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 |
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