科技成果——有机朗肯循环低温余热发电系统
低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术
低沸点工质的有机朗肯循环纯低温余热发电技术引言我国水泥厂的余热发电，先后经历高温余热发电、带补燃炉的中低温余热发电和纯低温余热发电3个阶段。
纯低温余热发电与带补燃的中低温余热发电相比，具有投资省、生产过程中不增加粉尘、废渣、N 0。
和S0。
等废弃物排放的优点。
本文介绍以色列奥玛特(0RMAT)公司利用低温热源的有机朗肯循环(0 rganic RankineCyck，简称()RC)纯低温余热发电技术。
该技术有别于常规技术，其特点是：不是用水作为工质，而是使用低沸点的有机物作为工质来吸收废气余热，汽化，进入汽轮机膨胀做功。
1.低沸点的有机物在一个大气压下，水的沸点足100℃，而一些有机物的沸点却低于水的沸点，见表l。
有机物的沸点与压力之间存在着对应关系，以氯乙烷为例，见表2。
水的沸点与压力之间对应关系见表3。
由表2和表3町见，氯乙烷的沸点比水低，蒸气压力很高。
根据低沸点有机工质的这种特点，就可以利用低温热源来加热低沸点工质，使它产生具有较高压力的蒸气来推动汽轮机做功。
2 ORC纯低温余热发电在地热发电方面的应用0RC纯低温余热发电技术在我国地热发电方面已得到初步应用，我国目前已经勘测发现的地热田均属热水型热储。
热水型资源发电采用的热力系统主要有两种，即扩容(闪蒸)系统和双工质循环系统。
西藏羊八井地热电站，热水温度145℃，采用二次扩容热力系统，汽轮机(青岛汽轮机厂设计制造D3一1．’7／0．5型地热汽轮机发电机组)单机容量3000W，3 000W／min，一次进汽压力182kPa，温度115℃，二次进汽压力54kPa，温度81℃，额定排汽压力为10kPa。
双工质循环系统中，地热水流经热交换器，把地热能传递给另一种低沸点丁质，使之蒸发产生蒸气，组成低沸点工质朗肯循环发电。
双工质循环机组，其热效率高，结构紧凑。
我国的小型双工质循环系统地热电站——辽宁营口熊岳试验电站的装机容量2×J00KW，利用地热水(水温75℃)发电，于1977年1 1月投入运行。
有机工质朗肯循环余热发电技术
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。
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螺杆膨胀机的应用
●螺杆膨胀机的输出功率可以在5kW～1000kW之间，弥补了蒸 汽轮机单机功率不能太小的空间。
●对于有压力的余热流体，可直接利用螺杆膨胀机 ●对于<250℃的无压力的余热流体，利用有机工质朗肯循环螺杆
膨胀机系统。 ●有机工质朗肯循环螺杆膨胀机系统。还可以用到太阳能、地热
能等中低温可再生能源发电项目中去。 有机工质循环螺杆膨胀机系统用于低温余热回收利用，有广阔
的技术发展空间。
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螺杆膨胀机作为余热回收动力机，具有的技术特点
第四届全国余热回收再利用技术与产业发展研讨会
有机工质朗肯2.24 深圳
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▪技术应用背景介绍 ▪有机工质朗肯循环余热发电原理 ▪ 螺杆膨胀机简介及技术特点 ▪ 研究状况 ▪有机工质朗肯循环余热发电系统 ▪经济效益和环境效益 ▪总结
（1）螺杆膨胀机适用于过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相流 体、（带压）热水及无压热流体的动力机械，可以回收 不同种类的工业余热；
（2）螺杆膨胀机还适用于高盐份的强碱流体，能除垢自洁 ，而且结垢有利于提高机器效率，因而对余热流体品质 要求不高，扩大了应用范围；
有机朗肯循环低温余热发电系统综述
有机朗肯循环低温余热发电系统综述作者：赵俊林秦虹来源：《现代商贸工业》2020年第09期摘要：当下我国能源形势日趋严峻。
我国有大量低温余热资源没有得到有效利用，包括太阳能、地热能、工业余热等低温余热资源。
