低品位热能回收发电应用研究

2012-07-04梅映新李志夏焕锦

船电技术 2012年1期

梅映新李志夏焕锦

（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉 4300064）

0 引言

我国已成为世界第二大能源消费国，能源消耗大，能源利用率不高。一些发达国家的能源利用率已超过50%，美国的能源利用率达到60%以上，而我国的能源平均利用率约为 30%[1]，也就是说，约70%的能量，以各种形式白白排放掉了。我们通常把这些排放掉的余热能源分为高温、中温、低温三类，温度高于650 ℃的为高温余热，230 ℃～650 ℃之间的为中温余热，低于230 ℃以下的为低温余热[2]。对于中高温余热的回收再利用，方式很多且技术成熟，例如，可以采用余热锅炉回收余热产生高温高压的水蒸汽，水蒸汽进入汽轮机组做功驱动发电机发电输出电能。而对于以烟气、蒸汽、高温冷却水等形式存在的低温余热，由于其品位不高，回收效率则低得多，甚至无法回收。如何高效、经济地将这些总量巨大的低品位热能转化为高品质的电能，是目前国内外相关领域科研人员研究的热点。本文介绍了一种基于有机朗肯循环的余热回收发电系统的研究情况，对影响系统热电效率的主要因素进行了分析，并介绍了该系统的市场应用前景。

1 系统组成及工作原理

1.1 ORC余热回收发电系统组成

有机朗肯循环一词来源于英文 Organic Rankine Cycle ，简称ORC，意为采用有机物做为循环工质的朗肯循环。ORC余热回收发电系统其基本组成包括：汽轮发电机组、蒸发器、冷凝器、回热器、工质循环泵以及电气控制部分等，所有设备集成在一个钢性公共底座上。图 1是ORC余热发电系统组成结构示意图。

1.2 ORC余热回收发电系统工作原理

如图1所示，工质循环泵将液态有机工质加压，泵入蒸发器中。液态的有机工质在蒸发器中吸收余热的热能，变为高温高压的气态有机工质，气态工质进入汽轮发电机组中做功，驱动汽轮发电机组对外输出电能。在汽轮机中做完功排除来的有机工质经过冷凝器冷凝，变为液态，回到储液罐中。如此周而复始的循环，即可源源不断地输出电能或机械功。

图1 ORC余热发电系统组成结构示意图

由于朗肯循环只是最基本的热力循环，结构简单但效率不高，实际应用中，需要进行预热、回热等设计，对冷凝有机工质的冷却水，也可综合利用，如作为冬季供暖用水等，从而提高系统整体热能利用效率。

2 系统的主要特点

对于低品位温余热的回收利用，有机物做为循环工质比水蒸汽具有显著的优势，主要表现在回收显热方面具有较高效率，对低温热源，ORC技术可以回收更多的热量。从图2水蒸汽和有机工质的温熵图可以看出，ORC技术可回收的显热/潜热比例明显高于常规水蒸汽朗肯循环。

图2 水和有机工质的温熵图

根据T-s图中饱和蒸汽曲线dT/ds的情况，可将工质分为三种类型，dT/ds>0为干性工质，一般为有机物；dT/ds<0为湿性工质，如水蒸汽等；干性工质在汽轮机中膨胀做功后仍呈现干蒸汽状态，不会出现液滴，因此有机工质的饱和蒸汽无需过热即可以进入汽轮机做功。与常规水蒸汽朗肯循环发电形式比较，ORC技术具有如下显著特点[3]：

1）有机工质沸点低，在较低的温度下即可沸腾，且沸腾时产生的蒸发压力较高，适宜回收低温余热。其密度大、比热容小，所需汽轮机尺寸、排气管道尺寸、换热器换热面积等都较小，节约成本。

2）有机工质在汽轮机中做功后仍呈现干蒸汽状态，因此有机工质的饱和蒸汽无需过热即可以进入汽轮机做功，不会出现形成液滴对高速旋转的汽轮机叶片产生冲击腐蚀的情况。

3）与水蒸汽相比，有机工质声速较低，汽轮机在叶片轮周速度较低时就能获得有利的空气动力性能，常规转速下即可获得较高的效率。

4）有机工质冷凝压力高，可在稍高于大气压的压力下冷凝，使系统压力保持正压，防止空气进入影响系统性能。有机工质凝固点低，即使在严寒地区使用，仍不需进行防冻处理。

5）与常规水蒸汽汽轮发电机组比，ORC发电系统不需要除钙、除镁离子的软化水设备，不需要除水中溶氧设备。

3 影响系统热电效率的主要因素分析

3.1 有机工质的选择

有机工质的选择对系统整体性能具有重要影响。针对不同的余热热源温度，选择的有机工质不一样。即使对相同温度的热源，也应该有多种有机工质可供选择，某些混合工质的热力性能应优于单一纯工质。总的来说，应以追求最高的系统整体热电转化效率为目标，兼顾环保等其它因素。理想的有机工质应具有如下特征：

