ORC有机朗肯热水发电技术

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、ORC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

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——发电一体机是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。

图2 涡轮透平结构图

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。

整机发电机组图示如下所示：

三、ORC发电系统的组成

整个ORC发电系统包括四部分：热水回路(红色管路)、有机工质回路(绿色管路)、冷却水回路（蓝色管路）、电网（黄色部分）。

ORC发电系统组成如下图所示：

图3 有机朗肯循环发电系统示意图

1）热水（余热资源）在图示红色管道内流动，进入机组的蒸发器，将热量传递给机组内的工质，热源水温度降低并离开蒸发器，送入后续工艺；

2）工质在图示绿色管道内往复循环流动。液态工质进入蒸发器，吸收热源的热量，成为饱和或过热蒸汽，进入涡轮透平机，热能转化为机械能，同时带动发电机向外输出电力。过热蒸汽工质随后进入冷凝器，被冷却水冷却成为液体，进入工质泵。工质泵驱动工质周而复始流动。

3）冷却水在图示蓝色管道内流动。冷却水在水泵驱动下，进入机组的冷凝器，对工质流体进行冷却。冷却水温度升高并离开冷凝器，送入冷却塔将热量散至大气环境。

4）发电机发出电能，并入电网使用。

四、ORC发电机组适用的热源条件

五、ORC有机朗肯发电应用范围

ORC发电机组可将工业生产过程中产生的中低温余热进行回收，并转化为高品质电能。

ORC涡轮透平膨胀技术可利用90~300℃的低温热源进行发电，热电转换效率处于行业领先水平。涡轮透平是目前该领域内效率最高的低温发电技术。这一技术可广泛用于石化、钢铁、水泥、建材、玻璃、陶瓷、化肥、化工等高能耗行业的余热回收发电，应用形式包括：工艺热媒水余热回收发电、工艺物料余热回收发电、工艺乏汽或放散废蒸汽余热回收发电、工业窑炉烟气余热回收发电等。也可以推广到可再生能源如地热发电、太阳能光热发电和生物质发电等系统中。

工业应用与非工业应用如下所示。