低溫余熱利用有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)工質(zhì)選擇研究

文_陳瑜 倪衛(wèi)潔 中國質(zhì)量認證中心南京分中心

我國是一個能源消耗大國，但是能源利用率相對較低，單位產(chǎn)值能耗比世界平均水平高2.4 倍, 能源效率比國際先進水平低10%。據(jù)估計，我國工業(yè)余熱資源中約60%可回收再利用，特別是低溫余熱（余熱溫度＜250℃）資源的回收利用受到了越來越多的重視。有機朗肯循環(huán)（ORC）技術能有效回收低溫工業(yè)余熱，全世界目前已有超過4000 余套ORC 裝置，并且已生產(chǎn)出了單機容量為14MW 的ORC 發(fā)電機組。ORC 系統(tǒng)以低沸點有機物或有機混合物為循環(huán)工質(zhì)，其循環(huán)特性受工質(zhì)物性控制，直接影響ORC 系統(tǒng)熱效率。按照T-S 圖飽和蒸汽曲線斜率，工質(zhì)可分干工質(zhì)（dT/dS＞0）、等熵工質(zhì)（dT/dS ≈0）和濕工質(zhì)（dT/dS＜0）。工質(zhì)液體定壓比熱cp、蒸發(fā)潛熱γ以及飽和蒸汽線斜率dT/dS 是影響ORC 循環(huán)性能的主要參數(shù)。Tchanche et al.認為擁有較大液體定壓比熱以及蒸發(fā)潛熱的工質(zhì)更適合于ORC 系統(tǒng)，Yamamoto et al.則建議應選擇較低蒸發(fā)潛熱的工質(zhì)，而Maizza et al.、Badr et al.、Chen et al.等認為應選擇擁有較大的液體定壓比熱以及較小的蒸發(fā)潛熱的工質(zhì)?？梢钥闯?，不同學者提出的工質(zhì)選擇原則并不一致，甚至有些相反的結論，且沒有明確工質(zhì)過熱是否對系統(tǒng)效率有影響。鑒于此，本文針對ORC 系統(tǒng)工質(zhì)的選擇，通過理論分析得出了一些選擇原則。

1 ORC系統(tǒng)工質(zhì)初選

工質(zhì)初選主要考慮較低的ODP、GWP 以及ALT，在ORC系統(tǒng)正常操作溫度范圍內(nèi)不會分解，不能損壞設備材料以及與潤滑油反應，安全無毒、沒有輻射、不易燃以及較低的成本。本文初選5種工質(zhì)（表1），其中R152a 為濕工質(zhì)；R245fa，R601a 為干工質(zhì)；R600a，R141b 則為等熵工質(zhì)，物性參數(shù)來自REFPROF 8.0。

表1 工質(zhì)物性參數(shù)

2 ORC系統(tǒng)熱力學分析

圖1 所示為ORC 系統(tǒng)流程圖以及工質(zhì)T-S 圖，ORC系統(tǒng)主要由工質(zhì)泵、蒸發(fā)器、膨脹機以及冷凝器組成。ORC系統(tǒng)以低沸點有機物或者混合物為循環(huán)工質(zhì)，工質(zhì)在蒸發(fā)器中獲得熱量蒸發(fā)為飽和或者過熱蒸汽，推動膨脹機做功，乏氣在冷凝器中冷凝，由工質(zhì)泵再輸送至蒸發(fā)器完成循環(huán)。對于傳統(tǒng)朗肯循環(huán)，蒸汽過熱會提高系統(tǒng)熱效率，但低溫ORC 系統(tǒng)還需進一步研究。假設系統(tǒng)穩(wěn)定運行、管道以及換熱設備中壓降為0、忽略熱損，通過熱力學分析可得：

其中，We,act和Wp,act為膨脹機和工質(zhì)泵實際輸出功，mwf為質(zhì)量流量，Qev為吸熱量，ηe,is為膨脹機等熵效率，ηg為發(fā)電機機械效率，ηp,is為循環(huán)泵等熵效率，TH和TL分別為平均熱源、冷源溫度，分別為過熱蒸汽在膨脹機進口和出口焓增。

