吴海平
国家能源集团宁夏煤业烯烃二分公司 750011
摘要：余热发电是我国节能发展中的重点节能工程之一，目前在我国工业领域中存在着大量的低温余热资源，但因缺乏一定的利用从而导致能源被分散。而有机朗肯循环在面对低温余热发电系统时，可有效达到能源再利用、节能减排、美化环境的效果。在低温余热发电领域中，目前可利用有机朗肯循环模式进行余热发电系统的运行。其中有机朗肯循环包括膨胀机、冷凝器、低压储液器、工质泵、预热器、蒸发器，以及润滑系统等部分组成。有机朗肯循环原理为：以低沸点有机物作为工作介质，经预热器、蒸发器加热，吸收了热源的能量，由液体变为高温气体。进入膨胀机，在转子基元容积内，气体膨胀对外做功，驱动发电机旋转发电。工质变为低压、低温的气体，再经冷凝器冷凝为液体，通过储液器进入工质泵，经过工质泵加压后，重新回到预热器和蒸发器吸热，如此往复循环。因为是热力系统的原因，所以膨胀机的轴功率输出、冷凝器负荷、预热器蒸发器负荷会因冷热源条件的变化而变化。
关键词：有机朗肯；循环；低温余热；发电；系统
引言：目前随着节能减排工作的不断深入，低温余热资源的利用成为目前节能工作的首选。根据调查显示，我国低温余热资源非常丰富，特别是在化工、工业领域中存在大量的低温余热，可回收率达到80%以上。因此，利用有机朗肯循环发电系统对低温余热进行回收，进而充分回收用能设备与化学反应设备中产生的未被回收的低温余热。有机朗肯循环系统是利用低沸点工质为循环介质，其主要是利用余热、换热器、冷凝器等进行的。在有机工质进换热器时可吸收热量，进而形成一定的压力与温度的饱和液体状态，在蒸发器再次吸收热量变成饱和气态工质推动膨胀机运行，做工后的有机乏气（工质）返回储液器循环利用，可实现回收低温余热的效果。由此可见，有机朗肯循环低温余热发电系统在我国有着较强的应用价值。本文主要分析有机朗肯循环低温余热发电系统的特点，并提出目前利用现状，以供参考。
1、有机朗肯循环低温余热发电系统阐述
1.1有机朗肯循环低温余热发电系统的原理
有机工质朗肯循环低温余热的发电原理是采用有机工质作为热力循环的工质进行的，通过有机工质对低温余热进行吸收从而产生高压蒸汽，在高压蒸汽下可推动膨胀机带动发电机进行发电[1]。相对传统的发电原理而言，有机朗肯循环系统可有效达到对最低余热资源的利用。因此在回收低温余热时可有效拓展了回收渠道，为我国工业、化工等领域提供了一定的技术支持。目前，这些循环系统也可用在再生能源发电中，例如太阳能、太阳物质等。有机朗肯循环低温余热发电系统组成如下图[2]。
.png)
1.2有机朗肯循环低温余热发电系统的特点与优势
有机朗肯循环低温余热发电系统采用了有机工质从而代替了传统的水推动涡轮机，并且在有机朗肯循环低温余热发电系统的原理中可以看出，低沸点的有机工质实现了低温余热的充分利用，提高了余热利用效率，低沸点有机工质在工质泵增压后可在预热器、蒸发器吸收热量转变成蒸汽后产生能量输出，如此循环可达到对低温余热资源的有效回收利用。在大量工业生产过程中产生的低温余热若不能进行有效的回收，不仅浪费了资源也容易造成二次污染的现象。因此在有机朗肯循环系统中应利用有机工质对低温余热进行回收，在回收后其资源能够达到节能减排标准，并且有机朗肯循环系统是一种新型环保的发电技术，在冷凝器与工质泵的组成下可达到低沸点、高蒸汽的运作效率。在有机朗肯循环系统中具有以下几种优势，首先是工作效率高相比传统的水蒸气循环发电技术，其有机朗肯循环系统不需要真空维持技术，并且系统构成相对简单，通流面积也较小。其次，在余热锅炉中不需要设置过热段，可直接以饱和气体的形式进入透平膨胀做工。最后，有机朗肯循环系统可进行远程控制，在单机容量范围内可达到标准化生产工序，从而降低制造成本。在进行整合能源系统发电时，也可实现低品位能源提供高品位能源的效果，并且对污染物的排放进行了二次处理，有效保护了环境也解决了大量低温余热被浪费的情况[3]。
2、目前有机朗肯循环低温余热发电系统利用现状
目前国外对于低温余热的研究相对较早，早在20世纪初就可以利用苯醚为低温余热工质进行有机朗肯循环系统。
