引言根据我国国家统计局公布的数据，2021年我国煤炭消费量约占能源消费总量的56%，消费比例较高，导致大量温室气体和污染物排放，造成环境污染。我国能源利用率仅为33%左右[1]，能源利用效率偏低，大部分低温余热资源未被合理利用，被排放到大气中造成能源浪费和环境负担。针对低温余热利用具有巨大节能潜力的现状，通过有机朗肯循环回收利用工业低品位余热是解决目前能源和环境问题的有效途径之一。钢铁生产过程余热具有数量大、品位低的特点，如果采用烧结环冷机中低温段的热废气作为热源进行ORC发电[2]，可以减少对化石燃料的消耗，提高能源利用效率，促进节能减排和绿色发展战略。目前，从有机工质优选、循环参数分析、循环系统优化、系统部件分析等方面开展ORC发电系统研究[3-7]，评价指标通常以效率、净输出功、经济性能最大化为目标。从的角度单独分析部件和系统的文献报道较少。部分研究者对ORC发电系统进行分析时，主要通过建立热力学模型并对相关参数进行假定，研究过程仅停留在软件模拟和实验室阶段，缺乏对工程上实际运行机组能质状况的分析。魏新利[8]等通过搭建ORC低温余热发电实验台和使用Aspen 7.3流程模拟对有/无回热系统各设备进行分析，结果表明，两种情形下蒸发器的损失均最大，且有回热的ORC系统的效率比无回热的ORC系统提高3.71%。刘广林[9]等基于EES软件环境开发的热力学程序，采用效率指标对共冷凝器双循环ORC发电系统和加热器进行分析，并与单循环系统进行比较。Bao[10]等利用Matlab 2010a编写程序对自动复叠式朗肯循环进行分析，并指出与有机朗肯循环和卡琳娜循环相比，自动复叠式朗肯循环具有更高的效率。Long[11]等提出简化的效率模型，验证工质对ORC系统性能的影响，结果表明，工质的热物性对内部效率影响不大，但对外部效率具有重要影响。ORC发电系统模拟或试验结果与实际工程应用的机组运行结果存在一定差别，采用分析法对上海某工业园区厂用余热MW级ORC发电机组进行定量评价。基于某时段机组运行得到的历史数据，分析各个设备的效率、损失占比情况以及影响系统效率的因素，揭示效率变化规律和损分布情况，并针对实际机组提出优化方向。1MW级工业ORC系统介绍某MW级工业ORC发电系统流程如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F001图1某MW级工业ORC发电系统流程以上海某工业园区厂用余热MW级ORC发电机组为研究对象，ORC发电机组由ORC系统、循环冷却水系统和发电系统共3个子系统构成，机组选用R245fa为循环工质。其中，ORC系统包括热水蒸发器、蒸汽蒸发器、透平机、冷凝器和工质泵；循环冷却水系统主要包括冷凝器、水泵和冷却池；发电系统主要包括透平机、减速箱、稀油站和发电机。机组热源分为两路，分别是热水热源和次低压饱和蒸汽，热水与蒸汽耦合。有机工质经过工质泵增压进入热水蒸发器，在热水蒸发器内被预热至饱和，进入蒸汽蒸发器内完全蒸发并过热（过程1~过程4），产生的高温高压蒸气推动透平机膨胀做功，带动发电机发电（过程4~过程5）。在透平机和发电机之间配置减速箱，实现透平机与发电机之间的转速变换，稀油站为透平机、减速箱和发电机的轴承提供润滑，避免因摩擦损坏器械，保证设备稳定运行。从透平机排出的过热蒸气在冷凝器中向冷却水放热（过程5~过程7），冷却池通过水泵向冷凝器提供冷却水。液态工质借助工质泵加压重新回到热水蒸发器中吸热（过程7~过程1），完成一个有机朗肯循环。工质在系统中循环不断地工作，将热能持续转变为机械能和电能输出。从REFPROP 9.1中调取R245fa温度和比熵数据，绘制曲线。R245fa为工质的ORC系统T-s曲线如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F002图2R245fa为工质的ORC系统T-s曲线2ORC系统㶲分析计算模型基于工程热力学理论，对实际MW级ORC发电机组建立数学模型进行系统分析时，提出以下两点假设简化模型：假定系统处于稳定流动状态；忽略系统对外界的热量损失。