閆靜文，楊柯峰，侯 佳，李剛輝，郭紅斌

有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀

閆靜文，楊柯峰，侯 佳，李剛輝，郭紅斌

（北京康吉森節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，北京 101318）

能源需求的持續(xù)增長(zhǎng)和環(huán)境問題要求越來越多地利用可持續(xù)能源，有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）由于其能夠有效利用低溫?zé)崮?、提高能源利用效率、減少二氧化碳排放等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為關(guān)注熱點(diǎn)。膨脹機(jī)是ORC系統(tǒng)的核心部件，對(duì)系統(tǒng)的發(fā)電效率、可靠性和經(jīng)濟(jì)性等影響較大。本文總結(jié)了用于低品位能源利用ORC的各種膨脹機(jī)類型，并對(duì)其工作原理、技術(shù)特點(diǎn)、研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：綜合考慮其性能效率，透平膨脹機(jī)適用于>50 kW的余熱利用系統(tǒng)，容積式膨脹機(jī)在<200 kW的ORC系統(tǒng)中有明顯優(yōu)勢(shì)，螺桿膨脹機(jī)適宜<500 kW的ORC系統(tǒng)，其他機(jī)型目前實(shí)驗(yàn)研究較多，應(yīng)用較少；膨脹機(jī)的選擇不僅需要考慮其效率高低，還需要考慮其適用范圍、經(jīng)濟(jì)性、復(fù)雜程度和后期維修成本等因素。

有機(jī)朗肯循環(huán)；膨脹機(jī)；透平膨脹機(jī)；容積式膨脹機(jī)；余熱利用；低品位能源

化石燃料的大量消耗造成了能源短缺和嚴(yán)重的環(huán)境問題，引起了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注。有統(tǒng)計(jì)指出，在能量轉(zhuǎn)換過程中有50%的熱能最終以低品位熱能的形式被浪費(fèi)[1]。低品位熱能包括工業(yè)低溫余熱及新能源領(lǐng)域的地?zé)崮?、太陽能、生物質(zhì)能等，數(shù)量巨大。對(duì)低品位熱能進(jìn)行合理利用，不僅能夠提高能源利用率，還能起到節(jié)能減排，緩解化石能源供給緊張的作用[2]。有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）作為一種能將低品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺浑娔茌敵龅南到y(tǒng)，被認(rèn)為是一種切實(shí)可行并且高效的余熱利用技術(shù)[3]。

ORC理論上可用于各種類型低品位能源的開發(fā)和利用。目前，該技術(shù)主要應(yīng)用于地?zé)崮馨l(fā)電、工業(yè)余熱回收、太陽能發(fā)電、生物質(zhì)能燃燒發(fā)電和海洋溫差發(fā)電等領(lǐng)域[4]，對(duì)于不同應(yīng)用領(lǐng)域其系統(tǒng)也各不相同，當(dāng)前的研究主要針對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用[5-9]、工質(zhì)選擇[10-12]、設(shè)計(jì)與優(yōu)化[13-15]、膨脹機(jī)的選擇[10,16-17]等幾個(gè)方面，在這些研究中，膨脹機(jī)作為最重要的動(dòng)力部件，其成本約占整個(gè)系統(tǒng)成本的60%[18]，而且其采用的形式、運(yùn)行特性和效率對(duì)于整個(gè)機(jī)組效率的提高至關(guān)重要。

1 膨脹機(jī)研究進(jìn)展

目前用于ORC系統(tǒng)的膨脹機(jī)主要分為2類：一類是速度型膨脹機(jī)，也稱透平膨脹機(jī)，通常分徑流式透平和軸流式透平2種；另一類是容積式膨脹機(jī)，如渦旋膨脹機(jī)、螺桿膨脹機(jī)、活塞膨脹機(jī)和滑片膨脹機(jī)等[16]，主要通過容積改變來獲得膨脹比和焓降，對(duì)外輸出功，用于小流量大膨脹比的場(chǎng)合[17]，轉(zhuǎn)速較低，輸出功率隨轉(zhuǎn)速的增大而增大。

1.1 透平膨脹機(jī)

透平膨脹機(jī)不適用于功率較小的ORC系統(tǒng)，因?yàn)殡S著其輸出功率的下降，轉(zhuǎn)速會(huì)呈指數(shù)增 長(zhǎng)[19]，甚至可以達(dá)到每分鐘十幾萬轉(zhuǎn)甚至幾十萬轉(zhuǎn)，此時(shí)采用一般的油膜軸承已經(jīng)無法滿足要求甚至失效，所以透平膨脹機(jī)常用于大中型的ORC系統(tǒng)。Qiu[16]和Pei[20]等人認(rèn)為當(dāng)膨脹機(jī)功率<50 kW時(shí)，發(fā)電效率明顯降低，同時(shí)高轉(zhuǎn)速帶來高成本、穩(wěn)定性下降等問題也不容忽視。

根據(jù)比轉(zhuǎn)速公式，在余熱利用時(shí)，軸流式透平適合于大流量、低膨脹比的場(chǎng)合，徑流式透平適合于小流量、高膨脹比的場(chǎng)合。比轉(zhuǎn)速的計(jì)算式如下：

式中，s為比轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)速，為流量，Δ為 焓降。

另外，有機(jī)朗肯循環(huán)與蒸汽朗肯循環(huán)相比，具有低比熱容、低音速、低焓降的特點(diǎn)，所以O(shè)RC透平一般是高膨脹比透平[10]。尤其是在低品位能源利用中，各級(jí)損失均有增加，徑流式透平比軸流式透平更具優(yōu)勢(shì)。在流量較小時(shí)，徑流式透平由于旋轉(zhuǎn)葉盤的數(shù)量較少，機(jī)械損失少；對(duì)間隙損失的敏感度低[21]，而且葉片安裝方便；當(dāng)級(jí)數(shù)較多時(shí)，造價(jià)也比軸流式透平要低。但是，隨著流量的增大，徑流式透平尺寸將大幅度增加，此時(shí)采用軸流式透平來應(yīng)對(duì)大流量和高焓降更適合。

