1.3　有机朗肯循环研究及应用现状

1.3.1　有机朗肯循环工质的研究

工质的物性对于循环整体工作性能有很大程度的影响，也对整体循环中各重要设备的设计与制造有重要影响。早期有机朗肯循环工质有氨水、二甲醚等有机物；当前，有机朗肯循环工质大概分为制冷剂类、烷烃类、芳香烃类与硅氧烷类等四类。

在以太阳能为热源的有机朗肯循环研究中，各国学者对不同应用中使用的工.质做了以下研究：

（1）海水淡化系统。例如希腊学者D.Manolakos等以R134a为工质，建立了太阳能有机朗肯循环用于海水淡化系统［8］。 2007年，西班牙学者Delgado-Torres提出梯级利用不同温度太阳能热源，建立两级朗肯循环太阳能脱盐系统，系统中将甲苯或MM（六甲基二硅氧烷）和异戊烷搭配，分别作为高、低温级循环工质［9］。

（2）太阳能发电系统。Bahaa Saleh等人在设定的太阳能低温朗肯循环工况下，通过理论计算得出31种纯工质的循环效率，分析对比表明，R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601a、RE13和R E245等工质比较适宜［10］ 。 V.M.Nguyen等建立以n-pentane为工质的太阳能低温发电机组，获得系统热效率4.3%［11］。西班牙学者Lourddes García-Rodríguez等人分析指出，在太阳能集热板和蒸汽轮机中，硅氧烷的工作性能良好，可用于分布式太阳能为热源的有机朗肯循环发电系统［12］。昆明理工大学的王辉涛等根据PR状态方程，从11种低沸点有机流体工质中筛选适合低温太阳能热力发电有机朗肯循环的工质，指出正己烷和正戊烷能获得较高的循环热效率［13］。王晓东从实验和理论的角度分别研究了用于太阳能中低温朗肯循环系统［14］。

实际应用中，选取工质时应从工质的各方面性质进行综合考虑，具体的选取原则主要有以下三点。

（1）热力学性能符合要求，主要表现在适用范围和适用性能两方面。首先，系统最高运行温度和压力不得超过工质的最大可用温度和压力，最低温度和压力不得低于工质的凝结温度；其次，为了系统简洁、设备简单，建立有机工质朗肯循环系统时一般选择干工质，即饱和蒸汽线大于0的工质。

（2）安全性、毒理性、稳定性与环保性符合要求。安全性主要指工质是否易燃易爆、能否安全使用的特性，在不能避免使用有燃烧爆炸可能性的工质时，不仅要查询工质的自燃温度，还要查询准确的工质的爆炸浓度极限，以设置相应的保护措施。毒理性是指工质对运行人员是否有生理毒性，该数据可通过ASHARE手册以及相关化学手册查询，避免使用剧毒工质，并做好防毒措施。稳定性是指工质在运行温度范围内保持有效成分的程度，要避免工质在运行参数下分解，因此设置运行参数时对于工质化学稳定性的考量也尤为重要。环保性主要是指工质的全球变暖潜能值（GWP）和臭氧消耗潜能值（ODP）。

（3）易购买，价格合理。选取工质时，应考虑工质是否容易从市场上买到，且价格是否能够接受。是否容易购买主要受国际政策和议定书的影响，其中《蒙特利尔议定书》和《京都议定书》对于制冷剂的使用有相应的淘汰年限。价格上，制冷剂类工质比较昂贵，硅氧烷与烷烃价格较低。

1.3.2　有机朗肯循环工质参数研究

有机朗肯循环的工作性能不仅和循环使用的工质有关，还和循环的运行参数有关。蒸发压力小于工质临界压力为亚临界循环，蒸发压力等于临界压力则为跨临界循环，蒸发压力大于临界压力则为超临界循环，3种情况的循环T-S图见图1-2。太阳能所能提供的热源温度范围一般为100～400℃，在该温度范围内，各国学者对于不同热源的有机朗肯循环参数也有很系统的研究。

