低温余热利用有机朗肯循环系统工质选择研究

文_陈瑜 倪卫洁 中国质量认证中心南京分中心

我国是一个能源消耗大国，但是能源利用率相对较低，单位产值能耗比世界平均水平高2.4 倍, 能源效率比国际先进水平低10%。据估计，我国工业余热资源中约60%可回收再利用，特别是低温余热（余热温度＜250℃）资源的回收利用受到了越来越多的重视。有机朗肯循环（ORC）技术能有效回收低温工业余热，全世界目前已有超过4000 余套ORC 装置，并且已生产出了单机容量为14MW 的ORC 发电机组。ORC 系统以低沸点有机物或有机混合物为循环工质，其循环特性受工质物性控制，直接影响ORC 系统热效率。按照T-S 图饱和蒸汽曲线斜率，工质可分干工质（dT/dS＞0）、等熵工质（dT/dS ≈0）和湿工质（dT/dS＜0）。工质液体定压比热cp、蒸发潜热γ以及饱和蒸汽线斜率dT/dS 是影响ORC 循环性能的主要参数。Tchanche et al.认为拥有较大液体定压比热以及蒸发潜热的工质更适合于ORC 系统，Yamamoto et al.则建议应选择较低蒸发潜热的工质，而Maizza et al.、Badr et al.、Chen et al.等认为应选择拥有较大的液体定压比热以及较小的蒸发潜热的工质。可以看出，不同学者提出的工质选择原则并不一致，甚至有些相反的结论，且没有明确工质过热是否对系统效率有影响。鉴于此，本文针对ORC 系统工质的选择，通过理论分析得出了一些选择原则。

1 ORC系统工质初选

工质初选主要考虑较低的ODP、GWP 以及ALT，在ORC系统正常操作温度范围内不会分解，不能损坏设备材料以及与润滑油反应，安全无毒、没有辐射、不易燃以及较低的成本。本文初选5种工质（表1），其中R152a 为湿工质；R245fa，R601a 为干工质；R600a，R141b 则为等熵工质，物性参数来自REFPROF 8.0。

表1 工质物性参数

2 ORC系统热力学分析

图1 所示为ORC 系统流程图以及工质T-S 图，ORC系统主要由工质泵、蒸发器、膨胀机以及冷凝器组成。ORC系统以低沸点有机物或者混合物为循环工质，工质在蒸发器中获得热量蒸发为饱和或者过热蒸汽，推动膨胀机做功，乏气在冷凝器中冷凝，由工质泵再输送至蒸发器完成循环。对于传统朗肯循环，蒸汽过热会提高系统热效率，但低温ORC 系统还需进一步研究。假设系统稳定运行、管道以及换热设备中压降为0、忽略热损，通过热力学分析可得：

其中，We,act和Wp,act为膨胀机和工质泵实际输出功，mwf为质量流量，Qev为吸热量，ηe,is为膨胀机等熵效率，ηg为发电机机械效率，ηp,is为循环泵等熵效率，TH和TL分别为平均热源、冷源温度，分别为过热蒸汽在膨胀机进口和出口焓增。

图1 (a) ORC 系统原理

3 结果与讨论

3.1 工质过热对系统热效率的影响

图2 所示为三种类型工质ORC系统热效率与膨胀机进口温度的关系，其中工质冷凝温度35℃，环境温度25℃，蒸发器传热节点温差10℃，冷凝器传热节点温差5℃，膨胀机进口温度即反映了过热度的影响。随着工质过热度增大，湿工质R152a 的热效率呈直线上升趋势，且工质压力越高，上升趋势越明显；等熵工质R141b 的热效率基本没有影响，仅在工质压力足够高时才有轻微提升；而干工质R601a 的热效率直线下降。

图2 ORC 系统热效率与膨胀机进口温度关系

3.2 工质过热对系统火用效率的影响

图3 所示为湿工质ORC 系统火用效率与膨胀机进口温度的关系，系统参数与上述一致。可以看出，火用效率均随着工质过热度增大而呈下降趋势。虽然增大过热度对湿工质的热效率有一定提高，但并不是太明显，如R152a 在P4=0.4Mpa 和P4=2.8MPa 时，热效率随过热度增大仅仅分别从4.57%上升到4.90%、 20.28%上升到21.28%，但火用效率则下降了77.9%和12.23%。因此在低温余热范围内，湿工质ORC 系统热效率随着过热度的提高而缓慢增加，特别是工质压力较高时；等熵工质ORC 系统热效率随着过热度的提高而基本保持不变；干工质ORC 系统热效率随着过热度的提高而下降；而随着过热度的增大，三种工质火用效率均明显下降。从ORC 系统效率角度来说，低温ORC 系统工质不适合进行过热处理。

图3 ORC 系统火用效率与膨胀机进口温度关系

3.3 ORC系统工质选择原则

基于上述结论，工质在膨胀机进口应保持饱和状态。在相同蒸发温度或者膨胀机进口温度条件下，随着工质临界点温度的上升，系统热效率呈缓慢增高趋势，但5 种工质的热效率差别不大。因此对于低温余热ORC 系统，在相同蒸发温度时，工质的选择应主要考虑热源温度水平。必须说明的是，并不能认为系统热效率高的工质就一定适合低温ORC 系统，如水，其热效率远高于本文的5 种有机工质，但是其输出功则明显要小很多。为了分析物性参数对热效率的影响，在此定义φ=cp/γ，如图4 所示，在相同温度下，工质临界温度越大，则φ值越小。在相同膨胀机进口温度下，工质φ值越大，系统热效率越小，即具有较小定压比热和较大蒸发潜热的工质，其热效率更好。换句话说，在相同膨胀机进口温度下，采用较小定压比热以及较大蒸发潜热工质的ORC 系统，其热效率较高。

图4 不同工质液体定压比热和潜热比值与温度关系

4 结语

本文针对ORC 系统工质的选择，研究工质过热度与理想有机朗肯循环热效率以及火用效率、热效率与膨胀机进口温度以及工质物性参数与系统热效率之间的一般规律，提出低温ORC系统工质的选择原则。主要结论如下：

（1）对于低温余热，湿工质系统热效率随过热度提高而缓慢增加，等熵工质热效率随过热度提高而基本保持不变，干工质热效率随过热度提高而下降。

（2）随过热度增大，三种工质火用效率均明显下降，即膨胀机进口蒸汽应该保持饱和状态。

（3）膨胀机进口温度相同，拥有较高临界点、较小的定压比热以及较大蒸发潜热的工质可以获得更高的系统热效率。