有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

王大彪1，段捷2，胡哺松1，沈霄峰1

(1.中國(guó)長(zhǎng)江動(dòng)力集團(tuán)有限公司，湖北武漢430000；

2.中國(guó)航天科技集團(tuán)第六研究院，陜西西安710000)

摘要：為了幫助國(guó)內(nèi)企業(yè)及相關(guān)單位更好地了解有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文通過(guò)統(tǒng)計(jì)國(guó)外主要有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組制造商的產(chǎn)品信息、國(guó)內(nèi)外科研文獻(xiàn)及國(guó)內(nèi)行業(yè)情況，從市場(chǎng)及技術(shù)兩個(gè)角度對(duì)ORC發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了分析，認(rèn)為ORC發(fā)電技術(shù)在歐洲及北美地區(qū)已趨于成熟，市場(chǎng)處于快速發(fā)展階段，裝機(jī)容量最大的領(lǐng)域?yàn)榈責(zé)?，?dòng)力部件以速度型透平為技術(shù)主流。而亞洲市場(chǎng)特別是中國(guó)市場(chǎng)仍處于待開(kāi)發(fā)狀態(tài)。國(guó)內(nèi)研究存在試驗(yàn)研究較少、理論研究偏離工程實(shí)際應(yīng)用、部件優(yōu)化設(shè)計(jì)理論欠缺等問(wèn)題，技術(shù)尚不成熟，部分廠家正開(kāi)發(fā)半工業(yè)化的樣機(jī)，仍有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。

關(guān)鍵詞：有機(jī)朗肯循環(huán)；ORC;節(jié)能；市場(chǎng)；現(xiàn)狀;綜述

中圖分類(lèi)號(hào)：TK123;TM61文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

收稿日期2014-07-26修訂稿日期2014-10-23

作者簡(jiǎn)介：王大彪(1986~)男，碩士，工程師，研究方向?yàn)橛袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)及相關(guān)工業(yè)節(jié)能技術(shù)。

Status of Organic Rankine Cycle Power Generation TechnologyWANG Da-biao1,DUAN Jie2,HU Bu-song3,SHEN Xiao-feng4

(1.China Chang jiang Energy Corporation，Wuhan 430000，China;

2.Sixth Research Institute of China Aerospace Science and Technology Group,Xi’an 710000,China)

Abstract：In order to help domestic enterprises and research institutions to know the State of Organic Rankine Cycle (ORC) power generation technology better, this paper tries to describe the technology Status from both market and technology by collecting major foreign products information, scientific literatures and domestic industry conditions. It is found that ORC generation technology is mature and developing rapidly in Europe and America. The maximum capacity of ORC generation is in geothermal areas. Among all productions, turbine is mainstream rather than expander. Asian markets, especially Chinese market has not been developed yet. Experimental studies are not enough in domestic research. Deviating practical engineering, fewer components designing or optimizing research and other issues are found,and domestic technology is not mature yet. Some manufacturers are developing their semi-industrial prototype,and there are still a number of key technologies need to be conquered.

Key words：organic rankine cycle;generate power;martket;status

0引言

我國(guó)當(dāng)前能源環(huán)境局勢(shì)緊張，北方霧霾污染幾乎常態(tài)化，節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)成為政府重點(diǎn)扶持發(fā)展對(duì)象。有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，下文簡(jiǎn)稱(chēng)ORC)發(fā)電技術(shù)較傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，在低溫余熱動(dòng)力回收領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯[1]，近年來(lái)引起國(guó)內(nèi)學(xué)者極大重視，歐美市場(chǎng)發(fā)展良好，國(guó)內(nèi)眾多廠家躍躍欲試。然而國(guó)內(nèi)存在技術(shù)與市場(chǎng)脫軌的問(wèn)題，即企業(yè)對(duì)科研機(jī)構(gòu)的新技術(shù)研究反映遲鈍，對(duì)新科技的進(jìn)展情況掌握不清；科研單位對(duì)市場(chǎng)需求及工程實(shí)際問(wèn)題不清楚，導(dǎo)致研究?jī)?nèi)容偏離工程實(shí)際較遠(yuǎn)。這一點(diǎn)，筆者在由高校研究人員轉(zhuǎn)變?yōu)楣こ淘O(shè)計(jì)人員的過(guò)程中體會(huì)頗深。基于此，本文從技術(shù)與市場(chǎng)兩個(gè)角度，對(duì)ORC發(fā)電技術(shù)進(jìn)行概括介紹，為國(guó)內(nèi)開(kāi)展此項(xiàng)研制的同行提供參考。

