韓中合，許鴻勝，范偉，趙若丞，王智
（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，河北 保定 071003）
摘要
以工業(yè)低溫?zé)煔庥酂嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，選取了兩組共4種工質(zhì)，基于熱源參數(shù)分別對系統(tǒng)熱力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計算，分析不同工質(zhì)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的變化，對4種工質(zhì)的熱力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及最佳工況進(jìn)行對比分析。結(jié)果表明，同組工質(zhì)的凈功量和熱耗率變化相似且數(shù)值接近，但電力生產(chǎn)成本和投資回收期差別較大。同一工質(zhì)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異，在本文條件下，工質(zhì)最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度高于最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度約8～10℃。R600a為所選4種工質(zhì)中兼顧經(jīng)濟(jì)性與熱經(jīng)濟(jì)性的最佳工質(zhì)，采用R236ea的系統(tǒng)熱力性能好于R600，而采用R600的系統(tǒng)電力生產(chǎn)成本始終低于R236ea，R600相比于R236ea具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。
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我國工業(yè)余熱資源豐富，回收利用低溫余熱具有巨大的發(fā)展空間，已成為推進(jìn)我國節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容。有機(jī)朗肯循環(huán)（organic rankine cycle，簡稱ORC）技術(shù)能夠直接利用低沸點有機(jī)工質(zhì)吸收低品位熱能進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換，且具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)效率高、環(huán)境友好和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點。因此，利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)回收低溫余熱已經(jīng)成為目前研究的熱點。
當(dāng)前關(guān)于ORC的研究主要圍繞系統(tǒng)熱力性能分析、工質(zhì)選擇以及參數(shù)優(yōu)化等方面展開，研究表明評價標(biāo)準(zhǔn)的選取對系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化至關(guān)重要。CHEN等從多方面對35種工質(zhì)進(jìn)行了研究，最終表明工質(zhì)的物性參數(shù)對循環(huán)性能有很大影響；MADHAWA等以系統(tǒng)總換熱面積和凈功量的比值作為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)對4種工質(zhì)進(jìn)行計算分析，結(jié)果表明工質(zhì)選擇對經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的影響非常明顯；謝攀等基于熱力學(xué)第一定律對19種工質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同熱源溫度段對應(yīng)的最佳工質(zhì)分別為R290、R600、CF_3I和R601，而R245fa和R134a在對應(yīng)溫度段的熱效率僅次于上述工質(zhì)。王志奇等以單位輸出功率所需換熱面積和熱回收率為目標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型對5種工質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計算，結(jié)果表明多目標(biāo)優(yōu)化可以協(xié)調(diào)各評價指標(biāo)的關(guān)系以滿足實際工程需求；王華榮等以工業(yè)低溫余熱回收ORC系統(tǒng)為例，分析了4種工質(zhì)的凈輸出功、循環(huán)熱效率和換熱面積，得出己烷的經(jīng)濟(jì)性較好，而R601環(huán)境性能較好；李惟毅等以?效率和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)和作為評價指標(biāo)，結(jié)果表明R113、R245ca的經(jīng)濟(jì)性能較好，R161具有較高的?效率，而從綜合評價指標(biāo)來看R161具有較優(yōu)的性能。
在保證安全可靠性的前提下，適用于有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)不僅具有良好的系統(tǒng)熱力性能，而且還需較好的經(jīng)濟(jì)性以符合工程實際。然而，在同一熱源條件下，熱力性能良好的工質(zhì)不一定具有較好的經(jīng)濟(jì)性，同一工質(zhì)的最佳熱力性能工況與最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異。本文針對以低溫?zé)煔鉃闊嵩吹腛RC系統(tǒng)，按臨界溫度選取兩組共4種工質(zhì)，基于熱源參數(shù)分別對系統(tǒng)熱力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計算，分析不同工質(zhì)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的變化，對4種工質(zhì)熱力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及最佳工況進(jìn)行對比分析，為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能優(yōu)化研究提供了參考。
1 模型和計算方法
1.1 熱力學(xué)模型
圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和循環(huán)原理圖
1.2 經(jīng)濟(jì)模型
2 計算條件及工質(zhì)選擇
表1 4種工質(zhì)的熱物性和環(huán)境特性參數(shù)
3 結(jié)果及分析
3.1 熱經(jīng)濟(jì)性分析
圖2 蒸發(fā)溫度隨吸熱量的變化
圖3 蒸發(fā)壓力隨吸熱量的變化
圖4 凈功量隨吸熱量的變化
圖5 熱耗率隨吸熱量的變化
3.2 經(jīng)濟(jì)性分析
圖6 電力生產(chǎn)成本隨吸熱量的變化
圖7 各工質(zhì)熱力系統(tǒng)的投資回收期
圖8 各設(shè)備投資成本占比
表2 各工質(zhì)系統(tǒng)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況
3.3 熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性對比分析
圖9 工質(zhì)熱力系統(tǒng)綜合對比
4 結(jié) 論
（1）同組工質(zhì)的凈功量和熱耗率變化相似且數(shù)值接近，但電力生產(chǎn)成本和投資回收期的差別較大。
（2）同一工質(zhì)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異，在本文條件下，工質(zhì)最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度高于最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度8～10℃左右。
（3）R600a為所選4種工質(zhì)中兼顧經(jīng)濟(jì)性與熱經(jīng)濟(jì)性的最佳工質(zhì)，采用R236ea的系統(tǒng)熱力性能好于R600，而采用R600的系統(tǒng)電力生產(chǎn)成本始終低于R236ea，相對于R236ea，R600具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。
DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2287
文章來源：《化工進(jìn)展》2017年第36卷第11期：4010-4016
