有机朗肯循环发电系统多目标优化及变工况下的性能分析

低温有机朗肯循环的工质选择及系统性能分析

第５５卷第４期
２０１３年８月
汽
轮
机
技
术
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ＶｏＩ．５５Ｎｏ．４
Ａｕｇ．２０１３
ＴＵＲＢＩＮＥＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
低温有机朗肯循环的工质选择及系统性能分析
韩中合，于一达，王智，杜燕
（电站设备状态监测与控制教育部重点实验室（华北电力大学），保定０７１００３）
（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ），Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，Ｒ１２３，Ｒ１４１ｂ，Ｒ２４５ｃａ，Ｒ２４５ｆａ，Ｒ６０１，Ｒ６０１ａａｒｅｃｈｏｓｅｎａｓｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇ
ｌｆｕｉｄｓｏｆｔｈｅｌｏｗ — ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｎｔｈｏｓｅ．ｗｏｒｋｉｎｇｆｌｕｉｄｓａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｂａｓｅｄｏｎｉｆｒｓｔｌａｗｏｆｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓａｎｄｓｅｃｏｎｄｌａｗｏｆｔｈｅｍｏｒｄｙｎａｍｉｃｓ．ＲｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＲ１４１ｂｉｓａｎａｖａｉｌａｂｌｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗｏｒｋｉｎｇｌｆｕｉｄｆｏｒｌｏｗ— ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅ．ＴｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｏｕｔｐｕｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｓｙｓｔｅｍｐｅｒｆｏｍａｒｎｃｅｏｆｏｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｓｙｓｔｅｍｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｎｅｔｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ，ｈｅａｔｂｓａｏｒｐｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｔｈｅｍａｒｌｅｉｃｆｉｅｎｃｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗａｓｔｅｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙ；ｏｒｇａｎｉｃｒａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅ；ｗｏｒｋｉｎｇｌｉｆｕｄ；ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓ

双流体有机朗肯循环系统热力性能分析

第４５卷第６期２０１６年６月
热力发电
ＴＨＥＲＭＡＬＰＯＷＥＲ．６Ｊｕｎｅ２０１６
双流体有机朗肯循环系统热力性能分析
廖雷，余廷芳
（南昌大学机电工程学院，江西南昌３３００３１）
ＴｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｄｕａｌｆｌｕｉｄｏｒｇａｎｉｃＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍ
ＬＩＡＯＬｅｉ．ＹＵＴｉｎｇｆａｎｇ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｃｈａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００３１，Ｃｈｉｎａ）
［关键词］双流体；有机朗肯循环；高温循环；低温循环；工质；净输出功率；热效率；烟效率［中图分类号］ＴＫ１１５［文献标识码］Ａ［文章编号］１００２—３３６４（２０１６）０６—００４６—０５［ＤＯＩ编号］１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－３３６４．２０ｌ６．０６．０４６
目前，有机朗肯循环（ＯＲＣ）已广泛应用于太阳能发电、地热能发电和工业余热利用发电等领域，０ＲＣ系统发展迅速，为我国的节能减排做出了重要
［摘要］为提高有机朗肯循环（ＯＲＣ）的净输出功率和热效率，提出了双流体有机朗肯循环系统；选择高温循环工质Ｒ２４５ｆａ分别与３种低温循环工质Ｒ１３４ａ，Ｒ１５２ａ和Ｒ２３６ｆａ进行组合；采用ＲＥＦＰＲＯＰ及ＭＡＴＬＡＢ软件进行计算，比较３种组合方式下系统的热力性能。结果表明：高、低温循环工质分别为Ｒ２４５ｆａ和Ｒ１５２ａ时，系统热力性能优于其他２种组合方案，其所对应系统的最大净输出功率、热效率、烟效率分别为３５ｋＷ，７．６７和６２．５３，高温蒸发温度为４１７Ｋ；系统净输出功率的变化幅度大于热效率和烟效率；系统净输出功率随低温蒸发温度的升高而增大；过热度对系统热力性能的影响较小，说明无需增加过热度来优化系统。

有机朗肯循环-热泵（ORC-HP）联合系统性能分析

有机朗肯循环-热泵（ORC-HP）联合系统性能分析摘要：内燃机中大部分的尾气余热没有被充分利用，内燃机的热效率还有待提高。

本文提出了一种新型余热有机朗肯循环-热泵系统（Organic Rankine Cycle-Heat Pump，简称ORC-HP），用以回收内燃机尾气余热，提升内燃机的热效率。