1國(guó)外ORC發(fā)展現(xiàn)狀

歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，對(duì)ORC發(fā)電技術(shù)的研究較早，可追溯到上世紀(jì)60年代[2-4]，當(dāng)時(shí)已有部分試驗(yàn)樣機(jī)，但由于該技術(shù)主要運(yùn)用在余熱回收和新能源領(lǐng)域，受政策及能源市場(chǎng)影響較大，直到近一二十年才得到真正發(fā)展。目前該技術(shù)已經(jīng)成熟，制造ORC發(fā)電系統(tǒng)的公司已達(dá)幾十家。表1給出部分筆者收集的國(guó)外公司ORC機(jī)組的產(chǎn)品信息。

1.1　技術(shù)現(xiàn)狀

1.1.1　機(jī)組分布領(lǐng)域

理論上說(shuō)，ORC發(fā)電機(jī)組可適用于80~400℃任何種類(lèi)的連續(xù)熱源，針對(duì)不同熱源，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也展開(kāi)了相應(yīng)研究工作，如太陽(yáng)能[5-6]、地?zé)崮躘7]、生物質(zhì)能[8]、工業(yè)余熱等。但實(shí)際應(yīng)用中，受限于機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，各種熱源的裝機(jī)容量相差較大，目前ORC發(fā)電技術(shù)只在部分品質(zhì)較優(yōu)的熱源上實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。圖1、圖2[9]給出各種熱源情況下，主要廠家ORC發(fā)電機(jī)組在容量和數(shù)量的裝機(jī)比例，可以看出，ORC發(fā)電機(jī)組在地?zé)犷I(lǐng)域的裝機(jī)容量最大，原因是ORC發(fā)電技術(shù)主要用于300℃以下的低溫?zé)嵩矗嬖诎l(fā)電效率較低的特點(diǎn)，為提高發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，要求機(jī)組裝機(jī)容量較大，故要求熱源容量大，地?zé)崴?水蒸氣溫度低(300℃以下)、比熱高、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)正適合ORC發(fā)電技術(shù)。國(guó)際上，地?zé)酧RC發(fā)電技術(shù)最為先進(jìn)的是美國(guó)ORMAT公司，該公司大多數(shù)項(xiàng)目發(fā)電量均在10 MW以上。地?zé)嵩措m有上述優(yōu)點(diǎn)，但也存在鉆探困難、水中礦物雜質(zhì)難以分離等問(wèn)題，我國(guó)西藏羊八井及那曲地?zé)犭娬?，均因結(jié)垢問(wèn)題嚴(yán)重，未能正常運(yùn)行，最終關(guān)停。其中那曲電站ORC機(jī)組為ORMAT公司的產(chǎn)品。

圖1　不同領(lǐng)域機(jī)組與數(shù)目分布比例

生物質(zhì)能由于熱值較低，雖溫度較高，但單臺(tái)電站裝機(jī)容量較小，并不適合使用體積相對(duì)龐大的水蒸氣發(fā)電系統(tǒng)，ORC發(fā)電機(jī)組整體組裝的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于常建造在偏遠(yuǎn)地區(qū)的生物質(zhì)能電廠而言，在建造和維護(hù)上無(wú)疑有較大優(yōu)勢(shì)。這方面項(xiàng)目最多的是意大利Turboden公司，全球累計(jì)安裝超過(guò)200臺(tái)/套，單機(jī)容量一般在1 MW左右，但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有煙氣余熱及生物質(zhì)ORC發(fā)電項(xiàng)目實(shí)例。裝機(jī)容量較小的工業(yè)余熱電站，特點(diǎn)也與生物質(zhì)能電站類(lèi)似。

太陽(yáng)能由于能量密度較低，且受諸多技術(shù)條件限制，千瓦造價(jià)達(dá)5730歐元[10]，現(xiàn)有項(xiàng)目主要為示范性質(zhì)，離商業(yè)化運(yùn)用還有較遠(yuǎn)距離。

1.1.2　工質(zhì)

