有機朗肯循環系統的工質選擇模擬研究

谷 菁，林 達，張海珍，阮炯明

（1.華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030；2.浙江省蓄能與建筑節能技術重點實驗室，杭州 310000）

0 引言

我國擁有數量龐大的低溫余熱資源，但由于其數量不穩定、品位低、回收困難等缺點未得到有效利用[1-2]。ORC（有機朗肯循環）發電是利用低溫余熱資源的有效途徑之一。ORC 系統采用低沸點、高蒸汽壓的有機工質，通過在低溫熱源條件下產生高壓蒸汽推動膨脹機做功[3-4]，實現低品位熱能向電能的轉變，達到減少污染物排放、能源回收利用的效果。此外，ORC 系統還具有效率高、系統構成簡單緊湊和運行成本低的特點，在工業余熱回收、地熱發電、太陽能發電和生物質能發電等領域[5]得到廣泛應用。

有機工質的選擇對ORC 系統的熱力學性能具有重要影響，是目前ORC 研究領域的熱點之一。國內外學者就工質熱物性特點及其對熱力循環的影響進行了大量的研究。Mago 等[6]比較了R113，R245ca，R245fa，R123 和異丁烷等多種工質在不同熱源溫度下對系統熱力學特性的影響，研究發現在熱源溫度T>430 K 時系統采用R113效率最高，370～430 K 時系統采用R123，R245fa和R245ca 效率更高，T＜370K 時，系統采用異丁烷時效率最高。謝攀等[7]針對85～200 ℃低溫熱源的有機朗肯循環系統，基于熱力學第一定律，研究R245fa，R600a，R601 等19 種工質對系統熱效率的影響，結果表明：各溫度段對應效率最優的有機工質分別為R290（80～90 ℃），R600（90～110 ℃，125～150 ℃），CF3I（110～125 ℃）和R601（150～200 ℃）。劉慶慶等[8]在低溫余熱熱源溫度下對R11，R123，R245fa，R600 及R600a 等工質進行研究，發現R600 作為工質最佳。目前，國內ORC 系統使用較少，從不同使用環境不同溫度段的最優工質結論不一，研究缺乏普適性和系統性。

本文針對低溫余熱利用ORC 系統，基于熱力學第一定律和第二定律，采用MATLAB 軟件建立其計算模型，研究有機工質對ORC 熱力學性能的影響。研究結果為低溫ORC 系統工質的選擇提供了理論依據。

1 模型建立

1.1 ORC 系統工作原理

ORC 系統是由蒸發器、膨脹機、冷凝器及工質循環泵4 個基本部件組成[9]，其基本結構如圖1 所示。該系統的基本工作原理是：高壓有機工質在蒸發器吸收低溫熱源熱量變為蒸汽進入膨脹機，在膨脹機內絕熱膨脹做功產生電能，出口的低壓蒸汽進入冷凝器冷卻為液態，低壓的液態有機工質通過工質循環泵增壓后進入蒸發器，往復循環，實現低品位熱能向電能的轉變。

圖1 ORC 系統的基本結構

有機工質多屬于大分子有機化合物，為了避免工質分解以及氣相換熱造成換熱效果太差，ORC 多以亞臨界循環[9-10]為主。理想的亞臨界ORC主要包括等壓吸熱、等熵膨脹、等壓放熱和等熵壓縮4 個過程，但實際的熱力循環過程存在管路壓力損失、泵壓縮過程熵增損失等損失。系統熱力學過程的溫熵如圖2 所示。

圖2 ORC 系統溫熵

1.2 系統熱力學模型的建立

根據某用于低溫余熱回收的ORC 系統的實際工況，基于熱力學第一定律和第二定律，結合工質狀態方程，建立系統熱力學模型，并根據計算結果進行性能評價。

工質的物性參數采用MATLAB 調用REFPROP 數據庫進行計算。REFPROP 數據庫包含空氣、烷烴、氯氟烴物質等上百種工質及混合工質的熱物性，并可選用數據庫中的純工質，按照混合工質物性理論計算新混合工質的物性。

1.3 系統性能評價指標

（1）凈輸出功率W

凈輸出功率是指減去泵消耗功率后膨脹機輸出的功率，可反映系統的生產能力，計算如式（1）所示：

式中：Wt為膨脹機的輸出比功率；Wp為工質循環泵的消耗比功率；mf為有機工質流量。

（2）熱效率ηth

熱效率是指系統的有效輸出能量，即凈輸出功占有機工質從熱源吸收的輸入熱量的比重，計算如式（2）所示：

式中：Qe為有機工質從熱源吸收的熱量。

（3）換熱面積A

系統換熱面積可反映系統的經濟性。換熱器是系統中成本最高的設備，換熱面積小有利于提高系統經濟性。系統換熱面積計算如式（3）所示：

式中：Qi為蒸發器或冷凝器的換熱量；Ki為傳熱系數，本文取定值，800 W/（m2·K）；Δti為換熱過程的平均溫差；Aevap為蒸發器的換熱面積；Acond為冷凝器的換熱面積；A 為系統總換熱面積。

（4）單位凈輸出功的換熱面積Anet[11]

