ORC循环螺杆膨胀发电系统

ORC螺杆膨胀发电机组在不同地域和季节的性能分析
董冰;张凯;高磊;邢子文
【期刊名称】《制冷技术》
【年(卷),期】2015(000)001
【摘要】低品位的中低温余热不能得到有效利用，是能源利用率低的一个主要原因。

将该部分余热转化为电能则可获得巨大收益。

有机郎肯循环（Organic Ranking Cycle，简称ORC）即是一种利用低沸点的有机工质回收中低温热源的热能并将其转化为电能的技术。

不同地域、不同季节气候条件（主要是温度和相对湿度）不同，ORC发电机组的性能也会受到影响。

本文在介绍了有机朗肯循环系统结构、原理和特点的基础上，分别采用水冷式、蒸发式以及风冷式三种冷凝器，利用NIST软件在Matlab界面下对系统进行计算，分析得到了不同地域和季节气候条件的变化对系统冷凝温度、发电量和发电效率的影响。

【总页数】7页(P11-16,20)
【作者】董冰;张凯;高磊;邢子文
【作者单位】西安交通大学，陕西西安 710049;西安交通大学，陕西西安 710049;西安交通大学，陕西西安 710049;西安交通大学，陕西西安 710049
【正文语种】中文
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(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920519323.X(22)申请日 2019.04.16(73)专利权人 武汉新世界制冷工业有限公司地址 430023 湖北省武汉市金银潭经济发展区银潭路16号(72)发明人 王欢欢　李军　梅毅　刘进亮　李贞成　夏航　(74)专利代理机构 武汉开元知识产权代理有限公司 42104代理人 胡镇西　张敏(51)Int.Cl.F01C 20/24(2006.01)(54)实用新型名称蒸汽型ORC螺杆膨胀发电机组气动阀门气源管道系统(57)摘要本实用新型公开了一种蒸汽型ORC螺杆膨胀发电机组气动阀门气源管道系统，该系统包括依次连接的膨胀机、油分离器、冷凝器、工质泵、回热器以及蒸发器，还包括贮气罐，贮气罐上设置有与上游管道连接的进气管，贮气罐上还设置有第一排气截止阀，蒸发器与膨胀机之间管路上设置有气动快关阀，第一排气截止阀与气动快关阀通过第一排气管连接。

本实用新型的系统设计有贮气罐供气可起到缓冲作用，减少进气管路气流波动，为气动阀门提供稳定气源，使阀门处于稳定状态。

权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 209800028 U 2019.12.17C N 209800028U权　利　要　求　书1/1页CN 209800028 U1.一种蒸汽型ORC螺杆膨胀发电机组气动阀门气源管道系统，包括依次连接的膨胀机(1)、油分离器(2)、冷凝器(3)、工质泵(4)、回热器(5)以及蒸发器(6)，所述膨胀机(1)的出口与油分离器(2)的进口连接，所述油分离器(2)的出口与冷凝器(3)的进口连接，所述冷凝器(3)的出口与工质泵(4)的进口连接，所述工质泵(4)的出口与回热器(5)的进口连接，所述回热器(5)的出口与蒸发器(6)的进口连接，所述蒸发器(6)的出口与膨胀机(1)的进口连接，其特征在于：还包括贮气罐(7)，所述贮气罐(7)上设置有与上游管道(23)连接的进气管(8)，所述贮气罐(7)上还设置有第一排气截止阀(9)，所述蒸发器(6)与膨胀机(1)之间管路上设置有气动快关阀(10)，所述第一排气截止阀(9)与气动快关阀(10)通过第一排气管(11)连接。

102℃常压余热蒸汽有机朗肯循环模拟及经济性分析
徐根东;吴佳军;陈晶晶;王昌松;史册
【期刊名称】《合成技术及应用》
【年(卷),期】2017(32)2
【摘要】针对仪征化纤聚酯11单元102 ℃常压余热蒸汽提出了采用有机朗肯循环(ORC)系统的发电工艺.利用Aspen Plus 7.3流程模拟软件,分析了ORC系统的蒸发压力、冷凝压力、过热度和过冷度对系统热效率和效率的影响.当蒸发压力为1.28 MPa,冷凝压力为0.16 MPa,过冷度和过热度都为0时,系统效率最高.该操作状态下,静态回收期为3.5~5.6年.
【总页数】4页(P44-47)
【作者】徐根东;吴佳军;陈晶晶;王昌松;史册
【作者单位】中国石化仪征化纤有限责任公司,江苏仪征 211900;南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 210009;南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京 210009;南京工业大学材料化学工程国家重点实验室,江苏南京210009;中国石化仪征化纤有限责任公司,江苏仪征 211900
【正文语种】中文
【中图分类】TK115
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我国ORC低温余热发电系统研发获重大突破低温余热发电项目一旦产业化，有望填补国内空白记者昨日从银轮股份获悉，参股公司开山银轮研发的低温余热发电系统（ORC）获得重要突破，利用太阳能蒸汽热水的15kwORC 发电控制系统已成功发电，并已销售样机。

