低质热源有机朗肯循环效率特性研究

王为术,闫 广, ,彭 岩 ,时小宝, 刘怀亮

(1.华北水利水电大学 热能工程研究中心,河南 郑州 450011;2.中信重工机械股份有限公司,河南 洛阳 471039;3.河北华热工程设计有限公司,河北 石家庄 050000)

有机工质朗肯循环在低质热源高效利用中有广阔的应用前景。水的沸点高,水工质朗肯循环难以实现温度200℃以下的余热发电,采用低沸点有机工质朗肯循环可以极大的扩展余热发电的资源。基于低沸点有机朗肯循环的特点,可用于海洋能源、太阳能、地热能等新能源高效利用。对于低温余热发电,采用低沸点有机物作为朗肯循环工质比采用水作为工质有更高的循环效率。有机工质热力特性复杂,对循环效率有显著影响。

在有机朗肯循环动力系统中,对有机工质蒸汽是否过热存在较大争议,Bo-Tau[1]、Bahaa[2]、Ronald[3]和王华[4]等主张采用干流体作为循环工质,热力系统取消过热器,其理由是干流体在汽轮机末端不发生液化,对末级叶片几乎无危害。而朱江[5]则认为过热可以提高循环效率,提议增设排汽回热器。目前投入运行的有机朗肯循环机组大部分采用了过热器,其过热度高,甚至超过了100℃[6]。

为进一步掌握有机朗肯循环效率的影响规律,笔者选择了 R600a[7]、R601a[8]、R245fa[9]和甲苯[10]等典型余热回收工质,对其朗肯循环效率特性进行研究,研究结果可为有机朗肯循环的设计、运行提供参考。

1 有机朗肯循环热力系统模型的建立

典型的有机朗肯循环模型如图 1所示,有机工质贮存在储液罐中,经升压泵升压后依次通过预热器、蒸发器和过热器,达到额定参数后进入汽轮机膨胀做功,汽机排汽进入冷凝器冷凝成液态后返回储液罐完成循环。

图1 有机朗肯循环模型Fig.1 ORC model

对于一个确定的余热载体及其热力循环流体,蒸发器的蒸发量存在极限蒸发值,即蒸发器端差为0时的理论蒸发量。在一个原有的有机朗肯循环设备上增设排汽回热装置,可提高进入预热器的工质温度并减少预热器中的传热温差。但是受极限蒸发量的限制,余热载体的最终排放温度很高,增设回热器并无必要,所以图1中的热力系统并没有增加回热器。

研究采用方程求解器(Engineering Equation Solver,EES)求解热力循环的性能参数,EES内置了研究范围内流体的物性。EES中的物性参数采用NIST-Refprop进行校验,所选有机质涵盖直链烷烃、烷烃同分异构体、烷基苯和氟代烷四类。选择循环吸热量、等熵焓降和循环热效率三个参数对有机朗肯循环的效率特性进行研究。

2 有机介质热力温-熵图及工质变参数范围

余热流初始焓值、蒸发器出口焓值、预热器出口焓值分别为h1.air、h2.air、h3.air,工质初始状态为冷凝压力Pcond下过冷温度Δtn的液态,焓值为hsup,主蒸汽压力为Pm,st,主蒸汽压力下工质饱和温度为Tsat,饱和液态焓与饱和蒸汽焓分别为hsat,l、hsat,g,主蒸汽熵为Ssat,g,等熵焓降排汽焓为hds。变量参数选择Pm,st、蒸汽过热度Δt和冷凝压力Pcond。图2给出了有机朗肯循环温熵图,据此按等熵法计算效率。

四种工质的选取范围如表1所示。

图2 热力循环温熵图Fig.2 The temperature-entropy diagram for thermodynamic cycle

表1 工质参数选取范围Tab.1 The range of working medium parameters

3 循环效率的计算方法

在有机朗肯循环效率的计算过程中将汽轮机的效率定为 1,则循环效率为等熵焓降hed与循环吸热量hah的比值,其计算式为:

3.1 饱和蒸汽循环计算方程的建立

选取空气模拟烧结冷却机废气作为余热载体,质量流量取mc.air=1kg/s。采用饱和蒸汽循环模型,所以(1)中hmst=hsat,g,分别对蒸发器、预热器取下端差,建立两组方程判断热力循环是否成立并计算循环效率:

吸热量法计算方程为:

判断循环成立的条件是蒸发器出口的烟气温度与蒸发温度的差值大于所取蒸发器端差,即:

蒸发器端差法计算方程只有循环流量计算式与吸热量法不同:

工质循环流量:

判断循环成立的条件是预热器出口的烟气温度与工质初始温度的差值大于换热器端差,即:

以上两种计算方程组对于某一工况必有一方程组成立。

3.2 过热蒸汽循环计算方程的建立

朱江[5]认为蒸汽适当过热可以提高有机朗肯循环效率,但并未指出有机朗肯循环最佳过热度的相关计算方法,因此笔者建立过热蒸汽循环模型并计算有机朗肯循环的最佳蒸汽过热度及相关规律。

选择等熵焓降模型,主蒸汽压力、主蒸汽温度、焓值、熵分别为: Pms,s、tms,s、hms,s、sms,s,排汽压力为冷凝压力Pcond。将Pms,s、tms,s定为变参数,则过热蒸汽循环效率计算式为:

