低溫?zé)煔庥袡C(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)熱力性能與經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比分析

韓中合，許鴻勝，范偉，趙若丞，王智

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

低溫?zé)煔庥袡C(jī)郎肯循環(huán)系統(tǒng)熱力性能與經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比分析

韓中合，許鴻勝，范偉，趙若丞，王智

（華北電力大學(xué)電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

以工業(yè)低溫?zé)煔庥酂嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，選取了兩組共4種工質(zhì)，基于熱源參數(shù)分別對(duì)系統(tǒng)熱力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，分析不同工質(zhì)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的變化，對(duì)4種工質(zhì)的熱力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及最佳工況進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，同組工質(zhì)的凈功量和熱耗率變化相似且數(shù)值接近，但電力生產(chǎn)成本和投資回收期差別較大。同一工質(zhì)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異，在本文條件下，工質(zhì)最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度高于最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度約8～10℃。R600a為所選4種工質(zhì)中兼顧經(jīng)濟(jì)性與熱經(jīng)濟(jì)性的最佳工質(zhì)，采用R236ea的系統(tǒng)熱力性能好于R600，而采用R600的系統(tǒng)電力生產(chǎn)成本始終低于R236ea，R600相比于R236ea具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

煙氣余熱；有機(jī)朗肯循環(huán)；熱源參數(shù)；熱經(jīng)濟(jì)性；經(jīng)濟(jì)性

我國(guó)工業(yè)余熱資源豐富，回收利用低溫余熱具有巨大的發(fā)展空間，已成為推進(jìn)我國(guó)節(jié)能減排工作的重要內(nèi)容[1]。有機(jī)朗肯循環(huán)（organic rankine cycle，簡(jiǎn)稱ORC）技術(shù)能夠直接利用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)吸收低品位熱能進(jìn)行熱功轉(zhuǎn)換，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)效率高、環(huán)境友好和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，利用有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)回收低溫余熱已經(jīng)成為目前研究的熱點(diǎn)。

當(dāng)前關(guān)于ORC的研究主要圍繞系統(tǒng)熱力性能分析、工質(zhì)選擇以及參數(shù)優(yōu)化等方面展開[3-5]，研究表明評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的選取對(duì)系統(tǒng)性能分析及優(yōu)化至關(guān)重要。CHEN等[6]從多方面對(duì)35種工質(zhì)進(jìn)行了研究，最終表明工質(zhì)的物性參數(shù)對(duì)循環(huán)性能有很大影響；MADHAWA等[7]以系統(tǒng)總換熱面積和凈功量的比值作為經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)對(duì)4種工質(zhì)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明工質(zhì)選擇對(duì)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的影響非常明顯；謝攀等[8]基于熱力學(xué)第一定律對(duì)19種工質(zhì)進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同熱源溫度段對(duì)應(yīng)的最佳工質(zhì)分別為R290、R600、CF_3I和R601，而R245fa和R134a在對(duì)應(yīng)溫度段的熱效率僅次于上述工質(zhì)。王志奇等[9]以單位輸出功率所需換熱面積和熱回收率為目標(biāo)建立多目標(biāo)優(yōu)化模型對(duì)5種工質(zhì)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，結(jié)果表明多目標(biāo)優(yōu)化可以協(xié)調(diào)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系以滿足實(shí)際工程需求；王華榮等[10]以工業(yè)低溫余熱回收ORC系統(tǒng)為例，分析了4種工質(zhì)的凈輸出功、循環(huán)熱效率和換熱面積，得出己烷的經(jīng)濟(jì)性較好，而R601環(huán)境性能較好；李惟毅等[11]以?效率和經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)函數(shù)的加權(quán)和作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果表明R113、R245ca的經(jīng)濟(jì)性能較好，R161具有較高的?效率，而從綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)看R161具有較優(yōu)的性能。

在保證安全可靠性的前提下，適用于有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì)不僅具有良好的系統(tǒng)熱力性能，而且還需較好的經(jīng)濟(jì)性以符合工程實(shí)際。然而，在同一熱源條件下，熱力性能良好的工質(zhì)不一定具有較好的經(jīng)濟(jì)性，同一工質(zhì)的最佳熱力性能工況與最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異。本文針對(duì)以低溫?zé)煔鉃闊嵩吹腛RC系統(tǒng)，按臨界溫度選取兩組共4種工質(zhì)，基于熱源參數(shù)分別對(duì)系統(tǒng)熱力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，分析不同工質(zhì)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的變化，對(duì)4種工質(zhì)熱力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及最佳工況進(jìn)行對(duì)比分析，為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能優(yōu)化研究提供了參考。

