有机朗肯循环发电技术发展现状

王大彪1，段捷2，胡哺松1，沈霄峰1

(1.中国长江动力集团有限公司，湖北武汉430000；

2.中国航天科技集团第六研究院，陕西西安710000)

摘要：为了帮助国内企业及相关单位更好地了解有机朗肯循环(ORC)发电技术的发展现状，本文通过统计国外主要有机朗肯循环发电机组制造商的产品信息、国内外科研文献及国内行业情况，从市场及技术两个角度对ORC发电技术进行了分析，认为ORC发电技术在欧洲及北美地区已趋于成熟，市场处于快速发展阶段，装机容量最大的领域为地热，动力部件以速度型透平为技术主流。而亚洲市场特别是中国市场仍处于待开发状态。国内研究存在试验研究较少、理论研究偏离工程实际应用、部件优化设计理论欠缺等问题，技术尚不成熟，部分厂家正开发半工业化的样机，仍有多项关键技术需要攻克。

关键词：有机朗肯循环；ORC;节能；市场；现状;综述

中图分类号：TK123;TM61文献标识码：A

收稿日期2014-07-26修订稿日期2014-10-23

作者简介：王大彪(1986~)男，硕士，工程师，研究方向为有机朗肯循环发电技术及相关工业节能技术。

Status of Organic Rankine Cycle Power Generation TechnologyWANG Da-biao1,DUAN Jie2,HU Bu-song3,SHEN Xiao-feng4

(1.China Chang jiang Energy Corporation，Wuhan 430000，China;

2.Sixth Research Institute of China Aerospace Science and Technology Group,Xi’an 710000,China)

Abstract：In order to help domestic enterprises and research institutions to know the State of Organic Rankine Cycle (ORC) power generation technology better, this paper tries to describe the technology Status from both market and technology by collecting major foreign products information, scientific literatures and domestic industry conditions. It is found that ORC generation technology is mature and developing rapidly in Europe and America. The maximum capacity of ORC generation is in geothermal areas. Among all productions, turbine is mainstream rather than expander. Asian markets, especially Chinese market has not been developed yet. Experimental studies are not enough in domestic research. Deviating practical engineering, fewer components designing or optimizing research and other issues are found,and domestic technology is not mature yet. Some manufacturers are developing their semi-industrial prototype,and there are still a number of key technologies need to be conquered.

Key words：organic rankine cycle;generate power;martket;status

0引言

我国当前能源环境局势紧张，北方雾霾污染几乎常态化，节能减排产业成为政府重点扶持发展对象。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，下文简称ORC)发电技术较传统发电技术，在低温余热动力回收领域优势明显[1]，近年来引起国内学者极大重视，欧美市场发展良好，国内众多厂家跃跃欲试。然而国内存在技术与市场脱轨的问题，即企业对科研机构的新技术研究反映迟钝，对新科技的进展情况掌握不清；科研单位对市场需求及工程实际问题不清楚，导致研究内容偏离工程实际较远。这一点，笔者在由高校研究人员转变为工程设计人员的过程中体会颇深。基于此，本文从技术与市场两个角度，对ORC发电技术进行概括介绍，为国内开展此项研制的同行提供参考。

1国外ORC发展现状

欧美等发达国家，对ORC发电技术的研究较早，可追溯到上世纪60年代[2-4]，当时已有部分试验样机，但由于该技术主要运用在余热回收和新能源领域，受政策及能源市场影响较大，直到近一二十年才得到真正发展。目前该技术已经成熟，制造ORC发电系统的公司已达几十家。表1给出部分笔者收集的国外公司ORC机组的产品信息。

