有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，簡稱ORC）是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，主要由余熱鍋爐（或換熱器）、透平、冷凝器和工質(zhì)泵四大部分組成。
由于ORC在利用低品位能源方面具有眾多的優(yōu)勢，國內(nèi)外的許多學(xué)者都展開了各方面的研究工作。目前對有機(jī)朗肯循環(huán)的研究主要分四個階段：
第一階段：確定應(yīng)用場合及工作條件
主要任務(wù)是確定有機(jī)朗肯循環(huán)應(yīng)用的范圍，明確冷熱源溫度和能量負(fù)載等基本邊界條件；
第二階段：進(jìn)行循環(huán)基本的熱力學(xué)分析
主要任務(wù)是根據(jù)已確定循環(huán)邊界條件，結(jié)合工質(zhì)的熱物性，進(jìn)行熱力學(xué)分析比較，明確熱力過程，完善熱力循環(huán)設(shè)計，工質(zhì)的熱物性對循環(huán)的性能其決定性作用，工質(zhì)的篩選也是此階段的重要工作；
第三階段：研究與實際熱源相結(jié)合的過程
在此過程中需要考慮到工質(zhì)的流動性能和熱力學(xué)性能，同時對循環(huán)系統(tǒng)中特定的裝置部件例如透平機(jī)等的研究也需要展開；
第四階段：系統(tǒng)的工程實際應(yīng)用
主要是各種輔助設(shè)備的不斷完善和改進(jìn)，包括控制軟件與輔助部件等。
從目前的文獻(xiàn)資料來看，大多數(shù)研究都集中于第二個和第三個階段。工質(zhì)是
影響整個熱力循環(huán)關(guān)鍵核心因素，工質(zhì)篩選將仍是研究的重點(diǎn)，如何根據(jù)不同的應(yīng)用背景（如太陽能、地?zé)崮堋⒐I(yè)余熱、生物質(zhì)能、LNG等）及不同熱源形式和溫度來篩選經(jīng)濟(jì)性好、環(huán)境友好和性能優(yōu)良的工質(zhì)仍是目前研究的重點(diǎn)。純工質(zhì)的傳熱特性、易燃性和材料兼容性等應(yīng)該投入更多的研究工作，同時混合工質(zhì)的熱物性和傳熱特性也亟待解決。
Industrial Waste gas recovery ORC Power System
Distributed Renewable Energy Power system
膨脹機(jī)是 ORC系統(tǒng)中的核心部件。膨脹機(jī)的選擇不僅影響 ORC 系統(tǒng)的性能，還影響到其他設(shè)備的選型和系統(tǒng)的整體造價。一般而言，膨脹機(jī)分為速度型
膨脹機(jī)，如徑向透平，和容積式膨脹機(jī)，如螺桿膨脹機(jī)、渦旋膨脹劑、往復(fù)式活塞膨脹機(jī)等。
單螺桿膨脹機(jī)Single Screw Expender
ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢
目前ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)可采用有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)，包括：透平機(jī)械、發(fā)電機(jī)、冷凝器、循環(huán)工質(zhì)泵、余熱鍋爐、熱交換器和預(yù)熱器，構(gòu)成導(dǎo)熱油——有機(jī)工質(zhì)雙循環(huán)系統(tǒng)。
ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)勢：
系統(tǒng)本身使用導(dǎo)熱油作為中間換熱工質(zhì)，因為導(dǎo)熱油在300℃的條件下仍不汽化而保持常壓，此時的水蒸氣飽和壓力已高達(dá)8.5MPa。300℃以下，用導(dǎo)熱油代替?zhèn)鹘y(tǒng)的熱載體水蒸氣，就能以低壓管道系統(tǒng)代替高壓管道系統(tǒng)，降低投資。此外導(dǎo)熱油還具有傳熱均勻，熱穩(wěn)定性好以及優(yōu)良的導(dǎo)熱特性。導(dǎo)熱油對普通的碳鋼設(shè)備和管道基本上無腐蝕作用，不需要采用類似蒸汽系統(tǒng)的給水脫鹽、除氧等復(fù)雜的處理過程，因此具有系統(tǒng)簡單輸送方便等優(yōu)點(diǎn)。因此用導(dǎo)熱油作為工質(zhì)的機(jī)組傳熱效率高。
