余熱回收新技術ORC系統在船用柴油機中的應用分析

楊小強 刁安娜 徐春城 周 岳

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200072）

余熱回收新技術ORC系統在船用柴油機中的應用分析

楊小強 刁安娜 徐春城 周 岳

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200072）

簡單介紹了回收余熱的新技術ORC系統及其原理，重點對目前回收柴油機煙氣余熱的三種循環系統進行了對比和分析。

ORC系統；柴油機煙氣；余熱回收

通常船用柴油機動力輸出能量只占燃油燃燒總熱量的30%～45%，剩余55%～70%的能量中被煙氣帶走的占34.2%，且排氣溫度高達400℃，價值很高。

有機朗肯循環（ORC，Organic Rankine Cycle）作為一種新的余熱回收技術，在對煙氣余熱進行回收時，既不消耗額外的燃料，也不會對環境造成影響，且能降低柴油機的單位功率排放量，因此，研究開發以船用柴油機煙氣為熱源的ORC系統具有非常重要的意義。

一、ORC系統工作原理

典型的ORC系統流程圖如圖1所示，系統主要由蒸發器、膨脹機、冷凝器和工質泵四大件組成。系統的工作原理為：液態有機工質在蒸發器中不斷吸收熱水（或其他熱源）的熱量，經過蒸發變為氣態；汽化后的有機工質氣體（或氣液兩相）進入膨脹機，膨脹機在高壓氣體的驅動下向外輸出電力或做功；膨脹后的低壓氣體或氣液兩相有機工質進入冷凝器被冷卻水冷凝成液態；最后，液態有機工質經過工質泵增壓后進入蒸發器吸收熱量，完成一個閉式循環。

圖1 ORC系統流程圖

ORC系統工作過程用溫熵圖表示如圖2所示，假設工質泵的增壓過程為等熵過程，且工質在蒸發器和冷凝器中為定壓吸熱，忽略連接管道內的壓力損失。

圖2 ORC系統熱力過程溫熵圖

如圖2所示，ORC系統的熱力循環由4個熱力過程組成。

（1）蒸發過程4-1。

有機工質在蒸發器中吸熱后發生相變變成氣態，吸收的熱量：

（2）膨脹過程1-2。

有機工質在膨脹機中從高壓膨脹到低壓，實際輸出的膨脹功：

若膨脹過程為等熵膨脹，則膨脹過程為虛線，等熵膨脹功：

（3）冷凝過程2-3。

有機工質在冷凝器中與冷卻水（或其他冷卻介質）換熱，被冷凝成液態，對外釋放的熱量：

（4）增壓過程3-4。

通過工質泵對液態有機工質進行增壓，工質泵的功耗：

系統實際熱效率的定義為輸出的有用功與總投入熱量的比值，其表達式：

由于實際的膨脹過程存在能量損失，輸出功會比理論過程的輸出功少，因此，對于膨脹機存在一個等熵效率，其表達式為

二、ORC系統用于船用柴油機煙氣余熱回收

目前利用ORC原理回收煙氣余熱的系統形式分為3種：以水為工質的ORC循環系統、ORC（以有機物如R134a、R245fa、丁烷等為工質）單循環系統和ORC雙循環系統。

傳統上，對于煙氣余熱回收都是以水為工質，利用煙氣加熱水得到水蒸氣，然后利用水蒸氣驅動汽輪機發電或做功。這種形式要求煙氣量大，水的氣化通過煙氣余熱鍋爐來實現，但是煙氣余熱鍋爐換熱效率比較低，結構復雜，且膨脹后的水蒸氣處于負壓狀態，需使用抽負壓的凝氣系統來冷凝水蒸氣，整個系統體積非常大，在船舶上使用受到很大限制。為了解決這些難題，有機工質ORC循環逐漸受到重視。

圖3 ORC雙循環系統三、系統對比分析

若選用有機工質，直接利用煙氣加熱有機工質，系統雖然相對簡化，但蒸發器非常龐大，且有機工質通常為易燃易爆或帶毒性介質，高溫煙氣直接與有機工質換熱，不僅增加了換熱器的制造難度，工質泄漏的風險也增加，系統可靠性降低。

為了更安全有效的利用船用柴油機煙氣余熱，ORC雙循環系統被提出，如圖3所示。先用煙氣余熱鍋爐將水（或導熱油）加熱至90℃以上，再利用這部分熱水（或熱油）來加熱有機工質，有機工質變成氣體后再驅動螺桿膨脹機做功。而釋放熱量后的熱水（油）再重新回到煙氣熱水鍋爐，形成閉式熱水循環。利用這種方式的好處體現在兩個方面，首先是用熱水（油）鍋爐代替了傳統的蒸汽鍋爐，不用將水加熱成水蒸氣，其換熱效率會大大提高，由于免去了蒸發管段，鍋爐尺寸也將大大減小；其次熱水（油）系統是一個閉式循環，在系統中實現熱量搬運的作用，無需額外補充，且將有機工質與高溫煙氣分開，使系統更加安全。

三、系統對比分析

已知某系列的柴油機在額定轉速下運行時的參數如表1所示。

表1

分別選用三種循環系統回收該煙氣余熱，利用化工流程模擬軟件PROII分別進行計算，計算的結果如表2所示。

由表2計算結果可以看出，對于同樣的煙氣余熱，采用水蒸氣ORC循環系統,雖然系統簡單且安全可靠，但是采用的煙氣余熱鍋爐由于換熱效率不高，導致最終系統熱效率偏低。采用ORC單循環系統，用換熱器替代煙氣余熱鍋爐后，系統熱效率上升，但是系統安全可靠性降低，若選用特制的全焊式板式換熱器，系統安全可靠性得到保證，但是成本會大大增加。采用ORC雙循環系統，雖然增加的換熱環節會存在少量的換熱損失，但是系統的安全可靠性可以完全得到保證。

表2

四、結語

船用柴油機工作時排氣管中煙氣的溫度高達400℃，可利用的溫差高達220℃，屬于中溫余熱資源，品質較高。回收船用柴油機排放的大量煙氣余熱，既能減小對環境的影響，又可以提高船用柴油機的能源利用率，降低船舶的耗能。利用ORC雙循環系統，既能保證煙氣余熱被高效回收，又能保證系統的安全可靠運行，是非常合理的技術形式。

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（二等獎獲獎征文）

TK11

B

1671-0711（2015）05-0053-03