组分调控非共沸有机朗肯循环研究进展*

黄仁龙，钟天明，王亚阁

组分调控非共沸有机朗肯循环研究进展*

黄仁龙1，钟天明2†，王亚阁1

（1. 广东科技学院，广东 东莞 523668；2. 仲恺农业工程学院，广州 510225）

组分调控非共沸有机朗肯循环（ORC）是一种新型的热力发电循环。与传统有机朗肯发电循环相比，其具有调控工质组分浓度比例和提高系统变工况运行性能的优势。介绍了当前组分调控方法在数值模拟、仿真优化和实验研究方面的进展，概述国内外学者对非共沸ORC组分调控研究情况，并提出了后期研究趋势，这对运用组分调控解决ORC变工况运行具有参考意义。国内外对非共沸ORC组分调控仍处于探索阶段，要真正发挥其作用，后期在设计组分调控非共沸ORC系统时，需综合考虑设计条件和工质选取。同时，当前的研究主要聚焦于优化仿真，还缺乏工程实际认证，因此亟需加强实验方面的研究。

非共沸有机朗肯循环；组分调控；变工况；蒸馏塔；T型管；分液冷凝

0 引 言

开发和利用余热资源对我国实现碳达峰、碳中和目标[1]具有重要意义。有机朗肯循环（organic Rankine cycle, ORC）技术由于具有较好回收余热的潜力，成为当前的研究热点[2]。ORC在实际运行中，余热回收效率会受冷热源温度和工质物性等的影响，当工况发生波动时，系统将偏离设计工况运行，其整体的热力循环参数将随之改变，这往往会导致ORC系统变工况运行性能出现下降的趋势[3-4]。分析系统变工况运行性能，可以优化系统设计，提高系统性能[5]。同时，在ORC系统设计中，如能减轻变工况运行所带来的性能下降问题，将能进一步提高系统热经济性[6]。

目前针对ORC变工况的大多数研究通常采用控制变量法来研究系统的动态性能[7-11]，即通过人为控制某些物理量不变，来探讨其他变量对热力发电系统性能的影响，该方法可以揭示系统变工况运行规律，但系统性能提高的空间有限。传统变工况运行策略常通过调整流量来适应冷源参数变化，但会受设备设计参数影响，变工况调控柔性差。利用组分调控来改变非共沸ORC系统工质的运行浓度，调配出最佳的运行组分，进而改善变工况运行性能，是一种新的运行策略。根据理想卡诺循环理论，在定热源和定冷源温度之间，其最高的热效率不受工质种类的影响，但在实际情况下，其实际的热效率与工质的热物性紧密关联[12]。因此，工质的选择异常重要，而在ORC中选取非共沸工质，能够有效提高系统热力学性能[13]。非共沸ORC在实际发电过程中，对不同运行时间下的混合工质最佳浓度比提出了不同的要求[14]。非共沸工质是由两种或者两种以上的纯工质组成，其热物性会随着工质的浓度配比而发生相应的变化，不同环境下系统所需的最佳工质浓度比不一样，如能根据系统运行周期规律，主动地调控出与系统相匹配的运行浓度，这对解决非共沸ORC因偏离设计工况运行而造成系统性能下降问题具有重要的意义。

首先对非共沸ORC组分调控的必要性和原理进行介绍，详细综述非共沸ORC当前各种组分调控方法、调控原理和需要解决的问题，最后针对研究现状，展望组分调控非共沸ORC研究趋势。

1 组分调控基本原理

非共沸ORC运行原理与朗肯循环一致，图1为非共沸ORC系统流程图和-图（即温熵图）。图中，工质首先在泵中进行加压（1→2过程），然后被输进蒸发器中吸热蒸发（2→4过程），进而在膨胀机中膨胀（4→5过程）并带动发电机，最后在冷凝器中放热冷凝（5→1过程），从而完成整个发电循环。

工质在整个发电过程中起到至关重要的作用，其为能量的载体，是实现热−功转化的媒介，其热物性会直接影响ORC发电性能。因此，需要选择热物性合适的工质，而非共沸ORC在不同的环境温度条件下运行，其所需的最佳工质组分也会随之发生变化[14]。

