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摘要：

在研究了大量的文献资料的基础上，简单介绍了有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）系统的运行原理，并分别对ORC系统的循环工质、性能影响参数、系统优化方式以及主要应用领域等方面的研究进展进行了论述。ORC系统作为一种热力发电系统，虽具有十分广阔的发展前景，但已有研究主要集中在理论分析上，要推广其应用，仍存在许多实际问题需要解决。

关键词：

有机朗肯循环; 循环工质; 系统性能优化; 应用领域

中图分类号： TK 124 文献标志码： 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

能源與环境问题日益严重的今天，人们日趋重视太阳能、地热以及各种中低温废热。有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）系统，其原理图和温熵图见图1、图2）作为一种能够将低品位废热转变为高品位电能的热力发电系统，因其有机工质沸点低、凝固点低、冷凝压力高、密度大、比容小、声速低等特点，使其具有无需防冻设施、泄露少、尺寸小、汽轮机效率较高、不易发生液击等优点，故对ORC系统的研究具有极大的研究意义，并成为了当今的研究热点。目前对ORC系统的研究主要围绕有机工质、ORC系统性能参数与系统优化、其他系统与ORC系统联合运行和ORC系统的应用等方面。本文将从上述几个方面针对目前研究ORC系统的研究进行总结。

1 关于ORC系统的研究进展

1.1 关于有机工质筛选的研究进展

有机工质筛选的评判标准围绕安全环保性、热力学性能与经济性三个方面，不同类型和温度的热源所适用的工质也不同，如表1所示。

图1 ORC系统原理图

Fig.1 Principle of ORC system

图2 ORC系统温熵图

Fig.2 T-s diagram of ORC system

表1 不同类型、热源温度推荐工质

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

许多学者利用各类软件设计了关于有机工质筛选的计算程序。许俊俊等[10]利用MATLAB基于多级非结构性模糊决策分析方法建立了ORC系统工质优选体系，计算不同工质条件下的循环性能参数，依据上述三个评判标准进行优选。结果表明，在热源温度为150 ℃时，R123的综合性能指标最优。张丽娜等[11]结合REFPRO8.0工质物性数据库，利用MATLAB建立了ORC热力性能计算程序，除具有系统循环热力性能计算功能外，还具有工质筛选的作用。王华荣等[12]选用R600a，R114，R245fa和R245ca四种工质，由环境性模型、热力学模型和经济性模型组合建立ORC系统的多目标优化数学模型，利用BPGA算法得出各工质的最优蒸发温度和冷凝温度，并得出以R245fa为工质的ORC系统的综合性能最佳的结论，且在变工况条件下仍表现出了最优的综合性能。

对于中高温热源的ORC系统，有机工质的热分解性是工质筛选的主要制约因素，目前被广泛采用的工质是R245fa。戴晓业等[13]针对R245fa的热稳定性和材料相容性进行了试验研究，结果表明，R245fa的热分解温度在300～320 ℃时，金属材料对其热分解有着明显的催化作用，且在实际系统中，如果反应时间较长，则易发生积碳，影响系统运行效率。

由于R245fa的GWP指数高，梁立鹏等[9]选用更加环保的R1234yf进行了系统火用效率与火用损模拟分析。研究表明，在热源温度为110～150 ℃时，R1234yf比R245fa具有更佳的热力学性能。

1.2 关于ORC系统性能影响参数的研究进展

冷凝器、蒸发器参数是影响ORC系统性能的主要运行参数，一般存在最佳冷凝温度和蒸发温度。王华荣等[12]选取热效率、火用效率、投资回收期和年减排量为目标函数，以蒸发温度和冷凝温度为控制变量，建立了ORC系统多目标优化数学模型，取得了四种工质的最优蒸发温度和冷凝温度。