在近年來的研究中，由于徑流式透平等熵效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)速高、高膨脹比等優(yōu)點(diǎn)，引起了學(xué)者們的關(guān)注。Colonna等人[22]的研究表明，當(dāng)?shù)蜏責(zé)嵩礈囟葹?20~350 ℃、輸出功率大于100 kW時(shí)，透平膨脹機(jī)等熵效率可以達(dá)到90%以上。Fiachi等人[23]選擇了6種不同工質(zhì)對(duì)徑流式透平進(jìn)行了初步設(shè)計(jì)，保證輸出功率為50 kW時(shí)，透平效率可達(dá)到72%~80%。國內(nèi)學(xué)者對(duì)于徑流式透平的研究集中在透平的一維和三維結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)和優(yōu)化等方面。鄧蘭等[24]研究了90°進(jìn)汽和后掠式進(jìn)汽2種進(jìn)汽結(jié)構(gòu)對(duì)等熵效率的影響。王智等[25]比較了7種不同出口相對(duì)氣流角對(duì)透平效率的影響，最后得出氣流角度為32°時(shí)有較好的葉輪性能和較高的透平效率。張振康等[26]對(duì)透平變工況特性開展模擬分析，研究了壓力、溫度、轉(zhuǎn)速以及膨脹比對(duì)透平輸出功與等熵效率的影響規(guī)律。Pan等人[27]采用徑流式ORC透平機(jī)，通過對(duì)14種有機(jī)工質(zhì)和90 ℃熱源進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)透平內(nèi)效率由轉(zhuǎn)子膨脹比決定，并隨著轉(zhuǎn)子膨脹比的增加而減小。

除了在徑流式透平本身的渦輪設(shè)計(jì)、等熵效率、匹配工質(zhì)等方面進(jìn)行研究外，近些年來，國內(nèi)外針對(duì)小型和微型ORC的研究十分集中。Yamamoto等人[28]設(shè)計(jì)了徑流式透平的小型ORC系統(tǒng)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，輸出功率為0.15 kW。Pei等人[29]設(shè)計(jì)了以R123為循環(huán)工質(zhì)的徑流式透平ORC實(shí)驗(yàn)，當(dāng)入口溫度和壓力分別為100 ℃和0.786 MPa時(shí)輸出功率為3.3 kW，等熵效率為71%，隨后做出的模型驗(yàn)證表明，由于各種損失的存在，最終等熵效率為65%，輸出軸功為1.36 kW。Nithesh等人[30]設(shè)計(jì)了以R22為工質(zhì)的徑流式透平機(jī)閉路循環(huán)海洋熱能轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為34 000 r/min，發(fā)電量為2 kW。如上所述，徑流式透平不太適合于50 kW以下的功率范圍，所以目前進(jìn)行小型徑流式透平研究主要為科研院所和高校實(shí)驗(yàn)室使用。

1.2 渦旋膨脹機(jī)

渦旋膨脹機(jī)是由制冷空調(diào)系統(tǒng)中的渦旋式壓縮機(jī)演變而來，它由一對(duì)動(dòng)渦旋盤和靜渦旋盤組成，兩盤組裝后形成月牙形的封閉腔，工作時(shí)，外側(cè)空間與排氣口相通，中心部位與吸氣口相通。動(dòng)渦旋盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，月牙形封閉腔容積增大，氣體不斷膨脹，如此循環(huán)，進(jìn)行連續(xù)進(jìn)氣、膨脹和排氣過 程[31]。渦旋膨脹機(jī)工作原理如圖1所示。

圖1 渦旋膨脹機(jī)工作原理

1988年Yanagisawa等人[32]將汽車空調(diào)壓縮機(jī)改裝成渦旋膨脹機(jī)并進(jìn)行了試驗(yàn)，但等熵效率僅為60%。為了解決效率低的問題，Wang等人[33]采用R134a作為循環(huán)工質(zhì)，分別對(duì)渦旋盤和軸承采用2種不同的密封和潤(rùn)滑方法，在密封油壓為712 kPa時(shí)，等熵效率上升至77%。為了減少泄漏方面的影響，Zenelli等人[34]采用R134a作為工質(zhì)，進(jìn)行了封閉式渦旋膨脹機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究，輸出軸功3.5 kW，等熵效率為43%~65%。另外關(guān)于欠/過膨脹的影響，Bracco等人[35]將全封閉式渦旋壓縮機(jī)改造成渦旋膨脹機(jī)，采用Kane等人[36]的方法對(duì)膨脹機(jī)的潤(rùn)滑和密封做了改進(jìn)，結(jié)果表明，當(dāng)膨脹機(jī)在膨脹不足時(shí)，等熵效率從75% 下降至60%，膨脹比從5.0上升至6.0，轉(zhuǎn)速相應(yīng)的從4 500 r/min降至3 000 r/min。Lemort等人[37]建立了一個(gè)無油開式渦旋膨脹機(jī)模型，采用R123作為工質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析指出內(nèi)部泄漏、吸氣壓力下降和機(jī)械損失是渦旋膨脹機(jī)的主要損失。

1.3 螺桿膨脹機(jī)

通常所稱的螺桿膨脹機(jī)是指雙螺桿膨脹機(jī)，做功由吸氣、膨脹、排氣3個(gè)過程組成。吸氣時(shí)工質(zhì)進(jìn)入雙螺桿齒槽A，熱能推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)到B，齒槽容積增加，工質(zhì)流體壓力下降膨脹做功，最后從齒槽C排出，主軸兩螺桿可直接/同步驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。螺桿膨脹機(jī)工作原理[38]如圖2所示。

