6-1 低温发电：关于有机朗肯循环发电_ORC发电_技术介绍-2

科普文| ORC技术简介——张雄波| 节能减排，节能增效，节能环保

ORC技术简介 ( 科普 )

ZhangXB 2017 一、有机朗肯循环概念

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)利用有机工质低沸点的特性。在低温条件下有机工质被加热即发生蒸发，工质汽化后获得较高的蒸气压力，推动膨胀机做功，从而将低品位热能转换为高品位的机械能和电能。

因此，有机朗肯循环发电技术，是一项将工业生产过程中产生的中低品位余热加以回收利用，转化为高品位电能的节能减排技术。

二、发电机组技术原理

ORC发电机组由有机工质、蒸发器、透平膨胀——发电一体机、冷凝器、工质泵、发电控制系统和并网系统等几部分组成。ORC机组详细原理如下： （1）高温流体吸收工业余热后，进入蒸发器加热有机工质，有机工质在蒸发器中被加热为高压蒸气（状态点1）；

（2）高压蒸气进入透平膨胀做功，成为低压蒸汽（状态点2），带动发电机产生电能；

（3）膨胀后的低压蒸气进入冷凝器，被冷却为低温低压工质流体（状态点3）；

（4）工质流体通过增压泵升压后（状态点4）再次进入蒸发器，经加热达到饱和液态、饱和气态、过热气态（状态点1），从而完成整个循环。

图1 有机朗肯循环ORC发电机组原理图

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有机朗肯循环发电机组工作的关键过程是：中低温余热加热有机工质成为蒸汽→有机工质蒸汽驱动涡轮透平做功→发电机向外输出高品质电能。因此，涡轮透平---发机一体机是ORC发电机组的核心设备。

其中透平最主要的部件是叶轮，具有沿圆周均

匀排列的叶片，被安装在透平轴上。

流体所具有的能量在流动中经过喷管时转换成

动能，流过转子时流体冲击叶片，推动转子转动，

从而驱动透平轴旋转。透平轴经齿轮传动带动发电

机工作，输出电能。 图2 涡轮透平结构图整机发电机组图示如下所示：

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, Optimization 1.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。用有机朗肯循环可以很好地解决这一问题，它可以用有机工质将低温余热回收后进行发电。 有机朗肯循环的基本原理与常规的朗肯循环类似。两者最大的区别是有机朗肯循环的工质是低沸点、高蒸汽压的有机工质，而不是水。有机朗肯循环系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，如图1所示。工质在蒸发器中从低温热源中吸收热量产生有机蒸气，进而推动膨胀机旋转，带动发电机发电，在膨胀机做完功的乏气进入冷凝器中重新冷却为液体，由工质泵打入蒸发器，完成一个循环。 主要可以用于有机朗肯循环发电的热源有工 业废热、地热能、太阳热能、生物质能等。有机朗肯循环主要的优势在于它能很好地回收低温到中温废热。一些典型的工业废热源包括：钢铁工业的高炉热温气体，燃气轮机的排气和柴油发动机的尾气，陶瓷工业窑炉排出的高温气体，造纸和纸浆工业的高温液体。这些低品位的工业废热占整个工业生产热量的50%以上[1,2]。 图1 有机朗肯循环余热发电系统原理图 Figure 1. A simple schematic of a Organic Rankine Cycle 2.热力过程和分析 本研究利用的热源是120℃左右的工业废热，根据前人的研究[3~7]使用R245fa（五氟丙烷， CF3CH2CHF2）这种干性有机物质做工质。热力学模型的假定如下：1）稳定状态条件，2）蒸发器、冷凝器以及管道中没有压降，3）膨胀机和泵中按等熵效率。 有机朗肯循环的温熵图如图2所示的 1-2-3-4-5-6-1，由四个热力过程组成，各部件的热力过程及能量分析如下（以单位质量工质为基准）：

