基于余熱利用的有機朗肯循環系統的設計與研究

張　方， 胥建群， 趙志軍， 陳飛翔

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 上海理工大學 能源與動力工程學院， 上海 200093)

?

研究與分析

基于余熱利用的有機朗肯循環系統的設計與研究

張方1， 胥建群1， 趙志軍2， 陳飛翔1

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 上海理工大學 能源與動力工程學院， 上海 200093)

基于能量梯級利用的原則，利用微型燃氣輪機排出的高溫煙氣，構建了一套有機朗肯循環(ORC)余熱發電系統，并對其進行了研究。建立了ORC余熱發電系統數學模型，選擇R134a作為工質，選擇螺桿式膨脹機作為動力機，并對ORC余熱發電系統的性能進行了研究，指出在設計工況下ORC余熱發電系統的輸出功率為20.40 kW，效率為12.65%。該發電系統不僅能夠回收低品位熱源，而且也實現了污染物的零排放，具有廣泛的應用前景。

燃氣輪機； 有機朗肯循環； 有機工質； 螺桿式膨脹機

最近幾年，隨著能源緊缺和環境惡化等問題日益突出，提高燃料燃燒的效率和減少污染物的排放成為了國內外研究的熱點問題，其中如何有效利用余熱是研究的重點方向之一。國內外很多研究工作者利用余熱作為熱源，設計有機朗肯循環(ORC)余熱發電系統，進行節能減排的研究，并且取得了一定的進展：Mago等[1]利用內燃機排出的煙氣作為ORC余熱發電系統熱源，并對其進行了研究，研究表明采用ORC的聯合循環系統可以提高效率約10%；Zare等[2]指出用卡琳娜循環回收氦氣冷卻反應堆中燃氣輪機(GT-MHR)排氣的余熱，其聯合循環的效率比基本的GT-MHR循環提高了8.2%，并與采用ORC循環回收余熱比較，指出在回收GT-MHR的余熱上，ORC余熱發電系統比卡琳娜循環系統更合適且效率更高；李艷等[3]設計了回收工業低溫余熱的ORC余熱發電系統，并且證實了利用ORC余熱發電系統能夠有效可靠地回收工業余熱；劉廣林等[4]研究以低溫煙氣為熱源的ORC余熱發電系統，并且表明采用有機工質R245fa優于其他有機工質，其效率可達到10.2%。

某校熱動實驗室微型燃氣輪機發電機組的排煙溫度較高(340 ℃)，為了利用這部分余熱和減少污染物的排放，筆者設計一套帶有煙氣處理系統的、以R134a為工質的ORC余熱發電系統，并對其性能進行分析和研究。

1　ORC余熱發電系統

1.1 課題來源及設計目標

實驗室研究和教學所用的微型燃氣輪機發電裝置，其設備緊湊、移動方便、操作簡單、啟停快速。該裝置在試驗過程中會產生較高溫度的煙氣排到周圍環境中，不但會產生熱污染，而且煙氣中CO、硫化物和氮化物還會污染環境，不符合節能減排、綠色環保的要求。針對這一問題，筆者設計了ORC余熱發電系統。

微型燃氣輪機發電裝置在額定工況運行時，出力為105.23 kW，效率為24.5%，采用液化石油氣作為燃料，排煙溫度為340 ℃，流量為0.5 kg/s。為了回收利用這部分煙氣余熱量和減少煙氣中污染物的排放，設計了ORC余熱發電系統，與微型燃氣輪機發電裝置組成聯合循環。本設計的任務是有效利用燃氣輪機的煙氣余熱，降低煙氣溫度，提高發電效率。其內容主要包括ORC余熱發電系統模型的構建，工質及膨脹機的選擇，系統性能的分析，最后給出設計結果。

