能源与环境问题日益严重的今天, 人们日趋重视太阳能、地热以及各种中低温废热。有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)系统, 其原理图和温熵图见图 1、图 2)作为一种能够将低品位废热转变为高品位电能的热力发电系统, 因其有机工质沸点低、凝固点低、冷凝压力高、密度大、比容小、声速低等特点, 使其具有无需防冻设施、泄露少、尺寸小、汽轮机效率较高、不易发生液击等优点, 故对ORC系统的研究具有极大的研究意义, 并成为了当今的研究热点。目前对ORC系统的研究主要围绕有机工质、ORC系统性能参数与系统优化、其他系统与ORC系统联合运行和ORC系统的应用等方面。本文将从上述几个方面针对目前研究ORC系统的研究进行总结。

1 关于ORC系统的研究进展 1.1 关于有机工质筛选的研究进展

有机工质筛选的评判标准围绕安全环保性、热力学性能与经济性三个方面, 不同类型和温度的热源所适用的工质也不同, 如表 1所示。

许多学者利用各类软件设计了关于有机工质筛选的计算程序。许俊俊等^[10]利用MATLAB基于多级非结构性模糊决策分析方法建立了ORC系统工质优选体系, 计算不同工质条件下的循环性能参数, 依据上述三个评判标准进行优选。结果表明, 在热源温度为150 ℃时, R123的综合性能指标最优。张丽娜等^[11]结合REFPRO8.0工质物性数据库, 利用MATLAB建立了ORC热力性能计算程序, 除具有系统循环热力性能计算功能外, 还具有工质筛选的作用。王华荣等^[12]选用R600a, R114, R245fa和R245ca四种工质, 由环境性模型、热力学模型和经济性模型组合建立ORC系统的多目标优化数学模型, 利用BP -GA算法得出各工质的最优蒸发温度和冷凝温度, 并得出以R245fa为工质的ORC系统的综合性能最佳的结论, 且在变工况条件下仍表现出了最优的综合性能。

对于中高温热源的ORC系统, 有机工质的热分解性是工质筛选的主要制约因素, 目前被广泛采用的工质是R245fa。戴晓业等^[13]针对R245fa的热稳定性和材料相容性进行了试验研究, 结果表明, R245fa的热分解温度在300~320 ℃时, 金属材料对其热分解有着明显的催化作用, 且在实际系统中, 如果反应时间较长, 则易发生积碳, 影响系统运行效率。

由于R245fa的GWP指数高, 梁立鹏等^[9]选用更加环保的R1234yf进行了系统火用效率与火用损模拟分析。研究表明, 在热源温度为110~150 ℃时, R1234yf比R245fa具有更佳的热力学性能。

1.2 关于ORC系统性能影响参数的研究进展

冷凝器、蒸发器参数是影响ORC系统性能的主要运行参数, 一般存在最佳冷凝温度和蒸发温度。王华荣等^[12]选取热效率、火用效率、投资回收期和年减排量为目标函数, 以蒸发温度和冷凝温度为控制变量, 建立了ORC系统多目标优化数学模型, 取得了四种工质的最优蒸发温度和冷凝温度。

为研究冷凝温度对ORC系统性能的影响, 董冰等^[14]分别采用了三种冷凝器(卧式壳管式、蒸发式和风冷式), 选取吐鲁番、哈尔滨和广州三个温差较大的城市天气作为气候条件, 采用NIST在MATLAB界面下编程计算不同冷凝器下的冷凝温度, 并给出了计算流程图。董冰等^[14]以R245fa为工质, 在蒸发温度为90 ℃, 蒸发器出口过热度为10 ℃, 地热温度为110 ℃的条件下, 计算发电量、经济效益和环保效益。结果表明:气温低、湿度小的地区ORC系统性能较好; 蒸发式发电量最大、风冷式发电量最小。苗政等^[15]采用EES软件计算了饱和ORC系统在使用R245fa和R601a时, 输出净功随冷凝温度变化的规律, 同时分析了膨胀机膨胀比、最佳进口温度和工质流量的变化情况。结果表明:当地热源温度为130 ℃, 冷凝温度从30 ℃降至0 ℃时, 膨胀比增大约2倍, 有机工质在膨胀机进口的最佳温度升高, 且波动幅度达15 ℃, 工质质量流量增加超过30%, 系统净输出功增长达120%。

根据工质蒸发温度和压力所在的区域, 可将ORC分为跨临界循环、近临界循环和亚临界循环。王羽平等^[16]选用了干性、湿性、绝热三种典型工质, 建立数学模型, 分析近临界循环与亚临界循环的性能差异, 并从工质物性角度分析原因。结果表明:近临界循环具有良好的变工况性能, 且干性工质最适用于近临界循环。薄华宇等^[17]以110 ℃地热水为热源, 对跨临界ORC系统的净功、效率和换热器UA值进行了模拟计算, 并针对六种有机工质的循环性能进行对比, 分析了蒸发压力对循环净功与效率的影响, 发现存在最佳蒸发压力。但跨临界循环蒸发压力较高, 蒸发器造价较贵, 且透平设计难度加大。蒸发器换热效率也是ORC系统的重要性能参数之一。魏莉莉等^[18]针对低温ORC系统, 选取三种换热器(板式、壳管式和满液式)进行对比试验, 并设计了壳管式预热器+满液式蒸发器的组合式蒸发器对其进行理论分析与试验测试, 最终达到了饱和气态工质稳定产生的目的, 还提高了传热系数与传热效率。