采用EES可计算出循环效率随过热度的变化曲线。

4 计算结果及分析

4.1 主蒸汽压力对循环效率、余热回收效率的影响

选取 150℃空气作为余热载体,计算 R600a、R245fa的热力循环,循环效率与余热回收效率的计算结果如图3所示。

图3 R600a、R245fa的循环效率、余热回收效率与蒸发压力Fig.3 The cycle efficiency and thermal recovery efficiency with evaporating pressure to R600a and R245fa

由图3可知,R600a与R245fa的饱和蒸汽循环效率随着蒸发压力的增大而增大,但随着循环参数的提高其余热回收效率随蒸发压力升高先升高后下降,原因是工质流量逐渐减小,故存在最佳蒸发压力使余热的回收效率达到最大。

选择 300℃空气-甲苯、200℃空气-R601a,可以得到相似的结果,如图4所示。

图4 甲苯与R601a的循环效率、余热回收效率与蒸发压力Fig.4 The cycle efficiency and thermal recovery efficiency with evaporating pressure to Toluene and R601a

4.2 蒸汽过热对循环效率的影响

图5为R601a循环效率与主蒸汽温度的计算结果。

图5 R601a的循环效率与主蒸汽温度Fig.5 The cycle efficiency with main steam temperature of R601a

由图 5可知,在选定的循环下,存在过热度Δt ′=12℃使循环效率达到最高,称为最佳过热度。当 Pms,s=2112.3kPa (饱和温度为 168℃)时Δt ′=7℃;Pms,s=1779.7 kPa(Tsat=158℃)时则计算结果如图 6所示。

图6 R601a的循环效率与主蒸汽温度Fig.6 The cycle efficiency with main steam temperature of R601a

由计算可知,随着主蒸汽压力降低,循环效率呈下降趋势,且最佳过热度Δt′逐渐减小,当Pms,s=1779.7kPa时最佳过热度Δt′=0℃。

计算R600a、R601a、R245fa和甲苯的过热蒸汽循环,可得到最佳过热度Δt′ 随主蒸汽压力和排汽压力的变化规律,如图7所示。

由图 7可知,循环效率最高对应的最佳过热度随主蒸汽压力升高而增大,不同工质其变化幅度不同,最为敏感的是R601a,甲苯的变化最不敏感。计算中,R601a的排汽压力为200.57kPa,R600a的排汽压力为404.72 kPa,R245fa的排汽压力为177.79 kPa,甲苯的排汽压力为3.8 kPa。

图7 四种工质的最佳过热度与主蒸汽压力Fig.7 The best overheating temperature with main steam pressure of four working media

对R600a、R601a、R245fa和甲苯四种有机朗肯循环进行计算,取Δt′=0℃的主蒸汽压力与排汽压力参数,可得曲线图8。

图8 主蒸汽压力和排汽压力决定蒸汽过热度Fig.8 The main steam overheating depending on main steam pressure and backpressure

图8中某流体作为工质,当热力系统运行参数在其对应曲线下方时,饱和蒸汽循环的效率最高,过热会降低其循环效率;当运行参数在曲线上方时,最佳过热温度Δt＞0,适当过热可使循环效率达到最高。

5 结论

通过对四种有机工质朗肯循环特性计算,得到以下结论:

(1)蒸发压力是决定有机朗肯循环效率和余热回收效率的重要参数,循环效率随蒸发压力的升高而升高,但余热回收效率存在极值,其对应的蒸发压力为最佳蒸发压力。

(2)蒸汽过热提高循环效率只在一定条件下成立,且决定于主蒸汽压力与排汽压力,研究表明主蒸汽压力越高,排汽压力越低,则最佳过热度越高。在实际工程中,有机朗肯循环机组的运行参数较高,蒸汽过热是提高循环效率的有效方法。

符号说明:

[1]Bo-Tau Liu,Kuo-Hsiang Chien,Chi-Chuan Wang.Effect of working fluids on organic rankine cycle for waste heat recovery[J].Energy,2004, 29:1207-1217.

[2]Bahaa Saleh,Gerald Koglbauer,Martin Wendland,et al.Working fluids for low-temperature organic rankine cycles[J].Energy,2007,32 :1210-1221.

[3]Ronald DiPippo.Second law assessment of binary plants generating power from low-temperature geothermal fluids [J].Geothermics,2004,33:565-586.

[4]王华,王辉涛.低温余热发电有机朗肯循环技术[M].北京: 科学出版社,2010.

[5]朱江.中低温有机朗肯循环(ORC)发电系统优化研究[D].北京: 北京工业大学,2011.

[6]Joseph Sinai,Uriyel Fisher.1MW solar power plant using ORMAT energy converter [A].Proceeding of the 14th Sede Boqer Symposium on Solar Electricity Production C.Sede boqer ,Israel.2007:53-56.

[7]Ronald DiPippo.Second Law assessment of binary plants generating power from low-temperature geothermal fluids [J].Geothermics,2004,33: 565-586.

[8]Aleksandra Borsukiewiz-Gozdur,Wladyslaw Nowak.Development of a prototype low-temperature Rankine cycle electricity generation system [J].Applied Thermal Engineering,2001,21: 169-181.

[9]黄晓艳.纯工质R245fa水平管内流动沸腾换热特性的实验研究[D].昆明: 昆明理工大学,2010.

[10]Ulli Drescher,Dieter Bruggemann.Fluid selection for the Organic Rankine Cycle (ORC)in biomass power and heat plants[J].Applied Thermal Engineering ,2007,27: 223-228.