可采用螺桿膨脹機(jī)替代汽輪機(jī)，其結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)汽輪機(jī)簡單得多，額定功率小， 其適用作為低焓能源動力利用的動力機(jī)，因此對有機(jī)工質(zhì)蒸汽做功更適用。
鑒于目前螺桿膨脹機(jī)還未普及，那么即使使用汽輪機(jī)，因有機(jī)工質(zhì)蒸汽比容、焓降小，故所需汽輪機(jī)的尺寸（特別是汽輪機(jī)末級葉片的高度減小）、排氣管道尺寸及空冷冷凝器中的管道直徑均較小。
與水蒸氣相比，由于有機(jī)工質(zhì)的聲速低，在低葉片速度時，能獲得有利的空氣動力配合，在50 Hz時能產(chǎn)生較高的汽輪機(jī)效率，不需要裝齒輪箱。由于轉(zhuǎn)速低， 因此噪聲也小。
可選取與有機(jī)工質(zhì)氟利昂不相溶解且不會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的導(dǎo)熱油，采用油與有機(jī)工質(zhì)氟利昂直接接觸熱交換的方法，可進(jìn)一步提高換熱效率。
在缺水地區(qū)，優(yōu)先使用空氣冷卻的冷凝器。ORC電廠使用的空冷冷凝器要比水蒸氣電廠使用的空冷冷凝器的體積小得多，價格也低得多。
ORC發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的根本區(qū)別在于采用有機(jī)工質(zhì), 所以工質(zhì)特性將主導(dǎo)整個發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及效率。國內(nèi)外都對有機(jī)工質(zhì)對于 ORC系統(tǒng)的影響有研究，相比而言國內(nèi)僅僅是起步階段。
對于如何更好地利用低于300℃、甚至更低溫度的余熱，據(jù)各類研究表明：在低溫情況下，有機(jī)朗肯循環(huán)的效率明顯比水作為工質(zhì)的朗肯循環(huán)效率高得多，其主要原因是ORC在顯熱回收方面有較高的效率，由于循環(huán)中顯熱/潛熱不相等，而 ORC技術(shù)中此比例大，因此采用ORC技術(shù)可回收較多的熱量。
近年來，隨著我國能源與環(huán)境問題面臨越來越大的挑戰(zhàn)，同時面對可持續(xù)發(fā)展與重視社會效益意識的加強(qiáng)，加之CO2排放稅、環(huán)境污染治理成本、政府優(yōu)惠政策等經(jīng)濟(jì)影響因素的出現(xiàn)，以及中高溫余熱發(fā)電的成功應(yīng)用，資源最為豐富且一直被認(rèn)為不具備發(fā)電經(jīng)濟(jì)性的低溫余熱資源的發(fā)電潛力和經(jīng)濟(jì)性前景，正得到越來越多的關(guān)注。
國外ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展情況
國外主要ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)公司包括：以色列的Ormat Technologies公司，位于意大利的Turboden公司（現(xiàn)為三菱重工業(yè)公司子公司），還包括德國的ADORATEC GmbH公司、Maxxtec GmbH公司、法國的Cryostar Cryogenic公司、美國的ElectraTherm公司、GE公司、Infinity Turbine公司等。
|
國家 |
低溫余熱應(yīng)用情況 |
領(lǐng)軍企業(yè)及特點(diǎn) |
|
美國 |
低溫余熱資源利用較充分的國家之一，在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)方面走在了世界的前列，應(yīng)用較為廣泛 |
GE公司、聯(lián)合技術(shù)公司、ElectraTherm公司、Infinity Turbine公司 |
|
俄羅斯 |
在ORC低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域的技術(shù)實力較強(qiáng)，由于前蘇聯(lián)在此領(lǐng)域進(jìn)行了許多研究，部分技術(shù)實力居于世界領(lǐng)先水平 |
缺乏此領(lǐng)域的領(lǐng)軍企業(yè)，沒有有效的開拓國際市場 |
|
以色列 |
