寒冷地區(qū)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)運(yùn)行特性

劉 健，甄澤康，趙文可，張亞寧，李炳熙

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

有機(jī)朗肯循環(huán)(organic Rankine cycle，ORC)是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，常被應(yīng)用在中低溫?zé)崮芨咝Ю妙I(lǐng)域.相較于常規(guī)的水蒸氣朗肯循環(huán)，有機(jī)工質(zhì)在膨脹做功時(shí)從高壓到低壓始終保持干燥狀態(tài)，負(fù)荷波動(dòng)能力強(qiáng)，能更有效地適應(yīng)運(yùn)行功率的波動(dòng).并且，有機(jī)工質(zhì)的比容比水蒸氣要小，膨脹機(jī)以及排氣管道的尺寸可以大大減小.在低及中等焓熱的利用方面，ORC系統(tǒng)中泄壓系統(tǒng)、超溫報(bào)警系統(tǒng)及先進(jìn)自控系統(tǒng)的設(shè)置同樣也能為安全運(yùn)行提供更多保障.

工質(zhì)是ORC系統(tǒng)的“血液”，不同的充注工質(zhì)直接影響著ORC運(yùn)行性能，因此有很多學(xué)者采用不同類型的工質(zhì)開展了ORC試驗(yàn)研究.韓國高麗大學(xué)的J.OH等[1]搭建了1 kW的ORC試驗(yàn)系統(tǒng)，充注工質(zhì)R245fa后，對(duì)工質(zhì)的熱力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.臺(tái)北國立科技大學(xué)的LI Y.M.等[2]也對(duì)R245fa工質(zhì)的熱力性能開展了試驗(yàn)相關(guān)研究，得知該工質(zhì)熱力性能優(yōu)異.江蘇大學(xué)的FENG Y.Q.等[3]搭建了3 kW的ORC試驗(yàn)系統(tǒng)，充注了工質(zhì)R123，研究了潤滑油對(duì)膨脹機(jī)性能的影響.目前，國內(nèi)外ORC試驗(yàn)系統(tǒng)中充注的有機(jī)工質(zhì)主要有R245fa、R123等，其中有機(jī)工質(zhì)R245fa因其熱力性能優(yōu)異且穩(wěn)定等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用.

在ORC系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，不同冷熱源條件對(duì)于系統(tǒng)的發(fā)電性能影響也很大，因此很多學(xué)者針對(duì)不同冷熱源條件下的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究[4].廣東工業(yè)大學(xué)的CHEN J.Y.等[5]和ZHENG X.S.等[6]對(duì)130 ℃熱源和30 ℃冷源條件下的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別得到了7.3%和4.8%的熱效率.北京航空航天大學(xué)的LI L.等[7]對(duì)135～166 ℃熱源條件下的ORC系統(tǒng)開展了試驗(yàn)研究.布魯內(nèi)爾大學(xué)的M.USMAN等[8]對(duì)120 ℃熱源溫度下的ORC系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并得到了8.9%的熱效率.目前大多ORC系統(tǒng)的熱源運(yùn)行溫度在80～166 ℃，而冷源的運(yùn)行溫度在20～30 ℃，如表1所示.

表1 ORC試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行工況及性能

應(yīng)用于ORC的大多數(shù)工質(zhì)在常壓下的飽和溫度一般在10～20 ℃，而較高溫度的冷卻水使得系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的冷凝壓力會(huì)高于常壓，這并未完全發(fā)揮出低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)的優(yōu)勢[9].在北方寒冷地區(qū)如哈爾濱，全年平均溫度在0～11 ℃，冷源優(yōu)勢明顯.基于此，筆者在寒冷地區(qū)哈爾濱搭建了ORC試驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)79.0～113.6 ℃熱源和6.4 ℃冷源條件下的運(yùn)行性能進(jìn)行相關(guān)研究.同時(shí)，對(duì)比討論ORC系統(tǒng)在不同地區(qū)(臺(tái)北和哈爾濱)運(yùn)行時(shí)的性能差異，闡述該系統(tǒng)在寒冷地區(qū)運(yùn)行的優(yōu)勢.

1 ORC試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)搭建

圖1為在哈爾濱搭建的ORC試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖.

圖1 ORC試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖

該試驗(yàn)系統(tǒng)由熱源、有機(jī)工質(zhì)和冷源這3個(gè)環(huán)路組成.熱源環(huán)路主要包括熱煤油加熱器、輸油泵以及熱媒油TOTAL SERIOLAK 3120；有機(jī)工質(zhì)環(huán)路主要包括蒸發(fā)器、渦旋式膨脹機(jī)、發(fā)電機(jī)、工質(zhì)泵、冷凝器、儲(chǔ)液罐以及循環(huán)工質(zhì)R245fa；冷源環(huán)路主要包括冷卻水和冷水泵.為了防止未蒸發(fā)的液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)損壞機(jī)組壽命，筆者在膨脹機(jī)的入口處設(shè)置旁通路[10].同時(shí)，在蒸發(fā)器的出口處設(shè)置了2 MPa的自動(dòng)泄壓閥，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供了保障.其中，試驗(yàn)部件參數(shù)以及各流體的種類及物性參數(shù)見表2.

