有机朗肯循环中低温余热发电技术(14.11.5)

螺杆膨胀机的应用
●螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW～1000kW之间，弥补了蒸汽 轮机单机功率不能太小的空间。 ●对于有压力的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机 ●对于<350℃的无压力的余热流体，利用有机工质朗肯循环螺杆 膨胀机系统。 ●有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统。还可以用到太阳能、地热 能等中低温可再生能源发电项目中去。 有机工质循环螺杆膨胀机系统用于低温余热回收利用，有 广阔的技术发展空间。
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中低温余热发电解决方案
有机工质朗肯循环余热发电技术
(ORC)
(Organic Rankine Cycle)
有机工质朗肯循环余热发电技术 (ORC)
中 低 温 烟 气
有机透平
～
发电机
凝汽器
冷却塔
有机工质余 热锅炉
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技术应用背景
目前我国能源形势严峻的根本原因在于用能效率 低下。我国每吨标准煤的产出效率仅相当于日本 的10.3％、美国的28.6％。我国工业用能中近6065% 的能源转化为余热资源，其中温度低于 350℃ 以下的低温余热，约占余热总量的60%，目前技术 实现对其有效的回收利用较低。
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我国对螺杆膨胀机的研究始于上世纪80年代。天 津大学热能工程系在1987年研制成功汽液两相地热 螺杆膨胀机发电装置 (功率为5kw)。此后，对螺杆 膨胀机进行了系统的理论和试验研究。近年来，由
于节能减排的需求，在前期研究基础上，完成了有
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结构简图
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螺杆膨胀机的工作原理
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（4）螺杆膨胀机运行不用盘车、不暖机、不会飞车，可 以直接冲转启动，操作简单，可实现无人职守，维修 容易，不需要专门的专业技术人员，很适合工矿企业 使用； （5）螺杆膨胀机的零部件少。螺杆转子坚固，大修周期 长，小修简单，运行维护费用很低； （6）可调速，作为动力机使用，如拖动给水泵或灰浆水 泵，拖动风机，压缩机可以根据要求灵活变速，使用 方便。
机工质循环螺杆膨胀机的热力循环研究、有机工质
应用研究、装置结构研究和系统优化配置研究等项
工作，并取得了一定的技术成果。
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单螺杆膨胀机
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有机工质朗肯循环中低温余热发电 关键技术之一
有机工质优选
有机工质的选择
对于有机工质循环，经常选用的工质有 R123、R245fa、R134a、R152a、氯乙烷、 丙烷、正丁烷、异丁烷等。在余热发电系 统中，对于不同类型，不同温度的热源应
当选择不同的工质，工质的优选也会影响
到系统的效率。
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有机工质朗肯循环余热发电关键设备与技术
1.螺杆膨胀机 2.涡轮机（透平） 3.热交换器 4.有机工质优选 5.发电系统优化设计
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我校在有机工质朗肯循环发电的研究
天津大学热能工程系和教育部“中低温热能 高效利用”重点实验室对有机工质的热物理性 质及热力循环的研究水平位居国内领先水平， 在ORC技术的理论与实验研究中均取得了具有 实用价值的成果，早在上世纪70年代，即建成 了国内首台ORC太阳能热发电（1kW）实验系统 ，并取得了大量运行实验数据，近年，发表多 篇关于ORC系统的理论实验研究论文，同时拥 有多项关于有机工质及ORC系统构成的发明及 实用新型专利 。
有机朗肯循环(ORC)中低温 余热发电技术介绍
天津大学机械工程学院 李惟毅 liwy@tju.edu.cn
2014.11.5
技术应用背景
能源危机！ 中低品位热能的回收利用受到重视！
如何有效地回收利用
中低品位热能？
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作功介质先进入机内螺杆齿槽A，推动螺杆 转动，随着螺杆转动，齿槽A旋转到B、C、D逐 渐加长、容积增大，介质降压降温膨胀（或闪 蒸）做功，最后从齿槽E排出，功率从主轴阳螺 杆输出，亦可通过同步齿轮从阴螺杆输出，驱 动风机、压缩机、水泵或发电机发电等。
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加压泵
储液罐
冷却泵
烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电系统示意图
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有机工质朗肯循环余热发电原理
有机工质朗肯循环 ,即在传统朗肯循环中采用 有机工质代替水推动膨胀机做功。上图为有机工 质朗肯循环发电系统示意图。低压液态有机工质 经过工质泵增压后进入蒸发器吸收热量转变为高 温高压蒸气 ,高温高压有机工质蒸气推动膨胀机 做功,产生能量输出，膨胀机出口的低压蒸气进入 冷凝器 ,向低温热源放热并冷凝为液态,如此往复 循环。
有机工质朗肯循环中低温余热发电 关键设备之一
螺杆膨胀机简介
螺杆膨胀机的基本构造
