有機朗肯循環發電系統設計及實驗研究

(1 上海理工大學制冷及低溫工程研究所 上海 200093;2 住房和城鄉建設部科技與產業化發展中心 北京 100044)

近年來，隨著人們對全球生態環境及能源問題的關注，各國政府和相關能源研究部門開始重視新能源的開發與利用，尤其高度重視有機朗肯循環(ORC)發電技術的研究與應用，并取得了一定的成果。美國、日本、德國及法國等發達國家已經有眾多低溫余熱發電機組，機組容量最大已達幾十兆瓦[1]。與國外相比，國內對ORC發電系統的研究起步較晚，技術相對不成熟，仍處于研究探索階段。目前，主要從以下幾個方面對ORC技術進行研究：技術經濟的市場調查[2-3]、工質的選擇[4-6]、最優控制策略模型[7]、準動力模型[8]及樣機測試[9-10]等。

ORC在中低溫熱源上具有廣泛的應用，如太陽能、地熱能、潮汐能、生物質能、電廠廢熱、以及工業余熱等，極大地激發了研究者的興趣。B. R. Fu等[11]以R245fa為工質，向心透平為膨脹機，建立了一套250 kW變熱源溫度的有機朗肯循環發電系統，系統分析熱源溫度對傳熱性能和系統特性的影響。研究發現：蒸發溫度的上升速率幾乎與熱源的進口溫度一致；熱源進口溫度越高預熱器的傳熱性能越好，可減小蒸發器面積；伴隨著熱源進口溫度的上升，系統的凈輸出功與熱效率也線性上升，但該裝置的凈輸出功為243 kW，略低于設計工況(熱效率為9.5%)。Miao Zheng等[12]以R123為工質，利用渦旋式膨脹機，建立低溫有機朗肯循環發電系統，研究不同熱源溫度(140 ℃和160 ℃)的系統運行特性。研究發現：ORC系統的運行特性由工質質量流量和外部負載決定；熱源溫度越高，凈輸出功越大，但系統熱效率降低(熱源溫度為140 ℃和160 ℃，凈輸出功分別為2.35 kW和3.25 kW，熱效率為6.39%和5.12%)。B. Peris等[13]以R245fa為工質，利用渦旋式膨脹機，以天然氣鍋爐模擬熱源，建立有機朗肯循環發電系統，獲得最大的總電效率為12.32%(熱源溫度為155 ℃)。魏莉莉[14]以R142b為工質，設計了螺桿膨脹ORC實驗系統，并通過實驗驗證了該系統的可行性，只是系統效率需進一步提高。魏新利等[15]對自主設計的ORC發電系統進行了實驗研究，結果表明蒸發器的不可逆損失最大。江龍等[16]以低溫熱蒸氣來模擬廢熱作為有機朗肯循環(ORC)的熱源，利用渦旋膨脹機建立了以R134a為制冷劑的有機朗肯循環發電系統。通過EES(engineering equation solver)軟件對ORC系統進行了數學建模，并將實驗與模擬結果進行了比較。結果顯示：當系統壓力較低時，系統的不可逆程度較大，系統效率會有較大損失。

1 預熱器；2 蒸發器；3 過熱器；4 向心透平；5 冷凝器；6 儲液罐；7 干燥過濾器；8 視液鏡；9 制冷劑泵；10 凝結水箱；11 冷卻水泵；12 發電機；13 散熱水泵；14 減壓閥；15 水泵；16 蒸汽調節閥；17 旁通閥；18 散熱水箱；19 散熱器；20 電加熱；21 干燥過濾器。圖1 低溫余熱ORC發電實驗系統設計Fig.1 Design of low temperature waste heat ORC power generation system

相關學者從不同角度對ORC系統進行了分析研究，但研究與實際應用的脫節，使ORC發電技術并沒有很大突破。當前的ORC系統主要是以螺桿、渦旋及大功率的透平作為膨脹機，在小功率的向心透平如50 kW以下的研究較少，且設計、制造方面主要是以空壓機為原型來設計向心透平，達不到應用的要求。今后，需在理論、實驗研究和實際應用之間建立好橋梁，使更多的研究對生產應用起到真正意義上的指導作用。

