低温烟气有机郎肯循环系统热力性能与经济性的对比分析

韩中合，许鸿胜，范伟，赵若丞，王智

（华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室，河北 保定 071003）

摘要

以工业低温烟气余热有机朗肯循环（ORC）发电系统为研究对象，选取了两组共4种工质，基于热源参数分别对系统热力性能及经济性指标进行计算，分析不同工质系统的热经济性与经济性指标的变化，对4种工质的热力性能指标、经济性指标以及最佳工况进行对比分析。结果表明，同组工质的净功量和热耗率变化相似且数值接近，但电力生产成本和投资回收期差别较大。同一工质的最佳热经济性工况和最佳经济性工况存在差异，在本文条件下，工质最佳经济性工况下的蒸发温度高于最佳热经济性工况下的蒸发温度约8～10℃。R600a为所选4种工质中兼顾经济性与热经济性的最佳工质，采用R236ea的系统热力性能好于R600，而采用R600的系统电力生产成本始终低于R236ea，R600相比于R236ea具有明显的经济性优势。

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我国工业余热资源丰富，回收利用低温余热具有巨大的发展空间，已成为推进我国节能减排工作的重要内容。有机朗肯循环（organic rankine cycle，简称ORC）技术能够直接利用低沸点有机工质吸收低品位热能进行热功转换，且具有结构简单、系统效率高、环境友好和适应能力强等优点。因此，利用有机朗肯循环技术回收低温余热已经成为目前研究的热点。

当前关于ORC的研究主要围绕系统热力性能分析、工质选择以及参数优化等方面展开，研究表明评价标准的选取对系统性能分析及优化至关重要。CHEN等从多方面对35种工质进行了研究，最终表明工质的物性参数对循环性能有很大影响；MADHAWA等以系统总换热面积和净功量的比值作为经济性目标函数对4种工质进行计算分析，结果表明工质选择对经济性目标函数的影响非常明显；谢攀等基于热力学第一定律对19种工质进行研究，结果表明不同热源温度段对应的最佳工质分别为R290、R600、CF_3I和R601，而R245fa和R134a在对应温度段的热效率仅次于上述工质。王志奇等以单位输出功率所需换热面积和热回收率为目标建立多目标优化模型对5种工质的参数进行优化计算，结果表明多目标优化可以协调各评价指标的关系以满足实际工程需求；王华荣等以工业低温余热回收ORC系统为例，分析了4种工质的净输出功、循环热效率和换热面积，得出己烷的经济性较好，而R601环境性能较好；李惟毅等以㶲效率和经济性目标函数的加权和作为评价指标，结果表明R113、R245ca的经济性能较好，R161具有较高的㶲效率，而从综合评价指标来看R161具有较优的性能。

在保证安全可靠性的前提下，适用于有机朗肯循环的工质不仅具有良好的系统热力性能，而且还需较好的经济性以符合工程实际。然而，在同一热源条件下，热力性能良好的工质不一定具有较好的经济性，同一工质的最佳热力性能工况与最佳经济性工况存在差异。本文针对以低温烟气为热源的ORC系统，按临界温度选取两组共4种工质，基于热源参数分别对系统热力性能及经济性指标进行计算，分析不同工质系统的热经济性与经济性指标的变化，对4种工质热力性能指标、经济性指标以及最佳工况进行对比分析，为有机朗肯循环系统性能优化研究提供了参考。

1  模型和计算方法

1.1 热力学模型

图1  有机朗肯循环系统结构图和循环原理图

1.2  经济模型

2 计算条件及工质选择

表1  4种工质的热物性和环境特性参数

3  结果及分析

3.1  热经济性分析

图2  蒸发温度随吸热量的变化

图3  蒸发压力随吸热量的变化

图4  净功量随吸热量的变化

图5  热耗率随吸热量的变化

3.2 经济性分析

图6  电力生产成本随吸热量的变化

图7  各工质热力系统的投资回收期

图8  各设备投资成本占比

表2  各工质系统的最佳热经济性工况和最佳经济性工况

3.3  热经济性与经济性对比分析

图9  工质热力系统综合对比

4  结  论

（1）同组工质的净功量和热耗率变化相似且数值接近，但电力生产成本和投资回收期的差别较大。

（2）同一工质的最佳热经济性工况和最佳经济性工况存在差异，在本文条件下，工质最佳经济性工况下的蒸发温度高于最佳热经济性工况下的蒸发温度8～10℃左右。

（3）R600a为所选4种工质中兼顾经济性与热经济性的最佳工质，采用R236ea的系统热力性能好于R600，而采用R600的系统电力生产成本始终低于R236ea，相对于R236ea，R600具有明显的经济性优势。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2287

文章来源：《化工进展》2017年第36卷第11期：4010-4016