柳长昕等：面向船舶多种余热梯级利用的TEG-ORC联合循环性能 581 和0.76MPa,如有机工质如果按照预定方案逐级 TEG-ORC联合循环实验系统的总输出功率随 预热，将会在蒸发器前汽化相变，所以，相应工况 之提升；同时，TEG底循环发电成本也随着蒸发压 下有机工质经过一级预热器预热后直接到达蒸发 力的增加略有降低，而ORC底循环发电成本下降 器中，确保其在蒸发器中吸热汽化 较为明显，综合影响，TEG-ORC联合循环的发电 成本也随之降低.在蒸发压力为0.9MPa时， 2000 1800 EG cold end TEG发电成本为0.733￥kW-h),ORC发电成本 ry pre 1600 stage preh 为3.56￥(kW-h),系统发电成本为3.09￥(kW-h) 1400 G.ORO 由于只是针对实验系统，没有考虑规模效应，且 1200 ORC底循环并未处于最佳性能的蒸发压力工况， 1000 800 所以计算所得发电成本较高 600 不同工质蒸发压力下系统的单位发电成本和 400 热效率变化如图6所示.由图可知，在不同蒸发压 200 力下，ORC底循环单位发电成本始终高于TEG底 0.600.630.660.700.730.760.800.830.860.90 循环发电成本且占联合循环系统发电成本比例较 Working medium evaporation pressures/MPa 大，是影响系统发电成本的主要因素：同时，系统 图4不同工质蒸发压力下系统的余热利用功率 Fig.4 System recovery power from waste heat under different working 热效率总体呈现上升趋势 fluid evaporation pressures △-TEG generation cost 实验中，随着工质蒸发压力的增大，ORC底循 -o-ORC generation cost Svstem generation cost 环中蒸发器的余热利用功率也增加，系统总余热 12 System thermal efficiency 利用功率也同步上升.在蒸发压力为0.9MPa时， ● 9 TEG底循环、TEG底循环冷端、二级预热器、三级 预热器、OC蒸发器底循环的余热利用功率和系 6 统总余热利用功率分别为560、332.64、134.40、203.28、 5 1022.00和1919.68W 图5为不同工质蒸发压力下各底循环的输出 功率及其发电成本的变化曲线.由图可知，在不同 5.550.600.650.700.750.800.850.900.95 蒸发压力下，ORC底循环的输出功率和单位发电 Working medium evaporation pressures/MPa 成本均高于TEG底循环 图6不同工质蒸发压力下系统的单位发电成本和热效率 Fig.6 Generation cost and thermal efficiency under different working 150 15 fluid evaporation pressures 实验中，随着工质蒸发压力的逐渐增加， 120 ORC generation cost 12 -System generation e TEG底循环发电成本小幅增加，ORC底循环发电 90 9 成本下降较为明显，在系统发电成本呈降低趋势 的同时，系统热效率在逐渐提升.这是由于工质蒸 60 6 发压力的增大，对TEG底循环烟气余热利用的影 响有限，但影响了成本模型中的设备修正费用 30 CBM、费用修正系数Fp,使TEG底循环的成本小幅 0.550.600.650.700.750.800.850.900.95 度增加；ORC底循环发电成本随蒸发压力的提升 Working medium evaporation pressures/MPa 而增加趋势渐缓，这是因为随着蒸发压力的增加， 图5不同工质蒸发压力下系统的输出功率和单位发电成本 ORC底循环输出性能以及蒸发器等余热利用能力 Fig.5 Power output and generation cost under different working fluid 逐渐增强，结合成本模型中的换热器换热量Z、费 evaporation pressures 用修正系数Fp、净输出功率Wn等参数的综合影 实验中，由于底循环比不变，随着蒸发压力的 响，系统发电成本逐渐降低.在蒸发压力为0.9MPa 增大，TEG底循环输出功率在23W左右小幅波 时，系统热效率最高，达到7.25% 动，与逐渐增加的ORC底循环输出功率叠加后， 不同工质蒸发压力下系统的输出功率和热效和 0.76 MPa，如有机工质如果按照预定方案逐级 预热，将会在蒸发器前汽化相变，所以，相应工况 下有机工质经过一级预热器预热后直接到达蒸发 器中，确保其在蒸发器中吸热汽化. 