闫静文，杨柯峰，侯 佳，李刚辉，郭红斌

有机朗肯循环膨胀机的研究进展和应用现状

闫静文，杨柯峰，侯 佳，李刚辉，郭红斌

（北京康吉森节能环保技术有限公司，北京 101318）

能源需求的持续增长和环境问题要求越来越多地利用可持续能源，有机朗肯循环（ORC）由于其能够有效利用低温热能、提高能源利用效率、减少二氧化碳排放等优点，逐渐成为关注热点。膨胀机是ORC系统的核心部件，对系统的发电效率、可靠性和经济性等影响较大。本文总结了用于低品位能源利用ORC的各种膨胀机类型，并对其工作原理、技术特点、研究进展和应用现状进行了分析。结果表明：综合考虑其性能效率，透平膨胀机适用于>50 kW的余热利用系统，容积式膨胀机在<200 kW的ORC系统中有明显优势，螺杆膨胀机适宜<500 kW的ORC系统，其他机型目前实验研究较多，应用较少；膨胀机的选择不仅需要考虑其效率高低，还需要考虑其适用范围、经济性、复杂程度和后期维修成本等因素。

有机朗肯循环；膨胀机；透平膨胀机；容积式膨胀机；余热利用；低品位能源

化石燃料的大量消耗造成了能源短缺和严重的环境问题，引起了国际社会的广泛关注。有统计指出，在能量转换过程中有50%的热能最终以低品位热能的形式被浪费[1]。低品位热能包括工业低温余热及新能源领域的地热能、太阳能、生物质能等，数量巨大。对低品位热能进行合理利用，不仅能够提高能源利用率，还能起到节能减排，缓解化石能源供给紧张的作用[2]。有机朗肯循环（ORC）作为一种能将低品位热能转变为高品位电能输出的系统，被认为是一种切实可行并且高效的余热利用技术[3]。

ORC理论上可用于各种类型低品位能源的开发和利用。目前，该技术主要应用于地热能发电、工业余热回收、太阳能发电、生物质能燃烧发电和海洋温差发电等领域[4]，对于不同应用领域其系统也各不相同，当前的研究主要针对系统的技术应用[5-9]、工质选择[10-12]、设计与优化[13-15]、膨胀机的选择[10,16-17]等几个方面，在这些研究中，膨胀机作为最重要的动力部件，其成本约占整个系统成本的60%[18]，而且其采用的形式、运行特性和效率对于整个机组效率的提高至关重要。

1 膨胀机研究进展

目前用于ORC系统的膨胀机主要分为2类：一类是速度型膨胀机，也称透平膨胀机，通常分径流式透平和轴流式透平2种；另一类是容积式膨胀机，如涡旋膨胀机、螺杆膨胀机、活塞膨胀机和滑片膨胀机等[16]，主要通过容积改变来获得膨胀比和焓降，对外输出功，用于小流量大膨胀比的场合[17]，转速较低，输出功率随转速的增大而增大。

1.1 透平膨胀机

透平膨胀机不适用于功率较小的ORC系统，因为随着其输出功率的下降，转速会呈指数增 长[19]，甚至可以达到每分钟十几万转甚至几十万转，此时采用一般的油膜轴承已经无法满足要求甚至失效，所以透平膨胀机常用于大中型的ORC系统。Qiu[16]和Pei[20]等人认为当膨胀机功率<50 kW时，发电效率明显降低，同时高转速带来高成本、稳定性下降等问题也不容忽视。

根据比转速公式，在余热利用时，轴流式透平适合于大流量、低膨胀比的场合，径流式透平适合于小流量、高膨胀比的场合。比转速的计算式如下：

式中，s为比转速，为转速，为流量，Δ为 焓降。

另外，有机朗肯循环与蒸汽朗肯循环相比，具有低比热容、低音速、低焓降的特点，所以ORC透平一般是高膨胀比透平[10]。尤其是在低品位能源利用中，各级损失均有增加，径流式透平比轴流式透平更具优势。在流量较小时，径流式透平由于旋转叶盘的数量较少，机械损失少；对间隙损失的敏感度低[21]，而且叶片安装方便；当级数较多时，造价也比轴流式透平要低。但是，随着流量的增大，径流式透平尺寸将大幅度增加，此时采用轴流式透平来应对大流量和高焓降更适合。

在近年来的研究中，由于径流式透平等熵效率高、结构紧凑、转速高、高膨胀比等优点，引起了学者们的关注。Colonna等人[22]的研究表明，当低温热源温度为120~350 ℃、输出功率大于100 kW时，透平膨胀机等熵效率可以达到90%以上。Fiachi等人[23]选择了6种不同工质对径流式透平进行了初步设计，保证输出功率为50 kW时，透平效率可达到72%~80%。国内学者对于径流式透平的研究集中在透平的一维和三维结构形式的改进和优化等方面。邓兰等[24]研究了90°进汽和后掠式进汽2种进汽结构对等熵效率的影响。王智等[25]比较了7种不同出口相对气流角对透平效率的影响，最后得出气流角度为32°时有较好的叶轮性能和较高的透平效率。张振康等[26]对透平变工况特性开展模拟分析，研究了压力、温度、转速以及膨胀比对透平输出功与等熵效率的影响规律。Pan等人[27]采用径流式ORC透平机，通过对14种有机工质和90 ℃热源进行分析，发现透平内效率由转子膨胀比决定，并随着转子膨胀比的增加而减小。

