有机朗肯循环系统的工质选择模拟研究

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有机朗肯循环系统的工质选择模拟研究

谷菁 ，，林达 ，，张海珍 ，，阮炯明 ，

华电电力科学研究院有限公司，杭州 ；浙江省蓄能与建筑节能技术

重点实验室，杭州 

本文引文信息：谷菁林达张海珍阮炯明有机朗肯循环系统的工质选择模拟研

究浙江电力

引言

我国拥有数量庞大的低温余热资源，但由于其数量不稳定、品位低、回收困难

等缺点未得到有效利用。有机朗肯循环发电是利用低温余热资源的有

效途径之一。系统采用低沸点、高蒸汽压的有机工质，通过在低温热源条

件下产生高压蒸汽推动膨胀机做功，实现低品位热能向电能的转变，达到

减少污染物排放、能源回收利用的效果。此外，系统还具有效率高、系统

构成简单紧凑和运行成本低的特点，在工业余热回收、地热发电、太阳能发电

和生物质能发电等领域得到广泛应用。

有机工质的选择对 系统的热力学性能具有重要影响，是目前 研究领域

的热点之一。国内外学者就工质热物性特点及其对热力循环的影响进行了大量

的研究。等比较了 ，，，和异丁烷等多种工质

在不同热源温度下对系统热力学特性的影响，研究发现在热源温度 时

系统采用  效率最高， ～时系统采用 ， 和效率

更高，＜ 时，系统采用异丁烷时效率最高。谢攀等 针对 ～℃低

温热源的有机朗肯循环系统，基于热力学第一定律，研究

，，等种工质对系统热效率的影响，结果表明：各温度段

对应效率最优的有机工质分别为 ～ ℃，～℃，～

℃，!"～ ℃和～ ℃。刘庆庆等在低温余热热源温度

下对 ，，，及等工质进行研究，发现 作为工质

最佳。目前，国内 系统使用较少，从不同使用环境不同温度段的最优工质

结论不一，研究缺乏普适性和系统性。

本文针对低温余热利用 系统，基于热力学第一定律和第二定律，采用

#$#%软件建立其计算模型，研究有机工质对 热力学性能的影响。研究

结果为低温 系统工质的选择提供了理论依据。

模型建立

系统工作原理

系统是由蒸发器、膨胀机、冷凝器及工质循环泵 个基本部件组成，其

基本结构如图 所示。该系统的基本工作原理是：高压有机工质在蒸发器吸收

低温热源热量变为蒸汽进入膨胀机，在膨胀机内绝热膨胀做功产生电能，出口

的低压蒸汽进入冷凝器冷却为液态，低压的液态有机工质通过工质循环泵增压

后进入蒸发器，往复循环，实现低品位热能向电能的转变。

图系统的基本结构

有机工质多属于大分子有机化合物，为了避免工质分解以及气相换热造成换热

效果太差，多以亚临界循环为主。理想的亚临界  主要包括等压吸

热、等熵膨胀、等压放热和等熵压缩个过程，但实际的热力循环过程存在管

路压力损失、泵压缩过程熵增损失等损失。系统热力学过程的温熵如图 所示。

图系统温熵

系统热力学模型的建立

根据某用于低温余热回收的 系统的实际工况，基于热力学第一定律和第二

定律，结合工质状态方程，建立系统热力学模型，并根据计算结果进行性能评

价。

工质的物性参数采用 #$#%调用&!''数据库进行计算。&!''数据库

包含空气、烷烃、氯氟烃物质等上百种工质及混合工质的热物性，并可选用数

据库中的纯工质，按照混合工质物性理论计算新混合工质的物性。

系统性能评价指标

净输出功率 (

净输出功率是指减去泵消耗功率后膨胀机输出的功率，可反映系统的生产能力，

计算如式所示：

式中：()为膨胀机的输出比功率；(*为工质循环泵的消耗比功率；+为有机

工质流量。

热效率 ,)-

热效率是指系统的有效输出能量，即净输出功占有机工质从热源吸收的输入热

量的比重，计算如式所示：

式中：./为有机工质从热源吸收的热量。

换热面积 #

系统换热面积可反映系统的经济性。换热器是系统中成本最高的设备，换热面

积小有利于提高系统经济性。系统换热面积计算如式所示：

式中：.0为蒸发器或冷凝器的换热量；0为传热系数，本文取定值，

(1+2；34为换热过程的平均温差；#/5*为蒸发器的换热面积；#67 为

冷凝器的换热面积；#为系统总换热面积。

单位净输出功的换热面积 #6/)