1 實驗裝置及設計

目前，對中高溫余熱熱源(150 ℃以上)的ORC發電系統研究已較為成熟。由于中高溫余熱熱源溫度較高，實現熱量的高效回收較為容易。相比于中高溫熱源，低溫熱源的溫度較低，高效回收有一定的難度。目前對于低溫熱源ORC發電系統效率的提高仍未有較好的解決方案，實驗研究也相對較少。為了更加深入的研究影響低溫熱源ORC發電系統性能的因素，搭建以90～150 ℃的低溫工業余熱為熱源的ORC發電系統實驗平臺，以實現20 kW發電功率的輸出為目標，并可實現蒸發溫度在85～145 ℃、冷凝溫度在35～45 ℃的變工況實驗。

根據ORC的理論建模及熱力分析，選取有機工質R245fa為系統循環工質，并在原有簡單的理論循環系統基礎上加入了預熱裝置和過熱裝置，并以鍋爐蒸氣模擬工業余熱給系統提供熱量。

實驗系統設計與實驗裝置分別如圖1和圖2所示，主要部件有：蒸發器、過熱器、膨脹機、冷凝器、儲液罐、工質泵和預熱器、干燥過濾器、電加熱負載以及參數測量等輔助設備。根據系統中流體的種類可將循環分成三部分：工質側循環、熱源側(鍋爐蒸汽)循環和冷源側(冷卻水)循環。表1所示為實驗儀器測量范圍及誤差。

圖2 低溫余熱ORC發電系統實驗裝置Fig.2 Experimental device of low temperature waste heat ORC power generation system

表1 實驗參數范圍

1)工質側循環。工質在蒸發器中吸收蒸氣的熱量蒸發為高壓有機工質蒸氣，經過過熱器過熱后進入膨脹機；高溫高壓的有機工質蒸氣推動膨脹機葉輪做功，進而驅動發電機輸出電功率；完成做功后的乏氣直接進入冷凝器與冷卻水換熱，低溫低壓的液態有機工質從冷凝器中流出進入儲液罐，多余的工質將儲存在儲液罐中，以供循環系統流量調節時備用；從儲液罐出來的液體有機工質首先經過干燥過濾器，濾掉液體中雜質后再由工質泵加壓送入預熱器；經過預熱后的工質再次進入蒸發器從而完成整個循環，并開始下一個循環。

2)熱源側(鍋爐蒸汽)循環。系統熱源采用鍋爐提供的水蒸氣，為充分利用熱源的熱量，高溫水蒸氣先分成兩部分，一部分進入過熱器，另一部分直接進入蒸發器，在過熱器與蒸發器中放熱后，兩部分水蒸氣再次混合，一起進入預熱器繼續與溫度較低的工質進行換熱；水蒸氣經過預熱器進入凝結水箱，凝結為液態水，通過回水管道再回到鍋爐完成蒸汽循環。

3)冷源側(冷卻水)循環。本實驗臺冷卻水由實驗臺屋頂冷卻塔提供。通過冷卻水泵將冷卻水加壓送入冷凝器與工質進行換熱，吸收工質熱量后，冷卻水溫度升高，回到冷卻塔放熱后再次進入冷凝器，如此不斷進行循環。

2 膨脹機性能測試

在整個ORC系統中，膨脹機是實現電能輸出的關鍵設備，其性能直接影響輸出功率的多少。評價膨脹機性能的主要參數：膨脹機轉速、膨脹功、發電量、發電效率等。影響膨脹機性能的主要因素是膨脹機進出口溫度及壓力。一般情況下，膨脹機出口壓力和溫度隨進口壓力和溫度的升高而升高，且進口溫度和壓力越大，透平膨脹機轉速越高，進出口溫差、焓差越大，即做功越多。由于膨脹機入口溫度由蒸發溫度決定，蒸發溫度加5 ℃過熱度即為膨脹機入口溫度，因此，蒸發溫度是影響膨脹機性能的主要因素。

