楊小強(qiáng) 刁安娜 徐春城 周 岳

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200072）

余熱回收新技術(shù)ORC系統(tǒng)在船用柴油機(jī)中的應(yīng)用分析

楊小強(qiáng) 刁安娜 徐春城 周 岳

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200072）

簡單介紹了回收余熱的新技術(shù)ORC系統(tǒng)及其原理，重點(diǎn)對目前回收柴油機(jī)煙氣余熱的三種循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行了對比和分析。

ORC系統(tǒng)；柴油機(jī)煙氣；余熱回收

通常船用柴油機(jī)動力輸出能量只占燃油燃燒總熱量的30%～45%，剩余55%～70%的能量中被煙氣帶走的占34.2%，且排氣溫度高達(dá)400℃，價值很高。

有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC，Organic Rankine Cycle）作為一種新的余熱回收技術(shù)，在對煙氣余熱進(jìn)行回收時，既不消耗額外的燃料，也不會對環(huán)境造成影響，且能降低柴油機(jī)的單位功率排放量，因此，研究開發(fā)以船用柴油機(jī)煙氣為熱源的ORC系統(tǒng)具有非常重要的意義。

一、ORC系統(tǒng)工作原理

典型的ORC系統(tǒng)流程圖如圖1所示，系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵四大件組成。系統(tǒng)的工作原理為：液態(tài)有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中不斷吸收熱水（或其他熱源）的熱量，經(jīng)過蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)；汽化后的有機(jī)工質(zhì)氣體（或氣液兩相）進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹機(jī)在高壓氣體的驅(qū)動下向外輸出電力或做功；膨脹后的低壓氣體或氣液兩相有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器被冷卻水冷凝成液態(tài)；最后，液態(tài)有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過工質(zhì)泵增壓后進(jìn)入蒸發(fā)器吸收熱量，完成一個閉式循環(huán)。

圖1 ORC系統(tǒng)流程圖

ORC系統(tǒng)工作過程用溫熵圖表示如圖2所示，假設(shè)工質(zhì)泵的增壓過程為等熵過程，且工質(zhì)在蒸發(fā)器和冷凝器中為定壓吸熱，忽略連接管道內(nèi)的壓力損失。

圖2 ORC系統(tǒng)熱力過程溫熵圖

如圖2所示，ORC系統(tǒng)的熱力循環(huán)由4個熱力過程組成。

（1）蒸發(fā)過程4-1。

有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱后發(fā)生相變變成氣態(tài)，吸收的熱量：

（2）膨脹過程1-2。

有機(jī)工質(zhì)在膨脹機(jī)中從高壓膨脹到低壓，實(shí)際輸出的膨脹功：

若膨脹過程為等熵膨脹，則膨脹過程為虛線，等熵膨脹功：

（3）冷凝過程2-3。

有機(jī)工質(zhì)在冷凝器中與冷卻水（或其他冷卻介質(zhì)）換熱，被冷凝成液態(tài)，對外釋放的熱量：

（4）增壓過程3-4。

通過工質(zhì)泵對液態(tài)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)行增壓，工質(zhì)泵的功耗：

系統(tǒng)實(shí)際熱效率的定義為輸出的有用功與總投入熱量的比值，其表達(dá)式：

由于實(shí)際的膨脹過程存在能量損失，輸出功會比理論過程的輸出功少，因此，對于膨脹機(jī)存在一個等熵效率，其表達(dá)式為

二、ORC系統(tǒng)用于船用柴油機(jī)煙氣余熱回收

目前利用ORC原理回收煙氣余熱的系統(tǒng)形式分為3種：以水為工質(zhì)的ORC循環(huán)系統(tǒng)、ORC（以有機(jī)物如R134a、R245fa、丁烷等為工質(zhì)）單循環(huán)系統(tǒng)和ORC雙循環(huán)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)上，對于煙氣余熱回收都是以水為工質(zhì)，利用煙氣加熱水得到水蒸氣，然后利用水蒸氣驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電或做功。這種形式要求煙氣量大，水的氣化通過煙氣余熱鍋爐來實(shí)現(xiàn)，但是煙氣余熱鍋爐換熱效率比較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且膨脹后的水蒸氣處于負(fù)壓狀態(tài)，需使用抽負(fù)壓的凝氣系統(tǒng)來冷凝水蒸氣，整個系統(tǒng)體積非常大，在船舶上使用受到很大限制。為了解決這些難題，有機(jī)工質(zhì)ORC循環(huán)逐漸受到重視。