该项目一旦产业化，将填补国内空白，市场前景广阔。

据介绍，该ORC系统主要利用ORC-有机朗肯循环原理，配套主件使用开山股份生产的半封闭式ORC螺杆膨胀发电机和银轮股份研发的板式换热器，使用太阳能蒸汽热水的热量将发电系统内的冷媒加热，使之汽化膨胀，转化为动能带动膨胀发电机，最终转化为电能。

最新试验结果显示，该样机在蒸汽每小时流量350公斤情况下，发电量是15.6千瓦、螺杆转速1515转，完全达到设计要求。

目前，公司已经成功销售样机，售价为20万元/台。

银轮股份人士表示，公司4年前就组建了由博士领衔的团队跟踪研究ORC系统，开山股份则在节能领域拥有技术优势，双方一拍即合于2011年设立合资公司，各持50%股份。

今年3月下旬，项目组开始第一阶段的焊接组装，4月底取得突破性进展。

与此同时，利用柴油机缸套冷却水热量进行发电的15KW螺杆膨胀发电机试制也取得阶段性进展，目前已进入第二阶段的研制，即在利用柴油机缸套冷却水发电的基础上再加上利用柴油机尾气发电，实现两套系统同时发电，做到余热利用最大化，自身耗电最小化。

第三阶段计划向更大功率的船用柴油机拓展。

据了解，ORC系统是光热发电的核心设备，应用十分广泛，比如可用于船用发动机余热发电。

由于船用发动机功率大，且船上发电均以燃烧重油或柴油为主，发电成本高达3元/度，如果一艘船上安装一台15千瓦功率的ORC系统，每小时可发电15度，一天创造经济价值1080元，这样一台ORC系统一年可创造39万元的经济价值。

另如，油井生产过程会产生大量天然气，为安全起见都白白烧掉，而油井作业往往也要用柴油发电来给油井供电，成本十分高且造成污染，若采用ORC系统将会创造良好的经济价值。

有机朗肯循环低温余热发电系统综述作者：赵俊林秦虹来源：《现代商贸工业》2020年第09期摘要：当下我国能源形势日趋严峻。

我国有大量低温余热资源没有得到有效利用，包括太阳能、地热能、工业余热等低温余热资源。

以工业余热为例，我国工业能耗的50%左右没有得到利用，而是通过各种形式的余热直接排放。

导致严重的能源和环境问题。

在低温余热的研究中，学者发现，余热发电不仅可以实现余热资源的循环利用，而且有利于环境保护。

现有的回收技术对低温余热资源回收率较低。

因此，提出了有机朗肯循环低温余热发电（ORC）技术，以实现低温余热的有效利用，并提高能源利用率，改善环境问题，具有显著的社会效益和经济效益。

介绍了有机朗肯循环发电的原理，有机工质、膨胀机、工质泵和换热器的优选，以及ORC余热发电技术的发展前景。

关键词：有机朗肯循环;低温余热回收;利用率;膨胀机的优选中图分类号：TB ; ; 文献标识码：A ; ; ;doi：10.19311/ki.1672-3198.2020.09.0950 引言我国低温余热资源丰富，其中工业余热资源可回收率高达60%，尤其是在钢铁、化工、石油与石化等行业。