實驗過程中，保持冷凝溫度為35 ℃，通過調節膨脹機進口壓力來設置不同的蒸發溫度值，膨脹機進口壓力在0.697～0.789 MPa變化時，對應的蒸發溫度變化為76～84 ℃。隨著蒸發溫度的升高，膨脹機轉速變化趨勢如圖3所示。

圖3 膨脹機轉速隨蒸發溫度變化趨勢Fig.3 Variation of expander revolving speed with evaporation temperature

由圖3可知，隨著蒸發溫度的升高，膨脹機轉速逐漸增大，原因是蒸發溫度的升高使膨脹機入口溫度也逐漸升高。當蒸發溫度從76 ℃升高到84 ℃時，膨脹機轉速從7 850 r/min增至8 565 r/min，約增大了9.11%。

此外，膨脹機輸出電功率是膨脹機最主要的性能參數，通過測出的膨脹機進出口焓值及工質流量即可算出膨脹機的膨脹功，發電量可直接測量。發電量與膨脹機膨脹功的比值即為膨脹機的發電效率：

(1)

式中：W為膨脹機的發電量，kW；ηelec為膨脹機發電效率；Ws為膨脹機的膨脹功，kW。

膨脹機的膨脹功、發電量及膨脹機發電效率隨蒸發溫度的變化如圖4所示。

圖4 膨脹機性能曲線Fig.4 Expander performance curve

由圖4可知，膨脹機的膨脹功與發電量均隨蒸發溫度的升高而逐漸增大。其中，膨脹機膨脹功最小值為8.74 kW，最大值為10 kW；發電量最小為6.53 kW，最大為8.2 kW。由于透平膨脹機內部存在摩擦、進氣和漏氣損失等不可逆損失，因此發電量均小于膨脹功。膨脹機發電效率曲線隨蒸發溫度的升高也呈逐漸增大的趨勢，最高發電效率為80.6%。主要是因為隨蒸發溫度的升高，膨脹機入口溫度升高，膨脹機轉速增大，使工質的熱能轉化為機械能的部分增多，提高了發電效率。因此，蒸發溫度是影響膨脹機性能的主要因素，可適當增加膨脹機入口壓力，進而提高蒸發溫度，增大膨脹機轉速，實現輸出更大的發電功率。

3 ORC系統性能測試

對整個ORC發電系統而言，主要的性能評價指標有：循環凈功、熱效率、不可逆損失以及效率等。主要影響因素包括：蒸發溫度、冷凝溫度、過熱度和過冷度。本文通過實驗來討論蒸發溫度對循環凈功、熱效率、不可逆損失以及效率的影響。

Qe=mf(h1-h6)

(2)

式中：Qe為工質從熱源側吸收的熱量，kW；mf為工質的質量流量，kg/s；h1、h6分別為工質在蒸發器進、出口的焓值，kJ/kg。

(3)

式中：η為熱效率；Wnet為循環凈功，kW。

(4)

(5)

Iexp=mfT0(s2-s1)

(6)

式中：s1、s2分別為膨脹機進口和出口工質的熵，kJ/(kg·K)。

Ip=mfT0(s6-s5)

(7)

式中：s6為蒸發器進口工質的熵，kJ/(kg·K)。

(8)

(9)

式中：ηe為效率；Wnet為系統循環凈功，kW。

3.1 蒸發溫度對循環凈功和熱效率的影響

實驗系統中除發電系統透平膨脹機以外，還有消耗功的設備，主要是工質泵和冷卻水泵，循環凈功需減去泵的功耗，可得循環凈功和熱效率。循環凈功和吸熱量及熱效率隨蒸發溫度的變化趨勢分別如圖5、圖6所示。

圖5 循環凈功與吸熱量隨蒸發溫度的變化Fig.5 Variations of the cycle net power and heat with evaporation temperature

