山西長林能源科技有限公司針對低品位余熱的有機朗肯循環(ORC)發電系統，以某工業裝置排出的流量為3×105m3/h、溫度為120℃的低溫煙氣為研究對象，對幾種高溫有機工質，分析工質流量以及汽輪機膨脹比對系統性能的影響。研究表明：當工質流量小于15kg/s時，汽輪機及循環熱效率隨著工質流量增大而迅速提高；但當工質流量超過15kg/s時，汽輪機效率及熱效率變化不大；工質的沸點越大，汽輪機內效率越高：隨著汽輪機膨脹比的增加，系統所需的質量流量減小，而系統的熱效率及加效率提高；當工質流量或吸熱量相同時，幾種工質中R123的循環熱效率******，輸出功率******，是系統工質的較好選擇。

現如今，我國的能源利用率僅為30％，其余都以中低溫余熱形式排放到環境中，不但造成了巨大的能量浪費，而且給環境造成了巨大的熱污染。據統計，在工業生產中排放的低品位余熱約占總量的50％。因此，隨著化石燃料的枯竭及環境問題的日益嚴峻，中低溫余熱的回收利用技術成為山西長林能源科技有限公司研究的重要課題。有機朗肯循環(ORC)是回收低品位余熱的有效技術途徑，同樣也是企業求發展求創新的重要途徑。

以下是我山西長林能源科就有限公司對各個工質研究后的特性對比：

1、從臨界壓力、溫度特性等方面來研究有機工質的選用為原則，則R113是一種比較理想的有機工質。

2、當考慮工質的環保性能時，R125及R134a是***適宜于ORC系統的工質。根據部分文獻的研究結果表明；采用混合工質能提高系統的發電量。

3、對太陽能ORC系統的性能進行分析，則C02是一種具有廣闊前景的有機工質。

4、另外以R245fa為工質，研究環境溫度對系統性能的影響。研究結果表明：當環境溫度為25℃時，系統輸出功率偏離額定功率可達30％。

然而，這些研究中有一些工質因環保問題（如R113）而被禁用，而某些有機工質（如R125，R134a及C02等）在較高溫度范圍時，系統的蒸發壓力和冷凝壓力較高，導致系統承受的壓力偏高，降低系統的經濟性。在這里我們根據工質的選用原則選用幾種典型的有機工質，運用熱力學******定律及第二定律，比較分析工質流量及汽輪機膨脹比對系統性能的影響，以便為回收低溫煙氣余熱提供理論依據。

1ORC系統工質分析

我山西長林能源科技有限公司專業負責人探討后發現，在ORC系統中，工質的特性對系統性能有很大影響。在選用工質時，應考慮以下幾點：

（1）臨界溫度應該高于循環中的******溫度，以避免跨臨界循環可能帶來的諸多問題。

（2）循環中******溫度所對應的飽和壓力不應過高，過高的壓力將會導致機械承壓問題，進而增加不必要的設備費用。

（3）循環中******飽和壓力不宜過低，******能保持正壓，以防止外界空氣的滲入而影響循環性能。此外，工質在滿足熱力學性質方面要求的同時，也必須滿足環保要求。臭氧層衰減指數（ODP）和溫室效應指數（GWP）是工質的2個重要環保指標，應選用ODP與GWP較低的工質。通過對多種有機工質的調查和研究，選擇幾種適合上述要求的工質，其基本參數如表1所示

2系統熱力過程分析

ORC系統構成及熱力循環如圖1所示。其中：l～2為密封泵對工質加壓過程；2～3為工質在蒸發器中吸收低品位余熱的過程，為等壓吸熱過程；3～4a為工質在汽輪機中膨脹做功過程，為絕熱過程（在理想狀態下，即汽輪機內效率為1時，該過程在圖1中為3～4s）4a-4～l為工質在冷凝器中的放熱過程，為等壓放熱過程。當系統處于穩定狀況時，在過程1～2中，泵消耗的功率為：

（1）式中：mf為工質的質量流率，kg/s；ηp為泵的效率％；h1和h2為狀態l和2工質的比焓，j/g。
在過程2～3中，蒸發器中工質的吸熱量為：Qe=mf(h3-h2)(2)式中：h3為狀態3工質的比焓，J/g。

根據能量平衡原理，煙氣出口溫度為：式中：Tin為煙氣的進口溫度，K：mg為煙氣的質量流率，kg／s：Cin。和Cout。。分別為煙氣進、出口溫度對應的定壓比熱容，J/(g˙K)。

在過程3-4a中，汽輪機的輸出功率Wt為：Wt=mf(h3一h4s)ηt(4)汽輪機采用單級形式，對汽輪機通流部分進行計算，循環過程中汽輪機內效率仇可表示為：ηt=(h4a-h3)/(h4s-h3)(5)式中：h4s和h4a分別為狀態4s和4a工質的比焓，J／g。

在過程4a～l中，工質在冷凝器中的放熱量為：Qc=mf(h4a-h1)(6)。

根據熱力學******定律，循環系統的熱效率

式中：ηp為泵的效率；ηt為汽輪機的效率；h1，h2和h3分別為狀態1，2和3下工質的比焓，j/g；h4。為狀態4s下工質的比焓，J／g。

煙氣的?可表示為：Eg=mg[(hin-ha)-Ta(Sin-Sa)(8)

