微型有機(jī)朗肯循環(huán)熱電系統(tǒng)建模與性能分析

邵應(yīng)娟 金保昇 鐘文琪 Liu Hao

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210096)(2諾丁漢大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院，英國諾丁漢，NG72RD)

分布式能源(distributed energy sources，DES)通常是指分布在需求側(cè)的能源梯級(jí)利用、資源綜合利用和可再生能源綜合利用設(shè)施，可作為現(xiàn)有供能系統(tǒng)的有益補(bǔ)充［1］.熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)是最具代表性的分布式能源技術(shù)［2］.有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)中，循環(huán)工質(zhì)為具有較低臨界溫度的有機(jī)工質(zhì)而非傳統(tǒng)的水蒸氣［3］，其對熱源溫度要求較低，100℃左右的熱源就可以維持其正常運(yùn)行，是利用低溫?zé)嵩?太陽能、生物質(zhì)能、地?zé)岷凸I(yè)余熱等)的有效途徑［4-5］.現(xiàn)有中大規(guī)模ORC系統(tǒng)的良好運(yùn)行說明有機(jī)朗肯循環(huán)具有廣闊的應(yīng)用前景.當(dāng)前，全球范圍內(nèi)建筑能源消耗已達(dá)總能耗的40%以上［6］，適用于建筑物的微型有機(jī)朗肯循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)還處于研究起步階段.采用微型熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)(M-CHP)對獨(dú)棟建筑進(jìn)行熱電聯(lián)供，可極大地節(jié)省能源和資源；而有機(jī)工質(zhì)的微型ORC循環(huán)技術(shù)能明顯提高發(fā)電效率，同時(shí)保證汽輪機(jī)出口干度，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性［7］.

微型ORC系統(tǒng)的工質(zhì)選擇、循環(huán)回路和熱力循環(huán)參數(shù)等均與現(xiàn)有中大規(guī)模機(jī)組有顯著區(qū)別，亟需開展深入研究.為此，本文針對小規(guī)模、低參數(shù)有機(jī)工質(zhì)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，選擇多種新型有機(jī)溶液作為循環(huán)工質(zhì)，建立熱力學(xué)能量流通模型，研究循環(huán)溫度、換熱器溫差、過熱和過冷對發(fā)電和系統(tǒng)效率的影響，以期為微型有機(jī)朗肯循環(huán)熱電系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用提供參考.

1 系統(tǒng)構(gòu)建

微型有機(jī)朗肯循環(huán)低溫?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、汽輪機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵4個(gè)熱力設(shè)備組成.本文選取的是帶有回?zé)崞鞯拇硇設(shè)RC系統(tǒng)(見圖1).在該閉合回路中，有機(jī)工質(zhì)經(jīng)工質(zhì)泵升壓，先進(jìn)入回?zé)崞鞅怀醪郊訜?，再被送到蒸發(fā)器中，產(chǎn)生高壓工質(zhì)蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)中膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出電能；做功后的有機(jī)工質(zhì)，先進(jìn)入回?zé)崞鞣艧?，再在冷凝器中進(jìn)一步放熱給冷卻水，并對外輸出熱能；工質(zhì)液體再次流回循環(huán)泵，完成循環(huán)并不斷重復(fù).

圖1 典型有機(jī)朗肯循環(huán)示意圖

2 系統(tǒng)模型的建立

2.1 有機(jī)工質(zhì)選擇

良好的循環(huán)工質(zhì)通常具有以下特征:沸點(diǎn)適中、臨界壓力/溫度低、比容小、黏度/表面張力低、導(dǎo)熱系數(shù)高、無毒無腐蝕性等［8］.過去使用的有機(jī)工質(zhì)通常包括氫氯氟烴化合物(HCFCs)、氫氟碳化合物(HFCs)和氟利昂系列(如 R114，R113，R11)等［8-9］.隨著全球范圍內(nèi)環(huán)保要求的不斷提高，對臭氧層具有明顯破壞性的氟利昂系列和全氯氟烴(CFCs)系列化合物已全部被禁止使用.近年來，作為上述替代品的氫氯氟烴系列和氫氟碳系列由于具有較高的全球變暖潛能值(GWP)，也將在全球范圍逐漸被禁止使用.

因此，針對有機(jī)朗肯循環(huán)的研究中，循環(huán)工質(zhì)的選擇是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，不但要考慮工質(zhì)的熱物理性，也必須重視其環(huán)保性能.Tsai［10］指出，部分氫氟醚系列溶液(hydrofluo-roether)可作為有機(jī)循環(huán)工質(zhì)的高效環(huán)保替代品，如HFE7000，HFE7100，HFE7200和HFE7500等.

