有机朗肯循环的发电系统的实验研究

江 龙 Ecichard A. Groll

(1 上海交通大学制冷与低温工程研究所 上海 200240；2 Purdue University, Westlafayette India, 47906)

有机朗肯循环地热发电是地热能利用的一种有效形式。它采用低沸点有机工质实现朗肯循环发电。由于采用低沸点工质，可以充分利用较低温度的地热流体实现发电，不需要消耗其他的化石燃料，减小对环境的污染，因而受到人们的关注。 很多研究人员通过理论分析与EES软件模拟，对于中低温地热有机朗肯循环发电系统进行了研究。根据工程热力学和传热学基本原理，分析了发电系统的基本运行原理，并且提出了确定基本有机朗肯循环系统循环参数(包括蒸发温度，冷凝温度；地热流体的质量流量，温度；外界环境温度)的方法。 在基本有机朗肯循环的发电系统方式下，采用最佳循环参数，根据不同的地热流体温度(60～150℃)，选择出最佳且环保的循环有机工质，为实际电站的设计提供了依据。 从 分析和能分析角度对亚临界饱和蒸气循环和亚临界过热蒸汽循环做详细的对比分析，最终确定亚临界饱和蒸气循环要优于亚临界过热蒸汽循环，并且在此基础上分析了双级双工质有机朗肯循环。根据一级，二级系统不同的地热流体入口温度选择合适的工质，并且考察系统的适用性，给出合理的设计方案。

1 有机朗肯循环及理论分析

图1 有机朗肯循环原理图Fig.1 Organic Rankine cycle schematic

图1给出了基于原始的朗肯循环所设计的有机朗肯循环的原理图。系统主要包括两个换热器和一个压缩机，一个膨胀机，其中位于加热循环侧的换热器用作加热锅炉，为膨胀机提供蒸汽。热蒸汽在膨胀机中膨胀并将热能转化为功，提供电量输出，然后在冷凝器中冷凝成液体。最后经水泵压缩后再进入到加热锅炉，完成一个循环。

图2是图1中循环系统的热工图，系统的工作过程包括以下几个部分：1)1-2：降焓降温的过程，与等熵过程1-2s相比，存在做功能力损失；2)2-3：降温降焓过程；3) 3-4：升温焓升过程；4)4-1：升温增焓过程。

图2 有机朗肯循环T-s 图Fig.2 Organic Rankine cycle T-s diagram

图3 实验系统设计图Fig.3 Experimental system design

有机朗肯循环系统实际工作的原理如图3所示。循环回路由液体泵、膨胀机、加热锅炉、冷凝器、回收器，温度压力和流量传感器组成。通过各个部件的管路连接形成内循环系统。在这个系统中，最重要的部件是涡旋式压缩机。在此系统中，涡旋式压缩机实际上被逆向用作一个膨胀机。当高压的工质进入膨胀机后，会推动轮轴从而发电。涡旋式压缩机是一种在空调系统中广泛使用的压缩机。换热器的作用是将来自地热循环的热量传递给工质进行相变换热。地热循环将通过换热器的高温侧高压蒸汽加热到200℃左右，而低温侧水温处于4.5～15℃。为了使工质以一定的流速通过，系统采用液压隔离泵来实现这一过程。此泵有60%左右的效率并且拥有广泛的应用。一个收集器与泵相连接用来确保进入膨胀机的只有汽相而非两相混合物。

2 数学建模

2.1 数学模型以及输入条件

为了评价该实验系统的工作性能，采用表1的参数值对图1所示系统进行了仿真，其中a、b、h、c分别代表了图1中各个点所测的温度和压力值，水循环的温度和压力如表2所示。制冷剂R134a的流量及冷热水流量分别为 0.0907kg/s、 0.1169kg/s、0.3982kg/s。

表1 R134a循环的各个点的温度和压力值Tab.1 Temperature and pressure of each point in R134a cycle

表2 水循环的理论温度输入值Tab.2 Theoretical temperature input value of water cycle

针对图2的热力过程，仿真中的各个过程的数学模型分别为：

式中：η1是系统卡诺效率；η2是膨胀机效率；w是流动功； η3是理论效率；η4是泵效率；m是质量流量。

2.2 模拟仿真结果

采用EES软件对上述模型进行计算，结果如表3及表4所示。

表3 理论效率以及理论功和热Tab.3 Theoretical ef fi ciency and theoretical power and heat

表4 理论热力学参数值Tab.4 Theoretical thermodynamic parameters

3 实验系统的建立与性能测试

图4 实际的实验系统图Fig.4 Actual experimental system

建立的实验系统如图4所示。实验结果见图5～7。通过图5可以看出，大约500s后，系统开始进入稳定的发电状态，在运行3min时产生较大压差，约425kPa。在稳定的实验区域之外，计算的实际的净发电量是不准确的，然而一旦实验的状态完全稳定以后，通过图6可以看出，可以得到大概1kW的电能输出量。图7为实际实验的系统循环图，与理想的循环过程曲线对比可以看出，为了有效的提高实验系统的整体表现，在热蒸汽端的温度应该要降低，这样才可以在T-s图上的曲线过热部分的差值增大，这样经过膨胀机压降变大，提高系统的效率。

经过实验测试，第一实验净功为1.2kW，相应的循环效率为8%。第二次实验的净功值为1kW，相应的循环效率为5%。卡诺效率为23%。

图5 R134a循环中的压差变化曲线Fig.5 Cycle pressure curve

图6 净功输出Fig.6 Output of power

将实验结果与表3的仿真结果进行对比，可以知道，实验结果的理论效率为仿真中所得到的理论效率的一半。主要是因为仿真过程中，忽略了换热损失，所以得到较高的理论值。实验系统中由于系统设计尺寸较小，金属热容相对于功的转换量来说较大，所以热量损失所占的比重也较大。如果系统在实际应用中扩大尺寸，热量损失相对于功的转换来说将会有效地减小，效率会得到有效地提升并接近理论效率的最大值。

图7 稳态过程中的实验温熵图Fig.7 Steady-state testing T-s diagram

4 总结

1)通过理论计算结果和实验数据的比较，系统在工质R134a的运行下，可以达到8%的发电效率，实验的初始有一些波动，然后发电过程趋向平稳，系统的过热度还需要调整，使系统效率有所提高。

2)当膨胀机进口的状态为饱和或者过热时，系统的热效率与发电量都会随着进口压力的增加而增加。

3)系统压力较低的时候，系统的不可逆程度较大，系统效率会有较大损失。

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