系统单位净输出功的换热面积同时考虑了系统做功能力和换热器的经济因素，

其计算如式所示：

损失 "

是指在可逆过程中能量中可最大转化为有用功的部分，反映能量的质量。

损失是指由于循环各过程的不可逆性所造成的系统做功能力的减少，其计算如

式所示：

式中：-为高温热源的平均温度；8为低温冷却介质的平均温度；为环境温

度。

效率 ,9

效率指增加的收益与消耗的能源的比值，可反映整个系统过程中有效能被利

用的程度，其计算如式所示：

工质选择

工质分类

的工质种类繁多，按分子结构可分为烷烃类和氟利昂类。:烷烃类工质

如戊烷、异戊烷等的优点是环保、成本低，缺点是易燃爆风险、热力学性能不

及氟利昂类工质。氟利昂类工质根据其分子结构又可大致分为 !氯氟烃类、

:!氢氯氟烃类和:!氢氟烃类 种。前两类工质对大气环境的污染性较强。

:!类对臭氧层零污染，但热力学性能通常不如前两类。:! 常见的工质有：

，， /等。

干湿性是有机工质的重要特性之一。图   给出了干工质 如

，，等的饱和蒸汽曲线。湿工质如水，等是指饱和蒸

汽曲线的斜率为负值的工质。等熵工质如，;等是指饱和蒸汽曲线存

在一段斜率趋近于无穷大的工质。等熵或干工质以饱和蒸气状态进入膨胀机

后仍是过热状态，不会出现“水冲蚀”问题，可有效提高系统运行的可靠性。

工质的选取原则

对于低温余热利用 系统而言，除了优先采用等熵工质和干工质外，从热力

学、物理化学性质、安全性、设备设计可行性等方面对有机工质的选择一般可

参考以下原则：

工质应具备较好的热力学性能，包括流动传热性能好、粘度低等。

工质应具备合适的临界参数、标况参数和凝固温度等。

工质应有合适的化学稳定性，不易分解，不腐蚀。

工质应低毒、无刺激、不易燃烧，同时与设备材料具有很好的兼容性。

应选取具有较低臭氧层破化潜力'<值和全球气候变暖潜力=('值的工质。

工质应容易获取，储存和运输方便，且价格低廉。

综上，本文选择 ，，和 /这种工质进行研究。

结果分析

针对低温热源采用 #$#%进行计算，计算条件如表 所示。

表计算条件

不同工质在 系统中所表现的热力特性不同，有机工质的选取直接影响系统

的热力学性能和经济性，并应满足应用环境的要求和部件设计能力等方面的限

制条件。选取的种工质物化特性如表 所示。计算结果如图 >所示。

表工质物化特性

图净输出功率随温度变化曲线

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摘要：

有机朗肯循环系统的工质选择模拟研究谷菁1，2，林达1，2，张海珍1，2，阮炯明1，2(1.华电电力科学研究院有限公司，杭州310030；2.浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，杭州310000)本文引文信息：谷菁,林达,张海珍,阮炯明.有机朗肯循环系统的工质选择模拟研究[J].浙江电力,2020,39(10):86-90.0引言我国拥有数量庞大的低温余热资源，但由于其数量不稳定、品位低、回收困难等缺点未得到有效利用[1-2]。ORC(有机朗肯循环)发电是利用低温余热资源的有效途径之一。ORC系统采用低沸点、高蒸汽压的有机工质，通过在低温热源条件下产生高压蒸汽推动膨胀机做功[3-4]，实现低品位...

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