图2是以北京市2017年陆地气候月平均温度作为计算条件，对组分调控动态非共沸有机朗肯循环（dynamic zeotropic organic Rankine cycle, DZORC）系统和基本非共沸有机朗肯循环（basic zeotropic organic Rankine cycle, BZORC）系统展开研究，得到工质组分浓度对不同环境温度下热效率的影响。当地最低气候温度为−10℃，最高为38℃，冷源温度变化跨度近50℃，所选择的工质为R245fa/R365mfc。图2a为计算所得的R245fa摩尔分数随着环境温度的变化，所对应的最佳组分变化情况，图2b为计算所得的每个月份的热效率变化情况。BZORC系统往往是以夏季的工况进行设计，系统一旦设定，其工质组分将被固定下来，但定组分运行无法很好地适应变工况运行。当采用蒸馏塔组分调控技术之后，其年运行效率可提高23%[14]；采用分液冷凝组分调控之后，其年运行效率可提高16.71%[15]。可见，组分调控对挖掘和提升ORC变工况运行性能具有重要意义。

在非共沸ORC系统中，根据环境的变化规律，通过实时调控工质浓度来改善系统运行状态，是提高机组变工况运行性能的理想手段之一。工质在相变过程中，其气液组分浓度具有不等性，在蒸发过程中，轻组分比重组分更容易蒸发，会先从液体中分离出来；而在冷凝过程中，轻组分更容易冷凝，会从气体中先冷凝出来。因此，可以采用蒸发或者冷凝的方法进行组分调控，目前调控方法主要有T型管、蒸馏塔和分液冷凝。图3为两元混合工质R245fa/R365mfc蒸发和冷凝过程组分变化图。图3a为蒸馏过程中轻组分浓度的变化情况，图中共采用6块物料板进行蒸馏，图3b为冷凝分液过程中轻组分浓度的变化情况，图中共采用三次分液进行冷凝。由图可知，蒸馏更易将两股纯组分分离出来，但冷凝分液由于受到换热器结构的限制，其组分分离范围理论上会有所缩小。

2 组分调控技术

2.1 T型管组分调控

T型管是化工领域中一种重要的分流装置，也是一种新型组分调控装置。郑楠[16]较早针对T型管组分调控进行了深入研究，具体结构如图4所示，其具有外形简单、结构紧凑、维修简便和使用方便等特点，成为当前构建非共沸工质组分调控的新型热力循环装置以及克服非共沸工质组分迁移的重要设备。当两相流体进入管内时，容易出现两相分布不均的问题，进而影响两个出口工质组分，甚至在特定条件下，能实现出口单相工质的情况[17]。

图4 T型管结构[16]

ZHAO等[18]利用T型管构建变组分热泵系统，与传统热泵系统相比，其压缩等熵效率可提高25.5%。XU等[17]利用三维构建方法建立组分调控非共沸ORC系统，系统结构如图5所示，其运行原理与基本ORC一致，不同之处在于蒸发端，由蒸发器I出来的两相流体，经过T型管的分液处理，分离出来的轻组分气体直接进入膨胀机I中做功，而分离出来的重组分液体经过泵II的加压，输送到蒸发器II中进行吸热蒸发，然后推动膨胀机II做功。可见，T型管组分调控只是改变系统局部的运行组分，经过组分调控之后的非共沸ORC系统比传统ORC展现出更好的性能，但组分调控范围不大。

图5 T型管组分调控非共沸ORC系统[17]

T型管组分调控主要是用来构建新型热力循环，变工况运行方面的研究还未见报道。目前，T型管已经在实验上验证了组分调控的有效性。与其他组分调控技术相比，T型管组分调控具有操作简单、成本低、体积小等特点，但其组分调控范围有限，如要开展变工况方面的研究，还需要扩大其组分调控范围，进一步优化结构，探究有效的运行方式。

