全方位解析ORC发电为何要选择透平膨胀机而不是螺杆膨胀机

所谓ORC（有机朗肯循环）发电是指有机工质通过换热器从余热流中吸收热量，生成具一定压力和温度的蒸气，蒸气进入膨胀机膨胀做功，从而带动发电机发电。从透平排出的蒸气在冷凝器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，如此不断地循环下去。ORC发电技术在欧美起步较早，经过发展已经形成了规模，是低温低热发电领域的重要应用。目前在西方发达国家，低温低热的有效利用率能达到60%，而我国目前在30%~40%之间，差距比较明显。体现在应用端，我国ORC发电技术虽然引进也较早（1977年西藏羊八井低热发电首次使用ORC技术，装机1MW），但是发展较为缓慢，国内拥有ORC技术的厂家也屈指可数。善能生态集团与长江动力集团联合推出的透平ORC发电系统，目前在工业余热和煤矿瓦斯处理方面取得了实质性应用，是国内为数不多的将透平ORC技术应用到现场的案例。其中武汉汉氏环保就应用的是长动的ORC发电系统，此次疫情中在处理大量医废垃圾方面，起到了中流砥柱的作用。ORC发电技术主要应用到低温低热领域，而过去将近二十年时间，我国的经济建设走的是大快强的步调，随着能源危机的到来，以及环保能要求的提高，ORC发电开始被更多的提及。ORC发电技术可以应用的场景非常多，包括工业废汽、余热、煤矿瓦斯燃烧、地热、光热等领域。有专家预测，光热领域将是ORC发电未来非常大的应用场景。不过今年三部委联合发布的《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》提出，新增光热项目不再纳入中央财政补贴范围。未来光热发电前景并不明朗，因此笔者认为工业余热还将是ORC发电最重要的应用领域。我们所谓的工业余热范围非常宽泛，一般包括从各种工艺设备排出的高温烟气、高温工艺设备的冷却水以及一些高温废水、废汽等。在过去很长的一段时间，这些热量往往由于再利用成本高、技术不成熟等原因被直接抛弃了，造成了能源的大量浪费。后来在大型火力发电机组，通过再热、二次再热等技术将高温烟气进行了合理利用，算是一种有效的能量再利用方式。但是对于一些化工、钢铁、水泥等高耗能、高污染的企业，这样的处理方式还是欠缺了一些。ORC技术的出现为工业余热的使用提供了一种全新的思路，由于其耦合性高、余热利用率高，成为了很多企业节能降耗的一种思考。有专家分析，ORC发电的市场一旦开启，将是万亿级的市场规模。但是鉴于目前国内ORC技术应用实例较少，所以也让很多企业望而却步。本文通过对目前国内ORC发电技术的分析，为大家提供一些思路，鉴于笔者水平有限，文字功底较弱，如有不明，可一起讨论。我们从ORC发电原理、膨胀机选择、工质选择、经济性进行综合分析。一、ORC发电原理前文已经对这个过程进行了简单介绍，这里做一些补充。我们日常所说的汽轮发电机组使用的工质是水（Water），其原理可以简称WRC。ORC使用的工质是有机工质，一般选择沸点较低、换热率高、价格便宜的材料。有机工质通过吸收废水、废汽或者其它热量（我们统称废热），变成可循环的蒸气，带动旋转部件做功，从而驱动发电机发电。总结来看，需要的设备主要包括ORC发电机组、蒸发器、冷凝器以及冷却系统和部分泵阀设备。由于ORC发电机组的功率普遍不高，因此所需设备一般也相对简单，配置较为方便，主要设备国内都有生产。这其中最重要的设备是ORC发电机组使用的膨胀机，而整个ORC发电机组的投资占到整个系统投资的六成以上。整个系统的主要技术议题有两个，一是膨胀机的选择，一是工质选择。
二、膨胀机的选择膨胀机主要分两种，一是透平膨胀机（其中又分为径流和轴流），一种是容积膨胀机（主要应用为螺杆膨胀机，其它类型都没有案例，下文主要说螺杆膨胀机）。所谓的透平膨胀机，又叫涡轮膨胀机，是在腔室中有一个可以旋转的叶片，通过气体膨胀做功推动叶片旋转，从而带动轴系转动。透平膨胀机可以在绝热的情况下，将气体膨胀释放的热量最大限度的转换为轴系的动能，因此具有更高的热效率和㶲效率。目前大型火力发电机组的主要汽轮设备都是透平机，因此技术层面相对比较成熟。螺杆膨胀机是目前国内ORC厂家的重要选择，由于前期国内在引进ORC这项技术的时候就有螺杆的业绩，所以后期国内发展的时候也取得了一定的成绩。通常所称的螺杆膨胀机是指双螺杆膨胀机，做功由吸气、膨胀、排气 3 个过程组成。由于这种双螺杆模式的设计，对于封闭式的轴系，其耦合处的润滑就成了一大难题。目前国内主流的ORC膨胀机主要是透平机和双螺杆机。透平膨胀机的优点是技术成熟、可实现多级设计，因此可以在单机200KW以上机组进行使用。此外，透平膨胀机等熵效率高、各类损失小、结构紧凑，具有较友好的运行周期和检修周期。它的缺点是转速高，因此对于控制系统要求高，不适合200KW以下机组。螺杆膨胀机虽然目前国内厂家在批量生产，但是应用体验并不好。主要问题是前文说过的对螺杆润滑要求高，此外其加工精度、后期维护成本都比膨胀机的成本高。更重要的是，由于螺杆膨胀机不存在透平膨胀机那种多级设计，因此想要提高有功功率就要提高腔室的体积，因此不适合较大功率的机组。螺杆膨胀机在国外也得到了一定的应用，究其原因是ORC发电技术在国外的使用场景较多。由于国外很多地区居民居住较为分散，因此使用ORC发电技术可以弥补一定的居民用电需求。螺杆膨胀机虽然对设备材料要求较高，但对控制技术要求低，因此得到了一定的青睐。国内与国外的应用环境完全不同，我们的ORC技术主要是工业发电的一个补充，控制技术完全成熟。由于需求场景要求功率高，因此透平膨胀机才是更佳的选择。
三、工质的选择ORC发电使用的有机工质也多有不同，但是无外乎那么几类，最常用的是R245fa和R123。工质的选择主要考虑换热效率、热损和性价比等。