有机朗肯循环综述_伍淼

? 5 ? 有机朗肯循环综述 贵州大学 伍 淼 陈湘萍 【摘要】因能源问题与环境问题日益突出，能源与生产之间的矛盾加剧，已经制约了生产力的发展。为解决这一矛盾，有机朗肯循环 （Organic Rankine Cycle, ORC）技术越来越受到人们的重视，学者从各个方面对有机朗肯循环进行了大量的研究。文中简介了ORC系统的主要组成，工质的优选，膨胀机、工质泵、冷凝器的研究进展。【关键词】ORC系统简介；部件优选；工质；膨胀机 0 引言 随着社会的发展，人类对能源的依赖日益严重，煤、石油、天然气等不可再生能源的储备有限。我国也是能源消耗大国，为了达到节能减排减少环境污染和提高能源的利用率，加强对这些能源二次利用，多使用新型能源如（地热，太阳能，潮汐能等）来替代这些传统能源。在此背景下，有机朗肯循环技术回收中低品位能源越来越得到人们的关注。有机朗肯循环主要由膨胀机、冷凝管、工质泵、蒸发器、发电机等组成。首先液态的有机工质进入蒸发器，在蒸发器中进行热交换，工质由液态变为气态，再在膨胀机中膨胀做功带动发动机发电，膨胀做功后的乏气运送到冷凝管中进行冷却，使其由气态变为液态，由工质泵加压再次运输到蒸发器中，这样完 成一个循环，从而实现对余热的回收。基本的ORC 系统如图1。 图1 有机朗肯循环系统图 1 有机工质的优选研究 作为ORC 系统的能量载体，有机工质的选择是否与热源相匹配，和运行时的工况等都可能对系统的热回收的效率造成重大影响。有机工质的选择[1]应考虑如下因素：工质应尽量选择是无毒，不易燃，不易爆，其化学性质要稳定，在高温环境下不易分解，而且工质要求具有一定环保性，对大气臭氧层无破坏。在T-s 图中的饱和蒸汽线上，ds/dT 应接近零或大于零（等熵流体或干流体）湿流体不适合做工质，因为在不过热或者过热度很小的情况下，湿流体在膨胀做功后容易进入汽液两相去，产生冷凝液滴，等熵流体最适合作为ORC 工质。如图2。1.1 纯工质的研究 对单一工质的研究，国内外学者对工质的物性和不同热源环境下工质的选取做了大量研究。刘健等[2]以R123，R245fa 做为工 质，基于蒸发参数法进行优选，发现工质R123的热循环效率高于工质R245fa 。戴晓业等[3]对工质的热稳定性进行研究，总结归纳出了ORC 工质热稳定性在试验和理论两方面的研究成果。刘伟等[4]对余热资源的能级及其与ORC 工质的匹配进行了研究，用势分析法更能反映资源与工质的匹配特性，可作为选择工质的一种参考。李惟毅等[5]采用一种结合经济性和火用效率的综合评价指标对有机朗肯循环工质进行多目标优化。陈奇成等[6]针对573.15K 和523.15K 这两种中温热源的有机朗肯循环，选取八种有机工质分析，寻找系统最大的输出功率和最佳的运行参数。 图2 工质T-S图 1.2 混合工质的研究 ORC 系统除了使用单一的纯工质以外，还可以使用混合工质，在某一条件下混合工质相比纯工质有更优的系统性能，系统效率更高。王羽平等[7]把工质R601a/R600a 分别按照0.8/0.2,0.6/0.4,0.4/0.6的比例进行混合，获得了相应部件运行参数与系统的性能。倪渊等[8]研究了把R245fa 、R601a 以不同质量配比进行混合作为亚临界ORC 工质，利用热力学和经济学分析其性能。以地热能的深度利用[9]作为目标，采用窄点分析法，使用不同质量配比的二元非共沸的12种混合物做为亚临界ORC 工质，分析其系统性能。杨新乐等[10]以二元非共沸混合物R245fa 、R152a 为工质，分析比较不同热源温度下，在有/无分流闪蒸的两个系统中，工质配比对系统热性能的影响。 2 膨胀机 膨胀机是有机朗肯循环的核心部件，直接影响到性能和效率。膨胀机分为两种，速度型和容积型。速度型膨胀机根据工质在工作轮中的流向又可分为径流式，径-轴流式，轴流式。容积式膨胀机包括螺杆膨胀机，涡轮膨胀机，转子膨胀机，活塞膨胀机等。由于速度型膨胀机的结构特点，当功率越低时，它的转速会越高，每分钟甚至会达到十几万转，这一特性迫使速度型膨胀机不适合小型的ORC 系统，通常用于大型的有机朗肯循环系统。容积式膨胀机是通过改变容积从而得到膨胀比和焓降，适用于一些流量较小和大膨胀 基金项目资助：贵州省自然科学基金（中低品位热源梯级能源利用关键技术研究，黔科合J字【2015】2034号）。 DOI:10.19353/https://www.wendangku.net/doc/c516583019.html,ki.dzsj.2017.17.001

