和 婷

（云南农业大学 机电工程学院，云南 昆明 650201）

目前，中低温热水资源来越受到人们的重视，利用中低温热水资源发电通常采用有机朗肯循环系统，它以低沸点有机物为循环工质，充分利用低温热源实现朗肯循环发电。该技术在地热能和生物质能领域的应用已经成熟，而在工业废热的利用上将得到很大的发展。在地热能领域，一般将高于150℃的地热资源称为高温地热资源， 高于90℃-150℃的为中温地热资源， 低于90℃的为低温地热资源。

1 ORC循环发电系统

1.1 ORC系统的特点

在中低温热能的利用中，有机朗肯循环和水蒸汽朗肯循环相比，有很多优点。

（1）ORC以低沸点有机物为循环工质，不需要软水系统、除氧器等辅助设备，系统构成简单；（2）ORC的蒸发压力高，透平所需的通流面积小，尺寸小；系统冷端一般处于压力大于外界大气压的正压状态，不需要设置保持真空度的设施；（3）ORC循环显热∕潜热比例大，可以更多地吸收低温热量，提高透平的输出功和热源的利用率；（4）ORC循环中，工质在透平中的膨胀是一个工质“变得更加干燥”的过程，因而工质蒸气在进入透平前不需要过热。

1.2 ORC系统的循环工质

有机朗肯循环工质的选择，需要从环境效应、热力性能、经济性等多方面综合考虑。工质的环保性能要好，应满足具有较低的臭氧破坏性（ODP）和温室效应值（GWP）。除此之外，还应满足两个主要条件。

（1）潜热小、显热大的工质，即在循环T—s图中，过程应接近表示可用能大小的三角形；（2）干工质（饱和蒸汽线的斜率dT /ds>0）或者绝热工质（dT /ds→±∞），以保证工质在膨胀终点有合适的干度。

1.3 ORC系统的循环参数

给定了热源温度、流量等条件后，确定循环系统的热力参数，主要在于确定工质的蒸发温度及冷凝温度。工质的冷凝温度一般变化不大，蒸发温度对循环影响较大：冷凝温度确定后，蒸发温度越高，工质在透平中的焓降越大，则单位流量工质的做功能力越大；但是随着蒸发温度的升高，工质从热源得到的热量减少，导致循环工质流量的减少，超过某一值将造成装置总功率的减少。因此，存在一个最佳蒸发温度，得到“提高系统蒸发温度”和“增大循环工质流量”二者的最佳分配，对应系统的最大净输出功。

2 ORC循环发电系统效率分析

确定了循环的工质以及最佳循环参数以后，可得出单位质量热流体的最大净发电量，并确定循环效率。循环效率的分析可通过两个方法进行。

（1）热力学第一定律从量的角度对热力循环系统的性能进行评价，指标为循环热效率。（2）热力学第二定律从做功能力的角度对热力循环系统的性能进行评价，不可逆损失反映了系统中各个装置由于不可逆因素而引起的作功能力损失，其总和为整个ORC循环的做功能力损失。

3 中低温热水ORC循环发电系统效率计算及分析

在建立了ORC系统热力计算模型后，利用美国的NIST实验室开发的物性软件RefProp 7.0，以Matlab软件为计算工具，分别对以R123、R134a和R245fa为循环工质、热源为80~150℃且流量为1Kg/s的热水的有机朗肯循环ORC发电系统进行计算。计算中各已知参数如下：

环境温度为20℃，蒸发器和冷凝器的最小传热温差为5℃，蒸发器效率0.98，涡轮机效率0.78、机械效率0.98、发电机效率0.92、循环泵的效率0.6、电动机效率0.88，热流体泵的效率0.7、扬程20m、对应的发电机效率0.88，冷却水泵的效率0.75、扬程20m、对应的发电机效率0.88。预取冷却水温升5℃，则冷凝温度为30℃。

图1 不同热水温度下三种工质系统的不可逆损失

图2 不同热水温度下三种工质系统的热力学第二定律热效率

本文用热力学第二定律进行效率分析，做功能力损失及㶲效率的计算如下：

工质泵：IP=mT0（S4-S3）

蒸发器：IV=mT0[S1- S4-（h1-h4）/TH]

涡轮机：IT= mT0（S2-S1）

冷凝器：IC= mT0[S3-S2-（ h3-h2）/TL]

整个系统：

热力学第二定律热效率（㶲效率）为：

首先分析计算出各个工质在不同的热流体温度下对应的最佳蒸发温度：干性工质R123和R245fa始终存在最佳蒸发温度；而湿流体R134a，在热流体温度高于115℃时，不存在最佳蒸发温度，此时，根据情况，可选取接近临界温度的某一值作为蒸发温度，本文选取98℃。

在系统中，有限温差传热、涡轮机和循环泵中都存在不可逆损失。图1是热水初温度不同时三种工质系统的不可逆损失，大小为：R134a＞R123＞R245fa。热水初温度升高，换热温差增大，循环工质流量增大，各环节的不可逆损失都增大。在以R134a为工质的系统中，当热水温度大于120℃时，出现循环工质流量的较大幅度增长，冷凝器中的损失大大增加，因而出现系统不可逆损失的大幅度增长。

热力学第二定律热效率是衡量循环过程在能量转换方面完善程度的指标，又称㶲效率。图2是热水初温度不同时三种工质系统的热力学第二定律热效率，不可逆损失越大，㶲效率越低：R245fa＞R123＞R134a。不可逆损失随着热水温度的升高而增大，但发电功率的增长幅度更大，效率仍呈增长的趋势。但在以R134a为工质的系统中，当热水温度大于120℃时，不可逆损失的大幅度增长带来的负面影响超出了发电功率的增长带来的正面影响，导致系统效率降低。

结语

有机朗肯循环在中低温热能的领域中占有优势，利用ORC循环系统时，要选用显热大的干性工质，在最佳的参数下运行，方能获得较高的效率。在本文所选用的三个工质中，干流体R245fa为较理想的循环工质。

[1]Bertrand F. Tchanche， Gr.Lambrinos， A. Frangoudakis， G.Papadakis. Low-grade heat conversion into power using organic Rankine cycles-A review of various applications[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 （2011）.

[2]刘纪福，白荣春，山本格.使用余热回收和利用技术[M].北京：机械工业出版社，1993.

[3]和婷，张光.中低温热水发电系统循环参数和工质的选择[J].节能技术，2012， 30（06）：512-515.