有机朗肯循环系统的工质选择模拟研究

谷 菁，林 达，张海珍，阮炯明

（1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，杭州 310000）

0 引言

我国拥有数量庞大的低温余热资源，但由于其数量不稳定、品位低、回收困难等缺点未得到有效利用[1-2]。ORC（有机朗肯循环）发电是利用低温余热资源的有效途径之一。ORC 系统采用低沸点、高蒸汽压的有机工质，通过在低温热源条件下产生高压蒸汽推动膨胀机做功[3-4]，实现低品位热能向电能的转变，达到减少污染物排放、能源回收利用的效果。此外，ORC 系统还具有效率高、系统构成简单紧凑和运行成本低的特点，在工业余热回收、地热发电、太阳能发电和生物质能发电等领域[5]得到广泛应用。

有机工质的选择对ORC 系统的热力学性能具有重要影响，是目前ORC 研究领域的热点之一。国内外学者就工质热物性特点及其对热力循环的影响进行了大量的研究。Mago 等[6]比较了R113，R245ca，R245fa，R123 和异丁烷等多种工质在不同热源温度下对系统热力学特性的影响，研究发现在热源温度T>430 K 时系统采用R113效率最高，370～430 K 时系统采用R123，R245fa和R245ca 效率更高，T＜370K 时，系统采用异丁烷时效率最高。谢攀等[7]针对85～200 ℃低温热源的有机朗肯循环系统，基于热力学第一定律，研究R245fa，R600a，R601 等19 种工质对系统热效率的影响，结果表明：各温度段对应效率最优的有机工质分别为R290（80～90 ℃），R600（90～110 ℃，125～150 ℃），CF3I（110～125 ℃）和R601（150～200 ℃）。刘庆庆等[8]在低温余热热源温度下对R11，R123，R245fa，R600 及R600a 等工质进行研究，发现R600 作为工质最佳。目前，国内ORC 系统使用较少，从不同使用环境不同温度段的最优工质结论不一，研究缺乏普适性和系统性。

本文针对低温余热利用ORC 系统，基于热力学第一定律和第二定律，采用MATLAB 软件建立其计算模型，研究有机工质对ORC 热力学性能的影响。研究结果为低温ORC 系统工质的选择提供了理论依据。

1 模型建立

1.1 ORC 系统工作原理

ORC 系统是由蒸发器、膨胀机、冷凝器及工质循环泵4 个基本部件组成[9]，其基本结构如图1 所示。该系统的基本工作原理是：高压有机工质在蒸发器吸收低温热源热量变为蒸汽进入膨胀机，在膨胀机内绝热膨胀做功产生电能，出口的低压蒸汽进入冷凝器冷却为液态，低压的液态有机工质通过工质循环泵增压后进入蒸发器，往复循环，实现低品位热能向电能的转变。

图1 ORC 系统的基本结构

有机工质多属于大分子有机化合物，为了避免工质分解以及气相换热造成换热效果太差，ORC 多以亚临界循环[9-10]为主。理想的亚临界ORC主要包括等压吸热、等熵膨胀、等压放热和等熵压缩4 个过程，但实际的热力循环过程存在管路压力损失、泵压缩过程熵增损失等损失。系统热力学过程的温熵如图2 所示。

图2 ORC 系统温熵

1.2 系统热力学模型的建立

根据某用于低温余热回收的ORC 系统的实际工况，基于热力学第一定律和第二定律，结合工质状态方程，建立系统热力学模型，并根据计算结果进行性能评价。

工质的物性参数采用MATLAB 调用REFPROP 数据库进行计算。REFPROP 数据库包含空气、烷烃、氯氟烃物质等上百种工质及混合工质的热物性，并可选用数据库中的纯工质，按照混合工质物性理论计算新混合工质的物性。

1.3 系统性能评价指标

（1）净输出功率W

净输出功率是指减去泵消耗功率后膨胀机输出的功率，可反映系统的生产能力，计算如式（1）所示：

式中：Wt为膨胀机的输出比功率；Wp为工质循环泵的消耗比功率；mf为有机工质流量。

（2）热效率ηth

热效率是指系统的有效输出能量，即净输出功占有机工质从热源吸收的输入热量的比重，计算如式（2）所示：

式中：Qe为有机工质从热源吸收的热量。

（3）换热面积A

系统换热面积可反映系统的经济性。换热器是系统中成本最高的设备，换热面积小有利于提高系统经济性。系统换热面积计算如式（3）所示：

式中：Qi为蒸发器或冷凝器的换热量；Ki为传热系数，本文取定值，800 W/（m2·K）；Δti为换热过程的平均温差；Aevap为蒸发器的换热面积；Acond为冷凝器的换热面积；A 为系统总换热面积。

（4）单位净输出功的换热面积Anet[11]