圖3 ORC雙循環(huán)系統(tǒng)三、系統(tǒng)對比分析

若選用有機(jī)工質(zhì)，直接利用煙氣加熱有機(jī)工質(zhì)，系統(tǒng)雖然相對簡化，但蒸發(fā)器非常龐大，且有機(jī)工質(zhì)通常為易燃易爆或帶毒性介質(zhì)，高溫?zé)煔庵苯优c有機(jī)工質(zhì)換熱，不僅增加了換熱器的制造難度，工質(zhì)泄漏的風(fēng)險也增加，系統(tǒng)可靠性降低。

為了更安全有效的利用船用柴油機(jī)煙氣余熱，ORC雙循環(huán)系統(tǒng)被提出，如圖3所示。先用煙氣余熱鍋爐將水（或?qū)嵊停┘訜嶂?0℃以上，再利用這部分熱水（或熱油）來加熱有機(jī)工質(zhì)，有機(jī)工質(zhì)變成氣體后再驅(qū)動螺桿膨脹機(jī)做功。而釋放熱量后的熱水（油）再重新回到煙氣熱水鍋爐，形成閉式熱水循環(huán)。利用這種方式的好處體現(xiàn)在兩個方面，首先是用熱水（油）鍋爐代替了傳統(tǒng)的蒸汽鍋爐，不用將水加熱成水蒸氣，其換熱效率會大大提高，由于免去了蒸發(fā)管段，鍋爐尺寸也將大大減?。黄浯螣崴ㄓ停┫到y(tǒng)是一個閉式循環(huán)，在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)熱量搬運(yùn)的作用，無需額外補(bǔ)充，且將有機(jī)工質(zhì)與高溫?zé)煔夥珠_，使系統(tǒng)更加安全。

三、系統(tǒng)對比分析

已知某系列的柴油機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時的參數(shù)如表1所示。

表1

分別選用三種循環(huán)系統(tǒng)回收該煙氣余熱，利用化工流程模擬軟件PROII分別進(jìn)行計算，計算的結(jié)果如表2所示。

由表2計算結(jié)果可以看出，對于同樣的煙氣余熱，采用水蒸氣ORC循環(huán)系統(tǒng),雖然系統(tǒng)簡單且安全可靠，但是采用的煙氣余熱鍋爐由于換熱效率不高，導(dǎo)致最終系統(tǒng)熱效率偏低。采用ORC單循環(huán)系統(tǒng)，用換熱器替代煙氣余熱鍋爐后，系統(tǒng)熱效率上升，但是系統(tǒng)安全可靠性降低，若選用特制的全焊式板式換熱器，系統(tǒng)安全可靠性得到保證，但是成本會大大增加。采用ORC雙循環(huán)系統(tǒng)，雖然增加的換熱環(huán)節(jié)會存在少量的換熱損失，但是系統(tǒng)的安全可靠性可以完全得到保證。

表2

四、結(jié)語

船用柴油機(jī)工作時排氣管中煙氣的溫度高達(dá)400℃，可利用的溫差高達(dá)220℃，屬于中溫余熱資源，品質(zhì)較高?；厥沾貌裼蜋C(jī)排放的大量煙氣余熱，既能減小對環(huán)境的影響，又可以提高船用柴油機(jī)的能源利用率，降低船舶的耗能。利用ORC雙循環(huán)系統(tǒng)，既能保證煙氣余熱被高效回收，又能保證系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，是非常合理的技術(shù)形式。

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（二等獎獲獎?wù)魑模?/p>

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