｜ORC低溫差餘熱發電系統發展與應用

摘要：近年來因能源及環境保護議題，提升能源使用效率的方法逐漸受到重視，尤其以有機郎肯循環技術最受到矚目，此技術可應用於80~300 ℃的餘熱回收並轉換成為電力，系統具有高穩定性及低成本等特性。本文將針對有機郎肯循環之原理、應用及國內發展趨勢等進行介紹。

Abstract: Recently, the method of improved energy efficiency is substantially important as a result of environmental protection and energy efficiency policies. Organic Rankine Cycle (ORC), which converts heat to power, could be used to recover low-grade waste heat (temperatures ranging between 80 ~ 300 ℃) from discharged gas in industrial processes. The advantages of ORC compared with other heat engine cycles are outstanding. This article will introduce the principle, application, and development of ORC.

關鍵詞：有機郎肯循環、廢熱回收、膨脹機

Keywords：Organic Rankine Cycle, Waste Heat Recovery, Expander

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]。