烟气余热有机朗肯循环发电系统介绍

烟气余热有机朗肯循环发电系统介绍 烟气余热有机朗肯循环发电系统中期完成了对有机朗肯循环（ORC）系统的整体设计，ORC系统有机工质的选择及模拟计算、高效蒸发器和冷凝器的设计和模拟计算以及高效一次表面换热器冷凝器的模具加工。 1、有机朗肯循环（ORC）系统的整体设计 本方案针对工业烟气的余热回收进行研究。目前国内对烟气余热回收的方式有热热回收和热电回收。由于热热回收后的中低温热能不易储存，经常被丢弃，本方案采用余热发电技术对工业烟气进行热电回收。 有些工业烟气余热温度较低（小于250℃），难以采用常规的发电技术进行余热回收发电。低沸点循环发电技术是解决这一问题的一条途径。 烟气余热ORC发电系统，其工艺装配示意图如图1所示。 图1ORC发电系统工艺装配示意图 系统包括烟气循环、有机朗肯循环和冷却水循环系统，其工艺流程图如图2所示（工艺图上包含了温度计、压力计等传感器）：

图2烟气余热发电系统工艺流程图 1）烟气循环中。烟气经蒸发器换热，然后经风机回到烟气混合器中。 2）低沸点ORC系统。低沸点有机工质通过蒸发器与烟气进行换热，吸收热量后，由液体变成高温高压的气体，经汽轮机绝热膨胀，对外做功变成低温低压的气体，再经冷凝器放热变成饱和的液体，然后通过有机工质泵等熵压缩到高压并流到蒸发换器中进行换热。 3）冷却水循环。冷却水经冷凝器吸热后，通过循环水泵加压，进入冷却塔，经冷却塔冷却后，再回到冷凝器中。 2、ORC系统有机工质的选择 在余热发电过程中，工质对系统的性能起着关键作用。在选择工质时，力求工质在热源条件下吸热多，并能把吸收的热量有效地转化成功。 理想的有机朗肯循环工质应该具备有如下的特征： 1)临界温度应该略高于循环中的最高温度，以避免跨临界循环可能带来的诸 多问题； 2)工质的压力水平适宜。循环中蒸发温度所对应的饱和压力不应过高，冷凝 温度对应饱和压力不宜过低，最好能保持正压，以防止外界空气的渗入而影响循环性能； 3)在T—S图中饱和蒸气线上ds／dT应接近零或大于零； 4)比热容小，粘度低，传热系数高，热稳定性好；

