有機朗肯循環系統研究綜述

黃雅婷 陶樂仁 黃理浩 喬家廣

摘要：

在研究了大量的文獻資料的基礎上，簡單介紹了有機朗肯循環（organic Rankine cycle，ORC）系統的運行原理，并分別對ORC系統的循環工質、性能影響參數、系統優化方式以及主要應用領域等方面的研究進展進行了論述。ORC系統作為一種熱力發電系統，雖具有十分廣闊的發展前景，但已有研究主要集中在理論分析上，要推廣其應用，仍存在許多實際問題需要解決。

關鍵詞：

有機朗肯循環; 循環工質; 系統性能優化; 應用領域

中圖分類號： TK 124 文獻標志碼： A

Review of Research on Organic Rankine Cycle System

HUANG Yating， TAO Leren， HUANG Lihao， QIAO Jiaguang

（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Based on a large number of literature materials are studied，a brief introduction of organic Rankine cycle（ORC） system operating principle，and the researches of ORC system on refrigerant，performance parameters，system optimization methods and main application fields are discussed respectively.As a kind of thermal power generation system，ORC system has a very broad prospect for development.But the previous research is mainly focused on the theoretical analysis.To promote the application，there are still many practical problems need to be solved.

Keywords：

ORC; refrigerant; performance optimization; application

能源與環境問題日益嚴重的今天，人們日趨重視太陽能、地熱以及各種中低溫廢熱。有機朗肯循環（organic Rankine cycle，ORC）系統，其原理圖和溫熵圖見圖1、圖2）作為一種能夠將低品位廢熱轉變為高品位電能的熱力發電系統，因其有機工質沸點低、凝固點低、冷凝壓力高、密度大、比容小、聲速低等特點，使其具有無需防凍設施、泄露少、尺寸小、汽輪機效率較高、不易發生液擊等優點，故對ORC系統的研究具有極大的研究意義，并成為了當今的研究熱點。目前對ORC系統的研究主要圍繞有機工質、ORC系統性能參數與系統優化、其他系統與ORC系統聯合運行和ORC系統的應用等方面。本文將從上述幾個方面針對目前研究ORC系統的研究進行總結。

1 關于ORC系統的研究進展

1.1 關于有機工質篩選的研究進展

有機工質篩選的評判標準圍繞安全環保性、熱力學性能與經濟性三個方面，不同類型和溫度的熱源所適用的工質也不同，如表1所示。

圖1 ORC系統原理圖

Fig.1 Principle of ORC system

圖2 ORC系統溫熵圖

Fig.2 T-s diagram of ORC system

表1 不同類型、熱源溫度推薦工質

Tab.1 Recommended refrigerants for heat source of different types and temperatures

許多學者利用各類軟件設計了關于有機工質篩選的計算程序。許俊俊等[10]利用MATLAB基于多級非結構性模糊決策分析方法建立了ORC系統工質優選體系，計算不同工質條件下的循環性能參數，依據上述三個評判標準進行優選。結果表明，在熱源溫度為150 ℃時，R123的綜合性能指標最優。張麗娜等[11]結合REFPRO8.0工質物性數據庫，利用MATLAB建立了ORC熱力性能計算程序，除具有系統循環熱力性能計算功能外，還具有工質篩選的作用。王華榮等[12]選用R600a，R114，R245fa和R245ca四種工質，由環境性模型、熱力學模型和經濟性模型組合建立ORC系統的多目標優化數學模型，利用BPGA算法得出各工質的最優蒸發溫度和冷凝溫度，并得出以R245fa為工質的ORC系統的綜合性能最佳的結論，且在變工況條件下仍表現出了最優的綜合性能。

對于中高溫熱源的ORC系統，有機工質的熱分解性是工質篩選的主要制約因素，目前被廣泛采用的工質是R245fa。戴曉業等[13]針對R245fa的熱穩定性和材料相容性進行了試驗研究，結果表明，R245fa的熱分解溫度在300～320 ℃時，金屬材料對其熱分解有著明顯的催化作用，且在實際系統中，如果反應時間較長，則易發生積碳，影響系統運行效率。

