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【摘 要】有机朗肯循环（ORC）是目前比较公认的一项能高效回收中低温余热的重要技术，国内外学者对此进行了大量的研究。本文笔者结合前人的研究成果及自身经验分析有机朗肯循环余热发电系统性能及优化参考的内容，仅供参考。
【关键词】有机朗肯循环；余热发电系统；性能；优化
1有机朗肯循环余热发电系统
有机朗肯循环发电系统正常工作时，余热介质首先通过蒸发器将有机工质加热成高温高压的饱和蒸汽或过热蒸汽，然后高压的蒸汽进入膨胀机膨胀并且驱动膨胀机做功带动发电机发电，膨胀后的蒸汽进入冷凝器冷却降温至液态，最后工质泵将液态有机工质送回蒸发器进行再次加热。ORC系统组成：（1）蒸发器。蒸发器在循环系统中的作用是能量传递，是整个有机朗肯循环系统热量传递的最关键设备，它的传热效率直接影响到整个系统的发电效率。因此在有机朗肯循环运行过程中，蒸发器造成的不可逆性损失是所有部件中占比最大的部件。（2）膨胀机。膨胀机的作用是压缩经过蒸发器蒸发的高温高压气体，使热能转变为机械能从而膨胀带动发电机做功。因此，膨胀机同样是ORC系统中关键部件之一，最为直接的影响着整个系统的效率。膨胀机分为速度型和容积型两种。（3）冷凝器。与蒸发器的工作原理刚好相反，主要是将从膨胀机排出的气体冷凝为过冷液体，内部结构包括过热区、两相区和过冷区。冷凝器和蒸发器同样是有机朗肯循环系统中的关键换热部件。（4）工质泵。工质泵的作用是使有机工质在细长的管道内流动的同时达到一个设置的流速从而来提高自身的压力。工质泵很容易被气体或是液体腐蚀从而导致了系统效率降低。
2ORC系统性能分析及参数优化
2.1热力性能分析
由于受到蒸发器窄点温差的约束，各工质对应系统的蒸发温度随着排烟温度的升高而增大。在相同排烟温度条件下，采用R600a、R236ea的系统蒸发温度高于其他工质，R245fa、R600对应系统的蒸发温度相对较高，R123与湿工质R161、R152a对应系统的蒸发温度相对较低且较为接近。图1反映了采用各工质系统的工质流量随排烟温度的变化情况，由图可知，工质流量随排烟温度的升高而减小，这是因为当蒸发器入口热源温度不变时，根据热平衡方程，系统总吸热量随着排烟温度的升高而减小，满足此时热负荷所需的工质流量下降。在相同排烟温度下，工质间的物性差异导致各工质对应系统的工质流量存在差异，所有系统中烷烃类干工质R600a、R600与湿工质的流量明显小于其他干工质，变化幅度也相对较小，R236ea对应系统的流量较大且随排烟温度的变化幅度较大。图2反映了各工质对应系统膨胀机比焓降随排烟温度的变化情况，由图可知，各工质膨胀机的比焓降随排烟温度的升高而增大。对比看来，采用干工质的系统净功率明显大于湿工质系统，当排烟温度较高时，各干工质系统对应的净功率接近，而随着排烟温度的降低，采用各干工质的系统间的净功率差异变大，其中采用R600a与R236ea的系统净功率较大，R245fa与R600次之，采用R123的系统净功率相对较小。湿工质的系统净功率则明显小于干工质，其中R161系统净功率最小。再结合热耗率随排烟温度的变化图可知，采用各工质系统的热耗率均随排烟温度的升高而减小，这是因为随着排烟温度的升高，系统蒸发温度逐渐增大，当冷凝温度不变时系统平均吸热温度增加，热效率提高，热耗率下降。由于热耗率可看作是热效率倒数的函数，可发现采用各工质系统的热耗率排序与净功率的排序相反。
2.2经济性分析
由于工质物性不同，各工质对应系统的蒸发压力具有明显差异，湿工质的蒸发压力相对较高，其中R161的蒸发压力明显高于其他工质，R123对应系统的蒸发压力最低。结合投资成本随排烟温度的变化图可知，随着排烟温度的升高，系统设备成本先增加后减小。在该热源条件下，采用R600a与R236ea的系统投资成本始终较高，R245fa与R600次之，采用R123的系统投资成本相对较低，湿工质R161、R152a对应系统的投资成本始终较为接近且明显低于干工质对应系统。结合LEC随排烟温度的变化图可知，随着排烟温度的升高，各系统的LEC逐渐下降，降幅趋于平缓，且各工质对应系统均存在对应的排烟温度工况使得LEC达到最小值。当排烟温度较低时，干工质对应系统的LEC较为接近，R123系统的LEC在低排烟温度工况相对较大，随着排烟温度的升高，各工质的LEC均出现减小的趋势但变化幅度不同，采用R123系统的LEC降幅相对较大，随着排烟温度的升高，R123对应系统的LEC开始低于其他干工质，R600与R245fa对应系统的LEC与R123接近，而R600a与R236ea的LEC相对较大。采用湿工质的系统在低排烟温度工况下对应的LEC明显大于干工质系统，而湿工质对应系统的LEC变化较大，随着排烟温度的提高，LEC下降明显，并逐渐与干工质系统接近，干工质R236ea与R600a对应系统的LEC在高排烟温度工况下接近并超过了采用R152a的系统。
