有机朗肯循环与再热式循环低温热源发电系统热力性能研究

１ ０ ７ ；４ ０ ８ １ ．中国船舶重工集 团公 司第 七。三研 究所，黑龙江
摘要 ：针对 １０℃ 以下的低温佘 热热源，探讨 了基 本有 机郎肯循环发 电系统和再 热式有机 朗肯循环发 电系统模型 的基本原理 。从热 ２ 力学第一 定律 角度出发，研究 了纯 工质 Ｒ ４ ｆ 非共沸混合工质 Ｒ １Ｒ ４ ｆ ２ ５ａ和 ２ ／ ２ ５ａ在基 本有 机郎肯循环系统 中，以及纯 工质 Ｒ２ ５ａ在 ４ｆ 再热 式有机 郎肯循环 系统 中，三种 形式的有机 郎肯循环 系统 热力性 能随蒸发温度 的变化情 况。与纯工质 基本有机 郎肯循环系统相 比，再热式有 机郎肯循环最大可提 高系统净输 出功 ７０ ％，而混合工质对提高整个 系统 热力性能具有较大的优势 ，净输 出功 和热效 ．８
Ａｂｓｒ ｃ ： Ａｎ ｌ ｚ ｄ ｔ ｅｂ ｓｃｆ ｎ ａ ｎ ａ ｒｎ ｉ ｌ ｆ ｏ ｒｇ ｎ ｒ ｔ ｎ ｓ ｓ ｅ ｍｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｂ ｓｃ ｏ ａ ｉ ｎ ｉ ｅｃ ｃ ｅａ ｄｒ ｈ ａ ｉ ｇ ｔａｔ ａ ｙ ｅ ａ ｉ ｄ ｍｅ ｔ ｌ ｉ ｃｐ ｅ ｏ ｐ ｗｅ ｅ ｅ ａ ｉ ｙ ｔｍ ｄ ｌ ｓ ｄｏ ａ ｉ ｒ ｎ ｃｒ ｋ ｎ ｙ ｌ ｎ ｅ ｔ ｈ ｕ ｐ ｏ ｂ ｇ ａ ｅ ｎ ｏ ｇ ｎ ｃ ｒ ｎ ｉ ｅ ｃ ｃ ｅ ｓ ｅ ｉｌ ｏ ｅ ｅ ａ ｕ ｅ ｌ ｗｅ ｈ ｎ １ ０ ℃ ｅ ｈ ｕ ｔｈ ａ ｏ ｒ ｅ ｒ ａ ｉ ａ ｋ ｎ ｙ ｌ ，ｅ ｐ ｃ ａ ｌ ｆ ｒ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｏ ｒｔ ａ ｙ ２ ｘ ａ ｓ ｅ ｔｓ ｕ ｃ ．Ｂａ ｅ ｎ ｆ ｓ ｌｗ ｆ ｔ ｅ ｍｏ ｙ ａ ｉｓ ｕ ｅ ｓ ｄ ｏ ｒ ｔ ａ ｏ ｒ ｄ ｎ ｍ ｃ ，ｐ ｒ ｉ ｈ ｗｏ ｋ ｎ ｕ ｄ Ｒ２ ５ ａａ ｄ ｚ ｏ ｒ ｐ ｃｍｉ ｔ ｒ ｓＲ２１Ｒ２ ５ ａ ｉ ａ ｉ ｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｅｃ ｃ ｅｓ ｓｅ ，ｐ ｒ ｒ ｉ ｇ ｆ ｉ ４ ｆ ｈ ａｉ ｇ ｏ — ｒ ｉ ｇ ｆ ｉ ４ ｆ ｎ ｅ ｔｏ ｉ ｘ ｕ ｌ ｅ ／ ４ ｆ ｂ ｓｃｏ ｇ ｎ ｃｒ ｋ ｎ ｙ ｌ ｙ ｔｍ ｎ ａ ｕｅ ｗｏ ｋ ｎ ｕ ｄ Ｒ２ ５ ａ ｉ ｒ ｅ ｔｎ ｒ ｌ ｎｅ
率最 大可提高 ４６ ％和 ２９ ％。 ．７ ．１ 关键 词 ：有机工质 朗肯循 环 ；再热式循环 ；蒸发 温度 ；非共沸混合工质 ；低 温余 热热源 中图分类号 ：Ｔ １ Ｍ６ ７ 文献标志码 ：Ａ 文章 编号 ：１ ０ －６ ９２ １）０ —０ ４０ ０ ２１ ３ （０ ２ ２０ ４ －４
童
ＤＯ ： １ ． ６ ￣ ｓｎ ０ ２１３ ． １．２ １ Ｉ ３ ９ ．ｉ ．１０ －６ ９ ０ ２０ ． ２ ０９ ｓ ２ ０
加 熟
２１ ０ ２年 第 ４ １卷 第 ２期
Ｖ Ｏ１ ４ｌ Ｎ Ｏ． ２０ｌ ． ２ ２
