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国内外有机朗肯循环(ORC)低温余热发电系统概述

时间:2017-03-17  来源:高端装备发展研究中心   发布:高端装备网 
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  有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环,主要由余热锅炉(或换热器)、透平、冷凝器和工质泵四大部分组成。

 

  由于ORC在利用低品位能源方面具有众多的优势,国内外的许多学者都展开了各方面的研究工作。目前对有机朗肯循环的研究主要分四个阶段:

 

  第一阶段:确定应用场合及工作条件

 

  主要任务是确定有机朗肯循环应用的范围,明确冷热源温度和能量负载等基本边界条件;

 

  第二阶段:进行循环基本的热力学分析

 

  主要任务是根据已确定循环边界条件,结合工质的热物性,进行热力学分析比较,明确热力过程,完善热力循环设计,工质的热物性对循环的性能其决定性作用,工质的筛选也是此阶段的重要工作;

 

  第三阶段:研究与实际热源相结合的过程

 

  在此过程中需要考虑到工质的流动性能和热力学性能,同时对循环系统中特定的装置部件例如透平机等的研究也需要展开;

 

  第四阶段:系统的工程实际应用

 

  主要是各种辅助设备的不断完善和改进,包括控制软件与辅助部件等。

 

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  从目前的文献资料来看,大多数研究都集中于第二个和第三个阶段。工质是影响整个热力循环关键核心因素,工质筛选将仍是研究的重点,如何根据不同的应用背景(如太阳能、地热能、工业余热、生物质能、LNG等)及不同热源形式和温度来筛选经济性好、环境友好和性能优良的工质仍是目前研究的重点。纯工质的传热特性、易燃性和材料兼容性等应该投入更多的研究工作,同时混合工质的热物性和传热特性也亟待解决。

 

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Industrial Waste gas recovery ORC Power System

 

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Distributed Renewable Energy Power system

 

  膨胀机是 ORC系统中的核心部件。膨胀机的选择不仅影响 ORC 系统的性能,还影响到其他设备的选型和系统的整体造价。一般而言,膨胀机分为速度型膨胀机,如径向透平,和容积式膨胀机,如螺杆膨胀机、涡旋膨胀剂、往复式活塞膨胀机等。

 

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单螺杆膨胀机 Single Screw Expender

 

  ORC余热发电系统结构的优势

 

  目前ORC余热发电系统可采用有机工质双循环,包括:透平机械、发电机、冷凝器、循环工质泵、余热锅炉、热交换器和预热器,构成导热油——有机工质双循环系统。

 

  ORC余热发电系统结构本身的优势:

 

  系统本身使用导热油作为中间换热工质,因为导热油在300℃的条件下仍不汽化而保持常压,此时的水蒸气饱和压力已高达8.5MPa。300℃以下,用导热油代替传统的热载体水蒸气,就能以低压管道系统代替高压管道系统,降低投资。此外导热油还具有传热均匀,热稳定性好以及优良的导热特性。导热油对普通的碳钢设备和管道基本上无腐蚀作用,不需要采用类似蒸汽系统的给水脱盐、除氧等复杂的处理过程,因此具有系统简单输送方便等优点。因此用导热油作为工质的机组传热效率高。

 

  可采用螺杆膨胀机替代汽轮机,其结构相对传统汽轮机简单得多,额定功率小, 其适用作为低焓能源动力利用的动力机,因此对有机工质蒸汽做功更适用。

 

  鉴于目前螺杆膨胀机还未普及,那么即使使用汽轮机,因有机工质蒸汽比容、焓降小,故所需汽轮机的尺寸(特别是汽轮机末级叶片的高度减小)、排气管道尺寸及空冷冷凝器中的管道直径均较小。

 

  与水蒸气相比,由于有机工质的声速低,在低叶片速度时,能获得有利的空气动力配合,在50 Hz时能产生较高的汽轮机效率,不需要装齿轮箱。由于转速低, 因此噪声也小。

 

  可选取与有机工质氟利昂不相溶解且不会发生化学反应的导热油,采用油与有机工质氟利昂直接接触热交换的方法,可进一步提高换热效率。

 

  在缺水地区,优先使用空气冷却的冷凝器。ORC电厂使用的空冷冷凝器要比水蒸气电厂使用的空冷冷凝器的体积小得多,价格也低得多。

 

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  ORC发电系统与传统低温余热发电系统的根本区别在于采用有机工质, 所以工质特性将主导整个发电系统的结构及效率。国内外都对有机工质对于 ORC系统的影响有研究,相比而言国内仅仅是起步阶段。

 

  对于如何更好地利用低于300℃、甚至更低温度的余热,据各类研究表明:在低温情况下,有机朗肯循环的效率明显比水作为工质的朗肯循环效率高得多,其主要原因是ORC在显热回收方面有较高的效率,由于循环中显热/潜热不相等,而 ORC技术中此比例大,因此采用ORC技术可回收较多的热量。

