有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)選擇模擬研究

谷 菁，林 達，張海珍，阮炯明

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點實驗室，杭州 310000）

0 引言

我國擁有數(shù)量龐大的低溫余熱資源，但由于其數(shù)量不穩(wěn)定、品位低、回收困難等缺點未得到有效利用[1-2]。ORC（有機朗肯循環(huán)）發(fā)電是利用低溫余熱資源的有效途徑之一。ORC 系統(tǒng)采用低沸點、高蒸汽壓的有機工質(zhì)，通過在低溫?zé)嵩礂l件下產(chǎn)生高壓蒸汽推動膨脹機做功[3-4]，實現(xiàn)低品位熱能向電能的轉(zhuǎn)變，達到減少污染物排放、能源回收利用的效果。此外，ORC 系統(tǒng)還具有效率高、系統(tǒng)構(gòu)成簡單緊湊和運行成本低的特點，在工業(yè)余熱回收、地?zé)岚l(fā)電、太陽能發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等領(lǐng)域[5]得到廣泛應(yīng)用。

有機工質(zhì)的選擇對ORC 系統(tǒng)的熱力學(xué)性能具有重要影響，是目前ORC 研究領(lǐng)域的熱點之一。國內(nèi)外學(xué)者就工質(zhì)熱物性特點及其對熱力循環(huán)的影響進行了大量的研究。Mago 等[6]比較了R113，R245ca，R245fa，R123 和異丁烷等多種工質(zhì)在不同熱源溫度下對系統(tǒng)熱力學(xué)特性的影響，研究發(fā)現(xiàn)在熱源溫度T>430 K 時系統(tǒng)采用R113效率最高，370～430 K 時系統(tǒng)采用R123，R245fa和R245ca 效率更高，T＜370K 時，系統(tǒng)采用異丁烷時效率最高。謝攀等[7]針對85～200 ℃低溫?zé)嵩吹挠袡C朗肯循環(huán)系統(tǒng)，基于熱力學(xué)第一定律，研究R245fa，R600a，R601 等19 種工質(zhì)對系統(tǒng)熱效率的影響，結(jié)果表明：各溫度段對應(yīng)效率最優(yōu)的有機工質(zhì)分別為R290（80～90 ℃），R600（90～110 ℃，125～150 ℃），CF3I（110～125 ℃）和R601（150～200 ℃）。劉慶慶等[8]在低溫余熱熱源溫度下對R11，R123，R245fa，R600 及R600a 等工質(zhì)進行研究，發(fā)現(xiàn)R600 作為工質(zhì)最佳。目前，國內(nèi)ORC 系統(tǒng)使用較少，從不同使用環(huán)境不同溫度段的最優(yōu)工質(zhì)結(jié)論不一，研究缺乏普適性和系統(tǒng)性。

本文針對低溫余熱利用ORC 系統(tǒng)，基于熱力學(xué)第一定律和第二定律，采用MATLAB 軟件建立其計算模型，研究有機工質(zhì)對ORC 熱力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果為低溫ORC 系統(tǒng)工質(zhì)的選擇提供了理論依據(jù)。

1 模型建立

1.1 ORC 系統(tǒng)工作原理

ORC 系統(tǒng)是由蒸發(fā)器、膨脹機、冷凝器及工質(zhì)循環(huán)泵4 個基本部件組成[9]，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)的基本工作原理是：高壓有機工質(zhì)在蒸發(fā)器吸收低溫?zé)嵩礋崃孔優(yōu)檎羝M入膨脹機，在膨脹機內(nèi)絕熱膨脹做功產(chǎn)生電能，出口的低壓蒸汽進入冷凝器冷卻為液態(tài)，低壓的液態(tài)有機工質(zhì)通過工質(zhì)循環(huán)泵增壓后進入蒸發(fā)器，往復(fù)循環(huán)，實現(xiàn)低品位熱能向電能的轉(zhuǎn)變。

圖1 ORC 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

有機工質(zhì)多屬于大分子有機化合物，為了避免工質(zhì)分解以及氣相換熱造成換熱效果太差，ORC 多以亞臨界循環(huán)[9-10]為主。理想的亞臨界ORC主要包括等壓吸熱、等熵膨脹、等壓放熱和等熵壓縮4 個過程，但實際的熱力循環(huán)過程存在管路壓力損失、泵壓縮過程熵增損失等損失。系統(tǒng)熱力學(xué)過程的溫熵如圖2 所示。