由于R245fa的GWP指數高，梁立鵬等[9]選用更加環保的R1234yf進行了系統火用效率與火用損模擬分析。研究表明，在熱源溫度為110～150 ℃時，R1234yf比R245fa具有更佳的熱力學性能。

1.2 關于ORC系統性能影響參數的研究進展

冷凝器、蒸發器參數是影響ORC系統性能的主要運行參數，一般存在最佳冷凝溫度和蒸發溫度。王華榮等[12]選取熱效率、火用效率、投資回收期和年減排量為目標函數，以蒸發溫度和冷凝溫度為控制變量，建立了ORC系統多目標優化數學模型，取得了四種工質的最優蒸發溫度和冷凝溫度。

為研究冷凝溫度對ORC系統性能的影響，董冰等[14]分別采用了三種冷凝器（臥式殼管式、蒸發式和風冷式），選取吐魯番、哈爾濱和廣州三個溫差較大的城市天氣作為氣候條件，采用NIST在MATLAB界面下編程計算不同冷凝器下的冷凝溫度，并給出了計算流程圖。董冰等[14]以R245fa為工質，在蒸發溫度為90 ℃，蒸發器出口過熱度為10 ℃，地熱溫度為110 ℃的條件下，計算發電量、經濟效益和環保效益。

結果表明：氣溫低、濕度小的地區ORC系統性能較好;蒸發式發電量最大、風冷式發電量最小。苗政等[15]采用EES軟件計算了飽和ORC系統在使用R245fa和R601a時，輸出凈功隨冷凝溫度變化的規律，同時分析了膨脹機膨脹比、最佳進口溫度和工質流量的變化情況。結果表明：當地熱源溫度為130 ℃，冷凝溫度從30 ℃降至0 ℃時，膨脹比增大約2倍，有機工質在膨脹機進口的最佳溫度升高，且波動幅度達15 ℃，工質質量流量增加超過30%，系統凈輸出功增長達120%。

根據工質蒸發溫度和壓力所在的區域，可將ORC分為跨臨界循環、近臨界循環和亞臨界循環。王羽平等[16]選用了干性、濕性、絕熱三種典型工質，建立數學模型，分析近臨界循環與亞臨界循環的性能差異，并從工質物性角度分析原因。結果表明：近臨界循環具有良好的變工況性能，且干性工質最適用于近臨界循環。薄華宇等[17]以110 ℃地熱水為熱源，對跨臨界ORC系統的凈功、效率和換熱器UA值進行了模擬計算，并針對六種有機工質的循環性能進行對比，分析了蒸發壓力對循環凈功與效率的影響，發現存在最佳蒸發壓力。但跨臨界循環蒸發壓力較高，蒸發器造價較貴，且透平設計難度加大。蒸發器換熱效率也是ORC系統的重要性能參數之一。魏莉莉等[18]針對低溫ORC系統，選取三種換熱器（板式、殼管式和滿液式）進行對比試驗，并設計了殼管式預熱器+滿液式蒸發器的組合式蒸發器對其進行理論分析與試驗測試，最終達到了飽和氣態工質穩定產生的目的，還提高了傳熱系數與傳熱效率。

1.3 關于系統結構優化的總結

研究影響性能的參數的目的是為了能夠優化系統性能，許多學者在ORC系統優化方面進行了創新。羅琪等[19]與Mago等[20]都曾提出抽汽回熱能顯著提升ORC系統熱效率。徐榮吉等[21]通過試驗得出，有回熱系統能優化ORC系統熱力學性能。文獻[22-23]指出再熱能避免乏汽濕度過高影響汽輪機運行，從而提高了ORC系統的熱效率。綜上所述，抽汽回熱、內回熱與再熱均能提升ORC系統的性能。余廷芳等[24]提出了再熱、抽汽回熱和內回熱三種方式相結合的新型ORC系統，其工作原理如圖3所示。在最佳再熱蒸汽壓力條件下，對單一內回熱、抽汽回熱、抽汽內回熱、再熱ORC系統分別進行了熱力學性能計算，得出新型ORC系統的熱效率達18.86%，遠高于單一ORC系統。