1.3 关于系统结构优化的总结

研究影响性能的参数的目的是为了能够优化系统性能, 许多学者在ORC系统优化方面进行了创新。罗琪等^[19]与Mago等^[20]都曾提出抽汽回热能显著提升ORC系统热效率。徐荣吉等^[21]通过试验得出, 有回热系统能优化ORC系统热力学性能。文献[22-23]指出再热能避免乏汽湿度过高影响汽轮机运行, 从而提高了ORC系统的热效率。综上所述, 抽汽回热、内回热与再热均能提升ORC系统的性能。余廷芳等^[24]提出了再热、抽汽回热和内回热三种方式相结合的新型ORC系统, 其工作原理如图 3所示。在最佳再热蒸汽压力条件下, 对单一内回热、抽汽回热、抽汽-内回热、再热ORC系统分别进行了热力学性能计算, 得出新型ORC系统的热效率达18.86%, 远高于单一ORC系统。

也有学者采用双级ORC系统来提高系统热效率。秦亚琦等^[25]选取R141b -R245fa, n -pentane -R600和isopentane -R114分别作为双级ORC系统的工质, 一级采用超临界循环, 二级采用亚临界循环, 工作原理如图 4所示。分析表明:随着一级蒸发压力增大, 工质为isopentane -R114和n -pentane -R600时, ORC系统效率先增大后减小, 输出净功一直减小, 采用R141b -R245fa为工质的ORC系统的热效率保持增大趋势, 各级工质质量流量变化幅度不大, 系统的烟气出口温度偏高, 具有进一步提高性能的潜力。崔雁清等^[26]根据车用CNG发动机的余热能分布特性设计了双级ORC系统, 该系统分为高温循环和低温循环, 高温循环以R245fa为工质, 回收CNG发动机排气部分, 低温循环分别以R245fa, R1234ze和R1234yf为工质, 回收进气中冷能量、高温循环冷凝过程中释放的能量和系统冷却水中的能量。结果表明:较高的蒸发压力和蒸发温度以及较低的冷凝温度可以提高ORC系统净输出功率和热效率, 且采用R245fa为工质时, 系统的热力学性能最优。

1.4 关于ORC系统与其他系统联合的研究进展

蒸气压缩制冷(VCR)系统与ORC系统联合运行, 使得采用太阳能驱动的家用小型空调成为可能, 与吸收式、蒸汽喷射式制冷相比, 其COP可高达1.4, 且在室外温度越高时COP越高。马国远等^[27]利用软件模拟计算复合系统的COP, 并通过对比得出R134a作为VCR系统工质、R1234ze作为ORC系统工质时, 会获得较高的COP性能。莫东鸣等^[28]耦合了跨临界ORC系统和蒸汽压缩制冷(VCR)循环, 构建了由低温烟气驱动的冷电联产复合系统, 可以有效地回收低温烟气余热进行发电和制冷, 实现冷量和发电量的灵活配合, 其系统原理图如图 5所示。雷欢等^[29]通过膨胀机与压缩机同轴连接, 将ORC系统与VCR系统联合制冷, 对比了采用Cyclohexane, D4, n -octane和R141b四种工质的热力学性能, 并进行了系统火用损失计算, 分析了ORC系统蒸发温度、制冷剂蒸发温度、透平效率等参数对系统COP的影响, 当采用Cyclohexane为工质时, COP最高, 达到1.262。

ORC系统不仅能采集内燃机(ICE)的燃烧烟气废热, 还能利用其机组套缸冷却水余热发电。岳晨等^[30]提出了一套ICE -ORC系统, 可利用ICE动力启动ORC系统, ORC系统稳定运行后又将动力使输给ICE, 在标定负荷下, 该系统热效率较ICE子系统提高了7.8%, 而ORC系统投资回收期仅为9 300 h, 且经济性优势随燃料的价格的提高而提高。

联合其他热源系统也是一种新的联合方式, 为充分回收矿藏热采过程尾端低温蒸汽余热, 杨新乐等^[31]利用太阳能补充预热器中热源显热以缩小换热温差, 提出了一种新型低温蒸汽-太阳能双热源ORC发电系统。

1.5 关于ORC系统应用领域的研究进展

ORC系统在欧美市场已经得到了长足的发展, 包括工业余热及太阳能、地热能、生物质能等新能源, 装机容量最大的领域为地热, 但国内市场还处于起步阶段。从装机数量上看, 最多的是意大利的Turboden公司, 其ORC机组主要集中在生物质及工业余热, 故装机容量较小。目前, 利用ORC技术回收地热能发电的最为先进的公司是美国ORMAT。

