1924年首次开始对有机朗肯循环进行研究，有人针对有机朗肯循环以二苯醚作为循环工质进行了探讨。20世纪70年代，国内外学者开始关注低温余热资源的价值。其中，对有机朗肯循环开展了较为深入的研究工作。
1）ORC原理
有机朗肯循环（ORC）是一种特殊的朗肯循环，以有机液体替代水作为热机的工质，回收中低品位热能。ORC系统以热量输入，电能输出，系统（见图2-15）主要设备包括蒸发器、汽轮机、冷凝器、储液罐、循环泵等。由于ORC发电系统利用300℃以下的中低温余热，因而有更好的应用优势［29］。
图2-15 ORC余热发电系统
ORC系统循环T-S图如图2-16所示：冷凝后的流体由循环泵加压到预定压力（1—2），余热载体在蒸发器与有机循环工质间壁式逆流换热（2—3—4—5）。工质吸热蒸发后进入汽轮机做功（5—6），做功后的工质在凝汽器里凝结成液态（6—7—1），再通过工质循环泵进入预热器预热，最后又回到蒸发器里形成一个循环。
图2-16 ORC循环T-s图
2）示范应用
一些国家利用ORC回收余热的技术应用在工业余热、地热发电等领域。日本三井造船公司于1981年在日新钢建立了利用340℃炉窑废烟气的ORC余热电厂，装机14MW，实际运行热效率和㶲效率分别达16.1%和48.2%［30］。
美国机械技术公司就化工工艺装置平均温度（120～220℃）的余热源以及以可用发电的余热规模（1500～3500kW），设计了R131为工质的ORC系统［31］。以色列ORMAT公司早在20世纪80年代就开始生产超过300kW规模的ORC发电机组，于1999年在德国Lengufrt水泥厂建成了世界首座水泥厂ORC纯低温余热发电站，回收熟料冷却机约275℃的废弃烟气余热，热效率为14%，输出功率为1400～400kW，可用率为98%［32］。
1987年，天津大学热能研究所成功研制出我国第一台两相地热双循环发电的小型试验装置（5kW）［33］，此后天津大学继续对双螺杆膨胀机的性能、调节方法、设计、加工及组装技术进行了系统的理论和实验研究，并于20世纪90年代初进行了功率相当于400kW的单循环发电系统工业试验并取得成功。
国内ORC低温发电系统有1993年建成的那曲地热电站，其引进以色列ORMAT公司的机组，装机容量为1MW。
ORC发电系统与传统的水蒸气发电系统相比主要优势如下：
（1）与水蒸气发电系统相比，ORC发电系统的有机工质的声速低，在低叶片速度时能获得有利的空气动力配合，在50Hz时能产生较高的汽轮机效率，不需要装齿轮箱。ORC发电系统设备转速低，噪声也小。
（2）可采用螺杆膨胀机替代汽轮机，其结构相对传统汽轮机简单得多，额定功率小，尤其适用于低温能源动力机。
（3）可套用系列小汽轮机。有机工质蒸气比热容、焓降小，故所需汽轮机的尺寸（特别是汽轮机末级叶片的高度减小）、排气管道尺寸及空冷冷凝器中的管道直径均较小。
（4）如使用直接混合换热，则可选取与有机工质氟利昂不相容，且不会发生化学反应的导热油，采用油与有机工质氟利昂直接接触热交换的方法，可进一步提高换热效率。
（5）在缺水地区，优先使用空气冷却的冷凝器。ORC电厂使用的空冷冷凝器要比水蒸气电厂使用的空冷冷凝器的体积小得多，价格也低得多［34］。
3）ORC工质超临界参数对系统效率的影响(www.xing528.com)
低沸点工质的超临界参数与亚临界比较，超临界工况在理论上有着系统温度匹配等优势。国内研究者对工质（如R113、R115、R21、R11）的热力特性进行探索和比较，分析有机工质在超临界工况下朗肯循环低温余热发电系统的热循环效率［35］。表2-7为不同有机工质在超临界工况下与水工质的热效率比较［36］。
表2-7 不同工质热效率
文献［34］以HFC125（五氟乙烷）工质为例进行比较，计算条件：蒸发压力为3.8MPa、进汽机温度为75.25℃、冷凝温度为25℃，取加热器温差为10℃，忽略管道阻力及散热，算得85℃以上的热源就可以循环，其热效率为11.55%。
由表2-7可见ORC循环效率高于水2～3倍。在超临界工况下不存在亚临界定温蒸发段的吸热过程，纯工质从超临界的过冷液体吸热到大于临界温度的流体，其吸热的变温过程能很好地与余热源变温特性匹配，做功后的工质压力降低到亚临界状态，故凝结的相变过程在定压、定温下完成，这与环境冷源定温特性也能较好吻合，所以采用工质的超临界循环在理论上能较好地逼近变温热源驱动下的理想循环。
4）典型的设备流程图
图2-17为典型ORC循环系统。图2-18为一种典型的汽轮膨胀机，利用工质在汽轮机叶片流道中流动时速度的变化来进行能量转换，工质气体在汽轮膨胀机的通流部分中膨胀获得动能，并由工作叶轮轴端输出轴功，因而降低了膨胀机出口工质的内能和温度。对于径流式向心汽轮机，工质气体流动方向从周向进入，沿着叶轮直径方向流向叶轮圆心然后沿轴向排气。
图2-17 典型ORC循环系统
图2-18 汽轮膨胀机示图
5）应用案例
某公司尿素车间具备80万吨/年的尿素生产能力，但其系统设计不合理，余热资源没有利用。对该车间进行改造后如图2-19所示，2套1.2MW ORC汽轮发电机组回收余热发电，每年可发电近16GW·h；同时还节省冷水系统的水耗量。
ORC装置选择有机工质制冷剂R245fa。这种制冷剂是一种新型环保型安全工质，非常适合低温热能回收系统，其热力学性质不同于常用的HFC制冷剂，能最大限度地提高ORC循环效率和系统经济性；相比许多碳氢化合物工质或氨水工质，其具有良好的安全性、低毒性，且不可燃、无腐蚀，其臭氧消耗潜能值（ODP）为0，全球变暖潜能值（GWP）为950，是一种环境友好性工质。
系统由143℃水加热ORC有机工质，使之成为具有一定过热度的高压蒸气，进入发电机组发电；排放的低压蒸气，进入ORC系统的冷凝器，冷凝液进入储液罐，再通过工质泵循环。其工质性能如表2-8所示。
图2-19 ORC装置外形图
表2-8 工质性能
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