除了在径流式透平本身的涡轮设计、等熵效率、匹配工质等方面进行研究外，近些年来，国内外针对小型和微型ORC的研究十分集中。Yamamoto等人[28]设计了径流式透平的小型ORC系统，并进行实验研究，输出功率为0.15 kW。Pei等人[29]设计了以R123为循环工质的径流式透平ORC实验，当入口温度和压力分别为100 ℃和0.786 MPa时输出功率为3.3 kW，等熵效率为71%，随后做出的模型验证表明，由于各种损失的存在，最终等熵效率为65%，输出轴功为1.36 kW。Nithesh等人[30]设计了以R22为工质的径流式透平机闭路循环海洋热能转换实验，转速为34 000 r/min，发电量为2 kW。如上所述，径流式透平不太适合于50 kW以下的功率范围，所以目前进行小型径流式透平研究主要为科研院所和高校实验室使用。

1.2 涡旋膨胀机

涡旋膨胀机是由制冷空调系统中的涡旋式压缩机演变而来，它由一对动涡旋盘和静涡旋盘组成，两盘组装后形成月牙形的封闭腔，工作时，外侧空间与排气口相通，中心部位与吸气口相通。动涡旋盘旋转时，月牙形封闭腔容积增大，气体不断膨胀，如此循环，进行连续进气、膨胀和排气过 程[31]。涡旋膨胀机工作原理如图1所示。

图1 涡旋膨胀机工作原理

1988年Yanagisawa等人[32]将汽车空调压缩机改装成涡旋膨胀机并进行了试验，但等熵效率仅为60%。为了解决效率低的问题，Wang等人[33]采用R134a作为循环工质，分别对涡旋盘和轴承采用2种不同的密封和润滑方法，在密封油压为712 kPa时，等熵效率上升至77%。为了减少泄漏方面的影响，Zenelli等人[34]采用R134a作为工质，进行了封闭式涡旋膨胀机的实验研究，输出轴功3.5 kW，等熵效率为43%~65%。另外关于欠/过膨胀的影响，Bracco等人[35]将全封闭式涡旋压缩机改造成涡旋膨胀机，采用Kane等人[36]的方法对膨胀机的润滑和密封做了改进，结果表明，当膨胀机在膨胀不足时，等熵效率从75% 下降至60%，膨胀比从5.0上升至6.0，转速相应的从4 500 r/min降至3 000 r/min。Lemort等人[37]建立了一个无油开式涡旋膨胀机模型，采用R123作为工质进行实验，分析指出内部泄漏、吸气压力下降和机械损失是涡旋膨胀机的主要损失。

1.3 螺杆膨胀机

通常所称的螺杆膨胀机是指双螺杆膨胀机，做功由吸气、膨胀、排气3个过程组成。吸气时工质进入双螺杆齿槽A，热能推动螺杆转动到B，齿槽容积增加，工质流体压力下降膨胀做功，最后从齿槽C排出，主轴两螺杆可直接/同步驱动发电机发电。螺杆膨胀机工作原理[38]如图2所示。

图2 螺杆膨胀机工作原理

最早对螺杆膨胀机进行研究的是美国学者Nillson[39]，于1952年取得螺杆膨胀机的专利；1973年Sprankle[40]采用双螺杆膨胀机，以湿蒸汽或热水为介质用于地热发电；1983年日本学者Tatushi等人[41]通过在螺杆机上打孔测量动态压力，得到了实际螺杆膨胀机和理想膨胀机示功图的对比，将螺杆机的理论研究引向实验阶段；而用于有机工质朗肯发电系统的螺杆膨胀机由Taniguchi[42]于1988年在日本提出。

近年来，针对螺杆膨胀机的研究集中在转子型线、内泄漏、吸气压力损失、转速等对于容积效率的影响。Smith等人[43]研制出了一种新型N型线用于螺杆膨胀机，并指出其优于其他型线。刘广斌等[44]基于一种圆弧、椭圆及相应包络线的螺杆转子型线，分析中心距、相对齿根深度、转子齿数对转子型线特征参数的影响，计算转子的变形，为螺杆膨胀机的设计、分析提供理论基础。Shen等人[45]建立了螺杆膨胀机的泄漏路径和泄漏数学模型，通过拟合间隙高度和转速，显示体积效率和输出功率均受到影响，同时容积效率也会随着内部体积比的增大而减小。Tang等人[46]针对双螺杆膨胀机建立了数学模型，并通过实验验证，结果表明膨胀机转速、吸气压力对膨胀机的效率影响很大，当转速从1 250 r/min上升至6 000 r/min时，等熵效率和容积效率分别下降40%和7.5%，吸气压力从0.33 MPa上升至0.47 MPa时，容积效率从0.91下降至0.85。Hu等人[47]也做了类似的实验，验证了上述结果。