【CN210290021U】内燃机烟气及缸套水余热利用有机朗肯循环系统【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920659181.7 (22)申请日 2019.05.09 (73)专利权人 华电电力科学研究院有限公司 地址 310030 浙江省杭州市西湖区西湖科 技经济园西园一路10号 (72)发明人 林达　周宇昊　张钟平　牟敏　 柯冬冬　李欣璇　 (74)专利代理机构 杭州天欣专利事务所(普通 合伙) 33209 代理人 张狄峰 (51)Int.Cl. F03G 5/00(2006.01) F02G 5/02(2006.01) F01K 25/10(2006.01) F25B 15/06(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称内燃机烟气及缸套水余热利用有机朗肯循环系统(57)摘要本实用新型公开一种内燃机烟气及缸套水余热利用有机朗肯循环系统，为了解决常规的内燃机三联供系统在过渡季余热无法有效利用的问题。本实用新型包括内燃机，烟气热水型溴化锂机组，有机朗肯循环膨胀机，发电机，工质泵，储液罐，有机朗肯循环缸套水热源换热器，有机朗肯循环烟气热源换热器，有机朗肯循环回热器，有机朗肯循环冷凝器，内燃机缸套水板式换热器，冷却塔；采用有机朗肯循环系统在过渡季回收内燃机缸套水和烟气余热。本实用新型有效回收过渡季由于无法开启溴化锂机组所无法回收的内燃机烟气及缸套水余热，大大提高整个系统的一次能源利用率，实现了能源的梯级利用， 增加了发电功率。权利要求书1页 说明书4页 附图1页CN 210290021 U 2020.04.10 C N 210290021 U

太阳能有机朗肯循环发电系统设计

太阳能有机朗肯循环发电系统设计 1背景： 太阳能是可再生的绿色能源。白天，在标准太阳光照下，即大气质量AM1.5、温度为25℃的条件下，辐射强度为1000W/m2，如果可以把这些能量用来发电，我们的能源紧张的问题肯定能得到缓解。若发电效率达到一定值，肯定能解决能源紧张和现有的化石燃料污染环境的问题 近年来，有机朗肯循环的研究工作正在大力进行，它是利用低温热源的热量输出机械能或发电的理想方式。可利用的热源种类包括：太阳能、生物质能、地热能以及工厂发热等。与朗肯蒸汽动力循环相似，不同的是有机朗肯循环使用的工质是有机物，因此相对于蒸汽循环，工质的蒸发温度可以减低。Fenton 等介绍了利用以R113 为循环工质，利用太阳能发电灌溉的系统[1]。有机朗肯循环的经济性直接决定于循环工质的热力学性质。因此应该选择合适的循环工质，评价标准包括循环效率高、排气比容小、工作压力正常及环境友好等。有些学者针对循环工质的评价标准，做出了相关的探讨。不同的循环工质需要单独的设计循环设备，从而决定循环设备投资大于运行费用。对于实际运行而言，有机工质的性质如环境友好性、化学稳定性等对有机朗肯循环也具有重要的影响。 在有机朗肯循环发电中，有机工质的选择是很重要的一点。有机朗肯循环工质的选择应尽量满足以下要求: (1) 工质的安全性( 包括毒性、易燃易爆性及对设备管道的腐蚀性等) . 为了防止操作不当等原因导致工质泄漏, 致使工作人员中毒, 应尽量选择毒性低的流体. (2) 环保性能. 很多有机工质都具有不同程度的大气臭氧破坏能力和温室效应, 要尽量选用没有破坏臭氧能力和温室效应低的工质, 如HFC 类、HC 类、FC 类碳氢化合物或其卤代烃. (3) 化学稳定性. 有机流体在高温高压下会发生分解, 对设备材料产生腐蚀, 甚至容易爆炸和燃烧, 所以要根据热源温度等条件来选择合适的工质. ( 4) 工质的临界参数及正常沸点. 因为冷凝温度受环境温度的限制, 可调节范围有限, 工质的临界温度不能太低, 要选择具有合适临界参数的工质. ( 5) 工质廉价、易购买. 2工作原理： 有机朗肯循环系统包括泵、蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器等。集热器吸收太阳辐照，集热器内换热介质温度升高，换热介质通过蒸发器把热量传给有机工质。有机工质在蒸发器中定压加热，高压的气态有机工质进入膨胀机膨胀做功，带动发电机发电；膨胀机尾部排出的有机工质进入冷凝器中定压冷凝，冷凝器出口的有机工质经过泵加压后进入蒸发器完成一次发电循环。