1.1　技术现状

1.1.1　机组分布领域

理论上说，ORC发电机组可适用于80~400℃任何种类的连续热源，针对不同热源，国内外学者也展开了相应研究工作，如太阳能[5-6]、地热能[7]、生物质能[8]、工业余热等。但实际应用中，受限于机组技术经济性，各种热源的装机容量相差较大，目前ORC发电技术只在部分品质较优的热源上实现商业化运营。图1、图2[9]给出各种热源情况下，主要厂家ORC发电机组在容量和数量的装机比例，可以看出，ORC发电机组在地热领域的装机容量最大，原因是ORC发电技术主要用于300℃以下的低温热源，存在发电效率较低的特点，为提高发电系统技术经济性，要求机组装机容量较大，故要求热源容量大，地热水/水蒸气温度低(300℃以下)、比热高、储量大的特点正适合ORC发电技术。国际上，地热ORC发电技术最为先进的是美国ORMAT公司，该公司大多数项目发电量均在10 MW以上。地热源虽有上述优点，但也存在钻探困难、水中矿物杂质难以分离等问题，我国西藏羊八井及那曲地热电站，均因结垢问题严重，未能正常运行，最终关停。其中那曲电站ORC机组为ORMAT公司的产品。

图1　不同领域机组与数目分布比例

生物质能由于热值较低，虽温度较高，但单台电站装机容量较小，并不适合使用体积相对庞大的水蒸气发电系统，ORC发电机组整体组装的结构特点，对于常建造在偏远地区的生物质能电厂而言，在建造和维护上无疑有较大优势。这方面项目最多的是意大利Turboden公司，全球累计安装超过200台/套，单机容量一般在1 MW左右，但目前国内还没有烟气余热及生物质ORC发电项目实例。装机容量较小的工业余热电站，特点也与生物质能电站类似。

太阳能由于能量密度较低，且受诸多技术条件限制，千瓦造价达5730欧元[10]，现有项目主要为示范性质，离商业化运用还有较远距离。

1.1.2　工质

在所有的ORC发电技术研究中，有机工质优选是核心内容之一，因为有机工质的物性对具体热源的回收效率起决定性作用，且对系统部件的设计难度有重要影响。如工质的冷凝压力高，会导致密封系统设计难度高。工质的选用也需考虑环境友好、安全、化学性质稳定等前提条件，不同文献推荐使用的工质各有不同，如R113[11-13]，R123[14]，R245fa[12,15-19]，R134a[20]等，但并非所有的工质都得到大面积推广使用，目前市场使用较多的工质为R245fa，代表厂家有Purecycle，Acess Energy，Exergy等，其次是R134a，代表厂家有Turboden，Tas Energy等。一般来说，R134a用于90℃以下的热源，而R245fa则是200℃以下。

表1　ORC发电机组产品信息

1.1.3　动力部件

动力部件是ORC发电机组的核心部件，其效率值直接影响机组的技术经济性。动力部件可分为速度型和容积型。容积型的动力部件主要包括螺杆膨胀机、涡旋膨胀机、活塞膨胀机等。其中涡旋膨胀机、活塞膨胀机多用于小型试验系统，一般功率等级在50 kW以下，螺杆膨胀机则有较为成熟的工业应用，功率等级为一般在500 kW以下，代表厂家有GMK和Elctratherm等。功率等级高于500 kW以上的机组多采用速度型透平，包括轴流式、径流式和混流式，代表厂家有Ormat、Turboden、Purecycle、Exergy、Acess energy等，总体上看，速度型透平是国际技术主流。

1.1.4　发电机

发电机是ORC发电机组的重要部件之一，而在众多的研究文献中，对发电机的研究较少，主要是因为发电机作为一种成熟产品，种类及功率等级较为完全，无需针对热源与工质进行单独设计。大多数ORC发电机组的产品介绍说既可以使用同步电机也可以使用异步电机，但推荐使用异步电机，主要考虑因素是系统控制问题，相对同步电机，异步电机对转速控制要求不高，在热源波动的情况下，允许机组有较大工况的变化范围，如Purecycle及Turbden等公司的机组均能实现10%~120%变工况运行，减少机组的频繁起停。ORC发电机组的装机容量一般较小，对电网的冲击较小。相对而言，异步电机并网更方便。

