本文来自能源类顶级国际期刊《Renewable and Sustainable Energy Reviews》刊登的文章“Technoeconomic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems”，原文对ORC发电技术在世界范围内的发展概况进行了客观全面的分析，UniEco联优特别选取相关内容进行了综述性编译，推荐给有兴趣了解ORC发电技术的中国朋友们。
3. ORC与蒸汽朗肯循环的对比
无论是传统的蒸汽朗肯循环还是ORC有机工质朗肯循环，系统的工作效率都由其循环工质的热力学物性决定;同时，采用“干工质”还是“湿工质”作为循环工质，也决定了系统在设计上的不同。工质的干湿性由工质在T-S温-熵图上饱和蒸汽曲线(曲线右侧部分)的斜率dS/dT决定，若斜率为正，则为干工质;斜率为负，为湿工质;斜率近似为零，为绝热工质。湿工质在膨胀机中会形成液滴，损坏膨胀机，因此需要膨胀机进口过热度更高一些，而干工质和绝热工质一般不需要过热就可保证其在膨胀机中的干度。
对比水蒸汽和有机工质的T-S图(图8)可以看出：
1) 有机工质大多数为干工质或绝热工资，在膨胀机入口无需对其过热，就可以保证出口蒸汽仍然是饱和或者过热状态，而水蒸汽是湿工质，入口必须要保证较高的过热度，才不会在出口形成气液两相(如图9)。
2) 相比水蒸汽，有机工质饱和液体和饱和气体之间的熵差较小，汽化所需的热量小，换取同等热量的条件下，工质的循环量更大，因此，ORC系统中工质泵的耗电率更大。
ORC系统和蒸汽朗肯循环系统的主要区别如下：
1) ORC系统中膨胀机出口的气体一般是过热状态，因此入口不需要过热;蒸汽朗肯循环入口需要较大的过热度，否则容易发生液击，损坏汽轮机的叶片。
2) ORC系统可以在较低的热源温度下工作，比如温度仅在90℃以下的地热水。
3) 蒸汽朗肯循环系统中，由于工作后的低压饱和蒸汽流速大，体积流量大，因此，整套系统的管道以及换热器的尺寸都会增大，汽轮机的占地也较大。
4) 两种系统的蒸发器(对于蒸汽循环指锅炉)设计有很大区别，主要原因是，相比于水，有机工质(特别是分子量较大的有机工质)气液两相之间的密度差别没有那么大，这样，蒸发气化过程的传热学性质相对变化较小，因此，ORC系统的蒸发器的结构相对简单。
5) 为避免膨胀之后产生液击，蒸汽循环系统中汽轮机的入口温度要求较高(有的甚至高达450℃)，如此高的热应力对于系统中锅炉和汽轮机叶片材料的要求非常高，导致较高的制造成本。
6) 循环泵的耗电率：泵的耗电量与液体的体积流量以及进出口压差成正比，泵的耗电率BWR (Back Work Raito)值可表示为泵的耗电量除以透平机的发电量。蒸汽循环系统中水泵的耗电率通常为0.4%左右;对于热源为300℃左右，采用甲苯作为工质的高温ORC循环，工质泵的耗电率约为2~3%;而对于热源为150℃以下甚至更低温度的低温ORC循环，以R134a为例，工质泵的耗电率通常在10%以上。总而言之，热源温度越低，工质泵的耗电率越大。
7) 工作压力：水蒸汽朗肯循环通常需要较高的工作压力(水蒸气的蒸发压力)，而对于一个典型的ORC循环，工质的蒸发压力一般不会超过30barA，这使得ORC系统相对简单，制造成本较低。对于一些余热发电应用场合(比如生物质余热发电)，ORC工质并不是直接被加热，而是被中间载热流体，比如热油来加热，而导热油的储热性能很好，在常压下就可以达到比较高的温度，这使得ORC系统的蒸发器变得比较简单。
8) 冷凝压力：为防止外界空气进入到系统中，工质在正压下冷凝是比较好的选择。对于全凝汽轮机，为使出口冷凝液达到较低的温度，通常要对出口饱和水蒸汽进行抽真空冷凝;而一些中低温ORC工质如R245fa，R123，R134a等，常温下的冷凝压力都高于大气压;不过，一些高温ORC工质如正己烷，甲苯等，在常温下的冷凝压力为负压。
