有機朗肯循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)的實驗研究

江 龍 Ecichard A. Groll

(1 上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240；2 Purdue University, Westlafayette India, 47906)

有機朗肯循環(huán)地熱發(fā)電是地熱能利用的一種有效形式。它采用低沸點有機工質(zhì)實現(xiàn)朗肯循環(huán)發(fā)電。由于采用低沸點工質(zhì)，可以充分利用較低溫度的地熱流體實現(xiàn)發(fā)電，不需要消耗其他的化石燃料，減小對環(huán)境的污染，因而受到人們的關(guān)注。 很多研究人員通過理論分析與EES軟件模擬，對于中低溫地熱有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進行了研究。根據(jù)工程熱力學和傳熱學基本原理，分析了發(fā)電系統(tǒng)的基本運行原理，并且提出了確定基本有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)(包括蒸發(fā)溫度，冷凝溫度；地熱流體的質(zhì)量流量，溫度；外界環(huán)境溫度)的方法。 在基本有機朗肯循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)方式下，采用最佳循環(huán)參數(shù)，根據(jù)不同的地熱流體溫度(60～150℃)，選擇出最佳且環(huán)保的循環(huán)有機工質(zhì)，為實際電站的設(shè)計提供了依據(jù)。 從 分析和能分析角度對亞臨界飽和蒸氣循環(huán)和亞臨界過熱蒸汽循環(huán)做詳細的對比分析，最終確定亞臨界飽和蒸氣循環(huán)要優(yōu)于亞臨界過熱蒸汽循環(huán)，并且在此基礎(chǔ)上分析了雙級雙工質(zhì)有機朗肯循環(huán)。根據(jù)一級，二級系統(tǒng)不同的地熱流體入口溫度選擇合適的工質(zhì)，并且考察系統(tǒng)的適用性，給出合理的設(shè)計方案。

1 有機朗肯循環(huán)及理論分析

圖1 有機朗肯循環(huán)原理圖Fig.1 Organic Rankine cycle schematic

圖1給出了基于原始的朗肯循環(huán)所設(shè)計的有機朗肯循環(huán)的原理圖。系統(tǒng)主要包括兩個換熱器和一個壓縮機，一個膨脹機，其中位于加熱循環(huán)側(cè)的換熱器用作加熱鍋爐，為膨脹機提供蒸汽。熱蒸汽在膨脹機中膨脹并將熱能轉(zhuǎn)化為功，提供電量輸出，然后在冷凝器中冷凝成液體。最后經(jīng)水泵壓縮后再進入到加熱鍋爐，完成一個循環(huán)。

圖2是圖1中循環(huán)系統(tǒng)的熱工圖，系統(tǒng)的工作過程包括以下幾個部分：1)1-2：降焓降溫的過程，與等熵過程1-2s相比，存在做功能力損失；2)2-3：降溫降焓過程；3) 3-4：升溫焓升過程；4)4-1：升溫增焓過程。

圖2 有機朗肯循環(huán)T-s 圖Fig.2 Organic Rankine cycle T-s diagram

圖3 實驗系統(tǒng)設(shè)計圖Fig.3 Experimental system design

有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)實際工作的原理如圖3所示。循環(huán)回路由液體泵、膨脹機、加熱鍋爐、冷凝器、回收器，溫度壓力和流量傳感器組成。通過各個部件的管路連接形成內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，最重要的部件是渦旋式壓縮機。在此系統(tǒng)中，渦旋式壓縮機實際上被逆向用作一個膨脹機。當高壓的工質(zhì)進入膨脹機后，會推動輪軸從而發(fā)電。渦旋式壓縮機是一種在空調(diào)系統(tǒng)中廣泛使用的壓縮機。換熱器的作用是將來自地熱循環(huán)的熱量傳遞給工質(zhì)進行相變換熱。地熱循環(huán)將通過換熱器的高溫側(cè)高壓蒸汽加熱到200℃左右，而低溫側(cè)水溫處于4.5～15℃。為了使工質(zhì)以一定的流速通過，系統(tǒng)采用液壓隔離泵來實現(xiàn)這一過程。此泵有60%左右的效率并且擁有廣泛的應(yīng)用。一個收集器與泵相連接用來確保進入膨脹機的只有汽相而非兩相混合物。

