申玲++陶樂仁+王曉云++王鑫

摘要： 對有機朗肯循環(huán)系統工質的優(yōu)化選擇已逐漸從單一優(yōu)化目標向多目標發(fā)展，但所選的優(yōu)化目標及優(yōu)化方法普遍存在主觀性較強的問題.針對上述問題，從環(huán)保性、安全性等方面對工質進行初選，得到了R123、R245fa、R245ca和R601等9種工質，然后采用主成分分析法對工質的熱效率、循環(huán)凈功和不可逆損失等7個熱力性能指標進行了分析計算，得到了兩個較為客觀的綜合評價指標，并在不同蒸發(fā)溫度下對工質的綜合熱力性能進行了分析.結果表明：R601做功能力較強，綜合效率較高，是該循環(huán)系統較為理想的工質.

關鍵詞：

有機朗肯循環(huán)； 優(yōu)化； 主成分； 綜合評價指標

中圖分類號： TK 11+5文獻標志碼： A

Working Fluid Selection of Organic Rankine Cycle Power

Generation System Using Low Temperature Heat Source

SHEN Ling， TAO Leren， WANG Xiaoyun， WANG Xin

（Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Power Engineering，

University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）

Abstract：

Optimization of working fluid selection in theorganic Rankine cycle（ORC） system has developed from single objective to multiple ones.However，the optimizing objective and approach were determined with strong subjectivity.Aimed at this problem，nine working fluids including R123，R245fa，R245ca，R601 and so on，were selected in terms of safety and environment protection.And then principal analysis was conducted based on the thermal performance such as thermal efficiency，net cycle work，irreversible loss，etc.Two objective comprehensive evaluation indexes were attained.According to these，the comprehensive thermal performance of working fluids at different evaporation temperatures was analyzed.The results showed that R601 was the ideal working fluid for ORC system with good work capacity and high overall efficiency.

Keywords：

organic Rankine cycle； optimization； principle components； comprehensive evaluation index

隨著節(jié)能環(huán)保觀念的推廣及深入，低品位熱能的回收利用越來越受到人們的關注，其中有機朗肯循環(huán)（ORC）作為一種有效的低溫余熱利用方式得到了廣泛應用[1].ORC發(fā)電系統的主要優(yōu)勢在于利用了有機工質低沸點的特性.因此，工質的選擇成為ORC發(fā)電系統研究的核心內容之一.

近年來，關于ORC系統的工質優(yōu)選方法已從單一目標逐漸向多目標發(fā)展，例如：Khennich等[2]針對100 ℃的低溫工業(yè)余熱，分別以ORC系統換熱器的總熱導率最小和循環(huán)功率輸出最大為目標，對5種工質進行了研究，得出R141b為最佳工質；Wang等[3]以循環(huán)熱效率和總投資成本為優(yōu)化目標，通過遺傳算法建立ORC系統多目標優(yōu)化模型，得到了兩者之間的帕累托權衡曲線；王志奇等[4]利用模擬退火算法，建立了以熱回收率和單位輸出功率所需換熱面積為目標的多目標參數優(yōu)化模型，結果表明，當熱源溫度為100～220 ℃時，采用R123系統性能最佳；韓中合等[5]以單位功量和單位功量質量流量為性能指標對有回熱的ORC系統進行了工質優(yōu)選，通過對比分析14種工質性能，得到環(huán)己烷是對應目標下的最優(yōu)工質.

以上學者大多選取了兩個或三個性能參數作為優(yōu)化目標，在一定程度上緩解了工質選擇時的單一性問題，但評價系統性能的指標眾多，少數目標仍不能全面地反映系統的綜合性能.鑒于此，一些學者以多個目標為評價標準，通過綜合分析方法對工質進行綜合評價，但這些方法大多存在主觀性問題，不能對工質進行客觀評價，例如：李惟毅等[6]采用的線性加權法，當研究側重點不同，權重不同時，則線性加權的結果就會不同；許俊俊等[7]采用多級非結構性模糊決策分析法，該方法雖避免了主觀確定隸屬度的問題，但計算過程較為復雜，如果簡單地使用模糊決策分析法，人為賦予評價指標權重將不可避免.

針對上述問題，本文采用一種較為客觀、全面的分析方法——主成分分析法，對ORC發(fā)電系統循環(huán)工質的熱力性能進行綜合評價.該方法主要依據多元統計學理論，并在分析過程中運用各類統計學軟件客觀地確定各個熱力性能指標的權重，避免由于人為因素造成的評價差異.