有机朗肯循环低温余热回收系统的工质选择

韩中合，杜燕，王智

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003）

有机朗肯循环低温余热回收系统的工质选择

韩中合，杜燕，王智

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003）

目前对有机朗肯循环的研究主要集中在工质的热力学特性方面，但尚不全面，普遍使用的热力循环性能的评价方法（窄点分析法）也存在不同工质评价标准不一的问题。为解决这两个问题，本文从环保、安全和稳定性方面对工质进行预选，得到R600、R245fa、2,2-二甲基丙烷、R123和苯等14种有机工质，而后从热力学特性和经济性两方面对初选工质进行优选，通过Matlab和Refprop模拟优化得出适合此系统的最佳工质。其中，以单位功量UA和单位功量质量流量为性能指标，统一了工质评价标准。结果表明:大部分烷类工质的热效率和压比相对其他类工质较高，而所需质量流量远小于其他类工质，且烷类工质环己烷以其较高的热效率、较低的单位功量质量流量和UA等特性，被认为是低温余热回收系统中较理想的循环工质。

；有机朗肯循环；烟气余热；有机工质；热效率；模拟；优化

全球的余热资源很丰富，尤其是低品位能源，其在工业领域余热资源中所占比例近50%[1]，回收此部分能量可有效提高能源利用率，缓解日趋紧张的能源短缺问题，有机朗肯循环（ORC）是回收此能量最有前景的技术之一[2]。

近年来，ORC技术的研究受到越来越多的关注，其中工质遴选是研究的主要内容之一[3-7]。从研究现状来看，工质选取仍存在以下两方面问题：首先，大部分文献只考虑了工质的热力学特性，而对其环保、安全、稳定和经济性方面的研究较少；其次，多数文献均以窄点分析法作为研究方法[8-10]，此方法虽可有效避免窄点处温差出现负值，但其模拟得出的烟气出口温度相异，各工质的评价标准不一，工质可比性较弱。

针对以上两个问题，本文以锅炉排烟为余热资源，分别从工质物性、环保性、安全性、热力学特性及经济性5个方面对系统进行研究，同时为避免窄点温差法评价标准不一的缺陷，选取单位功量UA和单位功量质量流量为系统性能评价指标，最终对低温余热回收系统的工质选取提出建议。

1 循环工质初选

ORC工质的初选，一般从工质热力循环特性、环保性和安全性几方面考虑。

根据工质在T-S图中饱和气化线的形状，依照dT/dS值工质分为三类：干流体（dT/dS>0）、湿流体（dT/dS<0）和等熵流体（dT/dS→±∞）[11]。湿工质在膨胀机出口处的蒸汽含有部分液滴，这些液滴会对膨胀机叶片造成损害，并影响膨胀机的相对内效率，一般要求膨胀机出口的干度要大于0.85。为满足最小干度要求，采用湿工质膨胀机需设过热器[12]。等熵工质和干工质在膨胀机出口仍是过热或饱和蒸汽，工质是否过热对循环性能影响不大，而过热会增加系统的复杂性，故一般不安装过热器。结合安全可靠经济性全方面考虑，ORC余热回收系统以不设过热器为益，故一般都采用等熵工质和干工质[13]。

在环保性方面，大多数工质对臭氧层均有不同程度的破坏能力，甚至会造成温室效应的加剧，故根据环保性能的评价指标，即臭氧耗损潜值（ODP）和全球变暖潜值（GWP）来筛选工质。对于CFC类工质，已处淘汰阶段，本文不予考虑。HCFC类工质属逐渐淘汰产品，但在未来20年内仍会使用，故本文认为有必要将它们考虑进来。而HFC、HC 和FC类碳氢化合物及其卤代烃可作为候选工质，因其对臭氧层几乎无破坏能力，且温室效应低[14]。

在安全性方面，ASHRAE的制冷剂安全分类清晰地表明了工质的危险程度。抗腐蚀、不易燃及低毒性的工质对有机朗肯循环而言最为适宜。

综合考虑以上三方面，对工质进行预选，得出以下14种工质作为ORC余热系统的候选工质，其物性参数见表1。工质的物性参数来自美国NIST （National Institute of Standards and Technology）实验室所开发的Refprop。