2.2 蒸馏塔组分调控

蒸馏塔是化工领域用来进行混合物分离的设备，COLLINGS等[14]根据系统运行的天气变化规律，提出利用蒸馏塔来实时调控工质组分，建立组分调控数值模型，并对其进行数值模拟计算。采用组分调控之后，其年运行平均热效率可提高至23%，可见组分调控对提高ORC运行性能具有很大优势。其组分调控流程如图6所示，该系统由两部分组成，一部分为非共沸ORC系统，其运行原理与图1一致，另一部分为蒸馏塔组分调控系统。ORC系统中运行的组分由蒸馏塔组分调控系统提供，在一年的运行中，环境的温度变化较大，系统所需要的最佳工质运行组分不同。蒸馏塔组分调控系统能先将混合工质中的组分进行分离，然后根据系统需要，进行重新调配，该方法能够较精准地对组分进行控制。

WANG等[19]对蒸馏塔组分调控ORC进行动态仿真模拟，发现其热效率比传统ORC高30% ～ 36%，蒸馏塔热量输入只占系统的1%，该系统具有较好的经济性。其后对蒸馏塔组分调控非共沸ORC的研究就鲜有报道。

蒸馏塔能实现不同的工质组分分离，分离的精度较高，但蒸馏塔体积较大、需要额外能量输入、操作较繁琐。若在小型ORC系统上配备蒸馏塔，会显著增加投资成本，经济性可能降低。而对于大型ORC系统，还需要进一步衡量其经济性，同时在进行设计的前期需要综合考虑成本回收期。蒸馏塔的设计比较成熟，但不能简单地套用之前的设计方法，需要综合考虑蒸馏塔组分调控系统和ORC系统间的耦合关系。在满足组分调控的功能下，缩减蒸馏塔的投资和运行成本，这样才能更好地发挥组分调控的经济性。目前，蒸馏塔组分调控非共沸ORC还处于数值模拟和动态仿真阶段，还缺乏相应的实验研究，应该在仿真模拟的前提下探讨实验研究，为其推广应用做深入分析。

2.3 分液冷凝组分调控

分液冷凝是一种冷凝强化换热技术，可在冷凝过程中及时将冷凝液排出来，降低后续冷凝的液体膜厚度，从而达到改善冷凝传热过程的目的[20-22]。与纯工质相比，在ORC系统中使用非共沸混合工质可提高其热力学性，但由于混合工质在相变过程中存在传热阻力和传质阻力，会削弱传热过程，造成经济性能的下降[23]。如何同步提高传热性能和热力学性能是提高ORC热经济性所面临的难题，而分液冷凝是改善非共沸工质传热的有效技术[24-25]，组分调控是改善系统热力学性能的有效手段[14,19]。同时，混合工质在分液冷凝器的冷凝过程中亦能对工质组分进行调控[26]，因此，采用分液冷凝组分调控技术能同步解决非共沸工质传热不理想与冷源波动所带来的系统热力学性能下降问题[12,27]。图7为分液冷凝过程中传热系数的变化[12]，与不分液冷凝相比，其冷凝传热系数升高，冷凝器的面积可降低11.6% ～ 17.6%[28]。图8为分液冷凝−组分调控非共沸ORC流程图，其运行原理与图1基本一致。不同之处在于，图中采用两个冷凝器和一个气液分离器来替代分液冷凝器。在运行过程中，如需对组分进行调控，则将分液后的流体先存储在储液罐II和储液罐III中，然后根据需要调配到储液罐IV中，得到新的运行组分。如无需对组分进行调控，则将分液后的两股流体直接汇聚到储液罐I，然后回到系统循环即可。

图7 （a）分液冷凝过程传热系数的变化；（b）分液冷凝过程示意图（修改自文献[12]）

图8 分液冷凝−组分调控非共沸ORC系统流程图

LUO等[28]率先提出利用分液冷凝来调控ORC蒸发端的工质组分，结果表明，采用分液冷凝调控蒸发端的工质组分，不仅能改善ORC的热力学性能，还能有效提高分液冷凝器的传热效果，从而提高ORC的热经济性。

陈超男[29]利用分液冷凝技术，构建了基于分液冷凝的新型组分调控ORC热力循环，对系统进行数学建模和优化，结果表明，采用分液冷凝的方式进行组分调控虽难以得到理论的最优运行组分，但与传统ORC系统相比，其经济性仍可提高15.35%。但该研究暂未考虑分液冷凝器的具体设计。