在ORC低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域的實力非常強(qiáng)，我國的第一個地?zé)?/span>ORC低溫余熱發(fā)電項目就是引進(jìn)的以色列技術(shù)并實現(xiàn)了穩(wěn)定運(yùn)行，該國在此領(lǐng)域進(jìn)行了長期的跟蹤研究。在國際市場占有較大的市場份額，并是在美國上市的企業(yè)，擁有很強(qiáng)的行業(yè)地位。 |
有此領(lǐng)域國際領(lǐng)先的大企業(yè)——Ormat Technologies |
|
德國 |
重視清潔能源開發(fā)和研究，在ORC低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域，德國也擁有許多公司從事專業(yè)研發(fā)，德國的企業(yè)一般為小而精的民營企業(yè)，也擁有較強(qiáng)的市場競爭力，并在技術(shù)研發(fā)方面擁有獨(dú)特的實力。 |
ADORATEC GmbH公司、Maxxtec GmbH公司、GMK、Bosch KWK等小規(guī)模企業(yè) |
|
意大利 |
最好早進(jìn)行ORC低溫余熱發(fā)電研發(fā)的國家之一，意大利米蘭理工大學(xué)在ORC低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域進(jìn)行了很長時間的跟蹤研究，Turboden公司的創(chuàng)始人和總經(jīng)理就是該校的教授，并積極支持意大利開展相關(guān)方面的研究 |
Turboden公司（三菱重工收購） |
|
英國 |
也是最早開始進(jìn)行ORC低溫余熱發(fā)電研究的國家之一，該國有多家企業(yè)從事ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)，英國還與其它國家緊密合作，共同開發(fā)ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng) |
|
|
法國 |
在ORC低溫余熱發(fā)電研究方面也投入了很多人力物力，該國的很多企業(yè)都極其重視余熱回收，注重保護(hù)環(huán)境和節(jié)能資源、能源，因此，法國在余熱回收方面做了大量的工作，余熱回收的效果也比較明顯 |
Cryostar Cryogenic， |
以色列的Ormat Technologies公司和位于意大利的Turboden公司在ORC低溫余熱發(fā)電領(lǐng)域具有較強(qiáng)的技術(shù)實力和長期的市場開發(fā)經(jīng)驗和積累，在此領(lǐng)域具有較大的話語權(quán)，下面對這兩家公司的ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行介紹。
Ormat Technologies公司ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)水平
該公司提供的可再生能源解決方案，包括了ORMAT® ENERGY CONVERTER (OEC)技術(shù)，它可以將低、中、高溫?zé)崮苻D(zhuǎn)化為電能，該公司擁有超過77項的全球?qū)＠琌EC是一種先進(jìn)的有機(jī)郎肯循環(huán)技術(shù)，該公司通過30多年的最具挑戰(zhàn)性的條件下使用改進(jìn)和完善該技術(shù)。Ormat靈活的模塊化解決方案，對于地?zé)崮埽稍偕茉春瓦h(yuǎn)程發(fā)電都是在該技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它也可以專門為定制的電廠設(shè)計。
該公司的專利技術(shù)使地?zé)衢_發(fā)人員能夠有效地和經(jīng)濟(jì)的使用各種天然地?zé)豳Y源，——從低溫地?zé)崴礁邏赫羝Ｔ谌蚍秶鷥?nèi)，OEC轉(zhuǎn)換能源，不管是地?zé)帷怏w或熱能到寶貴的電力，同時將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置的更加簡單、可靠性和保持低運(yùn)營成本。
Turboden公司ORC低溫余熱發(fā)電技術(shù)水平
該公司為歐洲領(lǐng)先的發(fā)展和生產(chǎn)ORC渦輪式發(fā)電機(jī)的公司，先進(jìn)的設(shè)備能從來自可再生能源和工業(yè)過程的熱回收產(chǎn)生熱量和電力。該公司由米蘭理工大學(xué)的能源學(xué)教授Mario Gaia在米蘭創(chuàng)立于1980年，Mario Gaia今天擔(dān)任著公司的總經(jīng)理，他與米蘭理工大學(xué)的緊密聯(lián)系使得公司可以招募到高素質(zhì)的研發(fā)人員。
