蒸发温度对低温工业余热有机朗肯循环发电系统影响

金丽辉，谷志攀,2，王晓云，刘 静，杨 雷，曹 鼎，冯 尧，张海宁

(1.嘉兴学院 建工学院，浙江 嘉兴 314001；2.上海理工大学 能动学院，上海 200093； 3.山东众智工程设计有限公司，山东 潍坊 261000)

我国当前能源环境局势紧张，北方雾霾污染几乎常态化，节能减排产业成为政府重点扶持发展对象。在我国，工业余热资源丰富，节能潜力巨大。有机朗肯循环(organic Rankine cycle)发电技术较传统发电技术，在低温余热回收领域优势明显[1]。

近年来，低温余热有机朗肯循环发电技术引起国内学者极大重视，其中对有机朗肯循环工质选择的研究较多，有机工质筛选原则主要有：(1)以ORC 系统热功转换效率为目标(热力学第一、二定律)[2-8]；(2)以热经济效益作为目标[9]；(3)以其他方面为目标，如输出功率、单位输出功率的换热器面积、发电成本、热回收效率等[10]。对有机朗肯循环系统发电技术，还处于尝试和发展阶段，技术仍不成熟，真正实现市场应用的较少，导致能源利用率较低。本文主要研究在有机工质选择过程中，蒸发温度对系统影响。

1 计算方法

图1为基本有机朗肯循环T-S图。从图中可以发现基本的热力循环过程为1→2→3→4→1。图中1→2是工质发生在膨胀机中的绝热膨胀过程：从蒸发器中出来的高温高压气体在膨胀机中绝热膨胀，实现对外做功。实际过程中由于摩擦、散热以及泄露等不可逆损失的存在，该过程为不可逆熵增的过程，绝热效率小于1。膨胀机的绝热效率ηt取值如下：

图1 基本有机朗肯循环T-S图

(1)

其中，h 为焓值，h2s为膨胀机经等熵膨胀后其出口焓值。

膨胀机对外做功Wt计算公式：

Wt=m·(h1-h2)

(2)

其中，m-工质的质量流量。

图中2→3为冷凝器中定压放热过程，有机工质在冷凝器中散失的能量Qc计算公式为：

Qc=m·(h2-h3)

(3)

图中3→4为绝热加压过程，工质泵消耗功Wp计算公式如下：

(4)

其中，p 为工质的压力，ρ为工质在泵进口处的密度，ηp指的是泵的绝热效率。

工质在泵出口处的焓值h4计算公式为：

(5)

图中4→1为有机工质在蒸发器内完成定压吸热过程，吸热量Qe计算公式如下：

Qe=m ·(h1-h4)

(6)

综上所述，由式(1)～(6)可得有机朗肯循环系统的循环热效率η1的计算公式为：

(7)

系统热回收效率η热为有机朗肯循环系统对外做功与热源最大作功能力的比值。计算公式如下：

(8)

其中，Q0指的是热源放入环境中的剩余热量。

2 分析方法

在上述已建立的ORC热力模型的基础上，进行热力计算，计算过程所涉及的物性参数均通过美国国家标准与技术研究院(NIST)开发研究的REFPROP物性软件查取。在整个研究过程中，以低品位工业余热作为系统热源，以R141b 作为循环工质进行热力计算，以冷凝温度Tc=40℃，过热度Tr=0℃，过冷度T1=5℃分别取蒸发温度70℃、80℃、……150℃的工况，计算分析蒸发温度对系统热效率及系统热回收效率的影响。有机朗肯循环系统中设备的基础参数根据相关产品设计手册选定。循环泵的绝热效率ηp= 0.8 ，透平膨胀机的机械效率ηm= 0.9，绝热效率ηt= 0.8。

3 结论与分析

3.1 有机工质R141b在蒸发器比吸热量和比净功随蒸发温度变化

图2为有机工质R141b在蒸发器的比吸热量和比净功随蒸发温度的变化情况。

图2 有机工质R141b比吸热量和比净功随蒸发温度的变化

由图2可以看出，随蒸发温度提高R141b在蒸发器的比吸热量一直增加，同时可以观察到比净功随蒸发温度的提高也呈现增加趋势。系统净输出功是膨胀机对外输出功与泵耗功之差，随蒸发温度提高膨胀机对外做功逐渐增加，蒸发温度越高，泵出口压力越大，由式(4)可知，泵的耗功率随其出口压力的增大而增加，且蒸发温度越高增加速度越快。