在所有的ORC發(fā)電技術(shù)研究中，有機(jī)工質(zhì)優(yōu)選是核心內(nèi)容之一，因?yàn)橛袡C(jī)工質(zhì)的物性對(duì)具體熱源的回收效率起決定性作用，且對(duì)系統(tǒng)部件的設(shè)計(jì)難度有重要影響。如工質(zhì)的冷凝壓力高，會(huì)導(dǎo)致密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度高。工質(zhì)的選用也需考慮環(huán)境友好、安全、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等前提條件，不同文獻(xiàn)推薦使用的工質(zhì)各有不同，如R113[11-13]，R123[14]，R245fa[12,15-19]，R134a[20]等，但并非所有的工質(zhì)都得到大面積推廣使用，目前市場(chǎng)使用較多的工質(zhì)為R245fa，代表廠家有Purecycle，Acess Energy，Exergy等，其次是R134a，代表廠家有Turboden，Tas Energy等。一般來(lái)說(shuō)，R134a用于90℃以下的熱源，而R245fa則是200℃以下。

表1　ORC發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品信息

1.1.3　動(dòng)力部件

動(dòng)力部件是ORC發(fā)電機(jī)組的核心部件，其效率值直接影響機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。動(dòng)力部件可分為速度型和容積型。容積型的動(dòng)力部件主要包括螺桿膨脹機(jī)、渦旋膨脹機(jī)、活塞膨脹機(jī)等。其中渦旋膨脹機(jī)、活塞膨脹機(jī)多用于小型試驗(yàn)系統(tǒng)，一般功率等級(jí)在50 kW以下，螺桿膨脹機(jī)則有較為成熟的工業(yè)應(yīng)用，功率等級(jí)為一般在500 kW以下，代表廠家有GMK和Elctratherm等。功率等級(jí)高于500 kW以上的機(jī)組多采用速度型透平，包括軸流式、徑流式和混流式，代表廠家有Ormat、Turboden、Purecycle、Exergy、Acess energy等，總體上看，速度型透平是國(guó)際技術(shù)主流。

1.1.4　發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是ORC發(fā)電機(jī)組的重要部件之一，而在眾多的研究文獻(xiàn)中，對(duì)發(fā)電機(jī)的研究較少，主要是因?yàn)榘l(fā)電機(jī)作為一種成熟產(chǎn)品，種類(lèi)及功率等級(jí)較為完全，無(wú)需針對(duì)熱源與工質(zhì)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。大多數(shù)ORC發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)品介紹說(shuō)既可以使用同步電機(jī)也可以使用異步電機(jī)，但推薦使用異步電機(jī)，主要考慮因素是系統(tǒng)控制問(wèn)題，相對(duì)同步電機(jī)，異步電機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)速控制要求不高，在熱源波動(dòng)的情況下，允許機(jī)組有較大工況的變化范圍，如Purecycle及Turbden等公司的機(jī)組均能實(shí)現(xiàn)10%~120%變工況運(yùn)行，減少機(jī)組的頻繁起停。ORC發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量一般較小，對(duì)電網(wǎng)的沖擊較小。相對(duì)而言，異步電機(jī)并網(wǎng)更方便。

1.1.5　其他部件

換熱器是ORC發(fā)電系統(tǒng)里體積、重量最大，成本最高的部件，其類(lèi)型的選用對(duì)機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)性影響較大。此外ORC發(fā)電機(jī)組一般采用整體撬裝結(jié)構(gòu)，故換熱器選型時(shí)也會(huì)考慮其結(jié)構(gòu)影響。如表1所示，采用最多的管殼式換熱器，而在功率等級(jí)較小的機(jī)組中也采用板式換熱器。

工質(zhì)泵也為成熟產(chǎn)品，采用立式離心泵的廠家較多，由于需要適應(yīng)變工況要求，工質(zhì)泵一般需采用變頻控制。透平和工質(zhì)泵均存在密封問(wèn)題，立式工質(zhì)泵大多采用的是機(jī)械密封。

1.1.6　機(jī)組效率

ORC發(fā)電技術(shù)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多，如機(jī)組熱效率、熱回收效率、單位質(zhì)量流量熱源輸出功、單位換熱面積輸出功、千瓦發(fā)電量機(jī)組造價(jià)、電站回收期等，這些指標(biāo)從不同的方面，反映機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。大多數(shù)工程技術(shù)人員所熟知的是熱效率和千瓦發(fā)電量機(jī)組造價(jià)這兩個(gè)指標(biāo)，然而對(duì)于ORC發(fā)電技術(shù)而言，僅以熱效率評(píng)價(jià)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性，特別是對(duì)于地?zé)岷凸I(yè)余熱水[21]，存在較大不足。不同熱源的機(jī)組，熱效率沒(méi)有可比性，然而由于易于理解，且與經(jīng)濟(jì)性直接相關(guān)，各廠家仍然以熱效率為重要參考指標(biāo)，各廠家的熱效率如表1所示。作為對(duì)