LU等[30]对分液冷凝组分调控非共沸ORC系统进行热经济性设计、优化和分析，结果表明，新型系统比传统系统的年平均净输出功率高0.52%，年平均热效率高2.2%，发电成本低21.43%。该研究对分液冷凝器的结构和传热进行了计算，促进了分液冷凝组分调控非共沸ORC的研究。

以上研究表明，分液冷凝不仅可以提高冷凝传热系数，还可以增强系统对冷热源波动的适应性，但目前的研究未对设计工况的选取做优化，而设计工况选取会直接影响系统变工况运行。此外，分液干度、储液罐容积大小等参数对系统性能的影响也需要做进一步探究。

3 展 望

组分调控针对的是非共沸混合工质，该类工质具有温度滑移和组元互补优势。温度滑移可以很好地提高两股流体在传热过程中的温度匹配特性[31]，组元互补可以改善工质的温室效应、臭氧层破坏能力和热物性，同时可增加ORC工质的遴选范围[32]。从目前对非共沸ORC系统的研究可知，部分混合工质的浓度比对物性影响不大[33]，这类工质在组分调控时，可能无法明显展现出组分调控的优势。因此，后续工作中需要对混合工质的物性做进一步探究，在进行组分调控非共沸ORC系统设计时，应当注意工质和系统之间的耦合关系，选择最佳的工质对。同时，各种组分调控方法还未对设计工况的选取开展研究，由于系统在不同的工况下表现出复杂的性能，因此在进行设计时，应综合考虑各种工况下的运行状况，使得系统在周期运行内效益更佳。

4 结 论

组分调控能够很好地适应系统变工况运行，但组分调控方法、调控的精度以及经济性都会影响发电的收益性。本文综述了T型管、蒸馏塔和分液冷凝组分调控非共沸ORC系统，并进行了分析与介绍。组分调控技术工质浓度调控范围由大到小依次为蒸馏塔、分液冷凝、T型管。T型管在小型ORC中构建热力循环更简单方便，而分液冷凝在同步解决非共沸混合工质传热不理想和提升系统热力学性能方面更具有优势。目前组分调控方法仍然处于理论分析阶段，在分析过程中经常忽略各种实际因素，还缺乏变工况实验进行验证分析，因此，后续的研究应该更加注重实验的研究。不同工质进行混合时，如两种工质物性相近，其调控效果可能不明显，因此，需要开发和筛选合适的工质。

[1] 赵宏图. 碳中和与中国能源安全[J]. 当代世界, 2022(6): 21-26. DOI:10.3969/j.issn.1006-4206.2022. 06.006.

[2] LONI R, MAHIAN O, MARKIDES CN, et al. A review of solar-driven organic Rankine cycles: Recent challenges and future outlook[J]. Renewable and sustainable energy reviews, 2021, 150: 111410. DOI: 10.1016/j.rser.2021.111410.

[3] CHEN C N, HUANG R L, LUO X L, et al. Conceptual design and thermodynamic optimization of a novel composition tunable zeotropic organic Rankine cycle[J]. Energy procedia, 2019, 158: 2019-2024. DOI: 10.1016/j.egypro.2019.01.467.

[4] 王蒲伟, 孙茴, 陶加银, 等. 有机朗肯循环(ORC)发电机组变工况计算模型及分析[J]. 工程热物理学报, 2019, 40(10): 2206-2214.

[5] 王弢, 林文胜, 顾安忠. 利用LNG冷能的有机朗肯循环系统的工质研究和变工况性能分析[J]. 化工学报, 2010, 61(S2): 107-111.

[6] LECOMPTE S, HUISSEUNE H, VAN DEN BROEK M, et al. Part load based thermo-economic optimization of the Organic Rankine Cycle (ORC) applied to a combined heat and power (CHP) system[J]. Applied energy, 2013, 111: 871-881. DOI: 10.1016/j.apenergy. 2013.06.043.

[7] IMRAN M, PILI R, USMAN M, et al. Dynamic modeling and control strategies of organic Rankine cycle systems: methods and challenges[J]. Applied energy, 2020, 276: 115537. DOI: 10.1016/j.apenergy.2020. 115537.

[8] LIU C W, GAO T Y. Off-design performance analysis of basic ORC, ORC using zeotropic mixtures and composition-adjustable ORC under optimal control strategy[J]. Energy, 2019, 171: 95-108. DOI: 10.1016/j. energy.2018.12.195.

