有机朗肯循环低温余热发电系统的分析与优化

有机朗肯循环低温余热发电系统的分析与优化

马新灵，魏新利，孟祥睿

（郑州大学化工与能源学院，河南郑州450001）

摘要：应用热力学第一定律和第二定律对有机朗肯循环低温余热发电系统进行了热力计算、能量分析和火用分析。

为了提高系统的性能，以R245fa为工质，针对120℃左右的热源，在给定工况下用Aspen Plus软件对系统流程进行模拟和优化。研究结果表明：降低膨胀机入口工质的过热度，提高膨胀机入口工质的压力，改进设备在膨胀机后加装回热器都能提高系统的热效率和火用效率，同时降低系统的不可逆性。

关键词：有机朗肯循环；余热回收；分析；优化

Analysis and Optimization of ORC for Low-temperature Waste Heat Power Generation Abstract:This paper presents energy analysis, thermodynamic calculation and exergy analysis for waste heat power generation system of Organic Rankine Cycle based on the first and second laws of thermodynamics. In order to improve system performance, for low-temperature waste heat of 120℃and R245fa organic working fluid, using Aspen Plus software conducted simulation, optimization and improvement. Results from these analyses show that decreasing the expander inlet temperature, increasing inlet pressure of the expander, and adding regenerative heater can increase thermal and exergy efficiencies , at the same time reduce system irreversibility. Key words: Organic Rankine Cycle, waste heat recovery ,Analysis, Optimization

1.引言

大量工业过程产生的低温余热资源不能被有效地回收利用，不仅浪费了能源，还使得热污染成为了严重的环境问题。用有机朗肯循环可以很好地解决这一问题，它可以用有机工质将低温余热回收后进行发电。

有机朗肯循环的基本原理与常规的朗肯循环类似。两者最大的区别是有机朗肯循环的工质是低沸点、高蒸汽压的有机工质，而不是水。有机朗肯循环系统由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，如图1所示。工质在蒸发器中从低温热源中吸收热量产生有机蒸气，进而推动膨胀机旋转，带动发电机发电，在膨胀机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。

主要可以用于有机朗肯循环发电的热源有工

业废热、地热能、太阳热能、生物质能等。有机朗肯循环主要的优势在于它能很好地回收低温到中温废热。一些典型的工业废热源包括：钢铁工业的高炉热温气体，燃气轮机的排气和柴油发动机的尾气，陶瓷工业窑炉排出的高温气体，造纸和纸浆工业的高温液体。这些低品位的工业废热占整个工业生产热量的50%以上[1,2]。

图1 有机朗肯循环余热发电系统原理图

Figure 1. A simple schematic of a Organic Rankine Cycle

2.热力过程和分析

本研究利用的热源是120℃左右的工业废热，根据前人的研究[3~7]使用R245fa（五氟丙烷，

CF3CH2CHF2）这种干性有机物质做工质。热力学模型的假定如下：1）稳定状态条件，2）蒸发器、冷凝器以及管道中没有压降，3）膨胀机和泵中按等熵效率。

有机朗肯循环的温熵图如图2所示的

1-2-3-4-5-6-1，由四个热力过程组成，各部件的热力过程及能量分析如下（以单位质量工质为基准）：

图2 R245fa 为工质的ORC 系统的温-熵图 Figure 2. T-s diagram of ORC for R245fa

2.1. 蒸发器中的等压吸热过程（4-5-6-1）。有

机工质在蒸发器中被余热流预热、蒸发、汽化，工质吸收的热量为：

q h h =- （1） 出的功为：

()12,12t t ideal t s t w h h w h h ηη=-==- (3)

该过程的火用损失为：

021

()t I T s s =-

（4） 2.3. 冷凝器中的等压放热过程（2-3）。由膨胀机排出的乏气进入冷凝器被循环水冷凝，工质放出的热量为：

q h h =- /kJ kg （5） 2.4. 工质泵中的压缩过程（3-4）。冷凝后的液

体工质进入储液罐，通过工质泵升压并送至蒸发器，外界对工质做的功为：

(),4343p ideal

s p p

p

w h h w h

h ηη-=

=

=- /k J k g

（7） 该过程的火用损失为：

()043

p I T s s =- （8） 2.5. 循环的热效率为：

()1

124311414

()t p s t s p

net cycle w w h h h h w q h

h h h ηηη-----===

-- （9） ()()1

1243114()11s t s p net

ex L L H H h h h h w T T q h h T T ηηη----==

⎛⎫⎛⎫--- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭

（11） 上述式中，h 1、h 2s 、h 2、h 3、h 4、h 4s 分别为各状态点的比焓值，kJ/kg ；s 1、s 2、s 3、s 4分别为各状态点的比熵值，kJ/(kg ·K)；T 0、T H 、T L 分别为环境、高温热源、低温热源的温度，K ；w t,ideal 、w p,ideal 分别是理想状态下膨胀机的输出功和泵的耗功，kJ/kg ；ηt 、

ηp 分别是膨胀机和泵的等熵效率。

3.用Aspen Plus 软件对系统进行模拟和优化

3.1用Aspen Plus 软件对系统流程进行模拟

为了找到合适的工况条件，使该ORC 余热发电系统取得较好的热效率和火用效率，使用Aspen Plus 软件对系统流程进行模拟和优化，采用PENG-ROB 物性计算方法进行模拟计算。图3为用该软件建立的实验模型， B1、B2、B4、B5分别为蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵。

图3 有机朗肯循环的Aspen Plus 流程图

Figure 3. Flow chart of ORC

为了便于分析，余热源选用120℃的导热油代

替，导热油的摩尔成分为联苯（C 12H 10）26.5%：联苯醚（C 12H 10O ）73.5%。冷凝器中的冷却介质选用环境温度下的水，入口水温为20℃；膨胀机入口压力p 1= 0.5 MPa ，出口压力p 2= 0.15MPa ；膨胀机的等熵效率ηt =0.7，泵的等熵效率ηp =0.92。蒸发器的