1.3　有機(jī)朗肯循環(huán)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.3.1　有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)的研究

工質(zhì)的物性對(duì)于循環(huán)整體工作性能有很大程度的影響，也對(duì)整體循環(huán)中各重要設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造有重要影響。早期有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)有氨水、二甲醚等有機(jī)物；當(dāng)前，有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)大概分為制冷劑類、烷烴類、芳香烴類與硅氧烷類等四類。

在以太陽(yáng)能為熱源的有機(jī)朗肯循環(huán)研究中，各國(guó)學(xué)者對(duì)不同應(yīng)用中使用的工.質(zhì)做了以下研究：

（1）海水淡化系統(tǒng)。例如希臘學(xué)者D.Manolakos等以R134a為工質(zhì)，建立了太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)用于海水淡化系統(tǒng)［8］。 2007年，西班牙學(xué)者Delgado-Torres提出梯級(jí)利用不同溫度太陽(yáng)能熱源，建立兩級(jí)朗肯循環(huán)太陽(yáng)能脫鹽系統(tǒng)，系統(tǒng)中將甲苯或MM（六甲基二硅氧烷）和異戊烷搭配，分別作為高、低溫級(jí)循環(huán)工質(zhì)［9］。

（2）太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。Bahaa Saleh等人在設(shè)定的太陽(yáng)能低溫朗肯循環(huán)工況下，通過理論計(jì)算得出31種純工質(zhì)的循環(huán)效率，分析對(duì)比表明，R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601a、RE13和R E245等工質(zhì)比較適宜［10］ 。 V.M.Nguyen等建立以n-pentane為工質(zhì)的太陽(yáng)能低溫發(fā)電機(jī)組，獲得系統(tǒng)熱效率4.3%［11］。西班牙學(xué)者Lourddes García-Rodríguez等人分析指出，在太陽(yáng)能集熱板和蒸汽輪機(jī)中，硅氧烷的工作性能良好，可用于分布式太陽(yáng)能為熱源的有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)［12］。昆明理工大學(xué)的王輝濤等根據(jù)PR狀態(tài)方程，從11種低沸點(diǎn)有機(jī)流體工質(zhì)中篩選適合低溫太陽(yáng)能熱力發(fā)電有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)，指出正己烷和正戊烷能獲得較高的循環(huán)熱效率［13］。王曉東從實(shí)驗(yàn)和理論的角度分別研究了用于太陽(yáng)能中低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)［14］。

實(shí)際應(yīng)用中，選取工質(zhì)時(shí)應(yīng)從工質(zhì)的各方面性質(zhì)進(jìn)行綜合考慮，具體的選取原則主要有以下三點(diǎn)。

（1）熱力學(xué)性能符合要求，主要表現(xiàn)在適用范圍和適用性能兩方面。首先，系統(tǒng)最高運(yùn)行溫度和壓力不得超過工質(zhì)的最大可用溫度和壓力，最低溫度和壓力不得低于工質(zhì)的凝結(jié)溫度；其次，為了系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、設(shè)備簡(jiǎn)單，建立有機(jī)工質(zhì)朗肯循環(huán)系統(tǒng)時(shí)一般選擇干工質(zhì)，即飽和蒸汽線大于0的工質(zhì)。

（2）安全性、毒理性、穩(wěn)定性與環(huán)保性符合要求。安全性主要指工質(zhì)是否易燃易爆、能否安全使用的特性，在不能避免使用有燃燒爆炸可能性的工質(zhì)時(shí)，不僅要查詢工質(zhì)的自燃溫度，還要查詢準(zhǔn)確的工質(zhì)的爆炸濃度極限，以設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)措施。毒理性是指工質(zhì)對(duì)運(yùn)行人員是否有生理毒性，該數(shù)據(jù)可通過ASHARE手冊(cè)以及相關(guān)化學(xué)手冊(cè)查詢，避免使用劇毒工質(zhì)，并做好防毒措施。穩(wěn)定性是指工質(zhì)在運(yùn)行溫度范圍內(nèi)保持有效成分的程度，要避免工質(zhì)在運(yùn)行參數(shù)下分解，因此設(shè)置運(yùn)行參數(shù)時(shí)對(duì)于工質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的考量也尤為重要。環(huán)保性主要是指工質(zhì)的全球變暖潛能值（GWP）和臭氧消耗潛能值（ODP）。