螺杆膨胀机是一种依据容积变化原理工作的 双轴回转式螺杆机械。它的结构与螺杆压缩机 基本相同，主要由一对螺杆转子、缸体、轴承 、同步齿轮、密封组件以及联轴节等零件组成 ，结构简单，其气缸呈两圆相交的“∞”字形 ，两根按一定传动比反向旋转相互啮合的螺旋 形阴、阳转子平行地置于气缸中。
技术应用背景
余热余压利用工程是我国《节能中长期发展专 项规划》中的十大重点节能工程之一。目前在我 国工业的各个领域中存在大量的低温余热资源（ 350℃以下，低压或常压），由于缺乏有效的技术 手段而没有得到充分利用，传统发电技术的工作 参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较 为分散但总量巨大的能源。而利用有机工质朗肯 循环，开发新型、高效的低温余热发电系统，对 于提高我国能源利用率、节能减排，保护环境具 有重要的意义。
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有机工质朗肯循环余热发电原理
有机工质朗肯循环系统能够实现余热回收和发电的最 低余热资源温度可到80℃，（这一温度还可降低，但 发电效率会降低，影响经济性）这是常规发电技术不 能做到的（常规发电要求热源温度在350℃以上）， 从而拓宽了可以回收发电的余热资源范围，为 建材、 冶金、化工等行业的低温余热资源回收提供了技术手 段和设备。同时，这项技术还可以推广到可再生能源 发电系统中，（如地热、太阳能和生物质能）为可再 生能源发电提供关键技术和设备。
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常规水蒸汽朗肯循环发电技术
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常规水蒸汽朗肯循环发电技术的特点
1.系统构成复杂，锅炉给水需要除氧、除盐，在锅炉部件及管路 上需要设置排污及疏放水管路；凝结器里需保持较高的真空度 ，要设置真空维持系统。 2.透平进排气压力低，蒸汽体积较大，透平通流面积较大。 3.通常透平进口蒸汽需具有一定的过热度，在余热锅炉中必然要 设置过热蒸汽加热段，余热锅炉的结构比较复杂。 4.需要较多的运行、维修人员，运行成本较高。 5.单机容量不能太小,系统满负荷运行率不高。 6.一般只适用于烟气温度高于350℃以上的余热。
有机工质朗肯循环中低温余热发电 关键设备之一
涡轮机（透平）
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涡轮机（透平）的应用
特点： 功率密度高 适用于500-4000kW 用于余热量较大的场合 在余热量大的场合，可体现出占地小，效率高， 造价低的优势。
混合工质用于有机朗肯循环的研究
可改善系统工作特性 可提高发电效率
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有机工质朗肯循环中低温余热发电 关键技术之一
发电系统优化设计
有机工质朗肯循环发电系统的优化设计
有机工质朗肯循环的热力系统设计（包括系 统热力参数的确定、工质选择、热交换器设计 等）。会直接影响系统的运行效率。在得到热 源的温度和流量等条件后，需要确定有机工质 的蒸发温度、冷凝温度以及换热温差等，这些 参数会对循环效率有较大的影响。
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螺杆膨胀机作为余热回收动力机，具有的技术特点
（1）螺杆膨胀机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流 体、（带压）热水及无压热流体的动力机械，可以回收 不同种类的工业余热； （2）螺杆膨胀机还适用于高盐份的碱性流体，能除垢自洁 ，而且结垢有利于提高机器效率，因而对余热流体品质 要求不高，扩大了应用范围； （3）当余热热源不稳定，参数变化时，机组效率表现稳定 。螺杆膨胀机允许热源压力、流量在大范围内波动，对 机组效率影响不大；螺杆膨胀机为容积式工作原理机， 机内流速低，除泄漏损失外，很少其他损失，机组效率 较高，即使蒸汽参数或负荷变动仍能保持高效率。
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可利用的余热
余热温度范围： 80－350℃ 余热的形态： 烟气，蒸汽，热水 可以扩展的应用： 地热利用、太阳能利用、生物质能。
需要根据具体环境、条件及应用需求进行 系统设计。
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蒸发器
G
汽轮机 发电机
循环泵
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冷凝器
工 质 选 择
ORC发电系统图
热力学循环过程图
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不同工质经济效率随蒸发温度的变化
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国外的研究应用状况
七十年代末，美国研制出利用地热水发电的汽 水两相螺杆膨胀机，功率60KW。八十年代后期美 国完成一台1000KW地热水发电机组，随后，日本 北海道大学进行了氟利昂工质的发电试验，80年 代后期，日本进行了工业锅炉余热发电研究，功 率102KW。近年来，美国，德国，以色列，瑞典都 有相关研究和产品应用报导。
对于工质的选择要求
（1）发电性能好，在相同条件下，实际发电量较大； （2）传热性能好，在相同条件下，换热系数较大； （3）工质的压力水平适宜，在相应的热源温度下，工 质的饱和压力不很高；在冷源温度下，不会出现高 度真空； （4）来源丰富，价格低廉； （5）化学稳定性好，不分解，对金属的腐蚀性小，毒 性小，不燃，不爆。
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有机工质朗肯循环中低温余热发电 关键设备之一
热交换器
热交换器的设计
需要根据余热的类型和特点设计热交换 器。包括蒸发器，冷凝器，预热器等。 同时需要考虑防腐，防磨和除灰除垢和 降低阻力等问题。
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