圖1 (a) ORC 系統(tǒng)原理

3 結果與討論

3.1 工質(zhì)過熱對系統(tǒng)熱效率的影響

圖2 所示為三種類型工質(zhì)ORC系統(tǒng)熱效率與膨脹機進口溫度的關系，其中工質(zhì)冷凝溫度35℃，環(huán)境溫度25℃，蒸發(fā)器傳熱節(jié)點溫差10℃，冷凝器傳熱節(jié)點溫差5℃，膨脹機進口溫度即反映了過熱度的影響。隨著工質(zhì)過熱度增大，濕工質(zhì)R152a 的熱效率呈直線上升趨勢，且工質(zhì)壓力越高，上升趨勢越明顯；等熵工質(zhì)R141b 的熱效率基本沒有影響，僅在工質(zhì)壓力足夠高時才有輕微提升；而干工質(zhì)R601a 的熱效率直線下降。

圖2 ORC 系統(tǒng)熱效率與膨脹機進口溫度關系

3.2 工質(zhì)過熱對系統(tǒng)火用效率的影響

圖3 所示為濕工質(zhì)ORC 系統(tǒng)火用效率與膨脹機進口溫度的關系，系統(tǒng)參數(shù)與上述一致?？梢钥闯?，火用效率均隨著工質(zhì)過熱度增大而呈下降趨勢。雖然增大過熱度對濕工質(zhì)的熱效率有一定提高，但并不是太明顯，如R152a 在P4=0.4Mpa 和P4=2.8MPa 時，熱效率隨過熱度增大僅僅分別從4.57%上升到4.90%、 20.28%上升到21.28%，但火用效率則下降了77.9%和12.23%。因此在低溫余熱范圍內(nèi)，濕工質(zhì)ORC 系統(tǒng)熱效率隨著過熱度的提高而緩慢增加，特別是工質(zhì)壓力較高時；等熵工質(zhì)ORC 系統(tǒng)熱效率隨著過熱度的提高而基本保持不變；干工質(zhì)ORC 系統(tǒng)熱效率隨著過熱度的提高而下降；而隨著過熱度的增大，三種工質(zhì)火用效率均明顯下降。從ORC 系統(tǒng)效率角度來說，低溫ORC 系統(tǒng)工質(zhì)不適合進行過熱處理。

圖3 ORC 系統(tǒng)火用效率與膨脹機進口溫度關系

3.3 ORC系統(tǒng)工質(zhì)選擇原則

基于上述結論，工質(zhì)在膨脹機進口應保持飽和狀態(tài)。在相同蒸發(fā)溫度或者膨脹機進口溫度條件下，隨著工質(zhì)臨界點溫度的上升，系統(tǒng)熱效率呈緩慢增高趨勢，但5 種工質(zhì)的熱效率差別不大。因此對于低溫余熱ORC 系統(tǒng)，在相同蒸發(fā)溫度時，工質(zhì)的選擇應主要考慮熱源溫度水平。必須說明的是，并不能認為系統(tǒng)熱效率高的工質(zhì)就一定適合低溫ORC 系統(tǒng)，如水，其熱效率遠高于本文的5 種有機工質(zhì)，但是其輸出功則明顯要小很多。為了分析物性參數(shù)對熱效率的影響，在此定義φ=cp/γ，如圖4 所示，在相同溫度下，工質(zhì)臨界溫度越大，則φ值越小。在相同膨脹機進口溫度下，工質(zhì)φ值越大，系統(tǒng)熱效率越小，即具有較小定壓比熱和較大蒸發(fā)潛熱的工質(zhì)，其熱效率更好。換句話說，在相同膨脹機進口溫度下，采用較小定壓比熱以及較大蒸發(fā)潛熱工質(zhì)的ORC 系統(tǒng)，其熱效率較高。

圖4 不同工質(zhì)液體定壓比熱和潛熱比值與溫度關系

4 結語

本文針對ORC 系統(tǒng)工質(zhì)的選擇，研究工質(zhì)過熱度與理想有機朗肯循環(huán)熱效率以及火用效率、熱效率與膨脹機進口溫度以及工質(zhì)物性參數(shù)與系統(tǒng)熱效率之間的一般規(guī)律，提出低溫ORC系統(tǒng)工質(zhì)的選擇原則。主要結論如下：

（1）對于低溫余熱，濕工質(zhì)系統(tǒng)熱效率隨過熱度提高而緩慢增加，等熵工質(zhì)熱效率隨過熱度提高而基本保持不變，干工質(zhì)熱效率隨過熱度提高而下降。

（2）隨過熱度增大，三種工質(zhì)火用效率均明顯下降，即膨脹機進口蒸汽應該保持飽和狀態(tài)。

（3）膨脹機進口溫度相同，擁有較高臨界點、較小的定壓比熱以及較大蒸發(fā)潛熱的工質(zhì)可以獲得更高的系統(tǒng)熱效率。