2.3　ORC系统热力学计算模型

2.3.1　计算模型中变量分析

由系统参数设计计算采用的预设参数变量可以看出，主要变量是工质的蒸发压力P1，工质在汽轮机入口蒸汽的过热度ΔTsup以及汽轮机的进出口工质压力比ε。在有机工质朗肯循环系统计算中，将汽轮机进出口压比分别与蒸发压力和汽轮机入口蒸汽过热度组成两组变量参数，对有机工质朗肯循环系统运行参数进行计算比对，以评价3个变量参数对于系统工作性能的影响，具体变量设置与计算模型结合方式如下：

（1）汽轮机压比ε与蒸发压力P1组合。为评价工质蒸发压力P1与汽轮机压比ε对有机工质朗肯循环系统效率的影响，预设各工质的汽轮机入口温度Th。根据参数设计所述，汽轮机压比以及蒸发压力见表2-4，初终值设为双循环，依次计算各循环对应的运行参数，模型中初始状态点1的参数计算公式为

（2）汽轮机压比ε与汽轮机入口工质蒸汽过热度ΔTsup组合。为评价汽轮机入口工质蒸汽过热度ΔTsup与汽轮机压比ε对有机朗肯循环系统热效率的影响，汽轮机压比以及汽轮机入口工质蒸汽过热度见表2-5，初终值设为双循环，依次计算各循环对应的运行参数，模型中初始状态点1的参数计算公式为

2.3.2　基本有机朗肯循环计算模型

基本有机朗肯循环T-S图见图2-3，基本有机朗肯循环与传统的无抽气无再热朗肯循环过程相同：有机工质在汽轮机中从进口点1到出口点2膨胀做功，乏汽进入冷凝器等压冷却凝结到冷凝器出口点3，工质循环泵接着将液体工质加压到蒸发压力，加压后的工质从泵出口点4进入蒸汽发生系统，和太阳能场导热油等压换热后升温到汽轮机进口点1，由此完成典型的有机朗肯基本循环过程。结合以上过程，根据热力学原理可推出基本有机朗肯循环计算模型。

根据整个基本有机朗肯工作过程，可推出循环各设备节点压力关系如下：

计算过程中，忽略管路与各换热设备中的压降。

有机朗肯循环系统计算过程中所用的Refpropm为NIST编制的查询工质物性的函数，其余参数数值关系均由朗肯循环四部分过程关系算得。工质在循环中的初始状态点由初始温度和初始压力决定，其计算公式为

由汽轮机级内相对内效率定义可知，工质在汽轮机内膨胀做功过程的实际焓降等于理想等熵焓降乘以汽轮机相对内效率。　与汽轮机入口参数点等熵的理想汽轮机出口状态点2s由汽轮机出口压力P2与初始状态点的熵S1决定，工质理想等熵膨胀的出口点2s 焓值为

汽轮机设置为单级汽轮机，因此汽轮机内实际焓降由级内相对内效率公式推得

式中：　ηt为汽轮机的相对内效率。

工质在汽轮机内膨胀引起的焓降为

干工质在汽轮机出口的乏汽往往处于过热蒸汽状态，乏汽在冷凝器中经过等压冷却凝结两个过程至饱和液体状态。冷凝器出口工质状态点为汽轮机出口压力P2下的饱和液体点，即

单位质量工质在冷凝器中放热量为

冷凝后的饱和液态工质被工质泵加压至蒸发压力P1，然后进入蒸发系统。理想工质泵等熵加压后的出口点4s由蒸发压力P1和冷凝器出口点的熵S3确定，因此焓值　H4s为

工质泵的实际耗能应由等熵耗能除以工质泵的等熵效率，由此可求得工质泵实际加压后出口点4的焓值为

式中：ηp为工质泵的等熵效率。

工质泵加压单位质量工质所消耗能量为

工质经工质泵加压后，由状态点4进入蒸汽发生系统中与太阳能场导热油换热，吸收能量升温蒸发至汽轮机入口状态点1，单位质量工质在蒸汽发生系统中吸热量为

基本有机朗肯系统热效率由有效输出功除以工质在蒸发系统中吸收的总热量求得

2.3.3　带IHE有机朗肯循环计算模型

带IHE的有机朗肯系统T-S图见图2-4，与基本有机朗肯循环不同之处在于IHE中冷热流体的换热过程，图中点2到点3为回热器中热流体冷却过程，点5到点6为回热器中冷流体升温过程。带IHE的有机朗肯系统各设备节点压力关系为

带IHE的有机朗肯循环中，汽轮机部分膨胀原理与基本有机朗肯循环相同，汽轮机进出口参数点计算方法也相同，见式（2-4）～式（2-7）。

回热器热流体出口与冷流体之间温度差ΔTIHE是回热器设计制造参数。为了方便回热器制造，文中设ΔTIHE为10℃。带IHE的有机朗肯循环中冷凝器出口点4与基本有机朗肯循环中冷凝器出口点3一样，都处于汽轮机出口压力下的饱和液体状态，该点物性参数为

点5为工质由点4经过工质泵加压到蒸发压力后的工质泵出口状态点，该点的物性参数求解过程为

再由回热器冷端换热端差定义可求得回热器中热流体出口点3温度T3，点3物性参数由该点温度T3与汽轮机出口压力P2确定，其计算公式为

确定热流体在回热器中出口状态点3后，单位质量热流体在回热器中放热量为

假设IHE换热效率为ηIHE，单位质量冷流体吸收的热量等于放热量乘以换热效率算得，冷流体出口点焓值为

带IHE的有机朗肯系统中，回热器中热流体流入冷凝器，工质在冷凝器中焓降为

冷凝后的饱和液态工质被工质泵加压至蒸发压力，然后进入蒸发系统，带IHE的有机朗肯系统中理想工质泵等熵加压出口点焓值为H5s，实际工质泵出口点焓值为H5，根据工质泵的等熵效率公式推得工质泵加压单位质量工质所消耗能量为

IHE系统蒸汽发生系统中工质从热源导热流体吸收的热量比基本系统少，这是由于回热器回收乏汽热量预热工质所致，由计算过程可看出带IHE的有机朗肯循环中，工质在蒸发系统入口状态点参数比基本有机朗肯循环中有所提高，单位工质吸收热量为

IHE系统热效率定义与基本ORC系统相同，其计算公式为

带IHE的ORC循环效率提高的主要原因是工质需要在蒸发系统中吸收的热量减少了。