有機(jī)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)(14115)

1、有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)中低溫余熱發(fā)電技術(shù)介紹夭津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院孝惟毅liwy2014.11.5技術(shù)應(yīng)用背景屮低品儘藝滋的回收利用爰到重視/如何有效地回收利用 中低品位熱能？%X %廣3砂迪出VI (IL W* / -I 00% *( b U 1耳一126%ItttV MUi /J：5fr% /192%的爐i!氣J9.02%4J 66%22.29%條氣 酣余熱血艇Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.技術(shù)應(yīng)用背景Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.III余熱余壓利用工程是我國節(jié)能中長期發(fā)展專 項(xiàng)規(guī)劃中

2、的十大重點(diǎn)節(jié)能工程之一。目前在我 國工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域中存在大量的低溫余熱資源（ 350C以下，低壓或常壓），由于缺乏有效的技術(shù) 手段而沒有得到充分利用，傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)的工作 參數(shù)大多為高參數(shù)、大容量，無法利用這部分較 為分散但總量巨大的能源。而利用有機(jī)工質(zhì)朗肯 循環(huán)，開發(fā)新型、高效的低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)，對 于提高我國能源利用率、節(jié)能減排，保護(hù)環(huán)境具 有重要的意義。技術(shù)應(yīng)用背景tin目前我國能源形勢嚴(yán)峻的根本原因在于用能效率 低下。我國每噸標(biāo)準(zhǔn)煤的產(chǎn)出效率僅相當(dāng)于日本 的10. 3%.美國的28.6%。我國工業(yè)用能中近GOGS% 的能源轉(zhuǎn)化為余熱資源， 其中溫度低于350C 以下的低溫余熱，約占余熱總

3、量的60%,目前技術(shù) 實(shí)現(xiàn)對其有效的回收利用較低。Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.常規(guī)水熱現(xiàn)胡肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.1. 系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，鍋爐給水需要除氧、除鹽，在鍋爐部件及管路 上需要設(shè)置排污及疏放水管路；凝結(jié)器里需保持較高的真空度 ,要設(shè)置真空維持系統(tǒng)。2. 透平進(jìn)排氣壓力低，蒸汽體積較大，透平通流面積較大。3. 通常透平進(jìn)口蒸汽需具有一定的過熱度，在余熱鍋爐中必然要 設(shè)置過熱蒸汽加熱段，余熱鍋爐的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。4. 需要較多的運(yùn)行、維修人員，運(yùn)行成本較高。5. 單

4、機(jī)容量不能太小，系統(tǒng)滿負(fù)荷運(yùn)行率不高。6. 般只適用于煙氣溫度高于350C以上的余熱。中低溫余熱發(fā)電解決方案有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)(ORC)(Organic Rankine CycIe)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電技術(shù)(ORC)S1i氣ji icD ( 2 F3 )AI1有機(jī)透電機(jī)二 r 凝現(xiàn)器7冷卻塔有機(jī)工質(zhì)余熱鍋爐加壓泵J 儲(chǔ)液微冷卻泵煙化余熱有機(jī)朗:fr循環(huán)(ORC)發(fā)電系統(tǒng)示意Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.Ill有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)，即在傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中采用 有機(jī)工質(zhì)代替水推動(dòng)膨脹機(jī)做功。上圖為有機(jī)工 質(zhì)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)示意圖。低壓液

5、態(tài)有機(jī)工質(zhì) 經(jīng)過工質(zhì)泵增壓后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量轉(zhuǎn)變?yōu)楦?溫高壓蒸氣，高溫高壓有機(jī)工質(zhì)蒸氣推動(dòng)膨脹機(jī) 做功,產(chǎn)生能量輸出，膨脹機(jī)出口的低壓蒸氣進(jìn)入 冷凝器，向低溫?zé)嵩捶艧岵⒗淠秊橐簯B(tài)，如此往復(fù) 循環(huán)。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.11/inin有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)余熱回收和發(fā)電的最 低余熱資源溫度可到8 0 C,（這一溫度還可降低，但 發(fā)電效率會(huì)降低，影響經(jīng)濟(jì)性）這是常規(guī)發(fā)電技術(shù)不 能做到的（常規(guī)發(fā)電要求熱源溫度在350C以上）， 從而拓寬了可以回收發(fā)電的余熱資源范圍，為建材、 冶金、北工等行業(yè)的低溫余熱資源回收提供了技術(shù)手 段和設(shè)