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科普文| ORC技术简介——张雄波| 节能减排，节能增效，节能环保 ORC技术简介 ( 科普 ) ZhangXB 2017 一、有机朗肯循环概念 有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)利用有机工质低沸点的特性。在低温条件下有机工质被加热即发生蒸发，工质汽化后获得较高的蒸气压力，推动膨胀机做功，从而将低品位热能转换为高品位的机械能和电能。 因此，有机朗肯循环发电技术，是一项将工业生产过程中产生的中低品位余热加以回收利用，转化为高品位电能的节能减排技术。 二、发电机组技术原理 ORC发电机组由有机工质、蒸发器、透平膨胀——发电一体机、冷凝器、工质泵、发电控制系统和并网系统等几部分组成。ORC机组详细原理如下： （1）高温流体吸收工业余热后，进入蒸发器加热有机工质，有机工质在蒸发器中被加热为高压蒸气（状态点1）； （2）高压蒸气进入透平膨胀做功，成为低压蒸汽（状态点2），带动发电机产生电能； （3）膨胀后的低压蒸气进入冷凝器，被冷却为低温低压工质流体（状态点3）； （4）工质流体通过增压泵升压后（状态点4）再次进入蒸发器，经加热达到饱和液态、饱和气态、过热气态（状态点1），从而完成整个循环。 图1 有机朗肯循环ORC发电机组原理图

科普文| ORC技术简介——张雄波| 节能减排，节能增效，节能环保 有机朗肯循环发电机组工作的关键过程是：中低温余热加热有机工质成为蒸汽→有机工质蒸汽驱动涡轮透平做功→发电机向外输出高品质电能。因此，涡轮透平---发机一体机是ORC发电机组的核心设备。 其中透平最主要的部件是叶轮，具有沿圆周均 匀排列的叶片，被安装在透平轴上。 流体所具有的能量在流动中经过喷管时转换成 动能，流过转子时流体冲击叶片，推动转子转动， 从而驱动透平轴旋转。透平轴经齿轮传动带动发电 机工作，输出电能。 图2 涡轮透平结构图整机发电机组图示如下所示：

有机朗肯循环供热锅炉烟气余热回收发电系统设计

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 Abstract At present, the energy situation at home and abroad is becoming increasingly severe. China's energy efficiency is low and its structure is irrational, it shows that coal is still the main energy and cannot be completely replaced in a short time and industrial waste heat and pressure are huge but they cannot be used effectively, there-fore, it is of great significance for energy conservation, emission reduction, and con-sumption reduction to carry out research work on low-temperature waste heat utili-zation technology in the industrial sector. Due to the small size and wide distribution of industrial coal-fired heating boilers, the potential for waste heat recovery is small and economical, therefore, less relevant research. The existing waste heat recovery technology can not use this part of the low temperature waste heat well, resulting in serious energy waste. In recent years, under the guidance of national policies, heating boilers have begun to develop in a centralized and large scale, and the recoverable low-temperature waste heat has increased, the problem of how to effectively recover the waste heat becomes even more urgent. In this study, the low-temperature flue gas waste heat recovery of the 155.44 °C tail temperature of a 90 MW coal-fired industrial boiler in Shenyang was studied, and a scheme of the organic Rankine cycle (ORC) waste heat recovery power generation was proposed. Through in-depth analysis and rational optimization of the entire sys-tem including boiler operation system and ORC recovery system, further improve the energy quality level and energy efficiency, and effectively reduce the boiler exhaust temperature, improve the efficiency of the boiler, provide theoretical guidance and calculation reference for practical engineering applications. By establishing an ORC system thermal model, the effect of different working media on the cycle performance of the system is studied, the final working fluid is R245fa. The optimization of cyclic parameters is discussed and the theoretical ORC system physical model of the 90% optimal load condition is designed by using the optimal parameters. The optimal cycle efficiency of the system is 16.45% and the net output power is 7485.58kW. In the main equipment, the multistage centrifugal pump is selected for the working fluid pump and the radial turbine expander is selected for the turbine. Analysis of the effect of the boiler on the performance of the ORC system at 75%, 65%, 55% and 45% load conditions, the average reduction in cycle efficiency is 0.52% and the average drop in net output is 1054.95kW. In order to improve the system efficiency, an optimization strategy for adding a preheater before the evapo-rator is proposed, that is, using the hot water produced by the boiler to preheat the