实际运行过程中，一切不可逆因素均会引起损失，损失的大小表明不可逆的程度，效率可以评价系统或部件的热力学完善程度[12]。平衡方程式可以反映不可逆过程中的变化情况，热力系统的平衡方程式为：EX,in-EX,out-EX,loss=∆EX,sys (1)式中：EX,in——输入系统的，kW；EX,out——输出系统的，kW；EX,loss——系统损失，kW；∆EX,sys——系统的变化量，kW。对于稳定流动开口系，平衡方程式为：Ex,loss=Ex,H1-Ex,H2+Ex,Q-Wt (2)式中：Ex,H1——输入系统的焓，kW；Ex,H2——输出系统的焓，kW；Ex,Q——系统与外部环境的热量，kW；Wt——有用功，kW。2.1各部件的损失和效率由Ex,Q=0，结合式（2），列出系统中热水蒸发器、蒸汽蒸发器、透平机、冷凝器和工质泵的损失和效率计算公式。（1）热水蒸发器。热水蒸发器的损失Ih为：Ih=Ea-Eb-E3-E1=mh(ha-hb)-T0sa-sb-mfh3-h1-T0s3-s1 (3)式中：Ei、hi、si——分别为各个状态点的、比焓、比熵（下标数字代表工质侧，下标字母代表热源侧），kW、kJ/kg和kJ/(kg⋅K)；mi——质量流量（h代表热水，f代表有机工质），kg/s；T0——环境温度，K。热水蒸发器的效率ηh,ex为：ηh,ex=mfh3-h1-T0s3-s1mh(ha-hb)-T0sa-sb (4)（2）蒸汽蒸发器。蒸汽蒸发器的损失Is为：Is=|Ec-Ed-E4-E3|=|ms(hc-hd)-T0sc-sd-mfh4-h3-T0s4-s3| (5)式中：ms——蒸汽质量流量，kg/s蒸汽蒸发器的效率ηs,ex为：ηs,ex=min{ms(hc-hd)-T0sc-sd,mfh4-h3-T0s4-s3}max{mshc-hd-T0sc-sd,mfh4-h3-T0s4-s3} (6)（3）透平机。透平机实际输出功率Wt为：Wt=mfh4-h5 (7)透平机的损失It为：It=E4-E5-Wt=mfh4-h5-T0s4-s5-mfh4-h5=mfT0s5-s4 (8)透平机的效率ηt,ex为：ηt,ex=h4-h5h4-h5-T0s4-s5 (9)（4）冷凝器。冷凝器的损失IC为：IC=E5-E7-Ec,out-Ec,in=mfh5-h7-T0s5-s7-mchc,out-hc,in-T0sc,out-sc,in (10)式中：Ec,in、Ec,out、hc,in、hc,out、sc,in、sc,out——分别为冷凝器冷却水侧输入、输出、进口比焓、出口比焓、进口比熵、出口比熵，kW、kW、kJ/kg、kJ/kg、kJ/(kg⋅K)、kJ/(kg⋅K)；mc——冷却水质量流量，kg/s。冷凝器的效率ηt,ex为：ηt,ex=mchc,out-hc,in-T0sc,out-sc,inmfh5-h7-T0s5-s7 (11)（5）工质泵。工质泵的实际耗功功率Wp为：Wp=mfh1-h7 (12)工质泵的损失Ip为：Ip=Wp-E1-E7=mfh1-h7-mfh1-h7-T0s1-s7=mfT0s1-s7 (13)工质泵的效率ηp,ex为：ηp,ex=h1-h7-T0s1-s7h1-h7 (14)2.2系统的损失和效率系统的净输出功率Wnet为：Wnet=Wt-Wp (15)系统热源提供的可使用的焓Ein为：Ein=mh(ha-hb)-T0sa-sb+ms(hc-hd)-T0sc-sd (16)系统的效率ηex为：ηex=WnetEin (17)系统的总损ΔEx为：ΔEx=Ih+Is+It+IC+Ip (18)部件的损率di为：di=IiΔEx (19)3结果与分析工业余热MW级ORC发电机组内部测量元件经标定后安装，温度、压力、流量均采用一体化传感器采集。