前置噴射器的熱機熱泵聯(lián)合循環(huán)熱力性能研究

張承虎， 林己又， 譚羽非， 李亞平

(哈爾濱工業(yè)大學建筑學院寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點實驗室，黑龍江哈爾濱150001)

1 概述

有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle，ORC)作為一種有效的中低溫余熱回收發(fā)電技術(shù)，因其熱源適用條件廣、運行壓力低、維護成本低、動力部件少等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)余熱廢熱回收、太陽能發(fā)電、地熱能發(fā)電等領(lǐng)域[1-2]。由卡諾定理可知，為了獲取更高的循環(huán)熱效率，則需要較高的蒸發(fā)溫度和較低的冷凝溫度，而較高的蒸發(fā)溫度意味著熱源出口溫度仍需維持在較高水平，導致熱源回收再利用效率較低；較低的冷凝溫度意味著冷源出口溫度較低，系統(tǒng)中的大部分熱量仍將以低溫冷凝熱的形式直接排放至環(huán)境，再次造成巨大的能源浪費。

為解決中低溫余熱回收發(fā)電技術(shù)循環(huán)熱效率與綜合熱經(jīng)濟性之間的矛盾，本文提出了前置噴射器的熱機熱泵聯(lián)合循環(huán)，該系統(tǒng)可在保障電力輸出的條件下，對熱用戶提供生活熱水或供熱熱水。通過參數(shù)分析與對比分析，研究了系統(tǒng)熱力性能變化規(guī)律與性能極限，為系統(tǒng)的實際應(yīng)用提供理論指導。

2 系統(tǒng)構(gòu)建與分析

前置噴射器的熱機熱泵聯(lián)合循環(huán)(以下簡稱聯(lián)合循環(huán))的系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 前置噴射器的熱機熱泵聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)原理

① 有機工質(zhì)循環(huán)

高溫高壓的有機工質(zhì)在膨脹機中膨脹做功后，在冷凝器中冷凝至過冷狀態(tài)；依次流經(jīng)儲液器和增壓泵，升高有機工質(zhì)的壓力以滿足低溫蒸發(fā)器的需求；有機工質(zhì)在低溫蒸發(fā)器中吸熱蒸發(fā)后，進入氣液分離器，一部分低壓氣態(tài)有機工質(zhì)在噴射器的引射作用下進入噴射器；另一部分液態(tài)有機工質(zhì)由工質(zhì)泵加壓后，被高溫蒸發(fā)器加熱至高溫高壓狀態(tài)，具有較強的引射能力；高溫高壓的氣態(tài)有機工質(zhì)在噴射器內(nèi)作為主流流體，引射低溫低壓的氣態(tài)有機工質(zhì)；最后，完成混合與擴壓后的混合流體經(jīng)過熱器進入膨脹機進口側(cè)，完成有機工質(zhì)循環(huán)。

② 熱源與冷源的熱力過程

高溫熱源流體依次經(jīng)過過熱器、高溫蒸發(fā)器、自適應(yīng)換熱器和低溫蒸發(fā)器，從而充分降低熱源出口溫度，實現(xiàn)能量的梯級回收；低溫冷源流體依次通過冷凝器和自適應(yīng)換熱器，將冷源的出口溫度提高到更高的水平，可用于制備生活熱水或作為二次水對熱用戶供熱，從而產(chǎn)生經(jīng)濟價值。

布置噴射器的目的是利用高溫高壓主流流體的引射能力，對熱源熱量進行更加徹底地攫取；同時增加流經(jīng)膨脹機的工質(zhì)質(zhì)量流量，使系統(tǒng)在凈發(fā)電效率降低的情況下，仍能保證系統(tǒng)凈發(fā)電量不變甚至增加。氣液分離器可以自適應(yīng)地滿足高溫蒸發(fā)器和低溫蒸發(fā)器之間工質(zhì)的流量分配，降低控制難度。在高溫換熱器與低溫換熱器之間，設(shè)置自適應(yīng)換熱器，其目的是根據(jù)噴射器噴射比來自適應(yīng)地調(diào)節(jié)換熱量比例，進一步增加冷源與熱源之間的換熱量。系統(tǒng)熱源可以采用高溫高壓的工業(yè)蒸汽、廢氣，也可以太陽能集熱器等形式獲取。

