ORC的基本理论
1、ORC的发展
2、ORC的系统构成及原理 3、ORC的特点 4、目前国内外研究应用现状 5、ORC应用领域 6、ORC投资估算 7、ORC、汽水朗肯循环、kalina循环的比较 8、十二五简介及发展实施规划
ORC的发展
ORC的定义：ORC（Organic Rankine Cycle）——有机物朗肯循环 是以有机物代替水作为工质，回收中低品位热能的朗肯动力循环
动力循环的初参数，但是终参数的提高及冷凝系统设备的
复杂化，也对其应用带来了不利影响。
发电量比较： 通过比较可知： 当汽轮机进口压力高于 6MPa时，Kalina才体现出 发电优势 商用Kalina循环工作压力一 般7-8 Mpa，即： 理论上，Kalina发电量可以达 到9000—10000kW 实际上，蒸汽循环发电 量可保证7000kW以上
ORC应用领域
工业余热：钢铁、水泥、化工有色金属冶炼等 温度范围70~300℃，废气，废水
产能5000t/d水泥生产线，尚未利用的150℃左右余热烟气（如窑尾电收尘器入 口），新增发电量1000kW，提高发电量10%-12%，690余条（2010）；
在冶金和钢铁企业，可回收钢铁企业的冲渣废热水（80-90℃），可以为每个 企业带来MW级的电能； 在电力行业，存在许多需要减温减压的蒸汽，如锅炉连排水余热回收潜力 巨大； 有色金属冶金，电解铝低温烟气。
国外发展历程： 研究最早始于1924年 70年代石油危机的爆发，国外进行了大量的研究 九十年代后期至今，开始广泛工程应用：以色列Ormat，美国UTC 国内发展历程： 最早始于80年代，天津大学，双螺杆膨胀机 80年代——二十世纪末，仅有少数高校，进行理论研究
二十一世纪，大量高校开始理论研究，热工专业老牌名校具备实验能力 工程应用尚属空白，仅西藏地热发电，采用Ormat的ORC技术
Kalina与汽水朗肯循环对比
系统比较：
蒸发
冷凝
由系统图可知：
由于氨水二元混合工质的采用，Kalina循环冷凝部分设备更复杂。 由T-S图可知：Kalina循环平均蒸发温度更高，相比蒸汽循环，热源损失较小
Kalina循环平均冷凝温度更高，相比蒸汽循环，冷源损失较大
通过系统及循环理论比较： Kalina循环相比蒸汽循环并不具备完全优势，虽然提高了
蒸发温度比较：
水临界温度：373.95℃
有机工质临界温度： R123： 183.68 ℃ R245fa： 154.01℃ 正丁烷：151.98 ℃ 正戊烷：196.55 ℃
常用ORC有机工质临界温度均低于200 ℃，对于余热发电系统，一 般不采用超临界循环，因此： 当余热热源温度300~350 ℃时，ORC系统最高蒸发温度不超过200 ℃，蒸汽系统可在200~250 ℃之间选择蒸发温度
发电机
冷 凝 器
冷 凝 器 工质泵
风机
锅炉给水泵
循环冷却水泵 油泵
循环冷却水泵
由于有机工质物性特点，ORC系统采用径流式汽轮机 ORC系统蒸发器一般针对液相热源设计，因此，若余热形式为烟气，通常需 要设置导热油锅炉，将热源形式进行转换 ORC系统无射抽设备，系统背压运行
系统净发电效率比较： ORC系统：适用于250 ℃以下热源，效率5%—20% 蒸汽系统：适用于300 ℃以上热源，效率20%—25% 系统自用电率比较： ORC系统：机组7%左右，系统20%左右 蒸汽系统：约为7%左右 系统安全性比较： ORC系统：若采用丁烷、戊烷等烷烃类作为系统工质，需考虑防爆要求
ORC机组——1.2万~1.3万/kW（蒸发器、冷凝器、汽轮发电机组、工质泵） 普惠280kW机组，离岸价：43万美元 增加辅助配套设备（水泥行业——中间换热器——热水型低压热水锅炉） 投资增加——1.7万~1.8万/kW 如果ORC机组设备实现国产化，成本降低——万元以下/kW
投资回收期3（设备国产，有效利用原系统风机水泵及冷凝系统）-5年
200kW Kalina 机组，相对发 电量，设备构 成复杂，占地 面积庞大。
注：热源为热 水，若为水泥 窑烟气，还需 增加中间换热 器，将余热形 式从烟气转换 为热水，设备 投资、系统复 杂程度将进一 步增加
十二五简介及发展实施规划
十二五简介： 题目：低温热源发电装置的研制 合作单位：中国船舶重工集团公司第七〇三研究所 经费分配：国拨专项资金400万，中材150万，七〇三所250万，中材自筹配 套850万 目标：针对150℃左右水泥窑余热烟气及水泥窑筒体辐射余热，采用200kW 径流式汽轮机有机工质朗肯循环系统，系统发电量150~180kW，系统效率达 到6%~8%。
（2）“三泵”泵耗较大，自用电率较高： 在应用ORC时应尽量利 用原有系统中的水泵或风机。 （3）系统只能背压运行：尚无专用抽真空设备，工质物性决定。
（4）有机工质T-S曲线
（a）干工质
（b）绝热工质