圖6 熱效率隨蒸發溫度的變化Fig.6 Variation of thermal efficiency with evaporation temperature

由圖5可知，當R245fa蒸發溫度低于85 ℃時，隨著蒸發溫度的升高，循環凈功逐漸增大。當蒸發溫度為84 ℃時，循環凈功增加了31.05 kW，增加幅度為33.9%。此外，由于實驗工況的蒸發溫度較低，熱源溫度較高，窄點溫差的限制不予考慮，因此吸熱量隨蒸發溫度的升高也呈增大趨勢。

由圖6可知，當蒸發溫度由76 ℃升高到84 ℃時，熱效率也逐漸升高。通過蒸發溫度為84 ℃和76 ℃時的熱效率，可計算得出熱效率增加了26.7%。熱效率是由循環凈功和熱源放熱量共同決定的。雖然循環凈功隨蒸發溫度的變化趨勢較為復雜，但熱效率隨蒸發溫度是逐漸上升的。這主要因為隨著蒸發溫度升高，熱源放熱量的減小幅度比循環凈功更大，以R245fa為例，當蒸發溫度從90 ℃上升到120 ℃時，熱源放熱量減小了45%，而循環凈功僅減少了26%，因此熱效率仍呈增大趨勢。從能量品位角度考慮，提高蒸發溫度相當于提高了輸入系統能量的品位，熱效率也相應提高。由于當前測試工況的蒸發溫度偏低，與設計值相差較大，因此熱效率較低，最大值約為1.5%。如果提高蒸發溫度，熱效率將繼續增大。

3.2 蒸發溫度對不可逆損失和效率的影響

當保持熱源入口溫度為143 ℃，冷源入口溫度為22 ℃時，不可逆損失與效率隨蒸發溫度的升高均呈增大趨勢，如圖7所示。當蒸發溫度升高8 ℃(蒸發壓力也升高)，制冷劑流量增加，蒸發器換熱量增大，不可逆損失增加了5.54 kW，增加了15.4%；效率增加了27%。說明隨蒸發溫度的升高，效率增加的更多，因此，升高蒸發溫度可有效提高效率。

圖7 不可逆損失和效率隨蒸發溫度的變化Fig.7 Variations of the irreversible loss and the exergy efficiency with evaporation temperature

4 結論

本文建立有機朗肯循環發電系統實驗裝置，當熱源溫度不變，蒸發溫度上升時，實驗研究了蒸發溫度對膨脹機性能和系統性能的影響，得出以下結論：

1)在膨脹機中，膨脹機入口溫度對其性能有較大影響，而膨脹機入口溫度又由蒸發溫度決定。當膨脹機進口壓力在0.697～0.789 MPa變化時，對應的蒸發溫度從76 ℃升高到84 ℃，此時膨脹機轉速從7 850 r/min增大到8 565 r/min，增大約9.11%；膨脹機的理想輸出功率和實際輸出功率分別增大1.26 kW、1.67 kW，且由于膨脹機內部存在不可逆損失，在整個溫度區間內實際輸出功率均小于理想輸出功率；此外，隨蒸發溫度的升高，膨脹機入口溫度升高，膨脹機轉速增大，使工質的熱能轉化為機械能的部分增多，膨脹機等熵效率也逐漸增大，最高等熵效率為80.6%。

2)當蒸發溫度在76～84 ℃變化時，蒸發溫度升高8 ℃(蒸發壓力也升高)，制冷劑流量增加，蒸發器換熱量增大，故系統的循環凈功、吸熱量、熱效率、不可逆損失及效率均呈增大趨勢(分別增大了33.9%、26.7%、15.4%及27%)。在該溫區，提高蒸發溫度，可有效的提高系統的熱效率與效率。

本文受上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室項目(13DZ2260900)、博士啟動經費項目(1D-16-301-007)及高校教師培訓培養項目(10-17-301-803)資助。(The project was supported by Shanghai Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer of Power Engineering (No.13DZ2260900)，Doctor Start Funding (No.1D-16-301-007) and University Teacher Training (No.10-17-301-803).)

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