1、低沸点工质循环发电技术及应用,西安交通大学能动学院 程代京 2013.3.18,主要内容,1. 项目背景 2. ORC原理 3. ORC装置 4. ORC透平设计 5. ORC热水发电,1.项目背景,“节能减排”是重要国策；节能21%指标（万元工业增加值能耗5年累计下降21 ）完成困难较大；低于300的低温余热总资源约占余热总资源的 30%，其利用率低，大都直接排入大气，造成能源的浪费及对环境的热污染；国内低温余热的热源广泛：钢铁工业、水泥工业、石油精炼化学工业、玻璃工业、地热水和太阳能热水；缺乏有效的技术和设备加以利用。,工业和信息化部、科学技术部、财政部及国务院国有资产监督管理委员会给出“
2、重大技术装备自主创新指导目录（2012版）” 国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要国务院“十二五”节能减排综合性工作方案节能减排规划（20112015年）,余热发电概况,最大限度地回收余热源的热量；能使回收的热量能有效地转换为有效功(电能或动力功)；设备可靠性高，运行安全和维护方便。 目前技术： 窑炉蒸汽余热发电系统 ； 带补燃锅炉的中低温蒸汽余热发电系统； 不带补燃锅炉的中低温蒸汽余热发电；300以上：汽轮机发电机组；300以下：低沸点气轮机发电系统(ORC)透平膨胀机/螺杆膨胀机/活塞膨胀机,系统组成,换热器（蒸发器/预热器）低沸点工质透平冷凝器（空冷/水冷）发电机（直流/交流）工质泵,
3、2.ORC原理,有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）是一种新型环保型的发电技术 低沸点工质透平设计 发电系统设计 余热换热器设计 辅助、成套设备的设计,2.1 工质选取,工质选取,2.2 有机工质的饱和蒸气曲线,2.3 工质特性,有良好的热力学性能，相同的余热资源条件下，应提供更多的动力； 合适的压力水平，蒸发时蒸发压力不太高，冷凝时压力又不太低，最好不要在真空下工作。 比热和密度较大，传热性能好，这样可以减少透平尺寸、换热器的传热面积； 热稳定性好，不易分解，不腐蚀设备； 无毒，不易燃，不易爆，运行安全、可靠； 价格低廉，输送与储存方便，高纯度，易得到。 从
4、工质的热力特性、传热性、透平的气动特性、热稳定性、可燃性、毒性、腐蚀性、价格以及对大气环境的影响等方面来考虑。,A方案：260烟气与低沸点工质直接换热,2.4 朗肯循环方案,B方案：采用导热油将烟气热量传递给低沸点工质,朗肯循环方案,2.5 循环原理及T-S图,利用中低温下能产生高压气体的介质（有机工质、沸点较低）作为工质，在中低温下蒸发产生的高压气体去驱动透平的循环。它由余热锅炉换热器、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。余热流体在换热器中放热给有机工质，工质由于吸热而成蒸气。这种蒸气通过透平膨胀作功，从而带动发电机发电或拖动其它转动机械。从透平排出的蒸气在冷凝器中向冷却水放出热量而凝结成液体
5、，借助工质泵重新泵回换热器，如此不断循环就能发电或产生动力。,2.6 简化热力系统及过程说明,采用无过热、回热 T-s图,采用过热的T-s图,采用过热、回热的T-s图,采用回热的T-s图,2.7 循环方式,三种工质在不同过热度下的净功率如图所示。R134a与R245fa的做功能力均随过热度的增加而增大。,增设回热装置对R123和R245fa做功能力的影响如图所示。采用回热后显著提高了R245fa循环的最大输出净功率，最大净功率由623.5kW增至674.2kW，提高了8.1%。但是回热对R123系统的影响较小。,2.8 回热及过热的影响,3.1 主要应用场合,工业余热废热的动力学回收 太阳能热
6、力发电，例如用平板集热器收集低于100的太阳热水作驱动热源，用 ORC透平等构成低温太阳能热力发电系统 ，可作为分布式能源 地热发电，我国在1993年底建成的那曲地热电站，装机容量为1MW，采用以色列ORMAT公司的双工质有机朗肯循环机组系统，地热热源温度为110，有机工质采用异戊烷 生物质能发电 海洋温差能发电，闭式、开式及混合式循环,3. ORC装置,3.2 奥玛特 (Ormat)公司ORC装置,气轮发电机组完全封闭,包含向心式透平,感应式发电机（ 3相电压）和离心式工质泵。ORC系统的全部旋转部件都安装在一根轴上,并在一个壳体内。机组垂直布置,透平位于底部,工质泵和轴承位于顶部,发电机在