采集的数据主要包括两蒸发器热源侧和冷凝器冷源侧进出口温度、压力和质量流量以及工质在各个状态点的温度、压力和流速。通过Refprop 9.1计算并记录冷热源侧和工质侧进出口比焓和比熵。假设环境温度T0约为298.15 K。由于工业生产过程变化，余热气体温度不同，导致机组热源不稳定，温度波动大，使得测量得到的状态参数与设计工况下的运行参数存在一些误差，基于2021年1月某天某时段实际发电机组运行得到的历史数据，热源连续性良好。机组实际工况和设计工况下的热源参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.T001表1机组实际工况和设计工况下的热源参数参数设计工况下运行结果实际工况下运行结果区间热水蒸发器热源流量/(t/h)220223.277~230.523热水蒸发器热水进口压力/MPa10.882~1.256热水蒸发器热水进口温度/℃150127.610~157.927热水蒸发器热水出口温度/℃9087.350~95.513蒸汽蒸发器热源流量/(t/h)51.620~4.727蒸汽蒸发器蒸汽进口压力/MPa0.50.257~0.494蒸汽蒸发器蒸汽进口温度/℃180150.807~172.100蒸汽蒸发器蒸汽出口温度/℃150121.637~146.7173.1部件效率分析热水蒸发器出口工质呈现不同状态，为该出口压力下的未饱和态和过热态，不处于设计工况下的饱和区间，实测值与理论饱和值存在很小的误差，原因可能是受热水进口温度、压力和流量及工质泵出口温度等多因素影响，造成热水蒸发器出口端工质不在湿饱和蒸汽区。热水蒸发器和蒸汽蒸发器效率的变化曲线如图3所示。由于热水蒸发器出口工质状态不同，两个蒸发器效率值具有明显差别，因为工质与热源在不同蒸发器内换热程度不同。为了避免计算复杂性，便于后续分析，现提出将两个蒸发器视为一个整体，作为后续进行蒸发器分析的研究对象。工质从热水蒸发器进口未饱和态升温至蒸汽蒸发器出口过热态，热水和次低压饱和蒸汽一起作为热源。图3热水蒸发器和蒸汽蒸发器效率的变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F3a1（a）热水蒸发器出口工质为未饱和态时10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F3a2（b）热水蒸发器出口工质为过热态时蒸发器、透平机、冷凝器和工质泵效率变化曲线如图4~图7所示。透平机总体效率最高，达到75%，最高可达82%，说明高温高压蒸气在推动透平机膨胀做功时，热功转化效率较高。冷凝器总体效率最低，在25%以下，最低为5%，因为冷凝器冷却水流量不足，减少了冷凝器内工质与冷却水的换热量，同时透平机出口蒸气温度过高，未被冷却水充分吸收，造成热量浪费。蒸发器与工质泵效率介于中间，蒸发器效率集中在40%~50%，工质泵效率在40%~60%之间波动。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F004图4蒸发器效率的变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F005图5透平机效率的变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F006图6冷凝器效率的变化曲线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F007图7工质泵效率的变化曲线3.2部件损失占比分析ORC发电系统各部件损失的变化曲线如图8所示。蒸发器损失最大，主要由传热损失和散热损失两部分组成。