有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的實驗研究和性能分析

魏新利，李明輝，馬新靈，侯中蘭，孟祥睿，閆艷偉

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

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有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的實驗研究和性能分析

魏新利，李明輝，馬新靈，侯中蘭，孟祥睿，閆艷偉

(鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：對以自主設(shè)計的向心透平為膨脹機(jī)的有機(jī)朗肯循環(huán)低品位熱能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究，結(jié)果表明：蒸發(fā)器的火用損失都是最大的，其次是冷凝器和向心透平，透平入口壓力0.397 MPa、入口溫度100.58 ℃時，蒸發(fā)器火用損失為3.81 kW，占總火用損失50.64%，冷凝器和透平火用損失為2.88和0.82 kW，分別占38.25%和10.89%.在實驗基礎(chǔ)上，用Aspen7.3模擬增加回?zé)崞鲗ο到y(tǒng)性能的影響，結(jié)果顯示：熱源溫度和蒸發(fā)溫度不變時，有回?zé)崞鞯腛RC系統(tǒng)熱力性能優(yōu)于基本ORC系統(tǒng).

關(guān)鍵詞：有機(jī)朗肯循環(huán)；R123；實驗研究；流程模擬；熱力分析

0引言

受能源結(jié)構(gòu)制約，我國工業(yè)生產(chǎn)中，存在著大量余熱資源，尤其是150 ℃以下的低溫余熱，品位低，很難進(jìn)行生產(chǎn)再利用[1].有機(jī)朗肯循環(huán)(organic rankine cycle，簡稱ORC)采用低沸點有機(jī)工質(zhì)，將低品位熱能轉(zhuǎn)換為高品質(zhì)電能，是低溫余熱利用的有效途徑.有機(jī)工質(zhì)多采用干流體，膨脹后處于過熱區(qū)，不會侵蝕膨脹機(jī)葉片，所以在低溫?zé)崮馨l(fā)電方面得到了廣泛應(yīng)用[2].

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對ORC系統(tǒng)的性能進(jìn)行了很多研究與分析.SOMAYAJI C.等[3]用火用輪法和拓?fù)浞▽嵩礈囟葹?00 ℃，蒸發(fā)壓力為2.5 MPa的基本ORC進(jìn)行火用分析，得到：蒸發(fā)器是具有最高影響系數(shù)(63.6%)和最大火用損失(40 kW)的部件，其次是膨脹機(jī).ONDER KASKA等[4]對以R245fa為工質(zhì)、廢熱源驅(qū)動的ORC系統(tǒng)進(jìn)行能效分析，結(jié)果表明：蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵的火用損失依次降低，系統(tǒng)熱效率和火用效率均隨蒸發(fā)壓力增大而增大.ROY等[5]對以R123為工質(zhì)有回?zé)岬腛RC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究，得到:透平進(jìn)口壓力2.7 MPa，冷凝溫度27.82 ℃時，帶回?zé)岬腛RC系統(tǒng)熱效率、火用效率及透平輸出功率最大.劉杰[6]對余熱溫度為100 ℃左右、R245fa為工質(zhì)的ORC系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究，得到：采用中間換熱器，蒸發(fā)器火用效率由63.8%提升到72.41%，系統(tǒng)熱力學(xué)完善度由基本ORC的71.38%增加到81.84%.羅向龍[7]等對以R245fa為工質(zhì)、溫度低于110 ℃的低品位熱能發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行火用分析，得到ORC系統(tǒng)火用效率和熱效率分別為45.07%和7.78%.

筆者以自行研發(fā)向心透平為膨脹機(jī)，R123為工質(zhì)，以110 ℃左右工業(yè)余熱為回收對象，搭建了ORC低溫余熱發(fā)電實驗臺.并用熱力學(xué)第一、第二定律，對系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究和性能分析，對優(yōu)化后方案進(jìn)行討論與分析.