2 ORC系统模型

2.1 ORC物理模型

表1 几种工质的热物性和环境特性参数

为简化系统，假定系统处于稳定流动状态，烟气冷却器、膨胀机、回热器、冷凝器和管道的压力损失均忽略不计，系统与外界无散热。但应注意，如工质过干，汽轮机排汽过热太大，会产生能量浪费，并增大冷凝器负荷，故在ORC模型中增加回热器以回收此部分热量。系统循环过程如下：经回热器预热后的工质（点7）进入烟气冷却器，在烟气冷却器中被加热成饱和蒸汽态（点1）进入膨胀机膨胀做功，做功后的工质（点2）在回热器放热后，进入冷凝器继续冷凝，冷却后的饱和液态工质经泵升压后，重回入回热器吸热后进入烟气冷却器，完成一个封闭的有机朗肯循环。有机朗肯循环的原理和流程如图1。

（1）流程1-2：绝热膨胀过程，工质在透平中膨胀做功。

（2）流程2-3：膨胀机排汽在回热器中对泵出口的工质进行预热过程。

（3）流程3-5：定压冷却，工质在冷凝器中凝结为液体。

（4）流程5-6：绝热加压，泵对工质加压。

（5）流程6-7：泵出口工质在回热器中吸收汽轮机排汽热量。

图1 有机朗肯循环原理和结构图

（6）流程7-1：定压加热，工质在蒸发器中吸热，生成高温高压的饱和蒸汽。

2.2 ORC数学模型[式（1）～式（15）]

（1）烟气冷却器数学模型

烟气冷却器的不可逆损失

循环吸热量

（2）膨胀机数学模型

膨胀机净功量

膨胀机的不可逆损失

（3）回热器数学模型

回热器的不可逆损失

（4）冷凝器数学模型

冷凝器不可逆损失

（5）泵数学模型

泵的耗功

泵的不可逆损失

系统热效率

（6）有限尺寸模型

本文采用有限尺寸法[15]，对烟气冷却器、回热器和冷凝器的传热系数和传热面积之积（UA）进行计算。其中，烟气冷却器划分为预热段和蒸发段，冷凝器划分为过热段和冷凝段，每段按焓值等分为20份，每份焓值为Δh。计算公式如式（16）～式（19）。

3 ORC余热系统计算结果及分析

本文采用窄点温差法，选取单位质量流量烟气，通过matlab和NIST的Refprop对系统进行编程计算。表2为ORC余热系统的计算条件。

表2 ORC计算参数设定值

3.1 热力学性能

图2给出了循环热效率随蒸发温度的变化趋势，由图2可知，大部分工质的循环热效率均随蒸发温度的升高而增大。以benzene为例，蒸发温度为343.15K时，热效率为7.67%；蒸发温度为423.15K时，热效率升高到18.76%。这是因为，随蒸发温度升高，单位工质的净功量和吸热量均随蒸发温度的升高而增大，当净功量的增大份额大于吸热量的增大份额时，热效率增大。而工质R245fa 和R600的热效率随蒸发温度的升高先增大再降低，蒸发温度小于413.15K时，效率增大原因与其他工质效率增大原因一致，但当蒸发温度在413.15～418.15K时，R600和R245fa的单位工质净功量增大，吸热量减小，热效率升高。在蒸发温度大于418.15K时，热效率降低，此时，单位工质的净功量和吸热量均减小，当净功量的减小份额大于吸热量的减小份额时，系统热效率降低。由图2可知，环己烷的热效率最高，R245fa的热效率最低。

