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基于有机朗肯循环的ORC低温余热发电技术

2017-08-01

伴随国际能源价格持续上涨,及对可再生能源、清洁能源的呼声日益升高,有机工质朗肯循环(Organic Rankine Cycle简称ORC)低温发电技术在国际电力工业市场已经成为一个异军突起的黑马。

典型的蒸汽动力发电系统,其工作循环可以理想化为由两个可逆定压过程和两个可逆绝热过程组成的理想循环 ,包括以下四个热力学过程:

第一步:定压吸热过程,

第二步:绝热膨胀过程,

第三步:定压放热过程,

第四步:绝热加压过程。

该热力循环理论是由19世纪苏格兰工程师W.J.M.Rankine提出,为纪念其取得的成就,蒸汽动力装置的基本循环亦称为为朗肯循环(Rankine Cycle)。有机工质朗肯循环专指以低沸点(蒸发温度38度,正戊烷)氟碳氢化合物为循环工质的热力系统,ORC低温发电技术就是基于这一工作过程的发电系统,也称有机工质朗肯循环发电。ORC低温发电技术,这里低温泛指的温度小于150度但大于90度的热源,其低温热源是工业过程废热、太阳能、海洋温差、地热等清洁能源,技术突破点在于研究更低的热源温度以驱动透平做功发电,以适应更多的工况条件。尽管发电效率低于传统火电,但由于使用的是清洁能源及工业过程中被废弃的低品质余热,因此在国际能源市场发展迅速。

常规的化石燃料发电技术(火力发电),即利用煤炭、重油或天然气等燃料燃烧时产生的热能来加热水,使水变成高温、高压水蒸气,然后再由水蒸气冲转汽轮机驱动发电机来发电。这个系统中的循环工质是除盐水,由于水的物理性质(一个大气压,100度蒸发),因此传统电力工业追求的是更高的温度计压力,以提高发电效率,如:超临界、超超临界等。但是提高发电效率的同时,也带来了环境污染、粉尘、气候变化等负面因素。因此在低温发电领域,ORC与传统的发电技术相比,具备以下几个优势:

 

1)有机工质具有良好的热力学性质,低的沸点及高的蒸气压力使0RC方法比水蒸气朗肯循环具有较高的热效率,对较低温度热源的利用有更高的效率。   

2)有机工质比水蒸气比容小,导致汽轮机(特别是其末级叶片的高度)、排气管道及空冷冷凝器中的管道尺寸较小。   

3)与水蒸气不同,有机工质在膨胀做功过程中,从高压到低压始终保持干燥状态,饱和蒸汽夹液对汽轮机叶片产生的液击。所以,ORC能比水蒸气汽轮机更有效地适应部分负荷运行及大的功率变动,不需要装过热器。 

4)在缺水地区,优先使用空气冷却的冷凝器。ORC电厂使用的窄冷冷凝器要比水蒸气电厂使用的空冷冷凝器的体积小得多,造价也低得多。   

5)有机工质蒸汽声速低于水蒸气,在低叶片速度时,能获得有利的空气动力配合   

7)有机工质凝固点很低(低于一73℃),在较低温度下仍能释放能量。这样在寒冷天气可增加出力,冷凝器也不需要增加防冻设施。

 

低品质余热发电的市场应用领域极为广泛,以下仅列举部分工业生产过程中被废弃的90-150度之间的低品质废热:

  1. 石油化工:碳氢化合物分馏后的冷凝、天然气长输管道燃压机组废热
  2. 电力工业:电站锅炉排烟、
  3. 钢铁工业:转炉、烧结的气化冷却工艺

其他诸如多晶硅窑炉冷却、工业锅炉排烟、工艺过程梯度用能、减温减压等,延伸到地热发电领域领域,研究说明地球陆地5000米以浅部分的地热资源量折合标准煤9950万亿吨,是全球已探明煤炭储量的1.7亿倍,仅就目前技术条件可供开发的蒸汽型地热资源和热水型地热资源,按照全球年能源消耗总量100亿吨标准煤计算,可供使用290年。

综上所述,基于有机朗肯循环的ORC低温发电技术,发展前景广阔,对于优化传统能源结构,提升能源使用效率,减少温室气体排放,降低环境压力,具有积极的促进意义。

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