低溫熱能有機物發電系統熱力研究

劉振興

摘 要：本文以有機物朗肯循環（ORC）發電系統為研究對象，闡述了工質的性質，主要圍繞工作壓力、飽和蒸汽密度和環保元素等方面展開論述。通過對工質熱力性質的研究，闡釋了有機物朗肯循環發電系統地構建機制。

關鍵詞：熱能有機物；發電系統；工質；熱力

1 引言

ORC即有機物朗肯循環，是一種閉式朗肯循環，工質為低沸點有機物，如氟利昂等。該類低沸點有機物能在較低的溫度環境下高效地利用熱能。因此，該循環系統具有蒸發溫度低、熱效率高、冷凝溫度低及設備簡單等優點，被公認為是一種高效的低溫熱能有機物發電系統。對于該ORC循環發電系統來說，工質的選擇十分重要，只有滿足了其熱力性質，才能保證系統良好地運行。此外，在構建ORC循環發電系統的過程中，要科學地處理和計算各個參數。

2 ORC循環發電系統有機物工質分析

2.1 有機物工質性質分析

有機物工質是一種節能型、高效型的媒介，具有鮮明的壓力特征和屬性特點。特別是壓力承受度，其作為主要的壓力特征，是判斷工質指標的重要依據。

（1）壓力特征，特別是工質的選擇。科學的工質是ORC循環系統良好運行的基礎。因此，必須重視工質的選擇，在選擇工質之前，要對備選工質的壓力承受度進行準確的評估。由于ORC循環系統是一種低溫型的熱能有機物發電系統，在選取100℃以下的熱能時，水不適合作為工質，會造成發電系統處于負壓狀態。若用水作為工質，發電系統需要有更高的密封工藝。因此，無論是從熱能率上，還是從發電系統的工藝要求方面，選用水作為工質是不科學的。發電系統的有機工質的選擇要以系統功率為基礎。如果工質的工作壓力超過發電系統的功率需求，就會降低系統的熱能利用率，增加系統管道壁的厚度，從而增加系統的成本造價，也使得管道的熱能損耗大大增加。這與ORC循環系統的高效性原則相違背。同時，當工質的工作壓力過高時，就會造成發電系統的很多設備處于超負荷的工作狀態，例如轉換器，當其處于超負荷工作狀態時，會大大增加自損能量的消耗，從而降低系統地整體工作效率。因此，在構建ORC循環系統的過程中，要根據系統地設計需要，合理地選擇與工作壓力相應的工質。

（2）工質的干濕。有機工質的干濕程度，通過飽和蒸汽度表示。采用飽和蒸汽線的斜率表示工質的干濕，可以提高控制的有效性。飽和蒸汽線是指在S-T下，T隨S變化的曲線。根據曲線的變化程度，就可以直觀地表現出工質的干濕程度。當該曲線的曲率接近零時，表明工質為絕熱工質；當曲線的曲率低于零時，則表明工質為濕工質；反過來，曲線曲率大于零時，工質為干工質。ORC循環發電系統更適合采用干工質。當ORC發電系統熱能較小時，容易導致機輪發生膨脹，進而損害工質。此外，機輪若長期工作在濕工質環境下，會縮短使用壽命，影響系統正常運行。而干工質與濕工質不同，其在人能的影響下能夠有效控制膨脹范圍，避免出現膨脹幅度過大的現象，進而也避免了干工質超出過熱區的問題。將水或含氫鍵的有機物摻入干工質中，可以大大增加工質的工作壓力，從而使系統地功率增大。

2.2 有機物工質的環保性能

ORC循環發電系統作為低溫型熱能有機物發電系統，在性能上要注重突出高效節能的特點，尤其是環保性能。干工質在工作的過程中，會破壞臭氧層，造成溫室效應。因此，要嚴格控制工質的各項指標。與此同時，要密切關注工質的熱穩定性，確保系統正常運行。

3 ORC循環系統的構建

在構建ORC循環系統的過程中，首先要明確系統地工作原理，特別是循環發電系統模型的構建。發電系統模型的構建是ORC循環系統的基礎。

3.1 ORC循環系統地熱力原理

工質是循環發電系統中熱能與機械能相互轉化的媒介，其主要在膨脹條件下通過平移做功，并在冷凝器中釋放熱能。工質的運動能力由泵提供，低溫熱能由工質吸收。在做功的過程中，工質經歷了加熱、沸騰的循環過程。由此看來，ORC循環系統能夠回收利用系統地余熱，具有高效節能的特點。

3.2 ORC循環系統的功率

系統內耗和透平做功決定ORC循環發電系統的發電效率。工質對熱能的吸收量直接影響著系統地熱能轉化率。泵是系統內耗最大的設備，因此，在構建循環系統的過程中要加強對泵的控制。

3.3 相關參數的計算

重要的參數包括機輪的膨脹比值、泵的控制參數以及管道的散熱控制等。機輪的膨脹比值主要根據機輪的進出口壓力比值進行計算。通過反復實踐發現，當工質的蒸汽溫度應該控制在80℃左右，工質的透平工作效率應該控制在0.8左右。泵是循環系統內耗的主要部分，因此，其參數的控制也非常重要。泵的控制參數的計算以變頻方式為主。管道的散熱控制要根據相關參數的計算，把握好管道的厚度，從而優化系統的成本控制。

4 結語

對于ORC循環發電系統來說，工質的性能十分重要。工質在循環發電系統中占有關鍵的地位，其實熱能和機械能相互轉化的媒介，有機物工質的性質不同會產生不同的熱能。ORC循環發電系統采用不同的有機物工質模式，可以使能量多級利用，能夠回收利用系統的余熱，具有高效節能的特點。

參考文獻：

[1]顧偉，孫紹芹，翁一武.采用渦旋膨脹機的低品位熱能有機物朗肯循環發電系統實驗研究[J].中國電機工程學報，2011（17）.

[2]杜永平，陳哲.關于低溫熱能有機物發電系統熱力的論述[D].城市建設理論研究（電子版），2013（13）.

[3]王文臣.對低溫型熱能有機物發電系統熱力的探討[D].科技與生活，2012（08）.

[4]湯磊，王羽平，楊平.低溫熱能有機物朗肯循環發電系統的最佳負載特性實驗研究[J].上海交通大學學報，2014（09）.endprint