 Sustainable Energy 可持续能源, 2013, 3, 27-32 http://dx.doi.org/10.12677/se.2013.32005 Published Online April 2013 (http://www.hanspub.org/journal/se.html) The Development and Applications of Organic Rankine Cycle Electrical Generating Systems in Taiwan Kouth Chen1, Yangyuan Chen1, Chiron Kuo2, Yuhr en Lee2, Shingcheng Lee3, Paohsin Hsu3, Charlton Kao3, Chichun Chia3 1Institute of Physics, Academia Sinica, Taipei 2Green Energy and Environment Research Laboratories, Industrial Technology Research Institute, Hsinchu 3China Petrochemical Development Cooperation, Kaohsiung Email: kouthche@phys.sinica.edu.tw Received: Mar. 6th, 2013; revised: Mar. 9th, 2013; accepted: Apr. 1st, 2013 Copyright © 2013 Kouth Chen et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: In order to ease the global warming effect created by the mass production of carbon oxide, reducing energy consumption via energy recovery becomes an inevitable measure. At present, Organic Rankine Cycle (ORC) electrical generating system is recognized to be one of the most economic and efficient approaches to convert low grade thermal energy to electricity. Several research institutes including Institute of Physics, Academia Sinica, Industrial Technology Research Institute, and some industrial companies are engaged in the development of practical application of ORC. The ORC electrical generating systems have been developed and fabricated for the applications of geothermal energy at Yilan and industrial waste heat recovery at a petrochemical company. In this report, the details of development and ap- plication of ORC in Taiwan will be illustrated thoroughly. Keywords: Global Warming; Organic Rankine Cycle; Geothermal Energy; Waste Heat Recovery 台湾有机朗肯循环发电系统的发展与应用 陈国鋕1，陈洋元 1，郭启荣 2，李毓仁 2，李新庆 3，许保新 3，高启综 3，贾志中 3 1中央研究院物理研究所，台北 2工业技术研究院绿能与环境研究所，新竹 3中国石油化学工业开发股份有限公司，高雄 Email: kouthche@phys.sinica.edu.tw 收稿日期：2013 年3月6日；修回日期：2013年3月9日；录用日期：2013年4月1日 摘 要：为求节能减碳、应全球暖化、及促进能源再利用，台湾正积极发展绿色能源产业。有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle, ORC)发电技术、为目前用于低温热能转换为电力之最经济有效之方式，开发单位有中央研究院 物理研究所、工业技术研究院及相关配合厂商等，目前ORC 发电系统已能完全自制。已应用于宜兰的地热能发 电、壹石油化学公司的冷凝水废热回收发电等。 关键词：全球暖化；有机朗肯循环；地热能；废热回收 1. 