低温余热有机朗肯循环发电系统工质选择

申玲++陶乐仁+王晓云++王鑫

摘要： 对有机朗肯循环系统工质的优化选择已逐渐从单一优化目标向多目标发展，但所选的优化目标及优化方法普遍存在主观性较强的问题.针对上述问题，从环保性、安全性等方面对工质进行初选，得到了R123、R245fa、R245ca和R601等9种工质，然后采用主成分分析法对工质的热效率、循环净功和不可逆损失等7个热力性能指标进行了分析计算，得到了两个较为客观的综合评价指标，并在不同蒸发温度下对工质的综合热力性能进行了分析.结果表明：R601做功能力较强，综合效率较高，是该循环系统较为理想的工质.

关键词：

有机朗肯循环； 优化； 主成分； 综合评价指标

中图分类号： TK 11+5文献标志码： A

Working Fluid Selection of Organic Rankine Cycle Power

Generation System Using Low Temperature Heat Source

SHEN Ling， TAO Leren， WANG Xiaoyun， WANG Xin

（Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，

University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Optimization of working fluid selection in theorganic Rankine cycle（ORC） system has developed from single objective to multiple ones.However，the optimizing objective and approach were determined with strong subjectivity.Aimed at this problem，nine working fluids including R123，R245fa，R245ca，R601 and so on，were selected in terms of safety and environment protection.And then principal analysis was conducted based on the thermal performance such as thermal efficiency，net cycle work，irreversible loss，etc.Two objective comprehensive evaluation indexes were attained.According to these，the comprehensive thermal performance of working fluids at different evaporation temperatures was analyzed.The results showed that R601 was the ideal working fluid for ORC system with good work capacity and high overall efficiency.

Keywords：

organic Rankine cycle； optimization； principle components； comprehensive evaluation index

随着节能环保观念的推广及深入，低品位热能的回收利用越来越受到人们的关注，其中有机朗肯循环（ORC）作为一种有效的低温余热利用方式得到了广泛应用[1].ORC发电系统的主要优势在于利用了有机工质低沸点的特性.因此，工质的选择成为ORC发电系统研究的核心内容之一.

近年来，关于ORC系统的工质优选方法已从单一目标逐渐向多目标发展，例如：Khennich等[2]针对100 ℃的低温工业余热，分别以ORC系统换热器的总热导率最小和循环功率输出最大为目标，对5种工质进行了研究，得出R141b为最佳工质；Wang等[3]以循环热效率和总投资成本为优化目标，通过遗传算法建立ORC系统多目标优化模型，得到了两者之间的帕累托权衡曲线；王志奇等[4]利用模拟退火算法，建立了以热回收率和单位输出功率所需换热面积为目标的多目标参数优化模型，结果表明，当热源温度为100～220 ℃时，采用R123系统性能最佳；韩中合等[5]以单位功量和单位功量质量流量为性能指标对有回热的ORC系统进行了工质优选，通过对比分析14种工质性能，得到环己烷是对应目标下的最优工质.

以上学者大多选取了两个或三个性能参数作为优化目标，在一定程度上缓解了工质选择时的单一性问题，但评价系统性能的指标众多，少数目标仍不能全面地反映系统的综合性能.鉴于此，一些学者以多个目标为评价标准，通过综合分析方法对工质进行综合评价，但这些方法大多存在主观性问题，不能对工质进行客观评价，例如：李惟毅等[6]采用的线性加权法，当研究侧重点不同，权重不同时，则线性加权的结果就会不同；许俊俊等[7]采用多级非结构性模糊决策分析法，该方法虽避免了主观确定隶属度的问题，但计算过程较为复杂，如果简单地使用模糊决策分析法，人为赋予评价指标权重将不可避免.

针对上述问题，本文采用一种较为客观、全面的分析方法——主成分分析法，对ORC发电系统循环工质的热力性能进行综合评价.该方法主要依据多元统计学理论，并在分析过程中运用各类统计学软件客观地確定各个热力性能指标的权重，避免由于人为因素造成的评价差异.