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基于有機朗肯循環的ORC低溫余熱發電技術

2017-08-01

伴隨國際能源價格持續上漲,及對可再生能源、清潔能源的呼聲日益升高,有機工質朗肯循環(Organic Rankine Cycle簡稱ORC)低溫發電技術在國際電力工業市場已經成為一個異軍突起的黑馬。

典型的蒸汽動力發電系統,其工作循環可以理想化為由兩個可逆定壓過程和兩個可逆絕熱過程組成的理想循環 ,包括以下四個熱力學過程:

第一步:定壓吸熱過程,

第二步:絕熱膨脹過程,

第三步:定壓放熱過程,

第四步:絕熱加壓過程。

該熱力循環理論是由19世紀蘇格蘭工程師W.J.M.Rankine提出,為紀念其取得的成就,蒸汽動力裝置的基本循環亦稱為為朗肯循環(Rankine Cycle)。有機工質朗肯循環專指以低沸點(蒸發溫度38度,正戊烷)氟碳氫化合物為循環工質的熱力系統,ORC低溫發電技術就是基于這一工作過程的發電系統,也稱有機工質朗肯循環發電。ORC低溫發電技術,這里低溫泛指的溫度小于150度但大于90度的熱源,其低溫熱源是工業過程廢熱、太陽能、海洋溫差、地熱等清潔能源,技術突破點在于研究更低的熱源溫度以驅動透平做功發電,以適應更多的工況條件。盡管發電效率低于傳統火電,但由于使用的是清潔能源及工業過程中被廢棄的低品質余熱,因此在國際能源市場發展迅速。

常規的化石燃料發電技術(火力發電),即利用煤炭、重油或天然氣等燃料燃燒時產生的熱能來加熱水,使水變成高溫、高壓水蒸氣,然后再由水蒸氣沖轉汽輪機驅動發電機來發電。這個系統中的循環工質是除鹽水,由于水的物理性質(一個大氣壓,100度蒸發),因此傳統電力工業追求的是更高的溫度計壓力,以提高發電效率,如:超臨界、超超臨界等。但是提高發電效率的同時,也帶來了環境污染、粉塵、氣候變化等負面因素。因此在低溫發電領域,ORC與傳統的發電技術相比,具備以下幾個優勢:

 

1)有機工質具有良好的熱力學性質,低的沸點及高的蒸氣壓力使0RC方法比水蒸氣朗肯循環具有較高的熱效率,對較低溫度熱源的利用有更高的效率。   

2)有機工質比水蒸氣比容小,導致汽輪機(特別是其末級葉片的高度)、排氣管道及空冷冷凝器中的管道尺寸較小。   

3)與水蒸氣不同,有機工質在膨脹做功過程中,從高壓到低壓始終保持干燥狀態,飽和蒸汽夾液對汽輪機葉片產生的液擊。所以,ORC能比水蒸氣汽輪機更有效地適應部分負荷運行及大的功率變動,不需要裝過熱器。 

4)在缺水地區,優先使用空氣冷卻的冷凝器。ORC電廠使用的窄冷冷凝器要比水蒸氣電廠使用的空冷冷凝器的體積小得多,造價也低得多。   

5)有機工質蒸汽聲速低于水蒸氣,在低葉片速度時,能獲得有利的空氣動力配合   

7)有機工質凝固點很低(低于一73℃),在較低溫度下仍能釋放能量。這樣在寒冷天氣可增加出力,冷凝器也不需要增加防凍設施。

 

低品質余熱發電的市場應用領域極為廣泛,以下僅列舉部分工業生產過程中被廢棄的90-150度之間的低品質廢熱:

  1. 石油化工:碳氫化合物分餾后的冷凝、天然氣長輸管道燃壓機組廢熱
  2. 電力工業:電站鍋爐排煙、
  3. 鋼鐵工業:轉爐、燒結的氣化冷卻工藝

其他諸如多晶硅窯爐冷卻、工業鍋爐排煙、工藝過程梯度用能、減溫減壓等,延伸到地熱發電領域領域,研究說明地球陸地5000米以淺部分的地熱資源量折合標準煤9950萬億噸,是全球已探明煤炭儲量的1.7億倍,僅就目前技術條件可供開發的蒸汽型地熱資源和熱水型地熱資源,按照全球年能源消耗總量100億噸標準煤計算,可供使用290年。

綜上所述,基于有機朗肯循環的ORC低溫發電技術,發展前景廣闊,對于優化傳統能源結構,提升能源使用效率,減少溫室氣體排放,降低環境壓力,具有積極的促進意義。

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