有機(jī)朗肯循環(huán)綜述

貴州大學(xué) 伍 淼 陳湘萍

有機(jī)朗肯循環(huán)綜述

貴州大學(xué) 伍 淼 陳湘萍

因能源問題與環(huán)境問題日益突出，能源與生產(chǎn)之間的矛盾加劇，已經(jīng)制約了生產(chǎn)力的發(fā)展。為解決這一矛盾，有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle, ORC）技術(shù)越來越受到人們的重視，學(xué)者從各個(gè)方面對有機(jī)朗肯循環(huán)進(jìn)行了大量的研究。文中簡介了ORC系統(tǒng)的主要組成，工質(zhì)的優(yōu)選，膨脹機(jī)、工質(zhì)泵、冷凝器的研究進(jìn)展。

ORC系統(tǒng)簡介；部件優(yōu)選；工質(zhì)；膨脹機(jī)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對能源的依賴日益嚴(yán)重，煤、石油、天然氣等不可再生能源的儲(chǔ)備有限。我國也是能源消耗大國，為了達(dá)到節(jié)能減排減少環(huán)境污染和提高能源的利用率，加強(qiáng)對這些能源二次利用，多使用新型能源如（地?zé)?，太陽能，潮汐能等）來替代這些傳統(tǒng)能源。在此背景下，有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)回收中低品位能源越來越得到人們的關(guān)注。有機(jī)朗肯循環(huán)主要由膨脹機(jī)、冷凝管、工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、發(fā)電機(jī)等組成。首先液態(tài)的有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中進(jìn)行熱交換，工質(zhì)由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，再在膨脹機(jī)中膨脹做功帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，膨脹做功后的乏氣運(yùn)送到冷凝管中進(jìn)行冷卻，使其由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，由工質(zhì)泵加壓再次運(yùn)輸?shù)秸舭l(fā)器中，這樣完成一個(gè)循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)對余熱的回收?；镜腛RC系統(tǒng)如圖1。

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)圖

1 有機(jī)工質(zhì)的優(yōu)選研究

作為ORC系統(tǒng)的能量載體，有機(jī)工質(zhì)的選擇是否與熱源相匹配，和運(yùn)行時(shí)的工況等都可能對系統(tǒng)的熱回收的效率造成重大影響。有機(jī)工質(zhì)的選擇[1]應(yīng)考慮如下因素：工質(zhì)應(yīng)盡量選擇是無毒，不易燃，不易爆，其化學(xué)性質(zhì)要穩(wěn)定，在高溫環(huán)境下不易分解，而且工質(zhì)要求具有一定環(huán)保性，對大氣臭氧層無破壞。在T-s圖中的飽和蒸汽線上，ds/dT應(yīng)接近零或大于零（等熵流體或干流體）濕流體不適合做工質(zhì)，因?yàn)樵诓贿^熱或者過熱度很小的情況下，濕流體在膨脹做功后容易進(jìn)入汽液兩相去，產(chǎn)生冷凝液滴，等熵流體最適合作為ORC工質(zhì)。如圖2。

1.1 純工質(zhì)的研究

對單一工質(zhì)的研究，國內(nèi)外學(xué)者對工質(zhì)的物性和不同熱源環(huán)境下工質(zhì)的選取做了大量研究。劉健等[2]以R123，R245fa做為工質(zhì)，基于蒸發(fā)參數(shù)法進(jìn)行優(yōu)選，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)R123的熱循環(huán)效率高于工質(zhì)R245fa。戴曉業(yè)等[3]對工質(zhì)的熱穩(wěn)定性進(jìn)行研究，總結(jié)歸納出了ORC工質(zhì)熱穩(wěn)定性在試驗(yàn)和理論兩方面的研究成果。劉偉等[4]對余熱資源的能級及其與ORC工質(zhì)的匹配進(jìn)行了研究，用勢分析法更能反映資源與工質(zhì)的匹配特性，可作為選擇工質(zhì)的一種參考。李惟毅等[5]采用一種結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和火用效率的綜合評價(jià)指標(biāo)對有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。陳奇成等[6]針對573.15K和523.15K這兩種中溫?zé)嵩吹挠袡C(jī)朗肯循環(huán)，選取八種有機(jī)工質(zhì)分析，尋找系統(tǒng)最大的輸出功率和最佳的運(yùn)行參數(shù)。