1 模型和計(jì)算方法

1.1 熱力學(xué)模型

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和循環(huán)原理圖

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵等，具體熱力過(guò)程如下：有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收余熱熱量蒸發(fā)汽化，被加熱至干飽和蒸汽狀態(tài)后經(jīng)過(guò)透平絕熱膨脹對(duì)外做功，透平出口蒸汽在冷凝器中向冷卻水定壓放熱，經(jīng)過(guò)冷凝后的工質(zhì)在泵中被加壓，升壓后的工質(zhì)再進(jìn)入到蒸發(fā)器完成整個(gè)循環(huán)。

基于熱源參數(shù)計(jì)算ORC系統(tǒng)的熱力性能，其中各熱力過(guò)程數(shù)學(xué)模型如下。

工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收煙氣余熱的熱量如式(1)。

式中，mg為余熱煙氣質(zhì)量流量，kg/s；mf為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；ta為煙氣入口溫度，℃；tb為煙氣出口溫度，℃；c為煙氣的平均比熱容，kJ/(kg?℃)。

膨脹機(jī)的相對(duì)內(nèi)效率為ηi，則膨脹機(jī)實(shí)際輸出功wi如式(2)。

工質(zhì)在冷凝器中的放熱量Q2如式(3)。

工質(zhì)泵效率為ηp，則工質(zhì)泵耗功wp如式(4)。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律，熱效率為衡量循環(huán)中能量轉(zhuǎn)換程度的指標(biāo)，就實(shí)際工程角度而言，ORC系統(tǒng)的收益體現(xiàn)在凈功量方面。由于本文采用基于熱源參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)熱力性能的方法，與文獻(xiàn)[12]有相似之處。在相同熱源參數(shù)即相同吸熱量條件下，熱效率與凈功量作為熱力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一致性，而熱耗率為單位功率所消耗的熱量，與熱效率存在單調(diào)函數(shù)關(guān)系[13]。因此，本文采用熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)凈功量和熱耗率評(píng)價(jià)系統(tǒng)熱力性能，熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)由式(5)和式(6)計(jì)算得到。

1.2 經(jīng)濟(jì)模型

投資成本是影響技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵因素，對(duì)于有機(jī)朗肯循環(huán)而言，總投資成本由設(shè)備成本及系統(tǒng)運(yùn)行、管理費(fèi)用組成，因ORC系統(tǒng)充注量的計(jì)算較為復(fù)雜，本文暫不考慮充注量對(duì)系統(tǒng)成本的影響。其中設(shè)備成本主要包括蒸發(fā)器，膨脹機(jī)，冷凝器和工質(zhì)泵的投資費(fèi)用，具體計(jì)算過(guò)程如式(7)、式(8)[14]。

式中，CBM為按1996年美元購(gòu)買力計(jì)算的設(shè)備成本費(fèi)用[9，14]；FBM為材料、壓力復(fù)合因子；為設(shè)備基準(zhǔn)成本，由各設(shè)備成本常量系數(shù)K1、K2、K3與特定技術(shù)參數(shù)指標(biāo)X決定，對(duì)于膨脹機(jī)來(lái)說(shuō)X為膨脹機(jī)輸出功Wi，kW；對(duì)于泵來(lái)說(shuō)X為泵的消耗功Wp，kW；對(duì)于換熱器來(lái)說(shuō)X為換熱面積A，單位為m2，系統(tǒng)中的換熱設(shè)備均采用管殼式換熱器，其中換熱面積A需按單相段及兩相段分別計(jì)算，具體計(jì)算式如式(9)[15]。

其中，K為傳熱系數(shù)，計(jì)算如式(10)。

式中，D、d、dm和δ分別表示換熱器管外徑、管內(nèi)徑、當(dāng)量直徑及管壁厚度，m；αi表示換熱器管內(nèi)的傳熱系數(shù)、αo表示換熱器管外的傳熱系數(shù)，kW/(m2·K)；λwall為管壁熱導(dǎo)率，kW/(m·K)。Δtm為對(duì)數(shù)平均溫差，K，計(jì)算式如式(11)。

式中，Δtmax、Δtmin分別表示換熱器各換熱段的最大與最小換熱溫差。

式中，B1、B2為成本常量系數(shù)；FM為材料因子。FP為壓力因子，由式(13)確定。

式中，P為各部件承受的壓力，bar；C1、C2、C3為熱力設(shè)備承壓等級(jí)的常量系數(shù)。式(12)、式(13)中的常量系數(shù)均取自參考文獻(xiàn)[14]。