[9] KIM IS, KIM TS, LEE JJ. Off-design performance analysis of organic Rankine cycle using real operation data from a heat source plant[J]. Energy conversion and management, 2017, 133: 284-291. DOI: 10.1016/j. enconman.2016.12.016.

[10] HU D S, ZHENG Y, WU Y, et al. Off-design performance comparison of an organic Rankine cycle under different control strategies[J]. Applied energy, 2015, 156: 268-279. DOI: 10.1016/j.apenergy.2015. 07.029.

[11] SHU G Q, WANG X, TIAN H, et al. Scan of working fluids based on dynamic response characters for organic Rankine cycle using for engine waste heat recovery[J]. Energy, 2017, 133: 609-620. DOI: 10.1016/j.energy. 2017.05.003.

[12] LUO X L, HUANG R L, YANG Z, et al. Performance investigation of a novel zeotropic organic Rankine cycle coupling liquid separation condensation and multi- pressure evaporation[J]. Energy conversion and management, 2018, 161: 112-127. DOI: 10.1016/j. enconman.2018.01.070.

[13] LECOMPTE S, AMEEL B, ZIVIANI D, et al. Exergy analysis of zeotropic mixtures as working fluids in organic Rankine cycles[J]. Energy conversion and management, 2014, 85: 727-739. DOI: 10.1016/j. enconman.2014.02.028.

[14] COLLINGS P, YU Z B, WANG E H. A dynamic organic Rankine cycle using a zeotropic mixture as the working fluid with composition tuning to match changing ambient conditions[J]. Applied energy, 2016, 171: 581-591. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.03.014.

[15] 黄仁龙. 分液冷凝非共沸工质朗肯循环结构优化及变工况运行调控方法[D]. 广州: 广东工业大学, 2018.

[16] 郑楠. 非共沸工质气相膨胀双级压缩循环及其关键热力过程研究[D]. 天津: 天津大学, 2016.

[17] XU W C, DENG S, ZHAO L, et al. Performance analysis on novel thermodynamic cycle under the guidance of 3D construction method[J]. Applied energy, 2019, 250: 478-492. DOI: 10.1016/j.apenergy.2019.05.081.

[18] ZHAO L, ZHENG N, DENG S. A thermodynamic analysis of an auto-cascade heat pump cycle for heating application in cold regions[J]. Energy and buildings, 2014, 82: 621-631. DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.07.083.

[19] WANG E H, YU Z B, COLLINGS P. Dynamic control strategy of a distillation system for a composition- adjustable organic Rankine cycle[J]. Energy, 2017, 141: 1038-1051. DOI: 10.1016/j.energy.2017.09.141.

[20] ZHONG T M, CHEN Y, HUA N, et al. In-tube performance evaluation of an air-cooled condenser with liquid–vapor separator[J]. Applied energy, 2014, 136: 968-978. DOI: 10.1016/j.apenergy.2014.07.032.

[21] YI Z T, LUO X L, YANG Z, et al. Thermo- economic-environmental optimization of a liquid separation condensation-based organic Rankine cycle driven by waste heat[J]. Journal of cleaner production, 2018, 184: 198-210. DOI: 10.1016/j.jclepro.2018.01.095.

[22] LUO X L, QIU G F, QI J, et al. Mathematical modelling and structural optimization of a micro-channel liquid separation condenser in organic Rankine cycle and refrigeration cycle[J]. Applied thermal engineering, 2019, 152: 231-246. DOI: 10.1016/j.applthermaleng. 2019.02.050.

[23] ZHAO L, BAO J J. The influence of composition shift on organic Rankine cycle (ORC) with zeotropic mixtures[J]. Energy conversion and management, 2014, 83: 203-211. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.03.072.

[24] LI J, LIU Q, GE Z, et al. Optimized liquid-separated thermodynamic states for working fluids of organic Rankine cycles with liquid-separated condensation[J]. Energy, 2017, 141: 652-660. DOI: 10.1016/j.energy. 2017.09.115.

