2.3　ORC系統熱力學計算模型

2.3.1　計算模型中變量分析

由系統參數設計計算采用的預設參數變量可以看出，主要變量是工質的蒸發壓力P1，工質在汽輪機入口蒸汽的過熱度ΔTsup以及汽輪機的進出口工質壓力比ε。在有機工質朗肯循環系統計算中，將汽輪機進出口壓比分別與蒸發壓力和汽輪機入口蒸汽過熱度組成兩組變量參數，對有機工質朗肯循環系統運行參數進行計算比對，以評價3個變量參數對于系統工作性能的影響，具體變量設置與計算模型結合方式如下：

（1）汽輪機壓比ε與蒸發壓力P1組合。為評價工質蒸發壓力P1與汽輪機壓比ε對有機工質朗肯循環系統效率的影響，預設各工質的汽輪機入口溫度Th。根據參數設計所述，汽輪機壓比以及蒸發壓力見表2-4，初終值設為雙循環，依次計算各循環對應的運行參數，模型中初始狀態點1的參數計算公式為

（2）汽輪機壓比ε與汽輪機入口工質蒸汽過熱度ΔTsup組合。為評價汽輪機入口工質蒸汽過熱度ΔTsup與汽輪機壓比ε對有機朗肯循環系統熱效率的影響，汽輪機壓比以及汽輪機入口工質蒸汽過熱度見表2-5，初終值設為雙循環，依次計算各循環對應的運行參數，模型中初始狀態點1的參數計算公式為

2.3.2　基本有機朗肯循環計算模型

基本有機朗肯循環T-S圖見圖2-3，基本有機朗肯循環與傳統的無抽氣無再熱朗肯循環過程相同：有機工質在汽輪機中從進口點1到出口點2膨脹做功，乏汽進入冷凝器等壓冷卻凝結到冷凝器出口點3，工質循環泵接著將液體工質加壓到蒸發壓力，加壓后的工質從泵出口點4進入蒸汽發生系統，和太陽能場導熱油等壓換熱后升溫到汽輪機進口點1，由此完成典型的有機朗肯基本循環過程。結合以上過程，根據熱力學原理可推出基本有機朗肯循環計算模型。

根據整個基本有機朗肯工作過程，可推出循環各設備節點壓力關系如下：

計算過程中，忽略管路與各換熱設備中的壓降。

有機朗肯循環系統計算過程中所用的Refpropm為NIST編制的查詢工質物性的函數，其余參數數值關系均由朗肯循環四部分過程關系算得。工質在循環中的初始狀態點由初始溫度和初始壓力決定，其計算公式為

由汽輪機級內相對內效率定義可知，工質在汽輪機內膨脹做功過程的實際焓降等于理想等熵焓降乘以汽輪機相對內效率。　與汽輪機入口參數點等熵的理想汽輪機出口狀態點2s由汽輪機出口壓力P2與初始狀態點的熵S1決定，工質理想等熵膨脹的出口點2s 焓值為

汽輪機設置為單級汽輪機，因此汽輪機內實際焓降由級內相對內效率公式推得

式中：　ηt為汽輪機的相對內效率。

工質在汽輪機內膨脹引起的焓降為

干工質在汽輪機出口的乏汽往往處于過熱蒸汽狀態，乏汽在冷凝器中經過等壓冷卻凝結兩個過程至飽和液體狀態。冷凝器出口工質狀態點為汽輪機出口壓力P2下的飽和液體點，即

單位質量工質在冷凝器中放熱量為

冷凝后的飽和液態工質被工質泵加壓至蒸發壓力P1，然后進入蒸發系統。理想工質泵等熵加壓后的出口點4s由蒸發壓力P1和冷凝器出口點的熵S3確定，因此焓值　H4s為

工質泵的實際耗能應由等熵耗能除以工質泵的等熵效率，由此可求得工質泵實際加壓后出口點4的焓值為

式中：ηp為工質泵的等熵效率。

工質泵加壓單位質量工質所消耗能量為

工質經工質泵加壓后，由狀態點4進入蒸汽發生系統中與太陽能場導熱油換熱，吸收能量升溫蒸發至汽輪機入口狀態點1，單位質量工質在蒸汽發生系統中吸熱量為

基本有機朗肯系統熱效率由有效輸出功除以工質在蒸發系統中吸收的總熱量求得

2.3.3　帶IHE有機朗肯循環計算模型

帶IHE的有機朗肯系統T-S圖見圖2-4，與基本有機朗肯循環不同之處在于IHE中冷熱流體的換熱過程，圖中點2到點3為回熱器中熱流體冷卻過程，點5到點6為回熱器中冷流體升溫過程。帶IHE的有機朗肯系統各設備節點壓力關系為

帶IHE的有機朗肯循環中，汽輪機部分膨脹原理與基本有機朗肯循環相同，汽輪機進出口參數點計算方法也相同，見式（2-4）～式（2-7）。

回熱器熱流體出口與冷流體之間溫度差ΔTIHE是回熱器設計制造參數。為了方便回熱器制造，文中設ΔTIHE為10℃。帶IHE的有機朗肯循環中冷凝器出口點4與基本有機朗肯循環中冷凝器出口點3一樣，都處于汽輪機出口壓力下的飽和液體狀態，該點物性參數為

點5為工質由點4經過工質泵加壓到蒸發壓力后的工質泵出口狀態點，該點的物性參數求解過程為

再由回熱器冷端換熱端差定義可求得回熱器中熱流體出口點3溫度T3，點3物性參數由該點溫度T3與汽輪機出口壓力P2確定，其計算公式為

確定熱流體在回熱器中出口狀態點3后，單位質量熱流體在回熱器中放熱量為

假設IHE換熱效率為ηIHE，單位質量冷流體吸收的熱量等于放熱量乘以換熱效率算得，冷流體出口點焓值為

帶IHE的有機朗肯系統中，回熱器中熱流體流入冷凝器，工質在冷凝器中焓降為

冷凝后的飽和液態工質被工質泵加壓至蒸發壓力，然后進入蒸發系統，帶IHE的有機朗肯系統中理想工質泵等熵加壓出口點焓值為H5s，實際工質泵出口點焓值為H5，根據工質泵的等熵效率公式推得工質泵加壓單位質量工質所消耗能量為

IHE系統蒸汽發生系統中工質從熱源導熱流體吸收的熱量比基本系統少，這是由于回熱器回收乏汽熱量預熱工質所致，由計算過程可看出帶IHE的有機朗肯循環中，工質在蒸發系統入口狀態點參數比基本有機朗肯循環中有所提高，單位工質吸收熱量為

IHE系統熱效率定義與基本ORC系統相同，其計算公式為

帶IHE的ORC循環效率提高的主要原因是工質需要在蒸發系統中吸收的熱量減少了。