以1996年美元為基準(zhǔn)的系統(tǒng)設(shè)備總投資成本如式(14)。

式中，CBM，e為蒸發(fā)器成本，CBM，t為膨脹機(jī)成本，CBM，c為冷凝器成本，CBM，p為工質(zhì)泵成本，$。

取化工成本指數(shù)CEPCI2016=606，CEPCI1996=382[16]，將Cost1996折算為2016年的投資費(fèi)用，如式(15)。

綜合考慮系統(tǒng)成本與收益對(duì)各工質(zhì)ORC熱力系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，本文主要用到電力生產(chǎn)成本和投資回收期作經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)。電力生產(chǎn)成本由系統(tǒng)投資費(fèi)用和收益的凈功量共同決定，它反映了系統(tǒng)每生產(chǎn)1kW·h電量所需的成本費(fèi)用。投資回收期是指從系統(tǒng)運(yùn)行日起，用系統(tǒng)發(fā)電所得凈收益償還設(shè)備成本投資所需要的時(shí)間。

各經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體計(jì)算公式如式(16)～式(19)[17]。

式中，i為年利率，取為6%；TS為系統(tǒng)正常使用壽命，設(shè)為20年；COMS為系統(tǒng)的管理和運(yùn)行費(fèi)用，取總設(shè)備投資費(fèi)用的1.5%；OPS為系統(tǒng)年運(yùn)行時(shí)間，取為7500h；s為人民幣對(duì)美元匯率，按2016年11月匯率取1$≈6.8￥；Pe為工業(yè)用電電價(jià)，取0.1$/(kW·h)。

2 計(jì)算條件及工質(zhì)選擇

針對(duì)工業(yè)低溫余熱煙氣驅(qū)動(dòng)的ORC系統(tǒng)，設(shè)定計(jì)算條件如下：熱源溫度Ta=150℃，煙氣流量為10kg/s，排煙溫度為70～90℃，冷卻水溫度T0=25℃，冷凝溫度T3=35℃，蒸發(fā)器窄點(diǎn)溫差ΔTe=10℃，冷凝器窄點(diǎn)溫差ΔTc=5℃，膨脹機(jī)相對(duì)內(nèi)效率ηi=85%，工質(zhì)泵效率ηp=80%，各換熱器的換熱效率均取為100%，并忽略系統(tǒng)各部件和管道、閥門附件的壓力損失及散熱損失。

綜合考慮工質(zhì)熱物性、環(huán)保性等多方面因素[18]，選取了兩組工質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，A組為臨界溫度較低的R600a和R236ea，B組為臨界溫度較高的R600和R245fa，各工質(zhì)熱力性質(zhì)參數(shù)如表1。

表1 4種工質(zhì)的熱物性和環(huán)境特性參數(shù)

3 結(jié)果及分析

2.1 熱經(jīng)濟(jì)性分析

圖2反應(yīng)了系統(tǒng)蒸發(fā)溫度隨總吸熱量的變化，由于受到蒸發(fā)器窄點(diǎn)溫差的約束，工質(zhì)蒸發(fā)溫度隨著吸熱量的增加而降低。在相同吸熱量下，A組工質(zhì)相對(duì)B組工質(zhì)能達(dá)到更高的蒸發(fā)溫度，同組工質(zhì)的蒸發(fā)溫度非常接近。由于工質(zhì)在蒸發(fā)器出口為干飽和狀態(tài)，各工質(zhì)的蒸發(fā)壓力隨吸熱量的變化與蒸發(fā)溫度的變化相似，如圖3所示，由于工質(zhì)物性，4種工質(zhì)的蒸發(fā)壓力具有明顯差異，其中R600a蒸發(fā)壓力高于其他工質(zhì)，R245fa較低。

