基于有機(jī)朗肯循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)

梁 鈺，徐東海，白 玉

(1.西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院熱流科學(xué)與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049；2.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018)

能源的高效利用在世界各國(guó)發(fā)展中具有重要的地位.我國(guó)工業(yè)余熱資源豐富，約占燃燒消耗總量的17%～67%，可回收率達(dá)60%[1].對(duì)中低溫工業(yè)余熱資源進(jìn)行回收發(fā)電可大大提高能源利用率.有機(jī)朗肯循環(huán)(ORC)與傳統(tǒng)蒸汽循環(huán)相比更適合低溫?zé)嵩?，被廣泛認(rèn)為是一種有效的低溫余熱發(fā)電技術(shù)[2].

Eyerer S提出一種有機(jī)朗肯循環(huán)-熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和控制策略，并證明系統(tǒng)在發(fā)電和產(chǎn)熱方面非常靈活[3].循環(huán)工質(zhì)和系統(tǒng)參數(shù)對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)熱效率至關(guān)重要.Matthew O和Kolasinski P都對(duì)不同情況下的最佳工質(zhì)選擇進(jìn)行了研究[4-5]，Goyal A等則選擇優(yōu)化有機(jī)朗肯循環(huán)各項(xiàng)參數(shù)[6-7].國(guó)內(nèi)許多高校與企業(yè)也針對(duì)循環(huán)參數(shù)展開了研究，如北京工業(yè)大學(xué)研究了環(huán)境溫度、冷凝溫度和冷凝器工質(zhì)側(cè)壓降因素對(duì)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響[8]、重慶理工大學(xué)將有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電用于內(nèi)燃機(jī)煙氣余熱回收，并進(jìn)行工質(zhì)選擇及參數(shù)匹配[9]、河北大學(xué)選擇參數(shù)以達(dá)到系統(tǒng)的最佳經(jīng)濟(jì)性工況[10]，此外其他機(jī)構(gòu)也致力于通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬優(yōu)化有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)[11-12].

但大部分研究與應(yīng)用中，有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)際發(fā)電系統(tǒng)效率低于實(shí)驗(yàn)值，運(yùn)行范圍窄，成本高.本文針對(duì)中低溫的工業(yè)余熱，選擇工質(zhì)進(jìn)行余熱發(fā)電，提出兩級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)熱電聯(lián)供模式及其調(diào)控方法，提升系統(tǒng)的余熱利用率與應(yīng)用范圍.

1 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱力學(xué)分析

有機(jī)朗肯循環(huán)是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán).根據(jù)循環(huán)蒸發(fā)壓力及冷凝壓力與工質(zhì)臨界壓力的相對(duì)大小，可將有機(jī)朗肯循環(huán)分為亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)、超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)和跨臨界有機(jī)朗肯循環(huán)，如圖1所示.由于跨臨界有機(jī)朗肯循環(huán)蒸發(fā)壓力高于工質(zhì)臨界壓力、超臨界有機(jī)朗肯循環(huán)蒸發(fā)壓力和冷凝壓力都高于工質(zhì)臨界壓力，所以對(duì)系統(tǒng)換熱器、膨脹機(jī)及管道的要求更高，設(shè)備成本較高[13].因此，亞臨界有機(jī)朗肯循環(huán)使用更為廣泛.

圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)類型圖2 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)基本組成示意圖

圖3 有機(jī)朗肯循環(huán)T-S圖

基本ORC系統(tǒng)主要由蒸發(fā)器、膨脹機(jī)、冷凝器和工質(zhì)泵組成，如圖2所示.在蒸發(fā)器(2～3)中，工質(zhì)進(jìn)行等壓加熱，熱源的熱量傳至工質(zhì)；蒸發(fā)后的過(guò)熱工質(zhì)蒸氣進(jìn)入膨脹機(jī)(3～4)，進(jìn)行絕熱膨脹并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電；膨脹后的工質(zhì)進(jìn)入冷凝器(4～1)進(jìn)行等壓放熱，將熱量傳遞給冷卻水；最后工質(zhì)再通過(guò)工質(zhì)泵(1～2)絕熱壓縮后回到蒸發(fā)器.