（3）易購(gòu)買，價(jià)格合理。選取工質(zhì)時(shí)，應(yīng)考慮工質(zhì)是否容易從市場(chǎng)上買到，且價(jià)格是否能夠接受。是否容易購(gòu)買主要受國(guó)際政策和議定書的影響，其中《蒙特利爾議定書》和《京都議定書》對(duì)于制冷劑的使用有相應(yīng)的淘汰年限。價(jià)格上，制冷劑類工質(zhì)比較昂貴，硅氧烷與烷烴價(jià)格較低。

1.3.2　有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)參數(shù)研究

有機(jī)朗肯循環(huán)的工作性能不僅和循環(huán)使用的工質(zhì)有關(guān)，還和循環(huán)的運(yùn)行參數(shù)有關(guān)。蒸發(fā)壓力小于工質(zhì)臨界壓力為亞臨界循環(huán)，蒸發(fā)壓力等于臨界壓力則為跨臨界循環(huán)，蒸發(fā)壓力大于臨界壓力則為超臨界循環(huán)，3種情況的循環(huán)T-S圖見圖1-2。太陽(yáng)能所能提供的熱源溫度范圍一般為100～400℃，在該溫度范圍內(nèi)，各國(guó)學(xué)者對(duì)于不同熱源的有機(jī)朗肯循環(huán)參數(shù)也有很系統(tǒng)的研究。

臺(tái)灣義守大學(xué)Hung TC等人對(duì)回收200℃的低溫廢熱的有機(jī)朗肯循環(huán)性能分析表明：苯、甲苯、對(duì)二甲苯、R113和R1235種工質(zhì)飽和蒸汽做功時(shí)，進(jìn)氣壓力越大，系統(tǒng)效率越高［17］。 Maizza等人在固定的蒸發(fā)溫度80～110℃和冷凝溫度35～60℃下對(duì)11種純工質(zhì)和9種混合工質(zhì)的有機(jī)朗肯循環(huán)性能進(jìn)行對(duì)比［18］。德國(guó)學(xué)者UlliDrescher等人在生物質(zhì)能有機(jī)朗肯循環(huán)研究中發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)最高溫度為300℃左右時(shí)，烷基苯族的蒸發(fā)壓力以0.9～1.5MPa為佳［19］ 。 Borsukiewicz Gozdur等人對(duì)80～115℃地?zé)嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的研究表明：工質(zhì)臨界溫度越接近地?zé)釤崴疁囟龋到y(tǒng)效率越好［20］ 。 F.J.Fernández等人對(duì)線性及環(huán)狀硅氧烷在飽和膨脹、過熱膨脹以及超臨界膨脹3種參數(shù)的分析表明超臨界參數(shù)對(duì)于高溫工質(zhì)是個(gè)不錯(cuò)的選擇［21］。Lisheng Pan在90℃熱源下，對(duì)HFC125、HFC143a和HF218在亞臨界參數(shù)變化到超臨界參數(shù)的循環(huán)性能作了分析，結(jié)論表明近臨界參數(shù)比超臨界參數(shù)更有價(jià)值［15］ 。 Angelo Algieri對(duì)ORC循環(huán)采用飽和蒸汽和過熱蒸汽膨脹作了參數(shù)分析和能量分析，同時(shí)也考慮了亞臨界和跨臨界參數(shù)，結(jié)果表明亞臨界情況下無IHE的系統(tǒng)效率隨著汽輪機(jī)進(jìn)口溫度升高反而下降，而帶回?zé)崞鳎↖HE）的系統(tǒng)效率卻隨著汽輪機(jī)進(jìn)口溫度上升而升高。跨臨界參數(shù)下系統(tǒng)也表現(xiàn)出同樣的情況［16］。劉廣林等研究R290為工質(zhì)的超臨界地?zé)酧RC循環(huán)性能，結(jié)果表明最大輸出功率隨著地?zé)釤嵩礈囟鹊脑黾雍推啓C(jī)進(jìn)口壓力的增加而增加［22］。

1.3.3　有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)形式研究

系統(tǒng)形式對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的性能也有較大的影響，目前大多數(shù)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)主要有兩種系統(tǒng)形式：①基本有機(jī)朗肯循環(huán)；②帶回?zé)岬挠袡C(jī)朗肯循環(huán)。主要利用汽輪機(jī)乏汽預(yù)熱冷凝加壓后的工質(zhì)，以太陽(yáng)能有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)為例，具體系統(tǒng)形式見圖1-3。很多學(xué)者對(duì)于多種工質(zhì)在不同的系統(tǒng)形式下的工作性能也進(jìn)行了研究。