表2 試驗(yàn)部件參數(shù)及各流體的種類及物性參數(shù)

當(dāng)ORC系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，工質(zhì)首先在蒸發(fā)器中被加熱，直到處于過熱蒸汽狀態(tài)后關(guān)閉旁通閥進(jìn)入膨脹機(jī).此時(shí)高溫高壓的工質(zhì)蒸氣驅(qū)動(dòng)渦旋式膨脹機(jī)做功，并通過聯(lián)軸器帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電.膨脹機(jī)做功后的工質(zhì)乏氣進(jìn)入冷凝器中被冷卻水冷卻成過冷液體狀態(tài).之后，過冷液態(tài)工質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)液罐內(nèi)，經(jīng)過工質(zhì)泵的驅(qū)動(dòng)返回到蒸發(fā)器中被加熱，完成整個(gè)循環(huán).為了實(shí)時(shí)地監(jiān)控系統(tǒng)各狀態(tài)點(diǎn)的運(yùn)行特性，分別在機(jī)組各個(gè)部件的進(jìn)出口處安裝了溫度和壓力傳感器.

1.2 ORC熱力過程

圖2為ORC的熱力過程.

圖2 ORC的熱力過程圖

圖2的熱力過程基于熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律以及如下假設(shè)條件：各個(gè)溫度壓力測點(diǎn)的安裝位置十分接近熱力過程中指示的狀態(tài)安裝位置，忽略系統(tǒng)中各管路的溫度、壓力損失等.對(duì)比哈爾濱和臺(tái)北的運(yùn)行工況發(fā)現(xiàn)，在哈爾濱6.4 ℃冷卻水運(yùn)行工況下的冷凝溫度明顯低于臺(tái)北(冷卻水溫度為30.8 ℃).文中ORC系統(tǒng)在臺(tái)北的運(yùn)行數(shù)據(jù)源自廠家的測試數(shù)據(jù)，真實(shí)可靠.另外，文中主要的熱力過程參數(shù)定義如下.蒸發(fā)溫度te和冷凝溫度tc的定義式為

te=(t7+t8)/2,

(1)

tc=(t3+t4)/2.

(2)

軸功Ws[11]和凈輸出功Wnet的定義式為

Ws=(T·n·2π)/60 000,

(3)

Wnet=Ws-Wp,

(4)

功電轉(zhuǎn)換效率ηp,e的定義式為

ηp,e=Ws/Pe,

(5)

式中：T、n、Wp分別表示轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和泵功耗；Pe表示發(fā)電功率，數(shù)據(jù)由電功率表采集.

2 結(jié)果與討論

文中設(shè)置哈爾濱ORC機(jī)組的蒸發(fā)溫度分別為65.3、72.1、78.0、81.3、86.7 ℃，其對(duì)應(yīng)的工質(zhì)流量分別為0.023、0.047、0.081、0.057、0.067 kg·s-1.

2.1 冷凝溫度

圖3是ORC系統(tǒng)在哈爾濱和臺(tái)北(冷卻水溫度分別為6.4、30.8 ℃)運(yùn)行工況下，其冷凝溫度隨蒸發(fā)溫度的變化情況.

圖3 ORC系統(tǒng)冷凝溫度隨蒸發(fā)溫度的變化

由圖3可見，在哈爾濱6.4 ℃冷卻水運(yùn)行條件下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從65.3 ℃提升到86.7 ℃時(shí)，冷凝溫度從13.0 ℃升高到了21.0 ℃;而在臺(tái)北30.8 ℃冷卻水運(yùn)行條件下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從66.1 ℃升高到86.8 ℃時(shí)，冷凝溫度從32.1 ℃升高到了36.1 ℃.相比較臺(tái)北30.8 ℃冷卻水運(yùn)行條件，在哈爾濱ORC運(yùn)行冷凝溫度最低為13.1 ℃，遠(yuǎn)低于臺(tái)北運(yùn)行冷凝溫度.由熱力學(xué)第一定律可得熱效率會(huì)隨著冷凝溫度的降低而升高.

2.2 凈輸出功

圖4為ORC系統(tǒng)在哈爾濱和臺(tái)北(冷卻水溫度分別為6.4、30.8 ℃)運(yùn)行工況下，其凈輸出功隨蒸發(fā)溫度的變化情況.