1）工质的临界温度应略高于循环中的最高温度，因为大多数有机工质在临界温度之上时，其化学稳定性变差，可能出现热分解。

2）应选择具有较低临界温度和压力，较小的比热容，低粘度和表面张力，高汽化显热，高热传导率，热稳定性好的有机工质。

3）循环中最高温度对应的饱和压力不宜过高，过高的压力带来机械承压问题，致使系统成本上升。

4）无毒、不易燃易爆、对环境无破坏性。

5）易于制备，经济性好。

3.2 有机工质汽轮机的设计

ORC热电冷联产设备中使用的汽轮机与常规水蒸汽汽轮机无本质上的区别，其基本原理仍是利用喷嘴和叶轮将高温高压气体转化为高速流体，然后将高速流体的动能转化为旋转机械的轴功输出。但因为有机工质所具有的一些特点，在进行有机工质汽轮机设计时必须进行专门考虑：

1）有机工质分子量远大于水的分子量，因此音速较低，在进行汽轮机设计时应尽可能避免在喷嘴出口出现超音速，以免造成附加激波损失。

2）有机工质在汽轮机里做功时膨胀比高但焓降小，在进行汽轮机设计时应予以考虑。

3）有机工质比水贵得多，因此在进行汽轮机设计制造时要重点考虑密封问题。

4）有机工质的密度、粘度、膨胀系数等参数与水蒸汽参数都有区别，进行汽轮机设计时应充分考虑。

目前国外有机汽轮机已由以前的轴流式汽轮机向向心径流式汽轮机发展，向心径流式汽轮机具有损失小、效率高、转速高、体积小等特点，是今后有机工质汽轮机发展的方向。

3.3 换热器的设计与优化

ORC余热回收发电系统中的换热设备，如蒸发器、冷凝器、回热器等，是影响系统整体热电转化效率的重要因素之一。选择合适的换热器型式，进行适当的强化传热优化设计，是提高系统效率的重要途径。由于低温余热大量地以低温烟气、高温冲渣水等形式存在，烟气中含有硫及硫化物、灰尘等情况较为常见，冲渣水中一般也含腐蚀性成份，因此在设计 ORC余热回收发电系统中的换热器，特别是蒸发器时应重点考虑选择合适的换热器的材质，在回收低温烟气时，蒸发器出口侧烟气温度应控制在控制在烟气露点温度以上，避免低温腐蚀。余热热源中含有较多灰尘时，蒸发器应考虑增设自动除尘装置。

3.4 控制系统的设计与优化

ORC余热回收发电系统电气控制部分与整个系统性能的好坏，运行自动化程度的高低，系统整体效率的高低等与电气控制部分的性能息息相关。目前国外的 ORC余热回收发电系统通过采用模糊逻辑控制算法，提高了系统运行的鲁棒性，当负载在 50－100%范围内变化时，系统运行平滑，动态响应良好，电气控制系统高度智能化设计，可以做到远程启停操作和无人值守运行。一般来说，ORC余热回收发电系统电气控制部分应具有如下功能：

1）汽轮机运行控制及保护；

2）发电机运行控制及保护；

3）自动并网控制与配电保护；

4）数据采集及监测、历史数据记录与分析；

5）远程通讯与智能诊断；

6）系统高效运行综合检测与控制；

7）系统安全保护。

4 市场前景分析

我国每年能源总消耗量巨大，但我国能源利用率远低于世界发达国家平均水平，因此在我国的建材、钢铁、有色、化工等工业行业存在着大量的中低温余热可供回收再利用。而据保守估计，每年我国国内的 ORC余热回收热电联产设备市场需求量至少在5×106 kW以上。另外，我国地大物博，太阳能、地热能、海洋温差能蕴藏量巨大，我国农作物种植面积广，生物质能储量大，这些都意味着ORC发电设备市场潜力极大。

近年来，国家高度重视生物质能的开发利用，颁布了《可再生能源法》，《2010热电联产发展规划及2020年远景目标》等，对容量大于1000 kW 余热电站实行无条件上网并给予优惠上网电价等措施的出台，相信很快将迎来 ORC余热热电联产设备发展的高潮。