【中文首发】ORC发电技术的经济性分析(下篇)-北极星火力发电网

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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。

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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。

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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