（c）湿工质
ORC多采用干工质或绝热工质，低过热度，无液击
目前国内外研究应用现状
国内研究情况： 工程应用： 目前国内ORC仅应用于西藏地热发电，工业余热领域尚无ORC应用 高校研究： 仍以理论计算为主，实验较少。 热源温度70~250℃，ORC系统理论循环效率5%~20% 工质主要选择：R245fa、R142b、R134a及R123等 具备实验能力的高校： 西安交通大学，上海交通大学及浙江大学均采用涡旋式膨胀机 北京工业大学采用单螺杆膨胀机 作坊式的实验平台，系统效率低于10%，膨胀机内效率60%左右
蒸汽循环压力1.25MPa
Kalina循环发电量优势的讨论： 应用情况：Kalina循环诞生于上世纪70年代，80，90年代少量应用于工程 实践，本世纪未知再有新建，且已投运电站也大部分关停，据知，至今为 止尚在运行的仅部分冰岛地热电站。 学者评价：由于设备构成的过于复杂，Kalina循环实际应用情况远没有理 论计算那么优秀。 投资评价：商用Kalina循环投资1.4万元/kWh以上，目前蒸汽循环的一倍以上 讨论：用超过蒸汽循环一倍的投资，得到并不能保证的发电量提高10~20%
ORC与汽水朗肯循环的比较
同以朗肯循环作为理论基础
t
2
1 4
3
s
1—2 工质在蒸发器中定压吸热，变为具有一定温度、压力的过热蒸汽 2—3 蒸汽通过透平，绝热膨胀做功，输出动力 3—4 透平排出乏汽在冷凝器中定压冷凝为液态 4—1 液态工质通过泵绝热压缩，进入蒸发器，如此往复循环
工质不同
蒸汽动力循环：水 ORC：有机工质，如R245fa、R123、正丁烷及正戊烷等
针对300~350℃余热资源：
ORC系统 蒸发温度（℃） 冷凝温度（℃） 130~170 40 蒸汽系统 200~250 40
通过比较可知，蒸汽系统由于具有更高的蒸发温度，所以系统 循环效率更高，更适用于300~350℃余热资源的回收利用
ORC适用的范围
比较可知： 有机工质气化潜热更小，即1’-2’<1-2 有机工质不需要较大的过热度，以保证工质 在透平做功过程中，避免“液击”发生，即 2’-3’<2-3 结果：当余热资源温度150~250℃时 ORC系统，依然可以保证蒸发温度130~170 ℃ 蒸汽系统，为保证传热温差与过热度，蒸发 温度120~130℃ 当余热资源温度低于200℃时，由于蒸发温度、 压力过低已不能利用现有常规形式汽轮机实 现动力循环。
西安交通大学、浙江大学：涡旋式膨胀机
问题：严重的机内泄露
北京工业大学：单螺杆膨胀机
问题：行星轮变形
容积式膨胀机
天津大学（江西华电电力有限责任公司）：双螺杆膨胀机
问题：轴端密封
国外研究应用现状
至2009年为止，ORC系统的总装机容量已达160万千瓦 世界范围ORC系统设计安装企业十余家，以奥马特为代表 到2009年3月为止，Ormat装机容量已超过1200MW，数量超过2600座 美国UTC，在74℃热源温度下，稳定发电效率8.2%
冷凝温度比较：
ORC系统：无真空维持设备，故系统只能采取背压运行方式 蒸汽系统：通过射水抽气器，维持系统真空度
冷凝温度（℃） R245fa R123 正丁烷 正戊烷 水 40 40 40 40 40 冷凝压力（Mpa） 0.25 0.15 0.38 0.12 0.007
由于射水抽气器的采用，蒸汽系统同样可以在较低的温度下实现冷凝
3 1’ 1 2’ 3’ 2
针对250 ℃以下余热资源，更适宜采用ORC系统进行回收利用
针对不同热源温度，比较两种系统理论性能
系统设备比较：
蒸汽系统：
发电机 余热烟气 轴流式汽轮机 循环冷却水 余 热 锅 炉 射 水 抽 气 器 导 热 油 锅 炉 蒸 发 器 余热烟气 循环冷却水
ORC系统：
径流式汽轮机
研究关键：工质、膨胀机
ORC的系统构成及原理
发电机 透平 余热流体 冷却水 蒸 发 器
冷 凝 器
泵
工质泵
冷却水泵
4—1：工质在蒸发器中定压吸热 Nhomakorabea1—2s：工质在膨胀机中理想膨胀做功
1—2：工质的实际做功过程 2—3：工质在冷凝器中定压放热
3—4：工质在工质泵中压缩过程
ORC的特点
（1）蒸发侧形式多样：70—300℃范围的余热资源均可利用 针对不 同热源形式，取热方式多样。
发展实施规划：
指导思想：尽快实施，掌握应用 目前能够与亟需解决的问题：
1、热源参数的确定与选取
2、中间取热装置——热水锅炉 3、ORC系统的接入
未来愿景：
采用成熟机组，在水泥线上进行应用，速度快，领先优势，掌握ORC 机组与水泥线的配合。
重点攻关有机朗肯径流式汽轮机的研制，逐步掌握核心部件的生产技术。
系统升级，由水泥行业走向外行业，将ORC机组向更多工业节能领域推广。 透平形式升级，研制双螺杆膨胀机。
发电系统底层循环：用于燃料电池、燃气轮机、内燃机等