有机朗肯循环发电系统利用的研究_刘广林
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［4 ］
。
图1
卡诺循环 P － V 图
在整个循环过程中工质从热源吸收热量 Q 1 ， 在冷源端放热 Q 2 ， 对外输出功 W 。如果用 η t 表示 系统循环热效率， 则有： η t = W / Q 1 = （ Q 1 ·Q 2 ） / Q 1 = 1 － Q 2 / Q 1 （ 1） Q 2 越小， 从式（ 1 ） 中可以看出， 若 Q 1 越大， 则 热效率 η t 越高， 这是影响热机效率中的主要因素， 它表明了热机中热量的有效利用程度 。
［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、 中国科技大学在太阳能有机朗肯循环 利用、 北京工业大学在单螺杆有机朗肯循环发电系 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
基金项目： 中央高校资助项目（ 项目编号： 12QN20 ）
［2 － 3 ］
电系统的效率是节能减排的重要技术措施 。 1 理论分析 卡诺依据蒸汽机提出了理想动力循环 （ 见图 1） ， 即整个循环由介质在 a － b 热源端可逆定温吸 c－d 热过程， 在 b － c 膨胀端的可逆绝热膨胀过程， 冷凝端的可逆定温放热过程和 d － a 升压端的绝热 压缩过程四个部分组成
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
3 ） 用 HFC （ 含氢、 氟、 碳的不完全卤代烃 ） 或 HCFC 物质组成的混合物。 由于影响工质选择的因素较多及研究目标不 同， 对低于 300℃ 的低品位热源， 文献中根据系统 效率为优 化 目 标 优 选 出 相 对 较 好 的 有 机 工 质 为 Ｒ134a 和 Ｒ245fa。但是到目前发表的研究成果中 没有提出优选工质的准则和优选出被广泛认可的 具有优良性能的有机工质。 因此根据不同热源参 数的特性和热源的物性， 优选出合适的有机工质是 （ OＲC ） 有机朗肯循环 发电系统研究的关键之一。 在发电循环系统形式上， 主要以亚临界有机朗 超临界有机朗肯循环发电系统及 肯循环发电系统、 多级循环发电系统研究为主。 不同系统循环形式 及其相应的工质选择是研究的重点 ， 其中由于超临 界有机朗肯循环发电系统中工质在蒸发时工质无 汽液两相状态的变化， 从而减少蒸发器的不可逆损
T2 —分别为对应图 2 中 பைடு நூலகம் 点 （ b 点与之相 式中： T1 、 K； 同） 及 d 点（ c 点与之相同） 温度， sa、 sb、 sc、 s d —分别对应图 2 中分 a 点、 b 点、 c kJ / （ kg· K） 。 点及 d 点的熵，
图2
卡诺循环 T － S 图
系统效率相对较高。 将有机朗肯循环 （ OＲC ） 失， 系统与其他系统耦合， 达到对热能梯级利用的目 例 如： 有 机 朗 肯 循 环 （ OＲC ） 冷 热 电 联 供 系 的， ［8 － 9 ］ ， 统 采用有机朗肯循环 （ OＲC ） 缓解碳捕获和
［10 ］ 封存（ CCS ） 对能量利用效率的利用率 ， 太阳能 ［11 ］ 光伏与有机朗肯循环 （ OＲC ） 热系统的耦合 等
即卡诺循环热效率可表示为： η t = 1 － T2 / T1 （ 4） 由此计算得知： 假如余热或可再生热源的工质 温度在 500K （ 227℃ ） 、 低温端 （ 环境 ） 温度在 300K （ 30℃ ） 时， 循环的最大转换效率仅仅是 30% 。 2 应用分析 从第二部分分析可以看到， 对于理想发电循环 系统， 发电系统效率仅与热源、 冷源温度有关， 工质 但是实际发电系 选择等因素对系统效率影响无关 ， 统的效率与系统形式、 工质类别等因素密切相关。 有机朗肯循环（ OＲC ） 发电是低品位能源间接 利用的有效方式之一， 对低品位热源有机朗肯循环 发电系统的研究主要集中于有机工质筛选和系统 热力学分析两方面
［ 1］ GB / T17719 － 2009 ， 工业锅炉及火焰加热炉烟气余热 S］ ． 资源量计算方法与利用导则［ ［ 2］ Bahaa Saleh， Gerald Koglbaue， M artin Wendland， et al． Working fluids for low temperature organic Ｒankine cycles ［ J］ ． Energy ， 2007 ， 32 ： 1210 － 1221． ［ 3］Jian Sun， Wenhua Li． Operation optimization of an Organic Ｒankine Cycle （ OＲC ） heat recovery pow er plant ［ J］ ． Applied Thermal Engineering ， 2011 ， 31 ： 2032 － 2041． ． 北京： ［ 4］ 廉乐明， 李丽能， 吴家正， 等． 工程热力学［M］ 1999． 