ORC系統(tǒng)T-S如圖3所示，各過(guò)程熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算如下：

蒸發(fā)過(guò)程中工質(zhì)吸收熱量

Φ2-3=q(h3-h2)=Φ5-6=qm(h5-h6)，

(1)

公式中：Φ2-3為蒸發(fā)器中工質(zhì)吸收的熱量；Φ5-6為蒸發(fā)器中熱源放出的熱量；qm為熱源質(zhì)量流量；h5、h6分別為熱源經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器 前后的焓值；q為工質(zhì)的質(zhì)量流量；h2、h3分別為蒸發(fā)器入口和蒸發(fā)器出口處工質(zhì)的焓值.

實(shí)際膨脹過(guò)程中，工質(zhì)無(wú)法絕熱膨脹，設(shè)實(shí)際膨脹過(guò)程的熱效率為ηe，工質(zhì)所作實(shí)際功

We=He×q=(Hes×ηe)×q=(h3-h4s)×ηe×q，

(2)

公式中：We為工質(zhì)所作實(shí)際功；Hes為工質(zhì)絕熱膨脹焓降；H4s為工質(zhì)在絕熱膨脹做功后的焓值；He為工質(zhì)實(shí)際焓降.

同樣，冷凝過(guò)程中工質(zhì)放出熱量

Φ4-1=q(h4-h1)，

(3)

公式中：Φ4-1為冷凝器中工質(zhì)放出的熱量；h1為在冷凝器出口處工質(zhì)的焓值.

壓縮過(guò)程中，設(shè)實(shí)際膨脹過(guò)程的熱效率為ηp，冷凝過(guò)程中工質(zhì)放出熱量

Wp=(h1-h2s)×ηp×q，

(5)

公式中：Wp為工質(zhì)所作實(shí)際功；h1s為工質(zhì)在絕熱膨脹做功后的焓值.

理論循環(huán)熱效率

(5)

實(shí)際循環(huán)熱效率

(6)

由公式(6)可知，系統(tǒng)實(shí)際循環(huán)熱效率由h1、h2、h3、h4決定，而工質(zhì)在不同熱力過(guò)程中的焓值h1、h2、h3、h4由工質(zhì)的物性參數(shù)、系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過(guò)冷度、過(guò)熱度等決定，所以工質(zhì)的選擇和系統(tǒng)重要參數(shù)的設(shè)定直接影響有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的熱效率.工質(zhì)參數(shù)的重要影響主要包括：隨著蒸發(fā)溫度的升高，膨脹機(jī)的輸出功率、系統(tǒng)熱效率有較大的增幅，系統(tǒng)性能明顯提高；降低冷凝溫度，可以提高壓縮機(jī)的制冷量，減少功率消耗，從而提高制冷系數(shù)，提高運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；過(guò)冷度增大，工質(zhì)經(jīng)泵增壓后進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)的溫度低，蒸發(fā)器吸熱量增大，而膨脹機(jī)輸出功率降低，熱效率降低；過(guò)熱度的提高不僅系統(tǒng)性能改善不明顯，反而對(duì)設(shè)備的性能提出更高的要求.

此外，膨脹機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全絕熱膨脹，其等熵效率也會(huì)影響ORC系統(tǒng)的性能.系統(tǒng)的熱效率和效率均隨膨脹機(jī)等熵效率的增大而升高.膨脹機(jī)等熵效率由膨脹機(jī)的性能決定，一般約為60%～85%.

2 有機(jī)朗肯循環(huán)工質(zhì)選擇

循環(huán)工質(zhì)是影響ORC系統(tǒng)性能的重要因素之一，選用不同的有機(jī)工質(zhì)時(shí)，ORC系統(tǒng)的性能有很大差異.工質(zhì)的選擇應(yīng)該在無(wú)毒、不易燃、不易爆、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、環(huán)保的基本前提下，選擇物化性質(zhì)有利于提高ORC系統(tǒng)熱能利用效率的工質(zhì)[14].常用的工質(zhì)包括：(1)R22、R123、R141b等含氫氯氟烴類物質(zhì)，這類工質(zhì)對(duì)臭氧具有破環(huán)性，不建議使用；(2)R227ea、R236ea、R245ca和R245fa等不含氯原子的氫氟烴類物質(zhì)；(3)R600、R600a、R601、R601a等烷類工質(zhì)，熱力性能、環(huán)保性能較好，但易燃易爆.相對(duì)而言，不含氯原子的氫氟烴類工質(zhì)和烷類工質(zhì)環(huán)保性相對(duì)較好，是未來(lái)有機(jī)工質(zhì)的發(fā)展趨勢(shì)[13].工質(zhì)選擇具體考慮如下因素：

(1)等熵工質(zhì)或干工質(zhì)，如圖4所示.根據(jù)工質(zhì)T-S圖中飽和蒸汽線的不同，工質(zhì)被分為干工質(zhì)、等熵工質(zhì)和濕工質(zhì)三種類型.在工質(zhì)絕熱膨脹過(guò)程中，如果工質(zhì)過(guò)熱度較低，濕工質(zhì)的絕熱膨脹過(guò)程會(huì)穿過(guò)氣相、液相區(qū)，即會(huì)產(chǎn)生液滴，對(duì)葉片造成打擊和磨損[15].因此，通常選用等熵工質(zhì)或干工質(zhì)作為有機(jī)朗肯循環(huán)的工質(zhì).