在2009年，Turboden成為UTC Corp的一部分，UTC（聯(lián)合技術(shù)公司）是全球領(lǐng)先的航空發(fā)動機(jī)、航空驅(qū)動系統(tǒng)、發(fā)電燃?xì)鉁u輪機(jī)的開發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)商。2013年，UTC決定與三菱重工（Mitsubishi Heavy Industries）形成戰(zhàn)略聯(lián)盟，目前，Turboden s.r.l.和PW Power Systems, Inc（主要生產(chǎn)工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)）成為Mitsubishi Heavy Industries集團(tuán)公司的一部分，這樣，Mitsubishi Heavy Industries可以提供更加廣泛的熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)品與服務(wù)。
Turboden公司在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)方面擁有超過30年的經(jīng)驗，并在此領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的技術(shù)研發(fā)實力，在此領(lǐng)域也占據(jù)了大多數(shù)市場份額。
Turboden ORC 系列產(chǎn)品特點(diǎn)：
●高循環(huán)效率機(jī)組
●機(jī)型選擇靈活性高(400kW – 3MW)
●高現(xiàn)場可用率 (>98%)
●機(jī)組可在部分負(fù)荷條件下運(yùn)行 (可低至10%)
●機(jī)組維護(hù)要求低（150-250 小時/年）
●機(jī)組壽命長
●機(jī)組起停操作簡單
●直接驅(qū)動機(jī)組發(fā)電機(jī)發(fā)電
國內(nèi)ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展及問題分析
目前，國內(nèi)開展ORC低溫余熱發(fā)電的研究單位眾多，由于技術(shù)擴(kuò)散比較快，大多數(shù)相關(guān)科研院校都具有開展理論和實驗研究的能力。國內(nèi)主要的研究單位包括：中國船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，清華大學(xué)熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實驗室，天津大學(xué)中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實驗室，西安交通大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，上海交通大學(xué)熱能工程研究所，浙江大學(xué)能源系，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)和能源工程系，昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院等院校都開展了相關(guān)研究。
國內(nèi)的主要制造單位包括：開山股份，江西華電電力有限責(zé)任公司，博爾能源，浙江銀輪機(jī)械股份有限公司，上海齊耀動力技術(shù)有限公司，寧波市鄞州風(fēng)源機(jī)電有限公司，廈門高譜科技有限公司，秦皇島同力達(dá)集團(tuán)公司，中材節(jié)能股份有限公司，安徽海螺川崎裝備制造有限公司，大連易世達(dá)新能源發(fā)展股份有限公司，南京凱盛國際工程有限公司等也開展了相關(guān)的研究。
