有机朗肯循环系统复合温差发电技术经济性研究

0 前言

有机朗肯循环是以有机物为工质的朗肯循环，适用于回收工业生产中产生的废热。自上个世纪提出以来，有机朗肯循环技术的实际推广和应用成为产学研各界的热点问题

。现阶段，基于ORC技术的余热回收系统存在转换效率不高且余热利用有限等问题。任洪波等

使用Trnsys和Aspen Plus软件构建CCHP-ORC联合循环仿真模型，用于回收联供系统产生的中低温余热进行发电。涂岱昕等

采用热力循环三维构建方法作为功冷并供系统的优化策略，分析了非共沸工质的组分特性对喷射式功冷并供系统性能的影响。荣杨一鸣等

利用MATLAB对有机朗肯-蒸汽压缩制冷耦合循环进行了热力学建模，采用萤火虫算法对主要蒸发器换热面积进行优化。王志奇等

构建ORC变工况分析模型，研究热源条件对系统变工况性能的影响规律。Mingzhang Pan

使用Matlab对有机朗肯循环和热泵循环系统组合进行多目标优化。Mohammad Aliahmadi

在Aspen plus模拟了一个小型热电联产系统，包括一个双流化床气化炉，一个mGT系统和一个有机朗肯循环(ORC)。

温差发电技术是基于塞贝克效应，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中会产生一个电势。温差发电技术具有无移动部件、稳定性高、噪声低、体积灵活变化等优点。尤运等

进行了电站锅炉受热面复合温差发电技术经济性研究。为解决ORC系统余热利用有限问题，本文以在某工业园区ORC系统为例，使用GREATLAB软件搭建仿真平台，建立有机朗肯循环复合温差发电模型，探究该模型在提高余热回收能力方面的性能。

1）中水系统缺少进水量控制调节。生活污水产生量大约22 m3/d，但却是间歇性的，一天24 h中00:00～18:00时段期间产生的污水量约0.32 m3/h，小于系统处理能力，而18:00～00:00污水产生比较集中约2.7 m3/h，大于系统处理能力，严重影响回收利用效率。

1 ORC余热回收系统

1.1 某工业园区ORC系统

某工业园区ORC余热回收系统如图1所示，由EVP1-蒸发器、EVP2-过热器、TUR-透平、CON-冷凝器以及PUMP-工质泵组成，以R245fa为工质，质量流量为66 kg/s，蒸发压力为1.8 MPa，冷凝压力为0.26 MPa，145℃、220 t/h、0.5 Mpa的循环水作为热源，透平机设计功率为2.66 MW，等熵效率为0.83，机械效率为0.98。

将式(16)代入式(17)，并令∂J(k)/∂ΔU(k)=0，可得k时刻的目标函数J(k)取最小值时的ΔU(k)(推导见附录2)，

1.2 ORC系统建模

通过GREATLAB软件对某工业园区ORC余热回收系统建立仿真模型。其中，换热器逆流布置，为单台管壳式换热器，内部结构如管束布置、制冷剂流程、尺寸结构等均按照实际系统建模；泵效率为0.85；工质冷凝器出口为饱和液体；若调整过程中模拟数据不符合实际情况，模拟结果将不收敛。随后通过已搭建好的ORC系统，对照实际运行数据进行调试，以提高系统的精确性。

投资收益率

为

其中，

η

为系统净效率；

W

为工质透平做功；

W

为工质泵耗功。

由于来自工业园区的热源温度并不稳定，在135~145℃间浮动，甚至可能达到105℃，因此对ORC与温差发电复合能源利用系统进行变工况模拟，以探究在不同温度下该复合系统的热力学性能。

1.3 精确性验证

根据蒸发器的结构特性和温差发电的性能，将温差发电的热端模块与来自工业园区的热源相接触，冷端与蒸发器外壁接触，经过技术处理便可进行温差发电。图3为温差发电与蒸发器结合示意图。在热量交换过程中，一部分热量通过温差发电模块直接转化为电能；另一部分与换热管路中有机工质发生热量交换，从而大大提高余热利用效率。蒸发器热源热力参数如表1所示。

2 有机朗肯循环复合温差发电计算

2.1 有机朗肯循环复合温差发电系统

为了验证该系统具有广泛的适用性，选取在热源温度为130℃和135℃下各5个运行工况，通过调整仿真系统中热源流量和冷源入口温度等相关参数，以热效率为对照量，将其计算值与实测值进行比较，其结果如图2所示，实测值与计算值之间的误差均在5%以内，结果表明所搭建的ORC仿真系统具有较高的精确性。