图2 循环热效率随蒸发温度变化

图3 膨胀比随蒸发温度的变化

膨胀比是评价系统做功能力的重要指标之一，膨胀比越大，单位质量流量工质的做功量越大。但其不可过大，膨胀比过大会导致出口气体的比容增大，质量流量减小，从而使汽轮机的机械能输出减小，故在选择工质时，应选择具有合适膨胀比的制冷剂。图3给出了14种工质的膨胀比随蒸发温度变化情况：蒸发温度升高，膨胀比也逐渐增大，且随蒸发温度的升高增大的越来越快。如蒸发温度为343.15K时，己烷的压比为3.44；而当蒸发温度为423.15K时，压比升高到24.5。其中，大部分烷类工质的压比都较高，但也有小部分较低，如庚烷的压比最高可达37.97，而R600仅为11.19。

不可逆损失是影响系统㶲效率的本质原因，不可逆损失越大，系统㶲效率越低。图4给出了14种工质在蒸发温度为393.15K时，不同部件的不可逆损失分布情况。由图4可知，各工质烟气换热器中的不可逆损失最大，其次是膨胀机和冷凝器，泵和回热器的不可逆损失最小，基本可忽略，故要提高系统㶲效率，可着重对烟气换热器和膨胀机结构参数进行优化。从图4中可看出，R600和R245fa的各部件不可逆损失最高，但各部件最小不可逆损失所对应的工质却不相同，在烟气换热器、膨胀机和泵中庚烷最小，回热器和冷凝器中苯最小。

图5给出了R600各部件不可逆损失随蒸发温度的变化趋势。由图5可得，烟气换热器的不可逆损失最大，且随蒸发温度升高而急剧降低，因随蒸发温度升高，热源和工质之间传热温差减小，不可逆损失降低，同时系统换热量也减小，不可逆损失更低。由图5可知，随蒸发温度升高，烟气换热器的不可逆损失降低幅度越来越缓；膨胀机和冷凝器的不可逆损失相近，但随蒸发温度增大，膨胀机的不可逆损失先升高后降低；冷凝器则单调减少，泵和回热器的不可逆损失最低，且基本不变，可忽略不计。

3.2 经济性

循环工质质量流量是表征系统经济性的指标之一，循环工质的单位功量质量流量越小，其做功能力越好，所需流通面积越小，成本也越低，故循环工质的质量流量也是需考虑的重要因素之一。图6给出了各工质在不同蒸发温度下的单位功量质量流量，由图6可知：R600和R245fa的单位功量质量流量随蒸发温度升高先降低，并在蒸发温度413.15K后又略有升高，其余工质则随蒸发温度升高而降低。由图可知，各工质在整个计算区域内排序基本不变，R123单位功量所需质量流量最大，苯最小，且随蒸发温度升高，各工质单位功量的质量流量差减小。如在蒸发温度为343.15K时，R123与苯质量流量差为0.04423kg/s，在蒸发温度为418.15K时，两工质差降为0.01811kg/s；相对减小了59.05%。其中，HFC和HCFC类有机工质单位功量所需质量流量最高，烷类工质最低。

图5 各部件不可逆损失随蒸发温度变化

图6 循环工质质量流量随蒸发温度变化

UA是指传热系数和传热面积之积，当换热器型号给定时，传热系数也随之确定，UA越大，则所需的传热面积也越大，成本越高。故UA值是衡量系统经济性的一个重要指标。图7给出了14种工质单位净功量的UA值随蒸发温度变化情况，由图7可知，随蒸发温度升高，各工质的UA值先减小再增大。以R600为例，当蒸发温度为343.15K时，UA值为2407.5W/K；当蒸发温度为413.15K时，UA降为1164.97W/K；当蒸发温度为423.15K时，UA又升高到1220.4W/K。且在整个计算范围内，各工质单位功量UA值均相差不大，并随蒸发温度升高，UA值越来越接近。

