李剛

摘 要：低溫余熱發(fā)電技術(shù)在提高能源再利用的有效方法之一，有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）技術(shù)是是低溫余熱發(fā)電技術(shù)之一，本文主要介紹了ORC循環(huán)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工質(zhì)的選擇方法，為ORC技術(shù)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：低溫余熱發(fā)電；有機(jī)朗肯循環(huán)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；有機(jī)工質(zhì)

1 前言

由于世界人口的增長和全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源消耗日漸增長。為了保護(hù)環(huán)境、維護(hù)人類良好的生存環(huán)境，開發(fā)新能源和提高能量利用效率是亟須解決的問題?？衫迷偕茉慈纾禾柲堋L(fēng)能及地?zé)崮?，在滿足能源需求起了越來越多的作用。而提高能源再利用有效的方法之一就是利用中低溫?zé)嵩吹挠袡C(jī)郎肯循環(huán)。有機(jī)朗肯循環(huán)（organic rankine cycle，簡稱ORC）是低溫余熱發(fā)電技術(shù)之一，ORC是使用具有較低臨界溫度的有機(jī)物作為循環(huán)工質(zhì)的朗肯循環(huán)。

2 研究現(xiàn)狀

國外有機(jī)郎肯循環(huán)主要應(yīng)用在地?zé)?、太陽能、煙氣余熱回收等工業(yè)余熱，多數(shù)文獻(xiàn)根據(jù)熱力學(xué)定律建立模型，計算不同工質(zhì)和溫度下的循環(huán)熱效率和介紹工質(zhì)的選擇方法，并介紹了有機(jī)郎肯循環(huán)中的重要設(shè)備——蒸汽膨脹做功的設(shè)備的選擇和設(shè)計。工質(zhì)均為飽和曲線斜率為負(fù)值或者無窮大的干流體和等熵流體。文獻(xiàn)中工質(zhì)的選擇大多為各種CFC（含氯、氟、碳的完全鹵代烴）等對環(huán)境有一定破壞的有機(jī)工質(zhì)，如R113、R245fa、R123等等。個別采用氨、烷烴等對環(huán)境有好的工質(zhì)。而且文獻(xiàn)中對工質(zhì)的選擇局限在某一特定的溫度范圍內(nèi)。追求最優(yōu)系統(tǒng)，工質(zhì)被加熱到飽和狀態(tài)后在膨脹做功的熱效率最高，過熱或者未飽和使得不可逆損失和成本增加，降低熱效率和經(jīng)濟(jì)性。

文獻(xiàn)還對有機(jī)郎肯循環(huán)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了詳細(xì)的介紹，對于溫度較高的低溫?zé)嵩?，為了提高能源利用率，采用常?guī)的有機(jī)郎肯循環(huán)已不能滿足需求，所以對常規(guī)ORC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做了一些改進(jìn)，如多級或單級抽汽回?zé)酧RC和抽汽再熱ORC，并對這兩種循環(huán)方式分別進(jìn)行了熱力分析和計算。雖然有大量的文獻(xiàn)介紹了有機(jī)郎肯循環(huán)的設(shè)計、工質(zhì)選擇，但是多數(shù)是基于實驗、理論和小型機(jī)組上。

3 低溫余熱發(fā)電（ORC）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常規(guī)的ORC系統(tǒng)由蒸發(fā)器、透平、冷凝器和工質(zhì)泵四大部件以及輔助系統(tǒng)組成。低溫余熱經(jīng)過換熱器的一邊，將熱量傳給有機(jī)工質(zhì)，有機(jī)工質(zhì)從余熱流中吸收熱量，生成具有一定壓力和溫度的蒸汽，蒸汽進(jìn)入透平機(jī)械膨脹做功，從而帶動發(fā)電機(jī)或拖動其他動力機(jī)械做功。從透平排出的工質(zhì)蒸汽在凝汽器中向空氣或者冷卻放熱，凝結(jié)成液態(tài)，最后借助工質(zhì)泵重新回到換熱器。

低溫余熱發(fā)電的設(shè)備中蒸發(fā)器一般為余熱鍋爐（管殼式換熱器），工質(zhì)側(cè)增加涂層；冷凝器（管殼式換熱器），一般選用冷卻水冷卻工質(zhì)，工質(zhì)側(cè)有涂層；但是對于不同的ORC 循環(huán)工質(zhì)及用途，透平（膨脹做功的設(shè)備）的設(shè)計是不相同的。因為工質(zhì)不同，循環(huán)的熱力性質(zhì)不同，所以透平的結(jié)構(gòu)設(shè)計方面也是不同的。對于太陽能光伏發(fā)電和有機(jī)郎肯循環(huán)聯(lián)合的發(fā)電機(jī)組中大部分的ORC組件在市場上是可以買到的，除了膨脹器（expander），膨脹器的作用是既能操作有機(jī)流體又能滿足性能要求。到目前為止最適合的膨脹器就是反向漩渦壓縮機(jī)（scroll compressor in reverse operation）。