(2)沸點(diǎn)、臨界溫度、臨界壓力.系統(tǒng)蒸發(fā)溫度和冷凝溫度會(huì)影響系統(tǒng)效率，所以工質(zhì)的沸點(diǎn)必須充分考慮.工質(zhì)的臨界溫度與臨界壓力會(huì)直接影響系統(tǒng)的循環(huán)類型和運(yùn)行參數(shù)，選擇合適的臨界參數(shù)能在實(shí)現(xiàn)高循環(huán)熱效率的情況下最大程度地降低對(duì)設(shè)備的要求和損害.

(3)工質(zhì)的臭氧消耗潛值、全球變暖潛能值、毒性與可燃性.臭氧消耗潛值是一種物質(zhì)破壞臭氧層的一個(gè)指數(shù).全球變暖潛能值是一種物質(zhì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)的一個(gè)指數(shù).工質(zhì)的環(huán)保性主要體現(xiàn)在這兩個(gè)參數(shù)上.工質(zhì)的毒性與可燃性與設(shè)備和操作的安全性息息相關(guān)，為防止工質(zhì)泄露在工作環(huán)境中對(duì)工作人員造成傷害，應(yīng)選取低毒性、低可燃性的工質(zhì).

(4)工質(zhì)的比熱、汽化潛熱、導(dǎo)熱系數(shù)、粘度.

圖4 不同工質(zhì)的T-S圖

工質(zhì)的熱物理性質(zhì)會(huì)在不同程度上影響系統(tǒng)的循環(huán)效率和運(yùn)行成本.如選用比熱小的工質(zhì)，可適當(dāng)?shù)販p小冷凝器的換熱負(fù)荷，這將有助于減少冷凝器換熱面積和投資費(fèi)用；使用氣化潛熱大的工質(zhì)可提高余熱回收效率；工質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)越大，需要換熱面積越小，設(shè)備的造價(jià)會(huì)越低；粘度小的工質(zhì)，管路損失小，而且不容易堵塞一些細(xì)小部件.

工質(zhì)的干濕性、沸點(diǎn)、臨界參數(shù)、環(huán)保性需要在初選參數(shù)時(shí)格局系統(tǒng)的參數(shù)范圍選擇，常用R123、R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601和R601a等工質(zhì)的相關(guān)物性參數(shù)如表1所示[13，16].

表1 備選工質(zhì)的物性參數(shù)

表1工質(zhì)中，環(huán)保性與安全性更為優(yōu)異的工質(zhì)有R236ea、R245fa.其中R245fa被驗(yàn)證性能較好，可用于現(xiàn)有R123機(jī)組，這將有利于蒙特利爾協(xié)議將R123淘汰后新工質(zhì)的廣泛應(yīng)用.本系統(tǒng)選用R245fa作為有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì).

3 熱電聯(lián)供系統(tǒng)方案

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在低溫?zé)嵩聪聼嵫h(huán)效率較高，但系統(tǒng)自我調(diào)節(jié)性相對(duì)較差，對(duì)熱源穩(wěn)定性要求較高.余熱溫度和流量的變化可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能出現(xiàn)發(fā)電效率過(guò)低或系統(tǒng)設(shè)備故障等問(wèn)題；中高溫?zé)嵩聪孪鄬?duì)于蒸汽朗肯循環(huán)效率優(yōu)勢(shì)不明顯，甚至低于蒸汽朗肯循環(huán).本文提出一種兩級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)的熱電聯(lián)供系統(tǒng).一方面以優(yōu)先供電的方式穩(wěn)定有機(jī)朗肯循環(huán)的熱源，同時(shí)在中溫?zé)嵩聪绿岣呦到y(tǒng)的溫度應(yīng)用范圍.