传热损失由循环工质与两热源之间较大的传热温差造成，而散热损失是工质和热源在换热过程中向管壁散热导致热量向外部环境释放，前者是主要因素，后者可以忽略。冷凝器损失其次，主要是因为从透平机出口排出的过热蒸气与冷却水换热过程中较大的传热温差造成。透平机作为ORC发电系统中的核心部件，与蒸发器和冷凝器相比，透平机损失较小，主要由摩擦损耗引起。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F008图8ORC发电系统各部件损失的变化曲线针对蒸发器和冷凝器损失情况，提出两条减小不可逆损失的途径：从工质方面，可以选择非共沸混合工质代替纯工质，利用非共沸混合工质在蒸发和冷凝过程中非等温相变的特性[13-14]，实现与冷热源的匹配，减小有机工质与冷热源的传热温差；从循环结构方面，可以在透平机出口增加回热器，降低透平机出口的过热蒸气温度，同时增大热水蒸发器进口工质温度，减小蒸发器内的传热温差。针对透平机损失，可以配置高质量轴承和采用优质润滑油，或者调整机械参数以减小摩擦引起的能量损耗。为了使不同部件损分布情况更加清晰直观，计算各部件在统计时间内的平均损失值。各部件损占比如图9所示。蒸发器损占比最大，达到71%；冷凝器和透平机损占比分别为20%和8%；工质泵损占比最小，仅为1%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F009图9各部件损失占比3.3部件效率对系统效率的影响从统计时间的热水热源变化情况分析，温度波动较大，受热源不稳定性影响，系统效率的研究过程中，难以用控制变量的方法对某个自变量进行单因素分析，因而从部件效率的角度出发，进一步各参数探讨对系统效率的影响。基于计算得到的实际ORC发电机组在统计时间内的系统效率值，从大到小选取系统效率前20组和后20组数据作为研究对象，研究在这些时刻下系统效率与各个部件的效率的关系，分析造成系统效率下降的原因，并提出优化方向。系统效率与部件效率的变化关系如图10所示。实际ORC发电机组在统计时间内系统效率最高为24.33%，最低为15.16%。系统效率与蒸发器效率有关。系统效率处于低点时，蒸发器效率偏低，基本处于40%以下；系统效率处于高点时，蒸发器效率有所提升，基本维持在50%以上。蒸发器效率在前后两段有明显的“阶跃”现象，其他部件效率均在某个数值或某个区间上下波动。表明系统效率受蒸发器效率影响，且随着蒸发器效率的提升，系统效率也会有所增加。系统效率与其余部件效率无明显相关性。因此，提高蒸发器效率值是一个改进方向。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.03.005.F010图10系统效率与部件效率的变化关系4结语文中以上海某工业园区厂用余热MW级ORC发电机组为研究对象，利用中低温废气余热，通过锅炉产生的热水和次低压饱和蒸汽为实际机组提供热源，选取R245fa作为循环工质，通过实际数据分析各个设备的效率变化情况以及影响系统效率的因素，指明损失严重的部件，为实际机组提供优化方向。主要结论如下：（1）根据实际ORC发电机组在统计时间内各部件的效率的变化情况，透平机总体效率最高，均在75%以上，最高可达82%，透平机膨胀做功良好，热功转化效率较高。冷凝器总体效率最低，均在25%以下，最低为5%，主要因为从透平机出口排出的过热蒸汽未被冷却水充分吸收，造成热量的浪费。因此，提高冷凝器效率是改进实际机组性能的一个重要方向。（2）根据计算得到各部件在某时段内的平均损失值，蒸发器损占比最大，达到71%；冷凝器和透平机损占比分别为20%和8%；工质泵损占比最小，仅为1%。减小蒸发器损失可以显著改善机组效率。（3）基于计算得到的实际ORC发电机组统计时间内的系统效率值，发现系统效率与蒸发器效率有关，与其余部件效率无明显相关性。蒸发器效率的提升使系统效率有所增加。因此，需要提高蒸发器整体效率以改善系统能量的转换效率。