比，我國(guó)320℃水泥窯蒸汽余熱發(fā)電項(xiàng)目總體效率為20%左右。

1.2　市場(chǎng)現(xiàn)狀

圖2給出歐美市場(chǎng)總裝機(jī)數(shù)目及裝機(jī)容量的增長(zhǎng)趨勢(shì)，可以看出在2005年以后，歐美市場(chǎng)ORC發(fā)電技術(shù)發(fā)展異常迅速。圖3反映了不同廠家的裝機(jī)數(shù)量及裝機(jī)容量的對(duì)比?？梢?jiàn)在裝機(jī)數(shù)量上意大利的Turboden公司最多，而在裝機(jī)容量上卻只有8.6%，原因是Turboden公司的機(jī)組主要集中在生物質(zhì)及工業(yè)余熱領(lǐng)域，裝機(jī)容量較小，平均單機(jī)功率在1 MW左右，而Ormat公司的產(chǎn)品主要集中在地?zé)犷I(lǐng)域，裝機(jī)容量大，其2013年在印尼薩魯拉的一個(gè)地?zé)岚l(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)量高達(dá)330 MW，投資金額達(dá)2.54億美金。

圖2　ORC發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)容量及數(shù)量變化

圖3　不同廠家的裝機(jī)數(shù)量及容量對(duì)比

圖4　主要廠家全球ORC項(xiàng)目分布

圖5　不同國(guó)家ORC發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)數(shù)量

圖6　各數(shù)據(jù)庫(kù)文獻(xiàn)數(shù)量變化圖

圖4分別是Ormat、Turboden及GMK全球范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)分布情況(圖中圓點(diǎn)為項(xiàng)目所在地點(diǎn))，可以看出目前ORC發(fā)電機(jī)組主要分布在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家，而亞洲市場(chǎng)，特別是中國(guó)市場(chǎng)仍處于待開(kāi)發(fā)狀態(tài)。

圖5給出不同國(guó)家的ORC發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)情況，可以看出ORC機(jī)組主要分布在德國(guó)、澳大利亞、意大利和美國(guó)，在前三個(gè)國(guó)家的發(fā)展主要得益于該

國(guó)家對(duì)小型生物質(zhì)能電廠的支持，在美國(guó)的發(fā)展主要是因?yàn)槊绹?guó)國(guó)內(nèi)存在大量一直無(wú)法得到良好利用的低溫地?zé)崮苜Y源。

2國(guó)內(nèi)ORC發(fā)展現(xiàn)狀

2.1　技術(shù)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)近年對(duì)ORC發(fā)電技術(shù)研究投入較多，圖6是以有機(jī)朗肯循環(huán)(Organic Rankin Cycle)為關(guān)鍵詞(key word)分別在CNKI、萬(wàn)方數(shù)據(jù)、SCI、EI數(shù)據(jù)檢索的論文結(jié)果，可以看到論文數(shù)量幾乎成指數(shù)型增長(zhǎng)，反映出ORC技術(shù)是近年的研究熱點(diǎn)。然而與國(guó)外技術(shù)情況不同的是，目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有能推出成熟ORC發(fā)電機(jī)組的公司，從論文研究的內(nèi)容上看，主要包括工質(zhì)優(yōu)選、循環(huán)優(yōu)化、循環(huán)對(duì)比、實(shí)驗(yàn)研究、部件分析等，總體上看，理論研究工作較多，試驗(yàn)較少。表2 給出國(guó)內(nèi)開(kāi)展ORC發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究的單位，此外進(jìn)行ORC實(shí)驗(yàn)研究的還有北京工業(yè)大學(xué)[22]、北京理工[23]等。從已發(fā)表的實(shí)驗(yàn)研究論文來(lái)看，研究的重點(diǎn)主要為系統(tǒng)熱效率測(cè)量，部件運(yùn)行模擬分析，系統(tǒng)或部件最優(yōu)工況測(cè)試等，而對(duì)工程實(shí)際運(yùn)用急需解決的問(wèn)題，如高效率透平研制、高速軸承研制、密封系統(tǒng)研制、動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)研制等內(nèi)容涉及較少，以上問(wèn)題能否妥善解決，關(guān)系著國(guó)內(nèi)ORC發(fā)電技術(shù)最終能否走向工程運(yùn)用，而上述難題的攻克，無(wú)疑需要先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)試手段作為依托。