3.2 系统循环热效率和热回收效率随蒸发温度的变化情况

有机朗肯循环系统热效率和热回收效率均随蒸发温度的提高而增加，且增加速率越来越小。随蒸发温度的增高，有机工质在蒸发器处的吸热量慢慢增加，而系统净输出功随蒸发温度增高的变化趋势为先增大后减小。由系统循环热效率的计算公式(7)可知，系统效率的变化趋势由上述两因素造成的。同时，因为工质泵耗功随蒸发温度的提高而增大，使得在蒸发温度越高系统循环热效率增加幅度越小。同样，由有式(8)可以看出系统热回收效率随蒸发温度的变化情况由热源放热总量及系统净输出功变化情况共同作用，随蒸发温度提高余热热源放热总量缓慢增加，两者随蒸发温度的变化量的相对大小造成了系统热回收效率的变化，变化趋势如3图所示。

图3 系统循环热效率和热回收效率随蒸发温度的变化情况

3.3 最佳蒸发温度选择

针对工质R141b，当蒸发温度从100℃升高到140℃时，系统热效率从10.1%提高到了13.2%，系统热回收效率从82.5%提高到了83.9%，而蒸发温度从140℃增加到150℃时，循环热效率和热回收效率分别增加0.2%和0.02%。在考虑有机朗肯循环系统热效率及热回收效率的情况下，提高蒸发温度对提高系统热效率是有益的，但是，最佳蒸发温度的选择还需要考虑其他因素。

3.3.1 热源温度

热源温度是影响蒸发温度的主要因素，因为传热温差的存在，蒸发温度的的上限值受热源温度限制。

3.3.2 工质的临界温度

系统循环工质临界参数的限制蒸发压力的大小，当蒸发温度高于工质的临界温度时，系统出现超临界循环，此时系统性能会出现较重大改变。

3.3.3 系统耐压程度

蒸发温度的高低决定系统蒸发压力的高低，蒸发压力越大对系统承压要求越高。

3.3.4 工质泵耗功

蒸发压力越高，工质泵耗功占膨胀功的占比也越大，因此在选择合适的蒸发温度时，工质泵耗功不可过大。

4 结论

(1)蒸发温度提高R141b在蒸发器的比吸热量和比净功随蒸发温度的提高呈现增加趋势。

(2)系统热效率和热回收效率随蒸发温度的提高而增加，且增加速率越来越小。

(3)考虑有机朗肯循环系统热效率及热回收效率的情况下，提高蒸发温度对有助于提高系统热效率，最佳蒸发温度确定还需要考虑热源温度、工质的临界温度、系统耐压程度和工质泵耗功。

[1]王大彪，王怀信，柳巍栋，等.中温烟气余热水朗肯循环、有机朗肯循环的对比分析[J].中国科技论文在线,2013,2(2):82-94.

[2]王志奇，周乃君，夏小霞，等.有机朗肯循环发电系统的多目标参数优化[J].化工学报,2013,64(5): 1710-1716.

[3]李惟毅，郭 强，高 静，等.内置式换热器的不同工质ORC系统的综合评价分析[J].化工进展,2015,34(8):2977-2982.

[4]许俊俊，罗向龙，王永真，等.ORC工质选择的多级非结构性模糊决策分析[J].化工学报,2015,66(3):1051-1058.

[5]Sauret E,Rowlands AS.Candidate radial-inflow turbines and high-density working fluids for geothermal powersystems[J].Energy,2011,36: 4460-4467.

[6]Kang S H.Design and experimental study of ORC (organic Rankine cycle) and radial turbine using R245fa working fluid[J].Energy,2012,41(1): 514-24.

[7]Cho S Y,Cho H C,Ahn K Y,et al.A study of the optimal operating conditions in the organic Rankine cycle using a turbo-expander for fluctuations of the available thermal energy[J].Energy,2014,64: 900-911.

[8]Fiaschi D,Manfrida G,Maraschiello F.Thermo-fluid dynamics preliminary design of turbo-expanders for ORC cycles[J].Applied Energy,2012,97: 601-608.

[9]潘利生.低温发电有机朗肯循环优化及辐流式汽轮机性能研究[D].天津:天津大学,2012.

[10]Maraver D,Royo J,Emort V,et al.Systematic optimization of subcritical and transcritical organic Rankine cycles (ORCs) constrained by technical parameters in multiple applicationsJ].Applied Energy,2014,117: 11-29.