目前，我国余热资源回收利用率较低，大型钢铁企业余热利用率最高仅为50%，提高余热利用率的潜力较大。

1 有机朗肯循环发电系统简介有机朗肯循环发电系统（Organic Rankine Cycle，简称ORC）主要由换热器、膨胀机、发电机和工质泵四部分组成。

有机工质从蒸发器的余热中吸收热量，产生具有一定压力和溫度的蒸气。

推动膨胀机运转，推动发电机发电。

膨胀机排出的废气将热量释放到冷凝器的冷却水中，冷凝成液态，最后在工质泵的帮助下返回换热器，完成一个热力循环，从而实现对低温余热的回收利用。

图1所示为ORC低温余热发电系统示意图。

1.1 低温余热资源简介低温余热资源是指企业在生产过程中产生的热量没有得到有效利用。

它具有分散性强、形式多样、产业分布不均、资源质量差异大等特点。

螺杆膨胀发电机原理螺杆膨胀发电机是一种新型的低温热能转换设备，通过利用液态工质在物质相变（蒸发和凝结）时所释放的能量来产生电力。

它具有高效能、低噪音、环保等优点，被广泛应用于能源转换领域。

本文将介绍螺杆膨胀发电机的原理以及其工作过程。

螺杆膨胀发电机基本原理可以用以下步骤来描述：压缩、膨胀、再压缩和再膨胀。

首先，输送泵将液态工质（例如液态丁烷）从蓄热器中抽取并进行压缩。

在压缩过程中，液态工质的温度会显著升高，达到高压状态。

接下来，高温、高压的液态工质进入膨胀机，与与之密封接触的螺杆进行热交换。

螺杆表面采用散热片设计，与冷却剂接触后立即进行蒸发。

当液态工质与散热器的壁面接触时，它会发生相变，从液态转变成气态。

在这个过程中，液态工质会释放大量的热量，从而驱动螺杆旋转。

然后，螺杆将气态工质输送到再压缩器中，再次进行压缩。

在这个过程中，气态工质的温度继续上升。

最后，再膨胀器负责将再压缩的气态工质释放到低压状态，从而再次膨胀。

与之前的膨胀过程类似，工质再次发生相变，从气态转变为液态。

这一过程中释放的热量会继续驱动螺杆旋转。

螺杆膨胀发电机原理的核心是螺杆旋转运动的热力机制。

在螺杆运动的过程中，高温、高压的气态工质的相变释放的热量将螺杆带动旋转。

通过与发电机的连接，螺杆的旋转运动可以转化为电能输出。

螺杆膨胀发电机具有多种优点。

首先，它可以利用低温热能进行发电转换，比如工业废热、地热能等。

这种可再生能源的利用不仅有助于降低能源消耗，还能减少对环境的负面影响。

其次，螺杆膨胀发电机的工作过程相对安静，没有明显的噪音污染。

此外，螺杆膨胀发电机的结构简单、可靠性高，且具有较长的使用寿命。

尽管螺杆膨胀发电机具有许多潜在的优势，但也存在一些挑战需要克服。

首先，螺杆膨胀发电机的效率受到液态工质的选择和热损失的影响。

因此，工程师需要在设计和优化过程中考虑这些因素，以提高发电效率。

同时，螺杆膨胀发电机的大规模应用还需要进一步的技术支持和经济可行性的评估。

ORC螺杆膨胀发电机组ORC screw expansion generator set李军武汉新世界制冷工业有限公司目录一、市场背景二、ORC螺杆膨胀发电机组三、余热利用解决方案中国单位GDP能耗偏高排名国家或地区单位GDP能耗排名国家或地区单位GDP能耗1中国香港0.06737以色列0.1570 2瑞士0.10098新加坡0.1570 3日本0.1121100南非0.8186 4丹麦0.1234102印度0.8411 6英国0.1234104中国大陆0.9084 2008年单位GDP能耗（元/元）按国家或地区排名中国单位GDP能耗是日本的8倍，是世界平均水平的2.2倍，能源浪费可谓触目惊心！低温余热资源我国工业用能中近60-65%的能源转化为余热资源，其中温度低于350℃以下的低温余热，约占余热总量的60%，目前技术尚无法实现对其有效的回收利用，排放至大气，造成能源浪费和环境热污染。

“十一五”以来，我国已开始重视余热回收，但由于技术原因及经济性，350℃以下的余热资源仍然浪费严重。

●钢铁工业余热2010年，我国钢铁工业能耗占全国总能耗的16.3%，产值却只占GDP的3.2%，是名副其实的能耗大户。

1、炼铁高炉产生的90℃冲渣循环热水2、带钢连续退火机组300℃烟气3、高炉、烧结机、热风炉、加热炉、干息焦等烟气余热4、转炉产生的饱和蒸汽●有色冶金工业余热我国有色冶金行业的余热占60%，其中烟气余热占80%，中、低温烟气余热的回收利用基本上处于空白状态。