根據(jù)溫熵圖中飽和蒸汽曲線的斜度，有機(jī)工質(zhì)可分為干工質(zhì)(如Neo-pentane)、濕工質(zhì)(如水)和等熵工質(zhì)(如R123)，有機(jī)工質(zhì)的干濕性對其適用性和循環(huán)效率都有影響［11］.模擬中選用HFE7000，HFE7100和Neo-pentane三種干工質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)，其主要物理性質(zhì)見表1.由表可知，這些有機(jī)工質(zhì)均具備良好的熱物理性質(zhì)和較低的全球變暖潛能值，對臭氧層不造成破壞.

表1 工質(zhì)主要熱物理性質(zhì)

2.2 能量流通數(shù)學(xué)模型

假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)，蒸發(fā)器、冷凝器等設(shè)備與環(huán)境不進(jìn)行換熱，各換熱器、冷凝器以及連接管道的壓力損失忽略不計(jì)，冷凝器出口工質(zhì)為飽和液體.對系統(tǒng)進(jìn)行一系列簡化，設(shè)定工質(zhì)泵等熵效率ηpump，IS=85%，回?zé)崞鳠嵝师荌HE=97%；蒸發(fā)器熱效率 ηevap=96%，冷凝器熱效率 ηcond=98%；汽機(jī)等熵效率ηturb，IS=85%，發(fā)電機(jī)效率ηalt=90%.所選工況中蒸發(fā)器的輸入熱量值Qin=25 kW，冷卻水溫度Tw=13℃.因此，可根據(jù)能量穩(wěn)態(tài)流通方程對循環(huán)中的主要熱力過程進(jìn)行計(jì)算.

工質(zhì)首先在循環(huán)泵中被壓縮升壓，對應(yīng)圖1中的過程1-2.該過程中，工質(zhì)接收的外功為泵的功耗，則

式中，Wpump為泵的實(shí)際功耗；ηpump為泵的實(shí)際效率；Wpump，IS為理想狀態(tài)下(即等熵過程中)泵的理想功耗；hi(i=1，2，…，6)為實(shí)際過程后狀態(tài)點(diǎn)i處的工質(zhì)焓值；his(i=1，2，…，6)為等熵過程后狀態(tài)點(diǎn)i處的工質(zhì)焓值；mf為工質(zhì)的質(zhì)量流量.

隨后，工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸熱變?yōu)楦邏赫羝?，對?yīng)圖1中的過程2-4.該過程中工質(zhì)接受外功為

高壓蒸汽繼續(xù)進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹做功，對應(yīng)圖1中的過程3-4.該過程中工質(zhì)對外所做功耗Wturb及絕熱可逆狀態(tài)下汽輪機(jī)的理想功耗Wturb，IS分別為

式中，ηturb為汽機(jī)的實(shí)際效率.

ORC系統(tǒng)總發(fā)電量Wel可表示為

做功后工質(zhì)經(jīng)過冷凝器凝結(jié)為液體，對應(yīng)圖1中的過程4-1.該過程中冷卻水吸收熱量為

式中，mf，water為冷卻水質(zhì)量流量；hwater為冷卻水增加的焓值.此冷凝過程中，冷凝器內(nèi)熱量由有機(jī)工質(zhì)傳至冷卻水的放熱過程可分為3個(gè)階段.在有機(jī)工質(zhì)側(cè)表示為2個(gè)非相變過程(即工質(zhì)由過熱蒸汽被冷卻至飽和蒸汽的過程和工質(zhì)液體進(jìn)一步放熱至過冷水的過程)和1個(gè)工質(zhì)由氣態(tài)冷卻至液態(tài)的相變放熱過程.在模擬計(jì)算過程中，窄點(diǎn)(飽和蒸氣與冷卻水的最小溫差點(diǎn))處的最小溫差值設(shè)定為5 K.通過設(shè)定冷卻水入口溫度，即可得到冷卻水的出口溫度.

對于不設(shè)有回?zé)崞鞯难h(huán)過程，圖1中點(diǎn)3和點(diǎn)6的工況分別完全等同于點(diǎn)2和點(diǎn)5；對于設(shè)有回?zé)崞?IHE)的循環(huán)過程，汽輪機(jī)出口處工質(zhì)先與泵出口處工質(zhì)換熱，由于回?zé)崞鲀蓚?cè)的工質(zhì)質(zhì)量流量不變，則回?zé)崞髦械膫鳠徇^程可表示為

綜上，該ORC系統(tǒng)的循環(huán)效率 ηORC、發(fā)電效率 ηel、供熱效率 ηth和熱電聯(lián)產(chǎn)總效率 ηov可分別表示為

3 結(jié)果與討論

3.1 溫度影響

蒸發(fā)器和冷凝器溫度對朗肯循環(huán)性能有重要影響.以HFE7100為例，冷凝器出口處工質(zhì)溫度TC=293，303，313 K時(shí)，ORC系統(tǒng)的循環(huán)效率和相同溫度條件下的Carnot循環(huán)效率ηCarnot隨TC/TE的變化曲線見圖2.由圖可知，當(dāng)冷凝器出口處工質(zhì)溫度TC一定時(shí)，ORC系統(tǒng)循環(huán)效率的范圍為9%～16%，遠(yuǎn)低于相同工況下的Carnot循環(huán)效率，且隨著蒸發(fā)器出口處工質(zhì)溫度TE的升高而增加.隨著冷凝器出口處工質(zhì)溫度的升高，ORC系統(tǒng)循環(huán)效率和Carnot循環(huán)效率均下降.