以工业余热为例，我国工业能耗的50%左右没有得到利用，而是通过各种形式的余热直接排放。
导致严重的能源和环境问题。
在低温余热的研究中，学者发现，余热发电不仅可以实现余热资源的循环利用，而且有利于环境保护。
现有的回收技术对低温余热资源回收率较低。
因此，提出了有机朗肯循环低温余热发电（ORC）技术，以实现低温余热的有效利用，并提高能源利用率，改善环境问题，具有显著的社会效益和经济效益。
介绍了有机朗肯循环发电的原理，有机工质、膨胀机、工质泵和换热器的优选，以及ORC余热发电技术的发展前景。
关键词：有机朗肯循环;低温余热回收;利用率;膨胀机的优选中图分类号：TB ; ; 文献标识码：A ; ; ;doi：10.19311/ki.1672-3198.2020.09.0950 引言我国低温余热资源丰富，其中工业余热资源可回收率高达60%，尤其是在钢铁、化工、石油与石化等行业。
目前，我国余热资源回收利用率较低，大型钢铁企业余热利用率最高仅为50%，提高余热利用率的潜力较大。
1 有机朗肯循环发电系统简介有机朗肯循环发电系统（Organic Rankine Cycle，简称ORC）主要由换热器、膨胀机、发电机和工质泵四部分组成。
有机工质从蒸发器的余热中吸收热量，产生具有一定压力和溫度的蒸气。
推动膨胀机运转，推动发电机发电。
膨胀机排出的废气将热量释放到冷凝器的冷却水中，冷凝成液态，最后在工质泵的帮助下返回换热器，完成一个热力循环，从而实现对低温余热的回收利用。
图1所示为ORC低温余热发电系统示意图。
1.1 低温余热资源简介低温余热资源是指企业在生产过程中产生的热量没有得到有效利用。
它具有分散性强、形式多样、产业分布不均、资源质量差异大等特点。
低温余热发电有机朗肯循环技术(王华,王辉涛著)PPT模板
2.4有机工质余 热锅炉的一般热
力特性
2.5低温余热发 电有机朗肯循环 系统的冷端形式
2.6低温余热发 电有机朗肯循环
*分析
A
B
C
D
E
F
第2章低温余热发电有机朗肯循环原理及一般特性
2.1低温余热的特性
2.1.1余热介质物性 参数的计算方法
2.1.2余热所具有的 能量
2.1.3低温余热烟气 的腐蚀性
3.3.3混合工质 气液相平衡的计 算
第3章有机朗肯循环 工质的选择及物性
3.4工质迁移性质的计算方 法
1
3.4.1动力黏度的计算
2
3.4.2导热系数的计算
0
5
第4章有机工质管内流动沸腾换热
第4章有机 工质管内流 动沸腾换热
4.1管内流动加热的换热过程 4.2有机工质管内对流换热 4.3有机工质管内流动沸腾换热的实验研 究
第2章低温余热发电有机朗肯循环原理及一般特性
2.2低温余热发电有机朗肯循环的原理与组成
01
2.2.1有机朗肯循环的原理与组 成
02
2.2.2纯工质有机朗肯循环的类 型
0 3 2.2.3低沸点混合工质有机朗肯循环
第2章低温余热发电有机 朗肯循环原理及一般特
性
2.3有机朗肯循环中余热锅炉的类 型与特点
第3章有机朗肯循环工质的选择及物性
3.2纯工质热力性质计算方法
3.2.1PR状态 方程
3.2.2纯工质导 出参数的热力学
关系式
3.2.3PR状态方 程求解及气液相
平衡计算
第3章有机朗肯循环工质的选择及物性
3.3混合工质热力性质计算方法
01
3.3.1混合工质 PR状态方程及 混合规则
ORC低温余热发电技术
ORC低温余热发电技术基于有机朗肯循环的ORC低温余热发电技术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。
有机朗肯循环中低温余热发电技术.43页PPT
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26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
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27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
有机朗肯循环中低温余热发电技术.
