有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)研究綜述

黃雅婷 陶樂仁 黃理浩 喬家廣

摘要：

在研究了大量的文獻資料的基礎上，簡單介紹了有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）系統(tǒng)的運行原理，并分別對ORC系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)、性能影響參數(shù)、系統(tǒng)優(yōu)化方式以及主要應用領域等方面的研究進展進行了論述。ORC系統(tǒng)作為一種熱力發(fā)電系統(tǒng)，雖具有十分廣闊的發(fā)展前景，但已有研究主要集中在理論分析上，要推廣其應用，仍存在許多實際問題需要解決。

關鍵詞：

有機朗肯循環(huán); 循環(huán)工質(zhì); 系統(tǒng)性能優(yōu)化; 應用領域

中圖分類號： TK 124 文獻標志碼： A

Review of Research on Organic Rankine Cycle System

HUANG Yating， TAO Leren， HUANG Lihao， QIAO Jiaguang

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Based on a large number of literature materials are studied，a brief introduction of organic Rankine cycle（ORC） system operating principle，and the researches of ORC system on refrigerant，performance parameters，system optimization methods and main application fields are discussed respectively.As a kind of thermal power generation system，ORC system has a very broad prospect for development.But the previous research is mainly focused on the theoretical analysis.To promote the application，there are still many practical problems need to be solved.

Keywords：

ORC; refrigerant; performance optimization; application

能源與環(huán)境問題日益嚴重的今天，人們?nèi)遮呏匾曁柲?、地熱以及各種中低溫廢熱。有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）系統(tǒng)，其原理圖和溫熵圖見圖1、圖2）作為一種能夠?qū)⒌推肺粡U熱轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺浑娔艿臒崃Πl(fā)電系統(tǒng)，因其有機工質(zhì)沸點低、凝固點低、冷凝壓力高、密度大、比容小、聲速低等特點，使其具有無需防凍設施、泄露少、尺寸小、汽輪機效率較高、不易發(fā)生液擊等優(yōu)點，故對ORC系統(tǒng)的研究具有極大的研究意義，并成為了當今的研究熱點。目前對ORC系統(tǒng)的研究主要圍繞有機工質(zhì)、ORC系統(tǒng)性能參數(shù)與系統(tǒng)優(yōu)化、其他系統(tǒng)與ORC系統(tǒng)聯(lián)合運行和ORC系統(tǒng)的應用等方面。本文將從上述幾個方面針對目前研究ORC系統(tǒng)的研究進行總結(jié)。

1 關于ORC系統(tǒng)的研究進展

1.1 關于有機工質(zhì)篩選的研究進展

有機工質(zhì)篩選的評判標準圍繞安全環(huán)保性、熱力學性能與經(jīng)濟性三個方面，不同類型和溫度的熱源所適用的工質(zhì)也不同，如表1所示。

圖1 ORC系統(tǒng)原理圖

Fig.1 Principle of ORC system

圖2 ORC系統(tǒng)溫熵圖

Fig.2 T-s diagram of ORC system

表1 不同類型、熱源溫度推薦工質(zhì)

Tab.1 Recommended refrigerants for heat source of different types and temperatures

許多學者利用各類軟件設計了關于有機工質(zhì)篩選的計算程序。許俊俊等[10]利用MATLAB基于多級非結(jié)構(gòu)性模糊決策分析方法建立了ORC系統(tǒng)工質(zhì)優(yōu)選體系，計算不同工質(zhì)條件下的循環(huán)性能參數(shù)，依據(jù)上述三個評判標準進行優(yōu)選。結(jié)果表明，在熱源溫度為150 ℃時，R123的綜合性能指標最優(yōu)。張麗娜等[11]結(jié)合REFPRO8.0工質(zhì)物性數(shù)據(jù)庫，利用MATLAB建立了ORC熱力性能計算程序，除具有系統(tǒng)循環(huán)熱力性能計算功能外，還具有工質(zhì)篩選的作用。王華榮等[12]選用R600a，R114，R245fa和R245ca四種工質(zhì)，由環(huán)境性模型、熱力學模型和經(jīng)濟性模型組合建立ORC系統(tǒng)的多目標優(yōu)化數(shù)學模型，利用BPGA算法得出各工質(zhì)的最優(yōu)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度，并得出以R245fa為工質(zhì)的ORC系統(tǒng)的綜合性能最佳的結(jié)論，且在變工況條件下仍表現(xiàn)出了最優(yōu)的綜合性能。

