基于有机朗肯循环的固定式天然气发动机排气余热回收系统性能分析

娄宗勇，张红光，宋松松，

（1.承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德；067000；2.北京工业大学能源与环境工程学院，北京）

基于有机朗肯循环的固定式天然气发动机排气余热回收系统性能分析

娄宗勇1，张红光2，宋松松1，2

（1.承德石油高等专科学校汽车工程系，河北承德；067000；2.北京工业大学能源与环境工程学院，北京）

针对一台固定式天然气发动机的排气能量变化规律，设计了带回热器的有机朗肯循环排气余热回收系统。基于热力学第一定律和第二定律，对固定式天然气发动机排气余热回收系统性能指标进行了理论计算和分析，进而构建了固定式天然气发动机-带回热器有机朗肯循环联合系统，并采用发电效率和有效燃料消耗率评价联合系统的性能。研究结果表明：当蒸发压力为3.5 MPa，发动机运行在额定工况点时，带回热器有机朗肯循环系统最大净输出功率和热效率分别为62.7 kW和12.5%；与固定式天然气发动机相比，联合系统发电效率最大可提高6.0%，有效燃料消耗率最大可降低5%。

有机朗肯循环；固定式发动机；性能分析

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.02.013

0　引 言

目前固定式天然气发动机燃料燃烧的能量只有约35%被转化为电能，约有30%随废气排出，25%被发动机冷却水带走，通过机身散发等其它损失约占10%左右，排气余热和冷却水损失的功率比有用功还多［1］。因此，对固定式天然气发动机的废气能量进行回收利用，是提高发动机热效率和节约能源的有效途径。

余热利用技术可将低品位废热转化为有用功或电能，并在多个领域得到了应用［2-6］。其中，有机朗肯循环余热利用技术凭借其优越的性能在回收固定式发动机余热能方面得到了广泛的研究。Vaja等［7］针对一台固定式柴油机，设计了三种不同结构的有机朗肯循环系统，分析结果表明有机朗肯循环系统可使内燃机的总效率提高12%。

有机工质的选择对于有机朗肯循环系统的性能有着至关重要的影响［8］。非共沸混合工质在蒸发过程和冷凝过程中具有温度“滑移”特性，可以减少由于温差导致的损率。Heberle等［9］分析了异丁烷/异戊烷混合工质和R227ea/R245fa混合工质对ORC系统性能的影响，并对混合工质和纯工质进行了对比分析。研究结果表明：这两种混合工质系统的效率均高于纯工质。

对于固定式天然气发动机有机朗肯循环余热回收系统，很少有学者考虑固定式天然气发动机变工况下的ORC系统性能。此外，有关非共沸混合工质在固定式天然气发动机有机朗肯循环余热回收中应用的研究也较为少见。

1　带回热器有机朗肯循环排气余热回收系统

1.1系统描述

为了更好的实现对固定式天然气发动机排气余热能的高效利用，本文设计了如图1所示的带回热器的有机朗肯循环系统。

固定式天然气发动机排气经涡轮机后进入蒸发器与高压液态有机工质进行换热，然后排入大气中。与此同时蒸发器中的液态工质吸收排气余热后变成高温高压气体，进入膨胀机做功，带动发电机对外输出电能，做功后的乏气与下一循环液态有机工质在回热器内进行换热，换热后的乏气经过冷凝器被冷却为饱和液态有机工质后流回储液罐。工质泵将有机工质从储液罐中抽出，压缩成高压液体，并通过回热器吸收上一循环乏气的废热后进入蒸发器吸收发动机的排气能量，至此完成一个工作循环。

图1　有机朗肯循环系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the ORC system

1.2带回热器有机朗肯循环系统热力学模型

图2是带回热器有机朗肯循环系统T-s图，循环过程计算公式如下：

1-2为等熵压缩过程，工质泵的耗功为：

2-3和5-6分别为工质在回热器中的等压吸热和放热过程。回热器中的换热量和回热器有效度分别为：

3-4为等压吸热过程，吸收的热量为：

4-5s为等熵膨胀过程，4-5为实际膨胀过程，膨胀机的输出功率由下式计算：

6-1为等压冷凝过程，释放的热量为：

综上分析，可以推导出带回热器ORC系统的净输出功率、热效率、效率分别为：

TH由公式（10）计算得到，其中为排气在蒸发器进口处的温度，可以通过天然气发动机试验获得。当排气温度降低到露点以下时，会发生腐蚀排气管和蒸发器表面的现象，因此，在本文的研究中，排气在蒸发器出口处的温度设定为378 K。

