低溫余熱發電(ORC)技術

一、低溫余熱發電概述

目前世界各國都非常重視能源的有效利用,一些發達國家能源利用率都在50%以上,美國的能源利用率已超過60%,而我國只有30%左右。我國能源利用率低的一個重要原因就是低溫余熱能源沒有得到充分利用。低溫熱源泛指溫度小于250℃但大于80℃的熱源,包括工業過程廢熱、太陽能、海洋溫差、地熱等。在工業領域中,一般低溫余熱指的是200℃以下的工業生產過程產生的余熱氣、冷凝水、熱水; 150℃以下的氣體以及鍋爐、工業加熱爐的排煙氣等熱量。由于這部分余熱其品位較低,回收系統初期投資大,回收期長,因此,在相當長的一段時間里低溫余熱資源都沒有引起足夠的重視。


低溫余熱發電是通過回收鋼鐵、水泥、石化等行業生產過程中排放的中低溫廢煙氣、蒸汽、熱水等所含的低品位熱量來發電,是一項變廢為寶的高效節能技術。該技術利用余熱而不直接消耗能源,不僅不對環境產生任何破壞和污染,反而有助于降低和減少余熱直接排向空中所引起的對環境的污染。由于低溫余熱發電大部分利用的是溫度小于150℃的熱源,此時傳統的以水(蒸汽)為循環工質的發電系統由于產生的蒸汽壓力低,導致發電效率較低,無法產生經濟效益 。在低溫余熱發電中多采用有機工質(如R123、R245fa、R152a、氯乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷等 )作為循環工質。由于有機工質在較低的溫度下就能氣化產生較高的壓力,推動渦輪機(透平機)做功,故有機工質循環發電系統可以在煙氣溫度200℃左右,水溫在80℃左右實現有利用價值的發電。


二、 ORC發電原理及流程

有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle,簡稱ORC)是以低沸點有機物為工質的朗肯循環,主要由余熱鍋爐(或換熱器)、透平、冷凝器和工質泵四大部套組成。有機工質在換熱器中從余熱流中吸收熱量,生成具一定壓力和溫度的蒸汽,蒸汽進入透平機械膨脹做功,從而帶動發電機或拖動其它動力機械。從透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷卻水放熱,凝結成液態,最后借助工質泵重新回到換熱器,如此不斷地循環下去。

整個ORC發電系統包括四部分:熱源回路(紅色管路)、有機工質回路(綠色管路)、冷卻水回路(藍色管路)、電網(黃色部分)。ORC發電系統組成如圖2-1所示。

(1)熱源(余熱資源)在圖示紅色管道內流動,進入機組的蒸發器,將熱量傳遞給機組內的工質,熱源水溫度江都并離開蒸發器,送入后續工藝;

(2)工質在圖示綠色管道內往復循環流動。液態工質進入蒸發器,吸收熱源的熱量,成為飽和或過熱蒸汽,進入渦輪透平機,熱能轉化為機械能,同時帶動發電機向外輸出電力。過熱蒸汽工質隨后進入冷凝器,被冷卻水冷卻成為液體,進入工質泵。工質泵驅動工質周而復始流動。

(3)冷卻水在圖示藍色管道內流動。冷卻水在水泵驅動下,進入機組的冷凝器,對工質流體進行冷卻。冷卻水溫度升高并離開冷凝器,送入冷卻塔將熱量散至大氣環境。

(4) 發電機發出電能,并入電網使用。

其工作示意圖如下所示:

 圖片7.png


三、ORC發電機組設備配置

低溫余熱發電系統主要包含以下主要設備。

ORC發電系統主要工藝設備表

序號

名稱

型號

材質

1

ORC發電機組



1.1

蒸發器

管殼式

304 

1.2

冷凝器

管殼式

組合件

1.3

工質泵

立式離心

組合件

1.4

透平-發電機

向心透平


2

控制系統



3

其他



3.1

凝結水罐



3.2

凝結水泵



4

冷卻塔系統



 

四、ORC發電機組特點

(1)設備裝置撬塊式設計,運輸、安裝簡便;

(2)操作簡單,負荷波動能力強,可在40%~110%范圍內穩定運行;

(3)采用高效、結構合理的傳質設備和可靠的材質;

(4)可采用PLC對裝置進行自動控制,關鍵參數由PLC自動調控;發電機可以自動追蹤電網參數,并自動并網;

(5)發電裝置智能監測電網狀態,可提供穩定的電能,對電網無沖擊;

(6)安全可靠,擁有泄壓系統、超溫報警系統及先進的自控系統;

(7)采用環保工質R245fa,透平和發電機一體化設計,無泄漏;

(8)機組擁有先進的設備自冷系統,無需外置油分及冷卻系統。

 

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低溫余熱發電(ORC)技術