圖2 螺桿膨脹機(jī)工作原理

最早對(duì)螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行研究的是美國學(xué)者Nillson[39]，于1952年取得螺桿膨脹機(jī)的專利；1973年Sprankle[40]采用雙螺桿膨脹機(jī)，以濕蒸汽或熱水為介質(zhì)用于地?zé)岚l(fā)電；1983年日本學(xué)者Tatushi等人[41]通過在螺桿機(jī)上打孔測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，得到了實(shí)際螺桿膨脹機(jī)和理想膨脹機(jī)示功圖的對(duì)比，將螺桿機(jī)的理論研究引向?qū)嶒?yàn)階段；而用于有機(jī)工質(zhì)朗肯發(fā)電系統(tǒng)的螺桿膨脹機(jī)由Taniguchi[42]于1988年在日本提出。

近年來，針對(duì)螺桿膨脹機(jī)的研究集中在轉(zhuǎn)子型線、內(nèi)泄漏、吸氣壓力損失、轉(zhuǎn)速等對(duì)于容積效率的影響。Smith等人[43]研制出了一種新型N型線用于螺桿膨脹機(jī)，并指出其優(yōu)于其他型線。劉廣斌等[44]基于一種圓弧、橢圓及相應(yīng)包絡(luò)線的螺桿轉(zhuǎn)子型線，分析中心距、相對(duì)齒根深度、轉(zhuǎn)子齒數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子型線特征參數(shù)的影響，計(jì)算轉(zhuǎn)子的變形，為螺桿膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)、分析提供理論基礎(chǔ)。Shen等人[45]建立了螺桿膨脹機(jī)的泄漏路徑和泄漏數(shù)學(xué)模型，通過擬合間隙高度和轉(zhuǎn)速，顯示體積效率和輸出功率均受到影響，同時(shí)容積效率也會(huì)隨著內(nèi)部體積比的增大而減小。Tang等人[46]針對(duì)雙螺桿膨脹機(jī)建立了數(shù)學(xué)模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速、吸氣壓力對(duì)膨脹機(jī)的效率影響很大，當(dāng)轉(zhuǎn)速從1 250 r/min上升至6 000 r/min時(shí)，等熵效率和容積效率分別下降40%和7.5%，吸氣壓力從0.33 MPa上升至0.47 MPa時(shí)，容積效率從0.91下降至0.85。Hu等人[47]也做了類似的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述結(jié)果。

除雙螺桿膨脹機(jī)外，新型的單螺桿膨脹機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)部件少，可靠性高，且可利用最低溫度達(dá)80 ℃等優(yōu)點(diǎn)，引起了學(xué)者的關(guān)注[48-50]。單螺桿膨脹機(jī)（圖3）由1個(gè)螺桿和2個(gè)對(duì)稱配置的平面星輪組成嚙合副，安裝在膨脹機(jī)殼體內(nèi)[50]。從結(jié)構(gòu)上看，單螺桿膨脹機(jī)采用雙星輪的對(duì)稱布置，使得單螺桿膨脹機(jī)主軸的運(yùn)行處于完全平衡的狀態(tài)，無軸向和徑向力，可靠性很高，同時(shí)由于其沒有雙螺桿的三角泄漏區(qū)，所以具有更高的容積效率。

圖3 單螺桿膨脹機(jī)工作原理

1.4 滑片膨脹機(jī)

滑片膨脹機(jī)的基本工作原理如圖4所示。轉(zhuǎn)子上開有4個(gè)凹槽，滑片安裝在凹槽內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)子偏心旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑片在離心力的作用下甩出并與定子緊密接觸，形成4個(gè)空腔[51]。有機(jī)工質(zhì)流體從入口通道進(jìn)入形成的腔A，隨著轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，空間容積不斷變化，實(shí)現(xiàn)膨脹做功。

圖4 滑片膨脹機(jī)工作原理

滑片膨脹機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子不受軸向和徑向力，對(duì)軸承和裝配精度要求低，可靠性高，成本低等優(yōu)勢(shì)，使其在余熱回收領(lǐng)域很有競(jìng)爭(zhēng)力。但受制于結(jié)構(gòu)和體積限制，目前實(shí)驗(yàn)機(jī)型的功率范圍在1~10 kW。Qiu等人[16]認(rèn)為滑片膨脹機(jī)具有高膨脹比、流量小、操作設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，所以適合于小型ORC領(lǐng)域。Vodicka等人[52]指出滑片膨脹機(jī)的嚴(yán)重內(nèi)部泄漏使膨脹過程的壓力下降非常迅速，并產(chǎn)生過度膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致等熵效率降低，通過在滑片底部設(shè)置彈簧，改善了滑片與氣缸內(nèi)壁之間的密封。Suankramdee等人[53]通過添加O型圈和軸封對(duì)滑片式空壓機(jī)進(jìn)行了改造，解決了有機(jī)工質(zhì)泄漏問題，同時(shí)通過增加工作流體流動(dòng)面積，提高了滑片膨脹機(jī)的性能。Subiantoro等人[54]改進(jìn)了常規(guī)滑片式膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)，將滑片固定到氣缸上，氣缸作為旋轉(zhuǎn)部件，結(jié)果表明，效率提升至少10%。另外還有學(xué)者針對(duì)無油滑片膨脹機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，用于生物質(zhì)發(fā)電領(lǐng)域，試驗(yàn)表明性能同噴油潤(rùn)滑的方式相當(dāng)[55]。

除了對(duì)滑片膨脹機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和型式改進(jìn)的探討，學(xué)者們也進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Badr等人[56]利用滑片膨脹機(jī)可實(shí)現(xiàn)輸出功率1.8 kW，等熵效率為73%；Mohd等人[57]開發(fā)了一套滑片膨脹機(jī)ORC系統(tǒng)，結(jié)果表明輸出功率為30 W時(shí)，膨脹機(jī)效率為48%，系統(tǒng)熱效率為4%，遠(yuǎn)低于理論計(jì)算的數(shù)值。Singh等人[58]發(fā)現(xiàn)密封性是導(dǎo)致理論和實(shí)際差異的一個(gè)主要因素，對(duì)模型進(jìn)行修正后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值吻合良好。

1.5 活塞膨脹機(jī)

活塞膨脹機(jī)是一種通過氣體膨脹推動(dòng)活塞向外界輸出功的設(shè)備，其原理近似于往復(fù)活塞壓縮機(jī)，目前被廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)的余熱回收[59]。