3 系統(tǒng)數(shù)學建模

本文的主要目的是研究聯(lián)合循環(huán)的熱力性能變化規(guī)律與性能極限，因此需要對系統(tǒng)數(shù)學模型進行合理簡化。本文采用Huang等人[6]提出的修正的等壓混合模型對噴射器進行數(shù)學建模。

① 數(shù)學建模具體假設(shè)

a.系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，忽略所有壓力損失與熱量損失。

b.噴射器內(nèi)部流動狀態(tài)穩(wěn)定且為一維模型。

c.主流流體和二次流流體入口處以及擴散段出口處的動能可忽略不計。

d.引入合理的常數(shù)系數(shù)對噴射器等熵計算過程中涉及的摩擦損失、混合損失進行簡化。

e.主流流體與二次流體在等截面段開始混合，且壓力相等。

② 有機工質(zhì)選取及其他部分建模

選取R245fa作為聯(lián)合循環(huán)的有機工質(zhì)。聯(lián)合循環(huán)中的噴射器部分具體建模過程與求解方法詳見文獻[7]，其中工質(zhì)聲速計算方法與工質(zhì)物性參數(shù)均通過REFPROP9.1工質(zhì)軟件進行調(diào)用。聯(lián)合循環(huán)涉及的膨脹機、工質(zhì)泵、換熱器等設(shè)備均采用文獻[3]中的基本型ORC數(shù)學建模方法進行計算。通過編寫Matlab程序，實現(xiàn)對聯(lián)合循環(huán)數(shù)學模型的求解。

對于前置噴射器的熱機熱泵聯(lián)合循環(huán)而言，凈發(fā)電效率是衡量系統(tǒng)熱力性能的重要指標之一，按下式計算：

式中ηnet——凈發(fā)電效率

Pnet——凈發(fā)電量，kW

Φsup——過熱器換熱量，kW

Φe,ht——高溫蒸發(fā)器換熱量，kW

Φe,lt——低溫蒸發(fā)器換熱量，kW

Φa——自適應(yīng)換熱器換熱量，kW

④ 主要參數(shù)取值

聯(lián)合循環(huán)的外部工況條件和主要參數(shù)取值見表1。如本文無特殊說明，均按該表中所述條件進行計算。

表1 聯(lián)合循環(huán)工況條件與主要參數(shù)取值

4 參數(shù)分析與對比研究

① 參數(shù)分析

在表1所述的工況條件下，分析主要參數(shù)對系統(tǒng)凈發(fā)電效率與動態(tài)投資回收期的影響規(guī)律。

高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力與膨脹壓力對凈發(fā)電效率影響見圖2。可以看出，系統(tǒng)凈發(fā)電效率隨高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力的升高而降低，隨膨脹壓力的增大而升高。主流流體在高溫蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，越高的蒸發(fā)壓力意味著主流流體引射能力越強，但由于熱源條件恒定，導致主流流體從熱源側(cè)獲取的總熱量減少，有機工質(zhì)總質(zhì)量流量減少，因此系統(tǒng)凈發(fā)電效率降低。膨脹壓力越高表明有機工質(zhì)膨脹做功能力越強，則系統(tǒng)凈發(fā)電效率越高。當膨脹壓力為1 180 kPa，高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力為1 500 kPa時，系統(tǒng)凈發(fā)電效率可以達到6.11%，此時的系統(tǒng)凈發(fā)電量為140.57 kW。