圖2 蒸發(fā)溫度隨吸熱量的變化

圖3 蒸發(fā)壓力隨吸熱量的變化

由圖4可知，A組工質(zhì)的凈功量隨吸熱量的增大而升高，并逐漸趨于平緩，而B組工質(zhì)的凈功量則出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。在較高吸熱量區(qū)A組工質(zhì)的凈功量明顯大于B組工質(zhì)，雖然同組工質(zhì)的凈功量并不相同，但整體較為接近。4種工質(zhì)中R600a的凈功量始終較高，R236ea凈功量的增幅最大。當(dāng)吸熱量小于630kW時(shí)R236ea的凈功量與B組工質(zhì)較為接近，吸熱量大于630kW時(shí)R236ea的凈功量逐漸與R600a接近，R245fa與R600的凈功量相近，最大相差0.58kW。在相同吸熱量時(shí)，各工質(zhì)的凈功量與熱耗率在熱經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)上具有一致性，即凈功量最高的工質(zhì)，其熱耗率最低。由圖5可知，各工質(zhì)的熱耗率隨吸熱量的增加而升高，其中R236ea的熱耗率隨吸熱量的變化趨勢(shì)與其凈功量變化相同，當(dāng)吸熱量大于630kW，R236ea的熱耗率始終低于B組工質(zhì)，并逐漸接近R600a。隨著吸熱量增大，兩組工質(zhì)的熱耗率差值逐漸增大。總體而言，R600與R245fa的熱耗率較高。從熱經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，同組工質(zhì)的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)變化接近。在相同吸熱量條件下，A組工質(zhì)相對(duì)B組工質(zhì)達(dá)到的蒸發(fā)溫度更高，凈功量更大，熱耗率更低，系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性更佳。

圖4 凈功量隨吸熱量的變化

圖5 熱耗率隨吸熱量的變化

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

由圖6可知，4種工質(zhì)熱力系統(tǒng)的電力生產(chǎn)成本（LEC）均隨吸熱量的提高呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，存在LEC最小值。同組工質(zhì)的LEC存在明顯差異，但隨吸熱量的變化趨勢(shì)較為相似。相較于B組，A組工質(zhì)的LEC最小值出現(xiàn)在吸熱量較高的區(qū)域，R600a在吸熱量為702.6kW時(shí)出現(xiàn)LEC最小值0.724元/(kW·h)，R236ea在吸熱量為713kW時(shí)出現(xiàn)LEC最小值0.742元/(kW·h)。B組工質(zhì)的LEC最小值出現(xiàn)在相對(duì)較低的吸熱量區(qū)域，R245fa在吸熱量為681.7kW時(shí)出現(xiàn)LEC最小值0.75元/(kW·h)，R600在吸熱量為762.6kW時(shí)出現(xiàn)LEC最小值0.728元/(kW·h)。在相同吸熱量條件下，R245fa的電力生產(chǎn)成本最高，R600a的電力生產(chǎn)成本最低，R600的電力生產(chǎn)成本較低，低于A組工質(zhì)中R236ea，且在低吸熱量區(qū)與R600a非常接近，說(shuō)明采用R600的系統(tǒng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

圖6 電力生產(chǎn)成本隨吸熱量的變化

圖7 各工質(zhì)熱力系統(tǒng)的投資回收期

圖7反應(yīng)了各工質(zhì)熱力系統(tǒng)在最小LEC運(yùn)行工況下的系統(tǒng)投資回收期。由圖可知，A組工質(zhì)R236ea和R600a的熱力系統(tǒng)的投資回收期分別約為171個(gè)月和165個(gè)月，B組工質(zhì)R600和R245fa的熱力系統(tǒng)的投資回收期分別約為166個(gè)月和173個(gè)月。4種工質(zhì)中R245fa的投資回收期最長(zhǎng)，R600a的投資回收期最短。R600對(duì)應(yīng)熱力系統(tǒng)的投資回收期介于A組工質(zhì)R236ea和R600a之間，明顯小于R236ea且稍大于R600a。從經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，4種工質(zhì)中R245fa的電力生產(chǎn)成本最高，投資回收期最長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較差，R600a的電力生產(chǎn)成本最低，投資回收期最短，經(jīng)濟(jì)性最佳，R600的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)僅次于R600a。

圖8 各設(shè)備投資成本占比

表2 各工質(zhì)系統(tǒng)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況

圖8反應(yīng)了各工質(zhì)對(duì)應(yīng)熱力系統(tǒng)在最小LEC運(yùn)行工況時(shí)的各設(shè)備成本占比。不同工質(zhì)對(duì)應(yīng)熱力系統(tǒng)的同類設(shè)備成本占比接近。其中蒸發(fā)器成本所占比例最大，接近設(shè)備總成本的一半；冷凝器和膨脹機(jī)占比接近，約占設(shè)備總成本的1/4；工質(zhì)泵的投資占比最小，只占總設(shè)備成本的約2%～4%。

