余热回收新技术ORC系统在船用柴油机中的应用分析

杨小强 刁安娜 徐春城 周 岳

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200072）

余热回收新技术ORC系统在船用柴油机中的应用分析

杨小强 刁安娜 徐春城 周 岳

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200072）

简单介绍了回收余热的新技术ORC系统及其原理，重点对目前回收柴油机烟气余热的三种循环系统进行了对比和分析。

ORC系统；柴油机烟气；余热回收

通常船用柴油机动力输出能量只占燃油燃烧总热量的30%～45%，剩余55%～70%的能量中被烟气带走的占34.2%，且排气温度高达400℃，价值很高。

有机朗肯循环（ORC，Organic Rankine Cycle）作为一种新的余热回收技术，在对烟气余热进行回收时，既不消耗额外的燃料，也不会对环境造成影响，且能降低柴油机的单位功率排放量，因此，研究开发以船用柴油机烟气为热源的ORC系统具有非常重要的意义。

一、ORC系统工作原理

典型的ORC系统流程图如图1所示，系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵四大件组成。系统的工作原理为：液态有机工质在蒸发器中不断吸收热水（或其他热源）的热量，经过蒸发变为气态；汽化后的有机工质气体（或气液两相）进入膨胀机，膨胀机在高压气体的驱动下向外输出电力或做功；膨胀后的低压气体或气液两相有机工质进入冷凝器被冷却水冷凝成液态；最后，液态有机工质经过工质泵增压后进入蒸发器吸收热量，完成一个闭式循环。

图1 ORC系统流程图

ORC系统工作过程用温熵图表示如图2所示，假设工质泵的增压过程为等熵过程，且工质在蒸发器和冷凝器中为定压吸热，忽略连接管道内的压力损失。

图2 ORC系统热力过程温熵图

如图2所示，ORC系统的热力循环由4个热力过程组成。

（1）蒸发过程4-1。

有机工质在蒸发器中吸热后发生相变变成气态，吸收的热量：

（2）膨胀过程1-2。

有机工质在膨胀机中从高压膨胀到低压，实际输出的膨胀功：

若膨胀过程为等熵膨胀，则膨胀过程为虚线，等熵膨胀功：

（3）冷凝过程2-3。

有机工质在冷凝器中与冷却水（或其他冷却介质）换热，被冷凝成液态，对外释放的热量：

（4）增压过程3-4。

通过工质泵对液态有机工质进行增压，工质泵的功耗：

系统实际热效率的定义为输出的有用功与总投入热量的比值，其表达式：

由于实际的膨胀过程存在能量损失，输出功会比理论过程的输出功少，因此，对于膨胀机存在一个等熵效率，其表达式为

二、ORC系统用于船用柴油机烟气余热回收

目前利用ORC原理回收烟气余热的系统形式分为3种：以水为工质的ORC循环系统、ORC（以有机物如R134a、R245fa、丁烷等为工质）单循环系统和ORC双循环系统。

传统上，对于烟气余热回收都是以水为工质，利用烟气加热水得到水蒸气，然后利用水蒸气驱动汽轮机发电或做功。这种形式要求烟气量大，水的气化通过烟气余热锅炉来实现，但是烟气余热锅炉换热效率比较低，结构复杂，且膨胀后的水蒸气处于负压状态，需使用抽负压的凝气系统来冷凝水蒸气，整个系统体积非常大，在船舶上使用受到很大限制。为了解决这些难题，有机工质ORC循环逐渐受到重视。

图3 ORC双循环系统三、系统对比分析

若选用有机工质，直接利用烟气加热有机工质，系统虽然相对简化，但蒸发器非常庞大，且有机工质通常为易燃易爆或带毒性介质，高温烟气直接与有机工质换热，不仅增加了换热器的制造难度，工质泄漏的风险也增加，系统可靠性降低。

为了更安全有效的利用船用柴油机烟气余热，ORC双循环系统被提出，如图3所示。先用烟气余热锅炉将水（或导热油）加热至90℃以上，再利用这部分热水（或热油）来加热有机工质，有机工质变成气体后再驱动螺杆膨胀机做功。而释放热量后的热水（油）再重新回到烟气热水锅炉，形成闭式热水循环。利用这种方式的好处体现在两个方面，首先是用热水（油）锅炉代替了传统的蒸汽锅炉，不用将水加热成水蒸气，其换热效率会大大提高，由于免去了蒸发管段，锅炉尺寸也将大大减小；其次热水（油）系统是一个闭式循环，在系统中实现热量搬运的作用，无需额外补充，且将有机工质与高温烟气分开，使系统更加安全。

三、系统对比分析

已知某系列的柴油机在额定转速下运行时的参数如表1所示。

表1

分别选用三种循环系统回收该烟气余热，利用化工流程模拟软件PROII分别进行计算，计算的结果如表2所示。

由表2计算结果可以看出，对于同样的烟气余热，采用水蒸气ORC循环系统,虽然系统简单且安全可靠，但是采用的烟气余热锅炉由于换热效率不高，导致最终系统热效率偏低。采用ORC单循环系统，用换热器替代烟气余热锅炉后，系统热效率上升，但是系统安全可靠性降低，若选用特制的全焊式板式换热器，系统安全可靠性得到保证，但是成本会大大增加。采用ORC双循环系统，虽然增加的换热环节会存在少量的换热损失，但是系统的安全可靠性可以完全得到保证。

表2

四、结语

船用柴油机工作时排气管中烟气的温度高达400℃，可利用的温差高达220℃，属于中温余热资源，品质较高。回收船用柴油机排放的大量烟气余热，既能减小对环境的影响，又可以提高船用柴油机的能源利用率，降低船舶的耗能。利用ORC双循环系统，既能保证烟气余热被高效回收，又能保证系统的安全可靠运行，是非常合理的技术形式。

[1]王伟,吴玉庭,马重芳等.单螺杆膨胀机的初步试验研究[J].太阳能,2009（3）:30-32.

[2]梁和平,梁杜森.高效低成本柴油机余热利用暖通空调设计[J].柴油机,2002（1）:46-49.

[3]K.K.Srinivasan,P.J.Mago,S.R.Krishnan.Analysis of exhaust waste heat recovery from a dual fuel low temperature combustion engine using an Organic Rankine Cycle[J].Energy,2010(35):2387-2399.

[4]方金莉,魏名山,王瑞军等.采用中温有机朗肯循环回收重型柴油机排气余热的模拟[J].内燃机学报，2010,28（4）:362-367.

[5]Lacopo Va ja,Agostino Gambarotta.Internal Combustion Engine(ICE) bottoming with Organic Rankine Cycles(ORCs)[J]. Energy,2010(35):1048-1093.

（二等奖获奖征文）

TK11

B

1671-0711（2015）05-0053-03