有机朗肯循环系统研究综述

总结。

1 关于ORC系统的研究进展

1.1 关于有机工质筛选的研究进展

有机工质筛选的评判标准围绕安全环保性、热力学性能与经济性三个方面，不同类型和温度的热源所适用的工质也不同，如表1所示。

图1 ORC系统原理图

Fig.1 Principle of ORC system

图2 ORC系统温熵图

Fig.2 T-s diagram of ORC system

表1 不同类型、热源温度推荐工质

Tab.1 Recommended refrigerants for heat source of different types and temperatures

许多学者利用各类软件设计了关于有机工质筛选的计算程序。许俊俊等[10]利用MATLAB基于多级非结构性模糊决策分析方法建立了ORC系统工质优选体系，计算不同工质条件下的循环性能参数，依据上述三个评判标准进行优选。结果表明，在热源温度为150 ℃时，R123的综合性能指标最优。张丽娜等[11]结合REFPRO8.0工质物性数据库，利用MATLAB建立了ORC热力性能计算程序，除具有系统循环热力性能计算功能外，还具有工质筛选的作用。王华荣等[12]选用R600a，R114，R245fa和R245ca四种工质，由环境性模型、热力学模型和经济性模型组合建立ORC系统的多目标优化数学模型，利用BPGA算法得出各工质的最优蒸发温度和冷凝温度，并得出以R245fa为工质的ORC系统的综合性能最佳的结论，且在变工况条件下仍表现出了最优的综合性能。

对于中高温热源的ORC系统，有机工质的热分解性是工质筛选的主要制约因素，目前被广泛采用的工质是R245fa。戴晓业等[13]针对R245fa的热稳定性和材料相容性进行了试验研究，结果表明，R245fa的热分解温度在300～320 ℃时，金属材料对其热分解有着明显的催化作用，且在实际系统中，如果反应时间较长，则易发生积碳，影响系统运行效率。

由于R245fa的GWP指数高，梁立鹏等[9]选用更加环保的R1234yf进行了系统火用效率与火用损模拟分析。研究表明，在热源温度为110～150 ℃时，R1234yf比R245fa具有更佳的热力学性能。

1.2 关于ORC系统性能影响参数的研究进展

冷凝器、蒸发器参数是影响ORC系统性能的主要运行参数，一般存在最佳冷凝温度和蒸发温度。王华荣等[12]选取热效率、火用效率、投资回收期和年减排量为目标函数，以蒸发温度和冷凝温度为控制变量，建立了ORC系统多目标优化数学模型，取得了四种工质的最优蒸发温度和冷凝温度。

为研究冷凝温度对ORC系统性能的影响，董冰等[14]分别采用了三种冷凝器（卧式壳管式、蒸发式和风冷式），选取吐鲁番、哈尔滨和广州三个温差较大的城市天气作为气候条件，采用NIST在MATLAB界面下编程计算不同冷凝器下的冷凝温度，并给出了计算流程图。董冰等[14]以R245fa为工质，在蒸发温度为90 ℃，蒸发器出口过热度为10 ℃，地热温度为110 ℃的条件下，计算发电量、经济效益和环保效益。

结果表明：气温低、湿度小的地区ORC系统性能较好;蒸发式发电量最大、风冷式发电量最小。苗政等[15]采用EES软件计算了饱和ORC系统在使用R245fa和R601a时，输出净功随冷凝温度变化的规律，同时分析了膨胀机膨胀比、最佳进口温度和工质流量的变化情况。结果表明：当地热源温度为130 ℃，冷凝温度从30 ℃降至0 ℃时，膨胀比增大约2倍，有机工质在膨胀机进口的最佳温度升高，且波动幅度达15 ℃，工质质量流量增加超过30%，系统净输出功增长达120%。

根据工质蒸发温度和压力所在的区域，可将ORC分为跨临界循环、近临界循环和亚临界循环。王羽平等[16]选用了干性、湿性、绝热三种典型工质，建立数学模型，分析近临界循环与亚临界循环的性能差异，并从工质物性角度分析原因。结果表明：近临界循環具有良好的变工况性能，且干性工质最适用于近临界循环。薄华宇等[17]以110 ℃地热水为热源，对跨临界ORC系统的净功、效率和换热器UA值进行了模拟计算，并针对六种有机工质的循环性能进行对比，分析了蒸发压力对循环净功与效率的影响，发现存在最佳蒸发压力。但跨临界循环蒸发压力较高，蒸发器造价较贵，且透平设计难度加大。蒸发器换热效率也是ORC系统的重要性能参数之一。魏莉莉等[18]针对低温ORC系统，选取三种换热器（板式、壳管式和满液式）进行对比试验，并设计了壳管式预热器+满液式蒸发器的组合式蒸发器对其进行理论分析与试验测试，最终达到了饱和气态工质稳定产生的目的，还提高了传热系数与传热效率。

