有机工质汽轮机

技术简介

       有机朗肯循环（ORC）系统是采用低沸点的有机物作为循环工质，通过朗肯循环，实现电力输出的过程。和水蒸气相比，低沸点有机工质的临界温度和汽化潜热较低，可以实现低品位热源的高效循环过程，实现低温废热的回收利用和低品位热源的开发。结合我国能源结构调整政策，应用ORC技术进行低温余热发电，势在必行，其应用包括燃气轮机乏汽、内燃机组乏汽、工业余热、生物质能、地热能、太阳能等各种低温余热场所。

       目前为止，国内外ORC系统中使用的膨胀机大概分为三类，即螺杆膨胀机、单级或多级轴流式汽轮机、径流式汽轮机。国内多使用螺杆机作为ORC系统的膨胀机，其余热回收效率较低。而轴流式汽轮机单级焓降小，若要增大功率，则需使用多级轴流式汽轮机，其结构复杂，制造难度大，成本高。

       有机工质汽轮机为单级径流式汽轮机，突破了国内在ORC系统中膨胀机选择的局限，提供了一种具有单级焓降大、效率高、结构简单等优点的膨胀机型。有机工质汽轮机由进口蜗壳、导向叶栅、叶轮以及扩压器四部分组成。由于有机工质在汽轮机内部由径向流入、轴向流出的过程中，需要克服离心力做功，这就使得径流式汽轮机具有高压比、单级焓降大等特点。此外，有机工质汽轮机还具有结构简单、紧凑等特点。

技术指标

技术特点

在ORC系统方面，应用有机工质汽轮机具有以下优势：

（1）若设计合理，则级的余速损失和叶轮中的流动损失都比较小，有可能获得较高的轮周效率，在小流量工况下尤其明显。

（2）有机工质汽轮机对导向叶栅的气动性能要求不高，即使制造精度不高，表面粗糙度较大，叶片表面积垢等，透平的轮周效率的影响也不会太大，因此在制造叶轮时可以使用简单、高效的加工工艺。

（3）有机工质汽轮机结构简单、紧凑，只有为数不多的几种零件。

（4）有机工质汽轮机也有径向尺寸大、工作转速高等缺点，而且对功率有一定限制。但是在低温余热循环系统中，综合各方面的因素考虑，有机工质汽轮机仍然是膨胀机的首要选择。

技术水平

       国际领先

应用领域和范围

       有机工质汽轮机可应用于有机朗肯循环（ORC）系统作为膨胀机。技术成熟的ORC系统可广泛应用于钢铁、水泥、冶金等工业领域一挥手低温余热进行发电，还可应用在包括燃气轮机乏汽、内燃机组乏汽、太阳能、地热能、生物质能等各种低品位热源的利用中。此外，有机工质汽轮机还可用于空分设备和制冷行业。

专利状态

       已取得专利3项

技术状态

       试生产、应用开发阶段

合作方式

       合作开发

投入需求

       5000万元

转化周期

       3～5年

预期效益

       由于有机工质汽轮机在ORC系统中的应用，克服了螺杆膨胀机效率低，以及轴流式汽轮机结构复杂、工艺繁琐、成本高等缺点，具有广阔的市场前景。以电解铝产业为例，电解铝产业是我国重要的支柱性原材料产业，2014年末我国电解铝产能为3500万吨，约占全球的40%。电解槽的排烟热损失约占整个槽体系能量支出的20～35%，而排烟温度仅在100℃～140℃之间。采用ORC系统可以有效地将电解槽烟气余热转换为电能，为电解铝工艺生产的辅机供电。一方面节约电解铝生产耗电，提高能源利用率；另一方面降低了电解铝排烟温度，更加环保。采用有机工质汽轮机的ORC系统还可运用在钢铁、水泥、石油化工等工业领域以回收低温余热进行发电，实现节能减排、降低能耗、提高能源利用率的目标。此外，采用有机工质汽轮机的ORC系统在生物质能、地热能、太阳能等新能源领域的广泛应用，可改善国家的能源结构，减少高污染的化石能源的应用比例。