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5.ORC系统的“心脏”——膨胀机

ORC系统的性能主要由其动力设备——膨胀机决定。从工作原理来分，膨胀机主要有两种：速度型(通常称为透平)和容积型，常见的容积型膨胀机有涡旋式和螺杆式，容积型膨胀机通常用于流量较小、转速较低的场合，适合小功率发电站(500KW以下)。

图10给出了三种膨胀机在不同应用中适合的不同功率范围。

5.1 透平膨胀机

透平膨胀机分为轴流式和径流向心式两种：轴流透平单级焓降小，但经过多级之后总焓降大，工质的体积流量较大，适合大功率;径流透平的转速比轴流透平高，单级焓降大即膨胀比大，适合较小的功率。与轴流透平相比，在中小功率段，径流透平的等熵效率(定义为机组膨胀过程实际输出的功率与等熵过程输出功率的比值)更高，变工况运行的综合性能更好。图11给出了径流透平典型的最佳效率(设计点效率)曲线与比转速系数的关系。

考虑到ORC工质的特性(即分子量较大，焓降较小，音速低)，轴流ORC透平膨胀机的设计与传统的蒸汽轮机设计完全不同，因此，不能简单地把蒸汽轮机套用到ORC系统中发电。另外，透平膨胀机不适合太小的功率，因为输出功率越小，叶轮尺寸就越小，透平的转速就越高，此时透平的设计上会受到马赫数的限制。这也是为什么市面上的微型透平越来越少的原因，不过，实验室级别的微型透平样机还是有不少的成功案例。

5.2 容积型膨胀机

容积型膨胀机主要有活塞式，涡旋式，螺杆式和叶片式这几种。在实验研究中，涡旋式膨胀机的效率是最高的(可达70%以上)，而螺杆膨胀机则用于大一点的功率工况(可高达几百千瓦)。

相比于透平膨胀机技术的成熟，严格地讲，目前市面上的容积式膨胀机都还处于样机研制阶段，绝大多数螺杆膨胀机技术来源于螺杆压缩机(有的仅仅是把气体的进出口对调)，很少针对ORC应用重新开发新的叶型。

容积型膨胀机在小功率段可以很好地弥补透平的不足：转速低，可靠性较好(来源于现成的压缩机)，运行过程中允许一定的带液量，并且效率不低(通常可在60%以上)。在使用容积式膨胀机的ORC系统中，当系统的实际膨胀比与膨胀机的额定膨胀比不相等时，系统将存在较大效率损失：膨胀不彻底(见图13中的左图)会导致膨胀之后的气体压力高于设计压力;膨胀过度(见图13中的右图)会导致膨胀之后的气体压力低于设计压力，这两种情况都会大大降低系统的效率。在实际运行过程中，膨胀不彻底是经常会出现的状况，因此，与透平膨胀机相比，容积式膨胀机不太适合较大的膨胀比(即较大的焓降工况)。

另外，容积式膨胀机的使用难点之一是润滑，由于有油螺杆或微油螺杆机采用喷油润滑的方式，润滑油会进入膨胀腔体污染工质，目前的解决方案是在膨胀机出口加一个油气分离罐，用来分离进入膨胀机内的润滑油，启动时需要较长的时间将罐中的ORC工质蒸发出来。无油螺杆虽然不存在这个问题，但由于转子间的间隙较大，随着机组运行时间的增加，机组的漏气率会增大，从而导致效率下降。

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【中文首发】ORC发电技术的经济性分析(上篇)

原标题：【122】中文首发| ORC发电技术的经济性分析（下篇）

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