２０１６年第１１
期（总第１３４期）２０１６年１１月
有机朗肯循环发电技术应用及发展趋势
黄浩１，张世程２，杜振兴２，丁
卯１，孙天宇１，张
杰２，肖
玥２，杨文骏１
（１．上海齐耀热能工程有限公司，上海２０１１０８；２．上海齐耀科技集团有限公司，上海２０１１０８）
摘要：有机朗肯循环技术是低品位热能应用领域的一个研究热点，介绍了ＯＲＣ发电技术在工业中低温余热回收、地
热、生物质能、太阳能等领域的发展现状，指出并分析了开发有机朗肯循环技术发电装置的几个关键问题。关键词：有机朗肯循环；低品位热能；发电中图分类号：ＴＫ１２１文献标识码：Ａ文章编号：２０９５－０８０２－（２０１６）１１－０００２－０３
Application and Development Trend of Organic Rankine Cycle Power Generation Technology
HUANG Hao 1, ZHANG Shicheng 2, DU Zhenxing 2, DING Mao 1, SUN Tianyu 1, ZHANG Jie 2, XIAO Yue 2,
YANG Wenjun 1
(1.Shanghai Qiyao Thermal Engineering Co., Ltd., Shanghai 201108, China;
2. Shanghai Qiyao Science and Technology Group Co., Ltd., Shanghai 201108, China)
Abstract:Organic rankine cycle is a focus in the application of low grade thermal energy. This paper presents the status quo of development of ORC technology in the areas of low-temperature exhaust heat recovery, terrestrial heat, biomass energy and solar energy. Meanwhile, several key problems in the development of ORC (OrganicRankine Cycle) power system are also pointed out and analyzed.
Key words:ORC (OrganicRankine Cycle); low grade thermal energy; power generation
DOI:10.16643/j.cnki.14-1360/td.2016.11.001
０引言
低品位热能利用问题是解决能源问题的一个重要途径，也是一个难点。低品位热能包括工业低温余热及新能源领域的地热能、太阳能、生物质能等，数量巨大。对低品位热能进行利用，不仅能够提高能源利用率、促进节能减排，还能降低化石能源依赖、优化能源供给结构，具有重要的现实意义。
有机朗肯循环（ＯＲＣ，ＯｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅＣｙｃｌｅ）是一种已经证实了的可将低品位热能高效转化为电能的动力循环。近期，ＯＲＣ发电技术研究及装置开发受到国内外的普遍关注［１］。ＯＲＣ发电技术能够利用的余热种类繁多，加之在效率、流程精简程度、运维成本等方面的优势，使得这项技术成为未来低品位热能回收利用的一个发展趋势。
能源浪费，而且对环境产生一定的热污染。数量巨大的工业低温余热资源为ＯＲＣ发电技术的推广应用提供了广阔的市场空间。ＯＲＣ发电技术在新能源领域也有着很好的应用前景。太阳能、地热能、生物质能等都属于低品位热能，根据国家发改委《可再生能源中长期发展规划》，上述新能源领域同样蕴含着巨大的应用空间［２］。
２应用现状
有机朗肯循环是以低沸点有机物代替水蒸汽作为循环工质的动力循环，是一种新型、环保发电技术。发电装置由蒸发器、膨胀机发电机组、冷凝器和工质泵组成，如图１所示。