系统单位净输出功的换热面积同时考虑了系统做功能力和换热器的经济因素，其计算如式（4）所示：

式中：Th为高温热源的平均温度；Tl为低温冷却介质的平均温度；T0为环境温度。

2 工质选择

2.1 工质分类

ORC 的工质种类繁多，按分子结构可分为烷烃类和氟利昂类。HC（烷烃类）工质（如戊烷、异戊烷等）的优点是环保、成本低，缺点是易燃爆风险、热力学性能不及氟利昂类工质。氟利昂类工质根据其分子结构又可大致分为CFC（氯氟烃类）、HCFC（氢氯氟烃类）和HFC（氢氟烃类）3种。前两类工质对大气环境的污染性较强。HFC 类对臭氧层零污染，但热力学性能通常不如前两类。HFC常见的工质有：R134a，R152a，R227ea 等。

干湿性是有机工质的重要特性之一。图2 给出了干工质（如R245fa，R600，R600a 等）的饱和蒸汽曲线。湿工质（如水，R134a 等）是指饱和蒸汽曲线的斜率为负值的工质。等熵工质（如R11，R142b 等）是指饱和蒸汽曲线存在一段斜率趋近于无穷大的工质[9]。等熵或干工质以饱和蒸气状态进入膨胀机后仍是过热状态，不会出现“水冲蚀”问题，可有效提高系统运行的可靠性。

2.2 工质的选取原则

对于低温余热利用ORC 系统而言，除了优先采用等熵工质和干工质外，从热力学、物理化学性质、安全性、设备设计可行性等方面对有机工质的选择一般可参考以下原则[13-15]：

（1）工质应具备较好的热力学性能，包括流动传热性能好、粘度低等。

（2）工质应具备合适的临界参数、标况参数和凝固温度等。

（3）工质应有合适的化学稳定性，不易分解，不腐蚀。

（4）工质应低毒、无刺激、不易燃烧，同时与设备材料具有很好的兼容性。

（5）应选取具有较低臭氧层破化潜力OPD 值和全球气候变暖潜力GWP 值的工质。

（6）工质应容易获取，储存和运输方便，且价格低廉。

综 上，本 文 选 择R600，R601a，R245fa 和R227ea 这4 种工质进行研究。

3 结果分析

针对低温热源采用MATLAB 进行计算，计算条件如表1 所示。

表1 ORC 计算条件

不同工质在ORC 系统中所表现的热力特性不同，有机工质的选取直接影响系统的热力学性能和经济性，并应满足应用环境的要求和部件设计能力等方面的限制条件。选取的4 种工质物化特性如表2 所示。计算结果如图3—9 所示。

表2 工质物化特性[11]

图3 净输出功率随温度变化曲线

图4 热效率随温度变化曲线

图5 换热面积随温度变化曲线

图6 单位净输出功率的换热面积随温度变化曲线

图7 损失随温度变化曲线

图8 效率随温度变化曲线

图9 有机工质流量随温度变化曲线

从图3—4 可以看出，系统净输出功率和热效率随蒸发温度的变化趋势相同，均随蒸发温度的变大而变大。蒸发温度越高，系统吸收的热源热量越大，净输出功率和热效率越大。R600，R601a 和R245fa 的净输出功率和热效率相近，R227ea 的净输出功和热效率偏小。

从图5—6 可以看出，系统换热面积和单位净输出功率的换热面积均随蒸发温度的增大呈先减小后增大的趋势，存在最小值。单位净输出功率的换热面积比换热面积沿x 轴偏右。4 种有机工质中，无论系统换热面积还是单位净输出功的换 热 面 积，R601a 最 小；R600 略 小 于R245fa；R227ea 最大。

从图9 可以看出，有机工质流量随蒸发温度的增大而减小，变化幅度不大。R227ea 所需流量最大，R245fa 略小，R600 和R601a 相近最小。

考虑安全性和环境性，烃类工质的GWP 值低，环境较为友好，但易燃易爆，需配置防爆设施，并采用高性能的透平密封技术；HFC 类工质安全性高，但GWP 值高、温室效应强。

综上，对处于防爆环境如化工、石油炼化等行业的余热，R600 是合适的选择，但在其余低温热源条件下，R245fa 是比较合适的工质。

4 结语

有机朗肯循环发电系统是低温余热利用的有效途径。本文基于热力学理论，利用MATLAB 软件和REFPROP 数据库，针对低温余热热源，建立有机朗肯循环系统计算模型，研究不同工质对系统性能的影响。计算结果表明：采用R601a 的系统净输出功、热效率和效率最大，系统换热面积、单位净输出功的换热面积和损失最小，且环境污染小，但烃类易燃易爆,适宜用于炼化行业等原本就处于防爆环境的工业余热。R245fa不易燃易爆，且系统净输出功、热效率和效率较大，系统换热面积、单位净输出功率的换热面积和损失较小，应用范围更广，但HFC 类工质有一定污染性且传热特性较差，会显著增大换热设备的成本，降低系统经济性。应根据实际情况选择适宜的有机工质。