有机朗肯循环 ORC 余热回收模拟器

Q: 干工质（Dry fluid）与湿工质（Wet fluid）的区别为何重要？

干工质在 T-s 图上饱和蒸汽线向右下倾斜（dT/ds ＞ 0），透平出口仍为过热状态，不会产生液滴，因此无需过热器即可避免叶片侵蚀。n-Pentane、Toluene、R245fa 接近干工质或等熵工质，因而被广泛用于 ORC。水属于湿工质，绝热膨胀会形成液滴，蒸汽朗肯循环必须设置过热器。在难以单独配置过热器的低温热源场合，选用干工质是 ORC 的必要条件。

有机朗肯循环 ORC 余热回收模拟器

使用 R245fa、R134a、n-Pentane、Toluene 等低沸点有机工质，从 80～300℃ 的低温废热中提取电力的 ORC 设计工具。改变热源温度、冷却温度、流量和再生器开关，可实时查看净功率、循环效率和 Carnot 效率比，适用于工业余热、地热双工质、生物质发电的前期评估。

参数设置

工质

按热源温度选择；Tcrit 与 Tmax 决定运行区间

热源温度 T_hot

℃

烟气、地热水或导热油等热源温度

冷却温度 T_cool

℃

冷却水温度（空冷／海水／冷却塔）

质量流量 ṁ

kg/s

泵效率 η_p

透平效率 η_t

螺杆／径流式膨胀机的绝热效率

再生器 IHE

用透平出口的过热蒸汽预热泵出口液体（效率 +12%）

使用再生器

计算结果

—

蒸发温度 T_evap (℃)

—

冷凝温度 T_cond (℃)

—

热输入 Q_in (kW)

—

净功率 W_net (kW)

—

循环效率 (%)

—

Carnot 效率比 (%)

—

ORC 设备布置图 — 蒸发器／透平／冷凝器／泵

红色热源向蒸发器输入热量，有机蒸汽推动透平发电，蓝色冷却源使其冷凝，泵再将其加压循环。开启再生器后，会显示连接透平出口与泵出口的预热虚线。

T-s 图（饱和线与四状态点）

循环效率随热源温度的变化

理论与主要公式

$$\eta_{\text{ORC}} = \eta_C \cdot f_{\text{fluid}} \cdot \eta_{\text{turb}}, \qquad \eta_C = \frac{T_{\text{evap}}-T_{\text{cond}}}{T_{\text{evap}}}$$

ORC 循环效率与 Carnot 上限（绝对温度 K）。f_fluid 为实际工质达到的 Carnot 比，有机工质典型 0.5～0.7。配置再生器（IHE）可再提升约 12%。

$$Q_{\text{in}} = \dot m \bigl(c_p\,\Delta T + h_{fg}\bigr), \qquad W_{\text{net}} = Q_{\text{in}} \cdot \eta_{\text{ORC}}$$

热输入由预热（显热 c_p·ΔT）与蒸发（潜热 h_fg）两部分组成。净功率为热输入乘以循环效率，相当于扣除泵功后的电气输出。

有机朗肯循环 (ORC) — 低温余热回收

🙋

"有机朗肯循环"是第一次听说。和普通的朗肯循环（蒸汽轮机发电）有什么区别？

🎓

问得好。循环的形状——蒸发器、透平、冷凝器、泵——是完全一样的。区别在于工质不是水，而是低沸点的有机分子，比如 R245fa、R134a 这样的制冷剂，或者 n-Pentane、Toluene 这样的碳氢化合物。它们的沸点远低于水，所以在 100～300℃ 这种"水做不出蒸汽"的低温热源下也能发电。正因如此，ORC 是低温余热回收、地热和生物质发电的主力技术。

🙋

原来选工质就是为了跨越温度的门槛。把左侧的工质从 R245fa 换成 Toluene，热源温度不大幅提升的话循环几乎跑不起来。

🎓

没错，每种工质都有自己的"温度甜区"。Toluene 临界温度 319℃，适用于 200～350℃ 的生物质和高温余热。R245fa（Tcrit 154℃）是 100～180℃ 地热和工业余热的经典选择。R134a 适合更低温的 80～120℃。所以 ORC 设计第一步就是"看热源温度选工质"。选错工质，要么循环跑不起来，要么工质分解。本工具会按各工质的 Tmax 对蒸发温度做限幅。

🙋

取消"使用再生器"后效率会明显下降。这究竟是什么部件？

🎓

再生器（IHE，内部换热器）是用透平出口"还很热的过热蒸汽"在排放前先把泵出口的"冷液体"预热一下。蒸发器的负担因此减小，相同净输出下所需热输入更少，效率提升 10～15%。ORC 常用的干工质（n-Pentane、Toluene 等）在透平出口仍有较多过热量，所以 IHE 的效果尤为明显。地热和余热 ORC 几乎都标配。

🙋

Carnot 效率比只有 50% 左右是不是偏低？能不能更高？

🎓

这其实是 ORC 的现实上限。Carnot 是理论极限，永远达不到。蒸汽循环的 Carnot 比可达 0.6～0.7，但 ORC 因工质本身的限制（蒸发潜热小、过热幅度有限）只能到 0.5～0.6。即便如此，能从 150℃ 余热里抽出 12% 的电，原本只能排掉的热量就变成了收入。Turboden 和 ORMAT 在全球有数百台机组在运转，正是因为"从零到有"的价值远大于绝对效率。

