保等其它因素。理想的有機(jī)工質(zhì)應(yīng)具有如下特征：

1）工質(zhì)的臨界溫度應(yīng)略高于循環(huán)中的最高溫度，因?yàn)榇蠖鄶?shù)有機(jī)工質(zhì)在臨界溫度之上時(shí)，其化學(xué)穩(wěn)定性變差，可能出現(xiàn)熱分解。

2）應(yīng)選擇具有較低臨界溫度和壓力，較小的比熱容，低粘度和表面張力，高汽化顯熱，高熱傳導(dǎo)率，熱穩(wěn)定性好的有機(jī)工質(zhì)。

3）循環(huán)中最高溫度對應(yīng)的飽和壓力不宜過高，過高的壓力帶來機(jī)械承壓問題，致使系統(tǒng)成本上升。

4）無毒、不易燃易爆、對環(huán)境無破壞性。

5）易于制備，經(jīng)濟(jì)性好。

3.2 有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)

ORC熱電冷聯(lián)產(chǎn)設(shè)備中使用的汽輪機(jī)與常規(guī)水蒸汽汽輪機(jī)無本質(zhì)上的區(qū)別，其基本原理仍是利用噴嘴和葉輪將高溫高壓氣體轉(zhuǎn)化為高速流體，然后將高速流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸功輸出。但因?yàn)橛袡C(jī)工質(zhì)所具有的一些特點(diǎn)，在進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行專門考慮：

1）有機(jī)工質(zhì)分子量遠(yuǎn)大于水的分子量，因此音速較低，在進(jìn)行汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能避免在噴嘴出口出現(xiàn)超音速，以免造成附加激波損失。

2）有機(jī)工質(zhì)在汽輪機(jī)里做功時(shí)膨脹比高但焓降小，在進(jìn)行汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

3）有機(jī)工質(zhì)比水貴得多，因此在進(jìn)行汽輪機(jī)設(shè)計(jì)制造時(shí)要重點(diǎn)考慮密封問題。

4）有機(jī)工質(zhì)的密度、粘度、膨脹系數(shù)等參數(shù)與水蒸汽參數(shù)都有區(qū)別，進(jìn)行汽輪機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮。

目前國外有機(jī)汽輪機(jī)已由以前的軸流式汽輪機(jī)向向心徑流式汽輪機(jī)發(fā)展，向心徑流式汽輪機(jī)具有損失小、效率高、轉(zhuǎn)速高、體積小等特點(diǎn)，是今后有機(jī)工質(zhì)汽輪機(jī)發(fā)展的方向。

3.3 換熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

ORC余熱回收發(fā)電系統(tǒng)中的換熱設(shè)備，如蒸發(fā)器、冷凝器、回?zé)崞鞯?，是影響系統(tǒng)整體熱電轉(zhuǎn)化效率的重要因素之一。選擇合適的換熱器型式，進(jìn)行適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化傳熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，是提高系統(tǒng)效率的重要途徑。由于低溫余熱大量地以低溫?zé)煔狻⒏邷貨_渣水等形式存在，煙氣中含有硫及硫化物、灰塵等情況較為常見，沖渣水中一般也含腐蝕性成份，因此在設(shè)計(jì) ORC余熱回收發(fā)電系統(tǒng)中的換熱器，特別是蒸發(fā)器時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮選擇合適的換熱器的材質(zhì)，在回收低溫?zé)煔鈺r(shí)，蒸發(fā)器出口側(cè)煙氣溫度應(yīng)控制在控制在煙氣露點(diǎn)溫度以上，避免低溫腐蝕。余熱熱源中含有較多灰塵時(shí)，蒸發(fā)器應(yīng)考慮增設(shè)自動(dòng)除塵裝置。

3.4 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

ORC余熱回收發(fā)電系統(tǒng)電氣控制部分與整個(gè)系統(tǒng)性能的好壞，運(yùn)行自動(dòng)化程度的高低，系統(tǒng)整體效率的高低等與電氣控制部分的性能息息相關(guān)。目前國外的 ORC余熱回收發(fā)電系統(tǒng)通過采用模糊邏輯控制算法，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的魯棒性，當(dāng)負(fù)載在 50－100%范圍內(nèi)變化時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行平滑，動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好，電氣控制系統(tǒng)高度智能化設(shè)計(jì)，可以做到遠(yuǎn)程啟停操作和無人值守運(yùn)行。一般來說，ORC余熱回收發(fā)電系統(tǒng)電氣控制部分應(yīng)具有如下功能：

1）汽輪機(jī)運(yùn)行控制及保護(hù)；

2）發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制及保護(hù)；

3）自動(dòng)并網(wǎng)控制與配電保護(hù)；

4）數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)記錄與分析；

5）遠(yuǎn)程通訊與智能診斷；

6）系統(tǒng)高效運(yùn)行綜合檢測與控制；

7）系統(tǒng)安全保護(hù)。

4 市場前景分析

我國每年能源總消耗量巨大，但我國能源利用率遠(yuǎn)低于世界發(fā)達(dá)國家平均水平，因此在我國的建材、鋼鐵、有色、化工等工業(yè)行業(yè)存在著大量的中低溫余熱可供回收再利用。而據(jù)保守估計(jì)，每年我國國內(nèi)的 ORC余熱回收熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備市場需求量至少在5×106 kW以上。另外，我國地大物博，太陽能、地?zé)崮?、海洋溫差能蘊(yùn)藏量巨大，我國農(nóng)作物種植面積廣，生物質(zhì)能儲量大，這些都意味著ORC發(fā)電設(shè)備市場潛力極大。

近年來，國家高度重視生物質(zhì)能的開發(fā)利用，頒布了《可再生能源法》，《2010熱電聯(lián)產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃及2020年遠(yuǎn)景目標(biāo)》等，對容量大于1000 kW 余熱電站實(shí)行無條件上網(wǎng)并給予優(yōu)惠上網(wǎng)電價(jià)等措施的出臺，相信很快將迎來 ORC余熱熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備發(fā)展的高潮。

5 結(jié)束語

ORC余熱回收發(fā)電技術(shù)在歐美發(fā)達(dá)國家已有較為成熟的應(yīng)用，在國內(nèi)尚處于起步階段，但發(fā)展迅猛，相信不久的將來，ORC發(fā)電技術(shù)將會為我國節(jié)能減排事業(yè)做出重大的貢獻(xiàn)。

[1]汪玉林. 低溫余熱能源發(fā)電裝置綜述[J]. 熱電技術(shù),2007, 93（1）: 1－4.

[2]黃素逸,王曉墨等. 能源與節(jié)能技術(shù)[M]. 中國電力出版社, 2008.

[3]王江峰, 戴義平, 陳江. 中低溫余熱發(fā)電技術(shù)及應(yīng)用[J]. 節(jié)能, 2007, 2: 32－34.