9) 循环工质流体的特性：水作为蒸汽朗肯循环的工质，相比ORC工质，具有很多优点，比如：容易获得、方便使用、价格低廉、无毒、不可燃、环境友好、化学性质稳定、粘度系数低(这样具备非常好的传热性能，系统发电效率高)。不过，蒸汽朗肯循环也不是100%完美，系统需要定时补充软化水，同时要防止系统中金属部件的氧化腐蚀，因此通常需要配置水处理系统和除氧器等辅助设备。
10) 透平的设计：蒸汽朗肯循环系统中，汽轮机的压降和焓降都非常高，因此通常采用多级;ORC系统使用的膨胀机由于焓降相对较低，所以，一级或两级膨胀的设计就可以满足要求，这样可使机组的制造成本降低。
11) 系统的发电效率：通常来说，ORC系统的发电效率不会超过24%(5~20%)，而一个典型的蒸汽朗肯循环系统的发电效率都在30%以上，当然这是对于较大的装机规模，以及较高的工作温度。
热源温度高于300℃：水蒸气系统效率高于ORC系统;
热源温度在250~300℃之间：两种系统效率相近，随着温度的降低，水蒸气系统效率下降，ORC系统性能突显;
热源温度在200~250℃之间：ORC系统效率高于水蒸气系统;
l热源温度在低于200℃：通常已不适合采用水蒸气系统。
12) 国内外学者的研究表明，当装机规模不大的情况下，水蒸汽朗肯循环在热源温度低于370℃时，系统是不经济的。
表3大致归结了一下两种系统各自的主要优点：
相比蒸汽朗肯循环，ORC系统的优势在于无需过热，透平进口温度低，机组占地小，工质蒸发压力低，较高的冷凝压力，无需水处理系统及除氧器，锅炉、透平等设备设计简单，机组运行维护成本低，可实现无人值守，特别适用中低温热源。缺点是效率相对低一些，工质成本高，部分工质可能存在对环境的不良影响。对于中低温热源以及几MW以下的中小规模发电站，ORC发电是一种非常合适的技术。
4. ORC工质的选择选择
合适的工质可以获得较高的循环效率，也是高效利用中低温热源的关键。ORC有机朗肯循环一般采用干工质和绝热工质作为循环工质。卤代烃(CFCs)、氢氯氟烃(HCFCs)、氢氟烃(HFCs)、烷烃(HCs)等低沸点有机物，可回收利用如工业废热、太阳能热、地热、生物质热等各种类型的中低品位的热能用于发电，它们具有效率高、结构简单、环境友好等优点。
为了选择最合适的工质，需要考虑以下因素：
1) 综合考虑工质的热力学性能，对于给定的热源和冷却温度，热电转换效率或发电功率应尽可能高。这些影响性能的因素包括工质的临界工作压力和温度、比热、密度等参数。通常的做法是使用热力学模型对筛选后的工质进行循环模拟计算，从而选择出最合适的工质。
2) 尽可能选择干流体或绝热流体，这样膨胀机进口不需要过热;同时，可以通过增加回热器来提高系统的发电效率。
3) 相对来说，选择密度较大的工质有利于降低ORC系统的制造成本，特别是对于冷凝压力较低的工质，因为密度小则蒸汽的体积流量大，导致换热器的尺寸增大(为降低流速以减小压力损失)，同时，膨胀机的体积也会相应增大，制造成本上升。不过，对于采用透平膨胀机的ORC系统，体积流量增大对于膨胀机的影响不大，反而有可能在机组的配置上更简单，因为不需要采用多台容积式膨胀机来解决体积流量太大的问题。
4) 尽可能选择粘度较低的流体作为ORC工质，粘度低的流体具有较高的换热系统数与较低的流动摩擦损失，可以提高系统效率。
5) 选择导热能力好的流体可以提高换热器的效率。
6) 选择合适的蒸发压力：压力太高通常会增加系统的复杂程度，导致投资成本上升。
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7) 冷却温度确定以后，应使工质的冷凝压力高于大气压，这样可以避免外界空气进入到ORC系统中来。
8) 高温下的稳定性：相比于水，有机工质在高温下容易分解或化学性质发生变化，因此在选择工质时，需要考虑工质的最佳工作温度区间。
UniEco联优对常用ORC工质的工作温度做了大致总结归纳，见下图。
9) 工质的凝固点应低于常年运行的最低环境温度，以避免发生结冰。
10) 安全性方面的要求：主要指毒性和易燃性。在决定所选择的工质是否安全或允许被使用时，可参见美国采暖制冷与空调工程师学会ASHRAE-34-2013标准规定的安全制冷剂。