式中：hin為煙氣進口處的比焓j／g；Ta瓦為環境溫度'K；Sin;和Sa分別為進口溫度和環境溫度下煙氣的比熵，J／(kg˙K)。

根據熱力學第二定律，循環系統的?效率為：（9）

3計算結果分析

本文是山西長林能源科技有限公司針對某工業裝置排出的120℃的低溫煙氣為研究對象，煙氣流量為3×105m3／h，計算并分析工質流量、汽輪機膨脹比對系統性能的影響。在熱力計算中，設定環境溫度為25℃，工質泵的絕熱效率為0.8。

3.1工質流量對系統性能的影響

當工質在汽輪機進口處的溫度為100℃（過熱度為3℃），冷凝溫度為28℃時，計算得到不同工質流量與ORC系統性能間的關系，如圖2--4所示。從圖2可以看出：工質流量對汽輪機內效率有較大影響；對于不同工質，汽輪機內效率隨著工質流量的變化趨勢一致；當工質流量小于15kg/s時，汽輪機內效率較低，隨著工質流量的增大，汽輪機內效率迅速提高。這主要是由于工質流量較小時，汽輪機的級內損失增加。所謂的級內損失包括葉高損失、扇形損失、葉輪摩擦損失，部分進氣損失、漏氣損失等幾個

部分：隨著工質流量的減小，汽輪機的葉片高度降低，導致葉高損失和葉輪摩擦損失明顯增大，使得汽輪機內的級內損失增加；當工質流量超過15kg／s時，汽輪機的內效率變化不大；當工質流鼉相同時，在幾種工質中，R141b的汽輪機內效率******，而R236ea的內效率******；當工質流量超過30kg／s時，不同工質的汽輪機內效率基本相同。此外，隨著工質沸點的提高，汽輪機內效率增大。

從圖3可以看出：隨著工質流量的增加，由于汽輪機的內效率增加，系統的熱效率提高。由于各工質的熱物性參數不同，不同工質的熱效率存在一定差異。在同一工質流量下，R123的循環熱效率******，而R236ea的熱效率******；當工質流量為30kg／s時，R123的熱效率為13.4％，比R236ea的熱效率高17.5％。

圖5所示為不同工質流量時煙氣出口溫度。由圖5可知：隨著工質流量的增大，工質的吸熱量也線性增加，煙氣出口的溫度逐漸降低。在幾種工質中，異戊烷出口的煙溫下降***快，而R236ea下降***慢，這與不同工質蒸發潛熱相對應。然而，受傳熱因素及工藝要求的制約，裝置的排炯溫度應不低于60℃，此時，R123的循環熱效率及煳效率******，分別為13.3％和77％，系統的凈功******，為1121.8kW，對應的質量流量為39.5kg／s；R236ea的熱效率及煳效率******，分別為11.36％和64.7％，凈功為953.7kW，質量流量為41.4kg／s。這表明：當ORC系統吸熱量一定時，采用R123能產生******的有用功。

3.2膨脹比對系統性能的影響

汽輪機膨脹比為汽輪機進出口壓力的比值。當工質進入汽輪機的溫度不變，煙氣出LJ溫度為60℃時，不同膨脹比下系統的工質流量、熱效率及循環炯效率

如圖6-8所示。

從圖6可以看出：對于同一工質，系統所需的質量流量隨著膨脹比的增加而減小。這是因為膨脹比增加時，單位質量工質的吸熱能力增加，吸收相同熱量所需要的工質流量相應減小。例如對R123，當膨脹比為2.0時，單位工質的吸熱量為169．2J/g：當膨脹比為6.0時，吸熱量為206.9J/g。對不同工質，當膨脹比相同時，蒸發潛熱大的工質所需的流量??；反之，蒸發潛熱小的工質，所需質量流量大。又如，當膨脹比為5．0時，異戊烷所需的質量流量***小，為19．22kg/s：R236ea的質量流量******，為43．6kg/s。從圖7和圖8可以看出：系統熱效率及炯效率隨著膨脹比的變化規律基本相同，都隨著膨脹比的增加而逐漸提高。這主要是當膨脹比增加時，工質在汽輪機內的焓降增大。在幾種工質中，R123的效率******，而R236ea的效率******；當膨脹比為5.0時，R123的熱效率為11.7％，此時炯效率為66.6％，對應的輸出功率為981．4kW：R236ea的熱效率為10．1％，煳效率為61.9％．對應的輸出功率為863.6kW。

4結論

（1）工質流量對汽輪機的內效率、熱效率有較大影響。針對流量為3×105m3/h、溫度為120℃的低溫煙氣，當工質流量小于15kg/s時，汽輪機內效率及熱效率變化較大：當流量大于15kg/s時，變化趨于平緩：當流量大于30kg/s時，不同工質的汽輪機基本相同。

（2）隨著汽輪機膨脹比的增加，系統所需的工質流量逐漸減少，而熱效率及?效率提高。工質的蒸發潛熱越大，所需的工質流量越小。

（3）在幾種工質中，當工質流量或吸熱量相同時，

R123的循環熱效率******，輸出功率******，是ORC系統工質的較好選擇。