圖2 工質(zhì)T-S圖

1.2 混合工質(zhì)的研究

ORC系統(tǒng)除了使用單一的純工質(zhì)以外，還可以使用混合工質(zhì)，在某一條件下混合工質(zhì)相比純工質(zhì)有更優(yōu)的系統(tǒng)性能，系統(tǒng)效率更高。王羽平等[7]把工質(zhì)R601a/R600a分別按照0.8/0.2,0.6/0.4,0.4/0.6的比例進(jìn)行混合，獲得了相應(yīng)部件運(yùn)行參數(shù)與系統(tǒng)的性能。倪淵等[8]研究了把R245fa、R601a以不同質(zhì)量配比進(jìn)行混合作為亞臨界ORC工質(zhì)，利用熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)分析其性能。以地?zé)崮艿纳疃壤肹9]作為目標(biāo)，采用窄點(diǎn)分析法，使用不同質(zhì)量配比的二元非共沸的12種混合物做為亞臨界ORC工質(zhì)，分析其系統(tǒng)性能。楊新樂等[10]以二元非共沸混合物R245fa、R152a為工質(zhì)，分析比較不同熱源溫度下，在有/無分流閃蒸的兩個(gè)系統(tǒng)中，工質(zhì)配比對系統(tǒng)熱性能的影響。

2 膨脹機(jī)

膨脹機(jī)是有機(jī)朗肯循環(huán)的核心部件，直接影響到性能和效率。膨脹機(jī)分為兩種，速度型和容積型。速度型膨脹機(jī)根據(jù)工質(zhì)在工作輪中的流向又可分為徑流式，徑-軸流式，軸流式。容積式膨脹機(jī)包括螺桿膨脹機(jī)，渦輪膨脹機(jī)，轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)，活塞膨脹機(jī)等。由于速度型膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，當(dāng)功率越低時(shí)，它的轉(zhuǎn)速會(huì)越高，每分鐘甚至?xí)_(dá)到十幾萬轉(zhuǎn)，這一特性迫使速度型膨脹機(jī)不適合小型的ORC系統(tǒng)，通常用于大型的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。容積式膨脹機(jī)是通過改變?nèi)莘e從而得到膨脹比和焓降，適用于一些流量較小和大膨脹比的環(huán)境，其輸出功率較小，轉(zhuǎn)速較低，而且其輸出功率會(huì)隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，適合于一些小型或微型的ORC系統(tǒng)。

2.1 徑流式膨脹機(jī)

薄澤民等[11]針對溫度為150～200℃的工業(yè)余熱，以R600a為工質(zhì)，研究有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的150KW級的有機(jī)工質(zhì)向心平透初步設(shè)計(jì)和變工況性能研究。王懷信等[12]針對膨脹部件等熵效率為定值這一分析方法的不足，研究了不同壓比和絕熱指數(shù)對徑流式單級汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸和等熵效率的影響，為ORC系統(tǒng)的膨脹機(jī)提供等熵效率的取值依據(jù)。

2.2 螺桿式膨脹機(jī)

張業(yè)強(qiáng)[13]對單螺桿膨脹機(jī)進(jìn)行研究，分析了螺桿直徑、膨脹比、排氣被壓、進(jìn)氣壓力和入口工質(zhì)干度等因素對單螺桿膨脹機(jī)的性能影響，獲得了單螺桿膨脹機(jī)的工況特性曲線，為單螺桿膨脹機(jī)的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)時(shí)間和分析提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。張于峰等[14]研究在不同工況下，存在最佳轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速下螺桿機(jī)對外輸出功最大，初始耗功量在低溫區(qū)對系統(tǒng)輸出功影響很大，隨著熱源溫度的增加初始耗功量占最大輸出功的比值趨于33%。

2.3 活塞式膨脹機(jī)

馮黎明[15]認(rèn)為往復(fù)活塞式膨脹機(jī)更適合于發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣余熱回收系統(tǒng)，指出往復(fù)活塞式膨脹機(jī)對優(yōu)化ORC的熱力學(xué)第一定律效率和熱力學(xué)第二效率具有一定的指導(dǎo)意義，并且為此設(shè)計(jì)了往復(fù)活塞式的熱力學(xué)模型，并研究了相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)對ORC系統(tǒng)的影響。

