唐輝輝

（晉能控股裝備制造集團(tuán)有限公司， 山西 晉城 048006）

0 引言

目前隨著節(jié)能減排工作不斷深入，低溫余熱資源的利用成為目前節(jié)能工作的首選。根據(jù)調(diào)查顯示，我國低溫余熱資源非常豐富，特別是在化工、工業(yè)領(lǐng)域中存在大量的低溫余熱，可回收率達(dá)到80%以上。因此，利用有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)對低溫余熱進(jìn)行回收，進(jìn)而充分回收用能設(shè)備與化學(xué)反應(yīng)設(shè)備中產(chǎn)生的未被回收的低溫余熱。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)是利用低沸點(diǎn)工質(zhì)為循環(huán)介質(zhì)，在有機(jī)工質(zhì)進(jìn)換熱器時(shí)可吸收熱量，進(jìn)而形成一定的壓力與溫度的飽和液體狀態(tài)，在蒸發(fā)器再次吸收熱量變成飽和氣態(tài)工質(zhì)推動(dòng)膨脹機(jī)運(yùn)行，做工后的有機(jī)乏氣（工質(zhì)）返回儲(chǔ)液器循環(huán)利用，可實(shí)現(xiàn)回收低溫余熱的效果。由此可見，有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)在我國有著較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。本文主要分析有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，并提出目前利用現(xiàn)狀，以供參考。

1 有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)闡述

1.1 工作原理

有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)低溫余熱，是通過有機(jī)工質(zhì)對低溫余熱進(jìn)行吸收從而產(chǎn)生高壓蒸汽，在高壓蒸汽下可推動(dòng)膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電[1]。相對傳統(tǒng)的發(fā)電原理而言，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)可有效達(dá)到對最低余熱資源的利用。因此在回收低溫余熱時(shí)可有效拓展了回收渠道，為我國工業(yè)、化工等領(lǐng)域提供了一定的技術(shù)支持。目前，這些循環(huán)系統(tǒng)也可用在再生能源發(fā)電中，例如太陽能、太陽物質(zhì)等。有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)組成如圖1 所示[2]。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

1.2 特點(diǎn)與優(yōu)勢

有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)采用了有機(jī)工質(zhì)從而代替了傳統(tǒng)的水推動(dòng)渦輪機(jī)，并且在有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的原理中可以看出，低沸點(diǎn)的有機(jī)工質(zhì)實(shí)現(xiàn)了低溫余熱的充分利用，提高了余熱利用效率，低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)在工質(zhì)泵增壓后可在預(yù)熱器、蒸發(fā)器吸收熱量轉(zhuǎn)變成蒸汽后產(chǎn)生能量輸出，如此循環(huán)可達(dá)到對低溫余熱資源的有效回收利用。在大量工業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的低溫余熱若不能進(jìn)行有效的回收，不僅浪費(fèi)了資源也容易造成二次污染的現(xiàn)象。因此可通過有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，對低溫余熱進(jìn)行回收利用，從而使工業(yè)生產(chǎn)能夠達(dá)到節(jié)能減排標(biāo)準(zhǔn)，并且有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)是一種新型環(huán)保的發(fā)電技術(shù)，在冷凝器與工質(zhì)泵的組合下可達(dá)到低沸點(diǎn)、高蒸汽的運(yùn)作效率。在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中具有以下幾種優(yōu)勢，首先是工作效率高相比傳統(tǒng)的水蒸氣循環(huán)發(fā)電技術(shù)，其有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)不需要真空維持技術(shù)，并且系統(tǒng)構(gòu)成相對簡單，通流面積也較小。其次，在余熱鍋爐中不需要設(shè)置過熱段，可直接以飽和氣體的形式進(jìn)入透平膨脹做工。最后，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，在單機(jī)容量范圍內(nèi)可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)工序，從而降低制造成本。在進(jìn)行整合能源系統(tǒng)發(fā)電時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)低品位能源提供高品位能源的效果，并且對污染物的排放進(jìn)行了二次處理，有效保護(hù)了環(huán)境也解決了大量低溫余熱被浪費(fèi)的情況[3]。

2 有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)利用現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

目前國外對于低溫余熱的研究相對較早，早在20 世紀(jì)初就可以利用苯醚為低溫余熱工質(zhì)進(jìn)行有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。

國外主要ORC 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)公司包括以色列的Ormat Technologies 公司、位于意大利的Turboden 公司（現(xiàn)為三菱重工業(yè)公司子公司），此外，德國、法國、美國也有多家公司在開展相關(guān)的研究和應(yīng)用工作。

在國外的眾多公司中，以以色列Ormat Technologies 公司的技術(shù)水平最為突出。該公司通過30 多年在最具挑戰(zhàn)性的條件下使用改進(jìn)，不斷完善該項(xiàng)技術(shù)，目前可以實(shí)現(xiàn)將低、中、高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電能，且Ormat 公司能夠提供模塊化解決方案，可以衍生應(yīng)用于地?zé)崮?，可再生能源和遠(yuǎn)程發(fā)電等多個(gè)領(lǐng)域。同時(shí)將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的更加簡單、可靠并保持低運(yùn)營成本。