1.1.5　其他部件

换热器是ORC发电系统里体积、重量最大，成本最高的部件，其类型的选用对机组技术经济性影响较大。此外ORC发电机组一般采用整体撬装结构，故换热器选型时也会考虑其结构影响。如表1所示，采用最多的管壳式换热器，而在功率等级较小的机组中也采用板式换热器。

工质泵也为成熟产品，采用立式离心泵的厂家较多，由于需要适应变工况要求，工质泵一般需采用变频控制。透平和工质泵均存在密封问题，立式工质泵大多采用的是机械密封。

1.1.6　机组效率

ORC发电技术的技术经济性评价指标有很多，如机组热效率、热回收效率、单位质量流量热源输出功、单位换热面积输出功、千瓦发电量机组造价、电站回收期等，这些指标从不同的方面，反映机组的技术经济性。大多数工程技术人员所熟知的是热效率和千瓦发电量机组造价这两个指标，然而对于ORC发电技术而言，仅以热效率评价机组的经济性，特别是对于地热和工业余热水[21]，存在较大不足。不同热源的机组，热效率没有可比性，然而由于易于理解，且与经济性直接相关，各厂家仍然以热效率为重要参考指标，各厂家的热效率如表1所示。作为对

比，我国320℃水泥窑蒸汽余热发电项目总体效率为20%左右。

1.2　市场现状

图2给出欧美市场总装机数目及装机容量的增长趋势，可以看出在2005年以后，欧美市场ORC发电技术发展异常迅速。图3反映了不同厂家的装机数量及装机容量的对比。可见在装机数量上意大利的Turboden公司最多，而在装机容量上却只有8.6%，原因是Turboden公司的机组主要集中在生物质及工业余热领域，装机容量较小，平均单机功率在1 MW左右，而Ormat公司的产品主要集中在地热领域，装机容量大，其2013年在印尼萨鲁拉的一个地热发电项目装机量高达330 MW，投资金额达2.54亿美金。

图2　ORC发电机组总装机容量及数量变化

图3　不同厂家的装机数量及容量对比

图4　主要厂家全球ORC项目分布

图5　不同国家ORC发电机组的装机数量

图6　各数据库文献数量变化图

图4分别是Ormat、Turboden及GMK全球范围内的业务分布情况(图中圆点为项目所在地点)，可以看出目前ORC发电机组主要分布在欧美等发达国家，而亚洲市场，特别是中国市场仍处于待开发状态。

图5给出不同国家的ORC发电机组的装机情况，可以看出ORC机组主要分布在德国、澳大利亚、意大利和美国，在前三个国家的发展主要得益于该

国家对小型生物质能电厂的支持，在美国的发展主要是因为美国国内存在大量一直无法得到良好利用的低温地热能资源。

2国内ORC发展现状

2.1　技术现状

国内近年对ORC发电技术研究投入较多，图6是以有机朗肯循环(Organic Rankin Cycle)为关键词(key word)分别在CNKI、万方数据、SCI、EI数据检索的论文结果，可以看到论文数量几乎成指数型增长，反映出ORC技术是近年的研究热点。然而与国外技术情况不同的是，目前国内还没有能推出成熟ORC发电机组的公司，从论文研究的内容上看，主要包括工质优选、循环优化、循环对比、实验研究、部件分析等，总体上看，理论研究工作较多，试验较少。表2 给出国内开展ORC发电实验研究的单位，此外进行ORC实验研究的还有北京工业大学[22]、北京理工[23]等。从已发表的实验研究论文来看，研究的重点主要为系统热效率测量，部件运行模拟分析，系统或部件最优工况测试等，而对工程实际运用急需解决的问题，如高效率透平研制、高速轴承研制、密封系统研制、动态控制系统研制等内容涉及较少，以上问题能否妥善解决，关系着国内ORC发电技术最终能否走向工程运用，而上述难题的攻克，无疑需要先进的实验平台和测试手段作为依托。

