低溫熱能有機物發(fā)電系統(tǒng)熱力研究

劉振興

摘 要：本文以有機物朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，闡述了工質的性質，主要圍繞工作壓力、飽和蒸汽密度和環(huán)保元素等方面展開論述。通過對工質熱力性質的研究，闡釋了有機物朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)地構建機制。

關鍵詞：熱能有機物；發(fā)電系統(tǒng)；工質；熱力

1 引言

ORC即有機物朗肯循環(huán)，是一種閉式朗肯循環(huán)，工質為低沸點有機物，如氟利昂等。該類低沸點有機物能在較低的溫度環(huán)境下高效地利用熱能。因此，該循環(huán)系統(tǒng)具有蒸發(fā)溫度低、熱效率高、冷凝溫度低及設備簡單等優(yōu)點，被公認為是一種高效的低溫熱能有機物發(fā)電系統(tǒng)。對于該ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)來說，工質的選擇十分重要，只有滿足了其熱力性質，才能保證系統(tǒng)良好地運行。此外，在構建ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的過程中，要科學地處理和計算各個參數(shù)。

2 ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)有機物工質分析

2.1 有機物工質性質分析

有機物工質是一種節(jié)能型、高效型的媒介，具有鮮明的壓力特征和屬性特點。特別是壓力承受度，其作為主要的壓力特征，是判斷工質指標的重要依據(jù)。

（1）壓力特征，特別是工質的選擇?？茖W的工質是ORC循環(huán)系統(tǒng)良好運行的基礎。因此，必須重視工質的選擇，在選擇工質之前，要對備選工質的壓力承受度進行準確的評估。由于ORC循環(huán)系統(tǒng)是一種低溫型的熱能有機物發(fā)電系統(tǒng)，在選取100℃以下的熱能時，水不適合作為工質，會造成發(fā)電系統(tǒng)處于負壓狀態(tài)。若用水作為工質，發(fā)電系統(tǒng)需要有更高的密封工藝。因此，無論是從熱能率上，還是從發(fā)電系統(tǒng)的工藝要求方面，選用水作為工質是不科學的。發(fā)電系統(tǒng)的有機工質的選擇要以系統(tǒng)功率為基礎。如果工質的工作壓力超過發(fā)電系統(tǒng)的功率需求，就會降低系統(tǒng)的熱能利用率，增加系統(tǒng)管道壁的厚度，從而增加系統(tǒng)的成本造價，也使得管道的熱能損耗大大增加。這與ORC循環(huán)系統(tǒng)的高效性原則相違背。同時，當工質的工作壓力過高時，就會造成發(fā)電系統(tǒng)的很多設備處于超負荷的工作狀態(tài)，例如轉換器，當其處于超負荷工作狀態(tài)時，會大大增加自損能量的消耗，從而降低系統(tǒng)地整體工作效率。因此，在構建ORC循環(huán)系統(tǒng)的過程中，要根據(jù)系統(tǒng)地設計需要，合理地選擇與工作壓力相應的工質。

（2）工質的干濕。有機工質的干濕程度，通過飽和蒸汽度表示。采用飽和蒸汽線的斜率表示工質的干濕，可以提高控制的有效性。飽和蒸汽線是指在S-T下，T隨S變化的曲線。根據(jù)曲線的變化程度，就可以直觀地表現(xiàn)出工質的干濕程度。當該曲線的曲率接近零時，表明工質為絕熱工質；當曲線的曲率低于零時，則表明工質為濕工質；反過來，曲線曲率大于零時，工質為干工質。ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)更適合采用干工質。當ORC發(fā)電系統(tǒng)熱能較小時，容易導致機輪發(fā)生膨脹，進而損害工質。此外，機輪若長期工作在濕工質環(huán)境下，會縮短使用壽命，影響系統(tǒng)正常運行。而干工質與濕工質不同，其在人能的影響下能夠有效控制膨脹范圍，避免出現(xiàn)膨脹幅度過大的現(xiàn)象，進而也避免了干工質超出過熱區(qū)的問題。將水或含氫鍵的有機物摻入干工質中，可以大大增加工質的工作壓力，從而使系統(tǒng)地功率增大。

2.2 有機物工質的環(huán)保性能

ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)作為低溫型熱能有機物發(fā)電系統(tǒng)，在性能上要注重突出高效節(jié)能的特點，尤其是環(huán)保性能。干工質在工作的過程中，會破壞臭氧層，造成溫室效應。因此，要嚴格控制工質的各項指標。與此同時，要密切關注工質的熱穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)正常運行。

3 ORC循環(huán)系統(tǒng)的構建

在構建ORC循環(huán)系統(tǒng)的過程中，首先要明確系統(tǒng)地工作原理，特別是循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)模型的構建。發(fā)電系統(tǒng)模型的構建是ORC循環(huán)系統(tǒng)的基礎。

3.1 ORC循環(huán)系統(tǒng)地熱力原理

工質是循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中熱能與機械能相互轉化的媒介，其主要在膨脹條件下通過平移做功，并在冷凝器中釋放熱能。工質的運動能力由泵提供，低溫熱能由工質吸收。在做功的過程中，工質經歷了加熱、沸騰的循環(huán)過程。由此看來，ORC循環(huán)系統(tǒng)能夠回收利用系統(tǒng)地余熱，具有高效節(jié)能的特點。

3.2 ORC循環(huán)系統(tǒng)的功率

系統(tǒng)內耗和透平做功決定ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率。工質對熱能的吸收量直接影響著系統(tǒng)地熱能轉化率。泵是系統(tǒng)內耗最大的設備，因此，在構建循環(huán)系統(tǒng)的過程中要加強對泵的控制。

3.3 相關參數(shù)的計算

重要的參數(shù)包括機輪的膨脹比值、泵的控制參數(shù)以及管道的散熱控制等。機輪的膨脹比值主要根據(jù)機輪的進出口壓力比值進行計算。通過反復實踐發(fā)現(xiàn)，當工質的蒸汽溫度應該控制在80℃左右，工質的透平工作效率應該控制在0.8左右。泵是循環(huán)系統(tǒng)內耗的主要部分，因此，其參數(shù)的控制也非常重要。泵的控制參數(shù)的計算以變頻方式為主。管道的散熱控制要根據(jù)相關參數(shù)的計算，把握好管道的厚度，從而優(yōu)化系統(tǒng)的成本控制。

4 結語

對于ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)來說，工質的性能十分重要。工質在循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中占有關鍵的地位，其實熱能和機械能相互轉化的媒介，有機物工質的性質不同會產生不同的熱能。ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)采用不同的有機物工質模式，可以使能量多級利用，能夠回收利用系統(tǒng)的余熱，具有高效節(jié)能的特點。

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