余熱回收新技術ORC系統(tǒng)在船用柴油機中的應用分析

楊小強 刁安娜 徐春城 周 岳

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200072）

余熱回收新技術ORC系統(tǒng)在船用柴油機中的應用分析

楊小強 刁安娜 徐春城 周 岳

（中國船舶重工集團公司第七一一研究所，上海 200072）

簡單介紹了回收余熱的新技術ORC系統(tǒng)及其原理，重點對目前回收柴油機煙氣余熱的三種循環(huán)系統(tǒng)進行了對比和分析。

ORC系統(tǒng)；柴油機煙氣；余熱回收

通常船用柴油機動力輸出能量只占燃油燃燒總熱量的30%～45%，剩余55%～70%的能量中被煙氣帶走的占34.2%，且排氣溫度高達400℃，價值很高。

有機朗肯循環(huán)（ORC，Organic Rankine Cycle）作為一種新的余熱回收技術，在對煙氣余熱進行回收時，既不消耗額外的燃料，也不會對環(huán)境造成影響，且能降低柴油機的單位功率排放量，因此，研究開發(fā)以船用柴油機煙氣為熱源的ORC系統(tǒng)具有非常重要的意義。

一、ORC系統(tǒng)工作原理

典型的ORC系統(tǒng)流程圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器和工質泵四大件組成。系統(tǒng)的工作原理為：液態(tài)有機工質在蒸發(fā)器中不斷吸收熱水（或其他熱源）的熱量，經(jīng)過蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)；汽化后的有機工質氣體（或氣液兩相）進入膨脹機，膨脹機在高壓氣體的驅動下向外輸出電力或做功；膨脹后的低壓氣體或氣液兩相有機工質進入冷凝器被冷卻水冷凝成液態(tài)；最后，液態(tài)有機工質經(jīng)過工質泵增壓后進入蒸發(fā)器吸收熱量，完成一個閉式循環(huán)。

圖1 ORC系統(tǒng)流程圖

ORC系統(tǒng)工作過程用溫熵圖表示如圖2所示，假設工質泵的增壓過程為等熵過程，且工質在蒸發(fā)器和冷凝器中為定壓吸熱，忽略連接管道內(nèi)的壓力損失。

圖2 ORC系統(tǒng)熱力過程溫熵圖

如圖2所示，ORC系統(tǒng)的熱力循環(huán)由4個熱力過程組成。

（1）蒸發(fā)過程4-1。

有機工質在蒸發(fā)器中吸熱后發(fā)生相變變成氣態(tài)，吸收的熱量：

（2）膨脹過程1-2。

有機工質在膨脹機中從高壓膨脹到低壓，實際輸出的膨脹功：

若膨脹過程為等熵膨脹，則膨脹過程為虛線，等熵膨脹功：

（3）冷凝過程2-3。

有機工質在冷凝器中與冷卻水（或其他冷卻介質）換熱，被冷凝成液態(tài)，對外釋放的熱量：

（4）增壓過程3-4。

通過工質泵對液態(tài)有機工質進行增壓，工質泵的功耗：

系統(tǒng)實際熱效率的定義為輸出的有用功與總投入熱量的比值，其表達式：

由于實際的膨脹過程存在能量損失，輸出功會比理論過程的輸出功少，因此，對于膨脹機存在一個等熵效率，其表達式為

二、ORC系統(tǒng)用于船用柴油機煙氣余熱回收

目前利用ORC原理回收煙氣余熱的系統(tǒng)形式分為3種：以水為工質的ORC循環(huán)系統(tǒng)、ORC（以有機物如R134a、R245fa、丁烷等為工質）單循環(huán)系統(tǒng)和ORC雙循環(huán)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)上，對于煙氣余熱回收都是以水為工質，利用煙氣加熱水得到水蒸氣，然后利用水蒸氣驅動汽輪機發(fā)電或做功。這種形式要求煙氣量大，水的氣化通過煙氣余熱鍋爐來實現(xiàn)，但是煙氣余熱鍋爐換熱效率比較低，結構復雜，且膨脹后的水蒸氣處于負壓狀態(tài)，需使用抽負壓的凝氣系統(tǒng)來冷凝水蒸氣，整個系統(tǒng)體積非常大，在船舶上使用受到很大限制。為了解決這些難題，有機工質ORC循環(huán)逐漸受到重視。

圖3 ORC雙循環(huán)系統(tǒng)三、系統(tǒng)對比分析

若選用有機工質，直接利用煙氣加熱有機工質，系統(tǒng)雖然相對簡化，但蒸發(fā)器非常龐大，且有機工質通常為易燃易爆或帶毒性介質，高溫煙氣直接與有機工質換熱，不僅增加了換熱器的制造難度，工質泄漏的風險也增加，系統(tǒng)可靠性降低。

為了更安全有效的利用船用柴油機煙氣余熱，ORC雙循環(huán)系統(tǒng)被提出，如圖3所示。先用煙氣余熱鍋爐將水（或導熱油）加熱至90℃以上，再利用這部分熱水（或熱油）來加熱有機工質，有機工質變成氣體后再驅動螺桿膨脹機做功。而釋放熱量后的熱水（油）再重新回到煙氣熱水鍋爐，形成閉式熱水循環(huán)。利用這種方式的好處體現(xiàn)在兩個方面，首先是用熱水（油）鍋爐代替了傳統(tǒng)的蒸汽鍋爐，不用將水加熱成水蒸氣，其換熱效率會大大提高，由于免去了蒸發(fā)管段，鍋爐尺寸也將大大減??；其次熱水（油）系統(tǒng)是一個閉式循環(huán)，在系統(tǒng)中實現(xiàn)熱量搬運的作用，無需額外補充，且將有機工質與高溫煙氣分開，使系統(tǒng)更加安全。

三、系統(tǒng)對比分析

已知某系列的柴油機在額定轉速下運行時的參數(shù)如表1所示。

表1

分別選用三種循環(huán)系統(tǒng)回收該煙氣余熱，利用化工流程模擬軟件PROII分別進行計算，計算的結果如表2所示。

由表2計算結果可以看出，對于同樣的煙氣余熱，采用水蒸氣ORC循環(huán)系統(tǒng),雖然系統(tǒng)簡單且安全可靠，但是采用的煙氣余熱鍋爐由于換熱效率不高，導致最終系統(tǒng)熱效率偏低。采用ORC單循環(huán)系統(tǒng)，用換熱器替代煙氣余熱鍋爐后，系統(tǒng)熱效率上升，但是系統(tǒng)安全可靠性降低，若選用特制的全焊式板式換熱器，系統(tǒng)安全可靠性得到保證，但是成本會大大增加。采用ORC雙循環(huán)系統(tǒng)，雖然增加的換熱環(huán)節(jié)會存在少量的換熱損失，但是系統(tǒng)的安全可靠性可以完全得到保證。

表2

四、結語

船用柴油機工作時排氣管中煙氣的溫度高達400℃，可利用的溫差高達220℃，屬于中溫余熱資源，品質較高?；厥沾貌裼蜋C排放的大量煙氣余熱，既能減小對環(huán)境的影響，又可以提高船用柴油機的能源利用率，降低船舶的耗能。利用ORC雙循環(huán)系統(tǒng)，既能保證煙氣余熱被高效回收，又能保證系統(tǒng)的安全可靠運行，是非常合理的技術形式。

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（二等獎獲獎征文）

TK11

B

1671-0711（2015）05-0053-03