ORC技术全面分析(###).ppt

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1、ORC的基本理论,ORC的发展,ORC的定义：ORC（Organic Rankine Cycle）有机物朗肯循环是以有机物代替水作为工质，回收中低品位热能的朗肯动力循环,国外发展历程：研究最早始于1924年70年代石油危机的爆发，国外进行了大量的研究九十年代后期至今，开始广泛工程应用：以色列Ormat，美国UTC,国内发展历程：最早始于80年代，天津大学，双螺杆膨胀机80年代二十世纪末，仅有少数高校，进行理论研究二十一世纪，大量高校开始理论研究，热工专业老牌名校具备实验能力工程应用尚属空白，仅西藏地热发电，采用Ormat的ORC技术,研究关键：工质、膨胀机,余热流体,泵,蒸发器,透平,发电机,

2、工质泵,冷却水泵,冷凝器,冷却水,41：工质在蒸发器中定压吸热12s：工质在膨胀机中理想膨胀做功12：工质的实际做功过程23：工质在冷凝器中定压放热34：工质在工质泵中压缩过程,ORC的系统构成及原理,（1）蒸发侧形式多样：70300范围的余热资源均可利用 针对不同热源形式，取热方式多样。,（2）“三泵”泵耗较大，自用电率较高：在应用ORC时应尽量利用原有系统中的水泵或风机。,（3）系统只能背压运行：尚无专用抽真空设备，工质物性决定。,ORC的特点,（4）有机工质T-S曲线,（a）干工质,（b）绝热工质,（c）湿工质,ORC多采用干工质或绝热工质，低过热度，无液击,目前国内外研究应用现状,国内

3、研究情况：,工程应用：目前国内ORC仅应用于西藏地热发电，工业余热领域尚无ORC应用,高校研究：仍以理论计算为主，实验较少。热源温度70250，ORC系统理论循环效率5%20%工质主要选择：R245fa、R142b、R134a及R123等,具备实验能力的高校：西安交通大学，上海交通大学及浙江大学均采用涡旋式膨胀机北京工业大学采用单螺杆膨胀机作坊式的实验平台，系统效率低于10%，膨胀机内效率60%左右,西安交通大学、浙江大学：涡旋式膨胀机,问题：严重的机内泄露,北京工业大学：单螺杆膨胀机,问题：行星轮变形,容积式膨胀机,天津大学（江西华电电力有限责任公司）：双螺杆膨胀机,问题：轴端密封,至200

4、9年为止，ORC系统的总装机容量已达160万千瓦,世界范围ORC系统设计安装企业十余家，以奥马特为代表,到2009年3月为止，Ormat装机容量已超过1200MW，数量超过2600座,美国UTC，在74热源温度下，稳定发电效率8.2%,国外研究应用现状,ORC应用领域,工业余热：钢铁、水泥、化工有色金属冶炼等 温度范围70300，废气，废水,产能5000t/d水泥生产线，尚未利用的150左右余热烟气（如窑尾电收尘器入口），新增发电量1000kW，提高发电量10%-12%，690余条（2010）；,在冶金和钢铁企业，可回收钢铁企业的冲渣废热水（80-90），可以为每个企业带来MW级的电能；,在电

5、力行业，存在许多需要减温减压的蒸汽，如锅炉连排水余热回收潜力巨大；,有色金属冶金，电解铝低温烟气。,发电系统底层循环：用于燃料电池、燃气轮机、内燃机等 燃料电池提高效率20%左右 相比传统燃气蒸汽联合循环，提高1/3的发电能力,地热：使得100-220的中低温地热资源，具备了发电利用的经济性,太阳能热发电：光伏电池高污染、高能耗、关键技术依赖进口；热发电真正绿色、环保、相对自主。,ORC投资估算,ORC机组1.2万1.3万/kW（蒸发器、冷凝器、汽轮发电机组、工质泵）,普惠280kW机组，离岸价：43万美元,增加辅助配套设备（水泥行业中间换热器热水型低压热水锅炉）,投资增加1.7万1.8万/k

6、W,如果ORC机组设备实现国产化，成本降低万元以下/kW,投资回收期3（设备国产，有效利用原系统风机水泵及冷凝系统）-5年,同以朗肯循环作为理论基础,t,s,1,2,3,4,12 工质在蒸发器中定压吸热，变为具有一定温度、压力的过热蒸汽,23 蒸汽通过透平，绝热膨胀做功，输出动力,34 透平排出乏汽在冷凝器中定压冷凝为液态,41 液态工质通过泵绝热压缩，进入蒸发器，如此往复循环,ORC与汽水朗肯循环的比较,蒸汽动力循环：水,工质不同,ORC：有机工质，如R245fa、R123、正丁烷及正戊烷等,水临界温度：373.95,有机工质临界温度：R123：183.68 R245fa：154.01正丁烷