表2　国内开展ORC实验研究的单位及机组情况

2.2　市场现状

由图可以看出，在2008年到2013年期间，国内外相关研究论文数量急剧上升，然而与风电及光伏发电类似，国内企业及市场对新技术的反映速度比科研机构会滞后一步，同时段企业参与产品开发的基本没有，到11年后，国内众多企业对该技术表现出浓厚兴趣，据笔者所知，国内有近十家大型企业对该技术进行研究，然而大多均处于起步阶段，少数单位有工业或半工业化的试验样机，尚未有企业能推出经较长运行时间验证的成熟机型，各企业的试验机械功率等级在100~500 kW之间。

由于国内ORC技术研究仍处于起步阶段，市场基本处于待开发状态，国内ORC发电市场能有多大？是个很难回答的问题，因为这不仅与ORC发电技术的技术成熟度有关，还与机组经济性及政府政策导向息息相关。就ORC发电技术本身的潜在装机容量而言，国内几十年的粗犷式发展，无疑存在大量可供利用的热源，以钢铁行业为例，钢铁包括焦化、炼铁、炼钢等环节，广泛存在未能合理利用的90~250℃的热水、蒸汽、烟气余热[38]，在石化炼油[39]方面，据估算年产千万吨级炼厂，每个厂可供装机量为3~4MW。采油领域，特别是稠油开采中的高温产出液、高温分离水都是ORC发电技术的理想热源[40-41]，不少学者认为玻璃制造[42]，冶金[10]，燃机尾气等方面[43]均可使用ORC发电技术回收余热。

3存在的问题

3.1　技术方面

3.1.1　理论分析过多，实验研究较少

目前ORC研究文献中，理论研究占90%以上，实验研究相对较少。系统理论分析一般在朗肯循环的热力学模型基础上，需要指定具体参数值，如换热窄点温差、部件效率值，指定值的合理与否对分析结果会造成较大的影响，且实际机组中，换热器的温差、部件效率值都会随工质、工况、循环类型的变化而变化，故，简单的一维线性分析到一定程度后，有较大的局限性。在实验研究中，不仅研究的数量偏少，且研究的问题有局限，目前实验机组，大多由各种成熟的部件组装而来，测试的参数分为系统参数和部件参数两部分，系统参数主要包括系统热效率、效率、单位热源流体发电量等;部件参数主要有动力部件效率和换热器性能。对于工程运用中的某些关键课题，如高转速轴承损耗测试，密封系统测试、控制系统测试等，研究较少。

3.1.2　理论分析偏离实际情况较远

(1)透平效率问题

受限于简单一维理论模型限制，理论分析难以全面考虑实际情况，导致研究成果偏离实际较远。如在循环优化的工作中，不少文献[44]指出蒸发温度越高，系统效率越高，进而得出近临界循环、超临界循环效率更高的结论，该结论在大型火电机组中是成立的，但对于百千瓦级的小功率ORC机组而言，则不然。表3给出120℃时各种工质的音速，可以看出有机工质的音速远低于水蒸气，对于一定功率等级的ORC发电机组，随着透平的进出口压比增大，即在确定的冷凝压力下，循环工况向近临界和超临界循环发展时， 透平入口容易出现超音速，设计透平的难度增大，要同时保证透平高压比和高效率几乎是不可能的，即使设计上完成，也只不过将难度转移到生产与制造中，工程实际中难以实现，文献[25]也在实验中发现透平的最佳工况与系统的最优工况不重合，即最优工况不会随着蒸发温度持续上升。这种问题是对透平工况变化考虑不全引起的，也是理论分析中，指定部件参数值方法的缺陷所在。对于大功率等级的机组，压比对透平效率的限制将减少。反之只强调透平效率，而不综合考虑系统效率也是不可取的。