1.3 关于系统结构优化的总结

研究影响性能的参数的目的是为了能够优化系统性能，许多学者在ORC系统优化方面进行了创新。罗琪等[19]与Mago等[20]都曾提出抽汽回热能显著提升ORC系统热效率。徐荣吉等[21]通过试验得出，有回热系统能优化ORC系统热力学性能。文献[22-23]指出再热能避免乏汽湿度过高影响汽轮机运行，从而提高了ORC系统的热效率。综上所述，抽汽回热、内回热与再热均能提升ORC系统的性能。余廷芳等[24]提出了再热、抽汽回热和内回热三种方式相结合的新型ORC系统，其工作原理如图3所示。在最佳再热蒸汽压力条件下，对单一内回热、抽汽回热、抽汽内回热、再热ORC系统分别进行了热力学性能计算，得出新型ORC系统的热效率达18.86%，远高于单一ORC系统。

也有学者采用双级ORC系统来提高系统热效率。秦亚琦等[25]选取R141bR245fa，npentaneR600和isopentaneR114分别作为双级ORC系统的工质，一级采用超临界循环，二级采用亚临界循环，工

作原理如图4所示。分析表明：随着一级蒸发压力增大，工质为isopentaneR114和npentaneR600时，ORC系统效率先增大后减小，输出净功一直减小，采用R141bR245fa为工质的ORC系统的热效率保持增大趋势，各级工质质量流量变化幅度不大，系统的烟气出口温度偏高，具有进一步提高性能的潜力。崔雁清等[26]根据车用CNG发动机的余热能分布特性设计了双级ORC系统，该系统分为高温循环和低温循环，高温循环以R245fa为工质，回收CNG发动机排气部分，低温循环分别以R245fa，R1234ze和R1234yf为工质，回收进气中冷能量、高温循环冷凝过程中释放的能量和系统冷却水中的能量。结果表明：较高的蒸发压力和蒸发温度以及较低的冷凝温度可以提高ORC系统净输出功率和热效率，且采用R245fa为工质时，系统的热力学性能最优。

图3 新型ORC系统工作原理

Fig.3 Working principle of the new ORC system

图4 双级ORC系统工作原理

Fig.4 Working principle of two-stage ORC system

1.4 关于ORC系统与其他系统联合的研究进展

蒸气压缩制冷（VCR）系统与ORC系统联合运行，使得采用太阳能驱动的家用小型空调成为可能，与吸收式、蒸汽喷射式制冷相比，其COP可高达1.4，且在室外温度越高时COP越高。马国远等[27]利用软件模拟计算复合系统的COP，并通过对比得出R134a作为VCR系统工质、R1234ze作为ORC系统工质时，会获得较高的COP性能。莫东鸣等[28]耦合了跨临界ORC系统和蒸汽压缩制冷（VCR）循环，构建了由低温烟气驱动的冷电联产复合系统，可以有效地回收低温烟气余热进行发电和制冷，实现冷量和发电量的灵活配合，其系统原理图如图5所示。雷欢等[29]通过膨胀机与压缩机同轴连接，将ORC系统与VCR系统联合制冷，对比了采用Cyclohexane，D4，noctane和R141b四种工质的热力学性能，并进行了系统火用损失计算，分析了ORC系统蒸发温度、制冷剂蒸发温度、透平效率等参数对系统COP的影响，当采用Cyclohexane为工质时，COP最高，达到1.262。

图5 ORCVCR系统工作原理

Fig.5 Working principle of ORC-VCR system

ORC系统不仅能采集内燃机（ICE）的燃烧烟气废热，还能利用其机组套缸冷却水余热发电。岳晨等[30]提出了一套ICEORC系统，可利用ICE动力启动ORC系统，ORC系统稳定运行后又将动力使输给ICE，在标定负荷下，该系统热效率较ICE子系统提高了7.8%，而ORC系统投资回收期仅为9 300 h，且经济性优势随燃料的价格的提高而提高。

联合其他热源系统也是一种新的联合方式，为充分回收矿藏热采过程尾端低温蒸汽余热，杨新乐等[31]利用太阳能补充预热器中热源显热以缩小换热温差，提出了一种新型低温蒸汽太阳能双热源ORC发电系统。

1.5 关于ORC系统应用领域的研究进展

ORC系统在欧美市场已经得到了长足的发展，包括工业余热及太阳能、地热能、生物质能等新能源，装机容量最大的领域为地热，但国内市场还处于起步阶段。从装机数量上看，最多的是意大利的Turboden公司，其ORC机组主要集中在生物质及工业余热，故装机容量较小。目前，利用ORC技术回收地热能发电的最为先进的公司是美国ORMAT。

