有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)性能研究及優(yōu)化

楊陽

【摘 要】有機朗肯循環(huán)（ORC）是目前比較公認的一項能高效回收中低溫余熱的重要技術，國內外學者對此進行了大量的研究。本文筆者結合前人的研究成果及自身經(jīng)驗分析有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)性能及優(yōu)化參考的內容，僅供參考。

【關鍵詞】有機朗肯循環(huán)；余熱發(fā)電系統(tǒng)；性能；優(yōu)化

1有機朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)

有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)正常工作時，余熱介質首先通過蒸發(fā)器將有機工質加熱成高溫高壓的飽和蒸汽或過熱蒸汽，然后高壓的蒸汽進入膨脹機膨脹并且驅動膨脹機做功帶動發(fā)電機發(fā)電，膨脹后的蒸汽進入冷凝器冷卻降溫至液態(tài)，最后工質泵將液態(tài)有機工質送回蒸發(fā)器進行再次加熱。ORC系統(tǒng)組成：（1）蒸發(fā)器。蒸發(fā)器在循環(huán)系統(tǒng)中的作用是能量傳遞，是整個有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱量傳遞的最關鍵設備，它的傳熱效率直接影響到整個系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此在有機朗肯循環(huán)運行過程中，蒸發(fā)器造成的不可逆性損失是所有部件中占比最大的部件。（2）膨脹機。膨脹機的作用是壓縮經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)的高溫高壓氣體，使熱能轉變?yōu)闄C械能從而膨脹帶動發(fā)電機做功。因此，膨脹機同樣是ORC系統(tǒng)中關鍵部件之一，最為直接的影響著整個系統(tǒng)的效率。膨脹機分為速度型和容積型兩種。（3）冷凝器。與蒸發(fā)器的工作原理剛好相反，主要是將從膨脹機排出的氣體冷凝為過冷液體，內部結構包括過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)。冷凝器和蒸發(fā)器同樣是有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的關鍵換熱部件。（4）工質泵。工質泵的作用是使有機工質在細長的管道內流動的同時達到一個設置的流速從而來提高自身的壓力。工質泵很容易被氣體或是液體腐蝕從而導致了系統(tǒng)效率降低。

2ORC系統(tǒng)性能分析及參數(shù)優(yōu)化

2.1熱力性能分析

由于受到蒸發(fā)器窄點溫差的約束，各工質對應系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度隨著排煙溫度的升高而增大。在相同排煙溫度條件下，采用R600a、R236ea的系統(tǒng)蒸發(fā)溫度高于其他工質，R245fa、R600對應系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度相對較高，R123與濕工質R161、R152a對應系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度相對較低且較為接近。圖1反映了采用各工質系統(tǒng)的工質流量隨排煙溫度的變化情況，由圖可知，工質流量隨排煙溫度的升高而減小，這是因為當蒸發(fā)器入口熱源溫度不變時，根據(jù)熱平衡方程，系統(tǒng)總吸熱量隨著排煙溫度的升高而減小，滿足此時熱負荷所需的工質流量下降。在相同排煙溫度下，工質間的物性差異導致各工質對應系統(tǒng)的工質流量存在差異，所有系統(tǒng)中烷烴類干工質R600a、R600與濕工質的流量明顯小于其他干工質，變化幅度也相對較小，R236ea對應系統(tǒng)的流量較大且隨排煙溫度的變化幅度較大。圖2反映了各工質對應系統(tǒng)膨脹機比焓降隨排煙溫度的變化情況，由圖可知，各工質膨脹機的比焓降隨排煙溫度的升高而增大。對比看來，采用干工質的系統(tǒng)凈功率明顯大于濕工質系統(tǒng)，當排煙溫度較高時，各干工質系統(tǒng)對應的凈功率接近，而隨著排煙溫度的降低，采用各干工質的系統(tǒng)間的凈功率差異變大，其中采用R600a與R236ea的系統(tǒng)凈功率較大，R245fa與R600次之，采用R123的系統(tǒng)凈功率相對較小。濕工質的系統(tǒng)凈功率則明顯小于干工質，其中R161系統(tǒng)凈功率最小。再結合熱耗率隨排煙溫度的變化圖可知，采用各工質系統(tǒng)的熱耗率均隨排煙溫度的升高而減小，這是因為隨著排煙溫度的升高，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度逐漸增大，當冷凝溫度不變時系統(tǒng)平均吸熱溫度增加，熱效率提高，熱耗率下降。由于熱耗率可看作是熱效率倒數(shù)的函數(shù)，可發(fā)現(xiàn)采用各工質系統(tǒng)的熱耗率排序與凈功率的排序相反。