本文在研究分析时，忽略各部件和管路中的压力损失和热损失，计算边界条件如下：

（1）蒸发器压力在1 MPa-3.5 MPa之间变化；过热度取30 K；

（2）环境温度T0取293 K，冷凝温度取308 K，低温热源温度TL取293 K；

（3）工质在冷凝器中放出热量后变为饱和液态；（4）回热器有效度取0.85；

（5）膨胀机和工质泵的等熵效率取0.8；（6）发电机效率取0.95。

1.3有机工质选择

在热源和环境温度确定的情况下，有机工质的选取对于循环系统的热力学性能起着重要作用。因此，在选取适用于发动机余热回收利用的有机工质时应考虑以下因素：

（1）良好的热稳定性，无腐蚀性；

（2）适当的沸点温度，低潜热，合适的临界温度和压力；

（3）具有环境友好性和经济性；

非共沸混合工质的物性不仅与组分有关，还与各组分的配比有关，所以非共沸混合工质的数量极其庞大。本文从现有编号的非共沸混合工质中选取了R416A作为有机工质，以此分析余热利用系统的性能。表1为非共沸混合工质R416A的物性。

图2　带回热器有机朗肯循环系统T-s图Fig.2 T-s diagram of the ORC system with IHE

表1　R416A性能参数Tab.1 Properties of R416A

2　固定式天然气发动机排气余热能特性分析

2.1天然气发电机组性能测试

为了设计出合理的有机朗肯循环系统，从而实现对固定式天然气发动机排气余热能的高效利用，有必要对固定式天然气发动机工作过程中的能量分布进行研究。本文选取了一台固定式天然气发动机作为分析对象，其主要技术性能参数如表2所示。该固定式天然气发动机与发电机构成天然气发电机组，从而将发动机的有效功转化为电能输出。

在试验测试过程中，天然气发电机组转速固定在1500 r/min，输出功率范围100 kW-1000 kW，试验取值间隔为100 kW，在每个输出功率下，测试了10个不同负荷的工况点。

图3为固定式天然气发动机排气温度随其转矩的变化情况。如图所示排气温度先升高后降低。当发动机转矩为4021.2 N·m时，排气温度达到最大值824.65 K。

表2　固定式天然气发动机主要技术性能参数Tab.2 Main technical performance parameters of the stationary CNG engine

图3　固定式天然气发动机排气温度Fig.3 Exhaust temperature of the stationary CNG engine

图4为固定式天然气发动机排气质量流量随其转矩的变化情况。从图中可以看出，排气质量流量随发动机转矩的增加而增加。这是因为，发动机转矩的增加主要依赖于节气门开度的增大，而随着节气门开度的增大，进入气缸的空气量和燃料消耗量增加，根据质量守恒方程，发动机的排气质量流量等于空气量与燃料消耗量之和，于是造成了排气质量流量的增加。

根据试验结果，固定式天然气发动机经济性能如图5所示。随着发动机转矩的增加，燃料消耗量不断增加，有效燃料消耗率（BSFC）随着发动机转矩的增加而降低。当固定式天然气发动机运行在额定工况点时，有效燃料消耗率最低为185 g/（kW· h）。由于发动机通常在额定工况点附近运行，因此该固定式天然气发动机具有较好的燃油经济性。

2.2可用排气能量计算

有机朗肯循环系统在实际运行过程中，蒸发器内的有机工质与高温热源进行换热时存在一定的换热效率，排气能量不能被有机工质完全吸收［10］。因此，本文利用公式（11）计算可用排气能量。式中为可用排气能量（kW）为排气质量流量（kg/s）；为排气在蒸发器进口处焓值（kJ/kg为排气在蒸发器出口处焓值（kJ/kg）。

图5为固定式天然气发动机可用排气能量随发动机转矩的变化情况。当发动机运行在额定工况点时，最大可用排气能量为501.7 kW。

图4　固定式天然气发动机排气质量流量Fig.4 Exhaust mass fow rate of the stationary CNG engine

图5　固定式天然气发动机经济性能Fig.5 Economic performance of stationary CNG engine

图6　可用排气能量Fig.6 Available exhaust energy rate

图7　带回热器的ORC系统热效率Fig.7 Thermal effciency of ORC system with IHE

3　研究结果与分析

根据上述对固定式天燃气发动机排气余热能分布特性的研究，利用建立的带回热器的ORC系统热力学模型，研究分析了蒸发压力在1.0 MPa-3.5 MPa范围内变化时对ORC系统性能的影响。

图6为系统热效率随蒸发压力的变化情况。从图中可以看出，随着蒸发压力的增大，ORC系统的热效率也逐渐增加。当蒸发压力为3.5 MPa时，其热效率达到最大值为12.5%。