中国建筑工业出版社， ［ 5］ Huijuan Chen， D． Yogi Gosw ami， M uhammad M ． A supercritical Ｒankine cycle using zeotropic mixture w orking fluids for the conversion of low grade heat into pow er［ J］ ． Energy ， 2010 ， 36 ： 549 － 555． ［ 6］ Ｒayegan Ｒ， Tao YX． A procedure to select w orking fluids for solar Organic Ｒankine Cycles （ OＲC） ［J］ ． Ｒenew able Energy ， 2011 ， 36 （ 2 ） ： 659 － 670． ［ 7］ Papadopoulos AI， Stijepovic M ， Linke P． On the systematic design and selection of optimal w orking fluids for Organic Ｒankine Cycles ［J］ ． Applied Thermal Engineering ， 2010 ， 30 （ 6 － 7 ） ： 760 － 769． ［ 8］ Wang H， Peterson Ｒ， Herron T． Design study of configurations on system COP for a combined OＲC （ Organic Ｒankine Cycle） and VCC （ Vapor Compression Cycle ） ［ J］ ． Energy ， 2011 ， 36 ： 4809 － 4820． ［ 9］ Heberle F， Bruggemann D． Exergy based fluid selection for a geothermal Organic Ｒankine Cycle for combined heat and pow er generation ［J］ ． Applied Thermal Engineering ， 2010 ， 30 ： 1326 － 1332． ［ 10］ Ｒomeo LM ， Lara Y ， Gonzalez A． Ｒeducing energy penalties in carbon capture w ith Organic Ｒankine Cycles ［ J］ ． Applied Thermal Engineering ， 2011 ， 31 ： 2928 － 2935． ［ 11］Kosmadkis G ， M anolakos D ， Papadakis G． Simulation and economic analysis of a CPV / thermal system coupled w ith an Organic Ｒankine Cycle for increased pow er generation ［ J］ ． Solar Energy ， 2011 ， 85 ： 308 － 324． 作者简介： 刘广林（ 1982 － ） ， 男， 山东潍坊人， 硕士， 助理工 从事新能源利用技术的研究 。 程师， 收稿日期： 2013 － 07 － 22 ； 修回日期： 2013 － 08 － 29
2013 年第 10 期 节 能 ENEＲGY CONSEＲVATION （ 总第 373 期） — 37 —
有机朗肯循环发电系统利用的研究
刘广林 （ 华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室 ， 北京 102206 ）
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）
， 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；
2013 年第 10 期 节 能 ENEＲGY CONSEＲVATION （ 总第 373 期） — 39 — 较大， 但是由于影响系统因素及考虑目标参数不 同， 未能优选某一合适的工质。系统形式的研究已 从单一发电系统到耦合应用于节能行业中 。 因此针对不同热源参数特点， 优选出适应的发 电系统形式及合适工质， 为有机朗肯循环发电系统 设计和应用提供科学依据， 是保证其有效应用的前 提和关键。 参考文献
摘要： 理想发电循环系统仅与系统热源 、 冷源的温度相关， 而实际低品位有机朗肯循环发电系统效率 除与冷热源温度相关外， 与工质、 系统形式等因素密切相关 。但是由于受到热源参数及优化目标等因 素影响， 尚未优选出合适的工质和系统形式 。 针对不同热源参数特性， 研究相适应的系统形式及工 质， 为有机朗肯循环发电系统应用提供科学依据， 是有机朗肯循环发电系统切实可用的关键 。 关键词： 有机朗肯循环； 低品位能源； 节能 中图分类号： TM611． 3 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 7948 （ 2013 ） 10 － 0037 － 03 doi： 103969 / j． issn． 1004 － 7948． 2013． 10． 007