据不完全统计蕴含可用的热能约0.5亿tce/a，潜在发电能力相当于2个三峡。

●石油●化工●建材●水泥●机车●地热●太阳能螺杆压缩机工作原理螺杆膨胀机工作原理螺杆膨胀机分类余热/余压类型解决方案基本原理水蒸汽(带压力)水蒸汽螺杆膨胀机利用水蒸汽压力直接膨胀，推动膨胀机做功发电各种带压气体气体螺杆膨胀机利用气体压力(如管道天然气)直接膨胀，推动膨胀机做功发电水蒸汽热水烟气发动机尾气ORC螺杆膨胀机利用热源加热制冷剂产生压力，推动膨胀机做功发电ORC螺杆膨胀发电机组ORC（Organic Rankine Cycle）——有机工质朗肯循环其实质是利用余热与环境温度之间的温差，余热热源加热有机工质产生压力，将热能转化为压力能，推动膨胀机做功，带动发电机输出高品位的电能，回收中低品位热能。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201710347636.7(22)申请日 2017.05.17(71)申请人 苏州欧拉透平机械有限公司地址 215400 江苏省苏州市太仓市浏家港镇茜马路18号(72)发明人 王鹏亮　金鼎铭　胡易木　(74)专利代理机构 昆山四方专利事务所 32212代理人 盛建德　李娜(51)Int.Cl.F01D 15/08(2006.01)F01D 15/10(2006.01)F01K 25/08(2006.01)(54)发明名称ORC膨胀机驱动发电机及液体泵节能机组(57)摘要一种ORC膨胀机驱动发电机及液体泵节能机组，包括膨胀机、发电机、蒸发器、液体泵以及冷凝器，所述冷凝器、液体泵、蒸发器、膨胀机依次连接而形成一个循环。

所述发电机的输入端与膨胀机连接且发电机的输出端与液体泵连接，从而膨胀机直接驱动液体泵。

本发明实现了节能和减少ORC系统主要设备部件的双重目的。

权利要求书1页 说明书2页 附图2页CN 106996315 A 2017.08.01C N 106996315A1.一种ORC膨胀机驱动发电机及液体泵节能机组，包括膨胀机、发电机、蒸发器、液体泵以及冷凝器，所述冷凝器、液体泵、蒸发器、膨胀机依次连接而形成一个循环，其特征是：所述发电机的输入端与膨胀机连接且发电机的输出端与液体泵连接，从而膨胀机直接驱动液体泵。

2.根据权利要求1所述的ORC膨胀机驱动发电机及液体泵节能机组，其特征是：所述膨胀机、液体泵和发电机以相同转速转动。

3.根据权利要求1所述的ORC膨胀机驱动发电机及液体泵节能机组，其特征是：还包括位于膨胀机和发电机之间以及液体泵和发电机之间的两个变速系统，所述膨胀机、液体泵和发电机通过变速系统形成相同的工作转速后以相同转速转动。

权　利　要　求　书1/1页CN 106996315 AORC膨胀机驱动发电机及液体泵节能机组技术领域[0001]本发明涉及一种有机朗肯循环(OrganicRankinCycle，ORC)系统，尤其是一种ORC 膨胀机驱动发电机及液体泵节能机组。

