有機朗肯循環系統復合溫差發電技術經濟性研究

0 前言

有機朗肯循環是以有機物為工質的朗肯循環，適用于回收工業生產中產生的廢熱。自上個世紀提出以來，有機朗肯循環技術的實際推廣和應用成為產學研各界的熱點問題

。現階段，基于ORC技術的余熱回收系統存在轉換效率不高且余熱利用有限等問題。任洪波等

使用Trnsys和Aspen Plus軟件構建CCHP-ORC聯合循環仿真模型，用于回收聯供系統產生的中低溫余熱進行發電。涂岱昕等

采用熱力循環三維構建方法作為功冷并供系統的優化策略，分析了非共沸工質的組分特性對噴射式功冷并供系統性能的影響。榮楊一鳴等

利用MATLAB對有機朗肯-蒸汽壓縮制冷耦合循環進行了熱力學建模，采用螢火蟲算法對主要蒸發器換熱面積進行優化。王志奇等

構建ORC變工況分析模型，研究熱源條件對系統變工況性能的影響規律。Mingzhang Pan

使用Matlab對有機朗肯循環和熱泵循環系統組合進行多目標優化。Mohammad Aliahmadi

在Aspen plus模擬了一個小型熱電聯產系統，包括一個雙流化床氣化爐，一個mGT系統和一個有機朗肯循環(ORC)。

溫差發電技術是基于塞貝克效應，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當兩接觸處的溫度不同時，回路中會產生一個電勢。溫差發電技術具有無移動部件、穩定性高、噪聲低、體積靈活變化等優點。尤運等

進行了電站鍋爐受熱面復合溫差發電技術經濟性研究。為解決ORC系統余熱利用有限問題，本文以在某工業園區ORC系統為例，使用GREATLAB軟件搭建仿真平臺，建立有機朗肯循環復合溫差發電模型，探究該模型在提高余熱回收能力方面的性能。

1）中水系統缺少進水量控制調節。生活污水產生量大約22 m3/d，但卻是間歇性的，一天24 h中00:00～18:00時段期間產生的污水量約0.32 m3/h，小于系統處理能力，而18:00～00:00污水產生比較集中約2.7 m3/h，大于系統處理能力，嚴重影響回收利用效率。

1 ORC余熱回收系統

1.1 某工業園區ORC系統

某工業園區ORC余熱回收系統如圖1所示，由EVP1-蒸發器、EVP2-過熱器、TUR-透平、CON-冷凝器以及PUMP-工質泵組成，以R245fa為工質，質量流量為66 kg/s，蒸發壓力為1.8 MPa，冷凝壓力為0.26 MPa，145℃、220 t/h、0.5 Mpa的循環水作為熱源，透平機設計功率為2.66 MW，等熵效率為0.83，機械效率為0.98。

將式(16)代入式(17)，并令?J(k)/?ΔU(k)=0，可得k時刻的目標函數J(k)取最小值時的ΔU(k)(推導見附錄2)，

1.2 ORC系統建模

通過GREATLAB軟件對某工業園區ORC余熱回收系統建立仿真模型。其中，換熱器逆流布置，為單臺管殼式換熱器，內部結構如管束布置、制冷劑流程、尺寸結構等均按照實際系統建模；泵效率為0.85；工質冷凝器出口為飽和液體；若調整過程中模擬數據不符合實際情況，模擬結果將不收斂。隨后通過已搭建好的ORC系統，對照實際運行數據進行調試，以提高系統的精確性。

投資收益率

為

其中，

η

為系統凈效率；

W

為工質透平做功；

W

為工質泵耗功。

由于來自工業園區的熱源溫度并不穩定，在135~145℃間浮動，甚至可能達到105℃，因此對ORC與溫差發電復合能源利用系統進行變工況模擬，以探究在不同溫度下該復合系統的熱力學性能。

1.3 精確性驗證

根據蒸發器的結構特性和溫差發電的性能，將溫差發電的熱端模塊與來自工業園區的熱源相接觸，冷端與蒸發器外壁接觸，經過技術處理便可進行溫差發電。圖3為溫差發電與蒸發器結合示意圖。在熱量交換過程中，一部分熱量通過溫差發電模塊直接轉化為電能；另一部分與換熱管路中有機工質發生熱量交換，從而大大提高余熱利用效率。蒸發器熱源熱力參數如表1所示。

2 有機朗肯循環復合溫差發電計算

2.1 有機朗肯循環復合溫差發電系統

為了驗證該系統具有廣泛的適用性，選取在熱源溫度為130℃和135℃下各5個運行工況，通過調整仿真系統中熱源流量和冷源入口溫度等相關參數，以熱效率為對照量，將其計算值與實測值進行比較，其結果如圖2所示，實測值與計算值之間的誤差均在5%以內，結果表明所搭建的ORC仿真系統具有較高的精確性。