表2　國(guó)內(nèi)開(kāi)展ORC實(shí)驗(yàn)研究的單位及機(jī)組情況

2.2　市場(chǎng)現(xiàn)狀

由圖可以看出，在2008年到2013年期間，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究論文數(shù)量急劇上升，然而與風(fēng)電及光伏發(fā)電類(lèi)似，國(guó)內(nèi)企業(yè)及市場(chǎng)對(duì)新技術(shù)的反映速度比科研機(jī)構(gòu)會(huì)滯后一步，同時(shí)段企業(yè)參與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基本沒(méi)有，到11年后，國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)對(duì)該技術(shù)表現(xiàn)出濃厚興趣，據(jù)筆者所知，國(guó)內(nèi)有近十家大型企業(yè)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行研究，然而大多均處于起步階段，少數(shù)單位有工業(yè)或半工業(yè)化的試驗(yàn)樣機(jī)，尚未有企業(yè)能推出經(jīng)較長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間驗(yàn)證的成熟機(jī)型，各企業(yè)的試驗(yàn)機(jī)械功率等級(jí)在100~500 kW之間。

由于國(guó)內(nèi)ORC技術(shù)研究仍處于起步階段，市場(chǎng)基本處于待開(kāi)發(fā)狀態(tài)，國(guó)內(nèi)ORC發(fā)電市場(chǎng)能有多大？是個(gè)很難回答的問(wèn)題，因?yàn)檫@不僅與ORC發(fā)電技術(shù)的技術(shù)成熟度有關(guān)，還與機(jī)組經(jīng)濟(jì)性及政府政策導(dǎo)向息息相關(guān)。就ORC發(fā)電技術(shù)本身的潛在裝機(jī)容量而言，國(guó)內(nèi)幾十年的粗獷式發(fā)展，無(wú)疑存在大量可供利用的熱源，以鋼鐵行業(yè)為例，鋼鐵包括焦化、煉鐵、煉鋼等環(huán)節(jié)，廣泛存在未能合理利用的90~250℃的熱水、蒸汽、煙氣余熱[38]，在石化煉油[39]方面，據(jù)估算年產(chǎn)千萬(wàn)噸級(jí)煉廠，每個(gè)廠可供裝機(jī)量為3~4MW。采油領(lǐng)域，特別是稠油開(kāi)采中的高溫產(chǎn)出液、高溫分離水都是ORC發(fā)電技術(shù)的理想熱源[40-41]，不少學(xué)者認(rèn)為玻璃制造[42]，冶金[10]，燃機(jī)尾氣等方面[43]均可使用ORC發(fā)電技術(shù)回收余熱。

3存在的問(wèn)題

3.1　技術(shù)方面

3.1.1　理論分析過(guò)多，實(shí)驗(yàn)研究較少

目前ORC研究文獻(xiàn)中，理論研究占90%以上，實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少。系統(tǒng)理論分析一般在朗肯循環(huán)的熱力學(xué)模型基礎(chǔ)上，需要指定具體參數(shù)值，如換熱窄點(diǎn)溫差、部件效率值，指定值的合理與否對(duì)分析結(jié)果會(huì)造成較大的影響，且實(shí)際機(jī)組中，換熱器的溫差、部件效率值都會(huì)隨工質(zhì)、工況、循環(huán)類(lèi)型的變化而變化，故，簡(jiǎn)單的一維線性分析到一定程度后，有較大的局限性。在實(shí)驗(yàn)研究中，不僅研究的數(shù)量偏少，且研究的問(wèn)題有局限，目前實(shí)驗(yàn)機(jī)組，大多由各種成熟的部件組裝而來(lái)，測(cè)試的參數(shù)分為系統(tǒng)參數(shù)和部件參數(shù)兩部分，系統(tǒng)參數(shù)主要包括系統(tǒng)熱效率、效率、單位熱源流體發(fā)電量等;部件參數(shù)主要有動(dòng)力部件效率和換熱器性能。對(duì)于工程運(yùn)用中的某些關(guān)鍵課題，如高轉(zhuǎn)速軸承損耗測(cè)試，密封系統(tǒng)測(cè)試、控制系統(tǒng)測(cè)試等，研究較少。