也有學者采用雙級ORC系統來提高系統熱效率。秦亞琦等[25]選取R141bR245fa，npentaneR600和isopentaneR114分別作為雙級ORC系統的工質，一級采用超臨界循環，二級采用亞臨界循環，工

作原理如圖4所示。分析表明：隨著一級蒸發壓力增大，工質為isopentaneR114和npentaneR600時，ORC系統效率先增大后減小，輸出凈功一直減小，采用R141bR245fa為工質的ORC系統的熱效率保持增大趨勢，各級工質質量流量變化幅度不大，系統的煙氣出口溫度偏高，具有進一步提高性能的潛力。崔雁清等[26]根據車用CNG發動機的余熱能分布特性設計了雙級ORC系統，該系統分為高溫循環和低溫循環，高溫循環以R245fa為工質，回收CNG發動機排氣部分，低溫循環分別以R245fa，R1234ze和R1234yf為工質，回收進氣中冷能量、高溫循環冷凝過程中釋放的能量和系統冷卻水中的能量。結果表明：較高的蒸發壓力和蒸發溫度以及較低的冷凝溫度可以提高ORC系統凈輸出功率和熱效率，且采用R245fa為工質時，系統的熱力學性能最優。

圖3 新型ORC系統工作原理

Fig.3 Working principle of the new ORC system

圖4 雙級ORC系統工作原理

Fig.4 Working principle of two-stage ORC system

1.4 關于ORC系統與其他系統聯合的研究進展

蒸氣壓縮制冷（VCR）系統與ORC系統聯合運行，使得采用太陽能驅動的家用小型空調成為可能，與吸收式、蒸汽噴射式制冷相比，其COP可高達1.4，且在室外溫度越高時COP越高。馬國遠等[27]利用軟件模擬計算復合系統的COP，并通過對比得出R134a作為VCR系統工質、R1234ze作為ORC系統工質時，會獲得較高的COP性能。莫東鳴等[28]耦合了跨臨界ORC系統和蒸汽壓縮制冷（VCR）循環，構建了由低溫煙氣驅動的冷電聯產復合系統，可以有效地回收低溫煙氣余熱進行發電和制冷，實現冷量和發電量的靈活配合，其系統原理圖如圖5所示。雷歡等[29]通過膨脹機與壓縮機同軸連接，將ORC系統與VCR系統聯合制冷，對比了采用Cyclohexane，D4，noctane和R141b四種工質的熱力學性能，并進行了系統火用損失計算，分析了ORC系統蒸發溫度、制冷劑蒸發溫度、透平效率等參數對系統COP的影響，當采用Cyclohexane為工質時，COP最高，達到1.262。

圖5 ORCVCR系統工作原理

Fig.5 Working principle of ORC-VCR system

ORC系統不僅能采集內燃機（ICE）的燃燒煙氣廢熱，還能利用其機組套缸冷卻水余熱發電。岳晨等[30]提出了一套ICEORC系統，可利用ICE動力啟動ORC系統，ORC系統穩定運行后又將動力使輸給ICE，在標定負荷下，該系統熱效率較ICE子系統提高了7.8%，而ORC系統投資回收期僅為9 300 h，且經濟性優勢隨燃料的價格的提高而提高。

聯合其他熱源系統也是一種新的聯合方式，為充分回收礦藏熱采過程尾端低溫蒸汽余熱，楊新樂等[31]利用太陽能補充預熱器中熱源顯熱以縮小換熱溫差，提出了一種新型低溫蒸汽太陽能雙熱源ORC發電系統。