Ｉ ＮＤＵＳＴＲＩ ＡＬ ＥＡＴＩ Ｈ ＮＧ
有机朗肯循环与再热式循环低温热源发 电系统热力性能研究
ｇ ｎ ｃｒ ｎ ｉ ｅｃ ｃ ｅｗｅ ｅｓｕ ｉ ｄ ａ ｉ ａ ｋ ｎ ｙ ｌ ｒ ｔ ｄ ｅ ．Ｔｈ ｈ ｎ ｅ ｆｓ ｓｅ ’ ｅ ｍａ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｓ ｔ ｖ ｐ ｒ ｔ ｇ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｆ ｈ ｒ ｅｒ ｃ ｃｅ ｓ ｓｅ ｓ ｅｃ ａ ｇ ｓｏ ｙ ｔ ｍ Ｓｔ ｒ ｌ ｒｏ ｈ ｐ ｍ ｎ ｅ ｈｅ ａ ｏ ａｉ ｗｉ ｎ ｅ ｅ ａ ｕ ｏ ｔ ｅｔ ｅ ｙ ｌ ｙ ｔ ｍ ｅ ｈ ｅ
Ｌ ｎ ’ Ｚ ＡＮＧＸｉ ＡＩ ａ Ｉ ｉｏ ｕｎ，Ｚ ＮＧ Ｘｉ— ｎ ＭＡＹ ｎｘａ ｇ， ＮＧ Ｊ ｇｆ ＡＮＧ Ｄ —ｉ ｇ Ｉ ｇ， Ｈ Ｎｉ ｎ，Ｂ ｏ，Ｌ ａ － ａ ＨＡ ｎｒ ｇ， Ｈ Ｘ ｊ ａ ｕ —ｉ ＷＡ ｉ — ，Ｃ ｎ ｎ ｕ ａｑａ ｎ （．Ｓｈ ｏ ｏ ｔｌ ｒｉ ｌ ｎ ｃ ｌｇｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇ ｎｖｒｉ ｆ ｃｅｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙＢ ｉｎ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ ｈｎ ； １ ｃｏ ｌ ｆ ａｌ ｇｃ ｄ ｏｏ ｉａＥ ｇｎｅｉ ，Ｕ ｉｅｓ ｙ ｉ ｅａｄＴ ｃｎ ｌ ｅ ｉｇ ｅ ｉｇ１０ ８ ，Ｃ ｉａ Ｍｅ ｕ ａ ａ Ｅ ｎ ｔｏ Ｓ ｎ ｇ ｊ ｊ ２ ｈ ａＩｔ ａｉｎｌ ｎ ｉｅｒ ｇＣ ｎ ｕｔ ｇＣ ｒｏａ ｏ ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ８ ｈｎ ； ．Ｃ ｉ ｅ ｔ ａ ｇｎ ｅｉ ｏ ｓｌｎ ｏｐ ｒｔ ｎ ｅ ｉｇ１０ ４ ，Ｃ ｉａ ｎ ｎｒ ｏ Ｅ ｎ ｎ ｉ ｉ ｊ
由于 低温 热源 的品位和能量 密度较 低，稳 定性 较差
以 Ｒ ４ｆ ２ ５ａ为工质的 Ｏ Ｃ系统 的输 出功最大 。Ｍａｏ３ Ｒ ｇ［ ］ 等
等缺 点，没有 得到有 效地 回收利用 ，而被任意排 放 ，造
成 了能源 的浪费和环 境的污 染 。随着 世界能 源形势 的威 逼 ，针对低 温能源 的 回收 利用技术 日益成为 相关领域研 究 的热点 。有机 工质 朗肯循环 （ ｇｎｃＲ ｎ ｉ ｙ ｌ， Ｏｒａｉ ａ ｋ ｅＣ ｃ ｎ ｅ 简称 Ｏ Ｃ Ｒ ）是 以环境友 好型的有机物为工质 ，以低温热
Ｔｈ ｔ ｄ ｎ Ｔｈ ｒ ａ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｆ ｗｅ ｎ ｒ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｉ ｇ Ｏｒ ａ ｉ ｎ ｉ ｅＣｙ ｌ ｎ ｈ ａ ｎ ｃｅ Ｓ ｓ ｅ ｅＳ ｕ ｙ ｏ ｅ ｍ ｌ Ｐｅ ｆ ｒ ｎ ｅｏ Ｐｏ ｒ Ｇｅ ｅ ａ ｎ Ｓ ｓｅ Ｕｓ ｎ ｇ ｎ ｃＲａ ｋ ｎ ｃ ｅａ ｄ Ｒｅ ｅ ｔ ｇ Ｃｙ ｌ ｙ ｔ ｍ ｉ ｉ
