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本文来自能源类顶级国际期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》刊登的文章“Technoeconomic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems”,原文对ORC发电技术在世界范围内的发展概况进行了客观全面的分析,UniEco联优特别选取相关内容进行了综述性编译,推荐给有兴趣了解ORC发电技术的中国朋友们。
3. ORC与蒸汽朗肯循环的对比
无论是传统的蒸汽朗肯循环还是ORC有机工质朗肯循环,系统的工作效率都由其循环工质的热力学物性决定;同时,采用“干工质”还是“湿工质”作为循环工质,也决定了系统在设计上的不同。工质的干湿性由工质在T-S温-熵图上饱和蒸汽曲线(曲线右侧部分)的斜率dS/dT决定,若斜率为正,则为干工质;斜率为负,为湿工质;斜率近似为零,为绝热工质。湿工质在膨胀机中会形成液滴,损坏膨胀机,因此需要膨胀机进口过热度更高一些,而干工质和绝热工质一般不需要过热就可保证其在膨胀机中的干度。
对比水蒸汽和有机工质的T-S图(图8)可以看出:
1) 有机工质大多数为干工质或绝热工资,在膨胀机入口无需对其过热,就可以保证出口蒸汽仍然是饱和或者过热状态,而水蒸汽是湿工质,入口必须要保证较高的过热度,才不会在出口形成气液两相(如图9)。
2) 相比水蒸汽,有机工质饱和液体和饱和气体之间的熵差较小,汽化所需的热量小,换取同等热量的条件下,工质的循环量更大,因此,ORC系统中工质泵的耗电率更大。
ORC系统和蒸汽朗肯循环系统的主要区别如下:
1) ORC系统中膨胀机出口的气体一般是过热状态,因此入口不需要过热;蒸汽朗肯循环入口需要较大的过热度,否则容易发生液击,损坏汽轮机的叶片。
2) ORC系统可以在较低的热源温度下工作,比如温度仅在90℃以下的地热水。
3) 蒸汽朗肯循环系统中,由于工作后的低压饱和蒸汽流速大,体积流量大,因此,整套系统的管道以及换热器的尺寸都会增大,汽轮机的占地也较大。
4) 两种系统的蒸发器(对于蒸汽循环指锅炉)设计有很大区别,主要原因是,相比于水,有机工质(特别是分子量较大的有机工质)气液两相之间的密度差别没有那么大,这样,蒸发气化过程的传热学性质相对变化较小,因此,ORC系统的蒸发器的结构相对简单。
5) 为避免膨胀之后产生液击,蒸汽循环系统中汽轮机的入口温度要求较高(有的甚至高达450℃),如此高的热应力对于系统中锅炉和汽轮机叶片材料的要求非常高,导致较高的制造成本。
6) 循环泵的耗电率:泵的耗电量与液体的体积流量以及进出口压差成正比,泵的耗电率BWR (Back Work Raito)值可表示为泵的耗电量除以透平机的发电量。蒸汽循环系统中水泵的耗电率通常为0.4%左右;对于热源为300℃左右,采用甲苯作为工质的高温ORC循环,工质泵的耗电率约为2~3%;而对于热源为150℃以下甚至更低温度的低温ORC循环,以R134a为例,工质泵的耗电率通常在10%以上。总而言之,热源温度越低,工质泵的耗电率越大。
7) 工作压力:水蒸汽朗肯循环通常需要较高的工作压力(水蒸气的蒸发压力),而对于一个典型的ORC循环,工质的蒸发压力一般不会超过30barA,这使得ORC系统相对简单,制造成本较低。对于一些余热发电应用场合(比如生物质余热发电),ORC工质并不是直接被加热,而是被中间载热流体,比如热油来加热,而导热油的储热性能很好,在常压下就可以达到比较高的温度,这使得ORC系统的蒸发器变得比较简单。
8) 冷凝压力:为防止外界空气进入到系统中,工质在正压下冷凝是比较好的选择。对于全凝汽轮机,为使出口冷凝液达到较低的温度,通常要对出口饱和水蒸汽进行抽真空冷凝;而一些中低温ORC工质如R245fa,R123,R134a等,常温下的冷凝压力都高于大气压;不过,一些高温ORC工质如正己烷,甲苯等,在常温下的冷凝压力为负压。
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