6、備。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)還可以推廣到可再生能源 發(fā)電系統(tǒng)中，（如地?zé)帷⑻柲芎蜕镔|(zhì)能）為可再 生能源發(fā)電提供關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.可利用的余熱余熱溫度范圍:80 - 350 C余熱的形態(tài):煙氣，蒸汽,熱水Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.可以擴(kuò)展的應(yīng)用：地?zé)崂?、太陽能利用、生物質(zhì)能。需要根據(jù)具體環(huán)境、條件及應(yīng)用需求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。國外的研老應(yīng)用狀況七十年代末，美國研制出利用地?zé)崴l(fā)電的汽水兩相螺桿膨脹機(jī)，功率60KW。八十年代后期美 國完成一臺(tái)1000KW地?zé)崴l(fā)電機(jī)組

7、，隨后，日本 北海道大學(xué)進(jìn)行了氟利昂工質(zhì)的發(fā)電試驗(yàn)，80年 代后期，日本進(jìn)行了工業(yè)鍋爐余熱發(fā)電研究，功 率102KW。近年來，美國，德國，以色列，瑞典都 有相關(guān)研究和產(chǎn)品應(yīng)用報(bào)導(dǎo)。Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.天津大學(xué)熱能工程系和教育部111“中低溫?zé)崮芨咝Ю谩敝攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對有機(jī)工質(zhì)的熱物理性質(zhì)及熱力循環(huán)的研究水平位居國內(nèi)領(lǐng)先水平, 在ORC技術(shù)的理論與實(shí)驗(yàn)研究中均取得了具有實(shí)用價(jià)值的成果，早在上世紀(jì)70年代，即建成 了國內(nèi)首臺(tái)ORC太陽能熱發(fā)電(lkW)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),并取得了大量運(yùn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，近年，發(fā)表多 篇關(guān)于ORC系統(tǒng)的理論實(shí)驗(yàn)研究論文，

8、同時(shí)擁 有多項(xiàng)關(guān)于有機(jī)工質(zhì)及ORC系統(tǒng)構(gòu)成的發(fā)明及 實(shí)用新型專利。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.1.螺桿膨脹機(jī)2渦輪機(jī)（透平）3熱交換器4 有機(jī)工質(zhì)優(yōu)選5 發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備之一螺桿膨脹機(jī)簡介螺桿膨脹機(jī)的基本構(gòu)逵螺桿膨脹機(jī)是一種依據(jù)容積變化原理工作的雙軸回轉(zhuǎn)式螺桿機(jī)械。它的結(jié)構(gòu)與螺桿壓縮機(jī) 基本相同，主要由一對螺桿轉(zhuǎn)子、缸體、軸承、同步齒輪、密封組件以及聯(lián)軸節(jié)等零件組成結(jié)構(gòu)簡單,其氣缸呈兩圓相交的兩根按一定傳動(dòng)比反向旋轉(zhuǎn)相互嚙合的螺旋形陰.陽轉(zhuǎn)子平行地置于氣缸中。結(jié)構(gòu)簡圖Depart Thermal E