對于中高溫熱源的ORC系統(tǒng)，有機工質(zhì)的熱分解性是工質(zhì)篩選的主要制約因素，目前被廣泛采用的工質(zhì)是R245fa。戴曉業(yè)等[13]針對R245fa的熱穩(wěn)定性和材料相容性進行了試驗研究，結(jié)果表明，R245fa的熱分解溫度在300～320 ℃時，金屬材料對其熱分解有著明顯的催化作用，且在實際系統(tǒng)中，如果反應時間較長，則易發(fā)生積碳，影響系統(tǒng)運行效率。

由于R245fa的GWP指數(shù)高，梁立鵬等[9]選用更加環(huán)保的R1234yf進行了系統(tǒng)火用效率與火用損模擬分析。研究表明，在熱源溫度為110～150 ℃時，R1234yf比R245fa具有更佳的熱力學性能。

1.2 關于ORC系統(tǒng)性能影響參數(shù)的研究進展

冷凝器、蒸發(fā)器參數(shù)是影響ORC系統(tǒng)性能的主要運行參數(shù)，一般存在最佳冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。王華榮等[12]選取熱效率、火用效率、投資回收期和年減排量為目標函數(shù)，以蒸發(fā)溫度和冷凝溫度為控制變量，建立了ORC系統(tǒng)多目標優(yōu)化數(shù)學模型，取得了四種工質(zhì)的最優(yōu)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。

為研究冷凝溫度對ORC系統(tǒng)性能的影響，董冰等[14]分別采用了三種冷凝器（臥式殼管式、蒸發(fā)式和風冷式），選取吐魯番、哈爾濱和廣州三個溫差較大的城市天氣作為氣候條件，采用NIST在MATLAB界面下編程計算不同冷凝器下的冷凝溫度，并給出了計算流程圖。董冰等[14]以R245fa為工質(zhì)，在蒸發(fā)溫度為90 ℃，蒸發(fā)器出口過熱度為10 ℃，地熱溫度為110 ℃的條件下，計算發(fā)電量、經(jīng)濟效益和環(huán)保效益。

結(jié)果表明：氣溫低、濕度小的地區(qū)ORC系統(tǒng)性能較好;蒸發(fā)式發(fā)電量最大、風冷式發(fā)電量最小。苗政等[15]采用EES軟件計算了飽和ORC系統(tǒng)在使用R245fa和R601a時，輸出凈功隨冷凝溫度變化的規(guī)律，同時分析了膨脹機膨脹比、最佳進口溫度和工質(zhì)流量的變化情況。結(jié)果表明：當?shù)責嵩礈囟葹?30 ℃，冷凝溫度從30 ℃降至0 ℃時，膨脹比增大約2倍，有機工質(zhì)在膨脹機進口的最佳溫度升高，且波動幅度達15 ℃，工質(zhì)質(zhì)量流量增加超過30%，系統(tǒng)凈輸出功增長達120%。

根據(jù)工質(zhì)蒸發(fā)溫度和壓力所在的區(qū)域，可將ORC分為跨臨界循環(huán)、近臨界循環(huán)和亞臨界循環(huán)。王羽平等[16]選用了干性、濕性、絕熱三種典型工質(zhì)，建立數(shù)學模型，分析近臨界循環(huán)與亞臨界循環(huán)的性能差異，并從工質(zhì)物性角度分析原因。結(jié)果表明：近臨界循環(huán)具有良好的變工況性能，且干性工質(zhì)最適用于近臨界循環(huán)。薄華宇等[17]以110 ℃地熱水為熱源，對跨臨界ORC系統(tǒng)的凈功、效率和換熱器UA值進行了模擬計算，并針對六種有機工質(zhì)的循環(huán)性能進行對比，分析了蒸發(fā)壓力對循環(huán)凈功與效率的影響，發(fā)現(xiàn)存在最佳蒸發(fā)壓力。但跨臨界循環(huán)蒸發(fā)壓力較高，蒸發(fā)器造價較貴，且透平設計難度加大。蒸發(fā)器換熱效率也是ORC系統(tǒng)的重要性能參數(shù)之一。魏莉莉等[18]針對低溫ORC系統(tǒng)，選取三種換熱器（板式、殼管式和滿液式）進行對比試驗，并設計了殼管式預熱器+滿液式蒸發(fā)器的組合式蒸發(fā)器對其進行理論分析與試驗測試，最終達到了飽和氣態(tài)工質(zhì)穩(wěn)定產(chǎn)生的目的，還提高了傳熱系數(shù)與傳熱效率。