圖2 高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力與膨脹壓力對凈發(fā)電效率影響

冷凝壓力與低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力對凈發(fā)電效率影響見圖3。

圖3 冷凝壓力與低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力對凈發(fā)電效率影響

可以看出，系統(tǒng)凈發(fā)效率隨冷凝壓力的增加而降低，隨低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力的增大而降低。工質(zhì)冷凝壓力越低，表明其在膨脹機內(nèi)膨脹做功能力越強，在相同熱源條件下的對外電量輸出能力越強。低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力越低時，一方面使得二次流被引射條件更加理想，另一方面增加了二次流繼續(xù)從熱源中獲取熱量的能力。但過低的低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力受到膨脹壓力的限制而無法實現(xiàn)。

② 經(jīng)濟性分析

在折現(xiàn)率為6%，年運行時間3 600 h，壽命期10 a的條件下，對系統(tǒng)經(jīng)濟性進行分析。常規(guī)ORC系統(tǒng)的初投資可按1×104元/kW發(fā)電量進行估計。在聯(lián)合循環(huán)中，換熱器投資按800～1 200 元/m2計算，有機工質(zhì)按90 元/kg計算。其他主要費用包括膨脹機、噴射器、工質(zhì)泵、循環(huán)泵、管路費等，經(jīng)逐項校核后，其他設(shè)備可按8 000 元/kW發(fā)電量進行估算。運行費用部分，燃煤費用400 元/t，電費0.8 元/(kW·h)，冷卻水4 元/t。

高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力與膨脹壓力對動態(tài)投資回收期影響見圖4。可以看出，動態(tài)投資回收期隨高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力的增大而降低，隨膨脹壓力的增大而增加。雖然系統(tǒng)電力輸出能力在高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力較低，膨脹壓力較高時最好，但此時對應(yīng)的系統(tǒng)經(jīng)濟性指標最差。

圖4 高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力與膨脹壓力對動態(tài)投資回收期影響

冷凝壓力與低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力對投資回收期影響見圖5。可以看出，動態(tài)投資回收期隨低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力的降低而增加。在工質(zhì)質(zhì)量流量增加的同時，系統(tǒng)從熱源側(cè)回收熱量的能力增加，雖然系統(tǒng)單位時間內(nèi)的運行收益有所提高，但增加換熱器面積導致的系統(tǒng)初投資增加更為顯著。降低冷凝壓力有利于膨脹機做功發(fā)電，但不利于冷源側(cè)的換熱條件，在冷源條件一定的情況下，過低的冷凝溫度意味著冷凝器換熱面積大幅增加。因此，存在一個最佳冷凝壓力240 kPa使得系統(tǒng)動態(tài)投資回收期最優(yōu)。

圖5 冷凝壓力與低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力對投資回收期影響

然而，動態(tài)投資回收期無法反映投資回收期以后方案的情況，不能全面反映項目在整個壽命期內(nèi)真實的經(jīng)濟效果，還需和其他指標結(jié)合起來使用[8]。在10 a壽命期內(nèi)，對圖4中膨脹壓力為1 140 kPa的工況而言，隨著高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力由1 500 kPa增加至1 700 kPa，項目凈現(xiàn)值由2 320×104元降低至2 189×104元，即高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力越低，對系統(tǒng)凈現(xiàn)值越有利；對圖5中低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力為800 kPa的工況而言，隨著冷凝壓力由200 kPa增加至360 kPa，項目凈現(xiàn)值由2 335×104元降低至2 157×104元，即冷凝壓力越低，對系統(tǒng)凈現(xiàn)值越有利。

③ 對比研究

在高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)壓力為1 600 kPa，冷凝壓力300 kPa，熱源進口溫度、質(zhì)量流量相同，冷源進口溫度、質(zhì)量流量相同的條件下，對比分析了基本型ORC與聯(lián)合循環(huán)電力優(yōu)先模式、聯(lián)合循環(huán)熱力優(yōu)先模式的熱力性能，見表2。