圖4 ORC系統(tǒng)凈輸出功隨蒸發(fā)溫度的變化

由圖4可見，在哈爾濱6.4 ℃冷卻水運(yùn)行條件下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從65.3 ℃提升到86.7 ℃時(shí)，凈輸出功從0.31 kW升高到了1.65 kW；而在臺(tái)北30.8 ℃冷卻水運(yùn)行條件下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從66.1 ℃升高到86.8 ℃時(shí)，凈輸出功從0.24 kW升高到1.30 kW.該系統(tǒng)在哈爾濱運(yùn)行的凈輸出功始終高于臺(tái)北，當(dāng)蒸發(fā)溫度為65.0 ℃時(shí)，凈輸出功相差最??；而在蒸發(fā)溫度為78.0 ℃時(shí)，凈輸出功相差最大.相比臺(tái)北，在哈爾濱ORC系統(tǒng)運(yùn)行的最高凈輸出功為1.65 kW，這比臺(tái)北運(yùn)行的最大凈輸出功(1.30 kW)高了0.35 kW(26.9%).由式(3)和(4)可知，凈輸出功與膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速以及工質(zhì)泵的功耗有關(guān).隨著蒸發(fā)溫度的增加，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩增加，因此軸功和凈輸出功增加.

2.3 發(fā)電量

圖5為ORC系統(tǒng)在哈爾濱和臺(tái)北(冷卻水溫度分別為6.4、30.8 ℃)運(yùn)行工況下，其發(fā)電量隨蒸發(fā)溫度的變化情況.

圖5 ORC系統(tǒng)發(fā)電量隨蒸發(fā)溫度的變化

由圖5可見，在哈爾濱6.4 ℃冷卻水運(yùn)行條件下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從65.3 ℃提升到86.7 ℃時(shí)，發(fā)電量從0.49 kW升高到1.44 kW；而在臺(tái)北30.8 ℃冷卻水運(yùn)行條件下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從66.1 ℃升高到86.8 ℃時(shí)，發(fā)電量從0.25 kW升高到1.10 kW.同樣，該系統(tǒng)在哈爾濱運(yùn)行的發(fā)電量始終高于臺(tái)北，當(dāng)蒸發(fā)溫度為65.0 ℃時(shí)，發(fā)電量相差最?。欢谡舭l(fā)溫度為78.0 ℃時(shí)，發(fā)電量相差最大.相比臺(tái)北，在哈爾濱ORC系統(tǒng)運(yùn)行的最高發(fā)電量為1.44 kW，這比臺(tái)北運(yùn)行的最大發(fā)電量(1.10 kW)高了0.34 kW(30.9%).

2.4 功電轉(zhuǎn)化效率

圖6為ORC系統(tǒng)在哈爾濱和臺(tái)北(冷卻水溫度分別為6.4、30.8 ℃)運(yùn)行工況下，其功電轉(zhuǎn)化效率隨蒸發(fā)溫度的變化情況.

圖6 ORC系統(tǒng)功電轉(zhuǎn)換效率隨蒸發(fā)溫度的變化

由圖6可見，在哈爾濱6.4 ℃冷卻水運(yùn)行條件下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從65.3 ℃提升到86.7 ℃時(shí)，ORC的功電轉(zhuǎn)化效率從62.4%升高到70.9%；而在臺(tái)北30.8 ℃冷卻水運(yùn)行條件下，當(dāng)蒸發(fā)溫度從66.1 ℃升高到86.8 ℃時(shí)，功電轉(zhuǎn)化效率先從53.1%升高到70.8%后下降到68.3%.當(dāng)蒸發(fā)溫度為82.0 ℃時(shí)，在哈爾濱ORC的功電轉(zhuǎn)化效率略低于臺(tái)北運(yùn)行效率；而在其他蒸發(fā)溫度下，前者的功電轉(zhuǎn)化效率均高于臺(tái)北.其中，在蒸發(fā)溫度為86.0 ℃左右時(shí)，在哈爾濱ORC的功電轉(zhuǎn)化效率最大為70.9%，這比臺(tái)北的運(yùn)行效率(68.3%)高了3.8%.

3 結(jié) 論

1)在哈爾濱6.4 ℃冷卻水條件下，ORC冷凝溫度可低至13.1 ℃，較臺(tái)北30.8 ℃冷卻水條件下系統(tǒng)的冷凝溫度低了19.0 ℃.

2)當(dāng)ORC系統(tǒng)在相同的蒸發(fā)溫度條件下運(yùn)行時(shí)，哈爾濱6.4 ℃冷卻水條件下系統(tǒng)的最大發(fā)電量為1.44 kW，較臺(tái)北30.8 ℃冷卻水條件下的發(fā)電量高了0.34 kW(30.9%).

3)寒冷地區(qū)較低溫度的冷卻水降低了ORC系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的冷凝溫度，進(jìn)而提升了系統(tǒng)的做功及發(fā)電性能.