本研 究主要 从热力学 第一 定律 出发，对三 种形式 的
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Ｖ Ｏ１ ４１ Ｎ Ｏ． ２０ｌ２ ． ２
案
扣 熟
Ｏ ＝ｍ（３ ２ ｏ ｈ 一ｈ）
４ ５
（） ２
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Ｏ Ｃ 系统在 相 同工况条件下 的循环热力性 能进行对 比研 Ｒ 究 。在 整个热力计算 过程 中不 考虑蒸发器 、冷凝器 、工 质泵和再热器 的压降 。图 １ （）和 图 １（ ）分 别为基 本 ａ ｂ Ｏ Ｃ系统和再热式 ＯＲ Ｒ Ｃ系统原理 图。
ｗｅ ｅ ｓｕ ｉ ｄ ｒ ｔ ｄ ｅ ．Ｃｏ ａ ｅ ｔ ｕ ｒ ｉ ｇ ｆ ｉ ａ ｉ ｒ ａ ｉ ａ ｋ ｎ ｙ ｌ ｙ ｔｍ ，ｔ ｅ ｓ ｓｅ ’ ｅ ｕ ｐ ｔ ｒ ｏ ｌ ｍｐ ｏ ｅ７ ０ ％ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｐ ｒ ｗｏ ｋ ｎ ｕ ｄｂ ｓ ｃｏ ｇ ｎ ｃｒ ｎ ｉ ｅ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓｅ ｈ ｅ ｌ ｈ ｙ ｔ ｍ Ｓｎ ｔ ｔ ｕ ｏ ｗｏ ｋ ｃ ｕ ｄ ｉ ｒ ｖ ． ８ ｗｉ ｈ ａ ｉ ｇ ｏ ｇ ｎ ｃ ｒ ｎ ｉ ｅ ｃ ｃ ｅ ｓ ｓｅ ｔ ｒ ｅ ｔ ｒ ａ ｉ ａ ｋ ｎ ｙ ｌ ｙ ｔ ｍ．Ｈｏ ｖ ｒ ｅ ｔｏ ｉ ｘ ｕ ｓ Ｒ２ ／ ４ ｆ ｓｓ ｐ ｒｏ ｎ ｔ ｅ ｉ ｒ ｖ ｍｅ ｔｏ ｖ ｒ ｌ ｓ ｓｅ ｈｅ ｎ ｗｅ ｅ，ｚ ｏ ｒ ｐ ｃ ｍｉ ｔ ｒ Ｒ２ ５ ａ ｉ ｕ ｅ ｉ ｒｉ ｈ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｆｏ ｅ ａ ｌ ｙ ｔ ｍ ｅ １ ｔ ｅ ａ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ，ａ ｄ ｔ ｅｎ ｔ ｕ ｐ ｔ ｒ ｎ ｅ ｍａ ｆ ｃ ｅ ｃ ｏ ｌ ｅｉ ｒ ｖ ｄ ｂ ． ７ ａ ｄ ２ ９１ ，ｒ ｓ ｅ ｔ ｅ ｙ ｈ ｒ ｌ ｒｏ ｍ ｐ ｍ ｎ ｅ ｎ ｅ ｔｕ ｈ ｏ ｗｏ ｋ ａ ｄ ｔ ｒ ｌ ｉ ｉｎ ｙ ｃ ｕ ｄ ｂ ｍｐ ｏ ｅ ｙ ４ ６ ％ ｎ ． ｈ ｅ ％ ｅ ｐ ｃｉ ｌ ． ｖ Ｋｅ ｒ ｓ ｏ ａ ｉ ｎ ｉ ｅｃ ｃｅ ｅ ｈ ａｉ ｇ ｏ ａ ｉ ａ ｋ ｎ ｙ ｌ ；ｅ ａ ｏ ａｉ ｇｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ；ｚ ｏｒ ｐ ｃｍ ｉｔ ｒ ｓ ｏ ｔｍｐ ｒ ｔ ｒ ｘ ａ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ： ｒ ｎ ｃｒ ｋ ｎ ｙ ｌ ；ｒ ｅ ｔ ｒ ｎ ｃｒ ｎ ｉ ｅｃ ｃｅ ｖ ｐ ｒ ｔ ｇ ａ ｎ ｇ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｅ ｔ ｉ ｘ ｕ ；ｌ ｗ ｏ ｅ ｅ ｅ ａｕ ｅｅ ｈ ｕ ｔ ｈ ａ ｏ ｒ ｅ ｅ ｔ ｕｃ ｓ