除双螺杆膨胀机外，新型的单螺杆膨胀机由于其结构简单，运动部件少，可靠性高，且可利用最低温度达80 ℃等优点，引起了学者的关注[48-50]。单螺杆膨胀机（图3）由1个螺杆和2个对称配置的平面星轮组成啮合副，安装在膨胀机壳体内[50]。从结构上看，单螺杆膨胀机采用双星轮的对称布置，使得单螺杆膨胀机主轴的运行处于完全平衡的状态，无轴向和径向力，可靠性很高，同时由于其没有双螺杆的三角泄漏区，所以具有更高的容积效率。

图3 单螺杆膨胀机工作原理

1.4 滑片膨胀机

滑片膨胀机的基本工作原理如图4所示。转子上开有4个凹槽，滑片安装在凹槽内，当转子偏心旋转时，滑片在离心力的作用下甩出并与定子紧密接触，形成4个空腔[51]。有机工质流体从入口通道进入形成的腔A，随着转子的连续旋转，空间容积不断变化，实现膨胀做功。

图4 滑片膨胀机工作原理

滑片膨胀机具有结构简单，转子不受轴向和径向力，对轴承和装配精度要求低，可靠性高，成本低等优势，使其在余热回收领域很有竞争力。但受制于结构和体积限制，目前实验机型的功率范围在1~10 kW。Qiu等人[16]认为滑片膨胀机具有高膨胀比、流量小、操作设计简单等优势，所以适合于小型ORC领域。Vodicka等人[52]指出滑片膨胀机的严重内部泄漏使膨胀过程的压力下降非常迅速，并产生过度膨胀现象，导致等熵效率降低，通过在滑片底部设置弹簧，改善了滑片与气缸内壁之间的密封。Suankramdee等人[53]通过添加O型圈和轴封对滑片式空压机进行了改造，解决了有机工质泄漏问题，同时通过增加工作流体流动面积，提高了滑片膨胀机的性能。Subiantoro等人[54]改进了常规滑片式膨胀机的设计，将滑片固定到气缸上，气缸作为旋转部件，结果表明，效率提升至少10%。另外还有学者针对无油滑片膨胀机进行试验，用于生物质发电领域，试验表明性能同喷油润滑的方式相当[55]。

除了对滑片膨胀机内部结构和型式改进的探讨，学者们也进行了大量的实验研究。Badr等人[56]利用滑片膨胀机可实现输出功率1.8 kW，等熵效率为73%；Mohd等人[57]开发了一套滑片膨胀机ORC系统，结果表明输出功率为30 W时，膨胀机效率为48%，系统热效率为4%，远低于理论计算的数值。Singh等人[58]发现密封性是导致理论和实际差异的一个主要因素，对模型进行修正后，实验结果与理论值吻合良好。

1.5 活塞膨胀机

活塞膨胀机是一种通过气体膨胀推动活塞向外界输出功的设备，其原理近似于往复活塞压缩机，目前被广泛应用于内燃机的余热回收[59]。

Glavatskaya等人[60]开发了稳态半经验模型，模型中考虑了环境、机械损失以及内部泄漏等因素，得出的预测值与实测数据之间的最大偏差为4.7%。他指出随着转速增大，等熵效率随之增大，等熵效率约为55%~70%，同时压力损失增大导致容积效率下降；随着压比的增大，等熵效率降低，这是由于工质欠膨胀造成了功率损失。Clemente等人[61]针对活塞式膨胀机和涡旋膨胀机的数学模型进行对比发现，在大膨胀比时，活塞式膨胀机的性能更为优越。Tenissara等人[62]采用压缩空气为工质，研究了低压下活塞式膨胀机的性能，结果表明该机型也可用于低压工质，平均等熵效率在57%左右。

国内天津大学研发了针对R245fa的滚动活塞膨胀机[63]，与往复活塞膨胀机结构有所不同，通过滚动活塞的周期性转动，完成吸气、膨胀和排气过程。滚动活塞膨胀机工作原理如图5所示。

图5 滚动活塞膨胀机工作原理

活塞膨胀机由于存在进、排气阀节流阻力、欠膨胀、摩擦损失、外部与内部热交换等引起的冷量损失，所以目前研究显示的膨胀效率都比较低。马一太等[64]通过双缸滚动活塞解决了进排气阀带来的摩擦损失、节流损失等，但转动部件、摩擦损失、泄漏损失等问题仍有待进一步研究。