 

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  近年来,随着我国能源与环境问题面临越来越大的挑战,同时面对可持续发展与重视社会效益意识的加强,加之CO2排放税、环境污染治理成本、政府优惠政策等经济影响因素的出现,以及中高温余热发电的成功应用,资源最为丰富且一直被认为不具备发电经济性的低温余热资源的发电潜力和经济性前景,正得到越来越多的关注。

 

  国外ORC低温余热发电系统发展情况

 

  国外主要ORC低温余热发电系统公司包括:以色列的Ormat Technologies公司,位于意大利的Turboden公司(现为三菱重工业公司子公司),还包括德国的ADORATEC GmbH公司、Maxxtec GmbH公司、法国的Cryostar Cryogenic公司、美国的ElectraTherm公司、GE公司、Infinity Turbine公司等。

 

国家

低温余热应用情况

领军企业及特点

美国

低温余热资源利用较充分的国家之一,在ORC低温余热发电系统方面走在了世界的前列,应用较为广泛

GE公司、联合技术公司、ElectraTherm公司、Infinity Turbine公司

俄罗斯

ORC低温余热发电领域的技术实力较强,由于前苏联在此领域进行了许多研究,部分技术实力居于世界领先水平

缺乏此领域的领军企业,没有有效的开拓国际市场

以色列

ORC低温余热发电领域的实力非常强,我国的第一个地热ORC低温余热发电项目就是引进的以色列技术并实现了稳定运行,该国在此领域进行了长期的跟踪研究。在国际市场占有较大的市场份额,并是在美国上市的企业,拥有很强的行业地位。

有此领域国际领先的大企业——Ormat Technologies

德国

重视清洁能源开发和研究,在ORC低温余热发电领域,德国也拥有许多公司从事专业研发,德国的企业一般为小而精的民营企业,也拥有较强的市场竞争力,并在技术研发方面拥有独特的实力。

ADORATEC GmbH公司、Maxxtec GmbH公司、GMKBosch KWK等小规模企业

意大利

最好早进行ORC低温余热发电研发的国家之一,意大利米兰理工大学在ORC低温余热发电领域进行了很长时间的跟踪研究,Turboden公司的创始人和总经理就是该校的教授,并积极支持意大利开展相关方面的研究

Turboden公司(三菱重工收购)

英国

也是最早开始进行ORC低温余热发电研究的国家之一,该国有多家企业从事ORC低温余热发电系统建设,英国还与其它国家紧密合作,共同开发ORC低温余热发电系统

 

法国

ORC低温余热发电研究方面也投入了很多人力物力,该国的很多企业都极其重视余热回收,注重保护环境和节能资源、能源,因此,法国在余热回收方面做了大量的工作,余热回收的效果也比较明显

Cryostar Cryogenic

 

 

  以色列的Ormat Technologies公司和位于意大利的Turboden公司在ORC低温余热发电领域具有较强的技术实力和长期的市场开发经验和积累,在此领域具有较大的话语权,下面对这两家公司的ORC低温余热发电技术进行介绍。

 

  Ormat Technologies公司ORC低温余热发电技术水平

 

  该公司提供的可再生能源解决方案,包括了ORMAT® ENERGY CONVERTER (OEC)技术,它可以将低、中、高温热能转化为电能,该公司拥有超过77项的全球专利,OEC是一种先进的有机郎肯循环技术,该公司通过30多年的最具挑战性的条件下使用改进和完善该技术。Ormat灵活的模块化解决方案,对于地热能,可再生能源和远程发电都是在该技术的基础上发展起来的,它也可以专门为定制的电厂设计。

 

  该公司的专利技术使地热开发人员能够有效地和经济的使用各种天然地热资源,——从低温地热水到高压蒸汽。在全球范围内,OEC转换能源,不管是地热、气体或热能到宝贵的电力,同时将行业标准设置的更加简单、可靠性和保持低运营成本。

 

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  Turboden公司ORC低温余热发电技术水平

 

  该公司为欧洲领先的发展和生产ORC涡轮式发电机的公司,先进的设备能从来自可再生能源和工业过程的热回收产生热量和电力。该公司由米兰理工大学的能源学教授Mario Gaia在米兰创立于1980年,Mario Gaia今天担任着公司的总经理,他与米兰理工大学的紧密联系使得公司可以招募到高素质的研发人员。

 

  在2009年,Turboden成为UTC Corp的一部分,UTC(联合技术公司)是全球领先的航空发动机、航空驱动系统、发电燃气涡轮机的开发、生产和服务商。2013年,UTC决定与三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries)形成战略联盟,目前,Turboden s.r.l.和PW Power Systems, Inc(主要生产工业燃气轮机)成为Mitsubishi Heavy Industries集团公司的一部分,这样,Mitsubishi Heavy Industries可以提供更加广泛的热发电系统产品与服务。

 

