低温余热发电(ORC)技术

一、低温余热发电概述

目前世界各国都非常重视能源的有效利用,一些发达国家能源利用率都在50%以上,美国的能源利用率已超过60%,而我国只有30%左右。我国能源利用率低的一个重要原因就是低温余热能源没有得到充分利用。低温热源泛指温度小于250℃但大于80℃的热源,包括工业过程废热、太阳能、海洋温差、地热等。在工业领域中,一般低温余热指的是200℃以下的工业生产过程产生的余热气、冷凝水、热水; 150℃以下的气体以及锅炉、工业加热炉的排烟气等热量。由于这部分余热其品位较低,回收系统初期投资大,回收期长,因此,在相当长的一段时间里低温余热资源都没有引起足够的重视。


低温余热发电是通过回收钢铁、水泥、石化等行业生产过程中排放的中低温废烟气、蒸汽、热水等所含的低品位热量来发电,是一项变废为宝的高效节能技术。该技术利用余热而不直接消耗能源,不仅不对环境产生任何破坏和污染,反而有助于降低和减少余热直接排向空中所引起的对环境的污染。由于低温余热发电大部分利用的是温度小于150℃的热源,此时传统的以水(蒸汽)为循环工质的发电系统由于产生的蒸汽压力低,导致发电效率较低,无法产生经济效益 。在低温余热发电中多采用有机工质(如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、异丁烷等 )作为循环工质。由于有机工质在较低的温度下就能气化产生较高的压力,推动涡轮机(透平机)做功,故有机工质循环发电系统可以在烟气温度200℃左右,水温在80℃左右实现有利用价值的发电。


二、 ORC发电原理及流程

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,简称ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环,主要由余热锅炉(或换热器)、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。有机工质在换热器中从余热流中吸收热量,生成具一定压力和温度的蒸汽,蒸汽进入透平机械膨胀做功,从而带动发电机或拖动其它动力机械。从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热,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。

整个ORC发电系统包括四部分:热源回路(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发电系统组成如图2-1所示。

(1)热源(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,热源水温度江都并离开蒸发器,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。

其工作示意图如下所示:

 图片7.png


三、ORC发电机组设备配置

低温余热发电系统主要包含以下主要设备。

ORC发电系统主要工艺设备表

序号

名称

型号

材质

1

ORC发电机组



1.1

蒸发器

管壳式

304 

1.2

冷凝器

管壳式

组合件

1.3

工质泵

立式离心

组合件

1.4

透平-发电机

向心透平


2

控制系统



3

其他



3.1

凝结水罐



3.2

凝结水泵



4

冷却塔系统



 

四、ORC发电机组特点

(1)设备装置撬块式设计,运输、安装简便;

(2)操作简单,负荷波动能力强,可在40%~110%范围内稳定运行;

(3)采用高效、结构合理的传质设备和可靠的材质;

(4)可采用PLC对装置进行自动控制,关键参数由PLC自动调控;发电机可以自动追踪电网参数,并自动并网;

(5)发电装置智能监测电网状态,可提供稳定的电能,对电网无冲击;

(6)安全可靠,拥有泄压系统、超温报警系统及先进的自控系统;

(7)采用环保工质R245fa,透平和发电机一体化设计,无泄漏;

(8)机组拥有先进的设备自冷系统,无需外置油分及冷却系统。

 

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低温余热发电(ORC)技术