2 膨胀机选择

近些年应用于ORC的膨胀机技术众多，根据Imran等人[65]对2000—2016年该技术的文献统计（图6）显示,学者们研究的重心集中在透平膨胀机、涡旋膨胀机和螺杆膨胀机。究其原因，一方面是这3种机型都相对成熟，在此基础上进行有机工质应用的改造和研究较为方便，费用相对便宜；另一方面这与市场应用的需求也很符合，目前市面上商业化的设备倾向于50 kW以上的机组，对于小型ORC设备（＜50 kW）进行商业化的公司并不是很多。

图6 2000—2016年ORC系统膨胀机选择情况

对于一个合适的膨胀机型的选择，不能仅考虑膨胀机的等熵效率，还需要综合考虑膨胀机的功率范围、膨胀比、复杂程度、组成部件、经济性等多方面的因素。基于上述研究文献，对用于ORC系统的不同种类膨胀机的优缺点进行了对比，结果见表1。从表1可以看出：透平膨胀机往往用于较大流量、大功率的ORC机组，其制造工艺成熟，结构简单，寿命长，故障率低，但是转速较高，因此需要齿轮箱减速后与发电机或动力机械相连，势必造成机械损失和成本的增加；容积式膨胀机转速较低，较适合于小流量、小功率的ORC机组，当要实现大功率输出时需要通过并联的形式，否则体积将十分笨重。另外，容积式膨胀机往往需要润滑系统，给齿轮或涡旋盘、转子等接触部件润滑，增加了系统的复杂性，同时泄漏损失也是影响其性能的主要因素。

表1 各种膨胀机优缺点对比

Tab.1 Summary of advantages and disadvantages of different expanders

在中小型ORC的余热利用（200 kW以下）中，容积式膨胀机具有明显的优势[10]。首先余热资源往往波动较大，负荷不稳定，容积式膨胀机受工况变化的影响较小；其次余热利用中往往用到的容量不大，属于容积式膨胀机能够覆盖到的功率范围；另外容积式膨胀机成本较低，投资回收期较短，虽然效率比透平膨胀机略低，但整体性价比较高。但是目前除了螺杆膨胀机外，其他几种容积式膨胀机都处于实验研究阶段，尚未进行商业应用。

另外，在设计方面如何进行膨胀机的选择，学者们也提出了自己的看法，其中Kenneth和Nichols等人[66]列出了按照比转速s和比直径s进行选择的方法，其中参数s和s是关于体积流量3和等熵膨胀焓降ad的函数，每一种类型的膨胀机在一定的s和s区间内都存在最优性能。例如，活塞膨胀机在比转速0.01~0.10范围内性能较好，而径流式透平在比转速30~300范围内性能较好。

3 膨胀机应用现状

3.1 膨胀机类型

在欧美等发达国家对于ORC低温余热回收的研究和应用都开始较早，最早的应用在地热和生物质领域，膨胀机的形式采用透平膨胀机为主。因为中低温地热水温度基本在150~300 ℃，储量大，比热容高，非常适合采用轴流式透平；而生物质能由于热值较低，虽然温度较高，但是单台电站装机容量并不大，在1 MW左右，所以径流式和轴流式透平均可采用。以色列的ORMAT公司和意大利的Turboden公司是ORC低温余热发电领域的国际领军者，也是以生产轴流/径流膨胀机为主。我国1977年在西藏羊八井地区的第一台ORC地热发电装置就是依托ORMAT公司的技术，装机容量1 MW，利用热水温度110 ℃，工质采用异丁烷，年发电量600万kW·h[67]。

由于西方国家居住分散，集中供电代价较高，电价昂贵，加上欧盟关于利用可再生能源的强制性规定，小型ORC市场逐步兴起。在工业余热领域，太阳能和海洋能的微型分布式能源电站，多采用小型径流式透平和容积式膨胀机。据报道，全球范围内1~100 kW的ORC发电机组的市场容量为4.95 MW[5]，但该部分市场主要集中在国外。

在我国ORC的应用领域集中在工业余热方面。目前主要的制造单位有陕西博尔能源科技有限公司（博尔Boer）、北京华航盛世能源技术有限公司（华航盛世）、浙江开山股份有限公司（浙江开山）、江西华电电力有限责任公司（江西华电）、上海奇耀动力技术有限公司（上海奇耀）、北京康吉森节能环保有限公司等。博尔Boer自行研发并成功投入商业使用的国内首套兆瓦级ORC低温余热发电机组在包头钢铁（集团）有限责任公司投入使用并运行良好；华航盛世制造的2 MW径流式透平ORC机组成功打破了欧美技术垄断，创造目前国内最大的ORC应用业绩。容积式膨胀机的应用方面，我国目前已经具备了螺杆膨胀机产品的批量生产能力。浙江开山国外地热发电业务业绩较多，并积极在国内推广，在核心部件的研发上，如转子和型线设计上，已经具备了自己独特的研发设计能力。各个生产厂家的膨胀机类型、功率输出范围等数据汇总见表2。

表2 各生产厂家膨胀机类型及适用温度

Tab.2 The types and applicable temperatures of the expander provided by different manufacturers