1.2 余熱發電系統

圖1給出了聯合循環發電系統圖，其中虛線方框內的是設計的ORC余熱發電系統。

低溫有機工質經泵升壓進入蒸發器中與燃氣輪機排出的煙氣進行換熱變成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體進入膨脹機中膨脹推動渦輪對外做功從而變成低溫低壓氣體，低溫低壓氣體進入冷凝器與冷卻水換熱變成低溫低壓液體后，再經過泵升壓，再回到蒸發器中吸熱；煙氣在蒸發器中換熱后，進入煙氣處理器，脫除煙氣中二氧化碳、氮氧化物、硫化物和一氧化碳氣體后，直接排放到環境中。該ORC余熱發電系統的特點是：利用ORC余熱發電系統回收微型燃氣輪機排氣余熱，提高能源利用效率；添加了煙氣處理裝置，吸收煙氣中二氧化碳、氮氧化物和一氧化碳，實現了污染物的零排放。

1.3 余熱發電系統模型的建立

為了簡化系統，在計算過程中做如下假設：

(1) 系統處于穩定流動狀態。

(2) 換熱器、膨脹機、管道等的壓力損失和散熱損失均忽略不計。

(3) 冷凝器的出口工質為飽和液體。

(4) 當工質的過熱度為零時，即透平機的進口工質為飽和蒸汽；當過熱度不為零時，即此時蒸汽的溫度比工質飽和溫度高。

1.3.1 工質泵模型

從熱力學角度描述工質泵的數學模型，在理想情況下，工質在泵中經歷的過程看做一個等熵壓縮過程(3～4s)，實際中經歷的是一個不可逆的壓縮過程(3～4)，壓縮過程消耗的泵功[5]可表示為：

(1)

式中：Wpump為工質泵的功率，kW；qm為工質的質量流量，kg/s；h4s、h4分別為工質泵的出口工質的等熵比焓和實際比焓，kJ/kg；h3為工質泵的進口工質的比焓，kJ/kg；ηpump為工質泵的絕熱效率。

1.3.2 換熱器模型

蒸發器和冷凝器為管殼式換熱器，是工業過程熱量傳遞中應用最為廣泛的一種換熱器。其結構簡單、造價低廉，具有高度的可靠性和廣泛的適應性，目前大多數ORC余熱發電系統采用的是管殼式換熱器。

工質在蒸發器中的吸熱量為：

Q1=qm×(h1-h4)

(2)

式中：Q1為蒸發器中工質的吸熱量，kW；h1為工質在蒸發器出口的比焓，kJ/kg。

工質在冷凝器中的放熱量為：

Q2=qm×(h2-h3)

(3)

式中：Q2為有機工質在冷凝器中放熱量，kW；h2、h3分別為工質進入和離開冷凝器的比焓，kJ/kg。

1.3.3 膨脹機模型

在ORC余熱發電系統中，膨脹機的選擇非常重要，需要綜合考慮工質的熱力學性質、工質的流量、膨脹比以及膨脹機的性質。

膨脹機的輸出功率[5]為：

Wt=qm×(h1-h2)

(4)

式中:h1為工質在膨脹機進口的比焓，即工質在蒸發器出口的比焓，kJ/kg；h2為工質在膨脹機出口的比焓，即工質在冷凝器入口的比焓，kJ/kg。

ORC余熱發電系統的輸出功率為：

Wnet=Wt-Wpump

(5)

ORC余熱發電系統熱效率η為：

(6)

1.4 煙氣處理器

煙氣處理器中含有一些溶液，這些溶液能夠吸收煙氣中的CO2、NO2、SO2和CO氣體。其處理過程為：煙氣進入該裝置，先進入KOH溶液中吸收CO2、NO2和SO2，然后進入氯化亞銅的氨溶液中吸收CO，剩余的氣體直接排放到環境。主要反應方程式為：

2KOH+RO2→K2RO3+H2O

(7)

Cu(NH3)2Cl+2CO→Cu(CO)2Cl+2NH3

(8)