以该循环为研究对象，应用MATLAB、REFPROP等商用软件分析运行参数对ORC-HP循环系统、热效率、净输出功的影响。

关键词：内燃机；有机朗肯循环；热效率；净输出功1引言能源是经济和社会发展的基础。

我国进入了高质量发展阶段，需要高质量能源体系的支撑，“能源革命”新战略应运而生。

我国的能源消费结构已有了较大改善，但在某些方面存在问题，主要有能源结构不合理，能源利用率较低等[1]。

未来我国经济持续发展，一次能源生产总量还会继续增加，因此开发新能源和节能减排仍然是极其重要的工作。

由于我国人口数量较大，私家车、公共交通工具等保有量巨大，合理利用尾气余热能够降低能量浪费和改善环境质量。

目前在尾气余热利用方面国内外已取得较为成熟的技术，例如废气涡轮增压技术、涡轮发电技术、温差发电技术、改良燃料技术等[2]。

有机朗肯循环能充分利用尾气余热，发挥有机工质临界温度较低的优势，已在内燃机尾气余热利用获得较为广泛的应用。

2有机朗肯循环模型2.1 ORC-HP循环系统原理由图1可知两循环共用一个蒸发器。

内燃机排出的高温尾气将进入蒸发器有机工质1加热至过饱和状态。

该过饱和蒸汽可分为两部分，一部分进入有机朗肯循环，另一部分进入热泵循环。

对有机朗肯循环来讲，过饱和蒸汽在膨胀机做功后，乏气进入冷凝器，在ORC冷凝器中冷凝至饱和液体状态4，后进入工质泵中。

对热泵循环来讲，过饱和蒸汽进入压缩机中继续压缩，使其温度和压力进一步提高到达状态9，在热泵循环的冷凝器冷凝到饱和液体状态，后进入膨胀阀。

该系统温熵图如图2所示。

图1有机朗肯循环简图图2 ORC-HP温熵图2.2 ORC-HP热力学模型根据图2可以计算ORC-HP系统的性能参数。

分析有机朗肯循环低温余热发电系统综述

分析有机朗肯循环低温余热发电系统综述摘要：余热发电是我国节能发展中的重点节能工程之一，目前在我国工业领域中存在着大量的低温余热资源，但因缺乏一定的利用从而导致能源被分散。

而有机朗肯循环在面对低温余热发电系统时，可有效达到能源再利用、节能减排、美化环境的效果。

在低温余热发电领域中，目前可利用有机朗肯循环模式进行余热发电系统的运行。

其中有机朗肯循环包括膨胀机、冷凝器、低压储液器、工质泵、预热器、蒸发器，以及润滑系统等部分组成。

有机朗肯循环原理为：以低沸点有机物作为工作介质，经预热器、蒸发器加热，吸收了热源的能量，由液体变为高温气体。

进入膨胀机，在转子基元容积内，气体膨胀对外做功，驱动发电机旋转发电。

工质变为低压、低温的气体，再经冷凝器冷凝为液体，通过储液器进入工质泵，经过工质泵加压后，重新回到预热器和蒸发器吸热，如此往复循环。

因为是热力系统的原因，所以膨胀机的轴功率输出、冷凝器负荷、预热器蒸发器负荷会因冷热源条件的变化而变化。

关键词：有机朗肯；循环；低温余热；发电；系统引言：目前随着节能减排工作的不断深入，低温余热资源的利用成为目前节能工作的首选。

根据调查显示，我国低温余热资源非常丰富，特别是在化工、工业领域中存在大量的低温余热，可回收率达到80%以上。

因此，利用有机朗肯循环发电系统对低温余热进行回收，进而充分回收用能设备与化学反应设备中产生的未被回收的低温余热。

有机朗肯循环系统是利用低沸点工质为循环介质，其主要是利用余热、换热器、冷凝器等进行的。

在有机工质进换热器时可吸收热量，进而形成一定的压力与温度的饱和液体状态，在蒸发器再次吸收热量变成饱和气态工质推动膨胀机运行，做工后的有机乏气（工质）返回储液器循环利用，可实现回收低温余热的效果。

由此可见，有机朗肯循环低温余热发电系统在我国有着较强的应用价值。

本文主要分析有机朗肯循环低温余热发电系统的特点，并提出目前利用现状，以供参考。

1.有机朗肯循环低温余热发电系统阐述1.1有机朗肯循环低温余热发电系统的原理有机工质朗肯循环低温余热的发电原理是采用有机工质作为热力循环的工质进行的，通过有机工质对低温余热进行吸收从而产生高压蒸汽，在高压蒸汽下可推动膨胀机带动发电机进行发电[1]。