2.2 温差发电输出功率计算

温差发电片的理论最大发电效率

为

式中：

η

为卡诺循环效率，该效率取决于温差发电片两端的温差；

η

为热电材料的热点效应效率，由热电材料的热电优值

（无量纲常数）决定；

，

T

分别为温差发电片热端和冷段温度，℃。通过文献

选取合适的温差发电片，其具体性能见表2。

ORC余热回收系统中蒸发器为管式换热器，经计算得到其中可以安装温差发电片的面积为14.3 m

，结合表4计算得到整个蒸发器内需要安温差发电片为

王婷(1993-)，女，硕士研究生，主要研究方向为红外辐射在雾中的传输特性. Email: wangt6105@163.com

采集CAD图形上的点位的坐标可以使用“getpoint”命令得到一个点位的列表，分别用“car”和“cadr”取得该点位的X坐标和Y坐标。为防止点位捕捉错误，可在“对象捕捉”中使用命令(setvar "osmode" 4133)[5]设置捕捉模式为端点、圆心、交点、延伸选项。

根据文献

，将温差发电模块的实际测量值定为理论最大发电效率的60%，则所得发电效率

见表3。

投资收益率是衡量投资方案获利水平的评价指标，为投资方案达到设计生产能力后一个正常生产年份的年收益额与方案投资额的比率。已知项目总投资成本

为1 356 000元，每年新增售电收益额为596 000元，企业所得税率

为0.25，能源行业基准投资收益

取9%，设备折旧期

按10年计算，则年折旧费

为

2.3 有机朗肯循环复合温差发电系统效率

在额定工况下，ORC系统透平做功为1 640 kW，系统输入热量为13 721 kW，泵消耗功率114.58 kW，故ORC原循环效率为11.12%，ORC与温差发电复合能源利用系统效率为14.63%。

2.4 变工况条件下有机朗肯循环复合温差发电系统效率

针对基准工况的净效率

η

进行计算，得到计算值与实测值之间的误差为1.919%，结果表明该仿真系统具有一定的精确度。

如图4所示，有机朗肯循环复合温差发电的热效率整体上大于ORC系统的热效率，说明了该复合系统能够改善ORC系统余热利用率不高的问题。

3 经济性分析

3.1 成本和收益计算

为了便于计算，将蒸发器热源入口平均温度

近似为温差发电片热端温度

，冷端温度

近似为蒸发器热源出口温度

T

。则得到温差发电模块的理论最大发电效率

为

整个温差发电系统的成本为

所谓体育课堂尾声的口诀式，即我们体育教师运用形象生动、简明扼要、易懂易记的特点，结合教材与教学内容精心编制口诀让学生记忆的课堂尾声方式。如水平二的前滚翻教学时，用“一蹲二撑三低头含胸收腹身似球”来概括技术要求。这种口诀式课堂尾声针对性强，既能激发学生的学习兴趣和热情，又能促进知识、技术、技能的牢固记忆。

根据公式，计算得到复合系统每年新增售电收益

3.2 投资收益率

根据公式（6），计算得到温差发电输出功率

P

年净收益额

为

净效率计算公式

在对未来的期待中，照料者最关注的是能否给心智障碍家庭成员提供一个“合宜”的住房，这是未来安置规划中急需解决也最具挑战性的部分。Mengel等人研究发现，年长的照料者最为关注的诉求是住房选择。Weeks等人的研究也证实了居住和照顾选择的重要性。心智障碍成员不一而足的残障类型和程度、与照料者的社会关系、家庭生命周期等，这些都会影响不同家庭在未来安置规划上的差别化需求。心智障碍人士大多与照料者共同居住，一旦照料者因生病或死亡等原因无法与其共同生活时，障碍人士的居住和照料问题便成了悬而难决的头等大事。

马力在多伦多看到，一个孩子吃药，医院几个人围着转，一个多小时才吃进去。他们的理念是，药一定要让孩子自己吃。因此,几个人在那儿给孩子讲，吃了药会怎样，不吃会怎样。在多伦多的医院，专门从事人文工作的很多，除了生活专家外，还有社会工作者。这样的条件，国内医院很难具备。

经计算可得

为0.35，

大于

，故该投资项目是可行的。

1.5 统计学处理 采用SPSS 19.0 统计软件进行数据处理。服从正态分布的计量资料以表示，组间比较采用t检验；计数资料的比较采用χ2检验；等级资料采用秩和检验。检验水准(α)为0.05。

投资回收周期PZ

由于温差发电片的寿命较长，高于设备折旧期（10年），因此在该投资回收周期内可以正常运行。

4 总结

1）通过搭建ORC-TEG复合发电系统，有效提升了ORC系统在余热回收方面效率较低的问题，在热源温度为105~145℃情况下，该复合系统的热效率比原ORC系统可提升0.3%~3.5%，且蒸发器热源入口温度越高，复合系统热效率提升越大。

2）通过经济性分析，该复合系统的投资方案可行，正常运行情况下，在2.8年内可收回全部投资成本。

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