为研究冷凝温度对ORC系统性能的影响，董冰等[14]分别采用了三种冷凝器（卧式壳管式、蒸发式和风冷式），选取吐鲁番、哈尔滨和广州三个温差较大的城市天气作为气候条件，采用NIST在MATLAB界面下编程计算不同冷凝器下的冷凝温度，并给出了计算流程图。董冰等[14]以R245fa为工质，在蒸发温度为90 ℃，蒸发器出口过热度为10 ℃，地热温度为110 ℃的条件下，计算发电量、经济效益和环保效益。

结果表明：气温低、湿度小的地区ORC系统性能较好;蒸发式发电量最大、风冷式发电量最小。苗政等[15]采用EES软件计算了饱和ORC系统在使用R245fa和R601a时，输出净功随冷凝温度变化的规律，同时分析了膨胀机膨胀比、最佳进口温度和工质流量的变化情况。结果表明：当地热源温度为130 ℃，冷凝温度从30 ℃降至0 ℃时，膨胀比增大约2倍，有机工质在膨胀机进口的最佳温度升高，且波动幅度达15 ℃，工质质量流量增加超过30%，系统净输出功增长达120%。

根据工质蒸发温度和压力所在的区域，可将ORC分为跨临界循环、近临界循环和亚临界循环。王羽平等[16]选用了干性、湿性、绝热三种典型工质，建立数学模型，分析近临界循环与亚临界循环的性能差异，并从工质物性角度分析原因。结果表明：近临界循環具有良好的变工况性能，且干性工质最适用于近临界循环。薄华宇等[17]以110 ℃地热水为热源，对跨临界ORC系统的净功、效率和换热器UA值进行了模拟计算，并针对六种有机工质的循环性能进行对比，分析了蒸发压力对循环净功与效率的影响，发现存在最佳蒸发压力。但跨临界循环蒸发压力较高，蒸发器造价较贵，且透平设计难度加大。蒸发器换热效率也是ORC系统的重要性能参数之一。魏莉莉等[18]针对低温ORC系统，选取三种换热器（板式、壳管式和满液式）进行对比试验，并设计了壳管式预热器+满液式蒸发器的组合式蒸发器对其进行理论分析与试验测试，最终达到了饱和气态工质稳定产生的目的，还提高了传热系数与传热效率。

1.3 关于系统结构优化的总结

研究影响性能的参数的目的是为了能够优化系统性能，许多学者在ORC系统优化方面进行了创新。罗琪等[19]与Mago等[20]都曾提出抽汽回热能显著提升ORC系统热效率。徐荣吉等[21]通过试验得出，有回热系统能优化ORC系统热力学性能。文献[22-23]指出再热能避免乏汽湿度过高影响汽轮机运行，从而提高了ORC系统的热效率。综上所述，抽汽回热、内回热与再热均能提升ORC系统的性能。余廷芳等[24]提出了再热、抽汽回热和内回热三种方式相结合的新型ORC系统，其工作原理如图3所示。在最佳再热蒸汽压力条件下，对单一内回热、抽汽回热、抽汽内回热、再热ORC系统分别进行了热力学性能计算，得出新型ORC系统的热效率达18.86%，远高于单一ORC系统。

也有学者采用双级ORC系统来提高系统热效率。秦亚琦等[25]选取R141bR245fa，npentaneR600和isopentaneR114分别作为双级ORC系统的工质，一级采用超临界循环，二级采用亚临界循环，工

作原理如图4所示。分析表明：随着一级蒸发压力增大，工质为isopentaneR114和npentaneR600时，ORC系统效率先增大后减小，输出净功一直减小，采用R141bR245fa为工质的ORC系统的热效率保持增大趋势，各级工质质量流量变化幅度不大，系统的烟气出口温度偏高，具有进一步提高性能的潜力。崔雁清等[26]根据车用CNG发动机的余热能分布特性设计了双级ORC系统，该系统分为高温循环和低温循环，高温循环以R245fa为工质，回收CNG发动机排气部分，低温循环分别以R245fa，R1234ze和R1234yf为工质，回收进气中冷能量、高温循环冷凝过程中释放的能量和系统冷却水中的能量。结果表明：较高的蒸发压力和蒸发温度以及较低的冷凝温度可以提高ORC系统净输出功率和热效率，且采用R245fa为工质时，系统的热力学性能最优。

