低溫余熱有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)選擇

申玲++陶樂仁+王曉云++王鑫

摘要： 對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)的優(yōu)化選擇已逐漸從單一優(yōu)化目標(biāo)向多目標(biāo)發(fā)展，但所選的優(yōu)化目標(biāo)及優(yōu)化方法普遍存在主觀性較強的問題.針對上述問題，從環(huán)保性、安全性等方面對工質(zhì)進行初選，得到了R123、R245fa、R245ca和R601等9種工質(zhì)，然后采用主成分分析法對工質(zhì)的熱效率、循環(huán)凈功和不可逆損失等7個熱力性能指標(biāo)進行了分析計算，得到了兩個較為客觀的綜合評價指標(biāo)，并在不同蒸發(fā)溫度下對工質(zhì)的綜合熱力性能進行了分析.結(jié)果表明：R601做功能力較強，綜合效率較高，是該循環(huán)系統(tǒng)較為理想的工質(zhì).

關(guān)鍵詞：

有機朗肯循環(huán)； 優(yōu)化； 主成分； 綜合評價指標(biāo)

中圖分類號： TK 11+5文獻標(biāo)志碼： A

Working Fluid Selection of Organic Rankine Cycle Power

Generation System Using Low Temperature Heat Source

SHEN Ling， TAO Leren， WANG Xiaoyun， WANG Xin

（Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，

University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Optimization of working fluid selection in theorganic Rankine cycle（ORC） system has developed from single objective to multiple ones.However，the optimizing objective and approach were determined with strong subjectivity.Aimed at this problem，nine working fluids including R123，R245fa，R245ca，R601 and so on，were selected in terms of safety and environment protection.And then principal analysis was conducted based on the thermal performance such as thermal efficiency，net cycle work，irreversible loss，etc.Two objective comprehensive evaluation indexes were attained.According to these，the comprehensive thermal performance of working fluids at different evaporation temperatures was analyzed.The results showed that R601 was the ideal working fluid for ORC system with good work capacity and high overall efficiency.

Keywords：

organic Rankine cycle； optimization； principle components； comprehensive evaluation index

隨著節(jié)能環(huán)保觀念的推廣及深入，低品位熱能的回收利用越來越受到人們的關(guān)注，其中有機朗肯循環(huán)（ORC）作為一種有效的低溫余熱利用方式得到了廣泛應(yīng)用[1].ORC發(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于利用了有機工質(zhì)低沸點的特性.因此，工質(zhì)的選擇成為ORC發(fā)電系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容之一.

近年來，關(guān)于ORC系統(tǒng)的工質(zhì)優(yōu)選方法已從單一目標(biāo)逐漸向多目標(biāo)發(fā)展，例如：Khennich等[2]針對100 ℃的低溫工業(yè)余熱，分別以O(shè)RC系統(tǒng)換熱器的總熱導(dǎo)率最小和循環(huán)功率輸出最大為目標(biāo)，對5種工質(zhì)進行了研究，得出R141b為最佳工質(zhì)；Wang等[3]以循環(huán)熱效率和總投資成本為優(yōu)化目標(biāo)，通過遺傳算法建立ORC系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型，得到了兩者之間的帕累托權(quán)衡曲線；王志奇等[4]利用模擬退火算法，建立了以熱回收率和單位輸出功率所需換熱面積為目標(biāo)的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化模型，結(jié)果表明，當(dāng)熱源溫度為100～220 ℃時，采用R123系統(tǒng)性能最佳；韓中合等[5]以單位功量和單位功量質(zhì)量流量為性能指標(biāo)對有回?zé)岬腛RC系統(tǒng)進行了工質(zhì)優(yōu)選，通過對比分析14種工質(zhì)性能，得到環(huán)己烷是對應(yīng)目標(biāo)下的最優(yōu)工質(zhì).

以上學(xué)者大多選取了兩個或三個性能參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，在一定程度上緩解了工質(zhì)選擇時的單一性問題，但評價系統(tǒng)性能的指標(biāo)眾多，少數(shù)目標(biāo)仍不能全面地反映系統(tǒng)的綜合性能.鑒于此，一些學(xué)者以多個目標(biāo)為評價標(biāo)準(zhǔn)，通過綜合分析方法對工質(zhì)進行綜合評價，但這些方法大多存在主觀性問題，不能對工質(zhì)進行客觀評價，例如：李惟毅等[6]采用的線性加權(quán)法，當(dāng)研究側(cè)重點不同，權(quán)重不同時，則線性加權(quán)的結(jié)果就會不同；許俊俊等[7]采用多級非結(jié)構(gòu)性模糊決策分析法，該方法雖避免了主觀確定隸屬度的問題，但計算過程較為復(fù)雜，如果簡單地使用模糊決策分析法，人為賦予評價指標(biāo)權(quán)重將不可避免.

針對上述問題，本文采用一種較為客觀、全面的分析方法——主成分分析法，對ORC發(fā)電系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)的熱力性能進行綜合評價.該方法主要依據(jù)多元統(tǒng)計學(xué)理論，并在分析過程中運用各類統(tǒng)計學(xué)軟件客觀地確定各個熱力性能指標(biāo)的權(quán)重，避免由于人為因素造成的評價差異.