式中：RO2指的是CO2、NO2和SO2。

此煙氣處理器能夠基本上吸收煙氣中的CO2、SO2和CO氣體。

2　工質及膨脹機的選擇

由于ORC余熱發電系統可利用的熱源種類多，且各有特點，因此工質的篩選比較復雜。在選擇工質時，需要考慮熱源溫度，工質的熱力性能、安全性、環保性、經濟性等因素。由于工質的性質不易同時滿足所有的要求，應根據實際情況綜合考慮各方面因素進行工質的選擇。筆者在不考慮非共沸混合工質的情況下，選擇R113、R12、R124、R245ca、R245fa和R134a作為備選工質進行分析比較。表1給出了由Refprop軟件[6]得出的6種備選有機物的物性參數，將對各備用工質對系統性能的影響進行分析后選定循環工質。

表1　備選工質的物性參數

注：1)為臭氧層破壞潛力值(Ozone depletion potential)；2)為全球變暖的潛力值(Global Warming Potential)。

膨脹機是ORC余熱發電系統中最重要的部件，其性能的好壞直接決定著系統的發電量和發電效率。可采用的膨脹機種類有很多：渦輪式膨脹機、螺桿式膨脹機、渦旋式膨脹機、旋葉式膨脹機和三角轉子式膨脹機等。表2給出這幾種膨脹機的相關參數和適用范圍[7-8]。

表2　可用于ORC余熱發電系統的各種膨脹機的比較

該ORC余熱發電系統的功率約10 kW，渦輪式膨脹機的功率值較大，不適用；三角轉子式膨脹機的應用不廣，也不宜采用。當ORC余熱發電系統變工況運行時，采用螺桿式膨脹機和渦旋式膨脹機的功率高于旋葉式膨脹機，而且渦旋式膨脹機的膨脹比高，變工況性能沒有螺桿式膨脹機的好。綜合考慮幾種膨脹機的優缺點，選擇螺桿式膨脹機。

3　ORC余熱發電系統的熱力性能分析

ORC余熱發電系統的工作條件見表3。

表3　ORC余熱發電系統工作條件

3.1 工質種類對系統性能的影響

圖2給出了在表3給定的操作條件下，蒸發壓力為3 MPa、膨脹機的進口工質為飽和蒸汽時，采用R134a、R12等6種有機物作為循環工質的ORC余熱發電系統的輸出功率和系統效率。不同工質的熱物性不同，對ORC余熱發電系統性能的影響也會不同：R12為循環工質時，ORC余熱發電系統輸出功率是21.66 kW，系統的效率是13.43%；R134a、R124、R113、R245fa和R245ca為循環工質時，ORC余熱發電系統的輸出功率分別是19.75 kW、19.37 kW、18.62 kW、18.22 kW和18.20 kW，效率分別是12.25%、12.01%、11.55%、11.3%和11.29%。6種有機物中，R12為循環工質時，系統的熱力性能最好，但是R12的破壞臭氧層作用接近于R11(氟利昂)，環保性能差；在工質ODP為零的3種有機物中，R134a作為循環工質時，系統的性能最好。因此選擇R134a作為ORC余熱發電系統的循環工質。

3.2 蒸汽過熱度對ORC余熱發電系統的影響

當膨脹機入口工質的壓力為3 MPa時，工質的過熱度越大，膨脹機的輸出功率越大，則系統的輸出功率越大。圖3給出了R134a為循環工質時，系統的輸出功率和效率隨工質過熱度的變化曲線。隨著工質溫度的增加，單位溫升所引起的焓升逐漸減小，所以膨脹機輸出功率隨溫度的增加而增加，但增量漸小。因此工質過熱度只能在一定溫度下才能顯著增加系統的輸出功率。

3.3 蒸發壓力對系統性能的影響

在表3所示的工作條件下，工質在蒸發器出口的過熱度為零時，工質在蒸發器中的蒸發壓力增大時，ORC余熱發電系統的輸出功率和效率都是先增大后減小，存在一個最大值，此時對應的蒸發壓力為最佳蒸發壓力點。圖4給出選擇R134a作為循環工質時，ORC余熱發電系統的輸出功率和效率隨蒸發壓力的變化曲線。由圖4可以看出：其他條件一定時，R134a的最佳蒸發壓力為3.6 MPa。