2.2經(jīng)濟性分析

由于工質物性不同，各工質對應系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力具有明顯差異，濕工質的蒸發(fā)壓力相對較高，其中R161的蒸發(fā)壓力明顯高于其他工質，R123對應系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力最低。結合投資成本隨排煙溫度的變化圖可知，隨著排煙溫度的升高，系統(tǒng)設備成本先增加后減小。在該熱源條件下，采用R600a與R236ea的系統(tǒng)投資成本始終較高，R245fa與R600次之，采用R123的系統(tǒng)投資成本相對較低，濕工質R161、R152a對應系統(tǒng)的投資成本始終較為接近且明顯低于干工質對應系統(tǒng)。結合LEC隨排煙溫度的變化圖可知，隨著排煙溫度的升高，各系統(tǒng)的LEC逐漸下降，降幅趨于平緩，且各工質對應系統(tǒng)均存在對應的排煙溫度工況使得LEC達到最小值。當排煙溫度較低時，干工質對應系統(tǒng)的LEC較為接近，R123系統(tǒng)的LEC在低排煙溫度工況相對較大，隨著排煙溫度的升高，各工質的LEC均出現(xiàn)減小的趨勢但變化幅度不同，采用R123系統(tǒng)的LEC降幅相對較大，隨著排煙溫度的升高，R123對應系統(tǒng)的LEC開始低于其他干工質，R600與R245fa對應系統(tǒng)的LEC與R123接近，而R600a與R236ea的LEC相對較大。采用濕工質的系統(tǒng)在低排煙溫度工況下對應的LEC明顯大于干工質系統(tǒng)，而濕工質對應系統(tǒng)的LEC變化較大，隨著排煙溫度的提高，LEC下降明顯，并逐漸與干工質系統(tǒng)接近，干工質R236ea與R600a對應系統(tǒng)的LEC在高排煙溫度工況下接近并超過了采用R152a的系統(tǒng)。

實驗相關研究發(fā)現(xiàn)R245fa在高溫情況下具有較低的排氣溫度和冷凝壓力，因此在普通熱泵的條件下，為保證安全，機組最高承壓能力一般不超過2.4Mpa，故R245fa可以達到更高的出水溫度的潛質，以供工業(yè)使用。結果：（1）機組COP變化。COP受制熱量跟壓縮機輸入功率兩者共同影響，當蒸發(fā)溫度不變時，冷凝器側出水溫度每升高5℃，由于制熱量的降低以及壓縮機輸入功率的增加，COP值會減10%-25%。而對比冷凝器側出水溫度相同情況下，蒸發(fā)器側溫度每升高10℃，因為壓縮機的輸入功率變化較小，而制熱量的大幅增加會導致COP高11%-29%。當冷凝器側出水溫度跟蒸發(fā)器側入水溫度之差在40℃以內時，機組的COP總是大于3.0，并且在蒸發(fā)器側平均水溫60℃，冷凝器側出水溫度可以達到105.7℃時，此工況下的COP為2.701。在冷凝器側出水溫度100℃時，R245fa的COP為3.102，跟前期理論計算的COP（3.81）略有差距，考慮到實驗存在一定誤差，因此在合理的范圍之內。（2）制熱量。制熱量隨著冷凝器側出水溫度的升高而降低，隨著蒸發(fā)器側平均水溫的升高而增大。在高溫工況下，冷凝器側出水溫度每升高5℃，制熱量會減小2.5%-10.2%，且減小的速度會逐漸變慢。而在同等冷凝器側出水溫度下，高溫工況情況下的蒸發(fā)器側平均水溫每升高10℃，制熱量會增大14.1%-25.6%，由此可知，蒸發(fā)溫度對制熱量的影響大于冷凝溫度，同時隨著冷凝溫度的增大制熱量會逐漸減小。

3結束語

本文以工業(yè)低溫煙氣余熱ORC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，基于熱源參數(shù)分析不同工質對應系統(tǒng)的熱力性能與經(jīng)濟性指標；對各工質系統(tǒng)進行優(yōu)化并分析最佳運行參數(shù)的變化規(guī)律。

參考文獻：

[1]馮馴.有機朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)理論研究[D].上海交通大學，2011

（作者單位：陜西延長石油售電有限公司）