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摘要：本文以某型微燃机排出的尾气作为有机朗肯循环发电系统的输入热源，建立了热力学模型，分别选取了环戊烷和苯作为循环工质，进行了系统主参数的优化研究。结果表明，两种工质均随着蒸发温度的升高，有机工质流量相应地减少，系统排烟温度增加，而系统净输出电功率先增加后下降，存在一个最大发电功率。采用前者的ORCs最大净发电量要增加8.56%，相应地的循环效率增加0.46%。因此，从热力性能方面考虑，选择环戊烷比较合适。
关键词：有机朗肯循环；有机工质；余热回收；热力学模型
1前言
随着分布式能源系统（DistributedEnergySystem，DES）在中国的大力发展与应用，微型燃气轮机的研究与应用相应地得到了快速发展。虽然微型燃气轮机均带有回热器，但其排气温度仍有280℃左右，倘若直接排出会造成能源的浪费和对环境的热污染。近年来由于化石能源日趋紧张和全球气候变暖的影响，低品位能源的利用越来越受到全世界的关注。有机朗肯循环（OrganicRankineCycle，ORC）利用具有较低临界温度的有机物（如R245fa等）作为循环工质，被广泛地应用于工业余热、地热、生物质能和太阳能，以及燃机尾气等低品位热源发电领域。
本文以某型微燃机排出的尾气作为热源，根据热源特性和热力学基本原理，筛选了合适的循环工质，并对低温有机朗肯循环发电系统进行了热力性能分析，及热力主参数优化研究。
本文中的微型燃气轮机排出的尾气温度为270℃，需要选择高温有机工质，分别选择了环戊烷和苯作为循环工质，进行了ORC系统热力循环性能分析和比较。
2热力学模型
基本的有机朗肯循环发电系统（ORCs）主要由蒸发器、膨胀发电机、冷凝器和有机工质泵组成错误！未找到引用源。。ORCs的基本工作原理同普通的朗肯循环原理是一样的：有机工质被泵加压，至锅炉（蒸发器），生成高压的蒸汽，从而推动透平（膨胀机等）做功，最终乏气在冷凝器中被冷凝，工质被回收，从而形成一个循环。
图1（a）为基本的有机朗肯循环系统示意图，图3（b）为基本ORCs的T-S图，1-2为膨胀过程；2-3为等压冷凝过程；3-4为液体工质升压过程；4-1为定压加热及蒸发过程。
本模型假设系统处于稳定运行状态，忽略系统表面的散热损失和管道等压力损失，根据上述公式可以得到基本的ORCs的热力学计算模型。
3系统热力分析
本文以某型微燃机排出的尾气为ORCs的输入热源，尾气流量为0.8kg/s，温度270℃，压力为101kPa。计算中，假定环境温度为20℃，蒸发器、冷凝器的节点（窄点）温度取10℃。
（1）环戊烷工质热力性能分析
结果表明，随着蒸发温度的增加，有机工质流量相应地减少，排烟温度增加，而系统净输出电功率先增加后下降。其中，蒸发温度170℃的工况下，系统的净电功率达到最大值，为24.07kW，系统循环效率为15.04%，详见图2所示。
（2）苯工质的ORCs热力性能分析
结果表明，随着蒸发温度的增加，有机工质流量相应地减少，排烟温度增加，而系统净输出电功率先增加后下降。其中，蒸发温度155℃的工况下，系统的净电功率达到最大值，为22.01kW，系统循环效率为14.97%，详见图3所示。
4结论
在微型燃气轮机尾气温度270℃的热源条件下，分别对环戊烷和苯这两种有机工质，进行了ORCs热力性能计算分析，结果表明，两种工质均随着蒸发温度的增加，有机工质流量相应地减少，排烟温度增加，而系统净输出电功率先增加后下降，存在一个最大发电功率。
而且，工质环戊烷的ORCs热力性能要优于工质苯，前者的最佳蒸发温度为170℃，而后者的为155℃；前者的ORCs输出电功为24.07kW，而后者的为22.01kW；相应地前者的ORCs循环效率为15.04%，而后者的为14.97%。
对比工质环戊烷和苯，采用前者的ORCs最大净发电量要增加8.56%，相应地的循环效率增加0.46%。因此，从ORCs热力性能方面考虑，选择环戊烷比较合适。
作者简介：
何张陈，男，工程师，从事节能技术与高效热力循环的研发与设计。
Email：hzc863@163.com