1ORC低品位熱能發(fā)電系統(tǒng)

1.1系統(tǒng)的原理

圖1為實驗系統(tǒng)流程圖.如圖所示，ORC低品位熱能發(fā)電系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成：熱源(導(dǎo)熱油代替)系統(tǒng)、ORC主系統(tǒng)和循環(huán)水系統(tǒng).

1.2系統(tǒng)的熱力學(xué)性能分析

性能分析時，視系統(tǒng)工質(zhì)為穩(wěn)定流動.

(1)有機(jī)工質(zhì)在蒸發(fā)器中吸收熱量

蒸發(fā)器的熱效率為

圖1　有機(jī)朗肯循環(huán)實驗系統(tǒng)流程圖

(1)

火用損失為

ΔEe=(E5-E6)-(E3-E2)=

ρqv[h5-h6-T0(s5-s6)]-qm[h3-

h2-T0(s3-s2)].

(2)

火用效率為

(3)

(2)工質(zhì)在向心透平內(nèi)膨脹做功等熵效率為

(4)

火用損失為

ΔEt=(E3-E4)-Wt=

qm[h3-h4-T0(s3-s4)]-qm(h3-h4).

(5)

火用效率為

(6)

(3)有機(jī)工質(zhì)進(jìn)入冷凝器中放熱熱效率為

(7)

火用損失為

ΔEc=(E4-E1)-(E8-E7)=

qm[h4-h1-T0(s4-s1)]-qw[h8-

h7-T0(s8-s7)].

(8)

火用效率為

(9)

(4)工質(zhì)進(jìn)入工質(zhì)泵內(nèi)升壓等熵效率為

(10)

火用損失為

ΔEp=Wp-(E2-E1)=qm(h2-h1)-

qm[h2-h1-T0(s2-s1)].

(11)

火用效率為

(12)

(5)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱效率為

(13)

火用損失為

ΔEcycle=ΔEe+ΔEt+ΔEp+ΔEc.

(14)

火用效率為

(15)

式中：Ei為狀態(tài)點i的火用，kW；Wt為膨脹機(jī)輸出功，kW；Wp為泵耗功，kW；hi為比焓值，kJ/kg；si為比熵值，kJ/(kg·K)；T0為環(huán)境溫度，K；qw、qm分別為冷卻水和有機(jī)工質(zhì)流量，kg/s；qv為導(dǎo)熱油體積流量，m3/h；ρ為導(dǎo)熱油密度，kg/m3；ηe、ηc、ηcycle分別為蒸發(fā)器、冷凝器及系統(tǒng)熱效率；ηt、ηp分別為向心透平和泵的等熵效率；ΔEe、ΔEc、ΔEt、ΔEp、ΔEcycle分別為蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹機(jī)、泵和系統(tǒng)火用損失，kW；ηe,ex、ηc,ex、ηt,ex、ηp,ex、ηcycle,ex分別為蒸發(fā)器、冷凝器、膨脹機(jī)、泵和循環(huán)系統(tǒng)火用效率.

2實驗研究

2.1實驗簡介

搭建了以自行研發(fā)的向心透平為膨脹機(jī)的ORC低品位熱能發(fā)電實驗臺，實驗采用R123做工質(zhì)，研發(fā)的向心透平參數(shù)如表1所示.

表1　向心透平的主要參數(shù)

2.2實驗結(jié)果與分析

實驗運(yùn)行，調(diào)節(jié)熱源溫度和有機(jī)工質(zhì)流量，改變系統(tǒng)工況參數(shù).穩(wěn)定運(yùn)行后，記錄一組實驗數(shù)據(jù).表2為熱源溫度111.26 ℃，透平入口壓力0.397 MPa，向心透平轉(zhuǎn)速為51 452 r/min時，循環(huán)系統(tǒng)各狀態(tài)點(圖1所示)工況參數(shù).