1.5 關于ORC系統應用領域的研究進展

ORC系統在歐美市場已經得到了長足的發展，包括工業余熱及太陽能、地熱能、生物質能等新能源，裝機容量最大的領域為地熱，但國內市場還處于起步階段。從裝機數量上看，最多的是意大利的Turboden公司，其ORC機組主要集中在生物質及工業余熱，故裝機容量較小。目前，利用ORC技術回收地熱能發電的最為先進的公司是美國ORMAT。

我國目前主要將ORC系統應用在水泥廠、石化廠等工業領域。李浩[32]在現有常規水泥余熱發電系統基礎上，增設ORC機組，經過理論計算和實際工程分析得出，當窖尾收塵器溫度達到150 ℃左右時，2 500～5 000 t/d水泥生產線余熱發電能力新增電量250～350 kW，并發現300 ℃以上的余熱不適宜作為ORC系統熱源。秦文戈[33]將兩臺ORC系統熱水發電機組串級應用于海南煉油化工有限公司，以回收芳烴聯合裝置中存在的大量低溫余熱，采用浙江開山集團的串級有ORC系統發電站，工質采用R245fa，一年可直接節省電費1 649.5萬元。

ORC技術作為一項低品位余熱回收的有效途徑，在內燃機余熱回收領域也得到了廣泛的研究。楊凱等[34]設計了一套車用柴油機余熱回收系統，以R416a為工質，通過試驗確定了螺桿膨脹機的最優工況點。結果表明：輸出功率最大提高30.6 kW，熱效率最大提高10.99%，余熱回收效率最高達10.61%，有效燃油消耗率最大降低3 535 g/（kW·h）。朱軼林等[35]利用設計的ORC系統回收船舶柴油機的排氣能量，研究結果表明：以R245fa為工質時，最佳蒸發溫度為117 ℃，最佳冷凝溫度為316 K，膨脹比為6.6，熱效率可以達到12%。李金平等[36]利用GTPOWER對某國產30 kW沼氣發電機組發動機建立模型，利用ASPEN PLUS建立利用燃燒煙氣和機組套缸冷卻水余熱的ORC系統模型，分析了過量空氣系數對發動機性能、煙氣余熱利用、ICEORC聯合循環系統的影響。結果表明：應根據沼氣甲烷含量適當地增加過量空氣系數。

2 尚待解決的問題

目前，我國的經濟結構正面臨著調整且能源需求量大，ORC系統作為一個熱力發電系統，在低溫余熱回收發電方面具有較明顯的優勢，但是卻沒有得到大規模的推廣和應用，要想改變這樣的現狀，推進ORC系統的使用和發展，就要解決以下幾個正在面臨的問題：

（1） 研究理論與實際脫節，企業對科研機構的研究反應遲鈍。現有文獻大多是通過理論模擬分析，缺乏試驗研究，忽視實際應用中的問題。應加強各企業與科研機構的合作，共同解決工程運用中的關鍵問題，如密封系統測試、控制系統測試、高速軸承耗損測試等。

（2） 缺乏行業標準與政策支持。國內檢測及行業標準規范缺乏，余熱定義統計標準不同，行業配套及數據不完善。ORC技術仍需要國家政策的支持，并將產業補貼落到實處。

（3） 產品經濟性不突出。組件大多依靠進口，效益不抵成本，回收期達兩三年以上。換熱器、膨脹機、泵的效率不盡人意，冷卻水功耗問題受忽視，膨脹機匹配性較差。

3 結 語

（1） 目前，學者們大多是選取兩個或三個性能參數為評價標準，在一定程度上緩解了工質選擇的單一性問題，但少數目標無法全面反映系統綜合性能。一些學者采用多級目標，但每位學者的側重點不同，存在主觀性問題。若采用多級非結構性模糊決策分析法，可避免主觀權重問題，只是計算過程比較復雜?？傊?，有機物的選擇應在環境友好的基礎上，做到與系統熱源的溫度、性質相匹配，從而達到提升系統熱效率的目的。