Glavatskaya等人[60]開發(fā)了穩(wěn)態(tài)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ椭锌紤]了環(huán)境、機(jī)械損失以及內(nèi)部泄漏等因素，得出的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的最大偏差為4.7%。他指出隨著轉(zhuǎn)速增大，等熵效率隨之增大，等熵效率約為55%~70%，同時(shí)壓力損失增大導(dǎo)致容積效率下降；隨著壓比的增大，等熵效率降低，這是由于工質(zhì)欠膨脹造成了功率損失。Clemente等人[61]針對(duì)活塞式膨脹機(jī)和渦旋膨脹機(jī)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在大膨脹比時(shí)，活塞式膨脹機(jī)的性能更為優(yōu)越。Tenissara等人[62]采用壓縮空氣為工質(zhì)，研究了低壓下活塞式膨脹機(jī)的性能，結(jié)果表明該機(jī)型也可用于低壓工質(zhì)，平均等熵效率在57%左右。

國內(nèi)天津大學(xué)研發(fā)了針對(duì)R245fa的滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)[63]，與往復(fù)活塞膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)有所不同，通過滾動(dòng)活塞的周期性轉(zhuǎn)動(dòng)，完成吸氣、膨脹和排氣過程。滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)工作原理如圖5所示。

圖5 滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)工作原理

活塞膨脹機(jī)由于存在進(jìn)、排氣閥節(jié)流阻力、欠膨脹、摩擦損失、外部與內(nèi)部熱交換等引起的冷量損失，所以目前研究顯示的膨脹效率都比較低。馬一太等[64]通過雙缸滾動(dòng)活塞解決了進(jìn)排氣閥帶來的摩擦損失、節(jié)流損失等，但轉(zhuǎn)動(dòng)部件、摩擦損失、泄漏損失等問題仍有待進(jìn)一步研究。

2 膨脹機(jī)選擇

近些年應(yīng)用于ORC的膨脹機(jī)技術(shù)眾多，根據(jù)Imran等人[65]對(duì)2000—2016年該技術(shù)的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)（圖6）顯示,學(xué)者們研究的重心集中在透平膨脹機(jī)、渦旋膨脹機(jī)和螺桿膨脹機(jī)。究其原因，一方面是這3種機(jī)型都相對(duì)成熟，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)應(yīng)用的改造和研究較為方便，費(fèi)用相對(duì)便宜；另一方面這與市場(chǎng)應(yīng)用的需求也很符合，目前市面上商業(yè)化的設(shè)備傾向于50 kW以上的機(jī)組，對(duì)于小型ORC設(shè)備（＜50 kW）進(jìn)行商業(yè)化的公司并不是很多。

圖6 2000—2016年ORC系統(tǒng)膨脹機(jī)選擇情況

對(duì)于一個(gè)合適的膨脹機(jī)型的選擇，不能僅考慮膨脹機(jī)的等熵效率，還需要綜合考慮膨脹機(jī)的功率范圍、膨脹比、復(fù)雜程度、組成部件、經(jīng)濟(jì)性等多方面的因素?；谏鲜鲅芯课墨I(xiàn)，對(duì)用于ORC系統(tǒng)的不同種類膨脹機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表1。從表1可以看出：透平膨脹機(jī)往往用于較大流量、大功率的ORC機(jī)組，其制造工藝成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，故障率低，但是轉(zhuǎn)速較高，因此需要齒輪箱減速后與發(fā)電機(jī)或動(dòng)力機(jī)械相連，勢(shì)必造成機(jī)械損失和成本的增加；容積式膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速較低，較適合于小流量、小功率的ORC機(jī)組，當(dāng)要實(shí)現(xiàn)大功率輸出時(shí)需要通過并聯(lián)的形式，否則體積將十分笨重。另外，容積式膨脹機(jī)往往需要潤(rùn)滑系統(tǒng)，給齒輪或渦旋盤、轉(zhuǎn)子等接觸部件潤(rùn)滑，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時(shí)泄漏損失也是影響其性能的主要因素。

表1 各種膨脹機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

Tab.1 Summary of advantages and disadvantages of different expanders

在中小型ORC的余熱利用（200 kW以下）中，容積式膨脹機(jī)具有明顯的優(yōu)勢(shì)[10]。首先余熱資源往往波動(dòng)較大，負(fù)荷不穩(wěn)定，容積式膨脹機(jī)受工況變化的影響較??；其次余熱利用中往往用到的容量不大，屬于容積式膨脹機(jī)能夠覆蓋到的功率范圍；另外容積式膨脹機(jī)成本較低，投資回收期較短，雖然效率比透平膨脹機(jī)略低，但整體性價(jià)比較高。但是目前除了螺桿膨脹機(jī)外，其他幾種容積式膨脹機(jī)都處于實(shí)驗(yàn)研究階段，尚未進(jìn)行商業(yè)應(yīng)用。

另外，在設(shè)計(jì)方面如何進(jìn)行膨脹機(jī)的選擇，學(xué)者們也提出了自己的看法，其中Kenneth和Nichols等人[66]列出了按照比轉(zhuǎn)速s和比直徑s進(jìn)行選擇的方法，其中參數(shù)s和s是關(guān)于體積流量3和等熵膨脹焓降ad的函數(shù)，每一種類型的膨脹機(jī)在一定的s和s區(qū)間內(nèi)都存在最優(yōu)性能。例如，活塞膨脹機(jī)在比轉(zhuǎn)速0.01~0.10范圍內(nèi)性能較好，而徑流式透平在比轉(zhuǎn)速30~300范圍內(nèi)性能較好。