9、nergy & Refrigeration Eng.Depart. Thermal Energy & Refrigeration螺桿膨脹機(jī)的工作原理Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.作功介質(zhì)先進(jìn)入機(jī)內(nèi)螺桿齒槽A,推動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)，齒槽A旋轉(zhuǎn)到B、C、D逐漸加長、容積增大，介質(zhì)降壓降溫膨脹（或閃蒸）做功，最后從齒槽E排出，功率從主軸陽螺 桿輸出，亦可通過同步齒輪從陰螺桿輸出，驅(qū) 動(dòng)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、水泵或發(fā)電機(jī)發(fā)電等。螺桿膨脹機(jī)的輸出功率可以在5kW 100

10、0kW之間，彌補(bǔ)了蒸汽 輪機(jī)單機(jī)功率不能太小的空間。對于有壓力的余熱流體,可直接利用螺桿膨脹機(jī)對于350C的無壓力的余熱流體,利用有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)螺桿 膨脹機(jī)系統(tǒng)。有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)。還可以用到太陽能、地?zé)?能等中低溫可再生能源發(fā)電項(xiàng)目中去。有機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)系統(tǒng)用于低溫余熱回收利用，有 廣闊的技術(shù)發(fā)展空間。(1)螺桿膨脹機(jī)適用于過熱蒸汽.飽和蒸汽.汽水兩相流 體、(帶壓)熱水及無壓熱流體的動(dòng)力機(jī)械,可以回收 不同種類的工業(yè)余熱；(2 )螺桿膨脹機(jī)還適用于高鹽份的堿性流體，能除垢自潔 ,而且結(jié)垢有利于提高機(jī)器效率,因而對余熱流體品質(zhì) 要求不高，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍；(3)當(dāng)余熱熱源不

11、穩(wěn)定，參數(shù)變化時(shí)，機(jī)組效率表現(xiàn)穩(wěn)定 。螺桿膨脹機(jī)允許熱源壓力、流量在大范圍內(nèi)波動(dòng)，對 機(jī)組效率影響不大；螺桿膨脹機(jī)為容積式工作原理機(jī)， 機(jī)內(nèi)流速低，除泄漏損失外，彳艮少其他損失，機(jī)組效率 較高，即使蒸汽參數(shù)或負(fù)荷變動(dòng)仍能保持高效率。Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.(4)螺桿膨脹機(jī)運(yùn)行不用盤車.rm1M不暖機(jī).不會(huì)飛車，可以直接沖轉(zhuǎn)啟動(dòng)，操作簡單，可實(shí)現(xiàn)無人職守，維修 容易，不需要專門的專業(yè)技術(shù)人員，很適合工礦企業(yè) 使用;(5) 螺桿膨脹機(jī)的零部件少。螺桿轉(zhuǎn)子堅(jiān)固，大修周期 長，小修簡單，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用彳艮低；(6) 可調(diào)速，作為動(dòng)力機(jī)使用，如拖

12、動(dòng)給水泵或灰漿水 泵，拖動(dòng)風(fēng)機(jī)，壓縮機(jī)可以根據(jù)要求靈活變速，使用 方便?；匚覈鴮β輻U膨脹機(jī)的研究始于上世紀(jì)8 0年祀亍天宀 津大學(xué)熱能工程系在1987年研制成功汽液兩相地?zé)?螺桿膨脹機(jī)發(fā)電裝置（功率為5kw） 此后，對螺桿 膨脹機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和試驗(yàn)研究。近年來，由 于節(jié)能減排的需求，在前期研究基礎(chǔ)上，完成了有 機(jī)工質(zhì)循環(huán)螺桿膨脹機(jī)的熱力循環(huán)研究、有機(jī)工質(zhì) 應(yīng)用研究、裝置結(jié)構(gòu)研究和系統(tǒng)優(yōu)化配置研究等項(xiàng) 工作，并取得了一定的技術(shù)成果。Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.單螺桿膨脹機(jī)Depart Thermal Energy & Refrigera