回?zé)岢槠絆RC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似于以水蒸汽做工質(zhì)回?zé)岢槠煽涎h(huán)。從透平的第一級中抽汽加熱冷凝后的工質(zhì)，以提高循環(huán)的熱效率，減少不可逆損失，但是抽汽使得工質(zhì)的總的做功能力降低了。

對于干流體和等熵流，他們在透平中膨脹做功后仍然是飽和蒸汽或者過熱蒸汽，透平出口溫度總是高于入口溫度，所以采用改良ORC系統(tǒng)，即回?zé)嵩贌嵋惑w化ORC系統(tǒng)。系統(tǒng)選擇在透平出口、冷凝器之前安裝過熱換熱器加熱冷凝后的工質(zhì)，然后在使用抽汽混合加熱工質(zhì)。這樣避免了回?zé)嵯到y(tǒng)中輸出功的減少，同樣使得循環(huán)熱效率提高。（改良版的有機(jī)郎肯循環(huán)適用于余熱溫度很高的場合）

系統(tǒng)的熱效率的高低除了取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備的性能外，還依賴于余熱的溫度和有機(jī)循環(huán)工質(zhì)的選擇。

4 有機(jī)郎肯循環(huán)工質(zhì)選擇

有機(jī)工質(zhì)的選擇要考慮的工質(zhì)的熱力性能和環(huán)境因素。工質(zhì)的比容、比熱容、質(zhì)量流量、壓比、毒性、易燃性及全球變暖的影響因子等都是工質(zhì)選擇考慮的因素。

根據(jù)流體的T-s圖上的飽和曲線，可以把流體分為3組，（1）干流體，如：戊烷，苯，甲苯等有著正的斜率；（2）濕流體，例如：水，氨等有著負(fù)的斜率；（3）等熵流體，如：三氯一氟甲烷，二氯二氟甲烷等斜率無限大（這種流體的飽和蒸汽曲線幾乎是垂直的）。理想的郎肯循環(huán)中蒸汽在透平中等熵膨脹做功，由于濕流體的飽和曲線斜率為負(fù)值所以在透平出口的蒸汽的濕度很大。透平內(nèi)蒸汽含水不僅破壞葉片也會降低透平的等熵效率，因此在透平出口最小的干度必須保持在0.85以上。為了滿足透平出口的干度，透平入口的濕流體應(yīng)該過熱。但是低品位熱源的溫度一般低于300℃，因此對于常規(guī)郎肯循環(huán)，沒有足夠的熱量使得工質(zhì)在透平入口處過熱。而對于干流體和等熵流體他們在T-s圖上的飽和曲線有著負(fù)的或者無限大的斜率，所以他們在膨脹做功后仍然處于飽和或者過熱狀態(tài)，是最適合低溫?zé)嵩吹挠袡C(jī)循環(huán)工質(zhì)。

另外工質(zhì)還需要根據(jù)余熱的溫度來選擇，同時也要考慮到環(huán)保要求，避免選用Montreal協(xié)議（1987）限制了的工質(zhì)。

5 結(jié)論

通過對低溫余熱發(fā)電熱力學(xué)分析得出，當(dāng)在工質(zhì)飽和溫度之下，提高膨脹機(jī)的入口溫度，可以提高循環(huán)的熱效率和火用效率，降低循環(huán)的不可逆損失和循環(huán)的工質(zhì)流量；反之，當(dāng)膨脹機(jī)的入口溫度高于對應(yīng)的飽和溫度時（即工質(zhì)處于過熱狀態(tài)），循環(huán)熱效率和火用效率不會增加反而降低，所以過熱狀態(tài)對于干工質(zhì)是不適合的。因此根據(jù)運行時余熱溫度選擇工質(zhì)，選擇抽汽回?zé)酧RC和抽汽再熱ORC循環(huán)裝置。裝置的設(shè)備結(jié)構(gòu)的形式需要根據(jù)工質(zhì)確定。

參考文獻(xiàn)

[1]李昀竹.有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)的熱力性能分析和關(guān)鍵部件研制[D].中國科技大學(xué)，2010.

[2]汪玉林.低溫余熱能源發(fā)電裝置綜述[J].熱電技術(shù)，2007，（1）：1-5.

（作者單位：哈爾濱汽輪機(jī)廠輔機(jī)工程有限公司）