Pedro J.Mago等人對(duì)R113、R245ca、R123和isobutane 4種干工質(zhì)在基本循環(huán)和帶IHE的循環(huán)中的熱效率和不可逆損失的分析表明回?zé)嵫h(huán)比基本循環(huán)效率高，不可逆損失更小，輸出相同功率所需要的熱源熱量也更少［23］ 。 Ngoc Anh Lai以烷烴、芳香烴以及線性硅氧烷作為工質(zhì)分析高溫ORC系統(tǒng)性能，結(jié)論表明，帶IHE的系統(tǒng)比基本ORC系統(tǒng)效率更高［24］。中國(guó)科技大學(xué)李昀竹以R123為工質(zhì)對(duì)基本ORC循環(huán)和帶IHE的ORC循環(huán)作了對(duì)比，在冷凝溫度定為30℃時(shí)，蒸發(fā)壓力在一定范圍內(nèi)的提高有助于提高系統(tǒng)效率，但是在大于某額定值后，系統(tǒng)熱力學(xué)第二定律效率下降。在冷凝溫度30℃，蒸發(fā)壓力1.5MPa的情況下，飽和蒸汽參數(shù)下循環(huán)效率和熱力學(xué)第二定律效率都是最高的［25］。西安交通大學(xué)也提出了由高溫和低溫（以系統(tǒng)工質(zhì)的工作溫度是否超過150℃為分界線）兩個(gè)ORC循環(huán)組成的聯(lián)合循環(huán)（見圖1-4），同時(shí)在發(fā)電系統(tǒng)中還加入了回?zé)崞鳎靡阅M同一余熱源分段利用或兩個(gè)不同溫度、熱功率余熱源利用的參數(shù)［26］。

1.3.4　有機(jī)朗肯循環(huán)應(yīng)用與創(chuàng)新

國(guó)外對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)研發(fā)起步較早，目前已經(jīng)有多家有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)商，發(fā)電機(jī)組也越來越趨近于一體化。主要生產(chǎn)廠商的應(yīng)用條件以及使用的工質(zhì)和做功方式見表1-1。

這些生產(chǎn)廠商的機(jī)組在實(shí)際系統(tǒng)中也得到很多應(yīng)用。我國(guó)在1993年年底建成的那曲地?zé)犭娬荆b機(jī)容量為1MW，采用以色列ORMAT公司的雙工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)機(jī)組系統(tǒng)，地?zé)釤嵩礈囟葹?10℃，有機(jī)工質(zhì)采用異戊烷［27］ 。 2002年尼加拉瓜地?zé)犭娬竞兔绹?guó)RafeRiver項(xiàng)目也使用ORMAT機(jī)組，裝機(jī)容量分別為22MW和16MW。比利時(shí)盧瑟拉樂垃圾電站和摩洛哥CIMAR水泥廠均使用意大利Turboden機(jī)組，裝機(jī)容量分別為3MW和2MW，其中垃圾電站熱源為180℃熱水，水泥廠熱源為330℃回轉(zhuǎn)窯排煙［28］。

隨著有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)的發(fā)展與改進(jìn)，2011年9月，第一屆國(guó)際ORC發(fā)電系統(tǒng)研討會(huì)在荷蘭召開［29］，會(huì)上各科研機(jī)構(gòu)以及ORC制造商提出了很多對(duì)于ORC系統(tǒng)形式的優(yōu)化以及應(yīng)用方式的創(chuàng)新。

舍布魯克大學(xué)M.M.RASHIDI等人提出了一種地?zé)崂玫挠袡C(jī)朗肯發(fā)電及制冷聯(lián)合循環(huán)的形式，見圖1-5 。 Zheng［31］等和Hasan［32］等用R245 fa對(duì)該模型進(jìn)行研究，Dai ［33］等用R123對(duì)該模型進(jìn)行研究。

西班牙學(xué)者Alonso Ojanguren，Laura等對(duì)水泥廠余熱回收也提出了分級(jí)利用的系統(tǒng)形式（見圖1-6），并將高溫工質(zhì)硅氧烷類和中低溫工質(zhì)烷烴類進(jìn)行組合，模擬了不同組合形式的余熱回收效果［34］。

韓國(guó)仁川大學(xué)學(xué)者Hyunjin Kim等提出一種用于提高汽車燃料利用率的有機(jī)朗肯循環(huán)膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)，并給出汽車發(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收利用的ORC系統(tǒng)圖，見圖1-7［35］ 。