彭小熙
摘 要: 為了提高中低溫余熱的利用效率,世界各國(guó)科學(xué)家付出了巨大的努力,而使用有機(jī)朗肯循環(huán)來(lái)回收該部分熱量進(jìn)行利用便是其中典型代表。本文首先簡(jiǎn)要介紹了有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)及相關(guān)特點(diǎn),在此基礎(chǔ)上分析了有機(jī)朗肯循環(huán)的全球與中國(guó)的專(zhuān)利情況,最后對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行展望。
關(guān)鍵詞: 朗肯循環(huán);有機(jī);中低溫余熱
一、前言
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展和人口數(shù)量的不斷增長(zhǎng),所消耗的化石能源數(shù)量也在不斷攀升,同時(shí)在工業(yè)生產(chǎn)中,大量余熱被直接排放到大氣中,這樣不僅僅造成了環(huán)境的污染,更是白白損耗了一大部分可用能源。因此,對(duì)中低溫余熱的回收和利用便具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。若以水作為朗肯循環(huán)的工質(zhì),來(lái)回收這部分低溫余熱,則由于水的沸點(diǎn)較高,將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的效率低下。如若選用有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)來(lái)回收余熱,則既能實(shí)現(xiàn)能源的回收利用,又能在同等的輸出條件下,減少二氧化碳等污染物的排放,有利于環(huán)境保護(hù)。同時(shí),有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)也可以用于自然界中的其他低品位能量,實(shí)現(xiàn)能源利用的多樣性,從而彌補(bǔ)了能源不足的現(xiàn)狀。
二、有機(jī)朗肯循環(huán)基本技術(shù)原理淺析
(一)、性能簡(jiǎn)介及優(yōu)勢(shì)分析
有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle)是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)[1]。整個(gè)系統(tǒng)由換熱器、透平機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵四大部件組成,有機(jī)工質(zhì)首先在換熱器中從廢氣等需要余熱回收的流體中吸收熱量,從而形成蒸汽,進(jìn)而,蒸汽進(jìn)入透平機(jī)中膨脹對(duì)外輸出功,從透平機(jī)排出的蒸汽在凝汽器中放熱,凝結(jié)成液態(tài),再通過(guò)工質(zhì)泵重新回到換熱器中,從而形成一個(gè)完整的循環(huán)。
ORC循環(huán)與傳統(tǒng)的水蒸氣朗肯循環(huán)的根本區(qū)別在于采用有機(jī)工質(zhì),所以整個(gè)工質(zhì)的特性將主導(dǎo)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及效率。在中低溫(低于650℃)情況下,由于ORC在顯熱回收方面有較高效率,因此ORC循環(huán)的效率明顯比水作為工質(zhì)的朗肯循環(huán)效率高得多。
(二)、關(guān)鍵技術(shù)
ORC循環(huán)是通過(guò)透平機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換的,因此,透平機(jī)的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)效率的一個(gè)保證,其要求在相同熱量的條件下使得發(fā)電功率最大化。此外,換熱器的構(gòu)造以及工質(zhì)的選取也將直接影響能源回收的效率,而由此選用混合工質(zhì)也是拓寬ORC循環(huán)工質(zhì)選擇范圍的另一種方法。通過(guò)余熱源的溫度范圍,工質(zhì)與管道的兼容性,混合工質(zhì)的特性,換熱效率,安全性,經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行考量,配比出最合適的換熱工質(zhì)和換熱器。進(jìn)而,在優(yōu)化系統(tǒng)性能發(fā)面,還需要系統(tǒng)能夠運(yùn)行平穩(wěn),噪聲低,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及使用范圍廣。
三、有機(jī)朗肯循環(huán)專(zhuān)利情況分析
(一)、申請(qǐng)量分析
表2為不同時(shí)間段有機(jī)朗肯循環(huán)的國(guó)內(nèi)專(zhuān)利申請(qǐng)量與全球?qū)@暾?qǐng)量的對(duì)比。截止2018年3月8日,有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)總量達(dá)到了2110篇,而國(guó)內(nèi)關(guān)于該領(lǐng)域的申請(qǐng)總量達(dá)到了1065件,在全球申請(qǐng)中占據(jù)了重要的地位。然而,在這之前的很長(zhǎng)一段時(shí)間,國(guó)內(nèi)每年有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)量不足5篇,直至2009年以后申請(qǐng)量才逐漸呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在我國(guó),該項(xiàng)技術(shù)起步較晚,中國(guó)第一篇國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人的關(guān)于有機(jī)朗肯循環(huán)裝置的專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)日為2006年。