13、tion Eng.有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備之一渦輪機(jī)（透平）Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.渦輪機(jī)（透平丿的辰用特點(diǎn)：功率密度高適用于500-4000kW用于余熱量較大的場合在余熱量大的場合，可體現(xiàn)出占地小，效率高, 造價(jià)低的優(yōu)勢。有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵設(shè)備之一熱交換器熱夾換曇的段計(jì)需要根據(jù)余熱的類型和特點(diǎn)設(shè)計(jì)熱交換 器。包括蒸發(fā)器，冷凝器，預(yù)熱器等。同時(shí)需要考慮防腐，防磨和除灰除垢和 降低阻力等問題。有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)之一有機(jī)工質(zhì)優(yōu)選有機(jī)工質(zhì)的選擇對于有機(jī)工質(zhì)循環(huán)，經(jīng)常選用的工質(zhì)有R123、R2

14、45fa、R134a、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等。在余熱發(fā)電系 統(tǒng)中，對于不同類型，不同溫度的熱源應(yīng) 當(dāng)選擇不同的工質(zhì)，工質(zhì)的優(yōu)選也會(huì)影響 到系統(tǒng)的效率。Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.對于工質(zhì)的選擇要求Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.(1) 發(fā)電性能好，在相同條件下，實(shí)際發(fā)電量較大;(2) 傳熱性能好，在相同條件下，換熱系數(shù)較大；III(3) 工質(zhì)的壓力水平適宜，在相應(yīng)的熱源溫度下，工 質(zhì)的

15、飽和壓力不很高；在冷源溫度下，不會(huì)出現(xiàn)高 產(chǎn)真空；(4) 來源豐富，價(jià)格低廉；(5) 化學(xué)穩(wěn)定性好，不分解，對金屬的腐蝕性小，毒 性小，不燃，不爆。Depart Thermal Energy & Refrigeration Eng.ORC發(fā)電系統(tǒng)圖弓三R134a的ORC效率和目標(biāo)函數(shù)值隨蒸岌溫度 的變化規(guī)律心熱力學(xué)循壞過程圖2混合工質(zhì)用于有才可改善系統(tǒng)工作特性 可提高發(fā)電效率有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)之一發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)的熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)（包括系 統(tǒng)熱力參數(shù)的確定、工質(zhì)選擇、熱交換器設(shè)計(jì) 等）。會(huì)直接影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在得到熱 源的溫度和流量等條件后，需要確定有機(jī)工質(zhì)

16、 的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度以及換熱溫差等，這些 參數(shù)會(huì)對循環(huán)效率有較大的影響。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.越毎機(jī)工質(zhì)循環(huán)熱力過程Entropy kJ/K-kgEntropy kJ/K-kg01 芒 nFwdulelDepart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.A有機(jī)丄質(zhì)蒸汽動(dòng)力循壞B有機(jī)丄質(zhì)汽液兩相動(dòng)力循環(huán)Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.Depart. Therm

17、al Energy & Refrigeration Eng.經(jīng)濟(jì)性估算Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.例如：余熱熱源為220C的煙氣，流量為2. 5萬 m3/h,冷卻水溫度為25C。采用有機(jī)工質(zhì)循環(huán)方式，以R245fa作為循環(huán)工質(zhì) ,在扣除工質(zhì)泵耗功，冷卻水泵耗功之后，計(jì)算 表明，每小時(shí)大約可以發(fā)出100度的電。Depart. Thermal Energy & Refrigeration Eng.對于企業(yè)余熱余壓資源回收利用的幾點(diǎn)丸儀1. 首先要對企業(yè)的余熱資源及用能情況進(jìn)行調(diào)研評估III2. 建議首先考慮余熱直接利用的方式，遵循“溫度對口,梯次利用”的原則3. 余熱發(fā)電是余熱利用的有效方式之一，不是唯一4. 對余熱利用方案從熱利用效率和經(jīng)濟(jì)性兩個(gè)方面評價(jià)總結(jié)余熱利用要對企業(yè)的余熱資源及用能情況調(diào)研評估，建議 先考慮余熱直接利用的方式，遵循“溫度對口，梯次利用”