低溫余熱利用有機朗肯循環系統工質選擇研究

文_陳瑜 倪衛潔 中國質量認證中心南京分中心

我國是一個能源消耗大國，但是能源利用率相對較低，單位產值能耗比世界平均水平高2.4 倍, 能源效率比國際先進水平低10%。據估計，我國工業余熱資源中約60%可回收再利用，特別是低溫余熱（余熱溫度＜250℃）資源的回收利用受到了越來越多的重視。有機朗肯循環（ORC）技術能有效回收低溫工業余熱，全世界目前已有超過4000 余套ORC 裝置，并且已生產出了單機容量為14MW 的ORC 發電機組。ORC 系統以低沸點有機物或有機混合物為循環工質，其循環特性受工質物性控制，直接影響ORC 系統熱效率。按照T-S 圖飽和蒸汽曲線斜率，工質可分干工質（dT/dS＞0）、等熵工質（dT/dS ≈0）和濕工質（dT/dS＜0）。工質液體定壓比熱cp、蒸發潛熱γ以及飽和蒸汽線斜率dT/dS 是影響ORC 循環性能的主要參數。Tchanche et al.認為擁有較大液體定壓比熱以及蒸發潛熱的工質更適合于ORC 系統，Yamamoto et al.則建議應選擇較低蒸發潛熱的工質，而Maizza et al.、Badr et al.、Chen et al.等認為應選擇擁有較大的液體定壓比熱以及較小的蒸發潛熱的工質。可以看出，不同學者提出的工質選擇原則并不一致，甚至有些相反的結論，且沒有明確工質過熱是否對系統效率有影響。鑒于此，本文針對ORC 系統工質的選擇，通過理論分析得出了一些選擇原則。

1 ORC系統工質初選

工質初選主要考慮較低的ODP、GWP 以及ALT，在ORC系統正常操作溫度范圍內不會分解，不能損壞設備材料以及與潤滑油反應，安全無毒、沒有輻射、不易燃以及較低的成本。本文初選5種工質（表1），其中R152a 為濕工質；R245fa，R601a 為干工質；R600a，R141b 則為等熵工質，物性參數來自REFPROF 8.0。

表1 工質物性參數

2 ORC系統熱力學分析

圖1 所示為ORC 系統流程圖以及工質T-S 圖，ORC系統主要由工質泵、蒸發器、膨脹機以及冷凝器組成。ORC系統以低沸點有機物或者混合物為循環工質，工質在蒸發器中獲得熱量蒸發為飽和或者過熱蒸汽，推動膨脹機做功，乏氣在冷凝器中冷凝，由工質泵再輸送至蒸發器完成循環。對于傳統朗肯循環，蒸汽過熱會提高系統熱效率，但低溫ORC 系統還需進一步研究。假設系統穩定運行、管道以及換熱設備中壓降為0、忽略熱損，通過熱力學分析可得：

其中，We,act和Wp,act為膨脹機和工質泵實際輸出功，mwf為質量流量，Qev為吸熱量，ηe,is為膨脹機等熵效率，ηg為發電機機械效率，ηp,is為循環泵等熵效率，TH和TL分別為平均熱源、冷源溫度，分別為過熱蒸汽在膨脹機進口和出口焓增。

圖1 (a) ORC 系統原理

3 結果與討論

3.1 工質過熱對系統熱效率的影響

圖2 所示為三種類型工質ORC系統熱效率與膨脹機進口溫度的關系，其中工質冷凝溫度35℃，環境溫度25℃，蒸發器傳熱節點溫差10℃，冷凝器傳熱節點溫差5℃，膨脹機進口溫度即反映了過熱度的影響。隨著工質過熱度增大，濕工質R152a 的熱效率呈直線上升趨勢，且工質壓力越高，上升趨勢越明顯；等熵工質R141b 的熱效率基本沒有影響，僅在工質壓力足夠高時才有輕微提升；而干工質R601a 的熱效率直線下降。

圖2 ORC 系統熱效率與膨脹機進口溫度關系

3.2 工質過熱對系統火用效率的影響

圖3 所示為濕工質ORC 系統火用效率與膨脹機進口溫度的關系，系統參數與上述一致。可以看出，火用效率均隨著工質過熱度增大而呈下降趨勢。雖然增大過熱度對濕工質的熱效率有一定提高，但并不是太明顯，如R152a 在P4=0.4Mpa 和P4=2.8MPa 時，熱效率隨過熱度增大僅僅分別從4.57%上升到4.90%、 20.28%上升到21.28%，但火用效率則下降了77.9%和12.23%。因此在低溫余熱范圍內，濕工質ORC 系統熱效率隨著過熱度的提高而緩慢增加，特別是工質壓力較高時；等熵工質ORC 系統熱效率隨著過熱度的提高而基本保持不變；干工質ORC 系統熱效率隨著過熱度的提高而下降；而隨著過熱度的增大，三種工質火用效率均明顯下降。從ORC 系統效率角度來說，低溫ORC 系統工質不適合進行過熱處理。

圖3 ORC 系統火用效率與膨脹機進口溫度關系

3.3 ORC系統工質選擇原則

基于上述結論，工質在膨脹機進口應保持飽和狀態。在相同蒸發溫度或者膨脹機進口溫度條件下，隨著工質臨界點溫度的上升，系統熱效率呈緩慢增高趨勢，但5 種工質的熱效率差別不大。因此對于低溫余熱ORC 系統，在相同蒸發溫度時，工質的選擇應主要考慮熱源溫度水平。必須說明的是，并不能認為系統熱效率高的工質就一定適合低溫ORC 系統，如水，其熱效率遠高于本文的5 種有機工質，但是其輸出功則明顯要小很多。為了分析物性參數對熱效率的影響，在此定義φ=cp/γ，如圖4 所示，在相同溫度下，工質臨界溫度越大，則φ值越小。在相同膨脹機進口溫度下，工質φ值越大，系統熱效率越小，即具有較小定壓比熱和較大蒸發潛熱的工質，其熱效率更好。換句話說，在相同膨脹機進口溫度下，采用較小定壓比熱以及較大蒸發潛熱工質的ORC 系統，其熱效率較高。

圖4 不同工質液體定壓比熱和潛熱比值與溫度關系

4 結語

本文針對ORC 系統工質的選擇，研究工質過熱度與理想有機朗肯循環熱效率以及火用效率、熱效率與膨脹機進口溫度以及工質物性參數與系統熱效率之間的一般規律，提出低溫ORC系統工質的選擇原則。主要結論如下：

（1）對于低溫余熱，濕工質系統熱效率隨過熱度提高而緩慢增加，等熵工質熱效率隨過熱度提高而基本保持不變，干工質熱效率隨過熱度提高而下降。

（2）隨過熱度增大，三種工質火用效率均明顯下降，即膨脹機進口蒸汽應該保持飽和狀態。

（3）膨脹機進口溫度相同，擁有較高臨界點、較小的定壓比熱以及較大蒸發潛熱的工質可以獲得更高的系統熱效率。