系統單位凈輸出功的換熱面積同時考慮了系統做功能力和換熱器的經濟因素，其計算如式（4）所示：

式中：Th為高溫熱源的平均溫度；Tl為低溫冷卻介質的平均溫度；T0為環境溫度。

2 工質選擇

2.1 工質分類

ORC 的工質種類繁多，按分子結構可分為烷烴類和氟利昂類。HC（烷烴類）工質（如戊烷、異戊烷等）的優點是環保、成本低，缺點是易燃爆風險、熱力學性能不及氟利昂類工質。氟利昂類工質根據其分子結構又可大致分為CFC（氯氟烴類）、HCFC（氫氯氟烴類）和HFC（氫氟烴類）3種。前兩類工質對大氣環境的污染性較強。HFC 類對臭氧層零污染，但熱力學性能通常不如前兩類。HFC常見的工質有：R134a，R152a，R227ea 等。

干濕性是有機工質的重要特性之一。圖2 給出了干工質（如R245fa，R600，R600a 等）的飽和蒸汽曲線。濕工質（如水，R134a 等）是指飽和蒸汽曲線的斜率為負值的工質。等熵工質（如R11，R142b 等）是指飽和蒸汽曲線存在一段斜率趨近于無窮大的工質[9]。等熵或干工質以飽和蒸氣狀態進入膨脹機后仍是過熱狀態，不會出現“水沖蝕”問題，可有效提高系統運行的可靠性。

2.2 工質的選取原則

對于低溫余熱利用ORC 系統而言，除了優先采用等熵工質和干工質外，從熱力學、物理化學性質、安全性、設備設計可行性等方面對有機工質的選擇一般可參考以下原則[13-15]：

（1）工質應具備較好的熱力學性能，包括流動傳熱性能好、粘度低等。

（2）工質應具備合適的臨界參數、標況參數和凝固溫度等。

（3）工質應有合適的化學穩定性，不易分解，不腐蝕。

（4）工質應低毒、無刺激、不易燃燒，同時與設備材料具有很好的兼容性。

（5）應選取具有較低臭氧層破化潛力OPD 值和全球氣候變暖潛力GWP 值的工質。

（6）工質應容易獲取，儲存和運輸方便，且價格低廉。

綜 上，本 文 選 擇R600，R601a，R245fa 和R227ea 這4 種工質進行研究。

3 結果分析

針對低溫熱源采用MATLAB 進行計算，計算條件如表1 所示。

表1 ORC 計算條件

不同工質在ORC 系統中所表現的熱力特性不同，有機工質的選取直接影響系統的熱力學性能和經濟性，并應滿足應用環境的要求和部件設計能力等方面的限制條件。選取的4 種工質物化特性如表2 所示。計算結果如圖3—9 所示。

表2 工質物化特性[11]

圖3 凈輸出功率隨溫度變化曲線

圖4 熱效率隨溫度變化曲線

圖5 換熱面積隨溫度變化曲線

圖6 單位凈輸出功率的換熱面積隨溫度變化曲線

圖7 損失隨溫度變化曲線

圖8 效率隨溫度變化曲線

圖9 有機工質流量隨溫度變化曲線

從圖3—4 可以看出，系統凈輸出功率和熱效率隨蒸發溫度的變化趨勢相同，均隨蒸發溫度的變大而變大。蒸發溫度越高，系統吸收的熱源熱量越大，凈輸出功率和熱效率越大。R600，R601a 和R245fa 的凈輸出功率和熱效率相近，R227ea 的凈輸出功和熱效率偏小。

從圖5—6 可以看出，系統換熱面積和單位凈輸出功率的換熱面積均隨蒸發溫度的增大呈先減小后增大的趨勢，存在最小值。單位凈輸出功率的換熱面積比換熱面積沿x 軸偏右。4 種有機工質中，無論系統換熱面積還是單位凈輸出功的換 熱 面 積，R601a 最 小；R600 略 小 于R245fa；R227ea 最大。

從圖9 可以看出，有機工質流量隨蒸發溫度的增大而減小，變化幅度不大。R227ea 所需流量最大，R245fa 略小，R600 和R601a 相近最小。

考慮安全性和環境性，烴類工質的GWP 值低，環境較為友好，但易燃易爆，需配置防爆設施，并采用高性能的透平密封技術；HFC 類工質安全性高，但GWP 值高、溫室效應強。

綜上，對處于防爆環境如化工、石油煉化等行業的余熱，R600 是合適的選擇，但在其余低溫熱源條件下，R245fa 是比較合適的工質。

4 結語

有機朗肯循環發電系統是低溫余熱利用的有效途徑。本文基于熱力學理論，利用MATLAB 軟件和REFPROP 數據庫，針對低溫余熱熱源，建立有機朗肯循環系統計算模型，研究不同工質對系統性能的影響。計算結果表明：采用R601a 的系統凈輸出功、熱效率和效率最大，系統換熱面積、單位凈輸出功的換熱面積和損失最小，且環境污染小，但烴類易燃易爆,適宜用于煉化行業等原本就處于防爆環境的工業余熱。R245fa不易燃易爆，且系統凈輸出功、熱效率和效率較大，系統換熱面積、單位凈輸出功率的換熱面積和損失較小，應用范圍更廣，但HFC 類工質有一定污染性且傳熱特性較差，會顯著增大換熱設備的成本，降低系統經濟性。應根據實際情況選擇適宜的有機工質。