3.1.2　理論分析偏離實(shí)際情況較遠(yuǎn)

(1)透平效率問(wèn)題

受限于簡(jiǎn)單一維理論模型限制，理論分析難以全面考慮實(shí)際情況，導(dǎo)致研究成果偏離實(shí)際較遠(yuǎn)。如在循環(huán)優(yōu)化的工作中，不少文獻(xiàn)[44]指出蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)效率越高，進(jìn)而得出近臨界循環(huán)、超臨界循環(huán)效率更高的結(jié)論，該結(jié)論在大型火電機(jī)組中是成立的，但對(duì)于百千瓦級(jí)的小功率ORC機(jī)組而言，則不然。表3給出120℃時(shí)各種工質(zhì)的音速，可以看出有機(jī)工質(zhì)的音速遠(yuǎn)低于水蒸氣，對(duì)于一定功率等級(jí)的ORC發(fā)電機(jī)組，隨著透平的進(jìn)出口壓比增大，即在確定的冷凝壓力下，循環(huán)工況向近臨界和超臨界循環(huán)發(fā)展時(shí)， 透平入口容易出現(xiàn)超音速，設(shè)計(jì)透平的難度增大，要同時(shí)保證透平高壓比和高效率幾乎是不可能的，即使設(shè)計(jì)上完成，也只不過(guò)將難度轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)與制造中，工程實(shí)際中難以實(shí)現(xiàn)，文獻(xiàn)[25]也在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)透平的最佳工況與系統(tǒng)的最優(yōu)工況不重合，即最優(yōu)工況不會(huì)隨著蒸發(fā)溫度持續(xù)上升。這種問(wèn)題是對(duì)透平工況變化考慮不全引起的，也是理論分析中，指定部件參數(shù)值方法的缺陷所在。對(duì)于大功率等級(jí)的機(jī)組，壓比對(duì)透平效率的限制將減少。反之只強(qiáng)調(diào)透平效率，而不綜合考慮系統(tǒng)效率也是不可取的。

表3　不同工質(zhì)的當(dāng)?shù)芈曀?/p>

(2)泵效率問(wèn)題

在小功率的ORC發(fā)電系統(tǒng)中，工質(zhì)泵存在低流量、高揚(yáng)程、低比轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行效率一般在0.6以下，理論分析中，常有文獻(xiàn)將泵的效率取為0.8[45]，甚至更高。過(guò)高預(yù)計(jì)泵效率會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果有偏差。在ORC系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)中，泵的氣蝕余量是經(jīng)常被忽略的一個(gè)參數(shù)，忽略該參數(shù)也將導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定，試驗(yàn)中也會(huì)常碰到泵氣蝕的問(wèn)題。

(3)冷源問(wèn)題

循環(huán)優(yōu)化為是調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，使得系統(tǒng)某個(gè)或幾個(gè)目標(biāo)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，優(yōu)化的目的是使得系統(tǒng)總體最優(yōu)，而不是局部或者內(nèi)循環(huán)最優(yōu)[46]。系統(tǒng)優(yōu)化需要考慮冷源功耗的問(wèn)題，蒸發(fā)溫度不是越高越好，冷凝溫度也不是越低越好，而多數(shù)的循環(huán)優(yōu)化論文[47]沒(méi)有將冷凝溫度及循環(huán)冷卻水功耗考慮在內(nèi)，造成優(yōu)化結(jié)果與工程實(shí)際偏離較遠(yuǎn)。