我国目前主要将ORC系统应用在水泥厂、石化厂等工业领域。李浩^[32]在现有常规水泥余热发电系统基础上, 增设ORC机组, 经过理论计算和实际工程分析得出, 当窖尾收尘器温度达到150 ℃左右时, 2 500~5 000 t/d水泥生产线余热发电能力新增电量250~350 kW, 并发现300 ℃以上的余热不适宜作为ORC系统热源。秦文戈^[33]将两台ORC系统热水发电机组串级应用于海南炼油化工有限公司, 以回收芳烃联合装置中存在的大量低温余热, 采用浙江开山集团的串级有ORC系统发电站, 工质采用R245fa, 一年可直接节省电费1 649.5万元。

ORC技术作为一项低品位余热回收的有效途径, 在内燃机余热回收领域也得到了广泛的研究。杨凯等^[34]设计了一套车用柴油机余热回收系统, 以R416a为工质, 通过试验确定了螺杆膨胀机的最优工况点。结果表明:输出功率最大提高30.6 kW, 热效率最大提高10.99%, 余热回收效率最高达10.61%, 有效燃油消耗率最大降低3 535 g/(kW·h)。朱轶林等^[35]利用设计的ORC系统回收船舶柴油机的排气能量, 研究结果表明:以R245fa为工质时, 最佳蒸发温度为117 ℃, 最佳冷凝温度为316 K, 膨胀比为6.6, 热效率可以达到12%。李金平等^[36]利用GT -POWER对某国产30 kW沼气发电机组发动机建立模型, 利用ASPEN PLUS建立利用燃烧烟气和机组套缸冷却水余热的ORC系统模型, 分析了过量空气系数对发动机性能、烟气余热利用、ICE-ORC联合循环系统的影响。结果表明:应根据沼气甲烷含量适当地增加过量空气系数。

2 尚待解决的问题

目前, 我国的经济结构正面临着调整且能源需求量大, ORC系统作为一个热力发电系统, 在低温余热回收发电方面具有较明显的优势, 但是却没有得到大规模的推广和应用, 要想改变这样的现状, 推进ORC系统的使用和发展, 就要解决以下几个正在面临的问题:

(1) 研究理论与实际脱节, 企业对科研机构的研究反应迟钝。现有文献大多是通过理论模拟分析, 缺乏试验研究, 忽视实际应用中的问题。应加强各企业与科研机构的合作, 共同解决工程运用中的关键问题, 如密封系统测试、控制系统测试、高速轴承耗损测试等。

(2) 缺乏行业标准与政策支持。国内检测及行业标准规范缺乏, 余热定义统计标准不同, 行业配套及数据不完善。ORC技术仍需要国家政策的支持, 并将产业补贴落到实处。

(3) 产品经济性不突出。组件大多依靠进口, 效益不抵成本, 回收期达两三年以上。换热器、膨胀机、泵的效率不尽人意, 冷却水功耗问题受忽视, 膨胀机匹配性较差。

3 结语

(1) 目前, 学者们大多是选取两个或三个性能参数为评价标准, 在一定程度上缓解了工质选择的单一性问题, 但少数目标无法全面反映系统综合性能。一些学者采用多级目标, 但每位学者的侧重点不同, 存在主观性问题。若采用多级非结构性模糊决策分析法, 可避免主观权重问题, 只是计算过程比较复杂。总之, 有机物的选择应在环境友好的基础上, 做到与系统热源的温度、性质相匹配, 从而达到提升系统热效率的目的。

(2) 目前对于ORC系统性能参数的研究主要集中在冷凝温度、蒸发温度上, 且存在最佳冷凝温度和蒸发温度。提高蒸发温度可提高系统热效率, 因此采用近临界循环与超临界循环, 但此时透平入口出现超音速, 故选择蒸发温度时要考虑工质临界温度、热源温度和系统耐压程度等因素。降低冷凝温度可提高系统热效率, 但要防止冷凝压力低于大气压力, 造成负压。窄点温差、透平效率等也是需要研究的重要性能参数。

(3) 提高换热器、膨胀机、泵效率, 采用再热、回热、跨临界循环或双级ORC系统等方式都可优化系统性能。目前国内膨胀机的匹配性较差, 大多靠进口, 成本居高不下, 故透平的设计与优化值得引起学者们的研究。

(4) ORC系统与其他系统(如蒸汽压缩制冷、内燃机等)的联合运行不仅是对ORC系统的一种优化, 同时也是对其他系统应用的一种推进, 相互克服缺陷, 创造出更多的可能性。同时, 与其他冷热源相联合以优化ORC系统的回收效率, 可达到更好的能源利用效果。

(5) 近年来, ORC系统在低温余热回收领域的优势引起了广大学者的重视, 国内众多厂家纷纷尝试, 虽然ORC系统在欧美市场的应用已经趋于成熟, 然而我国的研究仍偏离实际工程, 离产业化较远, ORC系统应用市场仍处于待开发阶段。学者们将目光大多放在工业余热、内燃机、地热等方面, 但还有大量未能合理利用的低温余热领域值得关注, 例如生物质能、钢铁行业、采油、玻璃制造、金属冶炼等。