图3 新型ORC系统工作原理

Fig.3 Working principle of the new ORC system

图4 双级ORC系统工作原理

Fig.4 Working principle of two-stage ORC system

1.4 关于ORC系统与其他系统联合的研究进展

蒸气压缩制冷（VCR）系统与ORC系统联合运行，使得采用太阳能驱动的家用小型空调成为可能，与吸收式、蒸汽喷射式制冷相比，其COP可高达1.4，且在室外温度越高时COP越高。马国远等[27]利用软件模拟计算复合系统的COP，并通过对比得出R134a作为VCR系统工质、R1234ze作为ORC系统工质时，会获得较高的COP性能。莫东鸣等[28]耦合了跨临界ORC系统和蒸汽压缩制冷（VCR）循环，构建了由低温烟气驱动的冷电联产复合系统，可以有效地回收低温烟气余热进行发电和制冷，实现冷量和发电量的灵活配合，其系统原理图如图5所示。雷欢等[29]通过膨胀机与压缩机同轴连接，将ORC系统与VCR系统联合制冷，对比了采用Cyclohexane，D4，noctane和R141b四种工质的热力学性能，并进行了系统火用损失计算，分析了ORC系统蒸发温度、制冷剂蒸发温度、透平效率等参数对系统COP的影响，当采用Cyclohexane为工质时，COP最高，达到1.262。

图5 ORCVCR系统工作原理

Fig.5 Working principle of ORC-VCR system

ORC系统不仅能采集内燃机（ICE）的燃烧烟气废热，还能利用其机组套缸冷却水余热发电。岳晨等[30]提出了一套ICEORC系统，可利用ICE动力启动ORC系统，ORC系统稳定运行后又将动力使输给ICE，在标定负荷下，该系统热效率较ICE子系统提高了7.8%，而ORC系统投资回收期仅为9 300 h，且经济性优势随燃料的价格的提高而提高。

联合其他热源系统也是一种新的联合方式，为充分回收矿藏热采过程尾端低温蒸汽余热，杨新乐等[31]利用太阳能补充预热器中热源显热以缩小换热温差，提出了一种新型低温蒸汽太阳能双热源ORC发电系统。

1.5 关于ORC系统应用领域的研究进展

ORC系统在欧美市场已经得到了长足的发展，包括工业余热及太阳能、地热能、生物质能等新能源，装机容量最大的领域为地热，但国内市场还处于起步阶段。从装机数量上看，最多的是意大利的Turboden公司，其ORC机组主要集中在生物质及工业余热，故装机容量较小。目前，利用ORC技术回收地热能发电的最为先进的公司是美国ORMAT。

我国目前主要将ORC系统应用在水泥厂、石化厂等工业领域。李浩[32]在现有常规水泥余热发电系统基础上，增设ORC机组，经过理论计算和实际工程分析得出，当窖尾收尘器温度达到150 ℃左右时，2 500～5 000 t/d水泥生产线余热发电能力新增电量250～350 kW，并发现300 ℃以上的余热不适宜作为ORC系统热源。秦文戈[33]将两台ORC系统热水发电机组串级应用于海南炼油化工有限公司，以回收芳烃联合装置中存在的大量低温余热，采用浙江开山集团的串级有ORC系统发电站，工质采用R245fa，一年可直接节省电费1 649.5万元。