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图1
卡诺循环 P － V 图
在整个循环过程中工质从热源吸收热量 Q 1 ， 在冷源端放热 Q 2 ， 对外输出功 W 。如果用 η t 表示 系统循环热效率， 则有： η t = W / Q 1 = （ Q 1 ·Q 2 ） / Q 1 = 1 － Q 2 / Q 1 （ 1） Q 2 越小， 从式（ 1 ） 中可以看出， 若 Q 1 越大， 则 热效率 η t 越高， 这是影响热机效率中的主要因素， 它表明了热机中热量的有效利用程度 。
［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、 中国科技大学在太阳能有机朗肯循环 利用、 北京工业大学在单螺杆有机朗肯循环发电系 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
基金项目： 中央高校资助项目（ 项目编号： 12QN20 ）
［2 － 3 ］
电系统的效率是节能减排的重要技术措施 。 1 理论分析 卡诺依据蒸汽机提出了理想动力循环 （ 见图 1） ， 即整个循环由介质在 a － b 热源端可逆定温吸 c－d 热过程， 在 b － c 膨胀端的可逆绝热膨胀过程， 冷凝端的可逆定温放热过程和 d － a 升压端的绝热 压缩过程四个部分组成
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
3 ） 用 HFC （ 含氢、 氟、 碳的不完全卤代烃 ） 或 HCFC 物质组成的混合物。 由于影响工质选择的因素较多及研究目标不 同， 对低于 300℃ 的低品位热源， 文献中根据系统 效率为优 化 目 标 优 选 出 相 对 较 好 的 有 机 工 质 为 Ｒ134a 和 Ｒ245fa。但是到目前发表的研究成果中 没有提出优选工质的准则和优选出被广泛认可的 具有优良性能的有机工质。 因此根据不同热源参 数的特性和热源的物性， 优选出合适的有机工质是 （ OＲC ） 有机朗肯循环 发电系统研究的关键之一。 在发电循环系统形式上， 主要以亚临界有机朗 超临界有机朗肯循环发电系统及 肯循环发电系统、 多级循环发电系统研究为主。 不同系统循环形式 及其相应的工质选择是研究的重点 ， 其中由于超临 界有机朗肯循环发电系统中工质在蒸发时工质无 汽液两相状态的变化， 从而减少蒸发器的不可逆损
T2 —分别为对应图 2 中 பைடு நூலகம் 点 （ b 点与之相 式中： T1 、 K； 同） 及 d 点（ c 点与之相同） 温度， sa、 sb、 sc、 s d —分别对应图 2 中分 a 点、 b 点、 c kJ / （ kg· K） 。 点及 d 点的熵，
图2
卡诺循环 T － S 图
系统效率相对较高。 将有机朗肯循环 （ OＲC ） 失， 系统与其他系统耦合， 达到对热能梯级利用的目 例 如： 有 机 朗 肯 循 环 （ OＲC ） 冷 热 电 联 供 系 的， ［8 － 9 ］ ， 统 采用有机朗肯循环 （ OＲC ） 缓解碳捕获和
［10 ］ 封存（ CCS ） 对能量利用效率的利用率 ， 太阳能 ［11 ］ 光伏与有机朗肯循环 （ OＲC ） 热系统的耦合 等
即卡诺循环热效率可表示为： η t = 1 － T2 / T1 （ 4） 由此计算得知： 假如余热或可再生热源的工质 温度在 500K （ 227℃ ） 、 低温端 （ 环境 ） 温度在 300K （ 30℃ ） 时， 循环的最大转换效率仅仅是 30% 。 2 应用分析 从第二部分分析可以看到， 对于理想发电循环 系统， 发电系统效率仅与热源、 冷源温度有关， 工质 但是实际发电系 选择等因素对系统效率影响无关 ， 统的效率与系统形式、 工质类别等因素密切相关。 有机朗肯循环（ OＲC ） 发电是低品位能源间接 利用的有效方式之一， 对低品位热源有机朗肯循环 发电系统的研究主要集中于有机工质筛选和系统 热力学分析两方面
［ 1］ GB / T17719 － 2009 ， 工业锅炉及火焰加热炉烟气余热 S］ ． 资源量计算方法与利用导则［ ［ 2］ Bahaa Saleh， Gerald Koglbaue， M artin Wendland， et al． Working fluids for low temperature organic Ｒankine cycles ［ J］ ． Energy ， 2007 ， 32 ： 1210 － 1221． ［ 3］Jian Sun， Wenhua Li． Operation optimization of an Organic Ｒankine Cycle （ OＲC ） heat recovery pow er plant ［ J］ ． Applied Thermal Engineering ， 2011 ， 31 ： 2032 － 2041． ． 北京： ［ 4］ 廉乐明， 李丽能， 吴家正， 等． 工程热力学［M］ 1999． 