ORC发电技术与应用课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,ORC,低沸点工质循环发电技术及应用,2013.3.18,主要内容,1.,项目背景,2. ORC,原理,3. ORC,装置,4. ORC,透平设计,5. ORC,热水发电,1.,项目背景,“,节能减排”是重要国策；,节能,21%,指标（,万元工业增加值能耗,5,年累计,下降,21,）完成困难较大；,低于,300,的低温余热总资源约占余热总资源的,30%,，其利用率低，大都直接排入大气，造成能源的浪费及对环境的热污染；,国内低温余热的热源广泛：钢铁工业、水泥工业、石油精炼化学工业、玻璃工业、地热水和太阳能热水；,缺乏有效的技术和设备加以利用。,工业和信息化部、科学技术部、财政部及国务院国有资产监督管理委员会给出“重大技术装备自主创新指导目录（,2012,版）”,国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要,国务院“十二五”节能减排综合性工作方案,节能减排规划（,2011,2015,年）,余热发电概况,最大限度地回收余热源的热量；,能使回收的热量能有效地转换为有效功,(,电能或动力功,),；,设备可靠性高，运行安全和维护方便,。,目前技术：,窑炉蒸汽余热发电系统,；,带补燃锅炉的中低温蒸汽余热发电系统,；,不带补燃锅炉的中低温蒸汽余热发电,；,300,以上,：,汽轮机发电机组,；,300,以下,：低沸点气,轮机发电系统,(ORC),透平膨胀机,/,螺杆膨胀机,/,活塞膨胀机,系统组成,换热器（蒸发器,/,预热器）,低沸点工质透平,冷凝器（空冷,/,水冷）,发电机（直流,/,交流）,工质泵,2.ORC,原理,有机朗肯循环（,Organic Rankine Cycle,，简称,ORC,）是一种新型环保型的发电技术,低沸点工质透平设计,发电系统设计,余热换热器设计,辅助、成套设备的设计,名称,分子量,(g/mol),常压沸点,(),三相点温度,(),临界温度,(),临界压力,(MPa),安全分类,环境友好,(,是,/,否,),NH3,17.03,-33.327,-77.655,132.25,11.333,B2,是,正丁烷,58.122,-0.55,-138.28,151.98,3.796,A3,是,异丁烷,58.122,-11.67,-159.59,134.67,3.64,A3,是,正戊烷,72.1488,36.064,-129.68,196.55,3.37,异戊烷,72.1488,27.83,-160.5,187.2,3.378,R11,137.37,23.708,-110.47,197.96,4.4076,A1,否,R113,187.38,47.585,-36.22,214.06,3.3922,A1,否,R114,170.92,3.586,-94.15,145.68,3.257,A1,否,R12,120.91,-29.752,-157.05,111.97,4.1361,A1,否,R123,152.93,27.823,-107.15,183.68,3.6618,B1,是,R124,136.48,-11.963,-199.15,122.28,3.6243,A1,否,R134a,102.03,-26.074,-103.3,101.06,4.0593,A1,是,2.1,工质选取,名称,分子量,(g/mol),常压沸点,(),三相点温度,(),临界温度,(),临界压力,(MPa),安全分类,环境友好,(,是,/,否,),R141b,116.95,32.05,-103.3,206.81,4.46,否,R142b,100.5,-9.15,-130.43,137.11,4.07,A2,否,R152a,66.051,-24.023,-118.59,113.26,4.5168,A2,是,R227ea,170.03,-16.45,-126.8,101.65,2.926,否,R236ea,152.04,6.19,-273.15,139.29,3.502,R236fa,152.04,-1.44,-93.63,124.92,3.2,A1,否,R245ca,134.05,25.13,-273.15,174.42,3.925,R245fa,134.05,14.9,-273.15,154.05,3.64,B1,是,RC318,200.03,-5.975,-39.8,115.23,2.7775,否,Water,18.015,99.974,0,373.95,22.064,A1,是,工质选取,2.2,有机工质的饱和蒸气曲线,2.3,工质特性,有良好的热力学性能，相同的余热资源条件下，应提供更多的动力；,合适的压力水平，蒸发时蒸发压力不太高，冷凝时压力又不太低，最好不要在真空下工作。