汽轮机
１应用前景
余热进余热出
蒸发器
冷凝器
发电机冷凝水出
就中国而言，不管是工业领域还是新能源领域，目前低品位热能利用还是以热利用为主，受季节、需求、距离等因素影响，低品位热能的利用非常有限。采用ＯＲＣ发电技术将低品位热能转化为电能，扩大了低品位热能的应用范围，从根本上摆脱上述因素的束缚，解决了低品位热能利用的问题。中国能源利用率仅为３３％，远低于世界平均水平。绝大部分的工业能耗最终以各种型式的低温余热排放到环境中，不仅造成
收稿日期：2016-07-25
基金项目：上海市科委节能减排专项项目（14DZ1202600）
第一作者简介：黄浩，1980年生，男，河南息县人，2010年毕业于上海交通大学工程热物理专业，博士，高级工程师。
冷凝水进
工质泵
图１ＯＲＣ发电技术示意图
自２０世纪７０年代第一个商业化ＯＲＣ发电站运行以来，ＯＲＣ发电技术工业应用迅速扩大。截止到２０１２年，应用案例已接近６００个，装机容量接近２０００ＭＷ，详见图２。早期应用主要集中在地热发电与工业低温余热发电，２０００年后应用领域开始拓展到生物质能发电领域。
在太阳能热发电领域，ＯＲＣ发电技术目前还处于研
·２·
２０１６年第１１期黄浩，等：有机朗肯循环发电技术应用及发展趋势
表２ＯＲＣ技术在部分国家的应用
类型位置余热类型流量t/h
进口温度℃出口温度
℃冷凝方式输出功率kW
精炼厂美国柴油5018480水冷300
石化厂美国冷凝碳氢化合物8510485—780
造纸厂荷兰低压蒸汽1310580水冷930
水泥厂德国冷却机排气196275125空冷1310
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究阶段，应用案例较少。表１为国外主要ＯＲＣ发电装置生产厂商及技术参数，ＯＲＣ发电装置功率范围从几十千瓦到几个兆瓦，热源温度一般低于３００℃，原动机以轴流透平和向心透平为主。
[***********][***********]0
[***********]
焚烧炉燃气轮机日本蒸汽6.716780空冷550
加拿大燃机尾气29527592空冷5825
装机功率/M W
项目总数/个
[***********][***********][***********]102012
年份
装机功率
项目总数
图２ＯＲＣ发电技术应用现状
表１国外主要ＯＲＣ发电装置生产厂商及技术参数
生产商/国家Ormat/以色列
主要应用地热、余热发电、
功率范围热源温度kW
℃
200~7200150~300
原动机轴流、向心
２．２地热发电
ＯＲＣ发电技术应用到地热发电领域形成所谓的双工质法（中间介质法），将地热热水或蒸汽作为闭式ＯＲＣ发电装置的热源进行发电，经过降温后的地热水通常再被回灌［６］，详见图３。
太阳能透平
Turboden/意大利地热、热电联合循环200~2000100~300轴流透平Maxxtec/德国GMK/德国UTC/美国Freepower/英国Electratherm/美国Infinity Turbine/
美国GE/美国
热电联合循环300~2500320—地热、余热发电、
50~2000120~350轴流透平
热电联合循环地热、余热发电0~280>93向心透平
余热发电余热发电余热发电地热、余热发电
6~1200~500~2500~17000
180~255>93>80—
—螺杆机向心透平向心透平
透平机
热水泵
蒸
发器
回热器
冷凝器
地热井
地热水回注
从装机数量和装机功率方面来看，意大利的Ｔｕｒｂｏｄｅｎ公司、以色列的ＯＲＭＡＴ公司及德国的Ｍａｘｘｔｅｃ公司的市场份额占比较大。其中，Ｔｕｒｂｏｄｅｎ公司全球装机数量占比４５％，装机功率份额８．６％；Ｏｒｍａｔ公司装机数量占比２５％，装机功率份额８６％；Ｍａｘｘｔｅｃ公司装机数量占比２３％，装机功率份额３．４％［３］。２．１工业领域