2.3 熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

分別以凈功量和LEC作為系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性和經(jīng)濟(jì)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，篩選出各工質(zhì)系統(tǒng)在最大凈功量和最小電力生產(chǎn)成本時(shí)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況以及最佳經(jīng)濟(jì)性工況，結(jié)果如表2所示。A組工質(zhì)最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度和吸熱量均高于B組工質(zhì)，A組工質(zhì)最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度和吸熱量也均高于B組工質(zhì)。同組工質(zhì)最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度基本一致，最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度也基本相同。對(duì)于同一工質(zhì)而言，最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異，各工質(zhì)的最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度均高于最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度，相差8～10℃左右。

綜合圖4和圖6可以發(fā)現(xiàn)，同組工質(zhì)熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨吸熱量的變化趨勢(shì)基本一致，經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)隨吸熱量的變化趨勢(shì)也較為相似。在相同吸熱量條件下，同組工質(zhì)的熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)接近，而經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)則存在明顯差異。其中R600的凈功量最小，熱耗率最大，但經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)于R236ea，僅次于R600a。圖9通過(guò)對(duì)A組的R236ea和B組的R600進(jìn)行綜合對(duì)比可得，在相同吸熱量下，R236ea的凈功量始終高于R600，且隨著吸熱量的增加R236ea系統(tǒng)的熱力性能優(yōu)勢(shì)逐漸明顯；R600系統(tǒng)的電力生產(chǎn)成本始終低于R236ea，雖然隨著吸熱量的增加兩種工質(zhì)的電力生產(chǎn)成本差距減小，但R600系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)明顯，因此熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)良好的工質(zhì)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)不一定更佳。在本文設(shè)定的計(jì)算條件下，R600a為所選4種工質(zhì)中兼顧經(jīng)濟(jì)性與熱經(jīng)濟(jì)性的最佳工質(zhì)，R236ea熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較好且與R600a接近，R600經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)較好且與R600a接近。

圖9 工質(zhì)熱力系統(tǒng)綜合對(duì)比

3 結(jié)論

本文針對(duì)以低溫?zé)煔鉃闊嵩吹腛RC系統(tǒng)，選取兩組共4種工質(zhì)，基于熱源參數(shù)計(jì)算系統(tǒng)熱力性能及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，從熱經(jīng)濟(jì)性與經(jīng)濟(jì)性角度對(duì)各工質(zhì)的系統(tǒng)性能進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如下。

（1）同組工質(zhì)的凈功量和熱耗率變化相似且數(shù)值接近，但電力生產(chǎn)成本和投資回收期的差別較大。

（2）同一工質(zhì)的最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況和最佳經(jīng)濟(jì)性工況存在差異，在本文條件下，工質(zhì)最佳經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度高于最佳熱經(jīng)濟(jì)性工況下的蒸發(fā)溫度8～10℃左右。

（3）R600a為所選4種工質(zhì)中兼顧經(jīng)濟(jì)性與熱經(jīng)濟(jì)性的最佳工質(zhì)，采用R236ea的系統(tǒng)熱力性能好于R600，而采用R600的系統(tǒng)電力生產(chǎn)成本始終低于R236ea，相對(duì)于R236ea，R600具有明顯的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

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Comparison of thermodynamic performance and economic efficiency of ORC system for low temperature flue gas

HAN Zhonghe，XU Hongsheng，F(xiàn)AN Wei，ZHAO Ruocheng，WANG Zhi
（Key Laboratory of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

This paper established the organic Rankine cycle（ORC） systems which utilized low-temperature flue gas as heat source to generate electricity. 2 Groups of single working fluids were researched. By changing heat source parameters to alter the heat absorption of the systems，the thermal equilibrium method was used to calculate thermal performance. Both thermodynamics and economics were taken into consideration to analyze the performance of systems with different working fluids. The result revealed that the two working fluids with the same group retained the similar parameters of network and heat consumption rate with the similar regularity of changes，while the LEC（levelized electricity cost）and DPP （discounted payback period）were not similar. Under the condition studied，the evaporation temperature optimized by economics was about 8—10℃ higher than that by thermodynamics. The comprehensive comparison showed that R600a was the best choice. The thermal performance of system using R236ea was better than R600，but the LEC of system using R600 was lower than R236ea. Compared to R236ea，R600 had obvious advantage at the aspect of economics.

flue gas waste heat；organic Rankine cycle；heat source parameter；thermodynamic performance；economic performance

TK 12

A

1000–6613（2017）11–4010–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2016-2287

2016-12-07；修改稿日期2017-05-26。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51306059）及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)基金（2014MS151）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：韓中合（1964—），男，教授，博士，研究方向?yàn)闊崃υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷及兩相流計(jì)算測(cè)量。E-mail han_zhonghe@126.com。