1.3 關于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的總結(jié)

研究影響性能的參數(shù)的目的是為了能夠優(yōu)化系統(tǒng)性能，許多學者在ORC系統(tǒng)優(yōu)化方面進行了創(chuàng)新。羅琪等[19]與Mago等[20]都曾提出抽汽回熱能顯著提升ORC系統(tǒng)熱效率。徐榮吉等[21]通過試驗得出，有回熱系統(tǒng)能優(yōu)化ORC系統(tǒng)熱力學性能。文獻[22-23]指出再熱能避免乏汽濕度過高影響汽輪機運行，從而提高了ORC系統(tǒng)的熱效率。綜上所述，抽汽回熱、內(nèi)回熱與再熱均能提升ORC系統(tǒng)的性能。余廷芳等[24]提出了再熱、抽汽回熱和內(nèi)回熱三種方式相結(jié)合的新型ORC系統(tǒng)，其工作原理如圖3所示。在最佳再熱蒸汽壓力條件下，對單一內(nèi)回熱、抽汽回熱、抽汽內(nèi)回熱、再熱ORC系統(tǒng)分別進行了熱力學性能計算，得出新型ORC系統(tǒng)的熱效率達18.86%，遠高于單一ORC系統(tǒng)。

也有學者采用雙級ORC系統(tǒng)來提高系統(tǒng)熱效率。秦亞琦等[25]選取R141bR245fa，npentaneR600和isopentaneR114分別作為雙級ORC系統(tǒng)的工質(zhì)，一級采用超臨界循環(huán)，二級采用亞臨界循環(huán)，工

作原理如圖4所示。分析表明：隨著一級蒸發(fā)壓力增大，工質(zhì)為isopentaneR114和npentaneR600時，ORC系統(tǒng)效率先增大后減小，輸出凈功一直減小，采用R141bR245fa為工質(zhì)的ORC系統(tǒng)的熱效率保持增大趨勢，各級工質(zhì)質(zhì)量流量變化幅度不大，系統(tǒng)的煙氣出口溫度偏高，具有進一步提高性能的潛力。崔雁清等[26]根據(jù)車用CNG發(fā)動機的余熱能分布特性設計了雙級ORC系統(tǒng)，該系統(tǒng)分為高溫循環(huán)和低溫循環(huán)，高溫循環(huán)以R245fa為工質(zhì)，回收CNG發(fā)動機排氣部分，低溫循環(huán)分別以R245fa，R1234ze和R1234yf為工質(zhì)，回收進氣中冷能量、高溫循環(huán)冷凝過程中釋放的能量和系統(tǒng)冷卻水中的能量。結(jié)果表明：較高的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度以及較低的冷凝溫度可以提高ORC系統(tǒng)凈輸出功率和熱效率，且采用R245fa為工質(zhì)時，系統(tǒng)的熱力學性能最優(yōu)。

圖3 新型ORC系統(tǒng)工作原理

Fig.3 Working principle of the new ORC system

圖4 雙級ORC系統(tǒng)工作原理

Fig.4 Working principle of two-stage ORC system

1.4 關于ORC系統(tǒng)與其他系統(tǒng)聯(lián)合的研究進展

蒸氣壓縮制冷（VCR）系統(tǒng)與ORC系統(tǒng)聯(lián)合運行，使得采用太陽能驅(qū)動的家用小型空調(diào)成為可能，與吸收式、蒸汽噴射式制冷相比，其COP可高達1.4，且在室外溫度越高時COP越高。馬國遠等[27]利用軟件模擬計算復合系統(tǒng)的COP，并通過對比得出R134a作為VCR系統(tǒng)工質(zhì)、R1234ze作為ORC系統(tǒng)工質(zhì)時，會獲得較高的COP性能。莫東鳴等[28]耦合了跨臨界ORC系統(tǒng)和蒸汽壓縮制冷（VCR）循環(huán)，構(gòu)建了由低溫煙氣驅(qū)動的冷電聯(lián)產(chǎn)復合系統(tǒng)，可以有效地回收低溫煙氣余熱進行發(fā)電和制冷，實現(xiàn)冷量和發(fā)電量的靈活配合，其系統(tǒng)原理圖如圖5所示。雷歡等[29]通過膨脹機與壓縮機同軸連接，將ORC系統(tǒng)與VCR系統(tǒng)聯(lián)合制冷，對比了采用Cyclohexane，D4，noctane和R141b四種工質(zhì)的熱力學性能，并進行了系統(tǒng)火用損失計算，分析了ORC系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、制冷劑蒸發(fā)溫度、透平效率等參數(shù)對系統(tǒng)COP的影響，當采用Cyclohexane為工質(zhì)時，COP最高，達到1.262。