2.2 溫差發電輸出功率計算

溫差發電片的理論最大發電效率

為

式中：

η

為卡諾循環效率，該效率取決于溫差發電片兩端的溫差；

η

為熱電材料的熱點效應效率，由熱電材料的熱電優值

（無量綱常數）決定；

，

T

分別為溫差發電片熱端和冷段溫度，℃。通過文獻

選取合適的溫差發電片，其具體性能見表2。

ORC余熱回收系統中蒸發器為管式換熱器，經計算得到其中可以安裝溫差發電片的面積為14.3 m

，結合表4計算得到整個蒸發器內需要安溫差發電片為

王婷(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向為紅外輻射在霧中的傳輸特性. Email: wangt6105@163.com

采集CAD圖形上的點位的坐標可以使用“getpoint”命令得到一個點位的列表，分別用“car”和“cadr”取得該點位的X坐標和Y坐標。為防止點位捕捉錯誤，可在“對象捕捉”中使用命令(setvar "osmode" 4133)[5]設置捕捉模式為端點、圓心、交點、延伸選項。

根據文獻

，將溫差發電模塊的實際測量值定為理論最大發電效率的60%，則所得發電效率

見表3。

投資收益率是衡量投資方案獲利水平的評價指標，為投資方案達到設計生產能力后一個正常生產年份的年收益額與方案投資額的比率。已知項目總投資成本

為1 356 000元，每年新增售電收益額為596 000元，企業所得稅率

為0.25，能源行業基準投資收益

取9%，設備折舊期

按10年計算，則年折舊費

為

2.3 有機朗肯循環復合溫差發電系統效率

在額定工況下，ORC系統透平做功為1 640 kW，系統輸入熱量為13 721 kW，泵消耗功率114.58 kW，故ORC原循環效率為11.12%，ORC與溫差發電復合能源利用系統效率為14.63%。

2.4 變工況條件下有機朗肯循環復合溫差發電系統效率

針對基準工況的凈效率

η

進行計算，得到計算值與實測值之間的誤差為1.919%，結果表明該仿真系統具有一定的精確度。

如圖4所示，有機朗肯循環復合溫差發電的熱效率整體上大于ORC系統的熱效率，說明了該復合系統能夠改善ORC系統余熱利用率不高的問題。

3 經濟性分析

3.1 成本和收益計算

為了便于計算，將蒸發器熱源入口平均溫度

近似為溫差發電片熱端溫度

，冷端溫度

近似為蒸發器熱源出口溫度

T

。則得到溫差發電模塊的理論最大發電效率

為

整個溫差發電系統的成本為

所謂體育課堂尾聲的口訣式，即我們體育教師運用形象生動、簡明扼要、易懂易記的特點，結合教材與教學內容精心編制口訣讓學生記憶的課堂尾聲方式。如水平二的前滾翻教學時，用“一蹲二撐三低頭含胸收腹身似球”來概括技術要求。這種口訣式課堂尾聲針對性強，既能激發學生的學習興趣和熱情，又能促進知識、技術、技能的牢固記憶。

根據公式，計算得到復合系統每年新增售電收益

3.2 投資收益率

根據公式（6），計算得到溫差發電輸出功率

P

年凈收益額

為

凈效率計算公式

在對未來的期待中，照料者最關注的是能否給心智障礙家庭成員提供一個“合宜”的住房，這是未來安置規劃中急需解決也最具挑戰性的部分。Mengel等人研究發現，年長的照料者最為關注的訴求是住房選擇。Weeks等人的研究也證實了居住和照顧選擇的重要性。心智障礙成員不一而足的殘障類型和程度、與照料者的社會關系、家庭生命周期等，這些都會影響不同家庭在未來安置規劃上的差別化需求。心智障礙人士大多與照料者共同居住，一旦照料者因生病或死亡等原因無法與其共同生活時，障礙人士的居住和照料問題便成了懸而難決的頭等大事。

馬力在多倫多看到，一個孩子吃藥，醫院幾個人圍著轉，一個多小時才吃進去。他們的理念是，藥一定要讓孩子自己吃。因此,幾個人在那兒給孩子講，吃了藥會怎樣，不吃會怎樣。在多倫多的醫院，專門從事人文工作的很多，除了生活專家外，還有社會工作者。這樣的條件，國內醫院很難具備。

經計算可得

為0.35，

大于

，故該投資項目是可行的。

1.5 統計學處理 采用SPSS 19.0 統計軟件進行數據處理。服從正態分布的計量資料以表示，組間比較采用t檢驗；計數資料的比較采用χ2檢驗；等級資料采用秩和檢驗。檢驗水準(α)為0.05。

投資回收周期PZ

由于溫差發電片的壽命較長，高于設備折舊期（10年），因此在該投資回收周期內可以正常運行。

4 總結

1）通過搭建ORC-TEG復合發電系統，有效提升了ORC系統在余熱回收方面效率較低的問題，在熱源溫度為105~145℃情況下，該復合系統的熱效率比原ORC系統可提升0.3%~3.5%，且蒸發器熱源入口溫度越高，復合系統熱效率提升越大。

2）通過經濟性分析，該復合系統的投資方案可行，正常運行情況下，在2.8年內可收回全部投資成本。

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