11) 尽可能选择ODP指数(臭氧消耗潜值或臭氧衰减指数)较低的工质。目前市场上使用的制冷剂，其ODP指数大多数已为0或接近0，因为根据蒙特利尔公约规定，有可能破坏臭氧层(ODP>0)的制冷剂将逐步被淘汰。
12) 尽可能选择GWP(温室效应)指数较低的工质。尽管一些制冷剂的GWP值可高达1000，目前暂时还未出台规定严格限制高GWP值的制冷剂使用。
13) 可获得性和低成本也是在选择ORC工质时必须考虑的重要因素。比如，某些工质虽然具有比较好的综合性质，但是如果在未来短时间内面临被禁止生产和使用的潜在风险;或者因为专利保护或生产垄断等原因导致价格过高，那么就需要退而求其次，考虑其它的选择。
尽管从科研的角度分析，许多流体都可以用来做为ORC工质(见图5)，但在现实的商用ORC发电站中，被用来作为ORC工质的流体不超过10种(见图4)。
没有哪种工质是最完美的，热效率也并不是考量的唯一标准，需要综合考虑进行选择。不同的应用场合，不同的工况(包括热源温度、压力，冷源温度、压力等)，对于ORC系统设备优化选型的不同考虑(包括换热器的换热面积，膨胀发电机的机组大小等)，都会有其不同的最优选择，比如，对于热电联产或太阳能光热发电应用，热量综合利用效率是考虑的首要因素;而对于工业余热回收应用，通常追求最大的发电量。
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5.ORC系统的“心脏”——膨胀机
ORC系统的性能主要由其动力设备——膨胀机决定。从工作原理来分，膨胀机主要有两种：速度型(通常称为透平)和容积型，常见的容积型膨胀机有涡旋式和螺杆式，容积型膨胀机通常用于流量较小、转速较低的场合，适合小功率发电站(500KW以下)。
图10给出了三种膨胀机在不同应用中适合的不同功率范围。
5.1 透平膨胀机
透平膨胀机分为轴流式和径流向心式两种：轴流透平单级焓降小，但经过多级之后总焓降大，工质的体积流量较大，适合大功率;径流透平的转速比轴流透平高，单级焓降大即膨胀比大，适合较小的功率。与轴流透平相比，在中小功率段，径流透平的等熵效率(定义为机组膨胀过程实际输出的功率与等熵过程输出功率的比值)更高，变工况运行的综合性能更好。图11给出了径流透平典型的最佳效率(设计点效率)曲线与比转速系数的关系。
考虑到ORC工质的特性(即分子量较大，焓降较小，音速低)，轴流ORC透平膨胀机的设计与传统的蒸汽轮机设计完全不同，因此，不能简单地把蒸汽轮机套用到ORC系统中发电。另外，透平膨胀机不适合太小的功率，因为输出功率越小，叶轮尺寸就越小，透平的转速就越高，此时透平的设计上会受到马赫数的限制。这也是为什么市面上的微型透平越来越少的原因，不过，实验室级别的微型透平样机还是有不少的成功案例。
5.2 容积型膨胀机
容积型膨胀机主要有活塞式，涡旋式，螺杆式和叶片式这几种。在实验研究中，涡旋式膨胀机的效率是最高的(可达70%以上)，而螺杆膨胀机则用于大一点的功率工况(可高达几百千瓦)。
相比于透平膨胀机技术的成熟，严格地讲，目前市面上的容积式膨胀机都还处于样机研制阶段，绝大多数螺杆膨胀机技术来源于螺杆压缩机(有的仅仅是把气体的进出口对调)，很少针对ORC应用重新开发新的叶型。
容积型膨胀机在小功率段可以很好地弥补透平的不足：转速低，可靠性较好(来源于现成的压缩机)，运行过程中允许一定的带液量，并且效率不低(通常可在60%以上)。在使用容积式膨胀机的ORC系统中，当系统的实际膨胀比与膨胀机的额定膨胀比不相等时，系统将存在较大效率损失：膨胀不彻底(见图13中的左图)会导致膨胀之后的气体压力高于设计压力;膨胀过度(见图13中的右图)会导致膨胀之后的气体压力低于设计压力，这两种情况都会大大降低系统的效率。在实际运行过程中，膨胀不彻底是经常会出现的状况，因此，与透平膨胀机相比，容积式膨胀机不太适合较大的膨胀比(即较大的焓降工况)。
