ORC低温余热发电在制氢装置中的运用

汤高兴

摘要：笔者首先对ORC技术的发展状况进行了说明；其次对ORC发电制氢装置的基本工作原理进行了详细的阐述，最后论述了ORC低温余热发电在制氢装置中的可靠性，为节能减耗奠定了夯实的基础。

关键词：ORC技术；低温余热；制氢装置

引言

有研究表明，利用工业余热发电可以能够促进低温热能源的循环使用。本文以工业烟气余热回收子系统的发电装置为例，对ORC技术在制氢装置的相关方面进行简要分析，以此来给同行带来相关建议和意见。

1.ORC技术发展和利用情况分析

1.1国外ORC技术发展状况

结合国内外ORC技术的实际应用以及相关研究可以得出，ORC技术除了应用在低温余热发电系统之外，还广泛应用于余热发电装置和压缩机的直接连接，相关生产人员利用其工作原理进行蒸汽式的制冷操作，并结合CHP及吸附式的制冷系统结合起来，进而提高组织效率。大量的数据显示，ORC技术已在地热、工业余热、生物质能以及太阳能领域都有了研究成果。例如，在1978年，日本某企业的地热发电系统采用先进的ORC技术工艺，该电力设备的总容量可达1MW；法国的某公司结合电力推进装置和5台双燃料发电机，成功的研制出在船上使用的低温余热发电装置设备，随后以色列、意大利的相关企业均利用轴式的汽轮机对电力装置进行低温余热发电，技术相对成熟，工作效率明显的得到提升。在各项生产技术都飞速发展的大时代背景之下，截至2012年为止，全球已经研发出了600多台ORC发电装置，装机功率接近2005MW,初步实现了工业余热以及地热发电能源技术水平的综合利用^[1]。

1.2国内ORC技术分析

我国的ORC技术与世界相比，相对缓慢，很多技术研究成果都必须依靠外国的技术融合，科研人员自主研发能力相对较差。直到1993年，藏北那曲地热电站初步建立，该发电系统装机容量为1MW,主要依托以色列ORMAT公司的双工质有机朗肯循环机组系统组建，地热温度为1105℃。那时，国内著名的上海交通大学、浙江大学以及西安交通大学虽然具备实验条件，但是相关研究还是缺乏实践性，主要依靠理论知识支撑，与实际工程研究还存在较大的高度。总而言之，ORC发电装置在实际应用中还会出现很多不可避免的技术因素，相关研究人员应该树立自主创新意识，制定多套解决方案，进而提高低温余热发电技术水平。

2.低温余热发电制氢装置组成和工作原理分析

2.1热力系统分析及工作原理

一般情况下，ORC低温余热发电装置设备不但包括低温余热装置外，还包括循环冷却水换热系统和热水换热系统。外围的热水换热系统即是研究人员利用工业等烟气，在热水换热系统与水循环系统中相互传递，经过高温水循环设备作为能源驱动将电力平稳输出，再将低温水循环到烟气的热水换热系统中，如此反复操作，实现低温余热发电的全过程，本次发热流程将水源作为连接的介质，利用烟气进行二次换热。其中，冷却水泵提供的压力组成循环冷却水系统，该设备通过温度较低的冷却水和ORC低温余热装置进行循环热交换。图1即为ORC低温余热发电装置热力系统工作原理图^[2]。

图1 ORC低温余热发电装置热力系统工作原理图。

换热器、工质罐、工质泵以及透平了发电装置的热力系统，其中，蒸发系统主要由预热器和蒸发器组成，热水循环与蒸发系统进行热交换时通过一定的方式传递给外围热水换热系统，经过电机、PE等电力输出的透平功能向供电网系统传送电力，以确保冷凝器和循环冷却水在工质中进行热交换。

2.2发电装置的换热器分析

ORC低温余热发电装置系统的重要组成部件是换热器，按照传热元件的功能类别可以将其划分为板式换热器和管壳式换热器，板式换热器经常应用于ORC低温余热发电装置中，大多以以钎焊式板式换热器为原型，板式换热器主要由波纹金属板构成，各种板片相互形成薄矩形通道，通过不同数量的板片相互传递热量。板式换热器是液-液、液-汽等设备进行热交换的较为理想的设备之一。它具有换热效果好、热损失较小、换热器内部结构紧凑且重量较轻、占地面积小、应用广泛以及使用周期较长等诸多优势，在相同压力的损失过程中，板式换热器的传热系数比管壳式换热器高出4-6倍，热回收率可达到92%以上^[3]；管壳式管热器又可以叫做列管式换热器，是以封闭在壳体中的管束壁面作为传热面的换热器，这种换热器结构简单、造价成本较低、流通界面较宽，而且还便于清洗水垢，但是该种换热器传热系数较低，占地面积较大，在现实生活中还有很多技术层面需要改进。

2.3蒸发系统构成以及工作原理分析

蒸发系统的蒸发功能主要是依靠预热器和蒸发器完成的，这两个重要组成部分利用热源，把冷源进行热处理，通过一定的技术操作将过冷液体升温进而转化为热蒸气。值得注意的是，工质在过冷段温度上升幅度较为明显，热负荷能够达到整个蒸发系统的四分之三左右，液-液与其他换热方式相比有着很大的区别，换热系数也有着很大的差异，蒸发系统主要分为蒸发段和预热段两个设计阶段，因为液-液换热系数较高，所以在ORC低温余热发电装置实际应用中应该设两个蒸发器和一个预热器，通过此种方式来进行预热发电。

3.ORC低温余热发电在制氢装置中的可靠性分析

空冷器一般设置在低温发电基础设施当中，在制氢装置中，蒸发器管的中变气发挥着重要的是作用，在相关设备在运行过程中，低温预热发电设备的循环泵出现问题时，中变气才可以旁路，联锁控制着中变气旁路的运行机制，低温预热设施的中变气进出口的切断阀都会随着其开关状态而随之打开或者关闭，两者紧密连接，从而确保低温预热发电设备运行的安全性和可靠性，在低温热设施的协调配合之下，研究人员不断优化氢装置的运行模式，最终实现余热的综合循环利用。

结束语：

总而言之，随着我国能源与环境问题将面临诸多挑战，我国面临着可持续发展与社会效益的相关问题。在国家的相关政策引领之下，ORC低温余热发电在制氢装置中的运用，可以实现能源的合理利用，相关科研人员应该借鉴并学习国内外先进的技术，在与时俱进的情况下，研制出更多高效的低温余热发电制氢装置，在逐步改进我国能源产业结构的情况之下，最后促进社会的可持续发展与社会的平稳运行。

参考文献：

[1]张建峥. ORC低温余热发电在制氢装置中的应用[J]. 石油化工设计, 2020, v.37;No.142(02):5+34-36.

[2]何嵘. ORC低温余热发电系统热力学分析与性能优化研究[D]. 2019.

[3]李海明. ORC异步发电机发电阶段功率因数偏低的原因分析及对策[J]. 通信电源技术, 2019, v.36;No.191(11):93-94.