7、：151.98 正戊烷：196.55,常用ORC有机工质临界温度均低于200，对于余热发电系统，一般不采用超临界循环，因此：,当余热热源温度300350 时，ORC系统最高蒸发温度不超过200，蒸汽系统可在200250 之间选择蒸发温度,蒸发温度比较：,冷凝温度比较：,ORC系统：无真空维持设备，故系统只能采取背压运行方式,蒸汽系统：通过射水抽气器，维持系统真空度,由于射水抽气器的采用，蒸汽系统同样可以在较低的温度下实现冷凝,针对300350余热资源：,通过比较可知，蒸汽系统由于具有更高的蒸发温度，所以系统循环效率更高，更适用于300350余热资源的回收利用,ORC适用的范围,1,2,3,1,

8、2,3,比较可知：,有机工质气化潜热更小，即1-21-2,有机工质不需要较大的过热度，以保证工质在透平做功过程中，避免“液击”发生，即2-32-3,结果：当余热资源温度150250时,ORC系统，依然可以保证蒸发温度130170,蒸汽系统，为保证传热温差与过热度，蒸发温度120130当余热资源温度低于200时，由于蒸发温度、压力过低已不能利用现有常规形式汽轮机实现动力循环。,针对250 以下余热资源，更适宜采用ORC系统进行回收利用,针对不同热源温度，比较两种系统理论性能,系统设备比较：,蒸汽系统：,余热烟气,风机,余热锅炉,锅炉给水泵,冷凝器,轴流式汽轮机,发电机,循环冷却水,循环冷却水泵,

9、射水抽气器,ORC系统：,余热烟气,导热油锅炉,蒸发器,径流式汽轮机,工质泵,发电机,冷凝器,循环冷却水,循环冷却水泵,油泵,由于有机工质物性特点，ORC系统采用径流式汽轮机,ORC系统蒸发器一般针对液相热源设计，因此，若余热形式为烟气，通常需要设置导热油锅炉，将热源形式进行转换,ORC系统无射抽设备，系统背压运行,系统净发电效率比较：,ORC系统：适用于250 以下热源，效率5%20%,蒸汽系统：适用于300 以上热源，效率20%25%,系统自用电率比较：,蒸汽系统：约为7%左右,系统安全性比较：,ORC系统：若采用丁烷、戊烷等烷烃类作为系统工质，需考虑防爆要求,ORC系统：机组7%左右，系

10、统20%左右,Kalina与汽水朗肯循环对比,由系统图可知：,由于氨水二元混合工质的采用，Kalina循环冷凝部分设备更复杂。,由T-S图可知：Kalina循环平均蒸发温度更高，相比蒸汽循环，热源损失较小,蒸发,冷凝,Kalina循环平均冷凝温度更高，相比蒸汽循环，冷源损失较大,系统比较：,通过系统及循环理论比较：,Kalina循环相比蒸汽循环并不具备完全优势，虽然提高了动力循环的初参数，但是终参数的提高及冷凝系统设备的复杂化，也对其应用带来了不利影响。,蒸汽循环压力1.25MPa,通过比较可知：当汽轮机进口压力高于6MPa时，Kalina才体现出发电优势,商用Kalina循环工作压力一般7-

11、8 Mpa，即：,理论上，Kalina发电量可以达到900010000kW,实际上，蒸汽循环发电量可保证7000kW以上,发电量比较：,Kalina循环发电量优势的讨论：,应用情况：Kalina循环诞生于上世纪70年代，80，90年代少量应用于工程实践，本世纪未知再有新建，且已投运电站也大部分关停，据知，至今为止尚在运行的仅部分冰岛地热电站。,学者评价：由于设备构成的过于复杂，Kalina循环实际应用情况远没有理论计算那么优秀。,投资评价：商用Kalina循环投资1.4万元/kWh以上，目前蒸汽循环的一倍以上,讨论：用超过蒸汽循环一倍的投资，得到并不能保证的发电量提高1020%,200kW K

12、alina机组，相对发电量，设备构成复杂，占地面积庞大。注：热源为热水，若为水泥窑烟气，还需增加中间换热器，将余热形式从烟气转换为热水，设备投资、系统复杂程度将进一步增加,十二五简介及发展实施规划,十二五简介：,题目：低温热源发电装置的研制,合作单位：中国船舶重工集团公司第七三研究所,经费分配：国拨专项资金400万，中材150万，七三所250万，中材自筹配套850万,目标：针对150左右水泥窑余热烟气及水泥窑筒体辐射余热，采用200kW径流式汽轮机有机工质朗肯循环系统，系统发电量150180kW，系统效率达到6%8%。,发展实施规划：,指导思想：尽快实施，掌握应用,目前能够与亟需解决的问题：,1、热源参数的确定与选取,2、中间取热装置热水锅炉,3、ORC系统的接入,未来愿景：,采用成熟机组，在水泥线上进行应用，速度快，领先优势，掌握ORC机组与水泥线的配合。,重点攻关有机朗肯径流式汽轮机的研制，逐步掌握核心部件的生产技术。,系统升级，由水泥行业走向外行业，将ORC机组向更多工业节能领域推广。,透平形式升级，研制双螺杆膨胀机。,Thank You!,