我国目前主要将ORC系统应用在水泥厂、石化厂等工业领域。李浩[32]在现有常规水泥余热发电系统基础上，增设ORC机组，经过理论计算和实际工程分析得出，当窖尾收尘器温度达到150 ℃左右时，2 500～5 000 t/d水泥生产线余热发电能力新增电量250～350 kW，并发现300 ℃以上的余热不适宜作为ORC系统热源。秦文戈[33]将两台ORC系统热水发电机组串级应用于海南炼油化工有限公司，以回收芳烃联合装置中存在的大量低温余热，采用浙江开山集团的串级有ORC系统发电站，工质采用R245fa，一年可直接节省电费1 649.5万元。

ORC技术作为一项低品位余热回收的有效途径，在内燃机余热回收领域也得到了广泛的研究。杨凯等[34]设计了一套车用柴油机余热回收系统，以R416a为工质，通过试验确定了螺杆膨胀机的最优工况点。结果表明：输出功率最大提高30.6 kW，热效率最大提高10.99%，余热回收效率最高达10.61%，有效燃油消耗率最大降低3 535 g/（kW·h）。朱轶林等[35]利用设计的ORC系统回收船舶柴油机的排气能量，研究结果表明：以R245fa为工质时，最佳蒸发温度为117 ℃，最佳冷凝温度为316 K，膨胀比为6.6，热效率可以达到12%。李金平等[36]利用GTPOWER对某国产30 kW沼气发电机组发动机建立模型，利用ASPEN PLUS建立利用燃烧烟气和机组套缸冷却水余热的ORC系统模型，分析了过量空气系数对发动机性能、烟气余热利用、ICEORC联合循环系统的影响。结果表明：应根据沼气甲烷含量适当地增加过量空气系数。

2 尚待解决的问题

目前，我国的经济结构正面临着调整且能源需求量大，ORC系统作为一个热力发电系统，在低温余热回收发电方面具有较明显的优势，但是却没有得到大规模的推广和应用，要想改变这样的现状，推进ORC系统的使用和发展，就要解决以下几个正在面临的问题：

（1） 研究理论与实际脱节，企业对科研机构的研究反应迟钝。现有文献大多是通过理论模拟分析，缺乏试验研究，忽视实际应用中的问题。应加强各企业与科研机构的合作，共同解决工程运用中的关键问题，如密封系统测试、控制系统测试、高速轴承耗损测试等。

（2） 缺乏行业标准与政策支持。国内检测及行业标准规范缺乏，余热定义统计标准不同，行业配套及数据不完善。ORC技术仍需要国家政策的支持，并将产业补贴落到实处。

（3） 产品经济性不突出。组件大多依靠进口，效益不抵成本，回收期达两三年以上。換热器、膨胀机、泵的效率不尽人意，冷却水功耗问题受忽视，膨胀机匹配性较差。

3 结 语

（1） 目前，学者们大多是选取两个或三个性能参数为评价标准，在一定程度上缓解了工质选择的单一性问题，但少数目标无法全面反映系统综合性能。一些学者采用多级目标，但每位学者的侧重点不同，存在主观性问题。若采用多级非结构性模糊决策分析法，可避免主观权重问题，只是计算过程比较复杂。总之，有机物的选择应在环境友好的基础上，做到与系统热源的温度、性质相匹配，从而达到提升系统热效率的目的。

（2） 目前对于ORC系统性能参数的研究主要集中在冷凝温度、蒸发温度上，且存在最佳冷凝温度和蒸发温度。提高蒸发温度可提高系统热效率，因此采用近临界循环与超临界循环，但此时透平入口出现超音速，故选择蒸发温度时要考虑工质临界温度、热源温度和系统耐压程度等因素。降低冷凝温度可提高系统热效率，但要防止冷凝压力低于大气压力，造成负压。窄点温差、透平效率等也是需要研究的重要性能参数。

（3） 提高换热器、膨胀机、泵效率，采用再热、回热、跨临界循环或双级ORC系统等方式都可优化系统性能。目前国内膨胀机的匹配性较差，大多靠进口，成本居高不下，故透平的设计与优化值得引起学者们的研究。

（4） ORC系统与其他系统（如蒸汽压缩制冷、内燃机等）的联合运行不仅是对ORC系统的一种优化，同时也是对其他系统应用的一种推进，相互克服缺陷，创造出更多的可能性。同时，与其他冷热源相联合以优化ORC系统的回收效率，可达到更好的能源利用效果。

（5） 近年来，ORC系统在低温余热回收领域的优势引起了广大学者的重视，国内众多厂家纷纷尝试，虽然ORC系统在欧美市场的应用已经趋于成熟，然而我国的研究仍偏离实际工程，离产业化较远，ORC系统应用市场仍处于待开发阶段。学者们将目光大多放在工业余热、内燃机、地热等方面，但还有大量未能合理利用的低温余热领域值得关注，例如生物质能、钢铁行业、采油、玻璃制造、金属冶炼等。

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