博客分享 | 将低温热能转化为电能

余热回收系统通过将热能转化为电能来产生电力。当现场温度过低、无法使用传统热回收系统时，ORC工艺便成为了最佳的解决方案。这些低温热源通常指温度低于427ºC的任何热源。事实上，根据美国能源部的一份报告，仅在工业部门的废气流中，温度低于260ºC的热量就可能高达1.5到2.0万亿BTU/年。自然界产生的热源也可能同样丰富。

据估计，全球有400家ORC工厂在运行，其功率在250至50,000千瓦时之间。其中，大约230个工厂用于地热应用，170个工厂用于工业废热、生物质能或太阳能装置。

图1 - CN300，一台300kwe整体式涡轮/发电机组

朗肯循环是当今世界发电的主要热力学循环，其次是柴油(发动机)和布雷顿(燃气轮机)循环。然而，当这些循环的主要能源是煤、天然气或核燃料时，ORC系统可以使用现有的热源作为其能源，因此通常不需要使用任何额外的燃料。

图2 -有机朗肯循环的简化示意图(由维基百科提供)

朗肯循环的工作原理如图2所示。工作流体（通常是水），被泵送到锅炉(1-2)汽化成高温、高压蒸汽(2-3)。产生的蒸汽随后离开锅炉，通过涡轮机的叶片，进入到涡轮机(3)。在这个过程中，能量从热能(温度和压力)转化为机械能(涡轮轴的旋转)。旋转的涡轮可以做一些有用的工作，比如转动发电机发电。

在离开涡轮(4)后，减少能量的蒸汽通过冷凝器被冷却(冷凝)回到液态(4-1)。之后，水从冷凝器流回水泵，循环往复。

在经典的朗肯循环中，我们做了几个假设。其一，锅炉有足够的能力将涡轮所需的热能传递到水中。

然而，在许多能源回收地点，情况并非如此。相反，可用热源的温度比传统蒸汽锅炉低得多，因此使用水作为工作流体的传统朗肯循环将无法工作。

为了在低温应用中发挥作用，ORC系统使用沸点比水低得多的流体作为工作流体。这种低沸点液体使低温应用成为可能。典型的流体包括商用制冷剂，如R125、R134a、R236fa或R245fa，以及碳氢化合物、氨和/或氨-水混合物。使用这些流体中的任何一种作为工作介质，ORC循环都能够提取现场的热能，并将其转换为有用的机械功。否则, 使用传统的朗肯循环处理进行低温转化将在热力学上是不可行的在经济上可能是不合适的。

正如热力学第二定律所述，匹配废热源和工作流体的温度分布，可以减少因热源温度接近吸收热能的流体温度而引起的热能破坏(即熵增)。热源和基于有机流体的散热器之间的这种整合，显著增加了可以从热源回收的热量，提高了机组的总体热效率。

有机工质的物性也保障了膨胀的流体在涡轮中不会有液滴产生。这减少了冲击对涡轮叶型的侵蚀。

ORC系统还有其他几个关键优势。例如，当热源温度低于176ºC时，ORC可能是唯一商业上可行的选择。这是许多地热、胺生产和精炼产品流的典型情况。对于176-260ºC范围内的源温度，ORC的性能通常超过传统的朗肯循环系统。对于任何规模低于2000kwe的工厂，ORC系统的操作和维护也要简单得多。传统的朗肯循环系统也需要非常昂贵的水处理、化学添加剂和不凝性气体处理设备。

最后要注意的是，作为热力学循环的朗肯循环并不局限于任何特定的流体组分，术语“有机”主要是一种命名惯例，以表明工作流体不是水。也就是说，不管它是不是有机朗肯循环，它都是一个朗肯循环，而ORC不应被视为一个单独的热力学循环或过程。