比较 了 Ｒ１３等 ７种有机工质在不 同热源温度下 的性 能， ２
认 为 Ｒ ２ 、 ２ ５ａ Ｒ ４ ｃ 适用于 回收 热源 温度在 １ ０ １ ３ Ｒ ４ ｆ 和 ２ ５ａ ０ １０℃的低品位热能 。Ｔ ｕＣ ｅ ｕ ｇ ］ ５ ｚ ． ｈｎＨ ｎ Ｅ通过对 多种工 ４
～
质 的热效率研究 ， 出 Ｏ Ｃ系统 的高效性是受循环 条件 指 Ｒ
３ ｅ ａｔ ｎ ｆ ｎ ｒｙａ ｄ ｓｕｓ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｐ ｋｎ ｎｖ ｒｉ ，Ｂ ｉｎ ０ ８ １ Ｃ ｉａ ．Ｄ ｐ ｒ ｍｅｔ Ｅ ｅｇ ｎ ｏ ｒｅ ｇｎ ｅｉ ， ｅ ｉｇＵ ｉｅｓｙ ｅ ｉｇ１０ ７ ， ｈｎ ； ｏ Ｒｅ Ｅ ｎ ｔ ｊ
４ Ｉｓｔｔ ｆ ｈｐ ｕｌｉｇ ｎ ｕｔ ｏ ｏａ ｏ ． ｎｔｕｅ ｉｂ ｉ ｎ ｄ ｓ ｙＣ ｒ ｒｔ ｎＮＯ． ０ ， ｅｂｎ１０ ３ ，Ｃ ｉａ ｉ ｏＳ ｄ Ｉ ｒ ｐ ｉ ７ ３ Ｈａｒｉ ０ ６ ｈｎ ） ５
内外已经有不少学者进行 了研究，Ａ ａｕ ｉＬ ｋｗＥ ｍｌ Ａｂ ａｅ ２ ｋ ｅ ｊ 指 出对于 Ｏ Ｃ 系统 工质 的选择应基于热源类型、温度水平 Ｒ 和研究 目标的考虑，指出在 热源温度为 １ ０～ ２ ０℃时， ６ ０
上述研究主要集 中于提高基本 Ｏ Ｃ 发电系统热力． Ｒ 陛 能，然而要提高 Ｏ Ｃ系统效率，并不能局限于 以纯有机物 Ｒ
和工质的热力性 能制约的，工质 Ｒｌ３和 Ｒ１３ 回收低 １ ２在 品位热能 时具有 较好的热力性能 。
能作为驱 动能源 的热力 循环 ， 由于 其发 电系统具有 回收
低温余 热量大 、设 备 紧凑 、发 电效 率高 等特 点 ，被 认为
是回收低品位热能 的有 效技术途径之一 …。 对 于 以有 机物 为工质 的 朗肯循 环的热力 学计算 ， 国
李 宁 ，张 鑫２ 皓 ，白 ，李晓娟 ，张信 荣 ，马云翔４ ，王景 富４ ，苍 大强
（．北京科技大学 １
３ ．北京大学
冶金与生态工程系，北京
１ ０ ８ ；２ ０ ０ ３ ．中国国际工程咨询公司，北京
１０ ４ ； ００８
哈尔滨 １０ ３ ） ５ ０ ６
能源与资源工程 系，北京
为工质的基本 Ｏ Ｃ系统 。因此，本研究主要从热力学 角度 Ｒ 出发，评估佘热热源温度为 １０℃时，以纯有机物 Ｒ ４ ｆ ２ ２５ａ 为工质的再热式 Ｏ Ｃ系统和以非共沸混合物 Ｒ １ ２５ａ Ｒ ２／ ４ｆ为 Ｒ
工质 的基本 Ｏ Ｃ系统 ，与 以纯有 机物 Ｒ ４ ｆ Ｒ ２ ５ａ为工质 的
基本 Ｏ Ｃ系统相 比，对 提高系统热力性 能的影响情况 。 Ｒ
收稿 日期 ：２ １－１１ ；修 回 日期 ：２ １－１２ ０ １１－５ ０ １１—３ 作 者简 介 ：李 宁 （９ ５ ） １８一 ，女 ，硕士 研 究生 ，主要 研 究方 向为 工 业 节 能与 能 源高 效 利用 ．
பைடு நூலகம்
ｌ 有机 朗肯 循环 （Ｏ ｅ 系统分析 Ｒ ）