🙋

那 ORC 设计时最需要注意什么？

🎓

"全年能否稳定确保热源与冷却源"。理论效率再高，如果热源温度冬夏相差 50℃、或者盛夏冷却水升到 40℃，输出可能腰斩。还有一个容易忽视的——自耗电，冷却水泵、润滑、控制系统会占掉净输出的 5～15%。所以把本工具显示的 W_net 乘以 0.85～0.95 才是真正的上网电量。

常见问题

循环结构（蒸发器→透平→冷凝器→泵）完全相同，关键区别在于工质：ORC 使用低沸点有机分子（R245fa、R134a 等制冷剂，或 n-Pentane、Toluene 等碳氢化合物）而非水。因此在 80～300℃ 的低温热源下也能产生足够蒸汽压，可用于水蒸汽难以胜任的工业排气、地热双工质、生物质和太阳能集热场景。蒸汽循环通常需要 300℃ 以上，而 ORC 在 100℃ 左右即可获得 8～12% 的热效率。

干工质在 T-s 图上饱和蒸汽线向右下倾斜（dT/ds > 0），透平出口仍为过热状态，不会产生液滴，因此无需过热器即可避免叶片侵蚀。n-Pentane、Toluene、R245fa 接近干工质或等熵工质，因而被广泛用于 ORC。水属于湿工质，绝热膨胀会形成液滴，蒸汽朗肯循环必须设置过热器。在难以单独配置过热器的低温热源场合，选用干工质是 ORC 的必要条件。

再生器利用透平出口仍为过热的蒸汽预热泵出口的液体。蒸发器负荷由此降低，总效率通常提升 10～15%，本工具用系数 1.12 近似表示该提升。干工质透平出口的过热量越大，IHE 的效果越显著，因此地热和余热 ORC 几乎都标配再生器。但在级联余热回收等需要保持蒸发器入口温度较低的场景，也会有意省略 IHE。

(1) 水泥、钢铁、玻璃等高温工业的烟气显热回收（200～400℃）；(2) 柴油发电机、燃气发动机的排热回收（Rankine 底循环，150～500℃）；(3) 100～200℃ 的中低温地热发电（即双工质／binary 发电，闪蒸难以适用的温度区间）；(4) 生物质燃烧的导热油锅炉 + ORC（200～300℃）；(5) 中小规模的太阳能集热发电（CSP）。Turboden、ORMAT、Triogen、Enertime 等专业厂商提供数十 kW 至数十 MW 的商用机组。

实际应用场景

工业余热回收：水泥回转窑熟料冷却机排气（300～400℃）、玻璃熔炉排热（200～300℃）、钢铁连铸再加热炉烟气等以往直接排放的热量，可通过 ORC 转化为数 MW 级电力。投资回收期取决于电价和运行时间，在欧洲含补贴的情况下大约 5～8 年。仅 Turboden 在全球就已交付 350 多台工业余热 ORC 机组。

地热双工质（binary）发电：100～200℃ 的中低温地热资源用传统闪蒸发电难以经济运行。双工质方式将地热水的热量传给二次侧的有机工质（R245fa 或 n-Pentane）来驱动 ORC，已在日本九州、东北以及美国内华达、土耳其、印尼等中低温地热田大规模应用。地热水可完全回灌注入井，环境影响小。

生物质热电联产（CHP）：木屑或农作物残渣燃烧加热导热油锅炉（200～300℃），再经 ORC 同时供给区域供热的热水和电力。在奥地利、德国、意大利北部，500 kW～2 MW 级别的市镇规模项目数以百计。与蒸汽锅炉相比可无人值守、低压运行，适合分散的农村场景。

内燃机（ICE）余热回收：大型柴油发电机、船用主机、天然气发动机的排气（350～500℃）和缸套水（80～100℃）通过 ORC 底循环可额外回收 5～10% 的电力，已在商用车、船舶和热电联供发动机上实用化。Cummins、Bosch 等也在研发车载 ORC。

常见误区与注意点

最大的误区是"以为能达到 Carnot 的理论值"。Carnot 是热力学上限，现实 ORC 受工质制约只能达到 Carnot 比 0.5～0.6。在本工具中，热源 150℃、冷却 25℃ 时 Carnot 约 25%，而实际 ORC 只有约 12%。如果在提案书上写"Carnot 是 25%，所以能拿到 20%"，现场往往只有一半，信用扫地。建议销售阶段按 Carnot×0.5，详细设计按 Carnot×0.55～0.6 评估。

其次，"工质不能只看性能"。R245fa 性能与可操作性平衡良好，长期是 ORC 主流，但 GWP（全球变暖潜势）高达 1030，欧洲 F-gas 法规正在分阶段禁用。低 GWP 的 R1233zd(E)、R1336mzz(Z)、HFO 系工质开始接棒。此外高温段使用 Toluene 等可燃碳氢化合物，需要防爆区域、泄漏检测等安全配套。工质选型是"性能・环保法规・安全・成本・工质寿命"的综合判断，更换需要数年准备周期。

最后，"不要只按设计点评价"。ORC 对热源和冷却源温度极其敏感，本工具把冷却温度从 25℃ 调到 40℃，净功率会显著下降。实际电站常出现"夏季冷却塔温度升高使输出 -30%""冬季热源烟气流量减半"等季节性波动，年平均输出通常仅为铭牌的 60～80%。经济性评估必须采用逐月温度与流量曲线进行年发电量模拟，而非单一设计点。

有机朗肯循环 (ORC) — 低温余热回收

常见问题

实际应用场景

常见误区与注意点

使用指南

具体计算示例

实务注意事项