针对我国工业领域余热量大，在某些炼油、化工企业，高温冷凝液（100 ℃以上）的流量达到上千吨是十分常见的，此时选用大容量的透平膨胀机较为适合。但是目前在国内应用较多的是容积式螺杆膨胀机，这一方面是因为螺杆膨胀机的研发可以依托国内的螺杆压缩机平台，另一方面是由于其成本较透平膨胀机低。所以在牺牲部分效率的情况下，螺杆膨胀机得到了很大的发展。但是容积式膨胀机当功率增大到一定数值，泄漏损失增加，性能下降，尺寸呈指数增加[68]，所以在商业应用中往往采用多机并联的方式用于大流量大功率的场合。

3.2 膨胀机工程应用

国外的ORC应用十分成熟，有大量应用实例，并集中在生物质能、地热和工业余热方面，膨胀机的选择上，透平膨胀机是技术主流；在国内的ORC应用主要集中在钢铁行业、化工炼油等工业余热方面，螺杆膨胀机是主要应用方式。表3为ORC机组工程应用案例。

表3 ORC机组工程应用案例

Tab.3 Engineering case analysis for ORC units

4 结论与展望

1）膨胀机作为ORC系统中的核心部件，对系统的效率和总体成本都有重要的影响。综合考虑其性能效率，透平膨胀机适用于>50 kW的余热利用系统，商业应用十分广泛；容积式膨胀机在<200 kW的ORC系统中有明显优势，商业应用中螺杆膨胀机往往＜500 kW，其他机型目前实验研究较多，应用较少。

2）膨胀机的选择不仅需要考虑其效率高低，还需要考虑其适用范围、经济性、复杂程度和后期维修成本等因素。

3）在小型低温余热领域，新型膨胀机技术正在兴起，但其实际应用仍需相关政策的推动和支持。

［1］ Siemens Power Generation Division. Waste heat recovery with organic Rankine cycle technology[R/OL]. 2014. http: //www.energy.siemens.com/mx/pool/hq/power-eneration/ steam-turbines/downloads/brochure-orc-organic-rankine-cycle-technology_EN. pdf.

［2］ IMRAN M, USMAN M, PARK B S, et al. Comparative assessment of organic Rankine cycle integration for low temperature geothermal heat source applications[J]. Energy, 2016, 102: 473-490.

［3］ VÉLEZ F, SEGOVIA J J, MARTÍN M C, et al. A technical,economical and market review of organic Rankine cycles for the conversion of low-grade heat for power generation[J]. Renew Sustain Energy Review, 2012, 16: 4175-4189.

［4］ TCHANCHE B F, LAMBRINOS G, FRANGOUDAKIS A, et al. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles: a review of various applications[J]. Renew Sustain Energy Review, 2011, 15: 3963-3979.

［5］ ZHANG S J, WANG H X, GAO T, et al. Performance comparison and parametric optimization of subcritical organic Rankine cycle (ORC) and transcritical power cycle system for low-temperature geothermal power generation[J]. Applied Energy, 2011, 88(8): 2740-2754.

［6］ 刘广彬, 赵远扬, 李连生, 等. 小型低温余热发电系统性能分析[J]. 工程热物理学报, 2011, 32(2): 186-188. LIU Guangbin, ZHAO Yuanyang, LI Liansheng, et al. Performances analysis of small low-temperature waste heat power generation system[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, 32(2): 186-188.

［7］ 郭丛, 杜小泽, 杨立军, 等. 地热能有机朗肯循环发电系统性能分析[J]. 热力发电, 2014, 43(6): 11-16. GUO Cong, DU Xiaoze, YANG Lijun, et al. Performance analysis of organic Rankine cycle of power recovery from geothermal energy[J]. Thermal Power Generation, 2014, 43(6): 11-16.

［8］ 应振根, 杨小军, 汤炎. 生物质有机朗肯发电系统热力性能分析[J]. 能源工程, 2017(6): 32-38. YING Zhengen, YANG Xiaojun, TANG Yan. Analysis of the thermal performance of biomass power generation system with organic Rankine cycle[J]. Energy Engineering, 2017(6): 32-38.

［9］ SUN F, IKEGAMI Y, JIA B, et al. Optimization design and exergy analysis of organic Rankine cycle in ocean thermal energy conversion[J]. Applied Ocean Research, 2012, 35: 38-46.

［10］ BAO J , ZHAO L . A review of working fluid and expander selections for organic Rankine cycle[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 24: 325-342.

［11］ 谢攀, 隆瑞, 刘政, 等. 低温工业余热利用ORC工质选择[J]. 工程热物理学报, 2016, 37(9): 1834-1838. XIE Pan, LONG Rui, LIU Zheng, et al. Working fluid selection of organic Rankine cycle for low-temperature industrial waste heat utilization[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2016, 37(9): 1834-1838.

［12］KANG S H. Design and experimental study of ORC (organic Rankine cycle) and radial turbine using R245fa working fluid[J]. Energy, 2012, 41(1): 514-524.

