有机朗肯循环（ORC）发电
所谓有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）是以有机物代替水作为工质，回收低品位热能的朗肯动力循环。
有机朗肯循环原理类似于水蒸气朗肯循环，理想朗肯循环过程包括绝热膨胀、定压冷却、绝热加压以及定压加热四个过程。
温度T1和T3分别为冷源和热源的温度值，循环过程描述如下：a)过程1-2，工质泵驱动液态工质流动，工质压力升高，温度则小幅升高； b) 过程2-3，工质在蒸发器中被加热，成为饱和蒸汽； c) 过程3-4，工质驱动膨胀机做功，压力、温度均大幅降低； d) 过程4-1，工质经冷凝器，过热气体凝结成为液体。
如果循环中采用回热器，则多出图中的2a、4a状态点。回热器中，膨胀机排气与工质泵出来的流体进行热交换，可减少蒸发器和冷凝器的热负荷，提高系统效率。但是对于余热回收应用而言，采用回热器的经济性较差。
有机朗肯循环的四个主要设备为膨胀机、冷凝器、工质泵和蒸发器。上图中蒸发器的形式为液-液换热器。根据具体应用，也可采用其他形式的换热器，比如气-液换热器。根据冷却介质的不同，冷凝器的形式也有多种，包括水冷式冷凝器、风冷式冷凝器、蒸发式冷凝器等。蒸发器和冷凝器的性能对ORC系统循环效率以及机组的性价比有一定的影响。
直到目前，有机朗肯循环发电被认为是一项针对低温热源（包括250ºC以下的工艺过程产生的蒸汽、冷凝水、热水，300ºC以下的气体，450ºC以下的烟气等）进行有效利用的技术，特别是针对如下应用领域：
常见ORC发电技术
不同ORC发电技术之间主要差别在于膨胀机。膨胀机是ORC发电系统的核心部件，主要分为两类。
一类是容积型膨胀机，它通过改变体积来获得膨胀比和焓降，适合于小流量大膨胀比的场合，此做功原理也限制了其功率范围。常见的容积型膨胀机有螺杆式和涡旋式两种。涡旋膨胀机科研用的比较多，商业化应用非常少，因为单机容量比较小（几个kW）、机内泄露严重。螺杆膨胀机有一部分商业应用，但这两种膨胀机大都是从涡旋压缩机或螺杆压缩机改造而来的，从应用效果来看比如转子寿命和性价比都没有压缩机本身好，这也是目前就全球来说应用较少的原因。
涡旋膨胀机和螺杆膨胀机示意图
另外一类是速度型膨胀机，它利用喷嘴和叶轮将高温高压工质气体转化为高速流体输出轴功。速度型膨胀机功率越小，转速越高，甚至可能达到每分钟十几万转，所以速度型膨胀机的功率可以做大。速度型膨胀机的代表是向心涡轮透平技术，是目前国际上ORC采用的主流技术。这主要得益于2000年以后航空技术的转化。一些大型军工（航空）企业开始涉足ORC领域，像UTC、GE等等，将航空航天领域大型的涡轮透平技术应用于ORC的膨胀机，这样的话，ORC系统的效率、功率等都得到了跨越式的提高。那时候起，ORC技术其实才算真正得到了推广。
向心涡轮透平三维仿真模型、工质流动及其速度分布示意图
商业应用较多的螺杆膨胀机与向心涡轮膨胀机相比较：
项目 螺杆膨胀机 向心涡轮膨胀机
初投资
较低
较高
系统效率
较低
较高
整体设计
结构复杂
结构简单、运动部件少
膨胀机寿命
阴阳转子咬合运行，转子寿命有限（5-6年）
无相对运动磨损，寿命长
润滑油系统
润滑油充注量较大，易产生污染，维护费用高
较少充注量，维护费用低
运维成本
频繁维修，运维成本高
低维护需求，低维护费用
噪音
较高
较低
单机容量
6kW-1MW
60kW-5MW
余热余压利用
余热、余压
余热
有机工质
在ORC发电应用中，与水蒸汽朗肯循环（常规汽轮机发电技术）相比，有机工质朗肯循环具有明显的优势：
（一）可选择干流体或等熵流体。下图为湿流体、等熵流体和干流体朗肯循环的温熵图。水为典型的湿流体，为了防止汽轮机末级蒸汽湿度过大时对叶片产生“冲蚀”，要求透平进口蒸汽具有一定的过热度。选择干流体或等熵流体时，工质可在蒸发压力下的饱和蒸汽状态进入透平机膨胀做功，省去了过热段，简化了蒸发器（或余热锅炉）的结构，节省了投资。
湿流体、等熵流体和干流体朗肯循环
（二）有机工质蒸发潜热比水小很多，显热段吸热比例高，在中低温情况下可以显著提高余热回收率。
（三）低温余热应用中，水蒸汽朗肯循环中蒸发压力较低，导致水蒸汽比体积较大，汽轮机需要较大流通面积。ORC系统蒸发压力较高，可有效缩小透平尺寸。
（四）水蒸汽朗肯循环系统必须设置除钙、镁离子硬度的软水系统，同时，为了防止水中溶氧对管路及设备的化学腐蚀，给水还必须经过严格的除氧处理。而ORC系统不需要这些辅助系统，系统构成简单。
（五）水蒸汽朗肯循环系统应用于低温发电时，其冷端（冷凝器侧）处于比外界压力低很多的真空状态，需要设置真空维持系统。而ORC系统可选择正压工质。
（六）有机工质凝固点很低，冷凝器无需增加防冻设施。
对于ORC系统，工质的选取至关重要。选择理想的有机工质时，应该考虑以下因素：
1）热力循环性能。对于给定的热源和冷源，系统的热功转化效率应尽可能高。影响该性能的工质属性包括临界点，比热，密度等等。
2）选择干流体或等熵流体。
3）高蒸汽密度。
4）低粘度。有利于获取较高的传热系数和较低的流动阻力。
5）高热传导率。
6）冷凝正压。
7）高稳定性温度。与水不同的是，有机工质在高温下存在退化和分解现象，因此热源温度也受制于工质的化学稳定性。
8）凝固点须低于环境最低温度。
9）安全性。工质应为无毒、不易燃。
10）绿色环保。低ODP值（臭氧层破坏潜能值）和低GWP值（温室效应潜能值）。
11）价格便宜，易于获得。
12）一般而言，工质临界温度应略高于要求的蒸发温度。如果临界温度高于蒸发温度太多，高压和低压侧的蒸汽密度过低，导致较高的压损和较大的设备尺寸。
此外，综合考虑有机工质的物性和涡轮制造的限制，不同工质的温度应用范围（蒸发温度和冷凝温度）可参见下图。
