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，主要由换热器、膨胀机组、冷凝器和工质泵四大部分组成。有机工质在换热器内从余热流中吸收热量并生成具一定压力和温度的蒸气，蒸气进入膨胀机膨胀做功，从而带动发电机或拖动其他动力机械；从膨胀机排出的蒸气在凝汽器中向冷却水放热并凝结成液态，最后借助工质泵重新返回换热器中，实现一个闭路循环。

ORC是一种被认为能有效利用低温热能的技术，已在包括工质、膨胀机、换热器、系统的优化等方面进行了大量的研究，但由于各方面的原因而一直处于试验阶段，没有取得实质性的突破。目前，利用ORC技术回收低温热能发电并实现商业化运行的只有浙江开山集团研发的ORC型螺杆膨胀发电站，已在美国新墨西哥州地热回收项目中实现了商业化运行，采用的有机工质为R245fa(一种无色透明易流动液体，具有挥发性，低沸点物质，在常温常压下稳定，用作制冷剂时的代号为R245fa)，包括3个过程(图 1)。

图 1

ORC型螺杆膨胀发电站循环示意

(1) 换热过程：蒸发器接受热源(热水、热油等温度高于80 ℃的热流体)的热量，将蒸发器内液态R245fa工质加热成高温高压的R245fa工质蒸气。

(2) 做功过程：高温高压的R245fa工质蒸气进入螺杆膨胀机推动转子旋转并驱动发电机发电，同时降温降压，R245fa工质蒸气从膨胀机排出后进入油分离器分离润滑油。

(3) 凝气过程：低温低压的R245fa工质蒸气进入冷凝器冷凝成液体工质，液体R245fa工质被工质泵升压后送入蒸发器，完成一轮循环。

在ORC循环中，R245fa工质的作用是将热源的热量提取出来，将温度转化为压力，从而实现低温热源的动力输出。因为无压力或低压力的热源无法利用其他方法实现热工转换，ORC型螺杆膨胀机是唯一的选择。ORC型螺杆膨胀发电站机组标准配置示意如图 2所示。

图 2

ORC型螺杆膨胀发电站机组标准配置示意

ORC型螺杆膨胀发电站主要由蒸发器(含预热器)、蒸发式冷凝器、螺杆膨胀机、工质泵、发电机、润滑系统、电气控制系统和其他附属配套设备组成。

ORC型螺杆膨胀发电站采用PLC自动控制，可手控，可无人值守。正常运行时，PLC控制快关阀、进气阀、排气阀均打开，旁通阀关闭(或微启)，发电站发电输出经并网柜送入用户电网。发电站正常停机或遇紧急停机时，发电站自动从电网解列，快关阀自动关闭，同时旁通阀自动打开。机组设有温度、压力、振动、转速、电流、电压、频率等全方位监测保护，运行数据自动记录并可追溯，遇异常情况有相应的自保护功能。ORC型螺杆膨胀发电站系统控制示意见图 3。发电机的安全保护包括过负荷保护、速断保护、过电压保护、并网后欠电压保护、并网后高频保护、并网后低频保护及逆功率保护。

图 3

ORC型螺杆膨胀发电站系统控制示意

水溶液全循环法尿素生产工艺中的一吸塔外冷器使用闭路循环的软水吸收部分甲铵液反应热，一般上水温度在85 ℃左右，回水温度在105 ℃左右，此部分热能有的企业采用溴化锂技术回收，有的企业直接采用二次利用的循环水带走热量，均存在能量直接利用率不高的问题。对某些冷量需求不大的企业来说，冬季溴化锂装置基本上无法投运。有机朗肯循环膨胀发电技术可直接将热能转化为电能或直接拖动设备，能量利用率高、利用面广；工质与热源之间采用间接对流传热的方式，精准控制温度；热源变化对机组没有任何影响，机组可在热源波动10%~120%范围内稳定运行。目前按热源温度105 ℃、流量400 t/h、年平均气温20 ℃、年运行8 000 h、电价0.65元/(kW·h)计，利用有机朗肯膨胀发电技术控制机组出水温度85 ℃，除去自耗电，小时净发电量达780 kW·h(吨水发电量1.95 kW·h)，年可创造经济效益405万元左右。

汽提法尿素生产工艺中的高调水系统，其上水温度一般在110 ℃左右，回水温度在130 ℃左右。按机组进水温度130 ℃、流量400 t/h、年平均气温20 ℃、年运行8 000 h、电价0.65元/(kW·h)计，利用有机朗肯膨胀发电技术控制机组出水温度110 ℃，除去自耗电，小时净发电量达900 kW·h(吨水发电量2.25 kW·h)，年可创造经济效益468万元左右。

汽提法尿素生产过程中需要使用大量的蒸汽，吨尿素耗蒸汽约900 kg，这些蒸汽经梯级利用后，吨尿素将富裕0.3 MPa低压蒸汽约300 kg。对于300 kt/a尿素装置，每小时可以富裕输出0.3 MPa低压蒸汽11 t，利用有机朗肯膨胀发电技术控制机组出水温度在68 ℃，除去自耗电，小时净发电量可以达到1 150 kW·h(吨蒸汽发电量104.5 kW·h)，年可创造效益598万元左右。

生产1 t尿素会产生300 kg水，这部分水含NH₃和尿素质量分数分别为4%~5%和1%~3%，目前通常采用深度水解技术回收其中的NH₃和尿素，即在水解塔内通入2.3~2.5 MPa蒸汽，使残液中的尿素水解成NH₃和CO₂并在塔顶冷却器中被回收，塔底形成达到排放标准的冷凝液。

水解塔塔顶冷凝器通过软水冷却系统来降温，软水温度一般控制在70~90 ℃(温度高不利于冷却吸收，而温度太低甲铵液会结晶)。按热源温度90 ℃、流量400 t/h、年平均气温20 ℃、年运行8 000 h、电价0.65元/(kW·h)计，利用有机朗肯膨胀发电技术控制机组出水温度72 ℃，除去自耗电，小时净发电量可达380 kW·h(吨水发电量0.95 kW·h)，年可创造效益约197万元。

水解塔底部排放的残液也可利用有机朗肯循环技术回收热能，但各装置水解残液利用程度不同，发电量需根据残液温度及流量进行计算。