［13］ROBERTO S, MICHELE T, COSTANTE M I, et al. Comparison of working fluids and cycle optimization for heat recovery ORCs from large internal combustion engines[J]. Energy, 2018, 158: 396-416.

［14］MOHSEN S, ARASH N, ALIREZA G, et al. Thermodynamic analysis and multi-objective optimization of various ORC (organic Rankine cycle) configurations using zeotropic mixtures[J]. Energy, 2016, 109: 791-802.

［15］马新灵, 孟祥睿, 魏新利, 等. 有机朗肯循环低品位热能发电系统向心透平的设计与性能研究[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(14): 2289-2295. MA Xinling, MENG Xiangrui, WEI Xinli, et al. Design and performance study of radial inflow turbine used on organic Rankine cycle waste heat power generation system[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(14): 2289-2295.

［16］QIU G, LIU H, RIFFAT S. Expanders for micro-CHP systems with organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(16): 3301-3307.

［17］邓立升, 黄宏宇, 何兆红, 等. 有机朗肯循环的研究进展[J]. 新能源进展, 2014, 2(3): 180-189. DENG Lisheng, HUANG Hongyu, HE Zhaohong, et al. Research progress on organic Rankine cycle[J]. Advances in New and Renewable Energy, 2014, 2(3): 180-189.

［18］ROWSHANZADEH R. Performance and cost evaluation of organic Rankine cycle at different technologies[J]. Applied Thermodynamics & Refrigeration, 2010, 56: 23.

［19］SONG P P, WEI M S, SHI L, et al. A review of scroll expanders for organic Rankine cycle systems[J]. Applied Thermal Engineering, 2015, 75: 54-64.

［20］ PEI G, LI J, LI Y, et al. Construction and dynamic test of a small-scale organic Rankine cycle[J]. Energy, 2011, 36(5): 3215-3223.

［21］ MONDEJAR M E, ANDREASEN J G, PIEROBON L, et al. A review of the use of organic Rankine cycle power system for maritime applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 91: 126-151.

［22］ COLONNA P, CASATI E, TRAPP C, et al. Organic Rankine cycle power systems: from the concept to current technology, applications, and an outlook to the future[J]. Journal of Engineering for Gas Turbine & Power, 2015, 137(10): 1-19.

［23］ FIASCHI D, MANFRIDA G, MARASCHIELLO F. Thermo-fluid dynamics preliminary design of turbo-expanders for ORC cycles[J]. Energy, 2012, 97: 601-608.

［24］ 邓兰, 左咪, 闫起源, 等. 低温地热源有机朗肯循环系统匹配向心透平数值分析及优化[J]. 机械科学与技术, 2018, 37(10): 1537-1543. DENG Lan, ZUO Mi, YAN Qiyuan, et al. Numerical analysis and optimization of radial inflow turbine for organic Rankine cycle system of low-temperature geothermal power[J]. Mechanical Science and Technology, 2018, 10: 1537-1543.

［25］ 王智, 尹立冰. 向心透平设计与出口相对气流角对透平效率的影响[J]. 电力科学与工程, 2016(7): 44-49. WANG Zhi, YIN Libing. Design of the radial inflow turbine and effect of relative flow angle of outlet on turbine efficiency[J]. Power Science and Engineering, 2016(7): 44-49.

［26］张振康, 曾凡云, 王志奇, 等. 有机工质向心透平变工况特性的数值模拟与极差分析[J/OL]. 过程工程学报, http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.4541.TQ.20181019.1720.007.html. ZHANG Zhenkang, ZENG Fanyun, WANG Zhiqi, et al. Numerical simulation and range analysis of off-design performance for a radial-inflow turbine[J/OL]. The Chinese Journal of Process Engineering, http://kns.cnki.net/ kcms/ detail/11.4541.TQ.20181019.1720.007.html.

［27］ PAN L, WANG H. Improved analysis of organic Rankine cycle based on radial flow turbine[J]. Applied Thermal Engineering, 2013, 61(2): 606-615.

［28］ YAMAMOTO T, FURUHATA T, ARAI N. Design and testing of the organic Rankine cycle[J]. Energy, 2001, 26(3): 239-251.

［29］ PEI G, LI J, LI Y, et al. Construction and dynamic test of a small-scale organic Rankine cycle[J]. Energy, 2011, 36(5): 3215-3223.

［30］ NITHESH K G, CHATTERJEE D, OH C, et al. Design and performance analysis of radial-inflow turboexpander for OTEC application[J]. Renewable Energy, 2016, 85: 834-843.

［31］ 刘井龙, 熊联友, 侯予, 等. 一种新型膨胀机—涡旋式膨胀机[J]. 深冷技术, 2000(4): 13-15. LIU Jinglong, XIONG Lianyou, HOU Yu, et al. A new type of expander: scroll expander[J]. Cryogenic Technology, 2000(4): 13-15.

［32］ YANAGISAWA T, SHIMIZU T, FUKUTA M, et al. Study on fundamental performance of scroll expander[J]. Transaction of the Japan Society of Mechanical Engineers. B, 1988, 54(506): 2798-2803.