前言 目前全球能源使用以热能形式占能源消耗量 90%以上，其中仅有40%热能转换为制程热能、机械 功、电力或化学能；其余50%热能则以废热形式排放 于环境，含工业废热、汽车废热等，不但污染环境也 造成能源浪费。现今人类大量使用石化能源，已面临 Copyright © 2013 Hanspub 27  台湾有机朗肯循环发电系统的发展与应用 石化能源短缺、亦造成严重的全球暖化现象；解决之 道有：1) 积极开发新能源技术；2) 提高能源使用效 率。 台湾自有能源匮乏，使用的石化能源超过99%需 进口。图 1显示台湾历年来年各部门的能源使用分布， 其中工业部门占比率达45%~55%[1]。在工业部门排放 废热中，低温废热排放(温度 < 230℃)占70%以上、 中温废热(温度 230℃~650℃)占20%~30%、高温废热 (温度 > 650℃)则几乎没有。 2. 废热回收与应用原理 2.1. 中低温废热回收方式 中低温废热属于低能量密度的热源，可用能量 低，在 20世纪 90年代能源危机前没有经济利用价值。 近一、二十年来由于油价高涨、全球暖化日趋严重， 低温废热回收遂显示出经济和环保效益。有机朗肯循 环(Organic Rankine Cycle, ORC)发电系统可依据热源 和冷源温度范围，选用拥有低温沸点特性的有机工作 流体(例如：冷媒、氨等)，将中低温热能转换为机械 能以轴功率输出发电[2]。ORC发电系统为目前中低温 热能发电效率最高且最有经济效益的设备。 工业部门的中低温余热/废热主要以烟道废气、热 制程蒸汽冷凝水、制程排放蒸汽等形式排放[3,4]。取 热 模块型态有： 1) 热媒油/热水取热模块：烟道废气排放温度和 废气质量与使用燃料相关。使用燃煤或燃料油时，废 气含有悬浮粒和硫化物，一般需经过静电和脱硫处理 等过程，造成温降；若未设置余热/废热回收装置，废 气排放温度约 150℃~250℃。使用天然气为燃料时， 废气质量佳，无须中间处理过程；若未设置余热/废热 回收装置，废气排放温度约 300℃~350℃。以废气作 为ORC热源时，顾及废气可能损伤 ORC 蒸发器热传 管，建议取热模块采用纯净的热媒油或热水汲取废气 热能后，再将热能传递至ORC 蒸发器。 2) 直接取热模块：一般的热制程蒸汽冷凝水(温 度80℃~99℃)和制程排放蒸汽(温度 100℃~180 ℃)质 量佳，可直接导引进入 ORC 蒸发器，以减少取热模 块复杂度、降低取热成本，且可提升热回收效益，提 高ORC蒸发温度，ORC循环热效率自然提升。 2.2. 有机朗肯循环发电原理 有机朗肯循环发电在欧美等工业先进国家已经 是一成熟且实用的技术。其主要优点为可从事低温废 热的回收，举凡工厂的废热或地热皆可加以利用来进 行发电。图 2为有机朗肯循环发电系统的基本工作示 意图，其中标示为 ORC 系统主要部分的组成组件及 架构。右上角(红线)表示热源(热蒸汽/热水)进入蒸发 器后流出。工作流体(冷媒–绿色)从下方的压力泵浦 打上来进入汽化机后被热源流加热、汽化成高温高压 汽，此高温高压蒸汽进入膨胀机(涡轮机/螺杆膨胀 蒸 Figure 1. Energy consumption by each sector in Taiwan, industrial sector consumed 45% - 55% 图1. 台湾历年来各部门的能源使用分布，其中工业部门占比率达45%~55% Copyright © 2013 Hanspub 28  台湾有机朗肯循环发电系统的发展与应用 蒸发器 膨胀机 发电机 冷凝器 压力帮浦 热源 (蒸气/热水 ) 工作流体 冷却水/气冷 Figure 2. Principle of the organic Rankine cycle generating system 图2. 为有机朗肯循环发电系统的基本工作示意图 机)将热和压力能转换为机械能、推动涡轮或螺杆旋转 作功，带动发电机产生电力输出。高压冷媒蒸汽作功 后温度和压力降低、大部份成为液体，再经过冷凝器 转变成低温冷媒液体。冷凝器则使用冷却水或气冷(蓝 色)来降低冷媒的温度。 3. 有机朗肯循环发电系统的开发与应用 3.1. 实验型系统研发 2009 年开始、台湾工业及学术研究机构陆续投入 有机朗肯循环发电系统的研究工作；其中有工业技术 研究院绿能研究所、中央研究院物理研究所等，开始 时皆以 10 kW 机组为主。图3为中央研究院物理研究 所实验用的10 kW 有机朗肯循环发电系统，除涡轮机 为国外引进外、其他所有元部件皆为自行开发。此系 统的长 × 宽 × 高为 210 × 80 × 200立方公分，重量 为860 公斤。为试验工作流体的热传效果，我们使用 R134a 和R245fa 二种不同的冷媒作实验；系统注入 98℃的热水，流速为 6.9 顿/小时；实验结果显示： R245fa 的热传效率比R134a 高24%。 3.2. 地热发电 全球地热资源主要分布于环太平洋两岸的火环 带，台湾坐落在西太平洋火环带中间位置，所以地热 资源极为丰富。