【余热发电】内燃机缸套水的余热利用—ORC有机朗肯发电

            随着经济的发展，人口增加和人们生活水平不断提高，能源消耗量也持续增长，节能与环保是我国能源领域中研究的重要课题。分布式能源系统兼顾节能和环保两个因素，提高能源利用率，减少污染物的排放，打破传统单一供电、供热或供冷的方式，提高能源系统经济性，具有广阔市场应用前景，其中冷热电联供系统是分布式能源系统最有发展前景之一，而内燃机是冷热电联供系统主要采用的动力设备之一。

内燃机可回收的余热主要包括排气和缸套水，排气温度一般在400℃—550℃，可加装热管式余热锅炉产生过热蒸汽用于二次发电；而缸套水出口温度一般低于100℃，这部分能量品味低，但数量较大，占输入燃料的30%—40%。针对这一低品位热源，我公司和发电机组厂家合作，利用低品位余热通过ORC发电机组来发电，提高了能源利用率，减少了对环境的污染，减轻了电网的负荷。本文通过案例针对内燃机冷热电联供系统缸套水低品位余热驱动ORC发电机组进行发电进行详细说明。

1、项目背景

某公司有8台C3520C燃气发电机组，其中缸套水是50%的乙二醇溶液，96℃出水，86℃进水。热量1322kW/台。如果能在不影响企业生产的前提下，将该余热资源回收利用，不仅能够降低冷却系统的热损失和电耗率，还能够整体提高企业的能源利用，具有良好的经济效益和示范意义。

现拟采用低温余热发电—向心涡轮透平有机朗肯循环发电，将这部分烟气热量通过电能形式输出，供厂区内使用。该项目采用ORC主机成套设备，配以辅机以及辅助控制系统。

2 、ORC-发电技术简介

（1）、ORC（有机朗肯循环）发电机组简介

ORC是针对85-200℃的余热利用而设计生产的发电装置。

（2）、ORC发电装置的适用范围

①200℃以下烟气余热发电；

②0.1MPa以下，100-120℃饱和蒸汽、泛汽和各种工业气体发电；

③85℃以上流体（如热水、化工行业的热物液等）发电。

（3）、ORC发电装置的工作原理

工作原理和汽轮机发电机组相同，只是常规的汽轮机发电机组使用的介质是水，而ORC发电机组使用的是有机物质。有机介质的选定是由余热的温度水平决定的，不同的温度选用不同的介质，常用的介质有R134、R245fa等。是目前国际通用的制冷剂，安全可靠、无毒不易燃，物理化学特性稳定。利用有机介质低沸点特性（35-65℃蒸发），当余热温度大于介质蒸发温度时，有机介质在蒸发器内汽化，相变为具有一定压力的气体，推动螺杆膨胀机做功，螺杆机拖动发电机发电。做功后气体的温度和压力降到效率最低点，为气液两相，经冷凝器冷凝为全液相，进入储液槽，工质泵将液态工质泵入蒸发器，完成一个做功循环。

（4）、工艺流程如下图

整个ORC发电系统包括四部分：热水回路(红色管路)、有机工质回路(绿色管路)、冷却水回路(蓝色管路)、电网(黄色部分)，如上图所示。

①热水(余热资源)在图示红色管道内流动，进入机组的蒸发器，将热量传递给机组内的工质，热源水温度江都并离开蒸发器，送入后续工艺；

②工质在图示品绿色管道内往复循环流动。液态工质进入蒸发器，吸收热源的热量，成为饱和或过热蒸汽，进入涡轮透平机，热能转化为机械能，同时带动发电机向外输出电力。过热蒸汽工质随后进入冷凝器，被冷却水冷却成为液体，进入工质泵。工质泵驱动工质周而复始流动。

③冷却水在图示蓝色管道内流动。冷却水在水泵驱动下，进入机组的冷凝器，对工质流体进行冷却。冷却水温度升高并离开冷凝器，送入冷却塔将热量散至大气环境。

④发电机发出电能，并入电网使用

（5）、ORC发电装置效率

ORC发电装置效率比中、高温水平的汽轮机发电要低很多，ORC发电效率一般在10-15％左右，目前世界各国的技术水平都是这样，这是ORC发电机组的自身特性决定的。ORC发电装置对环境温度敏感，相同的余热和机组，在不同的地区使用，因为环境温度的高低，决定了介质的冷凝温度。当冷凝温度降低10-15℃时，发电量成倍增长，南方和北方发电量相差近一倍。北方平均环境温度低，发电量大。南方则发电量明显减小。

ORC有机朗肯发电机组

3、项目设计原则

（1）严格执行国家环境保护政策及相关法规、规范及标准；

（2）采用高效节能，先进的处理工艺，并降低运行成本；

（3）在保证余热利用效果的前提下，减少占地面积，节省工程投资；

（4）选用可靠设备和材料，确保设施长期、安全、稳定运行；

（5）不影响主体装置运行；

4、项目设计依据

；

《大气污染物综合排放标准》（GB16297-1996）；

《石油化工企业设计防火规范》（GB50160-2015）

《工业企业噪声测量规范》（GBJ122-88）；

《火力发电机组及蒸汽动力设备水汽质量》（GB/T12145-2008）

《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）；

《低压配电设计规范》（GB5005495）

《工业与民用电装置的接地设计规范》（GBJ65-83）

《通用用电设备配电设计规范》(GB50055-95)