另外，容积式膨胀机的使用难点之一是润滑，由于有油螺杆或微油螺杆机采用喷油润滑的方式，润滑油会进入膨胀腔体污染工质，目前的解决方案是在膨胀机出口加一个油气分离罐，用来分离进入膨胀机内的润滑油，启动时需要较长的时间将罐中的ORC工质蒸发出来。无油螺杆虽然不存在这个问题，但由于转子间的间隙较大，随着机组运行时间的增加，机组的漏气率会增大，从而导致效率下降。
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6. ORC系统的“肺”——换热器及工质泵
作为取热设备，换热器是ORC系统重要组成部分，也是ORC系统设备投资成本的主要一块，因此要慎重选择。换热器有两个最主要的性能指标，一是传热效率(通常反映在端差温度上)，一是压力损失，换热器主要根据这两个参数来进行选型。ORC系统中通常使用两类换热器，管壳式(适合大功率热负荷场合)和板翅式或管板式(适合大功率热负荷场合)。
工质和热源换热有间接和直接两种方式，间接方式通过导热流体来取热，例如烟气余热回收发电。直接方式则直接将工质和热源换热，例如蒸汽、热水等。相比于冷凝器，蒸发器的要求更为严苛：必须要能承受高温，能承受结垢或腐蚀，蒸发器出口温度要高于烟气酸露点(通常要高于120~180℃)。对于直接与工艺过程进行换热的蒸发器，还必须把压降严格限制在工艺过程允许的范围内，同时，蒸发器的尺寸也必须满足现有空间的要求。
ORC系统另外一个重要的辅助设备就是工质泵，工质泵的作用是用来对冷凝后的液体进行提压，对于大多是ORC系统，工质泵还可以用来控制工质的质量流量，对于工质泵的选择通常要考虑以下几个因素：
1) 控制方式：容积泵的流量与转速几乎成正比关系，而离心泵的流量还和压头有关(蒸发压力与冷凝压力之差)，通过使用变频技术，可以控制工质泵的转速，从而达到控制工质质量流量的目的。
2) 工质泵效率：工质泵的耗电量与液体的体积流量以及进出口压差成正比，泵的耗电率BWR (Back Work Raito)值可表示为泵的耗电量除以膨胀机的发电量。图15给出了常见ORC工质的BWR值，可以看出：工质的临界温度越高，泵的耗电率BWR值越低;BWR值随着蒸发温度的升高而增大，当系统在工质的临界点附近运行时，BWR值到达最大值。工质泵的效率还和电机的效率有关，因此，需要为泵配置合适的电机。根据厂家提供的数据，离心泵(通常用于大机组)的效率可以达到60%以上，而隔膜泵(通常用于小机组)的效率在40~50%左右。
3) 密封性能：ORC系统运行的密封性至关重要，由于注塞泵在运行过程中会产生回流，因此ORC系统多采用隔膜泵，当选用离心泵时，轴密封的选择非常重要。
4) 汽蚀余量NPSH：ORC系统在运行时必须避免在工质泵中产生汽蚀，否则有可能损坏工质泵，减小工质的流量，并有可能导致系统停机。通过采取以下几种措施，可以降低汽蚀发生的风险：增设前置泵以提高主泵的入口压力;降低工质泵或抬高冷凝器的重心位置;加入少量不凝气体以增加工质进入泵的压力;或将ORC工质冷却至过冷状态。
7. “下一代ORC”——未来ORC技术的发展方向
目前，绝大多数的商用ORC系统在设计上都相对简单：工质大多在临界状态以下运行;采用单一工质;蒸发压力固定;部分系统采用回热器。尽管第一代ORC系统已经发展相对成熟，但仍然有很大的改进空间。回顾蒸汽循环系统的发展历程，通过引入超临界以及超超临界循环技术，系统的发电效率从24%提高到了46%(700℃超超临界循环)，那么，ORC系统的循环效率应该完全有可能提高到20%以上，而目前对于ORC系统而言，16%已经是很高的效率了。
“下一代ORC技术”的研究重点将主要包括ORC工质的优化选择(采用混合工质，甚至有可能使用完全新概念的ORC工质);对系统的流程设计进行创新改进;也有一些研究机构，把重点放在透平机械的优化设计上，希望通过提高透平效率来提高系统的运行效率。从系统控制的角度来看，目前的发展水平还是停留在对设计工况点进行控制，系统变工况运行的性能很差，有研究表明，通过改进系统的变工况运行控制，以适应热源条件的波动，系统的整体运行效率可提高10%。表7对未来ORC技术的发展方向进行了总结归纳：
原标题：【122】中文首发| ORC发电技术的经济性分析（下篇）
