废热源驱动的有机朗肯循环系统夏冬季节性能比较

摘要：比较了废热源驱动的有机朗肯循环(ORC)系统在夏冬季节的性能变化，循环工质为HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）。在回收利用微型燃气轮机排放废热的方法中，ORC系统具有良好的机动性、高度的安全性、对于维护保养的要求比较低等优点。对于空气冷却的ORC系统，由于夏冬季节环境温度的差异，其性能有很大的差别，对于所研究的系统输出功偏离额定工况达30 % 以上。根据各地的实际情况，合理选择额定工况点，使系统四季均工作在额定工况点周围，有助于有效、稳定的工作。同时，由于夏季循环的平均温度与环境间的温差减小，使系统总不可逆损失减小，即系统对废热的利用更加充分。

1 前言

我国虽然是个能源大国，但是能源的人均占有量非常低，且能源的利用率也不高。随着经济的不断发展，能源的生产和消费、能源与环境之间的矛盾不断增大。如何提高能源的利用率，减小能源对环境的污染越来越引起社会的广泛关注。大多数工业过程或电厂排放大量的烟气，温度一般低于370℃。如果直接排放到空气中，大量的热能被浪费掉且会造成环境的热污染；如果以传统的方式加以回收，其经济效益又非常有限。

有机朗肯循环(ORC)系统具有良好的机动性、高度的安全性及对于维护保养的要求比较低等优点。将其整合到能源系统，即以烟气余热驱动有机朗肯循环发电，可以实现用低品位能源(废热)提供高品位能源(电能)，减轻电力负担，提高总的发电效率及发电量，在相同输出的条件下，减少了二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护[1]。根据需要，经过有机朗肯循环利用后的废气还可以用来驱动吸收式制冷机制冷，进一步提高系统的能源利用率。

有机朗肯循环(ORC)系统的工作状况主要取决于以下两个因素：循环工作条件及工质热力性能。循环工作条件取决于热源。工质的热力性能在选取工质时应充分考虑。根据饱和蒸汽曲线的斜率，工质可分为三种：(1)斜率为负的湿流体，大多为低分子量工质，如水、氨，它们的等熵膨胀一般会产生冷凝现象；(2)斜率为正的干流体，大多为高分子量流体，如CFC-113及苯等；(3)具有近乎垂直的饱和蒸汽曲线的等熵流体，如CFC-11、HCFC-134a等。干流体及等熵流体在饱和蒸汽状态下，即可推动涡轮机做功，且不会使得状态点落到变相饱和区内，造成液滴侵蚀涡轮机叶片的情形。一般来说，干流体适于较高的工作温度，等熵流体则在低温区中有较佳表现[2]。

据 Tzu-Chen Hung [1]报道对二甲苯（p-xylene）适合于回收温度在300 ℃左右的高温废热，而R113和R123在回收200 ℃的低温废热时有很好的性能。而据文献[3]报道，当废热的温度在150 ℃ ~ 200 ℃的范围内HFC-245fa（1,1,1,3,3-五氟丙烷）的性能比R123好。文献[3]讨论了HFC-245fa在利用分布式发电系统废热来驱动的有机朗肯循环中的应用。

HFC-245fa是Honeywell公司推出的应用于发泡工业的一种新的不易燃(non-flammable)、低压HFC制冷剂[3]。它属于等熵流体[4]，具有较高的临界温度(427.2K)。在废热回收中的操作条件下它处于中压范围[5]。

表1 HFC-245fa的相关参数

本文研究了回收温度在630 K左右的烟气废热的ORC系统夏冬季节的性能，系统采用HFC-245fa作为工质。

2 ORC系统热力分析[6、7]

(a) ORC系统流程图

(b) ORC系统温熵图

图1 ORC系统流程图和温熵图

图 1 (a) 是ORC系统流程图，包括高温废气加热的干式蒸发器，空气冷却的冷凝器，储液器，液体泵和单级蒸汽透平发电机组。循环工质R245fa在蒸发器内被高温废气加热、汽化，变成高温高压蒸汽。随后进入蒸汽透平，膨胀作功发出电力。作功后的乏气进入冷凝器冷凝成液体，然后进入储液器。自储液器流出的循环工质由液体泵加压后进入蒸发器，开始下一个循环。图1（b）给出了系统的温熵图。

3 环境温度对ORC系统性能的影响分析和讨论

本文主要考察环境温度变化时，ORC系统对外输出功、系统效率、能源利用率及系统各部件 损失的变化。所研究的ORC系统的额定功率为100 kW，废气的进口温度在610~650 K之间。工质HFC-245fa的物性参数来自美国NIST(National Institute of Standards and Technology) Laboratories 所开发的物性软件REFPROP 6.0[8]。采用Modelica/Dymola平台[9、10]，编制仿真模型。

(a) 环境温度与系统效率、输出功

(b) 环境温度与系统效率、能源利用率

图2 环境温度与系统效率、输出功、能源利用率

由图2 (a) 知，随着环境温度的提高，系统效率与系统输出功均降低，基本呈线性关系。换句话说，相对于冬季（假定室外气温在6 ℃左右），夏季系统（假定室外气温在25 ℃左右）的输出功和效率均会大大降低，比额定工况低30% 以上。近年来夏季持续高温，环境温度远远高于25 ℃，此时系统性能将大大恶化，甚至不能工作。因此，应根据所在地四季的温度，合理选择额定工况设计温度值，减少实际运行过程中系统输出功过分偏离额定工况，系统不能有效工作的情况。

由图2 (b )可见，环境温度增大时，能量利用率略有增加，约3 % 左右，而系统效率下降。结合图2 (a)，系统对外输出功也减小。对于废热回收，应根据实际需求，优先考虑系统对外输出功和系统效率。由此可见，环境温度低时，系统性能较好。

图3 环境温度与系统及部件的不可逆 损失

如图3所示，当环境温度上升时，循环平均温度与环境间温差减小，系统总不可逆 损失随之减小；而蒸发器中工质的温度和压力均上升，其不可逆 损失随之增加；冷凝器中工质的平均温度也上升，换热温差增大，不可逆 损失略有增加；透平出口压力和温度上升，即在图1 (b) 中点4a与点4s间的距离减小，不可逆 损失随之减小。

由于透平中的 损失减小大于蒸发器中的 损失增大，因此，系统总不可逆 损失随着环境温度上升而减小。

4 结论

以烟气余热驱动有机朗肯循环发电，可以实现用低品位能源(废热)提供高品位能源(电能)，减轻电力负担，减少二氧化碳等污染物的排放，有利于环境保护。根据需要，经过有机朗肯循环利用后的废气还可以用来驱动吸收式制冷机制冷，进一步提高系统的能源利用率。

（1）本文比较了废热源驱动的有机朗肯循环(ORC)系统在夏冬季节的性能变化，循环工质为HFC-245fa (1,1,1,3,3-五氟丙烷)。

（2）近年来我国各地区夏季持续高温，气温远高于25 ℃，在此种情况下，ORC系统性能将大大恶化，甚至不能工作。应根据各地的实际情况，合理选择额定工况点，使系统四季均工作在额定工况点周围，将有助于系统高效、稳定工作。

（3）由于夏季循环的平均温度与环境间的温差减小，系统总不可逆 损失随着环境温度上升而减小。