［33］ WANG H, PETERSON R B, HERRON T. Experimental performance of a compliant scroll expander for an organic Rankine cycle[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power & Energy, 2009, 223(7): 863-872.

［34］ ZANELLI R, FAVRAT D. Experimental investigation of a hermetic scroll expander-generator[C]. International Compressor Engineering Conference, Purdue, USA: 1994: 459-464.

［35］ BRACCO R, CLEMENTE S, MICHELI D, et al. Experimental tests and modelization of a domestic-scale ORC (organic Rankine cycle)[J]. Energy, 2013, 58: 107-116.

［36］ KANE M, LARRAIN D, FAVRAT D, et al. Small hybrid solar power system[J]. Energy, 2003, 28(14): 1427-1443.

［37］ LEMORT V, QUOILIN S, CUEVAS C, et al. Testing and modeling a scroll expander integrated into an organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(14): 3094-3012.

［38］ 徐继业. 蒸汽动力螺杆膨胀机在能量回收中的应用[J]. 当代化工研究, 2016(8): 118-119. XU Jiye. Application of steam power screw expander in energy recycle[J]. Chemical Intermediate, 2016(8): 118-119.

［39］ NILLSON H R. Machine of the screw compressor: US2620968[P]. 1952-12-09.

［40］ SPRANKLE R S. Electrical power generating systems: US3751673[P]. 1973-08-07.

［41］ KANEKO T, HIRAYAMA N. Study on fundamental performance of helical screw expander[J]. JSME International Journal Series B: Fluids and Thermal Engineering, 1985, 28(243): 1970-1977.

［42］ TANIGUCHI H, KUDO K, PARK I, et al. Analytical and experimental investigation of two-phase flow screw expanders for power generation[J]. Journal of Engineering for Gas Turbine & Power, 1988, 110: 4.

［43］ SMITH I K, STOSIC N, KOVACEVIC A. Chapter 3: Geometry and manufacture of screw expander rotors[M]//Power Recovery from Low Grade Heat by Means of Screw Expanders. Chandos Publishing, 2014: 59-91.

［44］ 刘广彬, 赵远扬, 杨启超, 等. 螺杆膨胀机转子型线特性研究[J]. 制冷与空调, 2014, 14(6): 25-27. LIU Guangbin, ZHAO Yuanyang, YANG Qichao, et al. Study on characteristics of screw expander’s rotor profile[J]. Refrigeration and Air-conditioning, 2014, 14(6): 25-27.

［45］ SHEN L L, WANG W, WU Y T, et al. Theoretical and experimental analyses of the internal leakage in single-screw expanders[J]. International Journal of Refrigeration, 2018(86): 273-281.

［46］ TANG H, WU H, WANG X, et al. Performance study of a twin-screw expander used in a geothermal organic Rankine cycle power generator[J]. Energy, 2015, 90: 631-642.

［47］ HU F F, ZHANG Z, CHEN W, et al. Experimental investigation on the performance of a twin-screw expander used in an ORC system[J]. Energy Procedia, 2017, 110: 210-215.

［48］ ZIVIANI D, GROLL E A, BRAUN J E, et al. Review and update on the geometry modeling of single-screw machines with emphasis on expanders[J]. International Journal of Refrigeration, 2018, 92: 10-16.

［49］ SHEN L L, WANG W, WU Y T, et al. A study of clearance height on the performance of single-screw expanders in small-scale organic Rankine cycles[J]. Energy, 2018, 153: 45-55

［50］ 吴玉庭, 王伟, 夏国栋, 等. 基于单螺杆膨胀机的分布式太阳能热电联供系统[J]. 可再生能源, 2015, 37(8): 33-37.WU Yuting, WANG Wei, XIA Guodong, et al. Distributed solar CHP system based on single screw expander[J]. Renewable Energy, 2015, 37(8): 33-37.

［51］ 孔祥志, 杨会林, 孙铜生. 滑片式压缩机功率计算模型的研究[J]. 流体机械, 2005, 33(1): 25-28. KONG Xiangzhi, YANG Huilin, SUN Tongsheng. Study on the calculating model of power of vane compressor[J]. Fluid Machinery, 2005, 33(1): 25-28.

［52］ MASCUCH J, NOVOTNY V, VODICKA V, et al. Towards development of 1~10 kW pilot ORC units operating with hexamethyldisiloxane and using rotary vane expander[J]. Energy Procedia, 2017, 129: 826-833.

［53］ SUANKRAMDEE W, THONGTIP T, APHORNRATANAS. Development of a sliding vane expander in micro-scale ORC system for utilizing low-grade heat[J]. Energy Procedia, 2017, 138: 817-822.

［54］ SUBIANTORO A, OOI K T. Comparison and performance analysis of the novel revolving vane expander design variants in low and medium pressure applications[J]. Energy, 2014, 78: 747-757.