2 數(shù)學建模

2.1 數(shù)學模型以及輸入條件

為了評價該實驗系統(tǒng)的工作性能，采用表1的參數(shù)值對圖1所示系統(tǒng)進行了仿真，其中a、b、h、c分別代表了圖1中各個點所測的溫度和壓力值，水循環(huán)的溫度和壓力如表2所示。制冷劑R134a的流量及冷熱水流量分別為 0.0907kg/s、 0.1169kg/s、0.3982kg/s。

表1 R134a循環(huán)的各個點的溫度和壓力值Tab.1 Temperature and pressure of each point in R134a cycle

表2 水循環(huán)的理論溫度輸入值Tab.2 Theoretical temperature input value of water cycle

針對圖2的熱力過程，仿真中的各個過程的數(shù)學模型分別為：

式中：η1是系統(tǒng)卡諾效率；η2是膨脹機效率；w是流動功； η3是理論效率；η4是泵效率；m是質(zhì)量流量。

2.2 模擬仿真結(jié)果

采用EES軟件對上述模型進行計算，結(jié)果如表3及表4所示。

表3 理論效率以及理論功和熱Tab.3 Theoretical ef fi ciency and theoretical power and heat

表4 理論熱力學參數(shù)值Tab.4 Theoretical thermodynamic parameters

3 實驗系統(tǒng)的建立與性能測試

圖4 實際的實驗系統(tǒng)圖Fig.4 Actual experimental system

建立的實驗系統(tǒng)如圖4所示。實驗結(jié)果見圖5～7。通過圖5可以看出，大約500s后，系統(tǒng)開始進入穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)，在運行3min時產(chǎn)生較大壓差，約425kPa。在穩(wěn)定的實驗區(qū)域之外，計算的實際的凈發(fā)電量是不準確的，然而一旦實驗的狀態(tài)完全穩(wěn)定以后，通過圖6可以看出，可以得到大概1kW的電能輸出量。圖7為實際實驗的系統(tǒng)循環(huán)圖，與理想的循環(huán)過程曲線對比可以看出，為了有效的提高實驗系統(tǒng)的整體表現(xiàn)，在熱蒸汽端的溫度應(yīng)該要降低，這樣才可以在T-s圖上的曲線過熱部分的差值增大，這樣經(jīng)過膨脹機壓降變大，提高系統(tǒng)的效率。

經(jīng)過實驗測試，第一實驗凈功為1.2kW，相應(yīng)的循環(huán)效率為8%。第二次實驗的凈功值為1kW，相應(yīng)的循環(huán)效率為5%。卡諾效率為23%。

圖5 R134a循環(huán)中的壓差變化曲線Fig.5 Cycle pressure curve

圖6 凈功輸出Fig.6 Output of power

將實驗結(jié)果與表3的仿真結(jié)果進行對比，可以知道，實驗結(jié)果的理論效率為仿真中所得到的理論效率的一半。主要是因為仿真過程中，忽略了換熱損失，所以得到較高的理論值。實驗系統(tǒng)中由于系統(tǒng)設(shè)計尺寸較小，金屬熱容相對于功的轉(zhuǎn)換量來說較大，所以熱量損失所占的比重也較大。如果系統(tǒng)在實際應(yīng)用中擴大尺寸，熱量損失相對于功的轉(zhuǎn)換來說將會有效地減小，效率會得到有效地提升并接近理論效率的最大值。

圖7 穩(wěn)態(tài)過程中的實驗溫熵圖Fig.7 Steady-state testing T-s diagram

4 總結(jié)

1)通過理論計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的比較，系統(tǒng)在工質(zhì)R134a的運行下，可以達到8%的發(fā)電效率，實驗的初始有一些波動，然后發(fā)電過程趨向平穩(wěn)，系統(tǒng)的過熱度還需要調(diào)整，使系統(tǒng)效率有所提高。

2)當膨脹機進口的狀態(tài)為飽和或者過熱時，系統(tǒng)的熱效率與發(fā)電量都會隨著進口壓力的增加而增加。

3)系統(tǒng)壓力較低的時候，系統(tǒng)的不可逆程度較大，系統(tǒng)效率會有較大損失。

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