表3　不同工质的当地声速

(2)泵效率问题

在小功率的ORC发电系统中，工质泵存在低流量、高扬程、低比转速的特点，实际运行效率一般在0.6以下，理论分析中，常有文献将泵的效率取为0.8[45]，甚至更高。过高预计泵效率会导致分析结果有偏差。在ORC系统参数设计中，泵的气蚀余量是经常被忽略的一个参数，忽略该参数也将导致系统运行的不稳定，试验中也会常碰到泵气蚀的问题。

(3)冷源问题

循环优化为是调整运行参数，使得系统某个或几个目标参数达到最优，优化的目的是使得系统总体最优，而不是局部或者内循环最优[46]。系统优化需要考虑冷源功耗的问题，蒸发温度不是越高越好，冷凝温度也不是越低越好，而多数的循环优化论文[47]没有将冷凝温度及循环冷却水功耗考虑在内，造成优化结果与工程实际偏离较远。

(4)多级抽气回热、再热问题

图7　水与R245fa朗肯循环T-H对比图

有些学者[48-51]提出ORC发电机组使用再热循环的问题，在火电机组中，抽气回热、再热循环技术可行，且已大规模推广使用，然而若将这一经验套用到ORC发电系统，则不妥，图7为以R245fa和水为工质的朗肯循环T-H对比图，可以看出水的比焓降要远大于有机工质。在高温高压的汽轮机组里，由于水蒸气的比焓降大，汽轮机需用多级才能完成膨胀过程，笔者所在单位设计的汽轮机一般单级焓降在30~100 kJ/kg之间，汽轮机级数在15到30级之间，因为级数较多，所以在汽轮机中间进行抽气再热技术可行，提高循环效率的同时，也可预防汽轮机末级蒸汽湿度过大，液击叶片。而对于ORC发电机组而言，有机工质比焓降较低，以R245fa为例，一般取值小于40 kJ/kg，这样的焓降一级透平足矣，至多不过三级，所以在透平中抽气再热基本是不可能的，在市场现有机组中也没有抽气再热机组。且所选有机工质多数为干性工质，透平末级不存在液击的可能，也减少了再热工质的必要性，所以笔者认为抽气再热机组在实际工程中并不可行。

3.1.3　部件研究较少

目前的实验研究中，所使用部件大多数是采用已有产品改装，如动力部件上大多由压缩机改装而来，较少有针对某特定系统设计的透平，而这是研制出高效率ORC发电机组的必备环节，国内的有机工质泵效率较低，相应提高效率的研究较少。针对性的控制系统、密封系统、高转速轴承的研究也较少。

3.2　市场问题

我国存在庞大的低温余热市场，这基本是各界的共识，而对于余热的定义和统计标准不同，使得各种统计数据出入较大，也就难以准确估计出ORC发电技术的潜在装机量。由于ORC发电机组所适用的能源对象品质较低，这也决定了ORC发电机组产品效率相对较低。ORC发电机组在欧美市场发展迅速的重要原因之一是政府对该技术的补贴，可以预见我国ORC技术的发展必然与国家节能与环保相关政策有关，所以市场总潜在装机量及发展速度，存在一定不确定性。

4结论

有机朗肯循环发电技术是近年国内外的热点研究技术，本文通过技术和市场两个方面对该技术进行回顾和总结，得出如下结论：

(1)ORC发电技术在欧美地区已成熟，有大量运用实例，运用领域包括工业余热及新能源，装机容量最大的领域为地热。动力部件上，速度型透平为技术主流。

(2)市场方面，欧美市场处于高速发展的阶段，亚洲市场特别是中国市场仍处于待开发状态。

(3)国内对于ORC发电技术的研究较多，然而目前仍存在实验研究较少、理论研究偏离工程实际较多、部件优化设计较少等问题，ORC发电机组工程化应用仍有多项关键技术需要攻克。

(4)ORC发电技术国内潜在市场大，总量难以准确预估。

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