3 膨脹機(jī)應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 膨脹機(jī)類型

在歐美等發(fā)達(dá)國家對(duì)于ORC低溫余熱回收的研究和應(yīng)用都開始較早，最早的應(yīng)用在地?zé)岷蜕镔|(zhì)領(lǐng)域，膨脹機(jī)的形式采用透平膨脹機(jī)為主。因?yàn)橹械蜏氐責(zé)崴疁囟然驹?50~300 ℃，儲(chǔ)量大，比熱容高，非常適合采用軸流式透平；而生物質(zhì)能由于熱值較低，雖然溫度較高，但是單臺(tái)電站裝機(jī)容量并不大，在1 MW左右，所以徑流式和軸流式透平均可采用。以色列的ORMAT公司和意大利的Turboden公司是ORC低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域的國際領(lǐng)軍者，也是以生產(chǎn)軸流/徑流膨脹機(jī)為主。我國1977年在西藏羊八井地區(qū)的第一臺(tái)ORC地?zé)岚l(fā)電裝置就是依托ORMAT公司的技術(shù)，裝機(jī)容量1 MW，利用熱水溫度110 ℃，工質(zhì)采用異丁烷，年發(fā)電量600萬kW·h[67]。

由于西方國家居住分散，集中供電代價(jià)較高，電價(jià)昂貴，加上歐盟關(guān)于利用可再生能源的強(qiáng)制性規(guī)定，小型ORC市場(chǎng)逐步興起。在工業(yè)余熱領(lǐng)域，太陽能和海洋能的微型分布式能源電站，多采用小型徑流式透平和容積式膨脹機(jī)。據(jù)報(bào)道，全球范圍內(nèi)1~100 kW的ORC發(fā)電機(jī)組的市場(chǎng)容量為4.95 MW[5]，但該部分市場(chǎng)主要集中在國外。

在我國ORC的應(yīng)用領(lǐng)域集中在工業(yè)余熱方面。目前主要的制造單位有陜西博爾能源科技有限公司（博爾Boer）、北京華航盛世能源技術(shù)有限公司（華航盛世）、浙江開山股份有限公司（浙江開山）、江西華電電力有限責(zé)任公司（江西華電）、上海奇耀動(dòng)力技術(shù)有限公司（上海奇耀）、北京康吉森節(jié)能環(huán)保有限公司等。博爾Boer自行研發(fā)并成功投入商業(yè)使用的國內(nèi)首套兆瓦級(jí)ORC低溫余熱發(fā)電機(jī)組在包頭鋼鐵（集團(tuán)）有限責(zé)任公司投入使用并運(yùn)行良好；華航盛世制造的2 MW徑流式透平ORC機(jī)組成功打破了歐美技術(shù)壟斷，創(chuàng)造目前國內(nèi)最大的ORC應(yīng)用業(yè)績(jī)。容積式膨脹機(jī)的應(yīng)用方面，我國目前已經(jīng)具備了螺桿膨脹機(jī)產(chǎn)品的批量生產(chǎn)能力。浙江開山國外地?zé)岚l(fā)電業(yè)務(wù)業(yè)績(jī)較多，并積極在國內(nèi)推廣，在核心部件的研發(fā)上，如轉(zhuǎn)子和型線設(shè)計(jì)上，已經(jīng)具備了自己獨(dú)特的研發(fā)設(shè)計(jì)能力。各個(gè)生產(chǎn)廠家的膨脹機(jī)類型、功率輸出范圍等數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 各生產(chǎn)廠家膨脹機(jī)類型及適用溫度

Tab.2 The types and applicable temperatures of the expander provided by different manufacturers

針對(duì)我國工業(yè)領(lǐng)域余熱量大，在某些煉油、化工企業(yè)，高溫冷凝液（100 ℃以上）的流量達(dá)到上千噸是十分常見的，此時(shí)選用大容量的透平膨脹機(jī)較為適合。但是目前在國內(nèi)應(yīng)用較多的是容積式螺桿膨脹機(jī)，這一方面是因?yàn)槁輻U膨脹機(jī)的研發(fā)可以依托國內(nèi)的螺桿壓縮機(jī)平臺(tái)，另一方面是由于其成本較透平膨脹機(jī)低。所以在犧牲部分效率的情況下，螺桿膨脹機(jī)得到了很大的發(fā)展。但是容積式膨脹機(jī)當(dāng)功率增大到一定數(shù)值，泄漏損失增加，性能下降，尺寸呈指數(shù)增加[68]，所以在商業(yè)應(yīng)用中往往采用多機(jī)并聯(lián)的方式用于大流量大功率的場(chǎng)合。

3.2 膨脹機(jī)工程應(yīng)用

國外的ORC應(yīng)用十分成熟，有大量應(yīng)用實(shí)例，并集中在生物質(zhì)能、地?zé)岷凸I(yè)余熱方面，膨脹機(jī)的選擇上，透平膨脹機(jī)是技術(shù)主流；在國內(nèi)的ORC應(yīng)用主要集中在鋼鐵行業(yè)、化工煉油等工業(yè)余熱方面，螺桿膨脹機(jī)是主要應(yīng)用方式。表3為ORC機(jī)組工程應(yīng)用案例。

表3 ORC機(jī)組工程應(yīng)用案例

Tab.3 Engineering case analysis for ORC units

4 結(jié)論與展望

1）膨脹機(jī)作為ORC系統(tǒng)中的核心部件，對(duì)系統(tǒng)的效率和總體成本都有重要的影響。綜合考慮其性能效率，透平膨脹機(jī)適用于>50 kW的余熱利用系統(tǒng)，商業(yè)應(yīng)用十分廣泛；容積式膨脹機(jī)在<200 kW的ORC系統(tǒng)中有明顯優(yōu)勢(shì)，商業(yè)應(yīng)用中螺桿膨脹機(jī)往往＜500 kW，其他機(jī)型目前實(shí)驗(yàn)研究較多，應(yīng)用較少。

2）膨脹機(jī)的選擇不僅需要考慮其效率高低，還需要考慮其適用范圍、經(jīng)濟(jì)性、復(fù)雜程度和后期維修成本等因素。

3）在小型低溫余熱領(lǐng)域，新型膨脹機(jī)技術(shù)正在興起，但其實(shí)際應(yīng)用仍需相關(guān)政策的推動(dòng)和支持。

［1］ Siemens Power Generation Division. Waste heat recovery with organic Rankine cycle technology[R/OL]. 2014. http: //www.energy.siemens.com/mx/pool/hq/power-eneration/ steam-turbines/downloads/brochure-orc-organic-rankine-cycle-technology_EN. pdf.