台湾义守大学Hung TC等人对回收200℃的低温废热的有机朗肯循环性能分析表明：苯、甲苯、对二甲苯、R113和R1235种工质饱和蒸汽做功时，进气压力越大，系统效率越高［17］。 Maizza等人在固定的蒸发温度80～110℃和冷凝温度35～60℃下对11种纯工质和9种混合工质的有机朗肯循环性能进行对比［18］。德国学者UlliDrescher等人在生物质能有机朗肯循环研究中发现，在循环最高温度为300℃左右时，烷基苯族的蒸发压力以0.9～1.5MPa为佳［19］ 。 Borsukiewicz Gozdur等人对80～115℃地热有机朗肯循环系统的研究表明：工质临界温度越接近地热热水温度，系统效率越好［20］ 。 F.J.Fernández等人对线性及环状硅氧烷在饱和膨胀、过热膨胀以及超临界膨胀3种参数的分析表明超临界参数对于高温工质是个不错的选择［21］。Lisheng Pan在90℃热源下，对HFC125、HFC143a和HF218在亚临界参数变化到超临界参数的循环性能作了分析，结论表明近临界参数比超临界参数更有价值［15］ 。 Angelo Algieri对ORC循环采用饱和蒸汽和过热蒸汽膨胀作了参数分析和能量分析，同时也考虑了亚临界和跨临界参数，结果表明亚临界情况下无IHE的系统效率随着汽轮机进口温度升高反而下降，而带回热器（IHE）的系统效率却随着汽轮机进口温度上升而升高。跨临界参数下系统也表现出同样的情况［16］。刘广林等研究R290为工质的超临界地热ORC循环性能，结果表明最大输出功率随着地热热源温度的增加和汽轮机进口压力的增加而增加［22］。

1.3.3　有机朗肯循环系统形式研究

系统形式对于有机朗肯循环系统的性能也有较大的影响，目前大多数有机朗肯循环系统主要有两种系统形式：①基本有机朗肯循环；②带回热的有机朗肯循环。主要利用汽轮机乏汽预热冷凝加压后的工质，以太阳能有机朗肯循环系统为例，具体系统形式见图1-3。很多学者对于多种工质在不同的系统形式下的工作性能也进行了研究。

Pedro J.Mago等人对R113、R245ca、R123和isobutane 4种干工质在基本循环和带IHE的循环中的热效率和不可逆损失的分析表明回热循环比基本循环效率高，不可逆损失更小，输出相同功率所需要的热源热量也更少［23］ 。 Ngoc Anh Lai以烷烃、芳香烃以及线性硅氧烷作为工质分析高温ORC系统性能，结论表明，带IHE的系统比基本ORC系统效率更高［24］。中国科技大学李昀竹以R123为工质对基本ORC循环和带IHE的ORC循环作了对比，在冷凝温度定为30℃时，蒸发压力在一定范围内的提高有助于提高系统效率，但是在大于某额定值后，系统热力学第二定律效率下降。在冷凝温度30℃，蒸发压力1.5MPa的情况下，饱和蒸汽参数下循环效率和热力学第二定律效率都是最高的［25］。西安交通大学也提出了由高温和低温（以系统工质的工作温度是否超过150℃为分界线）两个ORC循环组成的联合循环（见图1-4），同时在发电系统中还加入了回热器，用以模拟同一余热源分段利用或两个不同温度、热功率余热源利用的参数［26］。

1.3.4　有机朗肯循环应用与创新

国外对于有机朗肯循环研发起步较早，目前已经有多家有机朗肯循环发电机组的生产商，发电机组也越来越趋近于一体化。主要生产厂商的应用条件以及使用的工质和做功方式见表1-1。

这些生产厂商的机组在实际系统中也得到很多应用。我国在1993年年底建成的那曲地热电站，装机容量为1MW，采用以色列ORMAT公司的双工质有机朗肯循环机组系统，地热热源温度为110℃，有机工质采用异戊烷［27］ 。 2002年尼加拉瓜地热电站和美国RafeRiver项目也使用ORMAT机组，装机容量分别为22MW和16MW。比利时卢瑟拉乐垃圾电站和摩洛哥CIMAR水泥厂均使用意大利Turboden机组，装机容量分别为3MW和2MW，其中垃圾电站热源为180℃热水，水泥厂热源为330℃回转窑排烟［28］。

随着有机朗肯循环技术的发展与改进，2011年9月，第一届国际ORC发电系统研讨会在荷兰召开［29］，会上各科研机构以及ORC制造商提出了很多对于ORC系统形式的优化以及应用方式的创新。

舍布鲁克大学M.M.RASHIDI等人提出了一种地热利用的有机朗肯发电及制冷联合循环的形式，见图1-5 。 Zheng［31］等和Hasan［32］等用R245 fa对该模型进行研究，Dai ［33］等用R123对该模型进行研究。

西班牙学者Alonso Ojanguren，Laura等对水泥厂余热回收也提出了分级利用的系统形式（见图1-6），并将高温工质硅氧烷类和中低温工质烷烃类进行组合，模拟了不同组合形式的余热回收效果［34］。

韩国仁川大学学者Hyunjin Kim等提出一种用于提高汽车燃料利用率的有机朗肯循环膨胀机的设计，并给出汽车发动机余热回收利用的ORC系统图，见图1-7［35］ 。