[25] LI J, LIU Q, DUAN Y Y, et al. Performance analysis of organic Rankine cycles using R600/R601a mixtures with liquid-separated condensation[J]. Applied energy, 2017, 190: 376-389. DOI: 10.1016/j.apenergy.2016.12.131.

[26] 黄仁龙, 罗向龙, 陈健勇, 等. 基于分液冷凝、多压蒸发非共沸有机朗肯循环流程设计及参数优化[J]. 热力发电, 2018, 47(3): 38-44. DOI: 10.19666/j.rlfd. 201706058.

[27] 陈超男, 罗向龙, 杨智, 等. 非共沸混合工质组分调控ORC系统热经济性分析和优化[J]. 化工学报, 2020, 71(5): 2373-2381. DOI: 10.11949/0438-1157.20191081.

[28] LUO X L, LIANG Z H, GUO G Q, et al. Thermo- economic analysis and optimization of a zoetropic fluid organic Rankine cycle with liquid-vapor separation during condensation[J]. Energy conversion and management, 2017, 148: 517-532. DOI: 10.1016/j. enconman.2017.06.002.

[29] 陈超男. 分液冷凝组份调控ORC系统性能优化及变工况分析[D]. 广州: 广东工业大学, 2020.

[30] LU P, LUO X L, WANG J, et al. Thermo-economic design, optimization, and evaluation of a novel zeotropic ORC with mixture composition adjustment during operation[J]. Energy conversion and management, 2021, 230: 113771. DOI: 10.1016/j.enconman.2020.113771.

[31] 鲍军江, 赵力. 非共沸工质有机朗肯循环的热力学分析[J]. 工程热物理学报, 2014, 35(8): 1479-1483.

[32] CHYS M, VAN DEN BROEK M, VANSLAMBROUCK B, et al. Potential of zeotropic mixtures as working fluids in organic Rankine cycles[J]. Energy, 2012, 44(1): 623-632. DOI: 10.1016/j.energy. 2012.05.030.

[33] ZHAO L, BAO J J. Thermodynamic analysis of organic Rankine cycle using zeotropic mixtures[J]. Applied energy, 2014, 130: 748-756. DOI: 10.1016/j. apenergy.2014.03.067.

Research Progress of Composition-Adjustable Zeotropic Organic Rankine Cycle

HUANG Ren-long1, ZHONG Tian-ming2, WANG Ya-ge1

(1. Guangdong University of Science and Technology, Dongguan 523668, Guangdong, China;2. Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225, China)

Zeotropic organic Rankine cycle (ORC) with composition adjustment is a novel thermal power cycle. Compared with conventional ORC, it has the advantage of adjusting the composition concentration of working fluid and improving system performance under variable operating conditions. The composition-adjustable method in numerical simulation, simulation optimization, and experimental research are investigated in this paper. In the meantime, the research and development of composition adjustment on ORC are summarized, and the development trend of composition adjustment zeotropic ORC has prospected. It has reference significance to solve ORC variable operating conditions by using composition regulation for this work. At home and abroad, the composition adjustment of zeotropic ORC is still under exploration. To fulfill its role, the design conditions and the selection of working fluid should be considered comprehensively in designing the composition-adjustable zeotropic ORC system. The current research mainly focuses on optimization and simulation, and lacks practical engineering certification, so it is urgent to strengthen experimental research.

zeotropic organic Rankine cycle; composition-adjustment; variable condition; distillation column; T-tube; condensation with liquid-separation

2095-560X（2023）03-0273-07

TK11+5

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.03.010

2023-01-06

2023-02-25

广东省自然科学基金项目（2021A1515011760）；校级创强科研团队基金项目（GKY-2022CQTD-1）；校级科研基金项目（GKY-2022KYYBK-4）

钟天明，E-mail：125482766@qq.com

黄仁龙, 钟天明, 王亚阁. 组分调控非共沸有机朗肯循环研究进展[J]. 新能源进展, 2023, 11(3): 273-279.

HUANG Ren-long, ZHONG Tian-ming, WANG Ya-ge. Research progress of composition-adjustable zeotropic organic Rankine cycle[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(3): 273-279.

黄仁龙（1994-），男，硕士，讲师，主要从事热力发电与流体机械设备优化研究。

钟天明（1988-），男，博士，副教授，主要从事制冷及强化传热新技术研究。