圖2 TC恒定時(shí)循環(huán)效率隨TC/TE的變化

圖3 TE恒定時(shí)循環(huán)效率隨TC/TE的變化

同樣，以HFE7100為例，蒸發(fā)器出口處工質(zhì)溫度TE=373，393，413 K時(shí)，ORC系統(tǒng)的循環(huán)效率和Carnot循環(huán)效率隨TC/TE的變化曲線見圖3.由圖可見，當(dāng)蒸發(fā)器出口處工質(zhì)溫度TE一定時(shí)，ORC系統(tǒng)的循環(huán)效率范圍為8% ～16%，且隨著冷凝器出口處工質(zhì)溫度TC的降低而升高.隨著蒸發(fā)器出口處工質(zhì)溫度的升高，ORC系統(tǒng)效率整體提高.3種有機(jī)工質(zhì)的模擬結(jié)果均顯示出相同的規(guī)律性.

3.2 回?zé)崞饔绊?/h3>

在實(shí)際應(yīng)用中，為實(shí)現(xiàn)熱量的充分利用，可在朗肯循環(huán)中加入回?zé)崞?見圖1).回?zé)崞魇且粋€(gè)換熱裝置，工質(zhì)在進(jìn)入冷凝器放熱給冷卻水之前，可先經(jīng)過回?zé)崞鞣懦霾糠譄崃?，預(yù)熱循環(huán)泵處流出的工質(zhì)液體.設(shè)定汽輪機(jī)出口工質(zhì)進(jìn)入冷凝器前溫度可降低0～30℃.以HFE7000為例，ORC系統(tǒng)的發(fā)電效率隨回?zé)崞鳒夭钭兓€見圖4.由圖可知，增設(shè)回?zé)崞饔欣谔岣甙l(fā)電效率，循環(huán)工質(zhì)在回?zé)崞鬟M(jìn)出口之間每10℃的溫度差，可將系統(tǒng)的發(fā)電效率提高0.4% ～0.5%.同時(shí)，由于增設(shè)回?zé)崞鞑桓淖兝士涎h(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)器出口溫度和冷凝器出口溫度，其對整個(gè)系統(tǒng)的熱電聯(lián)產(chǎn)總效率不產(chǎn)生影響.

圖4 發(fā)電效率隨回?zé)崞鳒夭钭兓?/p>

3.3 過熱/過冷影響

常規(guī)蒸汽朗肯循環(huán)中普遍采用過熱蒸汽法避免蒸汽在汽輪機(jī)中冷凝.以 Neo-pentane為例，ORC系統(tǒng)的發(fā)電效率隨工質(zhì)過熱溫度的變化曲線見圖5.圖中，T為設(shè)有回?zé)崞鞯睦士涎h(huán)中有機(jī)工質(zhì)經(jīng)過回?zé)崞鹘档偷臏囟戎?由圖可見，對于設(shè)有回?zé)崞骱筒辉O(shè)回?zé)崞鞯难h(huán)，ORC系統(tǒng)的發(fā)電效率均隨著過熱溫度的升高而降低，總體呈線性規(guī)律.在選取的過熱溫度范圍(0～30℃)內(nèi)，過熱溫度每提高10℃，系統(tǒng)的發(fā)電效率降低0.08% ～0.13%.由于本文采用的3種有機(jī)溶劑均為干工質(zhì)，其工質(zhì)蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做工后仍然處于過熱蒸汽區(qū)，因此，3種工質(zhì)的模擬結(jié)果均表明，在有機(jī)朗肯循環(huán)中加入過熱過程會(huì)降低系統(tǒng)的發(fā)電效率.

圖5 發(fā)電效率隨工質(zhì)過熱溫度的變化

朗肯循環(huán)中也常對冷凝器中工質(zhì)采用過冷方法，以保證進(jìn)入循環(huán)泵工質(zhì)為液態(tài).以Neo-pentane為例，ORC系統(tǒng)的發(fā)電效率隨工質(zhì)過冷溫度的變化曲線見圖6.由圖可見，對于設(shè)有回?zé)崞骱筒辉O(shè)回?zé)崞鞯难h(huán)，ORC系統(tǒng)的發(fā)電效率隨著過冷溫度的增加而明顯降低，呈線性規(guī)律.在選取的過熱溫度范圍(0～20℃)內(nèi)，過冷溫度每增加10℃，系統(tǒng)的發(fā)電效率降低約0.5%.3種有機(jī)溶劑的模擬結(jié)果均表明，在循環(huán)中增加過冷過程會(huì)降低系統(tǒng)的發(fā)電效率.