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因ຫໍສະໝຸດ 它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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ORC低温余热发电技术专题汇报
国务院节能减排“十二五”规划，钢铁、水泥、玻璃、合成氨、烧碱、电石、 硫酸七个工业行业到“十二五”末，到2015年新增余热余压发电能力2000万 千瓦，“十二五”时期形成5700万吨标准煤的节能能力。
三、华航盛世ORC技术
四、ORC低温发电技术的应用
五、华航盛世服务承诺
服务内容
根据客户需求，华航盛世可提供： 工艺节能性分析 余热回收利用综合解决方案 ORC低温余热发电装置 系统设计、设备采购、工程实施等 项目总包
节能减排意义
利国利民 低碳生活 互利多赢 新能源、新思维、展现新价值
总余热28.02×105Kcal/h。经分析，可形成冷热电梯级利用的综合解 决方案。
化工热水余热综合利用解决方案
方案优点
余热梯级利用，能源利用率可达98%：高品位 热用于发电，中品位热用于制冷，低品位热用 于供暖/工艺预热； 系统控制较灵活，发电系统、制冷系统、供热 系统之间热负荷可调节；
节能分析（一般性）
一套250KW ORC系统的发电收益 名称 数值 单位
运行小时数
净发电量 电价 年发电收益 初投资 回报期 节约标准煤 减少CO2 排放量
8000
250 0.68 136 400 2.94 800 2000
小时
KW 元/KWH 万元 万元 年 吨/年 吨/年
一、国家相关政策及低温发电系统研发背景
各系统可根据资源情况以及用户情况灵活搭配。
可降低冷却能耗。
高耗能设备的余热发电
多数高耗能设备均伴随着大量余热的放散，有些 可用于ORC发电： 各种锅炉、炉窑（排烟） 燃气轮机（排气） 大型压缩机
水泥厂有机郎肯循环低温余热发电系统原理解析
水泥厂有机郎肯循环低温余热发电系统原理解析作者：张凯来源：《硅谷》2013年第12期摘要本文对有机朗肯低温余热发电系统的基本原理进行了分析和研究，重点对其组成结构和工质进行了解析。
关键词有机朗肯循环；低温余热；工质中图分类号：TQl72 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）12-0061-02利用水泥生产过程中的废气余热建设纯低温的余热发电装置，对于节能降耗、改善环境至关重要。
本文对水泥厂有机郎肯循环低温余热发电系统的原理进行分析。
1 有机朗肯循环流程图1所示为有机朗肯的发电系统流程图，由蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质加压泵、循环水泵、冷却塔组成。
余热通过添加工质利用其沸点低的物理性质，经过蒸发、预热等流程流入膨胀机，经过膨胀机作用，使热能转换为机械能，机械能通过发电机转换为电能，达到发电目的。
经膨胀做工后含有工质的余热流会变为低温低压的气体，再经过冷凝器，通过遇冷、冷凝等阶段凝成工质液体，整个冷却循环采用循环水冷却法，水流经冷却塔循环冷却，从而完成整个循环。
3.2 有机朗肯工质的优势特点有机朗肯循环低温余热发电系统是采用有机工质作为能量的载体。
就以往的经验和相关理论来看，工质的特性会直接主导发电系统的结构以及能源的利用效率，有机工质有着比传统工质高的能源利用效率，所以国内外有关专家学者都在进行有机工质对于系统影响的相关研究。
通过理论和实验研究证明R123 比水具有更好的性能，有机朗肯循环在低温余热条件下下回收中低品位热能时具有更高的效率，这是因为ORC在回收显热效率较高，而在ORC循环中显热/潜热值比较大，因此采用ORC技术能够回收比较多的热量。
在各自最佳的压力情况下，水在中低温区域内输出功率比其他有机工质低得多。
如图3（a）所示，水为湿流体，饱和蒸汽压曲线的切线斜率值为负，不利于在中低温下做功。
在图3（a）中，理想做功过程（3-4s）与实际做功过程（3-4）对比可以看出工质为水时，膨胀过程趋向湿蒸汽区域，若余热温度不足以达到状态点3的温度，状态点4将会处于湿蒸汽区内，因为其做功曲线会与干湿蒸汽分界线相交。
有机朗肯循环低温余热发电技术在QHD32-6FPSO上的应用
有机朗肯循环低温余热发电技术在QHD32-6FPSO上的应用作者：刘冬青李洪强来源：《机电信息》2020年第17期摘要：余热是在一定的经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。
海洋石油平台在生产过程中，主电站作为海洋平台的电力供给设备，在运行过程中产生大量的高温废气余热，往往这部分热量被浪费，同时对环境造成了污染。
为了达到节能减排和降本增效的目的，QHD32-6世纪号FPSO计划利用有机朗肯循环低温余热发电技术，实现废热资源的充分利用，减少主机原油消耗量，以供FPSO生活楼等使用。
但经过综合分析，在海上增加有机朗肯低温发电系统，经济效益较差，且影响船体稳定性，可操作难度较大。
关键词：低温余热;有机朗肯循环发电;节能减排0 引言秦皇岛32-6世纪号油田浮式生产储油船（FPSO）位于渤海海域，目前世纪号上的热介质系统有3台热介质锅炉和1台透平废热回收装置同时运行，热负荷基本无富裕热量。
主发电系统中有5台7 300 kW原油发电机组和1台6 500 kW燃气透平，其中原油机组负荷目前在50%左右，本次设计考虑在现有基础上适当增加余量，推荐按照原油机组的65%负荷考虑。
为了达到节能减排和降本增效的目的，QHD32-6世纪号计划回收和利用主机产生的高温烟气（平均烟气温度为330 ℃），实现废热资源的充分利用，减少主机原油消耗量，利用有机朗肯循环低温余热发电技术，主机烟气废热实现转换发电，以供FPSO生活楼等使用。