ＯＲＣ发电技术在工业领域的应用涉及到石油、化工、建材、冶金等行业。表２为ＯＲＣ发电技术在部分国家的工业应用［４］。其中，德国Ｌｅｎｇｆｕｒｔ水泥厂ＯＲＣ电站是ＯＲＣ发电技术在水泥行业最早的应用案例。该电站１９９９年建成，工质采用比较环保的正戊烷，装机容量为１．５ＭＷ。据报道，该电站自投产以来运行情况良好，现场实现无人操作，电站平均可用率大于９８％；表２中加拿大的燃气轮机尾气发电项目是ＯＲＣ发电技术在中高温余热回收领域的一个应用案例。该电站利用燃机尾气余热发电，采用ＯＲＣ发电技术回收燃机尾气余热后，可将燃机发电量提高近２５％。此外，美国ＭＴＩ公司利用炼油厂低温余热进行发电，热源温度１１０℃，以Ｒ１１３为工质，采用单级向心透平，输出功率约为１．１７４ＭＷ［５］。
图３ＯＲＣ地热发电原理图
日本北海道浊川地热田和九州大岳地热田在１９７８年分别建成了１ＭＷ双工质发电系统，前者使用Ｒ１１４（Ｃ２Ｃｌ２Ｆ４）为工质，后者使用异丁烷［７］。加利福尼亚州Ｈｅｂｅｒ地热电厂是目前容量最大的ＯＲＣ地热电厂，利用积存层的１５０℃～２００℃中温地热将９０％异丁烷和１０％异戊烷组成的工质蒸发驱动汽轮机进行发电地热发电。电厂有１１口地热井和１３口回注井，采用了１２套ＯＲＣ发电装置，总装机容量达到４４ＭＷ，净发电功率３３ＭＷ，发电效率达到１２．７％。据报道，该电厂在运行了６ａ后运行率仍能达到９９％，发电量可达到设计值的９０％以上［８］。
国内开展ＯＲＣ地热发电技术的科研单位包括西安交通大学、浙江大学、天津大学、上海交通大学、北京工业大学及中科院广州能源所等。史汝涛等指出ＯＲＣ可有效利用地热作为发电系统热源，并能产生一定的经济效益［９］。胡冰等以低温地热为资源，建立了ＯＲＣ－蒸汽压缩制冷系统热力学模型。分析结果表明，当地下水热源温度为９０℃，系统能效比（ＣＯＰ）达到了０．４９［１０］。１９７７年，西藏羊八井地区建成中国唯一的ＯＲＣ地热发电装置，装机容量１ＭＷ，利用热水温度１１０℃，工质采
·３·
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期２０１６年１１月
用异丁烷，年发电量达到６００×１０４ｋＷ·ｈ～７００×１０４ｋＷ·ｈ，可节约３５００ｔ标煤［１１］。２．３生物质能发电
生物质能在世界能源消费总量仅次于化石燃料煤、石油和天然气，占１４％位列第４位，是人类一直赖以生存的重要能源［１２］。ＯＲＣ生物质能发电技术包括生物质燃烧系统、导热油循环系统和ＯＲＣ发电装置三部分，见图４。为了提高系统热效率，这类应用多以热电联供模式运行。此外，采用回热技术也是这类应用的一个技术特点。意大利Ｔｕｒｂｏｄｅｎ公司在ＯＲＣ生物质能发电领域处于领先地位，其商业化产品单机功率范围在２００ｋＷ～５０００ｋＷ。截止到２０１６年，Ｔｕｒｂｏｄｅｎ公司在３４个国家开展了３２７个ＯＲＣ发电项目，总装机容量４８７ＭＷ，其中绝大多数为ＯＲＣ生物质能发电项目。
高温取热回路
美国亚利桑那州１ＭＷ太阳能ＯＲＣ电站是为数不多的ＯＲＣ太阳能发电应用案例之一。该电站由Ｏｒｍａｔ公司承建，工质采用正戊烷，总效率达到２０．７％，总发电效率为１２．１％。２００５年，ＧＭＫ公司在德国建立了一个２５０ｋＷ的ＯＲＣ发电站，模拟太阳能发电，热源采用天然气燃烧炉，发电效率为１５％［１３］。在国内，东南大学宋建忠等设计并建造了太阳能驱动的ＯＲＣ实验台，并对太阳能ＯＲＣ系统进行了实验研究［１４］。天津大学谭雨亭等提出一种ＯＲＣ太阳能热发电辅助燃煤电厂碳捕集系统。２０１３年，由天津大学和华中科技大学共同承担的国家８６３计划“２００ｋＷ级有机朗肯循环太阳能热发电技术”项目完成建设与调试，该项目利用１０９６ｍ２槽式太阳能集热场，集热温度达到３３０℃以上，输出２００ｋＷ电量，效率达到１０％～１５％，实现了太阳能光－热－电的高效转换。
３ＯＲＣ发电技术的几个关键问题
蒸发器
透平机
生物质燃烧器
预热器回热器
低温取热回路
空气预热器
排烟
冷凝器
图４ＯＲＣ生物质能发电原理图
２．４太阳能热发电
太阳能是蕴藏最丰富的可再生能源之一，属于中低温热源，具有巨大的利用潜力。ＯＲＣ太阳能热发电技术目前还处于研究阶段，应用案例不多。槽式太阳能热电系统以导热油为集热介质，采用ＯＲＣ发电技术将收集到的太阳能转化为电能是ＯＲＣ太阳能发电常规技术路线，见图５。
