ORC低溫差餘熱發電系統發展與應用

前言

有機郎肯循環（Organic Rankine Cycle, ORC）技術源自於蒸氣郎肯循環（Steam Rankine Cycle），蒸氣郎肯循環的工作流體為水，利用水加熱並汽化為高壓蒸氣推動渦輪，但利用水為工作流體必須有高溫的熱源，一般常見的有火力電廠、核能電廠及汽電共生等。在低溫的環境下要驅動渦輪則必須依靠低沸點的工作流體，例如冷媒。冷媒能夠在低溫下沸騰產生高壓，並驅動渦輪做功，但不同工作流體的臨界溫度不同，所以能應用的熱源溫度也不同，圖1所表示是不同工作流體之T-S圖，ORC常見的工作流體有R134a、R245fa、R123、Isobutane及Propane，從圖中可看出不同工作流體其性質有很大差異，有機工作流體飽和溫度從90 ~ 180 ℃其熵變化則由1.0~2.5 kJ/kg-K，這表示每公斤由飽和液態線所需熱量而產生相變化至飽和汽態線，若熵值越高所需的質量流率越小，質量流率越小表示工作流體的泵浦所耗的功也越小，通常臨界溫度越低，其所需要消耗的功也就越大，關於水與有機工作流體性質比較如表1所示。工作流體大致分為以下三種，乾流體（Dry fluid）、濕流體（Wet fluid）及等熵流體（Isentropic fluid）等，用於ORC之工作流體大都選用乾流體及等熵流體兩種（圖2），因為這兩種流體可避免液態工作流體進入渦輪葉片，造成葉片被液滴撞擊造成破壞。不過乾流體若經過渦輪後仍處於過熱流體，將會造成對冷凝器的負擔。

ORC的運作過程是一循環系統，圖3為R245fa冷媒之熱力性質（T-S圖），在站態1時工作流體為飽和液態，站態1-2為利用泵浦將液態工作流體加壓至飽和狀態，站態2-4則利用外部熱源將工作流體汽化為高壓狀態，站態4-5則為膨脹過程並推動膨脹機旋轉做功，站態5-1則是冷凝過程，將工作流體冷凝至液態，形成循環。

在熱能轉電能過程中，最重要的的元件是膨脹機（Expander），膨脹機常見的有渦輪（Turbine）、螺桿（Screw）及渦卷（Scroll）等，其中螺桿與渦卷因排氣量問題，所以發電容量有其限制，一般常見的分類10 kWe以下大都以渦卷為主，而50~1000 kWe則可利用螺桿與渦輪，超過1000 kWe只有渦輪可以達到如此大的發電量[3]。