(4)多級(jí)抽氣回?zé)?、再熱?wèn)題

圖7　水與R245fa朗肯循環(huán)T-H對(duì)比圖

有些學(xué)者[48-51]提出ORC發(fā)電機(jī)組使用再熱循環(huán)的問(wèn)題，在火電機(jī)組中，抽氣回?zé)?、再熱循環(huán)技術(shù)可行，且已大規(guī)模推廣使用，然而若將這一經(jīng)驗(yàn)套用到ORC發(fā)電系統(tǒng)，則不妥，圖7為以R245fa和水為工質(zhì)的朗肯循環(huán)T-H對(duì)比圖，可以看出水的比焓降要遠(yuǎn)大于有機(jī)工質(zhì)。在高溫高壓的汽輪機(jī)組里，由于水蒸氣的比焓降大，汽輪機(jī)需用多級(jí)才能完成膨脹過(guò)程，筆者所在單位設(shè)計(jì)的汽輪機(jī)一般單級(jí)焓降在30~100 kJ/kg之間，汽輪機(jī)級(jí)數(shù)在15到30級(jí)之間，因?yàn)榧?jí)數(shù)較多，所以在汽輪機(jī)中間進(jìn)行抽氣再熱技術(shù)可行，提高循環(huán)效率的同時(shí)，也可預(yù)防汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度過(guò)大，液擊葉片。而對(duì)于ORC發(fā)電機(jī)組而言，有機(jī)工質(zhì)比焓降較低，以R245fa為例，一般取值小于40 kJ/kg，這樣的焓降一級(jí)透平足矣，至多不過(guò)三級(jí)，所以在透平中抽氣再熱基本是不可能的，在市場(chǎng)現(xiàn)有機(jī)組中也沒(méi)有抽氣再熱機(jī)組。且所選有機(jī)工質(zhì)多數(shù)為干性工質(zhì)，透平末級(jí)不存在液擊的可能，也減少了再熱工質(zhì)的必要性，所以筆者認(rèn)為抽氣再熱機(jī)組在實(shí)際工程中并不可行。

3.1.3　部件研究較少

目前的實(shí)驗(yàn)研究中，所使用部件大多數(shù)是采用已有產(chǎn)品改裝，如動(dòng)力部件上大多由壓縮機(jī)改裝而來(lái)，較少有針對(duì)某特定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的透平，而這是研制出高效率ORC發(fā)電機(jī)組的必備環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)的有機(jī)工質(zhì)泵效率較低，相應(yīng)提高效率的研究較少。針對(duì)性的控制系統(tǒng)、密封系統(tǒng)、高轉(zhuǎn)速軸承的研究也較少。

3.2　市場(chǎng)問(wèn)題

我國(guó)存在龐大的低溫余熱市場(chǎng)，這基本是各界的共識(shí)，而對(duì)于余熱的定義和統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，使得各種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出入較大，也就難以準(zhǔn)確估計(jì)出ORC發(fā)電技術(shù)的潛在裝機(jī)量。由于ORC發(fā)電機(jī)組所適用的能源對(duì)象品質(zhì)較低，這也決定了ORC發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品效率相對(duì)較低。ORC發(fā)電機(jī)組在歐美市場(chǎng)發(fā)展迅速的重要原因之一是政府對(duì)該技術(shù)的補(bǔ)貼，可以預(yù)見(jiàn)我國(guó)ORC技術(shù)的發(fā)展必然與國(guó)家節(jié)能與環(huán)保相關(guān)政策有關(guān)，所以市場(chǎng)總潛在裝機(jī)量及發(fā)展速度，存在一定不確定性。

4結(jié)論

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電技術(shù)是近年國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)研究技術(shù)，本文通過(guò)技術(shù)和市場(chǎng)兩個(gè)方面對(duì)該技術(shù)進(jìn)行回顧和總結(jié)，得出如下結(jié)論：

(1)ORC發(fā)電技術(shù)在歐美地區(qū)已成熟，有大量運(yùn)用實(shí)例，運(yùn)用領(lǐng)域包括工業(yè)余熱及新能源，裝機(jī)容量最大的領(lǐng)域?yàn)榈責(zé)?。?dòng)力部件上，速度型透平為技術(shù)主流。

(2)市場(chǎng)方面，歐美市場(chǎng)處于高速發(fā)展的階段，亞洲市場(chǎng)特別是中國(guó)市場(chǎng)仍處于待開(kāi)發(fā)狀態(tài)。

(3)國(guó)內(nèi)對(duì)于ORC發(fā)電技術(shù)的研究較多，然而目前仍存在實(shí)驗(yàn)研究較少、理論研究偏離工程實(shí)際較多、部件優(yōu)化設(shè)計(jì)較少等問(wèn)題，ORC發(fā)電機(jī)組工程化應(yīng)用仍有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)需要攻克。

(4)ORC發(fā)電技術(shù)國(guó)內(nèi)潛在市場(chǎng)大，總量難以準(zhǔn)確預(yù)估。

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