圖2 ORC 系統(tǒng)溫熵

1.2 系統(tǒng)熱力學(xué)模型的建立

根據(jù)某用于低溫余熱回收的ORC 系統(tǒng)的實際工況，基于熱力學(xué)第一定律和第二定律，結(jié)合工質(zhì)狀態(tài)方程，建立系統(tǒng)熱力學(xué)模型，并根據(jù)計算結(jié)果進行性能評價。

工質(zhì)的物性參數(shù)采用MATLAB 調(diào)用REFPROP 數(shù)據(jù)庫進行計算。REFPROP 數(shù)據(jù)庫包含空氣、烷烴、氯氟烴物質(zhì)等上百種工質(zhì)及混合工質(zhì)的熱物性，并可選用數(shù)據(jù)庫中的純工質(zhì)，按照混合工質(zhì)物性理論計算新混合工質(zhì)的物性。

1.3 系統(tǒng)性能評價指標

（1）凈輸出功率W

凈輸出功率是指減去泵消耗功率后膨脹機輸出的功率，可反映系統(tǒng)的生產(chǎn)能力，計算如式（1）所示：

式中：Wt為膨脹機的輸出比功率；Wp為工質(zhì)循環(huán)泵的消耗比功率；mf為有機工質(zhì)流量。

（2）熱效率ηth

熱效率是指系統(tǒng)的有效輸出能量，即凈輸出功占有機工質(zhì)從熱源吸收的輸入熱量的比重，計算如式（2）所示：

式中：Qe為有機工質(zhì)從熱源吸收的熱量。

（3）換熱面積A

系統(tǒng)換熱面積可反映系統(tǒng)的經(jīng)濟性。換熱器是系統(tǒng)中成本最高的設(shè)備，換熱面積小有利于提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。系統(tǒng)換熱面積計算如式（3）所示：

式中：Qi為蒸發(fā)器或冷凝器的換熱量；Ki為傳熱系數(shù)，本文取定值，800 W/（m2·K）；Δti為換熱過程的平均溫差；Aevap為蒸發(fā)器的換熱面積；Acond為冷凝器的換熱面積；A 為系統(tǒng)總換熱面積。

（4）單位凈輸出功的換熱面積Anet[11]

系統(tǒng)單位凈輸出功的換熱面積同時考慮了系統(tǒng)做功能力和換熱器的經(jīng)濟因素，其計算如式（4）所示：

式中：Th為高溫?zé)嵩吹钠骄鶞囟?；Tl為低溫冷卻介質(zhì)的平均溫度；T0為環(huán)境溫度。

2 工質(zhì)選擇

2.1 工質(zhì)分類

ORC 的工質(zhì)種類繁多，按分子結(jié)構(gòu)可分為烷烴類和氟利昂類。HC（烷烴類）工質(zhì)（如戊烷、異戊烷等）的優(yōu)點是環(huán)保、成本低，缺點是易燃爆風(fēng)險、熱力學(xué)性能不及氟利昂類工質(zhì)。氟利昂類工質(zhì)根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)又可大致分為CFC（氯氟烴類）、HCFC（氫氯氟烴類）和HFC（氫氟烴類）3種。前兩類工質(zhì)對大氣環(huán)境的污染性較強。HFC 類對臭氧層零污染，但熱力學(xué)性能通常不如前兩類。HFC常見的工質(zhì)有：R134a，R152a，R227ea 等。

干濕性是有機工質(zhì)的重要特性之一。圖2 給出了干工質(zhì)（如R245fa，R600，R600a 等）的飽和蒸汽曲線。濕工質(zhì)（如水，R134a 等）是指飽和蒸汽曲線的斜率為負值的工質(zhì)。等熵工質(zhì)（如R11，R142b 等）是指飽和蒸汽曲線存在一段斜率趨近于無窮大的工質(zhì)[9]。等熵或干工質(zhì)以飽和蒸氣狀態(tài)進入膨脹機后仍是過熱狀態(tài)，不會出現(xiàn)“水沖蝕”問題，可有效提高系統(tǒng)運行的可靠性。

2.2 工質(zhì)的選取原則

對于低溫余熱利用ORC 系統(tǒng)而言，除了優(yōu)先采用等熵工質(zhì)和干工質(zhì)外，從熱力學(xué)、物理化學(xué)性質(zhì)、安全性、設(shè)備設(shè)計可行性等方面對有機工質(zhì)的選擇一般可參考以下原則[13-15]：