圖6 發(fā)電效率隨工質(zhì)過冷溫度的變化

3.4 工質(zhì)影響

當(dāng)T=10 K，TC=303 K時(shí)，采用3種工質(zhì)的微型ORC系統(tǒng)的發(fā)電效率見圖7.由圖可見，當(dāng)TE=433 K時(shí)，采用Neo-pentane系統(tǒng)的發(fā)電效率模擬值可達(dá)13.8%，而采用其他2種工質(zhì)也可達(dá)11%以上.總體而言，以發(fā)電效率高低來評(píng)價(jià)該3種有機(jī)工質(zhì)，在模擬范圍內(nèi)，Neo-pentane優(yōu)于HFE7100和HFE7000，HFE7100在低蒸發(fā)溫度下優(yōu)于HFE7000.

圖7 不同工質(zhì)對ORC系統(tǒng)發(fā)電效率的影響

4 結(jié)論

1)所選的3種新型環(huán)保有機(jī)工質(zhì)均可作為有機(jī)朗肯循環(huán)溶液的高效環(huán)保替代品.以發(fā)電效率高低來評(píng)價(jià)這3種有機(jī)工質(zhì)，在模擬范圍內(nèi)，Neopentane優(yōu)于HFE7100和HFE7000，而HFE7100在低蒸發(fā)溫度下優(yōu)于HFE7000.

2)ORC系統(tǒng)的循環(huán)效率隨著蒸發(fā)器出口溫度的升高和冷凝器出口溫度的降低而增大.

3)在循環(huán)中增設(shè)回?zé)崞饔欣谔岣呶⑿蚈RC系統(tǒng)的發(fā)電效率.有機(jī)工質(zhì)在回?zé)崞鬟M(jìn)出口之間每10℃的溫度差，可將系統(tǒng)的發(fā)電效率提高0.4% ～0.5%.

4)對有機(jī)工質(zhì)采用過熱和過冷手段，均會(huì)降低微型ORC系統(tǒng)的循環(huán)效率.

References)

［1］吳大為，王如竹.分布式能源定義及其與冷熱電聯(lián)產(chǎn)關(guān)系的探討［J］.制冷與空調(diào)，2006，5(5):1-6.Wu Dawei，Wang Ruzhu.Definition of distributed energy resources and discussion on its relationship with CCHP［J］.Refrigeration and Air-Condition，2006，5(5):1-6.(in Chinese)

［2］Denntice M，Sasso M，Sibilio S，et al.Micro-combined heat and power in residential and light commercial applications［J］.Appl Therm Eng，2003，23(10):1247-1259.

［3］Saleh B，Koglbauer G，Wendland M，et al.Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles［J］.Energy，2007，32(7):1210-1221.

［4］顧偉，翁一武，曹廣益.低溫?zé)崮馨l(fā)電的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.熱能動(dòng)力工程，2007，22(2):115-119.Gu Wei，Weng Yiwu，Cao Guangyi.The development and investigation of low-temperature power generation［J］.Journal of Engineering for Thermal Energy and Power，2007，22(2):115-119.(in Chinese)

［5］Dong L，Liu H，Riffat S B.Development of smallscale and micro-scale biomass-fuelled CHP systems—a literature review［J］.Appl Therm Eng，2009，29(11):2119-2126.

［6］Kannan R，Strachan N.Modelling the UK residential energy sector under long-term decarbonisation scenarios:comparison between energy systems and sectoral modelling approaches［J］.Applied Energy，2009，86(4):416-428.

［7］Maizza V，Maizza A.Unconventional working fluids in organic Rankine-cycles for waste energy recovery systems［J］.Appl Therm Eng，2001，21(3):381-390.

［8］Mago P，Chamra L，Srinivasan K，et al.An examination of regenerative organic rankine cycles using dry fluids［J］.Appl Therm Eng，2008，28(8):998-1007.

［9］Wei D，Lu X，Lu Z，et al.Performance analysis and optimization of organic rankine cycle(ORC)for waste heat recovery［J］.Energ Convers Manag，2007，48(4):1113-1119.

［10］Tsai W.Environmental risk assessment of hydrofluoroethers(HFEs) ［J］.J Hazard Mater，2005，199(1):69-78.

［11］Liu B，Chien K，Wang C.Effect of working fluids on organic rankine cycle for waste heat recovery［J］.Energy，2004，29(8):1207-1217.