基于朗肯循环的低品位热源发电技术探讨

基于朗肯循环的低品位热源发电技术探讨

孙蔼军

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能源是人类社会发展的基石，然而随着能源需求的不断增长和环境污染问题的日益严重，如何高效、环保地利用能源成为了亟待解决的问题。低品位热源是指温度较低、难以直接利用的热能，如工业余热、地热等。传统的水蒸气朗肯循环虽然具有较高的热能转换效率，但难以适应低品位热源的特点，因此研究基于朗肯循环的低品位热源发电技术具有重要的现实意义。本文首先概述了有机朗肯循环的基本原理和工作流程，随后探讨了ORC系统的设计要点，特别是关于有机工质的选择和性能要求。通过对ORC技术的深入探讨，旨在为低品位热源的高效利用提供理论和技术支持。

1  有机朗肯循环概述

有机朗肯循环系统基于热力学第二定律，利用有机工质的物性特性，在较低的温度下实现高效的热能-机械能转换，与传统的水蒸气朗肯循环相比，ORC系统具有更低的蒸发温度和更高的热效率，能够更好地适应中低品位热源的特点。

蒸发器是ORC系统的核心部件之一，其主要功能是将低温低压的液态工质加热至高压过热蒸汽状态，在蒸发器中，工质与中低品位热源进行换热，实现热能的传递。透平膨胀机是ORC系统中的动力部件，负责将高压过热蒸汽中的热能转换为机械能，透平膨胀机通过高速旋转的叶片，将蒸汽的压力能转化为动能，进而带动发电机发电。冷凝器是ORC系统中的热交换设备，其主要功能是将透平膨胀机排出的低压过热乏气冷却至液态，在冷凝器中，工质通过与冷却介质（如水或空气）进行换热，将热量释放到环境中。工质泵是ORC系统中的循环动力设备，负责将液态工质从冷凝器输送至蒸发器，工质泵通过机械做功，提高工质的压力和流量，为系统提供持续的循环动力。

ORC系统的工作流程主要包括以下5个步骤：在ORC系统中，首先利用工质泵对低温低压的液态工质进行加压，工质泵通过机械能的作用，将液态工质从低压区域泵送至高压区域，为后续的热力循环提供必要的压力条件。加压后的液态工质进入蒸发器，在蒸发器中，工质与中低品位热源进行换热。随着热量的吸收，工质逐渐汽化，从液态转变为高压过热蒸汽。这一过程中，工质的温度和压力均有所升高。高压过热蒸汽进入透平膨胀机，在透平膨胀机中，蒸汽推动叶片旋转做功，将热能转化为机械能，蒸汽的压力和温度逐渐降低，形成低压过热乏气，透平膨胀机带动的发电机则将这些机械能转换为电能输出。透平膨胀机排出的低压过热乏气进入冷凝器，在冷凝器中乏气通过与冷却介质的换热，释放热量并冷却至液态，这一过程实现了乏气的热量回收和循环利用，同时也为下一轮热力循环提供了必要的液态工质。冷凝后的液态工质在工质泵的作用下再次被加压，进入下一个工作循环，如此周而复始，ORC系统得以连续稳定地运行，实现热能到电能的转换。

2  ORC系统的设计要点

2.1  有机工质

工质流体根据其温熵图可分为干、湿和等熵三类。干流体和等熵流体在高温高压状态下不会出现液滴，从而减少了系统运行中的液滴侵蚀问题，因此更适宜作为有机工质。在选择有机工质时，需要综合考虑其环保性能、热力性能和经济性能。环保性能包括安全等级、全球变暖潜能值（GWP）和臭氧层消耗潜能值（ODP）；热力性能则包括净输出功、热效率和烟效率；经济性能主要包括工质流量和设备投资成本。

从环保性能方面考虑，优先选择无毒、低可燃性、低腐蚀性且对环境影响小的工质，其GWP和ODP值应尽可能低，以减少对全球气候和臭氧层的影响。热力性能方面考虑，工质应具有高热效率、高净输出功和高烟效率，以确保系统的高效运行，工质应具有良好的热稳定性和化学稳定性，以应对各种热源条件。从经济性能方面考虑，工质应具有较高的性价比，即其工质流量应适中，设备投资成本应较低，此外工质应易于获取、储存和运输，以降低系统的整体成本。

针对ORC系统中有机工质的优选问题，在设计过程中通常采用多级非结构性模糊决策分析方法，建立三级模糊优选模型，该模型首先根据具体系统的背景要求确定优化目标，然后建立包含环保性能、热力性能和经济性能三个方面的模糊评价矩阵，接着根据优化目标和评价标准制定模糊策略，并运用模糊优选法求解优化问题，最后对求解结果进行分析，为实际问题提供决策依据。此模型能够综合考虑各种因素之间的相互作用和不确定性，为有机工质的优选提供客观、科学的决策支持，通过实际应用验证，该模型能够有效提高ORC系统的热效率和综合发电效率，降低运行成本。

2.2  蒸发器

蒸发器是ORC系统中用于将有机工质加热至高温高压蒸汽的部件。在蒸发器中，有机工质通过吸收热源温度，逐渐从液态转变为气态，形成高温高压蒸汽。这一过程中，蒸发器通过热交换技术将热源中的热量传递给有机工质，实现能量的转化和传递。为了提高蒸发器的性能，应从具体工况出发，选择合适的热交换技术和设备，以提高蒸发器的热交换效率；优化蒸发器的结构设计和运行参数，以减少能量损失和提高系统稳定性；加强蒸发器的维护和保养工作，确保设备的正常运行和延长使用寿命。

