對(duì)低溫型熱能有機(jī)物發(fā)電系統(tǒng)熱力的探討

摘要：本文主要基于ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)展開論述，其中重點(diǎn)闡述工質(zhì)的性質(zhì)，尤其是工作壓力、環(huán)保元素、飽和蒸汽密度等方面的闡述。進(jìn)而針對(duì)工質(zhì)的相關(guān)熱力性質(zhì)，闡明ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建。

關(guān)鍵詞：熱能有機(jī)物；發(fā)電系統(tǒng)；工質(zhì)；熱能

中圖分類號(hào)：TM文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-9671-(2012)042-0238-01

ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，是一種優(yōu)良的低溫型熱能有機(jī)物發(fā)電系統(tǒng)。其以低沸點(diǎn)的有機(jī)物工質(zhì)，進(jìn)而在溫度較低的環(huán)境下，做到節(jié)能高效的熱能利用。同時(shí)，對(duì)于系統(tǒng)的工質(zhì)選擇非常重要，尤其是其熱力性質(zhì)的滿足，是系統(tǒng)良好運(yùn)行機(jī)能的基礎(chǔ)。并且，在ORC系統(tǒng)的構(gòu)建中，要明確好各參數(shù)的計(jì)算與處理。

1基于ORC循環(huán)下的有機(jī)物工質(zhì)分析

1）有機(jī)物工質(zhì)的性質(zhì)分析。有機(jī)物工質(zhì)作為一種節(jié)能高效型媒介，在壓力特征和屬性上，具有鮮明的特點(diǎn)。尤其是壓力特征中的壓力承受度，是衡量工質(zhì)指標(biāo)的重要依據(jù)。

①壓力特征，尤其是工質(zhì)的選擇。良好的ORC循環(huán)系統(tǒng)，需要構(gòu)建于科學(xué)的工質(zhì)之上。因此，在選擇有效的工質(zhì)之前，需要針對(duì)各工質(zhì)壓力承受度，進(jìn)行合理的評(píng)估。對(duì)于低溫型熱能有機(jī)物發(fā)電系統(tǒng)而言，其對(duì)100℃以下的熱能，不宜以水為工質(zhì)，進(jìn)而造成發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)壓狀態(tài)下的工作。同時(shí)，以水作為工質(zhì)，對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)的密封工藝有更高的要求。并且，以水為工質(zhì)的做功率低于傳統(tǒng)有機(jī)工質(zhì)。因此，無論是從發(fā)電系統(tǒng)工藝要求上，還是從熱能率上，以水作為工質(zhì)是不科學(xué)合理的。

對(duì)于發(fā)電系統(tǒng)而言，其有機(jī)工質(zhì)要基于系統(tǒng)功率，合理的相應(yīng)工作壓力的工質(zhì)。工質(zhì)的工作壓力高于發(fā)電系統(tǒng)的功率需求，使得系統(tǒng)的熱能利用率降低，尤其是系統(tǒng)管道壁的厚度增加，不僅加劇了系統(tǒng)的造價(jià)成本，而且增加了管道的熱能損耗，這點(diǎn)不符合高效的原則。同時(shí)，工質(zhì)的工作壓力過高，造成發(fā)電系統(tǒng)的諸多設(shè)備處于超額工作狀態(tài)，諸如轉(zhuǎn)換器處于疲勞狀態(tài)下，自損能量的消耗增大，進(jìn)而大大降低了系統(tǒng)的工作效率。因而，在ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)建中，要基于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求，科學(xué)的選擇工作壓力相應(yīng)的工質(zhì)。

②工質(zhì)的干濕。有機(jī)工質(zhì)在干濕的控制，主要通過飽和蒸汽度來表示。尤其是基于飽和蒸汽線的斜率來表現(xiàn)工質(zhì)的干濕，增加了控制的有效性。飽和蒸汽線是S—T下，T隨S的變化曲線。基于曲線的變化率，可以合理的表現(xiàn)出工質(zhì)的干濕程度。并且，當(dāng)曲線的曲率趨于零時(shí)，說明工質(zhì)是絕熱工質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)曲線的曲率小于零時(shí)，工質(zhì)的濕度較大，是濕工質(zhì)。相應(yīng)地，曲率大于零時(shí)，工質(zhì)含水量較少，可以視為干工質(zhì)。

對(duì)于ORC循環(huán)系統(tǒng)而言，其適宜采用干工質(zhì)。在ORC系統(tǒng)熱能較小情況下，容易造成機(jī)輪發(fā)生膨脹，進(jìn)而造成工質(zhì)遭到損害。并且，機(jī)輪在濕工質(zhì)的環(huán)境下工作，縮短了使用壽命，不利于系統(tǒng)的正常運(yùn)行。同時(shí)，干工質(zhì)在人能的影響下，其膨脹范圍在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，避免了膨脹幅度過大，出現(xiàn)干工質(zhì)超出過熱區(qū)的問題。由研究發(fā)現(xiàn)，在干工質(zhì)之中，參入水或含氫鍵的有機(jī)物，可以增加工質(zhì)的工作壓力，使得系統(tǒng)的功率增大。

2）低溫型熱能有機(jī)物發(fā)電系統(tǒng)，在性能上注重節(jié)能高效的突出。因而，工質(zhì)的性質(zhì)除了工作壓力和干度控制外，還對(duì)于其環(huán)保性能有嚴(yán)格的要求。干工質(zhì)在運(yùn)用過程中，其對(duì)大氣的臭氧層造成一定的破壞，并且溫室效應(yīng)也是其產(chǎn)生的一個(gè)問題。因此，在工質(zhì)的性能控制上，要重點(diǎn)對(duì)于其各項(xiàng)指標(biāo)的控制，尤其是臭氧層和溫室效應(yīng)。同時(shí)，工質(zhì)的熱穩(wěn)定性也非常的重要，其是確保系統(tǒng)正常工作的重要方面，并且工質(zhì)的熱傳導(dǎo)性能，是提高ORC循環(huán)功率的有效途徑。