并且,在早期,國(guó)內(nèi)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)裝置的研究主要是從理論上對(duì)該循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行研究,直至近幾年,隨著我國(guó)在各式能源大規(guī)模利用方面出現(xiàn)了大量的需求,這也促使國(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究無(wú)論是從理論上或者是實(shí)際改造上均更加深入。專(zhuān)利申請(qǐng)量的增加,不僅僅體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究發(fā)展,同時(shí)也反映出近幾年國(guó)人逐漸形成了專(zhuān)利保護(hù)意識(shí)。
(二)、申請(qǐng)人分析
根據(jù)申請(qǐng)量分析,并結(jié)合前期的統(tǒng)計(jì)結(jié)果所抽取的樣本中所得到有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域申請(qǐng)量較大的申請(qǐng)人,以及行業(yè)中較為知名的申請(qǐng)人,如下表所示:
可以看出,目前,在國(guó)外ORC技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化,并且在統(tǒng)計(jì)中得知外國(guó)已將該項(xiàng)技術(shù)從余熱的回收方面擴(kuò)大到地?zé)帷⑻?yáng)能、生物能等新能源的利用上來(lái)。而我國(guó)對(duì)于ORC的研究起步較晚,故而該領(lǐng)域的大多數(shù)申請(qǐng)人為科研單位:天津大學(xué)的主要研究方向是雙螺桿有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng),北京工業(yè)大學(xué)主要研究單螺桿有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng),而中國(guó)科技大學(xué)研究的是太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)利用等。同時(shí),自2008年以來(lái),清華大學(xué)和杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司聯(lián)合開(kāi)展對(duì)ORC工業(yè)余熱發(fā)電系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究和關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā),將ORC工業(yè)低溫余熱技術(shù)積極推向工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。此外,在有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域中并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的技術(shù)壟斷,而是一種百花齊放的發(fā)展趨勢(shì),這有利于不同創(chuàng)新技術(shù)之間的交流與學(xué)習(xí),更有利于該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。
(三)、有效性分析
截至至2018年,有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域中,國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的公開(kāi)量為1065篇,而公告量?jī)H為289,專(zhuān)利授權(quán)率為27.36%。這說(shuō)明雖然各個(gè)研究院或者企業(yè)在有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)方面進(jìn)行著不斷的研究和探索,但是由于我國(guó)現(xiàn)在仍處于理論研究階段,技術(shù)尚未成熟,由于理論重復(fù)性較高,因此造成了該領(lǐng)域?qū)@跈?quán)率的低下。
四、有機(jī)朗肯循環(huán)領(lǐng)域展望
有機(jī)朗肯循環(huán)是回收低品位余熱的有效途徑之一,在國(guó)外,該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)有非常成熟及廣泛地應(yīng)用,同時(shí),該項(xiàng)技術(shù)也成功應(yīng)用到新能源領(lǐng)域中去;然而在我國(guó),該項(xiàng)技術(shù)尚有不足,仍有很大的發(fā)展空間。
隨著科技的發(fā)展,有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)將愈加成熟,當(dāng)前該技術(shù)主要發(fā)展方向?yàn)椋禾嵘袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)理論的完備性和復(fù)雜性,或者系統(tǒng)整合滿足空間集成化需求,以使得系統(tǒng)效率更優(yōu)。
參考文獻(xiàn)
[1] 李艷,連紅奎,顧春偉. 有機(jī)朗肯循環(huán)在工業(yè)余熱回收中的應(yīng)用[J]. 2009年中國(guó)動(dòng)力工程學(xué)會(huì)透平專(zhuān)業(yè)委員會(huì)2009年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集,123-127頁(yè),2009.