根据 1980 年以前的探勘及普查数据 估算，全岛浅层地热预计有近 1000 百万瓦之发电潜 能；相对于传统浅层地热能的利用，蕴藏于更深部地 层(3000~5000 公尺)之热能更是庞大；在2008 年的研 究报告书中，估计台湾地热的发电量可达 7100 百万 发电机 涡轮机 冷凝器 蒸发器 压力帮浦 电控箱 Figure 3. 10 kW organic Rankine cycle generating system devel- oped by the Institute of Physics, Academia Sinica 图3. 中央研究院物理研究所实验用的 10 kW有机朗肯循环发电系 统 瓦。目前开发中的有宜兰县清水地区。清水地区蕴藏 丰富地热资源，已有多口地热井，井深为 1500~2500 公尺，井底温度为 200℃~220℃、出口温度为 140℃~ 190℃；目前有 13 公顷面积规划为地热发电计划区， 发电潜能为3~5 百万瓦。 工业技术研究院绿能研究所自行开发有机朗肯 循环发电系统，使用螺杆膨胀机，已能制造200 kW 以内的 ORC发电系统；目前正开发大于 200 kW的系 统，将使用涡轮机为膨胀机。工业技术研究院与宜兰 县合作在清水地区做地热发电试验，使用 60 kW的 ORC发电系统，于 2012 年12 月完成地热发电示范。 图4为工业技术研究院装在清水地热的 60 kW发电系 统，其长 × 宽 × 高为：340 × 200 × 240 公分立方， 重量约 3吨。此次试验使用之热井的井深为1500 公 尺，井底温度为 205℃，出口温度为 140℃、干度约 8%，热蒸汽流量为20~35 吨/时。 依据地热井的条件，工业技术研究院使用自行开 发的仿真软件做温度–墒(T-s)模拟[5]，使用冷媒 R245fa 为工作流体；设定值为地热水进口温度 120℃、 出口温度 85℃、流量 17 吨/时，冷却水进口温度28℃、 出口温度 37℃流量 59 吨/时，工作流体蒸发温度95 ℃，冷凝温度 38℃；仿真结果显示系统的发电量为 Copyright © 2013 Hanspub 29  台湾有机朗肯循环发电系统的发展与应用 Figure 4. The 60 kW ORC generating system developed by ITRI installed at Chinsuei Yilan for geothermal power application 图4. 工业技术研究院装设在宜兰县清水地热区的60 kW有机朗肯 循环发电系统 60 kW。图 5显示ORC系统温度(temperature)-熵(entro- py)的仿真曲线。实际测量结果如下二表：表1为ORC 发电系统蒸发器内部之各个操作点的条件和数据，表 2为冷凝器内部之各个操作点的条件和数据。此 ORC 发电系统的总发电量约为60 kW。 3.3. 石化厂低温废热回收发电 台湾壹石油化学公司与中央研究院物理研究所 合作进行冷凝水废热回收发电系统开发，已于 20 12 年12 月完成系统开发、并网发电。此系统使用的热 源是石化工厂经制程后的冷凝废热水、温度为 95℃~ 99℃、流量为 160~220 吨/时，有机朗肯循环为一进口 的佰 kW级ORC机台，冷源为工厂原有的冷却水、 温度为 22℃~30℃、流量为 400~450 吨/时，管线及并 网为工厂自行配置。图 6为热水进口管配置时的情形。 图7为石化厂的有机朗肯循环发电系统全图；图中 ORC 机台置于水泥基座上，机台的长 × 宽 × 高为 5.8 × 2.3 × 3.4公尺立方，重量为 12.5 公吨。此机台使 用涡轮机为膨胀机(中央)，壳管式热交换器为蒸发器 (下方)和冷凝器(上方)。热水从蒸发器右边流入，左边 流出；冷却水从冷凝器右下方流入，右上方流出。此 ORC机台内装工作流体 R245fa 冷媒 1400 公斤。图 8 显示(a)红色开关为热水旁通阀，(b)黄色开关为热水出 口控制阀，(c)电控箱内外部电网输入机台的平均电压 (V)、电流(mA)、总功率(kW)等，(d)电控箱内 ORC 机台输出的平均电压(V)、电流(A)、总功率(kW)等。 此250 kW级ORC 系统在石化厂的运行参数示于 Figure 5. Simulated result of T-s diagram of an ORC system in the geothermal power application 图5. 