热电联产系统中供热温度与工质的选择分析

通过合理的系统设计，有机朗肯循环在发电的同时，还可提供制热功能，也可与蒸气压缩制冷（VCC）循环和热泵循环一起组成冷热电联产系统。对于中低温热源的ORC系统，可在发电的同时利用冷凝器的热量来制热，为建筑提供生活用热水。Oyewunmi等研究了基于简单有机朗肯循环的热电联产系统的工作特性［42］，利用有机朗肯循环的工质冷凝过程放出的热量加热冷却水，向建筑提供热水。随着季节变化，建筑终端用户供热需求的温度和负荷会发生变化，需要热电联产系统的供热和发电输出量的比例相应变化，这会影响ORC系统的工质选择结果。当供热需求温度较低时，采用戊烷等纯工质较好，而混合工质更适合高供热温度场合。在设计热电联产系统时，应该根据供热的温度和负荷要求确定最佳工质。考虑典型的温度在150℃～330℃范围内的工业余热，事实上，增大供热的热水温度会降低膨胀机的输出功率，降低冷却水的出口温度有利于提高膨胀机的输出功率，但不利于满足建筑供热需求。整个系统工作时，虽然ORC系统的输出功率会在较大范围内变化，但整个节能潜力可达10%。对330℃的余热源，供热温度为90℃时，采用质量比为0.7/0.3的辛烷/戊烷，整个系统的效率可达63%。

当热源温度为330℃时，ORC热电联产系统工作性能随供热温度的变化曲线如图5-41所示。定义ORC热电联产系统的效率为ORC系统输出净功与供热水的之和与热源的比值，则整个系统效率随供热温度的变化曲线如图5-41（a）所示，随着冷却水温度的升高，不同纯工质的系统效率逐渐升高。对应的净输出功率如图5-41（b）所示，随着冷却水出口温度的升高，R245fa、R227ea、丁烷、戊烷的净输出功率逐渐减小，这主要是因为ORC系统的蒸发压力对每一种工质而言，均不随冷却水出口温度变化，但冷凝压力逐渐增大。对己烷、庚烷和辛烷来说，净输出功率几乎不随供热温度变化，这主要是因为冷凝压力必须大于1bar的限制，使这些工质的冷凝温度均高于供热温度。供热量和供热如图5-41（c）和（d）所示。随着供热水温度的升高，相应的供热量和供热均逐渐增大。

当采用戊烷/己烷非共沸混合工质时，不同供热温度下ORC热电联产系统性能随戊烷质量分数的变化曲线如图5-42所示。系统效率的变化如图5-42（a）所示，当供热温度较低时，随着戊烷质量分数的增加系统效率逐渐升高，当供热温度升高到45℃～75℃时，系统效率先升高后降低，进一步升高供热温度，系统效率缓慢下降。系统净输出功率的变化如图5-42（b）所示，当供热温度较低且戊烷质量分数较小时，系统净输出功率明显降低，这说明混合工质的质量分数对系统性能有较大影响。总体上，工质质量分数对供热量和供热的影响较小。当供热温度合适时，采用戊烷/己烷可在一定程度上提升系统性能。

图5-41　ORC热电联产系统工作性能随供热温度的变化曲线［42］

（a）效率；（b）净输出功率；（c）供热量；（d）供热

图5-42　采用戊烷/己烷非共沸混合工质的ORC热电联产系统工作性能随供热温度的变化曲线［42］

（a）效率；（b）净输出功率

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图5-42　采用戊烷/己烷非共沸混合工质的ORC热电联产系统工作性能随供热温度的变化曲线［42］（续）

（c）供热量；（d）供热

不同供热温度下6种混合工质的系统效率随组分质量分数的变化趋势如图5-43所示。当供热温度为30℃时，采用丁烷/己烷混合工质的效率优于相应的纯组分。当供热温度为60℃时，己烷/戊烷、庚烷/戊烷、辛烷/戊烷和丁烷/己烷等混合工质的性能较好，采用质量比为0.2/0.8的丁烷/己烷混合工质有最高的效率。当供热温度为90℃时，庚烷/戊烷和辛烷/戊烷等工质可在一定程度上提高系统效率。

图5-43　供热温度对系统效率的影响［42］

（a）T su=30℃

图5-43　供热温度对系统效率的影响［42］（续）

（b）T su=60℃；（c）T su=90℃