ORC技术作为一项低品位余热回收的有效途径，在内燃机余热回收领域也得到了广泛的研究。杨凯等[34]设计了一套车用柴油机余热回收系统，以R416a为工质，通过试验确定了螺杆膨胀机的最优工况点。结果表明：输出功率最大提高30.6 kW，热效率最大提高10.99%，余热回收效率最高达10.61%，有效燃油消耗率最大降低3 535 g/（kW·h）。朱轶林等[35]利用设计的ORC系统回收船舶柴油机的排气能量，研究结果表明：以R245fa为工质时，最佳蒸发温度为117 ℃，最佳冷凝温度为316 K，膨胀比为6.6，热效率可以达到12%。李金平等[36]利用GTPOWER对某国产30 kW沼气发电机组发动机建立模型，利用ASPEN PLUS建立利用燃烧烟气和机组套缸冷却水余热的ORC系统模型，分析了过量空气系数对发动机性能、烟气余热利用、ICEORC联合循环系统的影响。结果表明：应根据沼气甲烷含量适当地增加过量空气系数。

2 尚待解决的问题

目前，我国的经济结构正面临着调整且能源需求量大，ORC系统作为一个热力发电系统，在低温余热回收发电方面具有较明显的优势，但是却没有得到大规模的推广和应用，要想改变这样的现状，推进ORC系统的使用和发展，就要解决以下几个正在面临的问题：

（1） 研究理论与实际脱节，企业对科研机构的研究反应迟钝。现有文献大多是通过理论模拟分析，缺乏试验研究，忽视实际应用中的问题。应加强各企业与科研机构的合作，共同解决工程运用中的关键问题，如密封系统测试、控制系统测试、高速轴承耗损测试等。

（2） 缺乏行业标准与政策支持。国内检测及行业标准规范缺乏，余热定义统计标准不同，行业配套及数据不完善。ORC技术仍需要国家政策的支持，并将产业补贴落到实处。

（3） 产品经济性不突出。组件大多依靠进口，效益不抵成本，回收期达两三年以上。換热器、膨胀机、泵的效率不尽人意，冷却水功耗问题受忽视，膨胀机匹配性较差。

3 结 语

（1） 目前，学者们大多是选取两个或三个性能参数为评价标准，在一定程度上缓解了工质选择的单一性问题，但少数目标无法全面反映系统综合性能。一些学者采用多级目标，但每位学者的侧重点不同，存在主观性问题。若采用多级非结构性模糊决策分析法，可避免主观权重问题，只是计算过程比较复杂。总之，有机物的选择应在环境友好的基础上，做到与系统热源的温度、性质相匹配，从而达到提升系统热效率的目的。

（2） 目前对于ORC系统性能参数的研究主要集中在冷凝温度、蒸发温度上，且存在最佳冷凝温度和蒸发温度。提高蒸发温度可提高系统热效率，因此采用近临界循环与超临界循环，但此时透平入口出现超音速，故选择蒸发温度时要考虑工质临界温度、热源温度和系统耐压程度等因素。降低冷凝温度可提高系统热效率，但要防止冷凝压力低于大气压力，造成负压。窄点温差、透平效率等也是需要研究的重要性能参数。

（3） 提高换热器、膨胀机、泵效率，采用再热、回热、跨临界循环或双级ORC系统等方式都可优化系统性能。目前国内膨胀机的匹配性较差，大多靠进口，成本居高不下，故透平的设计与优化值得引起学者们的研究。

（4） ORC系统与其他系统（如蒸汽压缩制冷、内燃机等）的联合运行不仅是对ORC系统的一种优化，同时也是对其他系统应用的一种推进，相互克服缺陷，创造出更多的可能性。同时，与其他冷热源相联合以优化ORC系统的回收效率，可达到更好的能源利用效果。

（5） 近年来，ORC系统在低温余热回收领域的优势引起了广大学者的重视，国内众多厂家纷纷尝试，虽然ORC系统在欧美市场的应用已经趋于成熟，然而我国的研究仍偏离实际工程，离产业化较远，ORC系统应用市场仍处于待开发阶段。学者们将目光大多放在工业余热、内燃机、地热等方面，但还有大量未能合理利用的低温余热领域值得关注，例如生物质能、钢铁行业、采油、玻璃制造、金属冶炼等。

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