有机朗肯循环发电系统利用的研究_刘广林

2013 年第 10 期 （ 总第 373 期）
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节
能
卡诺循环 T － S 图如图 2 所示。根据热力过程 的关系式， 在循环过程中， 有： Q 1 = T1 （ s b － s a ） Q 2 = T2 （ s c － s d ） （ 2） （ 3）
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复合系统是未来的发展趋势。 我国各大高校科研工作者近年来在有机朗肯 循环发电系统的工质选择和系统热力学方面也进 行深入的研究， 比如天津大学在双螺杆有机朗肯循 环发电系统、 中国科技大学在太统等， 但是目前我国科研工作者主要从事理论研 究， 而应用方面的成果相对较少， 这与受我国地热 资源本身限制外， 还与有机朗肯循环 （ OＲC ） 发电 应加强在系统科学问题 系统科学问题相关。因此， 方面的研究和提高系统在低品位热源发电方面的 实际应用。 3 结论 利用有机朗肯循环发电系统将各种工业余热 ， 太阳能及地热能等低品位能源转换为电能是国内 外科学研究的热点技术。 理想发电循环系统的效率与系统所处的冷热 源温度相关， 与系统工质等因素无关； 实际有机朗 肯循环发电系统性能受工质、 系统形式等影响形式
， 文献中针对不同热源论述
OＲC 系统有机工质筛选相对较多， 但主要以 3 种 优化目标为主： 以热效率或透平输出功为目标； 以 第二定律效率为目标； 以设定第一定律及第二定律 效率等多参数目标。 而有机工质的替代路线主要 有 3 种： 1 ） 不含氯离子的卤代烃碳氢化合物纯质， 如 HFC － 134a； 2 ） 自然工质， 如 NH3 和碳氢化合物；
引言 我国能源供应以化石能源为主， 按照国家《烟 ［1 ］ 气余热资源量计算方法与利用导则 》 估算， 仅我 国电站锅炉和工业锅炉排放的烟气余热量就高达 1. 8 亿吨标煤。目前， 我国仅水泥业采用以水为介 质的发电技术回收温度大于 300℃ 的烟气 余 热。 高耗能行业 （ 如玻璃、 陶瓷等 ） 大量的低品位余热 没有得到充分有效利用， 直接排向大气， 能耗高且 污染大。 欧洲是可再生能源利用的主体， 可再生能源市 场发展和产业的年平均增长速度都大于 20% ， 预 计到 2050 年可再生能源在欧洲国家的能源利用构 成比例中要达到 50% 。而我国可再生能源以直接 利用为主（ 如太阳能、 地热能等以提供热水或冬季 采暖等方式为主 ） ， 且利用受到区域、 地质及政策 等因素的制约。 有机工质的沸点相对较低， 可在低品位热源下 获得相对较高的蒸汽压力， 蒸汽进入膨胀机推动做 功， 具有对环境污染小的特点， 因此对低于 300℃ 低品位热源， 有机朗肯循环系统发电的综合效益明 。 显比普通蒸汽动力循环高 目前有机朗肯循环 （ OＲC ） 发电是低品位余热 利用的主流核心技术之一， 也是科研工作者研究的 热点， 因此大幅度地提高有机朗肯循环 （ OＲC ） 发
3 ） 用 HFC （ 含氢、 氟、 碳的不完全卤代烃 ） 或 HCFC 物质组成的混合物。 由于影响工质选择的因素较多及研究目标不 同， 对低于 300℃ 的低品位热源， 文献中根据系统 效率为优 化 目 标 优 选 出 相 对 较 好 的 有 机 工 质 为 Ｒ134a 和 Ｒ245fa。但是到目前发表的研究成果中 没有提出优选工质的准则和优选出被广泛认可的 具有优良性能的有机工质。 因此根据不同热源参 数的特性和热源的物性， 优选出合适的有机工质是 （ OＲC ） 有机朗肯循环 发电系统研究的关键之一。 在发电循环系统形式上， 主要以亚临界有机朗 超临界有机朗肯循环发电系统及 肯循环发电系统、 多级循环发电系统研究为主。 不同系统循环形式 及其相应的工质选择是研究的重点 ， 其中由于超临 界有机朗肯循环发电系统中工质在蒸发时工质无 汽液两相状态的变化， 从而减少蒸发器的不可逆损
2013 年第 10 期 节 能 ENEＲGY CONSEＲVATION （ 总第 373 期） — 39 — 较大， 但是由于影响系统因素及考虑目标参数不 同， 未能优选某一合适的工质。系统形式的研究已 从单一发电系统到耦合应用于节能行业中 。 因此针对不同热源参数特点， 优选出适应的发 电系统形式及合适工质， 为有机朗肯循环发电系统 设计和应用提供科学依据， 是保证其有效应用的前 提和关键。 参考文献
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图1
卡诺循环 P － V 图
在整个循环过程中工质从热源吸收热量 Q 1 ， 在冷源端放热 Q 2 ， 对外输出功 W 。如果用 η t 表示 系统循环热效率， 则有： η t = W / Q 1 = （ Q 1 ·Q 2 ） / Q 1 = 1 － Q 2 / Q 1 （ 1） Q 2 越小， 从式（ 1 ） 中可以看出， 若 Q 1 越大， 则 热效率 η t 越高， 这是影响热机效率中的主要因素， 它表明了热机中热量的有效利用程度 。
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有机朗肯循环发电系统利用的研究
刘广林 （ 华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室 ， 北京 102206 ）
T2 —分别为对应图 2 中 a 点 （ b 点与之相 式中： T1 、 K； 同） 及 d 点（ c 点与之相同） 温度， sa、 sb、 sc、 s d —分别对应图 2 中分 a 点、 b 点、 c kJ / （ kg· K） 。 点及 d 点的熵，
图2
卡诺循环 T － S 图
系统效率相对较高。 将有机朗肯循环 （ OＲC ） 失， 系统与其他系统耦合， 达到对热能梯级利用的目 例 如： 有 机 朗 肯 循 环 （ OＲC ） 冷 热 电 联 供 系 的， ［8 － 9 ］ ， 统 采用有机朗肯循环 （ OＲC ） 缓解碳捕获和