图7UA随蒸发温度变化

3.3 优化结果

图8采用完全归纳法，以不同的性能指标为目标对系统进行优化，分别得出各工质的热效率、质量流量和UA的最佳值。由图8可知，不同的优化目标对应的最佳工质不同，如以热效率为优化目标，最佳工质为环己烷，其值18.87%；以质量流量为目标，最优工质为苯，其最小值0.00993kg/s；而以单位功量UA为目标时，最优工质为庚烷。对余热回收系统而言，其做功能力是研究中的重点，故本文以系统热效率和单位功量质量流量为重点考察目标，UA为辅助指标，有较高热效率和较低质量流量的工质即为最佳工质，同时还需保证相对较低的UA值。表3为三类制冷剂中性能较优工质，在最佳工况下对应的热力学性能值。由表可知，烷类工质环己烷的热效率最高，单位功量UA最低，质量流量也较低，性能最优；HFC类工质R245fa的热效率最低，单位功量UA最高，质量流量最大，性能最差；而HCFC类工质R141b的性能参数值介于两者之间。

4 结 论

本文以R600、2,2-二甲基丙烷、R123和R245fa 等14种工质为研究对象，采用Matlab和Refprop软件编程计算，对其在亚临界有机朗肯循环系统中的性能进行分析，得出如下结论。

（1）在热力学特性方面，各工质的热效率和压比均随蒸发温度的升高而增大，且大部分烷类工质的热效率和压比相对其他类工质较高；在同一工况下，各工质的烟气冷却器中㶲损最大，膨胀机和冷凝器次之，泵最小。

（2）在经济性方面，各工质的单位功量UA随蒸发温度增大先升高后降低，存在最佳蒸发温度；工质单位功量质量流量则随蒸发温度升高而降低，且烷类工质所需质量流量远小于HFC和HCFC类工质。

（3）由系统优化结果可知，烷类工质的热力学特性及经济性均优于HFC和HCFC类工质，且烷类工质环己烷以其较高的热效率、较低的单位功量质量流量和UA等特性，被认为是低温余热回收系统中较理想的循环工质。其次，苯也具有相对良好的性能。

图8 工质的性能最佳值

表3 工质的性能指标

符 号 说 明

Ei——对应点处㶲值，kJ/kg

IW——膨胀机的不可逆损失，kW

Il——冷凝器的不可逆损失，kW

Ih——回热器的不可逆损失，kW

IP——膨胀机的不可逆损失，kW

m1、m2——两种换热流量的质量流量，kg/s

mgz——循环工质流量，kg/s

myq——烟气质量流量，kg/s

ms——冷凝水流量，kg/s

Qi——换热过程各段换热量，kJ/kg

Δt——换热温差，K

(UA)i—— 第i换热段的传热系数和传热面积之积，W/K

WT——膨胀机的理论做功量，kJ

εint——换热器效能，0≤εint≤1

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Medium selection of organic Rankine cycle（ORC） in low temperature waste heat

HAN Zhonghe，DU Yan，WANG Zhi
（Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment under the Ministry of Education，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

Most studies on organic Rankine cycle (ORC) mainly focused on the thermodynamic properties of working medium. Pinch analysis method used commonly may lead to different evaluation criteria in different medium. This paper preselected fluids by their properties in the consideration of environment protection，safety and stability to solve the problems mentioned above. Fourteen types of working fluids were selected and screened by the thermodynamic and economic properties，and the optimal working fluid was obtained using Matlab and Refprop simulation. The working substance evaluation standards were unified according to the properties of unit power required for UA and mass flow rate. The results showed that most alkane substances had higher thermal efficiency，compression ratio and lower mass flow. The cyclohexane was an ideal circulating working fluid with higher thermal efficiency，lower mass flow rate and appropriate pressure ratio in the low temperature waste heat system.

exergy；organic Rankine cycle；flue gas waste heat；organic working fluid；thermal efficiency；simulation；optimization

TK 514

A

1000-6613（2014）09-2279-07

10.3969/j.issn.1000-6613.2014.09.008

2014-02-11；修改稿日期：2014-03-12。

国家自然基金项目（51306059）。

及联系人：韩中合（1964—），男，教授，博士生导师，研究方向为电厂热力设备的状态监测与故障诊断、两相流动计算与测量、叶轮机械CFD与优化设计等。E-mail zhonghehan@yahoo.com.cn。