（2） 目前對于ORC系統性能參數的研究主要集中在冷凝溫度、蒸發溫度上，且存在最佳冷凝溫度和蒸發溫度。提高蒸發溫度可提高系統熱效率，因此采用近臨界循環與超臨界循環，但此時透平入口出現超音速，故選擇蒸發溫度時要考慮工質臨界溫度、熱源溫度和系統耐壓程度等因素。降低冷凝溫度可提高系統熱效率，但要防止冷凝壓力低于大氣壓力，造成負壓。窄點溫差、透平效率等也是需要研究的重要性能參數。

（3） 提高換熱器、膨脹機、泵效率，采用再熱、回熱、跨臨界循環或雙級ORC系統等方式都可優化系統性能。目前國內膨脹機的匹配性較差，大多靠進口，成本居高不下，故透平的設計與優化值得引起學者們的研究。

（4） ORC系統與其他系統（如蒸汽壓縮制冷、內燃機等）的聯合運行不僅是對ORC系統的一種優化，同時也是對其他系統應用的一種推進，相互克服缺陷，創造出更多的可能性。同時，與其他冷熱源相聯合以優化ORC系統的回收效率，可達到更好的能源利用效果。

（5） 近年來，ORC系統在低溫余熱回收領域的優勢引起了廣大學者的重視，國內眾多廠家紛紛嘗試，雖然ORC系統在歐美市場的應用已經趨于成熟，然而我國的研究仍偏離實際工程，離產業化較遠，ORC系統應用市場仍處于待開發階段。學者們將目光大多放在工業余熱、內燃機、地熱等方面，但還有大量未能合理利用的低溫余熱領域值得關注，例如生物質能、鋼鐵行業、采油、玻璃制造、金屬冶煉等。

參考文獻：

[1] 徐建，董奧，陶莉，等.利用低品位熱能的有機物朗肯循環的工質選擇[J].節能技術，2011，29（3）：204-210.

[2] WANG Z Q，ZHOU N J，GUO J，et al.Fluid selection and parametric optimization of organic Rankine cycle using low temperature waste heat[J].Energy，2012，40（1）：107-115.

[3] TCHANCHE B F，PAPADAKIS G，LAMBRINOS G，et al.Fluid selection for a low-temperature solar organic Rankine cycle[J].Applied Thermal Engineering，2009，29（11/12）：2468-2476.

[4] 韓中合，杜燕，王智.有機朗肯循環低溫余熱回收系統的工質選擇[J].化工進展，2014，33（9）：2279-2285.

[5] KHENNICH M，GALANIS N.Thermodynamic analysis and optimization of power cycles using a finite low-temperature heat source[J].International Journal of Energy Research，2012，36（7）：871-885.

[6] LIU W，MEINEL D，WIELAND C，et al.Investigation of hydrofluoroolefins as potential working fluids in organic Rankine cycle for geothermal power generation[J].Energy，2014，67：106-116.

[7] WANG X W，LIU X M，ZHANG C H.Parametric optimization and range analysis of organicrankine cycle for binary-cycle geothermal plant[J].Energy Conversion and Management，2014，80：256-265.

[8] SALEH B，KOGLBAUER G，WENDLAND M，et al.Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles[J].Energy，2007，32（7）：1210-1221.

[9] 梁立鵬，曹園樹，胡冰，等.R1234yf有機朗肯循環系統熱力學性能研究[J].新能源進展，2014，2（3）：197-203.

[10] 許俊俊，羅向龍，王永真，等.ORC工質選擇的多級非結構性模糊決策分析[J].化工學報，2015，66（3）：1051-1058.

[11] 張麗娜，朱彤，王海鷹，等.ORC系統熱力性能計算程序開發[J].熱能動力工程，2014，29（1）：41-45.

[12] 王華榮，徐進良.采用BPGA算法的有機朗肯循環多目標優化[J].中國電機工程學報，2016，36（12）：3168-3176.

[13] 戴曉業，安青松，騫偉中，等.HFC245fa作為有機朗肯循環工質的熱穩定性和材料相容性研究[J].工程熱物理學報，2015，36（7）：1392-1396.