ORC循环螺杆膨胀发电系统ORC循环螺杆膨胀发电系统引言：对于螺杆膨胀机而言，废热、余热热源可分两类：带压蒸汽，无压热源。

对于大多数的热源，利用有机朗肯循环，可以把温度变为压力，从而转化为动力输出，这时使用ORC 型螺杆膨胀机。

在热源为带一定压力的水蒸汽时，可以使用蒸汽螺杆膨胀机加有机朗肯循环动力机。

余热及废热背景知识石油、化工、采油行业：在工艺过程中伴随有大量的水蒸气，也产生大量的热水，这些废弃、排放掉的热源都可以利用螺杆膨胀机来回收发电。

80℃以上的热水均可以考虑余热发电。

治金和钢铁企业：在加热炉冷却套均有热水、热蒸汽生产，这些热源要么冷却、要么排放掉。

对于低压水蒸汽，可以使用背压式汽轮机或德耐尔蒸汽螺杆膨胀机发电，随后产生的背压蒸汽，再进入O RC 螺杆膨胀发电站发电。

串联使用后的水蒸汽变为热水，发电效率高于传统的凝汽式汽轮机。

相应地，一吨蒸汽采用凝汽式汽轮机技术可以多发13kW 电力；一吨蒸汽采用背压式汽轮机加O RC 螺杆膨胀机串联发电技术可以多发53kW 电力。

电力企业：尤其热电联产企业，有许多蒸汽减温、减压节流过程和排放的过程〔如连排水排放〕，可以用德耐尔蒸汽螺杆膨胀机或德耐尔有机朗肯循环动力机来托动负载或者发电。

地热发电和太阳能发电方面：螺杆膨胀机提供了一种非常好的能量转换途径，把热量转化为动力，不再局限于太阳能电池。

其他的行业：包括建材水泥、造纸、印染、纺织、糖业、食品、酒业、药厂等等领域，螺杆膨胀机都具有非常好的应用前景。

柴油机的余热：柴油机的燃料热源，大约35-45% 转变为轴功，10-22% 被冷却水带走，25-40% 被废气带走，4-7% 被润滑油带走。

对于螺杆膨胀机而言，废热、余热热源可分两类：带压蒸汽，无压热源。

对于大多数的热源，利用有机朗肯循环，可以把温度变为压力，从而转化为动力输出，这时使用O RC 型螺杆膨胀机。

在热源为带一定压力的水蒸汽时，可以使用蒸汽螺杆膨胀机加有机朗肯循环动力机。

浅谈ORC螺杆膨胀机在油田地热发电的应用在油田开发中，存在很多“报废油气井”、“干井”或“热水井”，如果对这些井采取一定的措施，完全可以利用其开采地热，变成“地热井”或“油—热—电”联产井。

此外，油田的回灌系统已经在开采油气的过程中建成并运行，不需要另行建设，也为地热开发创造了条件。

如何利用ORC螺杆膨胀机在油田进行地热发电，是本文探讨的重点。

二、油田地热现状目前，油田可用热源主要有“老油井伴生热水”和“地热井”两种，井口温度从85℃-90℃不等，工艺流程要求回水温度在70℃，只能利用有机朗肯循环（ORC）配合螺杆膨胀机才能发挥最大效益。

三、有机朗肯循环3.1原理有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由换热器、动力机、冷凝器和工质泵四大部套组成。

在这种发电系统中，采用两种流体：一种是采用地热流体作热源，它在蒸汽发生器中冷却后同层回注；另一种是采用低沸点工质流体作为一种工作介质，种工质在蒸汽发生器内由于吸收了地热水放出的热量而汽化，产生的低沸点工质蒸汽送入动力机带动发电机组发电。

做完功后的蒸汽在冷凝器中冷凝成液体，然后经循环泵打回蒸汽发生器再循环工作。

3.2应用案例1977年，西藏羊八井地热电站利用一台改装过的汽轮配合重力离心式汽水分离器、淋水盘型混合式凝汽器进行发电。

该机组采用单级扩容循环，由于这台主要是承担试验任务，系统较为简单，目前，该试验机组已经停运。

3.3特点热源要求：70℃≤温度≤160℃，压力≥0.1MPa的饱和水或蒸汽；优点：系统运行稳定、发电效率较高；对资源品质要求低；发电量可灵活调整，热源气体不直接与汽轮机叶轮接触，100%回灌，最大程度保持产出。

缺点：投资较大；循环系统密封要求高，运行成本高，易发生环保事故；换热器结垢，保养成本较高；单机容量较小；适用于适应化学成分比较复杂的热源。

四、双螺杆膨胀机4.1原理螺杆膨胀机是一种容积式发动机，工作原理是利用阴、阳螺杆槽道中热流体体积的膨胀作用，推动阴、阳螺杆向相反方向旋转，实现热能转换成机械能的作功。

专利名称：黄磷尾气燃烧分缸驱动ORC螺杆膨胀发电系统专利类型：实用新型专利
发明人：李文海
申请号：CN201320027332.X
申请日：20130118
公开号：CN203097962U
公开日：
20130731
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种黄磷尾气燃烧分缸驱动ORC螺杆膨胀发电系统。

黄磷尾气(14)通过尾气引入装置(1)引入燃气锅炉燃烧，锅炉蒸汽沿蒸汽管(3)通过调节阀(6)进入分汽缸(16)后分别进入减压阀(17)和压力调节阀(4)内，压力调节阀(4)对蒸汽进行温度、压力调节后进入ORC螺杆膨胀发电机(5)发电。

对已购置燃气锅炉的黄磷企业而言，只需购置一套蒸汽驱动ORC螺杆膨胀发电系统便可实现燃烧黄磷尾气发电，提高了燃气锅炉的利用率，降低了前期投入。

使用分汽缸改善了蒸汽压力的稳定性，同时满足生产工艺的蒸汽需求，使ORC螺杆膨胀发电机5能够处于稳定的发电工况，延长了设备的使用寿命，且发电的电压更为稳定。

申请人：昆明海之侠节能设备有限公司
地址：650000 云南省昆明市人民西路380号熙城大厦23层2320室
国籍：CN
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