实验相关研究发现R245fa在高温情况下具有较低的排气温度和冷凝压力，因此在普通热泵的条件下，为保证安全，机组最高承压能力一般不超过2.4Mpa，故R245fa可以达到更高的出水温度的潜质，以供工业使用。结果：（1）机组COP变化。COP受制热量跟压缩机输入功率两者共同影响，当蒸发温度不变时，冷凝器侧出水温度每升高5℃，由于制热量的降低以及压缩机输入功率的增加，COP值会减10%-25%。而对比冷凝器侧出水温度相同情况下，蒸发器侧温度每升高10℃，因为压缩机的输入功率变化较小，而制熱量的大幅增加会导致COP高11%-29%。当冷凝器侧出水温度跟蒸发器侧入水温度之差在40℃以内时，机组的COP总是大于3.0，并且在蒸发器侧平均水温60℃，冷凝器侧出水温度可以达到105.7℃时，此工况下的COP为2.701。在冷凝器侧出水温度100℃时，R245fa的COP为3.102，跟前期理论计算的COP（3.81）略有差距，考虑到实验存在一定误差，因此在合理的范围之内。（2）制热量。制热量随着冷凝器侧出水温度的升高而降低，随着蒸发器侧平均水温的升高而增大。在高温工况下，冷凝器侧出水温度每升高5℃，制热量会减小2.5%-10.2%，且减小的速度会逐渐变慢。而在同等冷凝器侧出水温度下，高温工况情况下的蒸发器侧平均水温每升高10℃，制热量会增大14.1%-25.6%，由此可知，蒸发温度对制热量的影响大于冷凝温度，同时随着冷凝温度的增大制热量会逐渐减小。
3结束语
本文以工业低温烟气余热ORC循环发电系统为研究对象，基于热源参数分析不同工质对应系统的热力性能与经济性指标；对各工质系统进行优化并分析最佳运行参数的变化规律。
参考文献：
[1]冯驯.有机朗肯循环中低温余热发电系统理论研究[D].上海交通大学，2011
（作者单位：陕西延长石油售电有限公司）
【关键词】有机朗肯循环；余热发电系统；性能；优化
1有机朗肯循环余热发电系统
有机朗肯循环发电系统正常工作时，余热介质首先通过蒸发器将有机工质加热成高温高压的饱和蒸汽或过热蒸汽，然后高压的蒸汽进入膨胀机膨胀并且驱动膨胀机做功带动发电机发电，膨胀后的蒸汽进入冷凝器冷却降温至液态，最后工质泵将液态有机工质送回蒸发器进行再次加热。ORC系统组成：（1）蒸发器。蒸发器在循环系统中的作用是能量传递，是整个有机朗肯循环系统热量传递的最关键设备，它的传热效率直接影响到整个系统的发电效率。因此在有机朗肯循环运行过程中，蒸发器造成的不可逆性损失是所有部件中占比最大的部件。（2）膨胀机。膨胀机的作用是压缩经过蒸发器蒸发的高温高压气体，使热能转变为机械能从而膨胀带动发电机做功。因此，膨胀机同样是ORC系统中关键部件之一，最为直接的影响着整个系统的效率。膨胀机分为速度型和容积型两种。（3）冷凝器。与蒸发器的工作原理刚好相反，主要是将从膨胀机排出的气体冷凝为过冷液体，内部结构包括过热区、两相区和过冷区。冷凝器和蒸发器同样是有机朗肯循环系统中的关键换热部件。（4）工质泵。工质泵的作用是使有机工质在细长的管道内流动的同时达到一个设置的流速从而来提高自身的压力。工质泵很容易被气体或是液体腐蚀从而导致了系统效率降低。
2ORC系统性能分析及参数优化
2.1热力性能分析