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  Turboden公司在ORC低温余热发电系统方面拥有超过30年的经验,并在此领域拥有很强的技术研发实力,在此领域也占据了大多数市场份额。

 

  Turboden ORC 系列产品特点:

 

  高循环效率机组

 

  机型选择灵活性高(400kW–3MW)

 

  高现场可用率(>98%)

 

  机组可在部分负荷条件下运行(可低至10%)

 

  机组维护要求低(150-250小时/年)

 

  机组寿命长

 

  机组起停操作简单

 

  直接驱动机组发电机发电

 

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  国内ORC低温余热发电系统发展及问题分析

 

  目前,国内开展ORC低温余热发电的研究单位众多,由于技术扩散比较快,大多数相关科研院校都具有开展理论和实验研究的能力。国内主要的研究单位包括:中国船舶重工集团公司第七一二研究所,中国船舶重工集团公司第七一一研究所,清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室,天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室,西安交通大学能源与动力工程学院,北京工业大学环境与能源工程学院,上海交通大学热能工程研究所,浙江大学能源系,同济大学机械与能源工程学院,华北电力大学可再生能源学院,中国科学技术大学热科学和能源工程系,昆明理工大学冶金与能源工程学院等院校都开展了相关研究。

 

  国内的主要制造单位包括:开山股份,江西华电电力有限责任公司,博尔能源,浙江银轮机械股份有限公司,上海齐耀动力技术有限公司,宁波市鄞州风源机电有限公司,厦门高谱科技有限公司,秦皇岛同力达集团公司,中材节能股份有限公司,安徽海螺川崎装备制造有限公司,大连易世达新能源发展股份有限公司,南京凯盛国际工程有限公司等也开展了相关的研究。

 

  目前,我国出现了大批ORC低温余热发电系统成果,有些成果已经实现了投产,并取得了良好的运行效果。进入2014年,我国相关方面的研究成果更多的涌现了出来,中船重工第七一二研究所研制出大功率ORC低温余热回收发电装置,并掌握了核心技术和知识产权。开山股份国外螺杆膨胀机业务开拓成绩颇多,并在积极进行国内推广,螺杆膨胀机成为该集团的重点和明星业务之一,汉钟精机拥有整体解决方案,并在积极谋划布局市场。银轮股份ORC系统研发获重大突破,开山股份船用ORC系统样机已试制成功,并准备进一步完善和推广。博尔能源国内首台低温余热ORC透平发电机组成功投入商业化运营,首套兆瓦级ORC低温余热综合利用项目在包钢投入使用并且运行效果较好。

 

  这些成绩和事迹说明,我国在ORC低温余热发电系统方面已经取得了很多研究成果,并在积极开展推广和深入研究。

 

  在ORC低温余热发电系统方面,我国还存在着一些固有的缺陷和技术短板,比如在透平系统核心零部件方面,我国的研发实力和技术开发实力较弱,特别是螺杆膨胀机的核心部件,比如转子和型线设计以及运营和制造经验,我国企业一般都比较缺乏,并缺乏核心技术,螺杆膨胀机与螺杆压缩机有一定联系,但是,其技术难度和制造难度比螺杆膨胀机更大。

 

  目前,我国ORC低温余热发电系统发展主要困难和问题如下:

 

  投入较大、回收期仍较长

 

  膨胀机只是整个余热发电应用系统的一部分,成本也不超过整套系统的30%,但是,ORC低温余热发电系统的整体投入仍然过大,回收期较长,一般都至少需要2、3年以上,使得经济性不突出。

 

  缺乏行业标准

 

  作为一个新的市场新的产品,在缺乏检测缺乏行业标准的情况下客户对产品使用年限、系统维护成本存在较大疑虑,不敢贸然进行投资,这里面主要的原因在于国家相关主管部门没有对ORC低温余热充分重视,缺乏相关指导。

 

  设计单位缺乏、行业数据不完善

 

  无论是工业余热发电还是地热发电,国内相关系统设计单位缺乏,行业数据非常不完善,对产品的推广不利。例如,钢厂余热利用体系应如何设计,如何保障热源的稳定;又如地热利用需要大量的多年的各地区有关地热的数据进行支撑,方能决定何处地热稳定可用。

 

  国家政策支撑乏力

 

  目前,国内已经有厂家推出了螺杆膨胀机产品,具备批量生产能力,但是,国家相关政策匮乏,比如发电补贴,购买机组补贴等政策措施不完善,导致整个行业发展受阻。

 

  产业配套与政策支持是关键

 

  相关配套研究与系统的缺乏使得ORC低温余热产品推广难度较大。其次,国家相关政策缺乏。对产品尚无制造标准、对行业没有规范、对产业没有实质补贴都是制约其发展的主要问题。可以看到,螺杆膨胀机余热发电的推广仍有诸多问题需要解决,产业配套与政策支持是首要问题,也是近期需要得到解决的关键问题。未来发展任重而道远。

 

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