5、设计方案

（1）根据项目设计条件：8台C3520C缸套水余热利用（SAJ196-B）

①缸套水是50%乙二醇溶液，96℃出水，86℃进水；

②采用热管换热器（如下图所示）将缸套水置换成91℃的水，供ORC发电，利用后回水温度75℃。

③8台供产生热水900t/h。

为了对该部分热水加以利用，采用ORC低温发电机组回收该部分余热进行发电，创造收益，节能减排。

（2）换热计算

流量900t/h，温度91℃热水换热量计算表格如下：

温度1	蒸汽/热水压力	热水流量	热水焓值	平均焓值	总热量
℃	MPaA	t/h	kJ/kg	kJ/kg	MJ/h
91	0.07	900	381	381	343058
温度2	热水压力	热水流量	热水焓值	热量
℃	MPaA	t/h	kJ/kg	MJ/h
78	0.07	900	326.6	293941

（3）通过计算900t/h，温度91℃热水余热回收发电，则总发电量为1105kW。

6、效益分析

（1）社会及环境效益分析

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%，由于传统发电技术的工作参数大多为高参数、大容量，无法利用这部分较为分散但总量巨大的能源。

余热余压利用工程是我国《节能中长期发展专项规划》中的十大重点节能工程之一。根据《“十三五”节能减排综合性工作方案》，我国将加快推进工业节能，重点推进电力、煤炭、钢铁、有色金属、石油化工、化工、纺织、印染等行业节能减排，加快节能减排技术推广应用，加大对工业余热的综合梯级利用。

本项目热水余热利用ORC发电工程属于国家节能减排重点技术推广工程，本项目装机发电量1120kW，自耗电187.5kW（含全套冷却水系统自耗电），净发电量833kW，年净发电量666.4万度，每年可节约标煤约2692t，减排二氧化碳6644t。具有良好的社会及环境效益。

（2）经济效益分析

余热资源ORC发电项目体现了良好的社会及环境效益的同时，更重要的是其具有显著的经济效益。

热水余热利用ORC发电不会对原工艺系统产生影响，积极响应国家号召，促进节能减排，能够减轻自身耗电需求，利用无法利用的废热，创造可观的经济效益。

  依据工业试验及工程计算结果，热水余热利用ORC发电项目建设投资估算表及经济效益综合指标汇总表如下所示：

项目建设投资估算表

序号	项目名称	投资(万元)	备注
1	设备购置费	1100	ORC发电机组（含热管换热器）
2	主要材料费	40	造价估算
3	安装工程费	20
4	建筑工程费	0	基础应满足厚度约13mm，长度大于7m，钢筋混凝土建造，机组用地脚螺栓固定甲方负责
5	其它费用	15	造价估算
6	项目总投资	1175

注：项目投资估算仅用于投资回报分析计算，具体造价以最终工程及设备合同价为准。

  余热资源发电项目在体现一定的社会及环境效益的同时，更重要的是其具有显著的经济效益。采用先进的余热发电技术，生产企业所需要的电能，项目收益如下：

采用低温ORC余热发电机组，每年净发电量约666.4万度，为工厂创造年净收益352万元。余热发电技术经济综合指标见下表：

经济效益综合指标汇总表

序 号	项 目	单 位	数 量	备 注
1	装机容量	kW	1120
2	净发电量	kW	833
3	运行时间	h	8000
4	年总发电量	万kWh	896
5	年净发电量	万kWh	666.4
6	发电收益	万元	399.8	电价按0.6元/kWh计算
7	运行费用	万元/年	47.72
7.1	仪表风	万元	1.92	以0.2元/Nm3计
7.2	补充循环水	万元	28.8	单价以2.4元/吨计；循环水泵电耗已在折算净发电量时考虑
7.4	运行人员工资	万元	9	兼职,1人1岗,3班巡查
7.5	设备维护检修	万元	8
8	净利润	万元/年	352.0
9	项目总投资	万元	1175
10	投资回收期	年	3.34

7、项目工期

计算工期 按不利环境因素考虑：

接到甲方通知，具备进场条件，130天完成。

其中：

设备制造和材料采购：90天

系统安装：25天

电仪安装：10天

系统吹扫、调试：5天

8、总结

综上结合技术和经济性因素考虑，该项目采用ORC技术进行余热发电具有良好的经济性和环保效益。采用的ORC（有机朗肯循环）低温发电技术及相关的ORC发电机组，具有效率高，操作方便、一键启停、无人值守等优点。

经ORC低温发电技术进行热水余热回收，可每年增加收益约352万元，投资回报期约3.34年。该项目所采用这一先进可靠的技术实施后，能为工厂提供高品质的电能，又改善了工作环境，是节能增效的好技术、好举措。