,比热和密度较大，传热性能好，这样可以减少透平尺寸、换热器的传热面积；,热稳定性好，不易分解，不腐蚀设备；,无毒，不易燃，不易爆，运行安全、可靠；,价格低廉，输送与储存方便，高纯度，易得到。,从工质的热力特性、传热性、透平的气动特性、热稳定性、可燃性、毒性、腐蚀性、价格以及对大气环境的影响等方面来考虑。,A,方案：,260,烟气与低沸点工质直接换热,2.4,朗肯循环方案,B,方案：,采用导热油将烟气热量传递给低沸点工质,朗肯循环方案,2.5,循环原理及,T-S,图,利用中低温下能产生高压气体的介质（有机工质、沸点较低）作为工质，在中低温下蒸发产生的高压气体去驱动透平的循环。它由余热锅炉换热器、透平、冷凝器和工质泵四大部套组成。余热流体在换热器中放热给有机工质，工质由于吸热而成蒸气。这种蒸气通过透平膨胀作功，从而带动发电机发电或拖动其它转动机械。从透平排出的蒸气在冷凝器中向冷却水放出热量而凝结成液体，借助工质泵重新泵回换热器，如此不断循环就能发电或产生动力。,2.6,简化热力系统及过程说明,采用无过热、回热,T-s,图,采用过热的,T-s,图,采用过热、回热的,T-s,图,采用回热的,T-s,图,2.7,循环方式,三种工质在不同过热度下的净功率如图所示。,R134a,与,R245fa,的做功能力均随过热度的增加而增大。,增设回热装置对,R123,和,R245fa,做功能力的影响如图所示。采用回热后显著提高了,R245fa,循环的最大输出净功率，最大净功率由,623.5kW,增至,674.2kW,，提高了,8.1%,。但是回热对,R123,系统的影响较小。,2.8,回热及过热的影响,3.1,主要应用场合,工业余热废热的动力学回收,太阳能热力发电，,例如用平板集热器收集低于,100,的太阳热水作驱动热源，用,ORC,透平等构成低温太阳能热力发电系统 ，可作为分布式能源,地热发电,，,我国在,1993,年底建成的那曲地热电站，装机容量为,1MW,，采用以色列,ORMAT,公司的双工质有机朗肯循环机组系统，地热热源温度为,110,，有机工质采用异戊烷,生物质能发电,海洋温差能发电，闭式、开式及混合式循环,3.,ORC,装置,3.2,奥玛特,(Ormat),公司,ORC,装置,气轮发电机组完全封闭,包含向心式透平,感应式发电机（,3,相电压）和离心式工质泵。,ORC,系统的全部旋转部件都安装在一根轴上,并在一个壳体内。机组垂直布置,透平位于底部,工质泵和轴承位于顶部,发电机在中间,位于两个径向轴承之间。其特点是发电机利用泵和上轴承逸出的工质液体自由落下润滑、冷却,;,发电机和轴承的润滑液也可方便的排到位于下面的冷凝器中。,3.3,新型一体化,ORC,设计示意,3.4,单螺杆膨胀机,容积式，基本结构是由一对阴、阳螺杆转子和壳体组成。,进气、膨胀、排气，热流体（蒸汽、热液或汽液两相流体）进入螺杆齿槽,A,，热流体能量推动阴阳螺杆向相反方向旋转到,B,、,C,、,D,，齿槽容积增加，热流体降压膨胀作功，最后从齿槽,E,排出，实现将热能转换成机械能，从主轴阳螺杆输出，驱动发电机可发电；直接驱动负载可替代电动机节约电力。,3.5,双螺杆膨胀机,1,）吃粗粮的动力机,能回收过热蒸汽、饱和蒸汽、汽水两相及热水热液的新型动力机；能除垢自洁，可回收,70-80,以上热水热液、,80,以上蒸汽、,180,以上烟气的余热可用于工业余热废热，也可以与地热、太阳热能及生物质能配合，实现热能转换为机械能。,2,）适合回收闲散废热用于发电,允许热源压力、流量大范围内波动；机组可移动，集中或分散布置，实现分布式发电。,3,）使用安全简单,机组运行不需暖机、不盘车、不飞车，直接冲转运转安全可靠。,4,）长期无大修，维护方便,行操作简单，螺杆转子粗大坚实，可以长期不大修，小修简单方便，运行维护费用低。,双螺杆膨胀机特点,闭式海洋温差发电系统,热带海洋表层海水温度,2429,，而在深度约,600 m,以下的海水常年在,27,。闭式循环用温水泵将温海水抽送至蒸发器内将热量传递给工作流体，工作流体受热后蒸发推动透平旋转，透平带发电机发电。工作流体用有机工质,。