1 有机朗肯循环低温余热发电技术系统设计有机朗肯循环发电，即在传统朗肯循环中，由有机工质代替水推动涡轮机组做功。
本项目有机朗肯循环发电系统示意图如图1所示。
低压液态有机工质经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收烟气热量转变为高温高压蒸汽之后，高温高压有机工质蒸汽推动涡轮机做功，产生能量输出，涡轮机出口的低压蒸汽进入冷凝器，向低温热源放热并冷凝为液态，如此往复循环，不断由余热转化为电能。
有机朗肯循环低温余热发电系统的分析与优化
有机朗肯循环低温余热发电系统的分析与优化马新灵，魏新利，孟祥睿（郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001）摘要：应用热力学第一定律和第二定律对有机朗肯循环低温余热发电系统进行了热力计算、能量分析和火用分析。
为了提高系统的性能，以R245fa为工质，针对120℃左右的热源，在给定工况下用Aspen Plus软件对系统流程进行模拟和优化。
研究结果表明：降低膨胀机入口工质的过热度，提高膨胀机入口工质的压力，改进设备在膨胀机后加装回热器都能提高系统的热效率和火用效率，同时降低系统的不可逆性。
关键词：有机朗肯循环；余热回收；分析；优化Analysis and Optimization of ORC for Low-temperature Waste Heat Power Generation Abstract:This paper presents energy analysis, thermodynamic calculation and exergy analysis for waste heat power generation system of Organic Rankine Cycle based on the first and second laws of thermodynamics. In order to improve system performance, for low-temperature waste heat of 120℃and R245fa organic working fluid, using Aspen Plus software conducted simulation, optimization and improvement. Results from these analyses show that decreasing the expander inlet temperature, increasing inlet pressure of the expander, and adding regenerative heater can increase thermal and exergy efficiencies , at the same time reduce system irreversibility. Key words: Organic Rankine Cycle, waste heat recovery ,Analysis, Optimization1.引言大量工业过程产生的低温余热资源不能被有效地回收利用，不仅浪费了能源，还使得热污染成为了严重的环境问题。
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科技成果——有机朗肯循环低温余热发电系统成果简介
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%，提高用能效率的有效方式之一，便是对这部分余热资源进行有效的回收利用。
本项技术是采用有机工质朗肯循环推动膨胀动力机的低温余热发电的技术系统，适用于冶金、建材、化工等有大量低温余热的产业领域，还可以作为可再生能源的发电系统，推广到可再生能源产业领域。
技术原理
本系统的创新点在于将低沸点有机工质用于热力循环中的热交换过程，有效实现低温余热换热；还在于利用膨胀动力机将有机工质产生的高压蒸汽转化为发电机驱动力，从而实现低温余热资源发电，膨胀动力机还可以拖动风机，水泵等设备。
本系统突破了现有低温循环发电系统对于余热温度的最低要求，可用温度最低降至80℃（低于80℃系统经济性会降低），实现了低温余热资源的最大化利用。
本系统主要包括蒸发器、冷凝器、工质泵、有机工质余热锅炉、膨胀动力机和发电机等设备。
在核心设备的选用方面，膨胀动力机可选择螺杆膨胀机、涡轮机等设备。
其中螺杆膨胀机投资少、运行费用低、寿命长、安全可靠、易于
维修，并且具有操作简单、不暖机、不盘车、不发生喘振、对介质品质要求不高、可无人值守全自动工作的特点，尤其适宜结合低沸点有机工质应用于低于350℃的低温、低压余热回收利用；而采用涡轮机占地小，效率高，造价低，特别适用于余热量较大的场合，常被国外同类系统所选用。
低温有机工质可选择R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等工作介质，对于不同类型、不同温度的热源应当选取不同的工质，并且工质的优选也会影响到系统的运行效率。
技术水平国际先进
应用前景
目前余热利用技术受到各方面重视，我国余热资源多，用户需求量大，应用前景广阔。
采用低沸点有机工质作为热力循环的工质与低温余热换热，通过产生高压蒸汽推动螺杆膨胀机、汽轮机或其他膨胀动力机带动发电机发电，把大量废弃的余热转变为电力，节约了企业的电能消耗，提高了能源利用率，收到可观经济效益与环境效益。
适用范围
本项技术特别适用于冶金、建材、化工等具有大量低温余热的产业领域，还可以作为可再生能源的发电系统，应用于再生能源产业领域。