表2中，R123及循環(huán)水?dāng)?shù)值由軟件Refprop 9.0查得，導(dǎo)熱油數(shù)值由文獻(xiàn)[8]擬合曲線計算獲得，根據(jù)表2計算系統(tǒng)性能分析如表3所示.

改變操作條件，熱源溫度為106.71 ℃，透平入口壓力0.423 MPa、溫度74.39 ℃，轉(zhuǎn)速46 657 r/min時，系統(tǒng)性能分析如表4所示.

表2　實驗系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時的狀態(tài)參數(shù)

表3　工況1下系統(tǒng)的性能分析

表4　工況2下系統(tǒng)的性能分析

上述實驗工況工質(zhì)流量高于設(shè)計值，與透平設(shè)計工況有較大差異，所以實際輸出功率高于額定設(shè)計功率，前期透平性能研究已驗證[9].證明設(shè)計的向心透平可在偏離工況下正常運(yùn)行.

由表3、4可看出，蒸發(fā)器火用損失是最大的.主要是外部(散熱)火用損失和內(nèi)部火用損失共同作用的結(jié)果.散熱火用損失是換熱過程中導(dǎo)熱油和有機(jī)工質(zhì)以輻射和對流方式向周圍環(huán)境散熱造成的.內(nèi)部火用損失主要為蒸發(fā)器內(nèi)傳熱火用損失，是由于蒸發(fā)器中R123和導(dǎo)熱油兩種工質(zhì)的傳熱溫差大造成的，如工況1條件下，導(dǎo)熱油的出口溫度為91.85 ℃，而R123的入口溫度僅20.74 ℃.所以，要降低蒸發(fā)器不可逆損失，首先蒸發(fā)器保溫措施要做好，最重要是降低導(dǎo)熱油出口溫度.

冷凝器火用損失其次，主要是由于冷凝器中循環(huán)水與透平出口過熱有機(jī)工質(zhì)之間較大傳熱溫差造成的.為此，可在膨脹機(jī)出口與蒸發(fā)器入口管路中增加回?zé)崞?，待乏氣降低溫度后再進(jìn)入冷凝器，同時可提高進(jìn)入蒸發(fā)器的有機(jī)工質(zhì)溫度，間接地降低了蒸發(fā)器內(nèi)的傳熱溫差和不可逆性.

相對蒸發(fā)器和冷凝器，透平火用損失率要小得多，說明透平不是ORC系統(tǒng)中能效損失的主要設(shè)備.而向心透平的等熵效率分別為80.53%、82.79%，都高于設(shè)計值70.3%，說明研發(fā)的透平性能是相當(dāng)不錯的.

3模擬分析

實驗結(jié)果分析知，系統(tǒng)不可逆損失主要是蒸發(fā)器和冷凝器內(nèi)換熱過程中較大的溫差造成的. 為此在乏氣進(jìn)入冷凝器之前，先通過回?zé)崞黝A(yù)熱進(jìn)入蒸發(fā)器的液體，然后再進(jìn)入冷凝器；經(jīng)冷凝的液體，升壓后進(jìn)入回?zé)崞魑辗獾臒崃?，再送入蒸發(fā)器與余熱源換熱，圖2為乏氣回?zé)嵫h(huán)系統(tǒng)流程圖.

圖2　乏氣回?zé)岬挠袡C(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)流程圖

用Aspen Plus7.3流程模擬軟件按工況2參數(shù)模擬，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到系統(tǒng)熱效率為7.22%，火用效率為36.72%，和實驗值相比相對誤差分別為0.96%和0.60%，在允許誤差范圍內(nèi)，可看出模擬結(jié)果是可靠的.

為使模擬工況與實驗研究盡量一致，取導(dǎo)熱油入口溫度110 ℃，工質(zhì)在回?zé)崞髦袦厣秊? ℃，質(zhì)量流量1.442 kg/s；膨脹機(jī)和泵等熵效率分別取0.78、0.85，有機(jī)工質(zhì)R123質(zhì)量流量為0.26 kg/s.蒸發(fā)器出口工質(zhì)過熱度為1 ℃.