储热/缓冲
透平机
蒸发器
镜场
回热器
冷凝器
图５ＯＲＣ太阳能热发电原理图
３．１经济性
现阶段，经济性是制约ＯＲＣ发电技术推广应用的主要原因之一。尽管在低品位热能发电领域ＯＲＣ发电技术具有明显效率优势，但是受制于热源温度低，发电效率不高，多集中在５％～２５％，导致投资回收期较长。提高经济性可从以下两方面着手：ａ）ＯＲＣ发电装置的国产化，特别是原动机国产化与系列化，这是现阶段降低投资最有效的途径；ｂ）深入开展系统工艺研究，研究如何在既定的冷热源基础上，最经济、最大限度地提高发电效率。其中，工艺参数的优化、有机工质选取、原动机效率的提高等都是提高发电效率的有效途径。热力系统中，膨胀机和换热器的选择也相当重要，针对发电规模选取适宜的原动机和换热设备往往也会提供经济性。３．２原动机
原动机是ＯＲＣ发电装置的核心设备，直接影响发电效率、可靠性、经济性等。可用于ＯＲＣ发电装置的原动机分速度型和容积型两类。速度型原动机包括径流式和轴流式。径流式有结构紧凑、易于制造、单级焓降大、效率高等特点，但是转速较高。径流式适用于单机功率２００ｋＷ～５ＭＷ的场合。轴流式则适用于高焓降、大流量、大功率场合，转速比径流式低。关于速度型原动机的研制，一方面要针对有机工质的物性特点，开展气动、叶型、强度、可靠性等叶轮机械的常规设计工作；另一方面重点应解决原动机的密封问题。鉴于有机工质价格高，且存在可燃性、毒性等方面的问题，对原动机的密封要求较高。容积型原动机具有容积变化比高、设计制造简单、结实耐用、转速较低的特点，但是摩擦损失和泄漏损失较大，单机组功率较小。容积型原动机包括螺杆膨胀机、涡旋膨胀机、活塞膨胀机等。其中，涡旋膨胀机、活塞膨胀机多用于小型试验系统，功率等级在５０ｋＷ以下，螺杆膨胀机功率等级一般不超过１０００ｋＷ。
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２０１６年第１１期宋燕莉：赵庄矿区煤层水产气菌群计数和物种分类分析２０１６年１１月
菌活菌数６×１０６个，甲烷菌活菌数８０个，２０１５年４月份
菌数略有增长，变化不大。宏基因组分析结果得到了目标地区的群落结构，有降解纤维素的噬纤维细菌科细菌。降解大分子蛋白质、脂肪、糖类的丛毛单胞菌科，氢噬胞菌属，鞘脂单胞菌科，假单胞菌科，链球菌科的细菌。降解小分子醇、胺类的甲基球菌科，噬甲基菌科的细菌。有还原硫酸盐为微生物提供能量的脱硫弧菌属和叶菌科的细菌。有产ＣＨ４的甲烷杆菌科、螺菌科古菌。不同月份采集的样本，无论古菌、细菌，菌种种类相当，数量上有差异，说明同一地区微生物的菌群受外界温度影响不大。参考文献：
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责任编辑：季鑫）（
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接４页）
３．３换热器
换热器是ＯＲＣ发电装置的关键设备。鉴于采用高效相变换热设备，在降低投资、减少有机工质充填量、减少占地等方面具有优势，有必要结合ＯＲＣ发电技术的特点开展高效相变换热设备研制工作。对于换热过程的分析，特别是蒸发器和冷凝器相变换热过程的分析，包括流动、传热等过程等，应是开发有机工质换热设备的重要研究内容。此外，建议开展有机工质换热试验研究，采用实验的方法总结换热系数关联式，并以此指导换热设备的研制。
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（责任编辑：季鑫）
４结语
有机朗肯循环是一种可将低品位热能转化为电能
的动力循环。介绍了ＯＲＣ发电技术在工业中低温余热回收、地热、生物质能等领域的发展现状，并对ＯＲＣ发电装置开发涉及的经济性、原动机、换热器等关键问题进行分析。有理由相信，随着ＯＲＣ发电技术逐步完善，必将带动国内低品位热能利用，促进节能减排，优化能源供给结构。参考文献：
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