圖5 ORCVCR系統(tǒng)工作原理

Fig.5 Working principle of ORC-VCR system

ORC系統(tǒng)不僅能采集內(nèi)燃機（ICE）的燃燒煙氣廢熱，還能利用其機組套缸冷卻水余熱發(fā)電。岳晨等[30]提出了一套ICEORC系統(tǒng)，可利用ICE動力啟動ORC系統(tǒng)，ORC系統(tǒng)穩(wěn)定運行后又將動力使輸給ICE，在標定負荷下，該系統(tǒng)熱效率較ICE子系統(tǒng)提高了7.8%，而ORC系統(tǒng)投資回收期僅為9 300 h，且經(jīng)濟性優(yōu)勢隨燃料的價格的提高而提高。

聯(lián)合其他熱源系統(tǒng)也是一種新的聯(lián)合方式，為充分回收礦藏熱采過程尾端低溫蒸汽余熱，楊新樂等[31]利用太陽能補充預熱器中熱源顯熱以縮小換熱溫差，提出了一種新型低溫蒸汽太陽能雙熱源ORC發(fā)電系統(tǒng)。

1.5 關于ORC系統(tǒng)應用領域的研究進展

ORC系統(tǒng)在歐美市場已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，包括工業(yè)余熱及太陽能、地熱能、生物質(zhì)能等新能源，裝機容量最大的領域為地熱，但國內(nèi)市場還處于起步階段。從裝機數(shù)量上看，最多的是意大利的Turboden公司，其ORC機組主要集中在生物質(zhì)及工業(yè)余熱，故裝機容量較小。目前，利用ORC技術回收地熱能發(fā)電的最為先進的公司是美國ORMAT。

我國目前主要將ORC系統(tǒng)應用在水泥廠、石化廠等工業(yè)領域。李浩[32]在現(xiàn)有常規(guī)水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)基礎上，增設ORC機組，經(jīng)過理論計算和實際工程分析得出，當窖尾收塵器溫度達到150 ℃左右時，2 500～5 000 t/d水泥生產(chǎn)線余熱發(fā)電能力新增電量250～350 kW，并發(fā)現(xiàn)300 ℃以上的余熱不適宜作為ORC系統(tǒng)熱源。秦文戈[33]將兩臺ORC系統(tǒng)熱水發(fā)電機組串級應用于海南煉油化工有限公司，以回收芳烴聯(lián)合裝置中存在的大量低溫余熱，采用浙江開山集團的串級有ORC系統(tǒng)發(fā)電站，工質(zhì)采用R245fa，一年可直接節(jié)省電費1 649.5萬元。

ORC技術作為一項低品位余熱回收的有效途徑，在內(nèi)燃機余熱回收領域也得到了廣泛的研究。楊凱等[34]設計了一套車用柴油機余熱回收系統(tǒng)，以R416a為工質(zhì)，通過試驗確定了螺桿膨脹機的最優(yōu)工況點。結(jié)果表明：輸出功率最大提高30.6 kW，熱效率最大提高10.99%，余熱回收效率最高達10.61%，有效燃油消耗率最大降低3 535 g/（kW·h）。朱軼林等[35]利用設計的ORC系統(tǒng)回收船舶柴油機的排氣能量，研究結(jié)果表明：以R245fa為工質(zhì)時，最佳蒸發(fā)溫度為117 ℃，最佳冷凝溫度為316 K，膨脹比為6.6，熱效率可以達到12%。李金平等[36]利用GTPOWER對某國產(chǎn)30 kW沼氣發(fā)電機組發(fā)動機建立模型，利用ASPEN PLUS建立利用燃燒煙氣和機組套缸冷卻水余熱的ORC系統(tǒng)模型，分析了過量空氣系數(shù)對發(fā)動機性能、煙氣余熱利用、ICEORC聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明：應根據(jù)沼氣甲烷含量適當?shù)卦黾舆^量空氣系數(shù)。