1.熱源分配及控制系統(tǒng)；2.供熱系統(tǒng)；3.一級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)；4.二級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)圖5 熱電聯(lián)供系統(tǒng)示意圖

本系統(tǒng)包括4個(gè)子系統(tǒng)：熱源分配及控制系統(tǒng)、供熱系統(tǒng)、一級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和二級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，如圖5所示.熱源通過(guò)熱源分配及控制系統(tǒng)進(jìn)行分配，優(yōu)先將穩(wěn)定足量的熱源輸入一級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，剩余熱源進(jìn)入供熱系統(tǒng)供熱.從一級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)中輸出的熱源再進(jìn)入二級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)補(bǔ)充發(fā)電.

系統(tǒng)的熱電聯(lián)供是由熱源分配及控制系統(tǒng)通過(guò)分配熱源實(shí)現(xiàn)的.它由兩個(gè)熱源分配電磁閥、控制計(jì)算機(jī)、兩個(gè)溫度傳感器、流量計(jì)組成.溫度傳感器1和流量計(jì)探測(cè)熱源溫度、流量，溫度傳感器2探測(cè)一級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)出口溫度.控制計(jì)算機(jī)接受溫度傳感器反饋的溫度和流量，根據(jù)供電需求控制分配電磁閥工作，分配進(jìn)入供熱系統(tǒng)和一級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的熱源流量.熱源分配及控制系統(tǒng)的分配與控制策略為優(yōu)先提供穩(wěn)定發(fā)電量，熱源主要流入一級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電，剩余熱源進(jìn)入供熱系統(tǒng).

在不同溫度熱源情況下，為保護(hù)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工作安全，并提高余熱回收利用系統(tǒng)的效率，加入二級(jí)有機(jī)朗肯進(jìn)行補(bǔ)充發(fā)電.當(dāng)熱源溫度較低(≤300 ℃)時(shí)，供熱系統(tǒng)與一級(jí)有機(jī)朗肯 循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)回收熱源的大部分能量，這時(shí)換熱后的熱源溫度較低，剩余熱量難以利用，二級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)關(guān)閉.當(dāng)熱源溫度較高(300 ℃～600 ℃)時(shí)，從供熱系統(tǒng)與一級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)出來(lái)的熱源溫度較高，剩余熱量可通過(guò)二級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)補(bǔ)充發(fā)電.

本系統(tǒng)方案擬用于某天燃?xì)馓幚韽S天然氣燃驅(qū)壓縮機(jī)的煙氣余熱回收，可根據(jù)熱源的變化，選擇一級(jí)或兩級(jí)回收利用.其中一級(jí)換熱得到穩(wěn)定發(fā)電量，同時(shí)還可以可根據(jù)供電需求變化，以電定熱優(yōu)先滿足電負(fù)荷.通過(guò)熱源分配及控制系統(tǒng)優(yōu)先滿足供熱系統(tǒng)的電負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的熱電聯(lián)供比例.在中溫?zé)嵩聪?，剩余熱量再通過(guò)二級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)更高效的余熱回收利用.通過(guò)對(duì)比計(jì)算，兩級(jí)熱電聯(lián)供系統(tǒng)相對(duì)于單一有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)在能量回收方面具有優(yōu)勢(shì)，后續(xù)將進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證.

4 結(jié) 論

本文針對(duì)含有有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，討論了影響其熱效率的工質(zhì)選用與關(guān)鍵參數(shù)，提出了一種熱電聯(lián)供方案，提高系統(tǒng)余熱回收性能.

(1)有機(jī)朗肯循環(huán)熱效率主要取決于循環(huán)參數(shù)和工質(zhì)物化特性.蒸發(fā)溫度(壓力)和膨脹機(jī)等熵效率的提高有利于提高系統(tǒng)熱效率；降低冷凝溫度和過(guò)冷度也可以改善熱效率，但需要綜合考慮設(shè)備和經(jīng)濟(jì)性；提高過(guò)熱度既無(wú)法改善系統(tǒng)性能，還易損壞設(shè)備.

(2)工質(zhì)應(yīng)選擇安全、環(huán)保且有利于提高系統(tǒng)效率的工質(zhì)，R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601、R601a等不含氯原子的氫氟烴類工質(zhì)和烷類工質(zhì)性能相對(duì)較好.

(3)提出了兩級(jí)有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電的熱電聯(lián)供系統(tǒng)及其調(diào)控方式，擴(kuò)大應(yīng)用范圍的同時(shí)提高了余熱的回收利用率，后續(xù)將進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證.