315 kW 有机朗肯循环试验样机开发

周刚，杨佐卫，李应超

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

有机物朗肯循环（简称“ORC”）是以烷烃或制冷剂等有机物替代水作为工质的发电循环。ORC地热发电、ORC 废热回收、燃气轮机与ORC 模块联合循环发电等主要应用场景的市场潜力巨大，全世界装机容量已超过4 GW，其热力循环的技术可行性已经过市场验证，但核心技术长期被ORMAT、Turboden 等国外生产商垄断[1]。与此同时，国内愿意长期投入研发资源、由底层逐一突破关键核心技术的厂家较少，导致此技术尚未在国内产业化。目前已有的应用包括采用最大单机功率400 kW 螺杆膨胀机的ORC 模块以及国外引进采用280 kW 径流式膨胀机的ORC 模块，单机功率过小，不适合兆瓦级大功率应用场合[2]。

鉴于此，公司在火电市场下行预期条件下，开展有机朗肯循环（ORC）发电技术研究，2019 年以某16 MW ORC 地热发电厂作为设计实例，从系统级到设备级完成了全电厂的设计开发并向目标业主提资。

为了完成上述ORC 地热发电厂的技术验证，同时形成面向烟气废热回收发电的ORC 发电产品，在“铝合金径流透平-永磁同步发电机-电磁轴承全封闭一体化结构”、有机工质换热器、全系统变工况性能评估、全系统协同控制策略等关键核心技术攻关完成后，于厂内搭建315 kW 有机朗肯循环（ORC）试验样机。

1 有机物朗肯循环基本原理与适用范围

1.1 ORC 循环基本原理

ORC 循环（如试验样机）由透平、发电机、蒸发器等主设备构成，如图1 所示，ORC 循环过程（温熵图）如图2 所示。

图1 试验样机总体方案

图2 ORC 循环过程温熵图

液态有机工质（R245fa）通过工质泵升压后进入预热器，吸热升温后进入蒸发器，在蒸发器内吸热并蒸发的有机工质从液态变为气态，气态工质进入透平，推动透平做功完成后进入空冷岛冷凝为液态，再回到工质泵入口完成整个循环。

1.2 ORC 循环热力模型[3-4]

与图1 和图2 对应的ORC 循环热力模型计算公式如下：

透平功率：

透平效率：

空冷岛热负荷：

工质泵耗功：

工质泵效率：

预热器热负荷：

蒸发器热负荷：

热源向ORC 循环提供的总热负荷：

分配给预热器和蒸发器的热负荷：

由此可以求解工质质量，ms：

不考虑空冷岛风机及其他辅助设备耗功，则有ORC 循环净功率：

ORC 循环效率：

式中，Wt为透平输出功率，kJ/s；hx为工质在循环各节点的实际焓值，x=1～5，kJ/kg；hx,is为工质在循环各节点的理想焓值，x=2、5，kJ/kg；ηt为透平总效率；ηp为工质泵效率；ms为有机工质质量流量，kg/s；mw为外部热源质量流量，kg/s；Qc为工质侧空冷岛热负荷，kJ/s；Qpre为工质侧预热器热负荷，kJ/s；Qeva为工质侧蒸发器热负荷，kJ/s；Qw为热源侧总热负荷，kJ/s；Qw1为热源侧预热器热负荷，kJ/s；Qw2为热源侧蒸发器热负荷，kJ/s；hwin为热源侧进口焓值，kJ/kg；hwp为热源侧蒸发器出口焓值，kJ/kg；hwout为热源侧预热器出口焓值，kJ/kg；Wnet为ORC 系统净输出功率，kW；Twin为热源进口温度，℃；Twout为热源出口温度，℃。

1.3 有机朗肯循环适用范围

有机朗肯循环（ORC）适用范围如图3 所示，热源温度低于225 ℃，直至20 MW 或更大功率，ORC发电具有统治性优势[5]；当发电功率≤1 MW，热源温度直至300 ℃，ORC 发电仍然优势显著。

图3 有机朗肯循环适用范围

1.4 与蒸汽朗肯循环的区别

与蒸汽朗肯循环（SRC）的区别见表1。

表1 与蒸汽朗肯循环的对比

2 样机方案与试验系统

2.1 样机方案

厂内315 kW ORC 试验样机由作为设计实例并向业主提资的16 MW ORC 地热发电厂模化而来，三维布局如图4 所示，冷端采用直接空冷，热端采用蒸汽模拟烟气作为热源，其间采用中间闭式循环水系统传递热量。

图4 试验样机三维布置图

试验样机设计参数：功率等级315 kW（设计工况发电净功率≥250 kW），工质R245fa，热源温度设计点134 ℃、试验范围100～150 ℃，净发电效率≥8%（无回热）。

2.2 试验系统

试验系统布置如图5 所示，其分为3 个子系统，从左到右依次为：（蒸汽）热源子系统、中间闭式循环水子系统、ORC 循环子系统；前2 个子系统之间通过中间换热器模拟烟气换热器传递热量，管侧为带压热水、壳侧为蒸汽冷凝；后2 个子系统之间通过蒸发器和预热器传递热量，管侧为带压热水，壳体为有机工质。试验用的热源蒸汽来自公司现有的蒸汽锅炉，通过管道将其引入系统，蒸汽冷却后的凝结水直接排污。

图5 试验系统布置图

2.3 全电厂变工况性能评估

热端变工况试验热源温度（热水温度）100～145 ℃，冷端变工况冷源温度（环境温度）0～35℃。热源变工况功率曲线如图6 所示，冷源变工况功率曲线如图7 所示，发电机功率和净发电功率呈线性变化，净发电效率5.5%～8.8%、满足≥8%的设计要求。

图6 热源变工况功率曲线

图7 冷源变工况功率曲线

2.4 透平-发电机全封闭一体化结构

本试验样机采用“铝合金径流透平－永磁同步发电机－电磁轴承”全封闭一体化结构，电机中置，叶轮悬于发电机两端，采用电磁轴承支撑轴系。

由于径流式透平叶轮与发电机置于同一壳体内，电机使用有机工质R245fa 冷却，丢掉了轴端密封系统，实现了零泄漏；同时采用电磁轴承实现了ORC 发电模块的无油化；发电机采用三瓣式结构，便于拆装和检修。

2.5 有机工质换热器

ORC 发电模块的换热器包括K 型釜式蒸发器、F 型预热器、蒸发器与预热器结构及接口如图8、图9 所示。

图8 蒸发器结构及接口

图9 预热器结构及接口

本项目为公司首次涉足有机工质换热器，均采用HTRI 软件设计，蒸发器需保证有机工质核态沸腾，同时还需与预热器相匹配，设计难度大。

3 经济性

3.1 试验验证

本试验样机已完成发电试验，某工况试验数据记录见表2。

表2 某工况试验数据

3.2 经济性分析

ORC 产品效率统计[6]如图10 所示，本试验样机最高净发电效率8.8%，位于图中回归线附近，在不带回热器ORC 产品中位居前列、与国际先进产品性能相当。

图10 ORC 产品效率统计图

4 结论

（1）突破了“铝合金径流透平-永磁同步发电机-电磁轴承全封闭一体化结构”、K 型釜式蒸发器/F 型预热器、全系统变工况性能评估、全系统协同控制策略等关键核心技术。

（2）试验样机最高净发电效率8.8%，在不带回热器ORC 产品中位居前列、与国际先进产品性能相当。

（3）公司已具备ORC 地热发电厂、ORC 废热回收发电设备的自主设计能力。