Turboden 公司也是歐洲領(lǐng)先的發(fā)展和生產(chǎn)ORC渦輪式發(fā)電機(jī)的公司，能夠提供可再生能源和工業(yè)過程的熱回收產(chǎn)生熱量和電力的相關(guān)設(shè)備。

2.2 國內(nèi)ORC 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展及問題分析

國內(nèi)的主要制造單位包括開山股份，江西華電電力，博爾能源，浙江銀輪機(jī)械，上海齊耀動(dòng)力等。

目前，我國出現(xiàn)了大批ORC 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)成果，有些成果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了投產(chǎn)，并取得了良好的運(yùn)行效果。其中以開山股份為首，該公司的螺桿膨脹機(jī)業(yè)務(wù)首先在國外取得了良好的應(yīng)用業(yè)績，目前作為其重點(diǎn)業(yè)務(wù)之一，正在國內(nèi)進(jìn)行推廣應(yīng)用。中船重工第七一二研究所掌握了大功率ORC 低溫余熱回收發(fā)電裝置的核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)。博爾能源成功研發(fā)了低溫余熱ORC 透平發(fā)電機(jī)組，且成功投入商業(yè)化運(yùn)營，首套兆瓦級ORC 低溫余熱綜合利用項(xiàng)目在包鋼投入使用。

由此可見，ORC 低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)在國內(nèi)引起了足夠的重視，并取得了大量的可研性成果。

在有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，有機(jī)工質(zhì)作為最主要的核心內(nèi)容對低溫余熱的回收有著決定性的作用。例如在工質(zhì)冷凝壓力較高的情況下，為了使有機(jī)功介質(zhì)在低溫下進(jìn)行汽化，就需要采用沸點(diǎn)較低的介質(zhì)進(jìn)行處理[4]。

3 有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的選擇

3.1 循環(huán)系統(tǒng)熱力參數(shù)的選擇

在有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中，應(yīng)對循環(huán)系統(tǒng)熱力參數(shù)進(jìn)行確定。在一般情況下得到熱源后，其溫度與流量條件應(yīng)符合循環(huán)系統(tǒng)熱力參數(shù)。其主要包含的參數(shù)為有機(jī)工質(zhì)蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、換熱溫差等。這些參數(shù)應(yīng)進(jìn)行確定與合理的選擇，若選擇不當(dāng)則會(huì)對循環(huán)效率有一定的影響。

3.2 有機(jī)工質(zhì)的選擇

對于有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱系統(tǒng)中的有機(jī)工質(zhì)，其經(jīng)常被選用的工質(zhì)有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。這些有機(jī)工質(zhì)在低溫余熱循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中需要進(jìn)行不同類型、不同種類、不同熱源的工質(zhì)處理，并且工質(zhì)的選擇也會(huì)影響到發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。

3.3 膨脹機(jī)的選擇

膨脹機(jī)是有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中核心設(shè)備，主要是利用蒸汽出口在高溫高壓下進(jìn)行蒸汽熱能轉(zhuǎn)化，從而為機(jī)械做出外做功的設(shè)備。膨脹機(jī)的主要工作原理：以螺桿膨脹機(jī)為例，是利用做功介質(zhì)進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽，并推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)完成做功，同時(shí)介質(zhì)在做功過程中降壓降溫膨脹（或閃蒸），最后從齒槽內(nèi)排出，能量既可以從主軸陽螺桿輸出，也可以通過同步齒輪從陰螺桿輸出，最終驅(qū)動(dòng)負(fù)載或直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電等。其膨脹機(jī)在選擇時(shí)應(yīng)根據(jù)工作性質(zhì)與有機(jī)工質(zhì)、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行選擇，一般可分為速度式與容積式膨脹機(jī)。

3.4 發(fā)電機(jī)的選擇

在有機(jī)朗肯循環(huán)低溫余熱系統(tǒng)中應(yīng)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行選擇。在選擇時(shí)應(yīng)考慮到系統(tǒng)控制等因素。例如異步發(fā)電機(jī)，其異步發(fā)電機(jī)對控制要求不高，但在熱源不穩(wěn)定的情況下會(huì)產(chǎn)生一定的變化。所以在選擇時(shí)應(yīng)考慮到功率、系統(tǒng)、運(yùn)用范圍等因素[5]。

4 結(jié)語

在采用有機(jī)朗肯低溫余熱循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)提高系統(tǒng)工作效率并根據(jù)不同的熱源特點(diǎn)進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)、膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)的選擇。其中也包括對參數(shù)的確定、換熱器的設(shè)計(jì)等。同時(shí)，也需要對低溫余熱所具備的條件與需求進(jìn)行分析，應(yīng)因地制宜綜合利用有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，從而達(dá)到回收余熱的效果。