表2 聯(lián)合循環(huán)電力優(yōu)先與熱力優(yōu)先模式熱力性能對比

續(xù)表2

a. 聯(lián)合循環(huán)電力優(yōu)先模式與基本型ORC對比

b. 聯(lián)合循環(huán)熱力優(yōu)先模式與基本型ORC對比

聯(lián)合循環(huán)熱力優(yōu)先模式，是在保證系統(tǒng)一定電力輸出能力的前提下，使冷源出口溫度盡可能高，從而獲取熱經(jīng)濟效益。該模式下，系統(tǒng)凈發(fā)電效率大幅下降至6.2%，系統(tǒng)凈發(fā)電量減少至129 kW，相對降低了11.03%。在保證冷凝器側(cè)窄點溫差大于3 ℃的前提下，系統(tǒng)冷源出口溫度最高可達到59.38 ℃，可獲取十分可觀的熱經(jīng)濟效益。

對于以太陽能集熱器作為熱源設(shè)備的聯(lián)合循環(huán)而言，更低的熱源出口溫度意味著太陽能集熱器集熱效率提高，減少相應(yīng)設(shè)備初投資。

c. 基本型ORC與聯(lián)合循環(huán)二級管網(wǎng)供熱能力對比

在冷源進口溫度40 ℃，冷凝壓力405 kPa的條件下，基本型ORC與聯(lián)合循環(huán)用于二級管網(wǎng)熱源時的熱力性能分析見表3。

表3 基本型ORC與聯(lián)合循環(huán)二級管網(wǎng)供熱能力對比分析

聯(lián)合循環(huán)可提供質(zhì)量流量為22.35 kg/s的二級管網(wǎng)熱水，供水溫度60 ℃，回水溫度40 ℃。在二級管網(wǎng)供熱模式下，基本型ORC與聯(lián)合循環(huán)受到冷源進口溫度的限制，凈發(fā)電量均有所減低。此時，聯(lián)合循環(huán)的凈發(fā)電量為91.70 kW，與基本型ORC的凈發(fā)電量95.35 kW基本持平，但聯(lián)合循環(huán)的凈發(fā)電效率大幅降低至4.62%，比基本型ORC相對降低了26.32%。系統(tǒng)從熱源中提取的熱量由1 520 kW增加至1 986 kW，熱源利用效率相對提高了30.66%。

整體而言，前置噴射器的熱機熱泵聯(lián)合循環(huán)以犧牲一部分凈發(fā)電效率為代價，大幅提升了熱源利用效率，實現(xiàn)了系統(tǒng)凈發(fā)電量基本不變或有所增加，同時將原有直接排放至環(huán)境的冷凝熱回收再利用，有效改善了系統(tǒng)綜合熱經(jīng)濟性。

5 結(jié)論

① 為解決傳統(tǒng)余熱回收發(fā)電系統(tǒng)凈發(fā)電效率與綜合熱經(jīng)濟性之間矛盾的問題， 將有機朗肯循環(huán)與噴射式熱泵相結(jié)合，將噴射式熱泵系統(tǒng)布置在有機朗肯循環(huán)膨脹機進口側(cè)，提出了前置噴射器的熱機熱泵聯(lián)合循環(huán)，該系統(tǒng)可在保障電力輸出的條件下對熱用戶供熱。研究了系統(tǒng)主要參數(shù)對凈發(fā)電效率與系統(tǒng)經(jīng)濟性的影響規(guī)律，分析了聯(lián)合循環(huán)在熱力優(yōu)先模式和電力優(yōu)先模式下的性能極限。

② 聯(lián)合循環(huán)在凈發(fā)電效率、凈發(fā)電量較優(yōu)時，系統(tǒng)的動態(tài)投資回收期較差，存在最優(yōu)的冷凝壓力使得系統(tǒng)動態(tài)投資回收期最優(yōu)。

④ 與基本型ORC對比，當聯(lián)合循環(huán)對外輸出40 ℃/60 ℃二級管網(wǎng)熱水時，系統(tǒng)凈發(fā)電量相對減少3.8%，熱源利用效率相對提高30.66%。