［2］ IMRAN M, USMAN M, PARK B S, et al. Comparative assessment of organic Rankine cycle integration for low temperature geothermal heat source applications[J]. Energy, 2016, 102: 473-490.

［3］ VéLEZ F, SEGOVIA J J, MARTíN M C, et al. A technical,economical and market review of organic Rankine cycles for the conversion of low-grade heat for power generation[J]. Renew Sustain Energy Review, 2012, 16: 4175-4189.

［4］ TCHANCHE B F, LAMBRINOS G, FRANGOUDAKIS A, et al. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles: a review of various applications[J]. Renew Sustain Energy Review, 2011, 15: 3963-3979.

［5］ ZHANG S J, WANG H X, GAO T, et al. Performance comparison and parametric optimization of subcritical organic Rankine cycle (ORC) and transcritical power cycle system for low-temperature geothermal power generation[J]. Applied Energy, 2011, 88(8): 2740-2754.

［6］ 劉廣彬, 趙遠(yuǎn)揚(yáng), 李連生, 等. 小型低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)性能分析[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2011, 32(2): 186-188. LIU Guangbin, ZHAO Yuanyang, LI Liansheng, et al. Performances analysis of small low-temperature waste heat power generation system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(2): 186-188.

［7］ 郭叢, 杜小澤, 楊立軍, 等. 地?zé)崮苡袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)性能分析[J]. 熱力發(fā)電, 2014, 43(6): 11-16. GUO Cong, DU Xiaoze, YANG Lijun, et al. Performance analysis of organic Rankine cycle of power recovery from geothermal energy[J]. Thermal Power Generation, 2014, 43(6): 11-16.

［8］ 應(yīng)振根, 楊小軍, 湯炎. 生物質(zhì)有機(jī)朗肯發(fā)電系統(tǒng)熱力性能分析[J]. 能源工程, 2017(6): 32-38. YING Zhengen, YANG Xiaojun, TANG Yan. Analysis of the thermal performance of biomass power generation system with organic Rankine cycle[J]. Energy Engineering, 2017(6): 32-38.

［9］ SUN F, IKEGAMI Y, JIA B, et al. Optimization design and exergy analysis of organic Rankine cycle in ocean thermal energy conversion[J]. Applied Ocean Research, 2012, 35: 38-46.

［10］ BAO J , ZHAO L . A review of working fluid and expander selections for organic Rankine cycle[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 24: 325-342.

［11］ 謝攀, 隆瑞, 劉政, 等. 低溫工業(yè)余熱利用ORC工質(zhì)選擇[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2016, 37(9): 1834-1838. XIE Pan, LONG Rui, LIU Zheng, et al. Working fluid selection of organic Rankine cycle for low-temperature industrial waste heat utilization[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2016, 37(9): 1834-1838.

［12］KANG S H. Design and experimental study of ORC (organic Rankine cycle) and radial turbine using R245fa working fluid[J]. Energy, 2012, 41(1): 514-524.

［13］ROBERTO S, MICHELE T, COSTANTE M I, et al. Comparison of working fluids and cycle optimization for heat recovery ORCs from large internal combustion engines[J]. Energy, 2018, 158: 396-416.

［14］MOHSEN S, ARASH N, ALIREZA G, et al. Thermodynamic analysis and multi-objective optimization of various ORC (organic Rankine cycle) configurations using zeotropic mixtures[J]. Energy, 2016, 109: 791-802.

［15］馬新靈, 孟祥睿, 魏新利, 等. 有機(jī)朗肯循環(huán)低品位熱能發(fā)電系統(tǒng)向心透平的設(shè)計(jì)與性能研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2014, 34(14): 2289-2295. MA Xinling, MENG Xiangrui, WEI Xinli, et al. Design and performance study of radial inflow turbine used on organic Rankine cycle waste heat power generation system[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(14): 2289-2295.

［16］QIU G, LIU H, RIFFAT S. Expanders for micro-CHP systems with organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(16): 3301-3307.

［17］鄧立升, 黃宏宇, 何兆紅, 等. 有機(jī)朗肯循環(huán)的研究進(jìn)展[J]. 新能源進(jìn)展, 2014, 2(3): 180-189. DENG Lisheng, HUANG Hongyu, HE Zhaohong, et al. Research progress on organic Rankine cycle[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2014, 2(3): 180-189.

［18］ROWSHANZADEH R. Performance and cost evaluation of organic Rankine cycle at different technologies[J]. Applied Thermodynamics & Refrigeration, 2010, 56: 23.

［19］SONG P P, WEI M S, SHI L, et al. A review of scroll expanders for organic Rankine cycle systems[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 75: 54-64.

［20］ PEI G, LI J, LI Y, et al. Construction and dynamic test of a small-scale organic Rankine cycle[J]. Energy, 2011, 36(5): 3215-3223.

［21］ MONDEJAR M E, ANDREASEN J G, PIEROBON L, et al. A review of the use of organic Rankine cycle power system for maritime applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 91: 126-151.

［22］ COLONNA P, CASATI E, TRAPP C, et al. Organic Rankine cycle power systems: from the concept to current technology, applications, and an outlook to the future[J]. Journal of Engineering for Gas Turbine & Power, 2015, 137(10): 1-19.

［23］ FIASCHI D, MANFRIDA G, MARASCHIELLO F. Thermo-fluid dynamics preliminary design of turbo-expanders for ORC cycles[J]. Energy, 2012, 97: 601-608.

［24］ 鄧蘭, 左咪, 閆起源, 等. 低溫地?zé)嵩从袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)匹配向心透平數(shù)值分析及優(yōu)化[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2018, 37(10): 1537-1543. DENG Lan, ZUO Mi, YAN Qiyuan, et al. Numerical analysis and optimization of radial inflow turbine for organic Rankine cycle system of low-temperature geothermal power[J]. Mechanical Science and Technology, 2018, 10: 1537-1543.