2.4 渦輪式膨脹機(jī)

姜亮等[17]以R152a為工質(zhì)對低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)中渦輪式膨脹機(jī)進(jìn)行了研究，采用EES軟件編程對渦輪膨脹機(jī)進(jìn)行熱力設(shè)計(jì)。韋偉等[17]搭建渦旋式膨脹機(jī)的小型有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，采用R134a、R245fa、R22和R32為工質(zhì)測試了ORC系統(tǒng)的整體性能及渦旋式膨脹機(jī)的性能。

3 冷凝器

在ORC系統(tǒng)中冷凝器用來冷卻從膨脹機(jī)做功排除的乏汽，使其變?yōu)橐簯B(tài)運(yùn)送到工質(zhì)泵。冷凝器是發(fā)電，制冷的主要設(shè)備。陳紫薇[18]針對有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)出新型分液冷凝器，與傳統(tǒng)的冷凝器在換熱系數(shù)、壓降、初投資費(fèi)用、操作費(fèi)用、總費(fèi)用、系統(tǒng)的凈輸出功、循環(huán)效率、系統(tǒng)火用效率的計(jì)算結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)新型分液冷凝器優(yōu)于傳統(tǒng)的冷凝器。董冰等[19]在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中分別采用水冷式，蒸發(fā)式和風(fēng)冷式三種冷凝器，分析得到了不同地域和季節(jié)氣候條件的變化對系統(tǒng)冷凝溫度、發(fā)電量和發(fā)電效率的影響。

4 工質(zhì)泵

工質(zhì)泵的作用是把冷凝器出來的液態(tài)工質(zhì)經(jīng)過加壓運(yùn)輸?shù)秸舭l(fā)器中。工質(zhì)泵運(yùn)行參數(shù)偏離額定參數(shù)是導(dǎo)致機(jī)械效率偏低的主要原因，工質(zhì)泵易發(fā)生氣蝕，導(dǎo)致等熵效率減小，同時(shí)還會(huì)造成工質(zhì)流量的下降。葉佳琦[20]建立了以R245fa為工質(zhì)的小型工質(zhì)泵性能研究實(shí)驗(yàn)室，針對容積性工質(zhì)泵展開研究，對工質(zhì)泵的出口壓力，進(jìn)出口壓差和系統(tǒng)質(zhì)量流量分別進(jìn)行控制。楊緒飛等[21]提出了帶有前置泵的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，前置蹦按裝在工質(zhì)泵和儲(chǔ)液罐之間，使工質(zhì)泵的入口壓力升高，確保工質(zhì)泵入口有足夠的氣蝕余量。選用三柱塞泵[22]建立的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)，泵的實(shí)際運(yùn)行效率達(dá)到22%-30%，工質(zhì)泵等熵效率和機(jī)械效率分別為60% ～69%和37%～45%。

5 結(jié)束

文中對ORC系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了相關(guān)的綜述，為以后有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的參考。工質(zhì)作為系統(tǒng)的能量載體，工質(zhì)選擇的是否合適嚴(yán)重影響到系統(tǒng)的性能。等熵流體是最為適合的工質(zhì)，工質(zhì)的選擇還需考慮熱源類型、熱源溫度、循環(huán)效率、火用損效率、安全性及環(huán)保性等因素?；旌瞎べ|(zhì)在一定情況下相比純工質(zhì)有更好的熱力學(xué)性能，為系統(tǒng)帶來更高的系統(tǒng)效率。膨脹機(jī)作為關(guān)鍵部件，其選擇需要考慮諸多因素：如系統(tǒng)規(guī)模大小，輸出功率，工質(zhì)流量，以及絕熱效率等。目前螺桿膨機(jī)產(chǎn)品最為成熟在各個(gè)領(lǐng)域都有應(yīng)用，而其它膨脹機(jī)則沒有較為成熟的產(chǎn)品。工質(zhì)泵和冷凝器技術(shù)相對成熟選擇余地較少。

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伍淼（1990-），男，湖南臨湘人，碩士研究生，有機(jī)朗肯循環(huán)。

陳湘萍（1977-），女，貴州貴陽人，副教授，博士，新能源。

資助：貴州省自然科學(xué)基金（中低品位熱源梯級能源利用關(guān)鍵技術(shù)研究，黔科合J字【2015】2034號）。