用于地热发电之ORC 系统的温度(temperature)-熵(entropy) 仿真曲线 Table 1. Operation conditions inside the evaporator of the ORC generating system 表1. ORC发电系统蒸发器内部的各个操作点条件 蒸发器 操作点条件 管侧 壳侧 流体类型 水 R245fa 温度，℃ 120 38.3 压力，Mpa - 1.1298 入口 状态 subcooled subcooled 温度，℃ - 95 两相电 压力，Mpa - 1.1298 温度，℃ 84.62 105 压力，Mpa - 1.1248 出口 状态 subcooled superheated 质量流率，kg/s 4.65 2.98 最大压降，kPa <50 <5 最大承受压力，Mpa - 3 最大操作温度，℃ 150 130 出入口口径，inch 2 2 热传率，kW 695.25 Copyright © 2013 Hanspub 30  台湾有机朗肯循环发电系统的发展与应用 Table 2. Operation conditions inside the condenser of the ORC generating system 表2. ORC发电系统冷凝器内部的各个操作点条件 冷凝器 操作点条件 管侧 壳侧 流体类型 水 R245fa 温度，℃ 28 68.08 压力，Mpa - 入口 状态 subcooled superheated 温度，℃ - 两相电 压力，Mpa - 温度，℃ 37.39 38 压力，Mpa - - 出口 状态 subcooled subcooled 质量流率，kg/s 16.31 2.98 最大压降，kPa <50 <5 最大承受压力，Mpa - 3 最大操作温度，℃ 50 100 出入口口径，inch 3.5 2 热传率，kW 634.5 Figure 6. Hot water inlet being equipped 图6. 热水进口管配置时的情形 Figure 7. ORC generating system sited at a petrochemical factory 图7. 石油化学工厂的有机朗肯循环发电系统全图，ORC 机台置于 水泥基座上 (a) (b) (c) (d) Figure 8. (a) Hot water by pass valve (red); (b) Hot water outlet control valve (yellow); (c) Input averaged voltage (V), current (mA), total power (kW) etc. shown in the electrical control box; (d) Output averaged voltage (V), current (A), total power (kW) etc. shown in the electrical control box 图8. (a) 红色开关为热水旁通阀；(b) 黄色开关为热水出口控制阀； (c) 电控箱内外部电网输入机台的平均电压(V)、电流(mA)、总功 率(kW)等；(d) 电控箱内 ORC 系统输出的平均电压(V)、电流 (A)、 总功率(kW)等 Table 3. Operation parameters of the ORC generating system at a petrochemical factory 表3. ORC系统在石化厂的运行参数 进口温度(℃) 出口温度(℃) 流量(吨/时) 热水 98.1 86.4 166 冷却水 23.6 29.3 400 冷媒蒸汽进口压力 9.1 Bar 冷媒蒸汽出口压力 2.2 Bar 总发电量 191.3 kW 净发电量 175.5 kW 环境温度 28 ℃ 表3。其中之净发电量 = 总发电量 − 仪表用电量(0.4 kW) − 冷媒帮浦用电量(15.4 kW)。系统在上述条件下 的热电转换效率可估计如下： 热水输入的功 率 = 热 水每秒流量 × 热水进出口温差 = 46.1 kg/s × 11.7℃ = 539.5 kg·˚C/s = 539.5 kcal/s = 2255.1 kW；总发电量： 191.3 kW，净发电量：175.5 kW。计算出总发电效率 = 8.48%，净发电效率 = 7.78%。 4. 结语 台湾正积极发展绿色能源产业。在低温热能转换 Copyright © 2013 Hanspub 31  台湾有机朗肯循环发电系统的发展与应用 Copyright © 2013 Hanspub 32 为电力方面，有机朗肯循环发电已被证实为最经济有 效之方式；开发单位有中央研究院物理研究所、工业 技术研究院及相关配合厂商，ORC 发电系统已完成自 制。目前已实际应用于地热发电，及壹石化公司的冷 凝水废热回收发电。 5. 致谢 研发期间获得国立清华大学动力机械研究所蒋 小伟教授在涡轮机方面很多宝贵意见，在此表示感 谢。 参考文献 (References) [1] 2010 年能源统计手册[M]. 台北: 经济部能源局, 2011: 41. [2] S. Quoilin, V. Lemort. Technological and economical survey of organic Rankine cycle system. 5th European Conference Eco- nomics and Management of Energy in Industry, Vilamoura, 14- 17 April 2009. 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