［25］ 王智, 尹立冰. 向心透平設(shè)計(jì)與出口相對(duì)氣流角對(duì)透平效率的影響[J]. 電力科學(xué)與工程, 2016(7): 44-49. WANG Zhi, YIN Libing. Design of the radial inflow turbine and effect of relative flow angle of outlet on turbine efficiency[J]. Power Science and Engineering, 2016(7): 44-49.

［26］張振康, 曾凡云, 王志奇, 等. 有機(jī)工質(zhì)向心透平變工況特性的數(shù)值模擬與極差分析[J/OL]. 過程工程學(xué)報(bào), http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4541.TQ.20181019.1720.007.html. ZHANG Zhenkang, ZENG Fanyun, WANG Zhiqi, et al. Numerical simulation and range analysis of off-design performance for a radial-inflow turbine[J/OL]. The Chinese Journal of Process Engineering, http://kns.cnki.net/ kcms/ detail/11.4541.TQ.20181019.1720.007.html.

［27］ PAN L, WANG H. Improved analysis of organic Rankine cycle based on radial flow turbine[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 61(2): 606-615.

［28］ YAMAMOTO T, FURUHATA T, ARAI N. Design and testing of the organic Rankine cycle[J]. Energy, 2001, 26(3): 239-251.

［29］ PEI G, LI J, LI Y, et al. Construction and dynamic test of a small-scale organic Rankine cycle[J]. Energy, 2011, 36(5): 3215-3223.

［30］ NITHESH K G, CHATTERJEE D, OH C, et al. Design and performance analysis of radial-inflow turboexpander for OTEC application[J]. Renewable Energy, 2016, 85: 834-843.

［31］ 劉井龍, 熊聯(lián)友, 侯予, 等. 一種新型膨脹機(jī)—渦旋式膨脹機(jī)[J]. 深冷技術(shù), 2000(4): 13-15. LIU Jinglong, XIONG Lianyou, HOU Yu, et al. A new type of expander: scroll expander[J]. Cryogenic Technology, 2000(4): 13-15.

［32］ YANAGISAWA T, SHIMIZU T, FUKUTA M, et al. Study on fundamental performance of scroll expander[J]. Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineers. B, 1988, 54(506): 2798-2803.

［33］ WANG H, PETERSON R B, HERRON T. Experimental performance of a compliant scroll expander for an organic Rankine cycle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power & Energy, 2009, 223(7): 863-872.

［34］ ZANELLI R, FAVRAT D. Experimental investigation of a hermetic scroll expander-generator[C]. International Compressor Engineering Conference, Purdue, USA: 1994: 459-464.

［35］ BRACCO R, CLEMENTE S, MICHELI D, et al. Experimental tests and modelization of a domestic-scale ORC (organic Rankine cycle)[J]. Energy, 2013, 58: 107-116.

［36］ KANE M, LARRAIN D, FAVRAT D, et al. Small hybrid solar power system[J]. Energy, 2003, 28(14): 1427-1443.

［37］ LEMORT V, QUOILIN S, CUEVAS C, et al. Testing and modeling a scroll expander integrated into an organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(14): 3094-3012.

［38］ 徐繼業(yè). 蒸汽動(dòng)力螺桿膨脹機(jī)在能量回收中的應(yīng)用[J]. 當(dāng)代化工研究, 2016(8): 118-119. XU Jiye. Application of steam power screw expander in energy recycle[J]. Chemical Intermediate, 2016(8): 118-119.

［39］ NILLSON H R. Machine of the screw compressor: US2620968[P]. 1952-12-09.

［40］ SPRANKLE R S. Electrical power generating systems: US3751673[P]. 1973-08-07.

［41］ KANEKO T, HIRAYAMA N. Study on fundamental performance of helical screw expander[J]. JSME International Journal Series B: Fluids and Thermal Engineering, 1985, 28(243): 1970-1977.

［42］ TANIGUCHI H, KUDO K, PARK I, et al. Analytical and experimental investigation of two-phase flow screw expanders for power generation[J]. Journal of Engineering for Gas Turbine & Power, 1988, 110: 4.

［43］ SMITH I K, STOSIC N, KOVACEVIC A. Chapter 3: Geometry and manufacture of screw expander rotors[M]//Power Recovery from Low Grade Heat by Means of Screw Expanders. Chandos Publishing, 2014: 59-91.

［44］ 劉廣彬, 趙遠(yuǎn)揚(yáng), 楊啟超, 等. 螺桿膨脹機(jī)轉(zhuǎn)子型線特性研究[J]. 制冷與空調(diào), 2014, 14(6): 25-27. LIU Guangbin, ZHAO Yuanyang, YANG Qichao, et al. Study on characteristics of screw expander’s rotor profile[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2014, 14(6): 25-27.

［45］ SHEN L L, WANG W, WU Y T, et al. Theoretical and experimental analyses of the internal leakage in single-screw expanders[J]. International Journal of Refrigeration, 2018(86): 273-281.

［46］ TANG H, WU H, WANG X, et al. Performance study of a twin-screw expander used in a geothermal organic Rankine cycle power generator[J]. Energy, 2015, 90: 631-642.

［47］ HU F F, ZHANG Z, CHEN W, et al. Experimental investigation on the performance of a twin-screw expander used in an ORC system[J]. Energy Procedia, 2017, 110: 210-215.

［48］ ZIVIANI D, GROLL E A, BRAUN J E, et al. Review and update on the geometry modeling of single-screw machines with emphasis on expanders[J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 92: 10-16.

［49］ SHEN L L, WANG W, WU Y T, et al. A study of clearance height on the performance of single-screw expanders in small-scale organic Rankine cycles[J]. Energy, 2018, 153: 45-55

［50］ 吳玉庭, 王偉, 夏國棟, 等. 基于單螺桿膨脹機(jī)的分布式太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)[J]. 可再生能源, 2015, 37(8): 33-37.WU Yuting, WANG Wei, XIA Guodong, et al. Distributed solar CHP system based on single screw expander[J]. Renewable Energy, 2015, 37(8): 33-37.