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。
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，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。
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。
国内ORC低温余热发电系统发展及问题分析
国内的主要制造单位包括：开山股份，江西华电电力，博尔能源，浙江银轮机械，上海齐耀动力等。
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。2014年后，我国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。
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。
在有机朗肯循环低温余热发电系统中，有机工质作为最主要的核心内容对低温余热的回收有着决定性的作用。例如在工质冷凝压力较高的情况下，为了使有机功介质在低温下进行汽化，就需要采用沸点较低的介质进行处理[4]。
3、有机朗肯循环低温余热发电系统的选择
3.1循环系统热力参数的选择
在有机朗肯循环低温余热发电系统中，应对循环系统热力参数进行确定。在一般情况下得到热源后，其温度与流量条件应符合循环系统热力参数。其主要包含的参数有，有机工质蒸发温度、冷凝温度、换热温差等。这些参数应进行确定与合理的选择，若选择不当则会对循环效率有一定的影响。
3.2有机工质的选择
对于有机朗肯循环低温余热系统中的有机工质，其经常被选用的工质有R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等。这些有机工质在低温余热循环发电系统中需要进行不同类型、不同种类、不同热源的工质处理，并且工质的选择也会影响到发电系统的发电效率。
3.3膨胀机的选择
膨胀机是有机朗肯循环低温余热发电系统中核心设备，它主要是利用蒸汽出口在高温高压下进行蒸汽热能转化，从而为机械做出外做功的设备。膨胀机的主要工作原理：例如螺杆膨胀机是利用作功介质先进入机内螺杆齿槽后推动螺杆转动，随着螺杆转动，在介质降压降温膨胀（或闪蒸）做功后从齿槽内排出，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。其膨胀机在选择时应根据工作性质与有机工质、结构等进行选择，一般可分为速度式与容积式膨胀机。
3.4发电机的选择
在有机朗肯循环低温余热系统中应对发电机进行选择。在选择时应考虑到系统控制等因素。例如异步发电机，其异步发电机对控制要求不高，但在热源不稳定的情况下会产生一定的变化。所以在选择时应考虑到功率、系统、运用范围等因素[5]。
结束语：综上所述，在采用有机朗肯低温余热循环发电系统时，应提高系统工作效率并根据不同的热源特点进行有机工质、膨胀机、发电机的选择。其中也包括对参数的确定、换热器的设计等。同时，也需要对低温余热所具备的条件与需求进行分析，应因地制宜综合利用有机朗肯循环系统，从而达到回收余热的效果。
参考文献：
[1]朱弢,李健,郑洪财. 向心透平有机工质朗肯循环发电设备设计[J]. 自动化仪表,2019,40(2):15-18,22.
[2]闫静文,杨柯峰,侯佳,等. 有机朗肯循环膨胀机的研究进展和应用现状[J]. 热力发电,2019,48(7):10-18.
[3]侯中兰,魏新利,马新灵,等. 循环水流量对ORC余热发电系统性能影响的试验分析[J]. 化工学报,2019,70(9):3283-3290.
[4]苍国超,刘木堂. 水泥窑余热发电的工质及循环系统的性能分析[J]. 电站辅机,2019,40(2):39-43.
[5]谢竞宁. 一种提高有机朗肯循环系统效率的新方法[J]. 自动化技术与应用,2019,38(5):10-16.