低温余热回收有机朗肯循环技术

低温余热回收有机朗肯循环技术

唐勃1吴兵1,赵德新2

1.沈阳鼓风机集团工程成套有限公司 沈阳 110869  2. 沈阳隆基电磁科技股份有限公司 抚顺 113000

摘要：低温余热广泛存在于高耗能行业中，有机朗肯循环（ORC）利用低温余热发电技术具有众多优势，国内外的许多学者展开了各方面的研究工作，使该技术在工业余热、地热等领域商业化成功。在采用有机朗肯循环（ORC）发电技术时要充分考虑项目的经济效益，而不能一味地考虑余热的回收效率。

关键词：低温余热 有机朗肯循环 余热回收  经济性分析

能源是人类社会生存发展的重要物质基础，攸关国计民生和国家战略竞争力。“节能减排”是我国可持续发展的一项长远发展战略，也是我国的重要基本国策，随着工业化、城镇化进程加快和消费结构持续升级，我国能源需求刚性增长，资源环境问题仍是制约我国经济社会发展的瓶颈之一，节能减排依然形势严峻、任务艰巨[1]。加大节能减排设备的研发，即减少能源浪费和环境污染，将创造巨大的经济效益和社会效益。

工业低温余热广泛存在于电力、钢铁、有色金属、建材、石油、化工、煤炭等高耗能行业中，据工信部统计，目前，在七大高耗能行业中余热总资源量约3.5亿吨标煤，其中200℃以下的低品位余热资源约占总余热资源的54%左右，如果将此余热资源加以转换，将可实现约1840万KW的装机规模。

有机朗肯循环（ORC）发电原理

有机朗肯循环（ORC）发电系统和传统的朗肯循环发电系统原理相同，区别在于有机朗肯循环采用低沸点的有机工质作为循环工质，最大限度的回收余热资源。有机朗肯循环（ORC）发电系统主要设备包括：换热器（蒸发器和冷凝器），低沸点工质透平压缩机，膨胀机和发电机等（如图1所示）。

图1 有机朗肯循环（ORC）发电系统图

有机朗肯循环（ORC）发电系统主要包括以下4个过程。：

（1）低温低压液体有机工质通过工质泵升压后进入蒸发器中（1-2过程），有机工质泵做功：

式中：m——有机工质质量流量（Kg/s）

  h1——工质泵入口有机工质焓值（KJ/Kg）

h2——工质泵出口有机工质焓值（KJ/Kg）

  ——工质泵出口等熵工质焓值（KJ/Kg）

  ——工质泵效率

（2）高压低温有机工质进入蒸发器后，被高温流体加热，变成高温高压蒸汽（2-3-4过程），有机工质吸热量为：

式中：——蒸发器入口工质焓值（KJ/Kg）

  ——蒸发器出口工质焓值（KJ/Kg）

（3）高温高压蒸汽进入膨胀机做功，膨胀机进而拖动发电机发电（4-5过程），膨胀做功量为：                           

式中：——膨胀机入口工质焓值（KJ/Kg）

   ——膨胀机出口工质焓值（KJ/Kg）

——膨胀机等熵膨胀效率

（4）膨胀后的低压低温蒸汽进入冷凝器，和循环冷却水进行换热，冷却成低温低压液体有机工质，完成整个循环（5-6-1过程）。

过程放出的总热量为：

有机朗肯循环（ORC）系统整体发电效率为：

热=

热源经蒸发器加热有机工质后排放或回收。循环冷却水经冷却塔降温后重复使用。

余热回收经济性分析

以工业企业中工艺热水（如表1所示）为例，利用有机朗肯循环（ORC）发电机组（表2所示）回收低温余热，计算有机朗肯循环（ORC）发电经济性。

表1热源主要参数

表2 ORC机组性能参数

备注：1.采用冷却水冷却，冷却水温差5℃；

2.净输出功率=输出功率-工质泵功率-油泵功率；

按照工厂自发电0.6元/KWh计算，该机组全年可实现收益51.84万元。

有机朗肯循环（ORC）发电系统以撬装形式供货，按照8000元/KW装机价格估算，本机组总的价格约128万元，项目投资回收期约2.47年，经济效益和社会效益显著。

结论

（1）工业低温余热广泛存在于电力、钢铁、有色等高耗能行业中，加大有机朗肯循环（ORC）发电技术在该领域的应用，将创造巨大的经济效益和社会效益。

（2）有机朗肯循环（ORC）发电是余热利用的有效方式之一，但不是唯一的方式，对于低温余热利用方案需要从热利用效率和整体经济性两个方向综合评价。

参考文件

[1]许红星.我国能源利用现状与对策[J].中外能源, 2010, 15(1): 3-14.

[2]李纯 不同热源调节与模式下ORC热经济性能的比较[D]. 重庆大学,2015

[3]姜亮 低品位余热ORC发电系统的性能评价及系统优化[D].上海交通大学,2015

[4]邵龙 ORC系统向心透平膨胀机动态特性研究[D].郑州大学,2017

[5]高虹 刘朝 贺超等.夸临界有机朗肯循环性能分析[J].重庆大学学报,2012,35(12):57-61

唐勃 1986年 男 辽宁.沈阳 工程师 工业低温余热回收及应用