4　設計結果

當微型燃氣輪機在額定條件下穩定運行，ORC余熱發電系統也在額定工況下運行。膨脹機進口工質的過熱度為零條件下，設計出的最佳ORC余熱發電系統的參數值見表4。

表4　ORC余熱發電系統的額定運行參數值

微型燃氣發電機組在正常運行工況下，輸出功率是105.23 kW，效率是24.5%。與ORC余熱發電系統組成的聯合循環的輸出功率是125.63 kW，效率是29.25%。

5　結語

根據能量的梯級利用原則，利用微型燃氣輪機排氣余熱，構建了ORC余熱發電系統；建立ORC余熱發電系統數學模型，選擇ORC余熱發電系統的工質和膨脹機，分析幾種參數對ORC余熱發電系統熱力性能的影響；最后給出ORC余熱發電系統的設計結果。設計的ORC余熱發電系統工質為R134a，在額定工況下系統的輸出功率是19.75 kW，效率是12.65%。

所設計的ORC余熱發電系統不僅可以利用低溫煙氣，而且也可以應用在太陽能和地熱能上，這種余熱發電系統的應用前景十分廣泛。另外，系統中還設有煙氣處理器，換熱以后的低溫煙氣可以通過煙氣處理器處理，脫除煙氣中的CO2、SO2和CO，剩余的煙氣排入大氣，實現了污染物的零排放。

該ORC余熱發電系統處于設計階段，后續將進行工作試驗臺的搭建和試驗。這套系統設計好以后不但可以做微型燃氣輪機和ORC及其聯合循環的試驗，而且可以做碳捕捉和氧化氮脫除試驗。

[1] MAGO P J, CHAMRA L M. Exergy analysis of a combined engine-organic Rankine cycle configuration[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2008, 222(8): 761-770.

[2] ZARE V, MAHMOUDI S M S. A thermodynamic comparison between organic Rankine and Kalina cycles for waste heat recovery from the gas turbine -modular helium reactor[J]. Energy,2015,79:398-406.

[3] 李艷,連紅奎,顧春偉. 有機朗肯循環系統及其透平設計研究[J]. 工程熱物理學報,2012,31(12):2014-2018.

[4] 劉廣林,陳奇成,張兵. 煙氣熱源有機朗肯循環系統工質選擇[J]. 熱能動力工程,2013,28(3):241-245.

[5] 張圣君. 低溫地熱發電循環理論優化與有機工質朗肯循環性能實驗研究[D]. 天津:天津大學,2012.

[6] HIGASHI Y, KLEIN S A, LEMMON E W, et al. NIST thermodynamic and transport properties of refrigerants and refrigerant mixtures(REFPROP)[J]. Netsu Bussei,2000,14(4):1575-1577.

[7] 鄭娛泉. 螺桿膨脹機的研究[J]. 四川工業學院學報,2012,10(3-4):150-164.

[8] 姜亮,朱亞東,徐建,等. 低溫余熱發電系統中渦輪膨脹機的優化研究[J]. 節能技術,2012,30(5):400-404.

[9] 達支兼一,楊慶秀. 螺桿膨脹機基本性能的研究(一)[J].壓縮機技術,1988(2):24-27,50.

Research and Development of an Organic Rankine Cycle System Based on Waste Heat Utilization

Zhang Fang1, Xu Jianqun1, Zhao Zhijun2, Chen Feixiang1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Based on the principle of cascaded utilization of energy, an organic Rankine cycle (ORC) system was developed using high-temperature flue gas discharged from a micro gas turbine, of which the system performance was studied by setting up a mathematic model for the ORC system, taking R134a as the working fluid, and choosing screw expander as the engine. Results show that the power output and cycle efficiency of the ORC system are respectively 20.40 kW and 12.65%. The power system can not only recover low grade heat source, but also achieve zero emission of pollutants, having a wide application prospect.

gas turbine; organic Rankine cycle; working fluid; screw expander

2016-03-15

張方(1987—)，女，在讀碩士研究生，研究方向為分布式能源和有機朗肯循環系統性能。

E-mail: 1278400290@qq.com

TK12

A

1671-086X(2016)05-0289-05