圖3為基本有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)和加上回?zé)崞骱笙到y(tǒng)熱效率和火用效率隨蒸發(fā)溫度變化情況.圖中可看出，熱源溫度一定，有乏氣回?zé)岬腛RC系統(tǒng)熱效率和火用效率明顯比基本ORC要高，蒸發(fā)溫度為88 ℃，乏氣回?zé)嵯到y(tǒng)熱效率和火用效率比基本ORC系統(tǒng)分別提高了3.62%和3.71%.熱效率高，是蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)吸熱量降低，膨脹機(jī)輸出功率不變引起的；增加回?zé)崞?，膨脹機(jī)出口過熱度較高的乏氣經(jīng)回?zé)崞鲹Q熱后，過熱度降低，而泵加壓后的工質(zhì)，進(jìn)入蒸發(fā)器時溫度較基本ORC高，因此系統(tǒng)不可逆性降低，火用效率提高.

圖3　兩種循環(huán)熱效率和火用效率

4結(jié)論

對以R123為工質(zhì)、110 ℃左右的導(dǎo)熱油為熱源、向心透平為膨脹機(jī)的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，然后用Aspen7.3模擬了增加回?zé)崞鲗ο到y(tǒng)性能影響.

(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行火用分析得到，蒸發(fā)器火用損失最大，主要是由蒸發(fā)器中R123和導(dǎo)熱油兩種工質(zhì)的傳熱溫差較大造成的，其次是冷凝器、向心透平、工質(zhì)泵.

(2)熱源溫度為110 ℃、蒸發(fā)溫度為88 ℃時，有回?zé)岬腛RC系統(tǒng)熱效率和火用效率比基本ORC系統(tǒng)分別提高了3.62%和3.71%.

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Experimental Investigation and Performance Analysis of Organic Rankine Cycle System

WEI Xinli， LI Minghui， MA Xinling， HOU Zhonglan， MENG Xiangrui， YAN Yanwei

(School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

Abstract:The experimental study was carried out to test the performance of organic Rankine cycle waste heat power generation system by using radial inflow turbine as expander. The result shows that exergy loss of the evaporator is the biggest, the next is the condenser and radial inflow turbine; when inlet pressure of the turbine is 0.397 MPa and inlet temperature is 100.58 ℃, exergy loss of the evaporator reaches to 3.81 kW, accounting for 50.64% of the total exergy loss, that of the condenser and radial inflow turbine are 2.88 kW and 0.82 kW, accounting for 38.25% and 10.89% of the total exergy loss, respectively. Based on experimental investigation, making simulation about the effects of adding regenerator on the performance of the system, it turns out that when temperature of the heat source and evaporating temperature is the same, thermal performance of the ORCs with regenerator is better than the basic ORCs.

Key words:organic Rankine cycle(ORC); R123; experimental investigation; process simulation; thermodynamic analysis

中圖分類號：TK123

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201412027

作者簡介:魏新利(1956—)，男，河南輝縣人，鄭州大學(xué)教授，博導(dǎo)，主要從事生物質(zhì)能利用、低溫余熱發(fā)電等研究．通訊作者:馬新靈(1977—)，女，河南南陽人，鄭州大學(xué)講師，博士，主要從事低溫余熱發(fā)電研究，E-mail:xinlingma@zzu.edu.cn.

基金項目：煤燃燒國家重點實驗室開放基金資助項目(FSKLCC1410)；河南省重點科技攻關(guān)計劃項目(142102210072)

收稿日期:2014-12-11；

修訂日期：2015-04-19

文章編號:1671-6833(2016)02-0073-04

引用本文：魏新利，李明輝，馬新靈，等.有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的實驗研究和性能分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2016,37(2):73-76．