0.60 0.63 0.66 0.70 0.73 0.76 0.80 0.83 0.86 0.90 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 TEG TEG cold end The secondary preheater The third-stage preheater Evaporator TEG-ORC system Waste heat utilization power/W Working medium evaporation pressures/MPa 图 4 不同工质蒸发压力下系统的余热利用功率 Fig.4 System recovery power from waste heat under different working fluid evaporation pressures 实验中，随着工质蒸发压力的增大，ORC 底循 环中蒸发器的余热利用功率也增加，系统总余热 利用功率也同步上升. 在蒸发压力为 0.9 MPa 时， TEG 底循环、TEG 底循环冷端、二级预热器、三级 预热器、ORC 蒸发器底循环的余热利用功率和系 统总余热利用功率分别为560、332.64、134.40、203.28、 1022.00 和 1919.68 W. 图 5 为不同工质蒸发压力下各底循环的输出 功率及其发电成本的变化曲线. 由图可知，在不同 蒸发压力下，ORC 底循环的输出功率和单位发电 成本均高于 TEG 底循环. 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 0 30 60 90 120 150 0 3 6 9 12 15 Power output/W Working medium evaporation pressures/MPa Costs/[¥·(kW·h)−1 ] TEG power output TEG generation cost ORC power output ORC generation cost System power output System generation cost 图 5 不同工质蒸发压力下系统的输出功率和单位发电成本 Fig.5 Power output and generation cost under different working fluid evaporation pressures 实验中，由于底循环比不变，随着蒸发压力的 增大，TEG 底循环输出功率在 23 W 左右小幅波 动，与逐渐增加的 ORC 底循环输出功率叠加后， TEG-ORC 联合循环实验系统的总输出功率随 之提升；同时，TEG 底循环发电成本也随着蒸发压 力的增加略有降低，而 ORC 底循环发电成本下降 较为明显，综合影响，TEG-ORC 联合循环的发电 成本也随之降低 . 在蒸发压力 为 0.9 MPa 时 ， TEG 发电成本为 0.733 ¥·(kW·h)–1 ，ORC 发电成本 为 3.56 ¥·(kW·h)–1，系统发电成本为 3.09 ¥·(kW·h)–1 . 由于只是针对实验系统，没有考虑规模效应，且 ORC 底循环并未处于最佳性能的蒸发压力工况， 所以计算所得发电成本较高. 不同工质蒸发压力下系统的单位发电成本和 热效率变化如图 6 所示. 由图可知，在不同蒸发压 力下，ORC 底循环单位发电成本始终高于 TEG 底 循环发电成本且占联合循环系统发电成本比例较 大，是影响系统发电成本的主要因素；同时，系统 热效率总体呈现上升趋势. 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 0 3 6 9 12 15 TEG generation cost ORC generation cost System generation cost System thermal efficiency 3 4 5 6 7 8 9 Costs/[¥·(kW·h)–1 ] Working medium evaporation pressures/MPa Thermal efficiency/ % 图 6 不同工质蒸发压力下系统的单位发电成本和热效率 Fig.6 Generation cost and thermal efficiency under different working fluid evaporation pressures 实验中 ，随着工质蒸发压力的逐渐增加 ， TEG 底循环发电成本小幅增加，ORC 底循环发电 成本下降较为明显，在系统发电成本呈降低趋势 的同时，系统热效率在逐渐提升. 这是由于工质蒸 发压力的增大，对 TEG 底循环烟气余热利用的影 响有限 ，但影响了成本模型中的设备修正费用 CBM、费用修正系数 FP，使 TEG 底循环的成本小幅 度增加；ORC 底循环发电成本随蒸发压力的提升 而增加趋势渐缓，这是因为随着蒸发压力的增加， ORC 底循环输出性能以及蒸发器等余热利用能力 逐渐增强，结合成本模型中的换热器换热量 Z、费 用修正系数 FP、净输出功率 Wnet 等参数的综合影 响，系统发电成本逐渐降低. 在蒸发压力为 0.9 MPa 时，系统热效率最高，达到 7.25%. 不同工质蒸发压力下系统的输出功率和热效 柳长昕等： 面向船舶多种余热梯级利用的 TEG-ORC 联合循环性能 · 581 ·