,3.6,海洋温差发电系统,混合式海洋温差发电系统,将温海水先导入闪蒸蒸发器，闪蒸出的水蒸汽再导入蒸发器加热工作流体，该系统发电的同时还可以产淡水,。,工作流体用有机工质,。,混合式,海洋温差发电系统,国家,1990,1995,1998,美国,2775,2817,2850,菲律宾,891,1191,1814,意大利,545,632,769,墨西哥,700,753,743,印尼,145,310,590,日本,215,414,530,新西兰,283,286,345,冰岛,45,50,140,哥斯达黎加,0,55,120,莎尔瓦多,95,105,105,中国,19,29,32,世界总计,5867,6798,8239,单位：,MW,3.7,世界地热发电装机容量,类型,精炼厂,石化厂,造纸厂,水泥厂,焚烧炉,燃气轮机,电厂地址,美国,美国,荷兰,德国,日本,加拿大,余热类型,柴油,冷凝碳氢化合物,低压蒸汽,冷却机排气,蒸汽,燃机尾气,流量,t/h,50,85,13,196,6.7,295,进口温度,184,104,105,275,167,275,出口温度,80,85,80,125,80,92,冷凝器介质,水,水,空气,空气,空气,输出功率,kW,300,780,930,1310,550,5825,ORC,技术在部分国家的应用,4. ORC,透平设计,透平：轴流式或向心式,采用三元流方法设计，高效、安全、工作稳定,密封：透平轴端采用机械密封或浮环密封,转速：,3000 r/min,或更高转速,功率：,1#,炉,608 kW;,一托三,2616 kW,4.1,三维叶片的参数化拟合,叶片参数化拟合过程,4.2,向心式透平特点,进汽管道损失比轴流式透平小,环形叶栅中的相对速度较小，而且汽流扩压段消失，从而使损失下降,其等熵功绝大部分无损失的通过离心力作用转变为机械功,出口平均直径小于进口平均直径，余速损失小,向心式透平叶轮三维模型,1-,静环,2-,动环,3-,传动销,4-,弹簧,5-,弹簧座,6-,紧定螺钉,7-,传动螺钉,8,、,9,、,10-O,形密封环,11-,防转销,12-,压盖,13-,推环,14-,轴套,4.3,低沸点工质密封,优点：封液泄漏量小，气体完全不泄漏，使用可靠。,缺点：高转速下，辅助系统复杂，安装技术要求高。,适用：输送各种气体,改进：完全集装化，可使安装更为方便、简单。,机械密封的优缺点,集装式机械密封,产品周期：,12,个月,方案设计（二个月）；,工程设计（二个月）；,工艺审查、设计修改和完善（一个月）,设备制造（六个月）；,现场安装调试（一个月）。,4.4,产品周期,产品的模块化；,产品的系列化,；,加强整机试验和调整；,提高产品质量,；,以市场为导向，扩大产品数量,。,产品,某厂热水流量,600m3/h,，水温,93,，利用热水发电是绿色能源和可再生能源，减少污染和碳排放。,采用低沸点工质发电。,具有独立知识产权，填补了国内空白，创新性强，具有示范作用。,可用热量,Q = CPGw,（,t1t2,）,=4.186600,3.6 (93-30),= 43953kJ/s,发电量,Ne= Q e = 439630.083=3649 kJ/s,5. ORC,热水发电,5.1,工程概况,工程投资概算（单位万元，总计,3500,万元）,序号,项目名称,数量,设备费,基建安装费,备注,1,低沸点发电系统,1,套,2641,345,按,3.5MW,计,2,管网系统,1,套,259,155,3,项目前期费用,50,设计、勘探等,4,其它费用,50,含不可预见费用,5,小计,3000,500,5.2,工程投资,5.3,经济性分析,工业用电价,0.42,元,/,度， 年发电,8000,小时，年供暖,3000,小时,年发电量：,28.0GW.h/a,发电收益：,1122.7,万元,供暖收益：,137.9,万元,节能补贴：,280.7,万元,系统总投资：,3500,万元,工程建设期：,1.2,年,投资回收期：约,3.1,年,1,） 该方案直接利用热水资源，采用低沸点工质发电，该项目节能环保，为国内中低温热量利用发挥“绿色能源”示范作用，创新性强，填补国内空白，符合国家能源政策。,2,） 该项目总投资,0.350,亿元，,3.1,年回收全部投资，经济效益显著。,3,）节约能源减少污染，减排,SO2,量,79.5t/,年，减排,NOX,量,69.2t/,年，减排,CO2,量,24325.2t/,年，增加就业机会，社会效益显著。,5.4,结论,谢谢！,