（1）工質(zhì)應(yīng)具備較好的熱力學(xué)性能，包括流動傳熱性能好、粘度低等。

（2）工質(zhì)應(yīng)具備合適的臨界參數(shù)、標況參數(shù)和凝固溫度等。

（3）工質(zhì)應(yīng)有合適的化學(xué)穩(wěn)定性，不易分解，不腐蝕。

（4）工質(zhì)應(yīng)低毒、無刺激、不易燃燒，同時與設(shè)備材料具有很好的兼容性。

（5）應(yīng)選取具有較低臭氧層破化潛力OPD 值和全球氣候變暖潛力GWP 值的工質(zhì)。

（6）工質(zhì)應(yīng)容易獲取，儲存和運輸方便，且價格低廉。

綜 上，本 文 選 擇R600，R601a，R245fa 和R227ea 這4 種工質(zhì)進行研究。

3 結(jié)果分析

針對低溫?zé)嵩床捎肕ATLAB 進行計算，計算條件如表1 所示。

表1 ORC 計算條件

不同工質(zhì)在ORC 系統(tǒng)中所表現(xiàn)的熱力特性不同，有機工質(zhì)的選取直接影響系統(tǒng)的熱力學(xué)性能和經(jīng)濟性，并應(yīng)滿足應(yīng)用環(huán)境的要求和部件設(shè)計能力等方面的限制條件。選取的4 種工質(zhì)物化特性如表2 所示。計算結(jié)果如圖3—9 所示。

表2 工質(zhì)物化特性[11]

圖3 凈輸出功率隨溫度變化曲線

圖4 熱效率隨溫度變化曲線

圖5 換熱面積隨溫度變化曲線

圖6 單位凈輸出功率的換熱面積隨溫度變化曲線

圖7 損失隨溫度變化曲線

圖8 效率隨溫度變化曲線

圖9 有機工質(zhì)流量隨溫度變化曲線

從圖3—4 可以看出，系統(tǒng)凈輸出功率和熱效率隨蒸發(fā)溫度的變化趨勢相同，均隨蒸發(fā)溫度的變大而變大。蒸發(fā)溫度越高，系統(tǒng)吸收的熱源熱量越大，凈輸出功率和熱效率越大。R600，R601a 和R245fa 的凈輸出功率和熱效率相近，R227ea 的凈輸出功和熱效率偏小。

從圖5—6 可以看出，系統(tǒng)換熱面積和單位凈輸出功率的換熱面積均隨蒸發(fā)溫度的增大呈先減小后增大的趨勢，存在最小值。單位凈輸出功率的換熱面積比換熱面積沿x 軸偏右。4 種有機工質(zhì)中，無論系統(tǒng)換熱面積還是單位凈輸出功的換 熱 面 積，R601a 最 ??；R600 略 小 于R245fa；R227ea 最大。

從圖9 可以看出，有機工質(zhì)流量隨蒸發(fā)溫度的增大而減小，變化幅度不大。R227ea 所需流量最大，R245fa 略小，R600 和R601a 相近最小。

考慮安全性和環(huán)境性，烴類工質(zhì)的GWP 值低，環(huán)境較為友好，但易燃易爆，需配置防爆設(shè)施，并采用高性能的透平密封技術(shù)；HFC 類工質(zhì)安全性高，但GWP 值高、溫室效應(yīng)強。

綜上，對處于防爆環(huán)境如化工、石油煉化等行業(yè)的余熱，R600 是合適的選擇，但在其余低溫?zé)嵩礂l件下，R245fa 是比較合適的工質(zhì)。

4 結(jié)語

有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)是低溫余熱利用的有效途徑。本文基于熱力學(xué)理論，利用MATLAB 軟件和REFPROP 數(shù)據(jù)庫，針對低溫余熱熱源，建立有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)計算模型，研究不同工質(zhì)對系統(tǒng)性能的影響。計算結(jié)果表明：采用R601a 的系統(tǒng)凈輸出功、熱效率和效率最大，系統(tǒng)換熱面積、單位凈輸出功的換熱面積和損失最小，且環(huán)境污染小，但烴類易燃易爆,適宜用于煉化行業(yè)等原本就處于防爆環(huán)境的工業(yè)余熱。R245fa不易燃易爆，且系統(tǒng)凈輸出功、熱效率和效率較大，系統(tǒng)換熱面積、單位凈輸出功率的換熱面積和損失較小，應(yīng)用范圍更廣，但HFC 類工質(zhì)有一定污染性且傳熱特性較差，會顯著增大換熱設(shè)備的成本，降低系統(tǒng)經(jīng)濟性。應(yīng)根據(jù)實際情況選擇適宜的有機工質(zhì)。