［55］ LIU H, QIU G, DAMINABO F, et al. Preliminary experimental investigations of a biomass-fired micro-scale CHP with organic Rankine cycle[J]. International Journal of Low Carbon Technologies, 2010, 5: 81-87.

［56］ BADR O, NAIK S, O’CALLAGHAN P W. Expansion machines for a low power-output steam Rankine-cycle engine[J]. Applied Energy, 1991, 39: 93-116.

［57］ MOHD M, TAHIR N Y, HOSHINO T. Efficiency of compact organic Rankine cycle system with rotary vane type expander for low temperature waste heat recovery[J]. International Journal of Environmental Science and Engineering, 2010, 2(1): 11-16.

［58］ SINGH B R, SINGH O. Study of the influence of vane angle on shaft output of a multivane air turbine. II. Different rotor to casing diameter ratios with optimal injection angle[J]. Journal of Renewable & Sustainable Energy, 2011, 3(3): 7-25.

［59］ WANG T, ZHANG Y, PENG Z, et al. A review of researches on thermal exhaust heat recovery with Rankine cycle[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2011, 15(6): 2862-2871.

［60］ GLAVATSKAYA Y, PODEVIN P, LEMORT V, et al. Reciprocating expander for an exhaust heat recovery Rankine cycle for a passenger car application[J]. Energy, 2012, 5(6): 1751-1765.

［61］ CLEMENTE S, MICHELI D, REINI M, et al. Energy efficiency analysis of organic Rankine cycles with scroll expanders for cogenerative applications[J]. Applied Energy, 2012, 97(9): 792-801.

［62］ TENISSARA N, THEPA S, MONYAKUL M. Simulation, construction and evaluation of cheap piston expander for low-pressure power generation by compressed air as working fluid[J]. Energy, 2018, 142: 655-665.

［63］ WANG X D, ZHAO L, WANG J L, et al. Performance evaluation of a low-temperature solar Rankine cycle system utilizing R245fa[J]. Solar Energy, 2010, 84: 353-364.

［64］ 马一太, 张美兰, 田华, 等. CO2双缸滚动活塞膨胀机Fluent模拟与分析[J]. 天津大学学报, 2011, 44(12): 1093-1099. MA Yitai, ZHANG Meilan, TIAN Hua, et al. Fluent simulation and analysis of CO2two-cylinder rolling piston expander[J]. Journal of Tianjin University, 2012, 44(12): 1093-1099.

［65］ IMRAN M, HAGLIND F, ASIM M, et al. Recent research trends in organic Rankine cycle technology: a bibliometric approach[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 81: 552-562.

［66］ KENNETH E, NICHOLS P E. How to select turbomachinery for your application[M]. Barber-Nichols Inc, Arvada, CO, USA, 2012: 5-6.

［67］ 刘广林, 吕鹏飞. 简述地热发电利用形式[J]. 科技创新导报, 2013(28): 68. LIU Guanglin, LYU Pengfei. A summary of utilization for geothermal power generation[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2013(28): 68.

［68］ TOCCI L, PAL T, PESMAZOGLOU I, et al. Small scale organic Rankine cycle (ORC): a techno-economic review[J]. Energies, 2017, 10(4): 1-26.

Research progress and application status of organic Rankine cycle expanders

YAN Jingwen, YANG Kefeng, HOU Jia, LI Ganghui, GUO Hongbin

(Research and Development Department, Beijing Consen Energy Conservation Co., Ltd., Beijing 101318, China)

The continual increase in energy demand and environmental problems calls for more and more utilization of sustainable energy. Since the organic Rankine cycle (ORC) is capable of converting low grade thermal energy into electricity, improving energy utilization efficiency and reducing CO2 emissions, it is gradually becoming a hot spot of concern. Expander is the core component of the organic Rankine cycle which directly affects the power generation efficiency, reliability and economy of the system. This paper summarizes various types of expander for low-grade energy utilization ORC system, and reviews their working principle, technical characteristics, research progress and application status. The results show that, comprehensively considering its performance and efficiency, the turbine expander is suitable for the waste heat utilization system with scale of >50 kW, the volumetric expander has obvious advantages in the ORC system with scale of <200 kW, and the screw expander is suitable for the ORC system with scale of <500 kW. For other types of expander, there are more experimental studies and fewer applications at present. During the selection of the expanders, not only the efficiency, but also the application, economy, complexity and post-maintenance cost need to be considered.

organic Rankine cycle, expander, turbine expander, volumetric expander, waste heat utilization, low grade energy

TK11

A

10.19666/j.rlfd.201812210

闫静文, 杨柯峰, 侯佳, 等. 有机朗肯循环膨胀机的研究进展和应用现状[J]. 热力发电, 2019, 48(7): 10-18. YAN Jingwen, YANG Kefeng, HOU Jia, et al. Research progress and application status of organic Rankine cycle expanders[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 10-18.

2018-12-02

闫静文(1987—)，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为低温余热回收利用技术，yesjessie@163.com。

（责任编辑 马昕红）