目前，我國出現(xiàn)了大批ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)成果，有些成果已經(jīng)實現(xiàn)了投產(chǎn)，并取得了良好的運(yùn)行效果。進(jìn)入2014年，我國相關(guān)方面的研究成果更多的涌現(xiàn)了出來，中船重工第七一二研究所研制出大功率ORC低溫余熱回收發(fā)電裝置，并掌握了核心技術(shù)和知識產(chǎn)權(quán)。開山股份國外螺桿膨脹機(jī)業(yè)務(wù)開拓成績頗多，并在積極進(jìn)行國內(nèi)推廣，螺桿膨脹機(jī)成為該集團(tuán)的重點(diǎn)和明星業(yè)務(wù)之一，漢鐘精機(jī)擁有整體解決方案，并在積極謀劃布局市場。銀輪股份ORC系統(tǒng)研發(fā)獲重大突破，開山股份船用ORC系統(tǒng)樣機(jī)已試制成功，并準(zhǔn)備進(jìn)一步完善和推廣。博爾能源國內(nèi)首臺低溫余熱ORC透平發(fā)電機(jī)組成功投入商業(yè)化運(yùn)營，首套兆瓦級ORC低溫余熱綜合利用項目在包鋼投入使用并且運(yùn)行效果較好。
這些成績和事跡說明，我國在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)方面已經(jīng)取得了很多研究成果，并在積極開展推廣和深入研究。
在ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)方面，我國還存在著一些固有的缺陷和技術(shù)短板，比如在透平系統(tǒng)核心零部件方面，我國的研發(fā)實力和技術(shù)開發(fā)實力較弱，特別是螺桿膨脹機(jī)的核心部件，比如轉(zhuǎn)子和型線設(shè)計以及運(yùn)營和制造經(jīng)驗，我國企業(yè)一般都比較缺乏，并缺乏核心技術(shù)，螺桿膨脹機(jī)與螺桿壓縮機(jī)有一定聯(lián)系，但是，其技術(shù)難度和制造難度比螺桿膨脹機(jī)更大。
目前，我國ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展主要困難和問題如下：
投入較大、回收期仍較長
膨脹機(jī)只是整個余熱發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)的一部分，成本也不超過整套系統(tǒng)的30%，但是，ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的整體投入仍然過大，回收期較長，一般都至少需要2、3年以上，使得經(jīng)濟(jì)性不突出。
缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
作為一個新的市場新的產(chǎn)品，在缺乏檢測缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下客戶對產(chǎn)品使用年限、系統(tǒng)維護(hù)成本存在較大疑慮，不敢貿(mào)然進(jìn)行投資，這里面主要的原因在于國家相關(guān)主管部門沒有對ORC低溫余熱充分重視，缺乏相關(guān)指導(dǎo)。
設(shè)計單位缺乏、行業(yè)數(shù)據(jù)不完善
無論是工業(yè)余熱發(fā)電還是地?zé)岚l(fā)電，國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計單位缺乏，行業(yè)數(shù)據(jù)非常不完善，對產(chǎn)品的推廣不利。例如，鋼廠余熱利用體系應(yīng)如何設(shè)計，如何保障熱源的穩(wěn)定；又如地?zé)崂眯枰罅康亩嗄甑母鞯貐^(qū)有關(guān)地?zé)岬臄?shù)據(jù)進(jìn)行支撐，方能決定何處地?zé)岱€(wěn)定可用。
國家政策支撐乏力
目前，國內(nèi)已經(jīng)有廠家推出了螺桿膨脹機(jī)產(chǎn)品，具備批量生產(chǎn)能力，但是，國家相關(guān)政策匱乏，比如發(fā)電補(bǔ)貼，購買機(jī)組補(bǔ)貼等政策措施不完善，導(dǎo)致整個行業(yè)發(fā)展受阻。
產(chǎn)業(yè)配套與政策支持是關(guān)鍵
相關(guān)配套研究與系統(tǒng)的缺乏使得ORC低溫余熱產(chǎn)品推廣難度較大。其次，國家相關(guān)政策缺乏。對產(chǎn)品尚無制造標(biāo)準(zhǔn)、對行業(yè)沒有規(guī)范、對產(chǎn)業(yè)沒有實質(zhì)補(bǔ)貼都是制約其發(fā)展的主要問題。可以看到，螺桿膨脹機(jī)余熱發(fā)電的推廣仍有諸多問題需要解決，產(chǎn)業(yè)配套與政策支持是首要問題，也是近期需要得到解決的關(guān)鍵問題。未來發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。