太阳能有机朗肯循环发电系统分析

太阳能有机朗肯循环发电系统分析王振;马洪芳;孟扬;马龙;孙朝栋【摘要】为高效利用太阳能,提出了太阳能平板集热器与有机朗肯循环相结合的发电系统.本文从太阳能低温发电系统的基本原理、工质选择及系统组成部分入手,分析了影响系统循环效率的因素.发现具有较大潜热与显热之比的干性或等熵有机工质适合本发电系统,并且膨胀机和冷凝器对系统循环效率影响较大.采用增加内部热交换器的再热循环、抽汽回热循环可以降低冷凝器的冷凝负荷,选择合适的再热度、抽汽量及抽汽压力可以提高系统循环效率.【期刊名称】《节能技术》【年(卷),期】2014(032)005【总页数】7页(P397-403)【关键词】太阳能;有机朗肯循环;工质;再热循环;抽汽回热【作者】王振;马洪芳;孟扬;马龙;孙朝栋【作者单位】山东建筑大学机电工程学院,山东济南 250101;山东建筑大学机电工程学院,山东济南 250101;山东建筑大学热能工程学院,山东济南250101;山东建筑大学机电工程学院,山东济南 250101;山东建筑大学机电工程学院,山东济南250101【正文语种】中文【中图分类】TM615将低品位的太阳能转化为高品质的电能是太阳能利用的优先方向。

主要手段为光伏发电和光热发电[1]。

当前光伏发电主要依靠高纯度的硅晶片，光电转化效率较低，发电成本高，影响了其大规模的普及。

与光伏发电相比，光热发电在经济性能、技术及环保等方面均有很大优势。

结合太阳能分散性强、品位低、适合得到中低温热能的特点，有机朗肯循环(organic Rankine cycle，简称 ORC)在中低温领域热力循环性能表现优越，将ORC与太阳能集热器相结合，提出太阳能低温有机朗肯循环发电系统[2]。

太阳能低温ORC发电系统采用低沸点有机工质，通过换热器间壁换热汽化，产生高温高压蒸汽，推动动力机械做功，进而带动发电机发电。

其优点是发电量可以随充入的循环工质种类和流量等进行调节，并且单机发电量小，整体设备尺寸小，结构简单，成本较低。

超临界CO_(2)-有机朗肯联合循环的多目标优化

超临界CO_(2)-有机朗肯联合循环的多目标优化
侯胜亚;杨其国
【期刊名称】《动力工程学报》
【年(卷),期】2024(44)4
【摘要】采用复合型超临界二氧化碳-有机朗肯联合循环来回收燃气轮机的余热,建立了热力学以及[火用]经济性模型,探究了关键参数对联合循环系统性能的影响规律,从热力学性能、空间紧凑性、[火用]经济性能等方面对联合循环系统进行了研究,并对联合循环进行了多目标优化。

结果表明:在最优状态下复合型超临界二氧化碳再压缩-有机朗肯联合循环的效率为54.56%,比燃-蒸联合循环提高了4.2%,其单位输出功率所需换热面积为0.1178m^(2)/kW,比燃-蒸联合循环降低了21.41%。

【总页数】7页(P658-664)
【作者】侯胜亚;杨其国
【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK221
【相关文献】
1.变透平效率有机朗肯循环工质筛选及多目标优化
2.基于超临界CO2布雷顿循环的有机朗肯联合循环特性研究
3.基于压缩机级间余热利用的有机朗肯循环发电系统综合性分析及多目标优化
4.基于平衡和非平衡权重算法的柴油机有机朗肯循环多目标优化
5.中温有机朗肯循环多目标优化及工质筛选
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有机朗肯循环的热力学分析

图 2 R245fa 为工质的 ORC 系统的温－熵图 Fig． 2 T － S Thermodynamic diagram of ORC
system for R245fa
在正常工作时，工质处于稳定流动状态，各热
力过程及能量关系如下（以单位质量工质为基准）［7］．
（ 1）等压吸热过程（ 4 － 5 － 6 － 1）．有机工质
示．工质在蒸发器中从低温热源中吸收热量产生有机蒸汽，进而推动膨胀机旋转，带动发电机发电，在膨胀机中做完功的乏气进入冷凝器中重新冷却为液体，由工质泵打入蒸发器，完成一个循环．
图 1 有机朗肯循环余热发电系统原理图 Fig． 1 Schematic diagram of ORC waste heat
的不可逆损失，需减少各热力过程的有温差传热和摩擦损耗，即选取高效传热的蒸发器和冷凝器及设计
制造适合有机工质的膨胀机；在冷凝器入口前加装回热器，可有效减少传热温差引起的不可逆损失，加
装回热器后整个系统的热效率提高了 0. 32% ．研究结果可供有机朗肯循环系统设计作参考．
关键词：热力学；余热发电；有机朗肯循环；分析
－ wP － h4
=
h1
－ h2s －（ h1 －
h4 h4
－
h3 ）
（ 5）
在实际的热力循环中，所有过程都是不可逆
的．尤其是有机蒸汽在膨胀机内的膨胀过程（ 1 －
以 R245fa 为工质回收利用 100 ℃ 左右的低
品位热源进行发电时，结合工程实际、各热力设备
的性能，选取了如下的操作参数作为计算工况：膨
有机工质在回收显热方面也有较高的效率，

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）
— 38 — ENEＲGY CONSEＲVATION
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）
［5 － 7 ］
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