有机朗肯循环(ORC)中低温余热发电与工业余热利用
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
School Of Mechanical Engineering
有机朗肯循环(ORC)中低温余热 发电技术与工业余热利用
技术应用背景 有机朗肯循环(ORC)余热发电技术 研究概况 关键设备与技术 工业余热回收利用
建议和总结
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。
需要根据具体环境、条件及应用需 求进行系统设计。
技术应用背景 有机朗肯循环(ORC)余热发电技术 研究概况 关键设备与技术 工业余热回收利用
建议和总结
国外的研究应用状况
八十年代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，并完成一台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，且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。
根据《“十三五”节能减排综合性工作方案》，我 国将加快推进工业节能，重点推进电力、煤炭、钢铁、 有色金属、石油化工、化工、纺织、印染等行业节能减 排，加快节能减排技术推广应用，加大对工业余热的综 合梯级利用，加快推行合同能源管理。
技术应用背景
我国钢铁工业余热
我国钢铁冶金余热总量达15000万tce/a，目前平均余 热回收水平仅为30%。主要原因在于我国现有技术难以回收 数量庞大的中低温余热。因此，我国钢铁工业中有大量的 中低温余热资源可供开发。
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
有机工质余 热锅炉
加压泵
有机透平
～ 发电机
凝汽器
冷却塔
储液罐
冷却泵
烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电系统示意图
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。
有机工质朗肯循环余热发电原理
有机朗肯循环系统能够实现余热回收发电的最 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。
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。
技术应用背景 有机朗肯循环(ORC)余热发电技术 研究概况 关键设备与技术 工业余热回收利用
建议和总结
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
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？
技术应用背景
有机工质朗肯循环发电技术技术（ORC)可高效回收中低 温余热资源(350℃以下，低压或常压）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。
性能稳定，热回收效率高达10%-20%
中低温余热发电解决方案
常规水蒸汽朗肯循环发电系统图
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。
不同国家ORC发电机组的装机数量
Biblioteka Baidu
国外的研究应用状况
国外ORC技术已成功商业化，涌现出许多ORC设计与制造厂，如美国 ORMAT公司、意大利Turboden、德国GMK公司等，普惠、GE、三菱等著名 叶轮机械设计制造企业也成立了专门的ORC公司。
国内的研究应用状况
国内对于ORC发电技术的研究较多，目前仍需要深入 解决理论研究与工程实际相结合问题，ORC发电系统的工 程化应用仍需要有多项关键技术攻克。
我国有色冶金工业余热
我国有色冶金行业存在大量的容易收集的温度在60℃ 以上的液态余热（如冷却水）及低压蒸汽，据不完全统计 蕴含可用的热能约1800 万tce/a，潜在发电能力相当于 3/4个三峡工程发电量。
技术应用背景
我国建材工业余热
玻璃窑炉
水泥窑炉
陶瓷窑炉
技术应用背景
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60-65%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%，由于传统发电技 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。
有机朗肯循环(ORC)中低温余热 发电技术与工业余热利用
技术应用背景 有机朗肯循环(ORC)余热发电技术 研究概况 关键设备与技术 工业余热回收利用
建议和总结
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。
需要根据具体环境、条件及应用需 求进行系统设计。
技术应用背景 有机朗肯循环(ORC)余热发电技术 研究概况 关键设备与技术 工业余热回收利用
建议和总结
国外的研究应用状况
八十年代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，并完成一台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，且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。
根据《“十三五”节能减排综合性工作方案》，我 国将加快推进工业节能，重点推进电力、煤炭、钢铁、 有色金属、石油化工、化工、纺织、印染等行业节能减 排，加快节能减排技术推广应用，加大对工业余热的综 合梯级利用，加快推行合同能源管理。
技术应用背景
我国钢铁工业余热
我国钢铁冶金余热总量达15000万tce/a，目前平均余 热回收水平仅为30%。主要原因在于我国现有技术难以回收 数量庞大的中低温余热。因此，我国钢铁工业中有大量的 中低温余热资源可供开发。
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
有机工质余 热锅炉
加压泵
有机透平
～ 发电机
凝汽器
冷却塔
储液罐
冷却泵
烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电系统示意图
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。
有机工质朗肯循环余热发电原理
有机朗肯循环系统能够实现余热回收发电的最 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。
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。
技术应用背景 有机朗肯循环(ORC)余热发电技术 研究概况 关键设备与技术 工业余热回收利用
建议和总结
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
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？
技术应用背景
有机工质朗肯循环发电技术技术（ORC)可高效回收中低 温余热资源(350℃以下，低压或常压）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。
性能稳定，热回收效率高达10%-20%
中低温余热发电解决方案
常规水蒸汽朗肯循环发电系统图
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。
不同国家ORC发电机组的装机数量
Biblioteka Baidu
国外的研究应用状况
国外ORC技术已成功商业化，涌现出许多ORC设计与制造厂，如美国 ORMAT公司、意大利Turboden、德国GMK公司等，普惠、GE、三菱等著名 叶轮机械设计制造企业也成立了专门的ORC公司。
国内的研究应用状况
国内对于ORC发电技术的研究较多，目前仍需要深入 解决理论研究与工程实际相结合问题，ORC发电系统的工 程化应用仍需要有多项关键技术攻克。
我国有色冶金工业余热
我国有色冶金行业存在大量的容易收集的温度在60℃ 以上的液态余热（如冷却水）及低压蒸汽，据不完全统计 蕴含可用的热能约1800 万tce/a，潜在发电能力相当于 3/4个三峡工程发电量。
技术应用背景
我国建材工业余热
玻璃窑炉
水泥窑炉
陶瓷窑炉
技术应用背景
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60-65%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%，由于传统发电技 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。