［51］ 孔祥志, 楊會(huì)林, 孫銅生. 滑片式壓縮機(jī)功率計(jì)算模型的研究[J]. 流體機(jī)械, 2005, 33(1): 25-28. KONG Xiangzhi, YANG Huilin, SUN Tongsheng. Study on the calculating model of power of vane compressor[J]. Fluid Machinery, 2005, 33(1): 25-28.

［52］ MASCUCH J, NOVOTNY V, VODICKA V, et al. Towards development of 1~10 kW pilot ORC units operating with hexamethyldisiloxane and using rotary vane expander[J]. Energy Procedia, 2017, 129: 826-833.

［53］ SUANKRAMDEE W, THONGTIP T, APHORNRATANAS. Development of a sliding vane expander in micro-scale ORC system for utilizing low-grade heat[J]. Energy Procedia, 2017, 138: 817-822.

［54］ SUBIANTORO A, OOI K T. Comparison and performance analysis of the novel revolving vane expander design variants in low and medium pressure applications[J]. Energy, 2014, 78: 747-757.

［55］ LIU H, QIU G, DAMINABO F, et al. Preliminary experimental investigations of a biomass-fired micro-scale CHP with organic Rankine cycle[J]. International Journal of Low Carbon Technologies, 2010, 5: 81-87.

［56］ BADR O, NAIK S, O’CALLAGHAN P W. Expansion machines for a low power-output steam Rankine-cycle engine[J]. Applied Energy, 1991, 39: 93-116.

［57］ MOHD M, TAHIR N Y, HOSHINO T. Efficiency of compact organic Rankine cycle system with rotary vane type expander for low temperature waste heat recovery[J]. International Journal of Environmental Science and Engineering, 2010, 2(1): 11-16.

［58］ SINGH B R, SINGH O. Study of the influence of vane angle on shaft output of a multivane air turbine. II. Different rotor to casing diameter ratios with optimal injection angle[J]. Journal of Renewable & Sustainable Energy, 2011, 3(3): 7-25.

［59］ WANG T, ZHANG Y, PENG Z, et al. A review of researches on thermal exhaust heat recovery with Rankine cycle[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(6): 2862-2871.

［60］ GLAVATSKAYA Y, PODEVIN P, LEMORT V, et al. Reciprocating expander for an exhaust heat recovery Rankine cycle for a passenger car application[J]. Energy, 2012, 5(6): 1751-1765.

［61］ CLEMENTE S, MICHELI D, REINI M, et al. Energy efficiency analysis of organic Rankine cycles with scroll expanders for cogenerative applications[J]. Applied Energy, 2012, 97(9): 792-801.

［62］ TENISSARA N, THEPA S, MONYAKUL M. Simulation, construction and evaluation of cheap piston expander for low-pressure power generation by compressed air as working ?uid[J]. Energy, 2018, 142: 655-665.

［63］ WANG X D, ZHAO L, WANG J L, et al. Performance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fa[J]. Solar Energy, 2010, 84: 353-364.

［64］ 馬一太, 張美蘭, 田華, 等. CO2雙缸滾動(dòng)活塞膨脹機(jī)Fluent模擬與分析[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 44(12): 1093-1099. MA Yitai, ZHANG Meilan, TIAN Hua, et al. Fluent simulation and analysis of CO2two-cylinder rolling piston expander[J]. Journal of Tianjin University, 2012, 44(12): 1093-1099.

［65］ IMRAN M, HAGLIND F, ASIM M, et al. Recent research trends in organic Rankine cycle technology: a bibliometric approach[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 81: 552-562.

［66］ KENNETH E, NICHOLS P E. How to select turbomachinery for your application[M]. Barber-Nichols Inc, Arvada, CO, USA, 2012: 5-6.

［67］ 劉廣林, 呂鵬飛. 簡(jiǎn)述地?zé)岚l(fā)電利用形式[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2013(28): 68. LIU Guanglin, LYU Pengfei. A summary of utilization for geothermal power generation[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2013(28): 68.

［68］ TOCCI L, PAL T, PESMAZOGLOU I, et al. Small scale organic Rankine cycle (ORC): a techno-economic review[J]. Energies, 2017, 10(4): 1-26.

Research progress and application status of organic Rankine cycle expanders

YAN Jingwen, YANG Kefeng, HOU Jia, LI Ganghui, GUO Hongbin

(Research and Development Department, Beijing Consen Energy Conservation Co., Ltd., Beijing 101318, China)

The continual increase in energy demand and environmental problems calls for more and more utilization of sustainable energy. Since the organic Rankine cycle (ORC) is capable of converting low grade thermal energy into electricity, improving energy utilization efficiency and reducing CO2 emissions, it is gradually becoming a hot spot of concern. Expander is the core component of the organic Rankine cycle which directly affects the power generation efficiency, reliability and economy of the system. This paper summarizes various types of expander for low-grade energy utilization ORC system, and reviews their working principle, technical characteristics, research progress and application status. The results show that, comprehensively considering its performance and efficiency, the turbine expander is suitable for the waste heat utilization system with scale of >50 kW, the volumetric expander has obvious advantages in the ORC system with scale of <200 kW, and the screw expander is suitable for the ORC system with scale of <500 kW. For other types of expander, there are more experimental studies and fewer applications at present. During the selection of the expanders, not only the efficiency, but also the application, economy, complexity and post-maintenance cost need to be considered.

organic Rankine cycle, expander, turbine expander, volumetric expander, waste heat utilization, low grade energy

TK11

A

10.19666/j.rlfd.201812210

閆靜文, 楊柯峰, 侯佳, 等. 有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)的研究進(jìn)展和應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(7): 10-18. YAN Jingwen, YANG Kefeng, HOU Jia, et al. Research progress and application status of organic Rankine cycle expanders[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 10-18.

2018-12-02

閆靜文(1987—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榈蜏赜酂峄厥绽眉夹g(shù)，yesjessie@163.com。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）