2.3  透平膨胀机

透平膨胀机是一种利用气体或蒸汽膨胀做功的机械设备，其基本工作原理是：通过高速旋转的转子带动工作轮叶片高速旋转，使进入膨胀机的气体或蒸汽在叶片间进行膨胀，从而将其内能转化为机械能。在ORC系统中，透平膨胀机主要用于将高温高压的有机工质蒸汽膨胀做功，驱动发电机发电或拖动其他机械设备。

透平膨胀机根据结构类型可分为螺杆型、涡旋型和活塞型等三种，这三种类型的膨胀机在ORC系统中的应用与性能各有特点。螺杆型膨胀机是一种成熟的工业应用产品，其结构紧凑、效率高、运行稳定，螺杆膨胀机通过两个相互啮合的螺旋转子来实现气体的膨胀做功，在ORC系统中，螺杆膨胀机具有较高的功率等级和效率值，能够满足大规模工业应用的需求，国际知名厂家如GE、GMK以及国内开山公司等均有成熟的螺杆膨胀机产品和技术。涡旋型膨胀机结构相对简单，但制造精度要求较高，其工作原理是通过涡旋叶片的旋转使气体在涡旋室内进行膨胀做功，涡旋膨胀机多用于小型试验系统或特殊工况下的应用，功率等级较低。活塞型膨胀机利用活塞在气缸内的往复运动来实现气体的膨胀做功，其结构简单、可靠性高，但功率等级也相对较低，活塞膨胀机同样适用于小型试验系统或特殊工况下的应用。

螺杆膨胀机作为一种成熟的工业应用产品，在ORC系统中具有广泛的应用前景。以国际知名厂家GE、GMK和国内开山公司为例，这些公司的螺杆膨胀机产品已经在多个领域得到成功应用。例如，在石油、化工、地热发电等行业中，螺杆膨胀机被用于回收工业余热、提高能源利用效率等方面。此外，螺杆膨胀机还可在生物质发电、垃圾焚烧等领域中发挥重要作用。

2.4  冷凝器

冷凝器在ORC系统中的作用主要是将透平做功后产生的高温乏气进行充分冷凝，使其转变为液态有机工质，液态有机工质随后被工质泵泵送到蒸发器，完成一次工作循环。冷凝器的性能直接影响到蒸发器入口的温度和工质在蒸发器中的吸热量，进而影响到系统的整体效率。

冷凝温度是冷凝器性能的重要参数之一。降低冷凝温度可以降低蒸发器入口的温度，使工质在蒸发器中的吸热量增加，从而增大系统效率。然而，过低的冷凝温度会导致蒸发器负荷的增加，进而可能导致系统整体效率的降低。因此，在确定冷凝温度时，需要综合考虑工质水泵功耗、换热器面积等因素，以实现系统整体性能的最佳化。

为了实现系统整体性能的最佳化，需要根据具体工况对冷凝器进行优化，通常有如下优化措施。第一，综合考虑工质水泵功耗、换热器面积等因素，选择一个既能保证蒸发器吸热量增加又不会导致蒸发器负荷过大的冷凝温度；第二，通过改进冷凝器的结构设计和材料选择，提高冷凝器的传热效率，降低冷凝温度；第三，定期对冷凝器进行清洗和维护，确保其正常运行和传热效率的稳定。

2.5  工质泵

在ORC系统中，工质泵的主要功能是对液态工质进行加压，并将其输送到蒸发器中。液态工质在蒸发器中吸收热量后，会转化为高温高压的蒸汽，这些蒸汽随后会推动透平机进行做功。做功完成后的蒸汽会进入冷凝器冷凝成液体，然后这些液体再次经过工质泵加压，重新进入蒸发器，从而完成一个完整的循环。因此，工质泵的稳定运行对于维持ORC系统的正常运行至关重要。此外，工质泵还需要与储液罐连接，以维持工质液体的循环。储液罐可以储存一定量的液体工质，确保在系统运行过程中工质液体的供应充足。当系统中的工质液体量减少时，储液罐中的工质液体会被工质泵吸入并输送到系统中，从而维持系统的稳定运行。

在实际运行中，ORC系统经常会面临各种变工况的要求，为了适应这些变工况要求，工质泵需要采用变频控制技术。变频控制技术可以根据系统的实际需求调整工质泵的转速和流量，从而实现对工质液体压力和流量的精确控制。当系统需要增加工质液体的流量时，变频控制器会提高工质泵的转速，使工质泵能够输送更多的液体工质；当系统需要减少工质液体的流量时，变频控制器会降低工质泵的转速，减少工质泵的能耗。通过这种方式，变频控制技术可以确保工质泵在适应变工况要求的同时，实现节能降耗的目标。

3  结语

有机朗肯循环作为一种高效的热能转换技术，在低品位热源发电领域具有广阔的应用前景。在设计ORC系统时，需要综合考虑有机工质的热力性能、环保性能和经济性能等因素。通过选择合适的有机工质和优化系统设计，可以实现低品位热源的高效利用和环保发电。未来，随着技术的进步和成本的降低，ORC技术将在能源领域发挥更加重要的作用。