低温热能有机物发电系统热力研究

刘振兴

摘 要：本文以有机物朗肯循环（ORC）发电系统为研究对象，阐述了工质的性质，主要围绕工作压力、饱和蒸汽密度和环保元素等方面展开论述。通过对工质热力性质的研究，阐释了有机物朗肯循环发电系统地构建机制。

关键词：热能有机物；发电系统；工质；热力

1 引言

ORC即有机物朗肯循环，是一种闭式朗肯循环，工质为低沸点有机物，如氟利昂等。该类低沸点有机物能在较低的温度环境下高效地利用热能。因此，该循环系统具有蒸发温度低、热效率高、冷凝温度低及设备简单等优点，被公认为是一种高效的低温热能有机物发电系统。对于该ORC循环发电系统来说，工质的选择十分重要，只有满足了其热力性质，才能保证系统良好地运行。此外，在构建ORC循环发电系统的过程中，要科学地处理和计算各个参数。

2 ORC循环发电系统有机物工质分析

2.1 有机物工质性质分析

有机物工质是一种节能型、高效型的媒介，具有鲜明的压力特征和属性特点。特别是压力承受度，其作为主要的压力特征，是判断工质指标的重要依据。

（1）压力特征，特别是工质的选择。科学的工质是ORC循环系统良好运行的基础。因此，必须重视工质的选择，在选择工质之前，要对备选工质的压力承受度进行准确的评估。由于ORC循环系统是一种低温型的热能有机物发电系统，在选取100℃以下的热能时，水不适合作为工质，会造成发电系统处于负压状态。若用水作为工质，发电系统需要有更高的密封工艺。因此，无论是从热能率上，还是从发电系统的工艺要求方面，选用水作为工质是不科学的。发电系统的有机工质的选择要以系统功率为基础。如果工质的工作压力超过发电系统的功率需求，就会降低系统的热能利用率，增加系统管道壁的厚度，从而增加系统的成本造价，也使得管道的热能损耗大大增加。这与ORC循环系统的高效性原则相违背。同时，当工质的工作压力过高时，就会造成发电系统的很多设备处于超负荷的工作状态，例如转换器，当其处于超负荷工作状态时，会大大增加自损能量的消耗，从而降低系统地整体工作效率。因此，在构建ORC循环系统的过程中，要根据系统地设计需要，合理地选择与工作压力相应的工质。

（2）工质的干湿。有机工质的干湿程度，通过饱和蒸汽度表示。采用饱和蒸汽线的斜率表示工质的干湿，可以提高控制的有效性。饱和蒸汽线是指在S-T下，T随S变化的曲线。根据曲线的变化程度，就可以直观地表现出工质的干湿程度。当该曲线的曲率接近零时，表明工质为绝热工质；当曲线的曲率低于零时，则表明工质为湿工质；反过来，曲线曲率大于零时，工质为干工质。ORC循环发电系统更适合采用干工质。当ORC发电系统热能较小时，容易导致机轮发生膨胀，进而损害工质。此外，机轮若长期工作在湿工质环境下，会缩短使用寿命，影响系统正常运行。而干工质与湿工质不同，其在人能的影响下能够有效控制膨胀范围，避免出现膨胀幅度过大的现象，进而也避免了干工质超出过热区的问题。将水或含氢键的有机物掺入干工质中，可以大大增加工质的工作压力，从而使系统地功率增大。

2.2 有机物工质的环保性能

ORC循环发电系统作为低温型热能有机物发电系统，在性能上要注重突出高效节能的特点，尤其是环保性能。干工质在工作的过程中，会破坏臭氧层，造成温室效应。因此，要严格控制工质的各项指标。与此同时，要密切关注工质的热稳定性，确保系统正常运行。

3 ORC循环系统的构建

在构建ORC循环系统的过程中，首先要明确系统地工作原理，特别是循环发电系统模型的构建。发电系统模型的构建是ORC循环系统的基础。

3.1 ORC循环系统地热力原理

工质是循环发电系统中热能与机械能相互转化的媒介，其主要在膨胀条件下通过平移做功，并在冷凝器中释放热能。工质的运动能力由泵提供，低温热能由工质吸收。在做功的过程中，工质经历了加热、沸腾的循环过程。由此看来，ORC循环系统能够回收利用系统地余热，具有高效节能的特点。

3.2 ORC循环系统的功率

系统内耗和透平做功决定ORC循环发电系统的发电效率。工质对热能的吸收量直接影响着系统地热能转化率。泵是系统内耗最大的设备，因此，在构建循环系统的过程中要加强对泵的控制。

3.3 相关参数的计算

重要的参数包括机轮的膨胀比值、泵的控制参数以及管道的散热控制等。机轮的膨胀比值主要根据机轮的进出口压力比值进行计算。通过反复实践发现，当工质的蒸汽温度应该控制在80℃左右，工质的透平工作效率应该控制在0.8左右。泵是循环系统内耗的主要部分，因此，其参数的控制也非常重要。泵的控制参数的计算以变频方式为主。管道的散热控制要根据相关参数的计算，把握好管道的厚度，从而优化系统的成本控制。

4 结语

对于ORC循环发电系统来说，工质的性能十分重要。工质在循环发电系统中占有关键的地位，其实热能和机械能相互转化的媒介，有机物工质的性质不同会产生不同的热能。ORC循环发电系统采用不同的有机物工质模式，可以使能量多级利用，能够回收利用系统的余热，具有高效节能的特点。

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