2 尚待解決的問題

目前，我國的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)正面臨著調(diào)整且能源需求量大，ORC系統(tǒng)作為一個熱力發(fā)電系統(tǒng)，在低溫余熱回收發(fā)電方面具有較明顯的優(yōu)勢，但是卻沒有得到大規(guī)模的推廣和應用，要想改變這樣的現(xiàn)狀，推進ORC系統(tǒng)的使用和發(fā)展，就要解決以下幾個正在面臨的問題：

（1） 研究理論與實際脫節(jié)，企業(yè)對科研機構(gòu)的研究反應遲鈍?，F(xiàn)有文獻大多是通過理論模擬分析，缺乏試驗研究，忽視實際應用中的問題。應加強各企業(yè)與科研機構(gòu)的合作，共同解決工程運用中的關鍵問題，如密封系統(tǒng)測試、控制系統(tǒng)測試、高速軸承耗損測試等。

（2） 缺乏行業(yè)標準與政策支持。國內(nèi)檢測及行業(yè)標準規(guī)范缺乏，余熱定義統(tǒng)計標準不同，行業(yè)配套及數(shù)據(jù)不完善。ORC技術仍需要國家政策的支持，并將產(chǎn)業(yè)補貼落到實處。

（3） 產(chǎn)品經(jīng)濟性不突出。組件大多依靠進口，效益不抵成本，回收期達兩三年以上。換熱器、膨脹機、泵的效率不盡人意，冷卻水功耗問題受忽視，膨脹機匹配性較差。

3 結(jié) 語

（1） 目前，學者們大多是選取兩個或三個性能參數(shù)為評價標準，在一定程度上緩解了工質(zhì)選擇的單一性問題，但少數(shù)目標無法全面反映系統(tǒng)綜合性能。一些學者采用多級目標，但每位學者的側(cè)重點不同，存在主觀性問題。若采用多級非結(jié)構(gòu)性模糊決策分析法，可避免主觀權(quán)重問題，只是計算過程比較復雜。總之，有機物的選擇應在環(huán)境友好的基礎上，做到與系統(tǒng)熱源的溫度、性質(zhì)相匹配，從而達到提升系統(tǒng)熱效率的目的。

（2） 目前對于ORC系統(tǒng)性能參數(shù)的研究主要集中在冷凝溫度、蒸發(fā)溫度上，且存在最佳冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。提高蒸發(fā)溫度可提高系統(tǒng)熱效率，因此采用近臨界循環(huán)與超臨界循環(huán)，但此時透平入口出現(xiàn)超音速，故選擇蒸發(fā)溫度時要考慮工質(zhì)臨界溫度、熱源溫度和系統(tǒng)耐壓程度等因素。降低冷凝溫度可提高系統(tǒng)熱效率，但要防止冷凝壓力低于大氣壓力，造成負壓。窄點溫差、透平效率等也是需要研究的重要性能參數(shù)。

（3） 提高換熱器、膨脹機、泵效率，采用再熱、回熱、跨臨界循環(huán)或雙級ORC系統(tǒng)等方式都可優(yōu)化系統(tǒng)性能。目前國內(nèi)膨脹機的匹配性較差，大多靠進口，成本居高不下，故透平的設計與優(yōu)化值得引起學者們的研究。

（4） ORC系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如蒸汽壓縮制冷、內(nèi)燃機等）的聯(lián)合運行不僅是對ORC系統(tǒng)的一種優(yōu)化，同時也是對其他系統(tǒng)應用的一種推進，相互克服缺陷，創(chuàng)造出更多的可能性。同時，與其他冷熱源相聯(lián)合以優(yōu)化ORC系統(tǒng)的回收效率，可達到更好的能源利用效果。

（5） 近年來，ORC系統(tǒng)在低溫余熱回收領域的優(yōu)勢引起了廣大學者的重視，國內(nèi)眾多廠家紛紛嘗試，雖然ORC系統(tǒng)在歐美市場的應用已經(jīng)趨于成熟，然而我國的研究仍偏離實際工程，離產(chǎn)業(yè)化較遠，ORC系統(tǒng)應用市場仍處于待開發(fā)階段。學者們將目光大多放在工業(yè)余熱、內(nèi)燃機、地熱等方面，但還有大量未能合理利用的低溫余熱領域值得關注，例如生物質(zhì)能、鋼鐵行業(yè)、采油、玻璃制造、金屬冶煉等。

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