2ORC循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建

ORC循環(huán)系統(tǒng)的構(gòu)建中，需要明確好其工作原理，尤其是循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的模型建立，是ORC循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)建的基礎(chǔ)。往下基于ORC循環(huán)系統(tǒng)的工作原理和效率展開論述。

1）循環(huán)系統(tǒng)的熱力原理。循環(huán)系統(tǒng)中的工質(zhì)是熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介，是在膨脹條件下的平移做功。并且，工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)熱能在冷凝器中釋放。工質(zhì)的運(yùn)動(dòng)能力主要由泵提供，而且工質(zhì)吸收了低溫?zé)崮?。工質(zhì)在整個(gè)的做功過程中，其經(jīng)歷了加熱、沸騰、加熱的循環(huán)過程。因此，ORC具有節(jié)能高效的性能，對(duì)于系統(tǒng)的余熱，可以進(jìn)行回收利用。當(dāng)然，在對(duì)于熱源的控制上，選擇溫度適宜，最好溫度不能過高的熱源。在實(shí)際的ORC系統(tǒng)的構(gòu)建中，大量采用絕緣工質(zhì)，其在使用中的過程中，要保證好充分的熱度，進(jìn)而使得工質(zhì)的干度在安全范圍之內(nèi)。

2）ORC發(fā)電系統(tǒng)的效率。ORC循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率主要由系統(tǒng)內(nèi)耗和透平做功而決定。尤其是工質(zhì)對(duì)于熱能的吸收量，直接影響系統(tǒng)的熱能轉(zhuǎn)化率。同時(shí)，泵作為主要系統(tǒng)內(nèi)耗，其在系統(tǒng)的構(gòu)建中需要強(qiáng)化控制。并且，工質(zhì)的膨脹做功量，也是發(fā)電系效率的重要因素。在對(duì)于功率一定的系統(tǒng)構(gòu)建中，其主要以透平流量為指標(biāo)，通過控制工質(zhì)各狀態(tài)下的比容。

3）相關(guān)參數(shù)計(jì)算。首先，對(duì)于機(jī)輪的膨脹比值的計(jì)算非常關(guān)鍵。其主要基于機(jī)輪進(jìn)出口壓力的比值計(jì)算，控制工質(zhì)的工作壓力。由研究發(fā)現(xiàn)，工質(zhì)的蒸汽溫度應(yīng)控制在80℃上下，并且工質(zhì)的透平工作的效率在0.8上下。通過上述，我們知道，泵是系統(tǒng)內(nèi)耗的重要部分，因而在泵的選擇上，其參數(shù)控制非常重要，以變頻方式為主。同時(shí)，管道的散熱或漏熱控制，也是參數(shù)計(jì)算的重要部分，基于相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，控制好管道的厚度，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)的造價(jià)成本控制。

不同膨脹率下的工質(zhì)，其效率是不一樣的。ORC系統(tǒng)的效率與膨脹率呈現(xiàn)出線性關(guān)系，即ORC系統(tǒng)的效率隨著膨脹率的增大呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。由曲線的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膨脹率趨于3.0時(shí)，其系統(tǒng)的利用效率幾乎為零。因此，有其曲線可以知道，膨脹比值增大，工質(zhì)平移做功量和吸收量增加，進(jìn)而增大了系統(tǒng)的熱能利用效率。所以，在系統(tǒng)功率的創(chuàng)造時(shí)，要基于系統(tǒng)發(fā)電的設(shè)計(jì)量，合理地控制熱能的相對(duì)吸收量。

在參數(shù)的分析中，關(guān)于流量的分析非常關(guān)鍵。對(duì)于同一工質(zhì)而言，其流量與膨脹率呈反比。因此，在系統(tǒng)功率的設(shè)計(jì)中，要適當(dāng)?shù)脑龃笈蛎浡剩M(jìn)而加大工質(zhì)的功率。同時(shí)，對(duì)于不同參數(shù)值的工質(zhì)，其性能，諸如熱能吸收、做功等，都存在較大的差異。因而，對(duì)于不同的工質(zhì)，其流量不同，進(jìn)而做功量也不同。當(dāng)然，在對(duì)于相關(guān)參數(shù)的計(jì)算中，關(guān)于環(huán)保元素的參數(shù)的控制也是非常重要的。也就是說，工質(zhì)的選擇上，不僅需要針對(duì)于其性質(zhì)，而且對(duì)于環(huán)保性能的控制，也是實(shí)現(xiàn)ORC系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。

3結(jié)束語

在ORC循環(huán)系統(tǒng)中，工質(zhì)的性能對(duì)于循環(huán)系統(tǒng)的形成具有極大的影響力。工質(zhì)是實(shí)現(xiàn)熱能與機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介，不同的有機(jī)物工質(zhì)，可產(chǎn)生不同的熱能。并且，ORC的不同有機(jī)物工質(zhì)模式，實(shí)現(xiàn)了能量的多級(jí)利用，減少了熱能吸收時(shí)的損失。同時(shí)，在綠色環(huán)保理念的背景之下，有機(jī)物工質(zhì)可以很好地實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的節(jié)能高效。

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