由于受到蒸发器窄点温差的约束，各工质对应系统的蒸发温度随着排烟温度的升高而增大。在相同排烟温度条件下，采用R600a、R236ea的系统蒸发温度高于其他工质，R245fa、R600对应系统的蒸发温度相对较高，R123与湿工质R161、R152a对应系统的蒸发温度相对较低且较为接近。图1反映了采用各工质系统的工质流量随排烟温度的变化情况，由图可知，工质流量随排烟温度的升高而减小，这是因为当蒸发器入口热源温度不变时，根据热平衡方程，系统总吸热量随着排烟温度的升高而减小，满足此时热负荷所需的工质流量下降。在相同排烟温度下，工质间的物性差异导致各工质对应系统的工质流量存在差异，所有系统中烷烃类干工质R600a、R600与湿工质的流量明显小于其他干工质，变化幅度也相对较小，R236ea对应系统的流量较大且随排烟温度的变化幅度较大。图2反映了各工质对应系统膨胀机比焓降随排烟温度的变化情况，由图可知，各工质膨胀机的比焓降随排烟温度的升高而增大。对比看来，采用干工质的系统净功率明显大于湿工质系统，当排烟温度较高时，各干工质系统对应的净功率接近，而随着排烟温度的降低，采用各干工质的系统间的净功率差异变大，其中采用R600a与R236ea的系统净功率较大，R245fa与R600次之，采用R123的系统净功率相对较小。湿工质的系统净功率则明显小于干工质，其中R161系统净功率最小。再结合热耗率随排烟温度的变化图可知，采用各工质系统的热耗率均随排烟温度的升高而减小，这是因为随着排烟温度的升高，系统蒸发温度逐渐增大，当冷凝温度不变时系统平均吸热温度增加，热效率提高，热耗率下降。由于热耗率可看作是热效率倒数的函数，可发现采用各工质系统的热耗率排序与净功率的排序相反。
2.2经济性分析
由于工质物性不同，各工质对应系统的蒸发压力具有明显差异，湿工质的蒸发压力相对较高，其中R161的蒸发压力明显高于其他工质，R123对应系统的蒸发压力最低。结合投资成本随排烟温度的变化图可知，随着排烟温度的升高，系统设备成本先增加后减小。在该热源条件下，采用R600a与R236ea的系统投资成本始终较高，R245fa与R600次之，采用R123的系统投资成本相对较低，湿工质R161、R152a对应系统的投资成本始终较为接近且明显低于干工质对应系统。结合LEC随排烟温度的变化图可知，随着排烟温度的升高，各系统的LEC逐渐下降，降幅趋于平缓，且各工质对应系统均存在对应的排烟温度工况使得LEC达到最小值。当排烟温度较低时，干工质对应系统的LEC较为接近，R123系统的LEC在低排烟温度工况相对较大，随着排烟温度的升高，各工质的LEC均出现减小的趋势但变化幅度不同，采用R123系统的LEC降幅相对较大，随着排烟温度的升高，R123对应系统的LEC开始低于其他干工质，R600与R245fa对应系统的LEC与R123接近，而R600a与R236ea的LEC相对较大。采用湿工质的系统在低排烟温度工况下对应的LEC明显大于干工质系统，而湿工质对应系统的LEC变化较大，随着排烟温度的提高，LEC下降明显，并逐渐与干工质系统接近，干工质R236ea与R600a对应系统的LEC在高排烟温度工况下接近并超过了采用R152a的系统。
实验相关研究发现R245fa在高温情况下具有较低的排气温度和冷凝压力，因此在普通热泵的条件下，为保证安全，机组最高承压能力一般不超过2.4Mpa，故R245fa可以达到更高的出水温度的潜质，以供工业使用。结果：（1）机组COP变化。COP受制热量跟压缩机输入功率两者共同影响，当蒸发温度不变时，冷凝器侧出水温度每升高5℃，由于制热量的降低以及压缩机输入功率的增加，COP值会减10%-25%。而对比冷凝器侧出水温度相同情况下，蒸发器侧温度每升高10℃，因为压缩机的输入功率变化较小，而制熱量的大幅增加会导致COP高11%-29%。当冷凝器侧出水温度跟蒸发器侧入水温度之差在40℃以内时，机组的COP总是大于3.0，并且在蒸发器侧平均水温60℃，冷凝器侧出水温度可以达到105.7℃时，此工况下的COP为2.701。在冷凝器侧出水温度100℃时，R245fa的COP为3.102，跟前期理论计算的COP（3.81）略有差距，考虑到实验存在一定误差，因此在合理的范围之内。（2）制热量。制热量随着冷凝器侧出水温度的升高而降低，随着蒸发器侧平均水温的升高而增大。在高温工况下，冷凝器侧出水温度每升高5℃，制热量会减小2.5%-10.2%，且减小的速度会逐渐变慢。而在同等冷凝器侧出水温度下，高温工况情况下的蒸发器侧平均水温每升高10℃，制热量会增大14.1%-25.6%，由此可知，蒸发温度对制热量的影响大于冷凝温度，同时随着冷凝温度的增大制热量会逐渐减小。
3结束语
本文以工业低温烟气余热ORC循环发电系统为研究对象，基于热源参数分析不同工质对应系统的热力性能与经济性指标；对各工质系统进行优化并分析最佳运行参数的变化规律。
参考文献：
[1]冯驯.有机朗肯循环中低温余热发电系统理论研究[D].上海交通大学，2011
（作者单位：陕西延长石油售电有限公司）