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世界各国政府在能源战略中都十分重视能源的利用率,部分发达国家的能源利用率达50%以上,而我国的综合能源利用率偏低,大约仅30%左右。据统计,我国余热资源丰富,约占燃料消耗总量的17%~67%,可回收率占60%。中高温余热可以直接利用,而150℃以下的低温余热,品位低,不稳定,可能含有杂质,回收利用困难,大部分都直接排放到环境中,既浪费了能源,又造成了严重的环境问题。ORC有机朗肯循环系统是利用低品位余热的有效途径之一,对于提高我国能源利用率,减少二氧化碳及污染物的排放具有十分重要的意义。
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℃,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螺杆膨胀机组,即有机工质朗肯循环(OrganicRankine Cycle)的螺杆膨胀发电机组。液态工质在蒸发器中吸热蒸发成气态,推动螺杆ORC膨胀机做功,驱动发电机发电或动力机做功,压力降低的气态工质在冷凝器中冷凝成液态,通过工质泵增压后进入蒸发器中吸热,从而完成一个完整的ORC循环。
ORC低温发电技术,这里低温泛指的温度小于150℃但大于75℃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。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。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;
6.有机工质凝固点很低(低于-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。
ORC螺杆膨胀机组可广泛应用于石油、化工、电力、钢铁、水泥、陶瓷、玻璃、机车、轮船、地热及太阳能等各个行业,可将废弃的低品位热能转化为高品质的电能,同时,该产品还可以推广到可再生能源发电领域中,如太阳能光热发电、生物质能发电等,发展前景十分广阔,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,具有积极的促进意义。