工质	标准沸点/℃	临界温度/℃	临界压力/MPa	蒸发潜热/J*g-1	比热容/J*g-1*K-1	相对分子质量
R245fa	14.9	154.1	3.64	196.69	1.318	134.0
R123	27.7	183.8	3.67	170.19	1.022	152.9

通过上图，可以看出两种工质的基本参数相差不大，但是单位质量的R245fa相对于R123蒸发潜热和比热容更高一些，因此可以释放的热量更大，也就是我们所说的换热效率会更高。因此从技术层面上选择R245fa较为合理。此外，目前R245fa是工业上使用较为广泛的制冷剂，货源更充足一些，R123一般只作为一些辅助产品使用。
四、经济性从前期投资来看，透平膨胀机的价格会稍微高一些，主要原始是之前市场竞争力不足造成的。随着越来越多的厂商开始在透平膨胀机上发力，价格也随之降低。此外，透平膨胀机的运行成本和后期维护成本更低，因此是未来ORC技术的重要选择。
总结综合来看，透平膨胀机在技术层面和经济层面都具有一定的优势，但是目前国内ORC市场并不成熟，很多企业在选择产品的时候会参考国外的案例。但是国内和国外的情况还是略有不同，透平膨胀机在未来的工业余热应用中还是具有相当的竞争力。

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老婆用来哄的 发表于 2020-04-20 15:28
谢谢分享

老婆是用来哄的？

苏幕遮XCZF 发表于 2020-04-21 08:49

老婆是用来哄的？

也经常对打

老婆用来哄的 发表于 2020-04-21 09:06

也经常对打

你能过三招算我输

想问一下楼主，《ORC发电机组使用的膨胀机》国内有谁家在做呢？尤其是文中提到的高转速的膨胀机，国内做的好的企业多吗？

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谢谢分享，受益匪浅！