国内ORC低温余热发电系统发展现状及问题分析

近年来，随着我国能源与环境问题面临越来越大的挑战，同时面对可持续发展与重视社会效益意识的加强，加之CO2排放税、环境污染治理成本、政府优惠政策等经济影响因素的出现，以及中高温余热发电的成功应用，资源最为丰富且一直被认为不具备发电经济性的低温余热资源的发电潜力和经济性前景，正得到越来越多的关注。

有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由余热锅炉（或换热器）、透平、冷凝器和工质泵四大部分组成。

01 ORC低温余热发电系统参数

Turboden公司为欧洲领先的发展和生产ORC涡轮式发电机的公司，先进的设备能从来自可再生能源和工业过程的热回收产生热量和电力。Turboden公司在ORC低温余热发电系统方面拥有超过30年的经验，并在此领域拥有很强的技术研发实力，在此领域也占据了大多数市场份额。

Turboden ORC 系列产品特点：

高循环效率机组；

机型选择灵活性高(400kW – 3MW)；

高现场可用率 (>98%)；

机组可在部分负荷条件下运行 (可低至10%)；

机组维护要求低（150-250 小时/年）；

机组寿命长；

机组起停操作简单；

直接驱动机组发电机发电；

02 ORC低温余热发电系统优势

目前ORC余热发电系统可采用有机工质双循环，包括：透平机械、发电机、冷凝器、循环工质泵、余热锅炉、热交换器和预热器，构成导热油——有机工质双循环系统。

1、热效率高。系统本身使用导热油作为中间换热工质，因为导热油在300℃的条件下仍不汽化而保持常压，此时的水蒸气饱和压力已高达8.5MPa。300℃以下，用导热油代替传统的热载体水蒸气，就能以低压管道系统代替高压管道系统，降低投资。此外导热油还具有传热均匀，热稳定性好以及优良的导热特性。导热油对普通的碳钢设备和管道基本上无腐蚀作用，不需要采用类似蒸汽系统的给水脱盐、除氧等复杂的处理过程，因此具有系统简单输送方便等优点。因此用导热油作为工质的机组传热效率高。可选取与有机工质氟利昂不相溶解且不会发生化学反应的导热油，采用油与有机工质氟利昂直接接触热交换的方法，可进一步提高换热效率。

2、适用低温的范围广。对于如何更好地利用低于300℃、甚至更低温度的余热，据各类研究表明：在低温情况下，有机朗肯循环的效率明显比水作为工质的朗肯循环效率高得多，其主要原因是ORC在显热回收方面有较高的效率，由于循环中显热/潜热不相等，而 ORC技术中此比例大，因此采用ORC技术可回收较多的热量。

3、结构简单，体积小。可采用螺杆膨胀机替代汽轮机，其结构相对传统汽轮机简单得多，额定功率小，其适用作为低焓能源动力利用的动力机，因此对有机工质蒸汽做功更适用。鉴于目前螺杆膨胀机还未普及，那么即使使用汽轮机，因有机工质蒸汽比容、焓降小，故所需汽轮机的尺寸（特别是汽轮机末级叶片的高度减小）、排气管道尺寸及空冷冷凝器中的管道直径均较小。

4、噪声小。与水蒸气相比，由于有机工质的声速低，在低叶片速度时，能获得有利的空气动力配合，在50 Hz时能产生较高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱。由于转速低，因此噪声也小。

5、空冷冷却的信价比优势。在缺水地区，优先使用空气冷却的冷凝器。ORC电厂使用的空冷冷凝器要比汽轮机电厂使用的空冷冷凝器的体积小得多，价格也低得多。

03 ORC低温余热发电现状

目前，国内开展ORC低温余热发电的研究单位众多，由于技术扩散比较快，大多数相关科研院校都具有开展理论和实验研究的能力，设备的国内的制造也日趋成熟。

2014年以后，我国相关方面的研究成果更多的涌现了出来，中船重工第七一二研究所研制出大功率ORC低温余热回收发电装置，并掌握了核心技术和知识产权。开山股份国外螺杆膨胀机业务开拓成绩颇多，并在积极进行国内推广，螺杆膨胀机成为该集团的重点和明星业务之一，汉钟精机拥有整体解决方案，并在积极谋划布局市场。银轮股份ORC系统研发获重大突破，开山股份船用ORC系统样机已试制成功，并准备进一步完善和推广。博尔能源国内首台低温余热ORC透平发电机组成功投入商业化运营，首套兆瓦级ORC低温余热综合利用项目在包钢投入使用并且运行效果较好。

这些成绩和事迹说明，我国在ORC低温余热发电系统方面已经取得了很多研究成果，并在积极开展推广和深入研究。

在ORC低温余热发电系统方面，我国还存在着一些固有的缺陷和技术短板，比如在透平系统核心零部件方面，我国的研发实力和技术开发实力较弱，特别是螺杆膨胀机的核心部件，比如转子和型线设计以及运营和制造经验，我国企业一般都比较缺乏，并缺乏核心技术，螺杆膨胀机与螺杆压缩机有一定联系，但是，其技术难度和制造难度比螺杆膨胀机更大。

04 我国低温余热发电存在的问题

1、投入较大、回收期仍较长

膨胀机只是整个余热发电应用系统的一部分，成本也不超过整套系统的30%，但是，ORC低温余热发电系统的整体投入仍然过大，回收期较长，一般都至少需要2、3年以上，使得经济性不突出。

2、缺乏行业标准

作为一个新的市场新的产品，在缺乏检测缺乏行业标准的情况下客户对产品使用年限、系统维护成本存在较大疑虑，不敢贸然进行投资，这里面主要的原因在于国家相关主管部门没有对ORC低温余热充分重视，缺乏相关指导。

3、设计单位缺乏、行业数据不完善

无论是工业余热发电还是地热发电，国内相关系统设计单位缺乏，行业数据非常不完善，对产品的推广不利。例如，钢厂余热利用体系应如何设计，如何保障热源的稳定；又如地热利用需要大量的多年的各地区有关地热的数据进行支撑，方能决定何处地热稳定可用。

4、国家政策支撑乏力

目前，国内已经有厂家推出了螺杆膨胀机产品，具备批量生产能力，但是，国家相关政策匮乏，比如发电补贴，购买机组补贴等政策措施不完善，导致整个行业发展受阻。

5、产业配套与政策支持是关键

相关配套研究与系统的缺乏使得ORC低温余热产品推广难度较大。其次，国家相关政策缺乏。对产品尚无制造标准、对行业没有规范、对产业没有实质补贴都是制约其发展的主要问题。可以看到，螺杆膨胀机余热发电的推广仍有诸多问题需要解决，产业配套与政策支持是首要问题，也是近期需要得到解决的关键问题。未来发展任重而道远。（转载： 智见能源）