中国建筑工业出版社， ［ 5］ Huijuan Chen， D． Yogi Gosw ami， M uhammad M ． A supercritical Ｒankine cycle using zeotropic mixture w orking fluids for the conversion of low grade heat into pow er［ J］ ． Energy ， 2010 ， 36 ： 549 － 555． ［ 6］ Ｒayegan Ｒ， Tao YX． A procedure to select w orking fluids for solar Organic Ｒankine Cycles （ OＲC） ［J］ ． Ｒenew able Energy ， 2011 ， 36 （ 2 ） ： 659 － 670． ［ 7］ Papadopoulos AI， Stijepovic M ， Linke P． On the systematic design and selection of optimal w orking fluids for Organic Ｒankine Cycles ［J］ ． Applied Thermal Engineering ， 2010 ， 30 （ 6 － 7 ） ： 760 － 769． ［ 8］ Wang H， Peterson Ｒ， Herron T． Design study of configurations on system COP for a combined OＲC （ Organic Ｒankine Cycle） and VCC （ Vapor Compression Cycle ） ［ J］ ． Energy ， 2011 ， 36 ： 4809 － 4820． ［ 9］ Heberle F， Bruggemann D． Exergy based fluid selection for a geothermal Organic Ｒankine Cycle for combined heat and pow er generation ［J］ ． Applied Thermal Engineering ， 2010 ， 30 ： 1326 － 1332． ［ 10］ Ｒomeo LM ， Lara Y ， Gonzalez A． Ｒeducing energy penalties in carbon capture w ith Organic Ｒankine Cycles ［ J］ ． Applied Thermal Engineering ， 2011 ， 31 ： 2928 － 2935． ［ 11］Kosmadkis G ， M anolakos D ， Papadakis G． Simulation and economic analysis of a CPV / thermal system coupled w ith an Organic Ｒankine Cycle for increased pow er generation ［ J］ ． Solar Energy ， 2011 ， 85 ： 308 － 324． 作者简介： 刘广林（ 1982 － ） ， 男， 山东潍坊人， 硕士， 助理工 从事新能源利用技术的研究 。 程师， 收稿日期： 2013 － 07 － 22 ； 修回日期： 2013 － 08 － 29
2013 年第 10 期 节 能 ENEＲGY CONSEＲVATION （ 总第 373 期） — 37 —
有机朗肯循环发电系统利用的研究
刘广林 （ 华北电力大学低品位能源多相流与传热北京市重点实验室 ， 北京 102206 ）
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）
， 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；
2013 年第 10 期 节 能 ENEＲGY CONSEＲVATION （ 总第 373 期） — 39 — 较大， 但是由于影响系统因素及考虑目标参数不 同， 未能优选某一合适的工质。系统形式的研究已 从单一发电系统到耦合应用于节能行业中 。 因此针对不同热源参数特点， 优选出适应的发 电系统形式及合适工质， 为有机朗肯循环发电系统 设计和应用提供科学依据， 是保证其有效应用的前 提和关键。 参考文献
摘要： 理想发电循环系统仅与系统热源 、 冷源的温度相关， 而实际低品位有机朗肯循环发电系统效率 除与冷热源温度相关外， 与工质、 系统形式等因素密切相关 。但是由于受到热源参数及优化目标等因 素影响， 尚未优选出合适的工质和系统形式 。 针对不同热源参数特性， 研究相适应的系统形式及工 质， 为有机朗肯循环发电系统应用提供科学依据， 是有机朗肯循环发电系统切实可用的关键 。 关键词： 有机朗肯循环； 低品位能源； 节能 中图分类号： TM611． 3 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 7948 （ 2013 ） 10 － 0037 － 03 doi： 103969 / j． issn． 1004 － 7948． 2013． 10． 007