[14] 董冰，張凱，高磊，等.ORC螺桿膨脹發電機組在不同地域和季節的性能分析[J].制冷技術，2015，35（1）：11-16，20.

[15] 苗政，劉廣林，徐進良，等.變冷凝工況地熱有機朗肯循環發電系統[J].重慶大學學報，2014，37（6）：51-55.

[16] 王羽平，湯磊，楊平，等.近（亞）臨界有機物朗肯循環的性能分析[J].中國電機工程學報，2014，34（20）：3251-3256.

[17] 薄華宇，朱家玲，李太祿.跨臨界有機朗肯循環工質選擇及系統參數優化[J].太陽能學報，2015，36（11）：2625-2631.

[18] 魏莉莉，張于峰，穆永超.低溫朗肯循環發電系統中的蒸發器設計研究[J].低溫工程，2015（6）：31-36.

[19] 羅琪，翁一武，顧偉.抽汽回熱式有機工質發電系統的熱力特性分析[J].現代電力，2009，26（6）：39-44.

[20] MAGO P J，CHAMRA L M，SRINIVASAN K，et al.An examination of regenerative organic rankine cycles using dry fluids[J].Applied Thermal Engineering，2008，28（8/9）：998-1007.

[21] 徐榮吉，席奐，何雅玲.內回熱/無回熱有機朗肯循環的實驗研究[J].工程熱物理學報，2013，34（2）：205-210.

[22] 李寧，張鑫，白皓，等.有機朗肯循環與再熱式循環低溫熱源發電系統熱力性能研究[J].工業加熱，2012，41（2）：44-47.

[23] 沈維道，童均耕.工程熱力學[M].3版.北京：高等教育出版社，2000.

[24] 余廷芳，廖雷，劉冉.再熱抽汽回熱內回熱結合的有機朗肯循環熱力性能分析[J].熱力發電，2016，45（5）：16-20.

[25] 秦亞琦，王重陽.基于中高溫熱源的雙級有機朗肯循環性能研究[J].發電與空調，2017，38（1）：11-16.

[26] 崔雁清，尤琦，湯傳琦，等.基于雙有機朗肯循環的CNG發動機余熱回收系統參數優化及工質選擇[J].車用發動機，2016（5）：61-68.

[27] 馬國遠，房磊，許樹學，等.不同工質有機朗肯-蒸汽壓縮復合式熱泵系統的能效特性比較[J].北京工業大學學報，2016，42（2）：296-301.

[28] 莫東鳴，胡雷鳴，朱小英.耦合跨臨界有機朗肯循環和蒸氣壓縮制冷循環分析[J].熱能動力工程，2015，30（5）：684-688.

[29] 雷歡，楊金福，唐長亮，等.結合ORC和VCR的中溫余熱回收系統性能分析[J].熱能動力工程，2017，32（1）：7-12.

[30] 岳晨，韓東，焦煒琦，等.內燃機有機朗肯循環聯合循環動力系統技術經濟性能分析[J].內燃機學報，2012，30（3）：266-271.

[31] 楊新樂，董思含，黃菲菲，等.低溫蒸汽太陽能雙熱源ORC發電系統熱力性能分析[J].熱能動力工程，2016，31（1）：105-110.

[32] 李浩.ORC系統在水泥工業余熱利用中的應用[J].水泥技術，2015（4）：77-80.

[33] 秦文戈.ORC熱水發電技術在芳烴聯合裝置中的應用[J].當代化工，2015，44（2）：307-309.

[34] 楊凱，張紅光，宋松松，等.車用柴油機有機朗肯循環聯合系統的設計及分析[J].內燃機工程，2016，37（3）：117-122.

[35] 朱軼林，李惟毅，孫冠中，等.船舶煙氣余熱驅動有機朗肯循環的系統性能分析[J].化工進展，2016，35（12）：3858-3865.

[36] 李金平，汪秋剛，周正清.過量空氣系數對沼氣內燃機ORC系統性能的影響[J].熱能動力工程，2016，31（8）：38-43.