7、中间,位于两个径向轴承之间。其特点是发电机利用泵和上轴承逸出的工质液体自由落下润滑、冷却;发电机和轴承的润滑液也可方便的排到位于下面的冷凝器中。,3.3 新型一体化ORC设计示意,3.4 单螺杆膨胀机,容积式，基本结构是由一对阴、阳螺杆转子和壳体组成。 进气、膨胀、排气，热流体（蒸汽、热液或汽液两相流体）进入螺杆齿槽A，热流体能量推动阴阳螺杆向相反方向旋转到B、 C、D，齿槽容积增加，热流体降压膨胀作功，最后从齿槽E排出，实现将热能转换成机械能，从主轴阳螺杆输出，驱动发电机可发电；直接驱动负载可替代电动机节约电力。,3.5 双螺杆膨胀机,1）吃粗粮的动力机 能回收过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相及
8、热水热液的新型动力机；能除垢自洁，可回收70-80以上热水热液、80以上蒸汽、180以上烟气的余热可用于工业余热废热，也可以与地热、太阳热能及生物质能配合，实现热能转换为机械能。 2）适合回收闲散废热用于发电 允许热源压力、流量大范围内波动；机组可移动，集中或分散布置，实现分布式发电。 3）使用安全简单 机组运行不需暖机、不盘车、不飞车，直接冲转运转安全可靠。 4）长期无大修，维护方便 行操作简单，螺杆转子粗大坚实，可以长期不大修，小修简单方便，运行维护费用低。,双螺杆膨胀机特点,闭式海洋温差发电系统,热带海洋表层海水温度2429，而在深度约600 m以下的海水常年在27。闭式循环用温水泵将温
9、海水抽送至蒸发器内将热量传递给工作流体，工作流体受热后蒸发推动透平旋转，透平带发电机发电。工作流体用有机工质 。,3.6 海洋温差发电系统,混合式海洋温差发电系统,将温海水先导入闪蒸蒸发器，闪蒸出的水蒸汽再导入蒸发器加热工作流体，该系统发电的同时还可以产淡水 。工作流体用有机工质 。,混合式海洋温差发电系统,单位：MW,3.7 世界地热发电装机容量,ORC 技术在部分国家的应用,4. ORC透平设计,透平：轴流式或向心式采用三元流方法设计，高效、安全、工作稳定密封：透平轴端采用机械密封或浮环密封转速：3000 r/min或更高转速功率： 1#炉 608 kW; 一托三 2616 kW,4.1
10、三维叶片的参数化拟合,叶片参数化拟合过程,4.2 向心式透平特点,进汽管道损失比轴流式透平小 环形叶栅中的相对速度较小，而且汽流扩压段消失，从而使损失下降其等熵功绝大部分无损失的通过离心力作用转变为机械功 出口平均直径小于进口平均直径，余速损失小,向心式透平叶轮三维模型,1-静环 2-动环 3-传动销 4-弹簧 5-弹簧座 6-紧定螺钉 7-传动螺钉 8、9、10-O形密封环11-防转销 12-压盖 13-推环 14-轴套,4.3 低沸点工质密封,优点：封液泄漏量小，气体完全不泄漏，使用可靠。 缺点：高转速下，辅助系统复杂，安装技术要求高。 适用：输送各种气体 改进：完全集装化，可使安装更为方
11、便、简单。,机械密封的优缺点,集装式机械密封,产品周期：12个月方案设计（二个月）；工程设计（二个月）；工艺审查、设计修改和完善（一个月）设备制造（六个月）；现场安装调试（一个月）。,4.4 产品周期,产品的模块化； 产品的系列化； 加强整机试验和调整； 提高产品质量 ； 以市场为导向，扩大产品数量。,产品,某厂热水流量600m3/h，水温93，利用热水发电是绿色能源和可再生能源，减少污染和碳排放。采用低沸点工质发电。 具有独立知识产权，填补了国内空白，创新性强，具有示范作用。 可用热量Q = CPGw（t1t2）=4.1866003.6 (93-30) = 43953kJ/s 发电量Ne=
12、Q e = 439630.083=3649 kJ/s,5. ORC热水发电,5.1 工程概况,工程投资概算（单位万元，总计3500万元）,5.2 工程投资,5.3 经济性分析,工业用电价0.42元/度， 年发电8000小时，年供暖3000小时 年发电量：28.0GW.h/a 发电收益：1122.7万元 供暖收益：137.9万元 节能补贴：280.7万元 系统总投资：3500万元 工程建设期：1.2年 投资回收期：约3.1年,1） 该方案直接利用热水资源，采用低沸点工质发电，该项目节能环保，为国内中低温热量利用发挥“绿色能源”示范作用，创新性强，填补国内空白，符合国家能源政策。 2） 该项目总投资0.350亿元，3.1年回收全部投资，经济效益显著。 3）节约能源减少污染，减排SO2量79.5t/年，减排NOX量69.2t/年，减排CO2量24325.2t/年，增加就业机会，社会效益显著。,5.4 结论,谢谢！,
