浅析ORC（有机朗肯循环）低温余热发电的技术更迭
在工业领域中，一般低温余热指的是200°C以下的工业生产过程产生的余热气、冷凝水、热水；150°C以下的气体以及锅炉、工业加热炉的排烟气等热量。由于这部分余热其品位较低，回收系统初期投资大，回收期长，因此，在相当长的一段时间里低温余热资源都没有引起足够的重视。
由于低温余热发电大部分利用的是温度小于150°C的热源，此时传统的以水（蒸汽）为循环工质的发电系统由于产生的蒸汽压力低，导致发电效率较低，无法产生经济效益。在低温余热发电中多采用有机工质作为循环工质。由于有机工质在较低的温度下就能气化产生较高的压力，推动透平做功，故有机工质循环发电系统能在烟气温度200C左右，水温在80°C左右实现有利用价值的发电。
有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle，简称ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，主要由蒸发器、透平、冷凝器和工质泵四大结构组成。有机工质在蒸发器中从余热流中吸收热量，生成具很多压力和温度的蒸汽，蒸汽进入透平机械膨胀做功，从而带动发电机或拖动其它动力机械。从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新再回到蒸发器，如此不断地循环下去。
主要由一对按一定传动比反向旋转相互啮合的螺杆转子、缸体、轴承、同步齿轮、密封组件、联轴节等极少的零部件组成,结构非常简单。
螺杆膨胀机通过吸气、膨胀、排气3个连续循环的过程,推动螺杆转子转动,实现工质内能向机械能的转化。
目前，螺杆膨胀机主要使用在于低品位能源的开发利用鉴于螺杆膨胀机的特点，针对热源的不一样的情况，螺杆膨胀机的应用具有下述几种形式。
由于螺杆膨胀机具有多相运输的优点,热源可以立即进入螺杆膨胀机进行膨胀做功,带动发电机发电，膨胀后的乏蒸汽或液体再进行下一步的处理。
随着低温余热发电新技术的不断涌现，ORC技术也迎来新的突破，螺杆膨胀低速发电作为二十年前的应用技术，其系统发电效率仅为6-8%，成本回收周期长达4-5年，因其发电效率低、可靠性一般、运行维护工作繁琐等劣势，正在慢慢地的被市场淘汰。
透平是一种可以将流体转化为机械能或将机械能转化为流体压力的机械设备。它利用叶轮的旋转将液体或气体压缩并产生动能，使流体在叶轮片的作用下加速，进而达到压缩或扩张的目的。透平通常被用于涡轮机、喷气发动机、汽轮机等能量装置中。
相较于第一代螺杆膨胀低速发电机，应用透平技术在低温余热发电中具有以下特点：
随着我国双碳战略的逐步施行，愈加凸显出低温余热发电在节能方面的及其重要的作用。通过装配低温余热发电系统，能轻松实现对能源的综合利用，将低温余热变废为宝，变害为利，减少热量损失。在提高能源利用效率的同时，大幅度节约能源，从而直接降低企业运行成本。
对于中低温的热量，透平ORC技术大多数表现在回收显热方面有较高的效率，由于循环中显热/潜热不相等，而ORC技术中此比例大，因此采用ORC技术可回收较多的热量。
2023年，由弘旭热能科技有限公司自主研发的500kW第二代ORC低温余热发电系统，成功落地并实现稳定发电并网。该系统每年可为公司可以提供306万千瓦时的清洁电力，减少二氧化碳排放约2600吨，相当于植树造林约106亩，对公司节能减排、环境保护、降低运行成本等具有非常明显的效果。
相比于普通的透平ORC系统，弘旭 ORC低温余热发电系统主要有4大技术优势：
一是更能源利用高效，通过采用航空涡轮膨胀技术，并针对有机工质 R245fa 特有的热力学属性进行了特定设计，自主研发出ORC高效径向透平膨胀机，等熵效率达85%-90%；
二是高稳定性，低运行成本，ORC透平+发电机一体化设计，相对于其他ORC厂家使用的分体式设计(透平通过单独减速箱再与发电机相连)，可将有机工质完全密封在机组内部，解决了行业内有机工质泄漏的弊端，保证机组运行稳定性，降低了运行成本；
三是更紧凑，寿命长久，发电机使用先进的引射回流润滑技术和工质冷却技术，无需单独的润滑油站、油气分离装置和发电机水冷却系统，发电机绕组温升低、噪音小、系统结构紧密相连、运行寿命长。
四是撬装式设计，快速安装，基于预热&蒸发器集成技术、透平+发电机一体化技术、高效冷凝器技术，根据各个关键设备的选型情况，完成了ORC发电机组的模块化设计以及设备之间的管道连接设计，最终进行整体优化，使之满足撬装化设计的基本要求，便于长途运输以及现场的快速装配。
综上所述，第二代ORC余热发电技术经过长期有效的理论分析及落地实践过程，是目前低温余热发电项目中最为成熟的解决方案。弘旭ORC低温余热发电系统其系统发电效率为8-15%，成本回收周期缩短至2年左右，因其发电效率高、可靠性强、运行维护简单等优势，得到了市场和行业的一致认可。
所谓第三代技术，是将双透平膨胀机、磁悬浮高速永磁同步发电机、同轴直联静密封、变速恒频并网控制等世界顶级技术融入其中，从而打造出更稳定、高效的低温余热发电系统。由于该技术门槛较高，系统涉及换热系统、流体仿真系统、电压逆变技术等尖端技术，国内拥有第三代低温余热发电实际运用案例的公司不足五家。
二是双透平与高速永磁发电机同轴直联结构设计，可实现对有机工质的静密封，最大限度避免工质泄漏；
三是磁悬浮高速永磁同步发电机，发电机轴承使用磁悬浮轴承，无润滑系统，保证了发电机高速运转下的机械损失最小化，发电机机电转换效率可达96%；
四是并网发电使用整流逆变技术，实现变速恒频发电，适应热源大幅度工况变动，使工矿企业余热充分转化为电能。
第三代ORC余热发电技术成熟属于新技术，目前成熟周期较短，还未经过长期的试点实践。目前，弘旭热能科技自我研发的HXLH-cycle双透平+高速永磁发电系统已通过了不同热源下的运行试验，成功实现发电。从运行数据分析来看，其双透平膨胀机效率可达 82-85%，高速永磁同步发电机效率可达96%，系统发电效率约为10-20%，预计成本回收周期仅2年。
随着技术的不断更迭，第一代ORC低温余热发电技术的发电效率仅有6-8%，而第三代技术的发电效率可达10-20%，仅效率方面就提升了一倍有余，同时，相比第一代技术无需单独的润滑油站、油气分离装置和发电机水冷却系统，具有发电机绕组温升低、噪音小、系统结构紧密相连、便于运输、安装快捷，运行寿命长等显著特点。
ORC低温余热发电从第一代螺杆膨胀低速发电到第三代双透平高速永磁发电技术，是经过数十年不断的研发积累和技术创新，随着第二代技术的成熟使用和第三代技术的脱颖而出，我们有理由相信，在国家双碳战略和绿色工业发展的大环境带动下，低温余热发电必定会为工业公司乃至全社会的节能降碳带来深远的积极影响。
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