图7表示工质质量流量与发动机转矩及蒸发压力的关系。从图中可以看出：当蒸发压力保持不变时，工质质量流量随着发动机转矩的增加而增加。这是因为随着发动机转矩的增加，发动机可用排气能量也是逐渐增加的，如图5所示，这样可使更多的非共沸混合工质被蒸发。当发动机转矩不变时，随着蒸发压力的增加，工质质量流量逐渐减小。这是因为固定式天然气发动机转矩保持不变，可用排气能量也保持不变，由公式（4）可知，此时工质质量流量的大小仅取决于蒸发器进出口处工质的焓差（即图2中状态点3和4之间的焓差）。由表3可知，状态点3和4的焓差随蒸发压力的增大而增大，从而导致工质质量流量随蒸发压力的增大而减小。

图8为ORC系统净输出功率随发动机转矩和蒸发压力的变化情况。从图中可以看出，ORC系统净输出功率随着发动机转矩和蒸发压力的增大而增加。这是因为，一方面随着固定式天然气发动机转矩的增加，排气能量逐渐增加；另一方面，由表3可知，随着蒸发压力的增加，工质在膨胀机进出口处的焓差（即图2中状态点4和5之间的焓差）逐渐增大，这些因素都导致了ORC系统净输出功率逐渐增加。当蒸发压力为3.5 MPa，固定式天然气发动机运行在额定工况点时，ORC系统净输出功率达到最大值为62.7 kW。

图8　带回热器的ORC系统工质质量流量Fig.8 Mass fow rate of ORC system with IHE

图9 带回热器的ORC系统净输出功率Fig.9 Net power output of ORC system with IHE

图9为ORC系统效率随发动机转矩和蒸发压力的变化情况。当蒸发压力一定时，随着发动机转矩的增加，效率出现先减小后增大的趋势，但变化趋势不明显。

表3　非共沸混合工质R416A状态点3、4和5的焓值Tab.3 Enthalpy value of state points 3，4 and 5

图10　带回热器的ORC系统效率Fig.10 Exergy effciency of ORC system with IHE

这是因为对于已选定非共沸混合工质类型，ORC系统效率的大小主要受高温热源的影响（因为在本文中，低温热源取定值），高温热源温度变化趋势为先升高后降低，且温度变化幅度不大。当发动机转矩一定时，ORC系统效率随着蒸发压力的增大而增大，这是因为当发动机转矩一定时，发动机排气温度不变，此时ORC系统效率取决于系统的热效率，如图6所示，随着蒸发压力的增大，ORC系统热效率是逐渐增大的。所以，ORC系统的效率呈现了上述变化规律。

为了评价固定式天然气发动机-带回热器ORC联合系统的性能，本文定义了联合系统发电效率和联合系统有效燃料消耗率如公式（12）和（13）所示：

图10为固定式天然气发动机发电效率与固定式天然气发动机-带回热器的ORC联合系统发电效率的对比图。由图10可知，加装带回热器有机朗肯循环系统后，联合系统的发电效率均高于固定式天然气发动机的发电效率，且随着发动机转矩和蒸发压力的增加而增加。当蒸发压力为3.5 MPa，固定式天然气发动机运行在额定工况点时，联合系统发电效率达到最大值39.4%，较固定式天然气发动机发电效率提高了6.0%。

固定式天然气发动机-带回热器的ORC联合系统的有效燃料消耗率变化情况如图11所示。对比图5，当蒸发压力在1.0 MPa-3.5 MPa范围内变化时，随着固定式天然气发动机转矩的增大，联合系统的有效燃料消耗率相比原发动机均有所降低。当蒸发压力为3.5 MPa，固定式天然气发动机运行在额定工况点时，联合系统具有较好的燃油经济性，有效燃料消耗率可以降低到175 g/（kW·h），相比固定式天然气发动机的有效燃料消耗率，最大可以降低5%。因此，加装有机朗肯循环系统可以有效地提高固定式天然气发动机的燃油经济性。

图11　联合系统发电效率Fig.11 Electric effciency of combined system

图12　联合系统有效燃料消耗率Fig.12 BSFC of combined system

4　结 论

本文首先通过天然气发电机组性能试验，研究了一台固定式天然气发动机排气能量的变化规律，并利用带内部回热器的ORC系统对该固定式天然气发动机的排气能量进行回收利用。研究了当固定式天然气发动机在不同转矩下运行时，蒸发压力对固定式天然气发动机-带内部回热器ORC联合系统性能的影响。结论如下：

（1）随着蒸发压力的增加，带回热器ORC系统的热效率随之增加。当蒸发压力为3.5 MPa时，其热效率达到最大值为12.5%。

（2）当蒸发压力不变时，随着发动机转矩的增加，带回热器的ORC系统的工质质量流量、净输出功率随之增加，而效率会出现先减小后增大的趋势。当发动机转矩不变时，随着蒸发压力的增加，净输出功率和效率都随之增加，但工质流量会随之减小。

（3）加装带回热器的ORC余热回收系统后，固定式天然气发动机的发电效率及有效燃料消耗率均有所改善。

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Performance Analysis of Exhaust Waste Heat Recovery System with Organic Rankine Cycle for Stationary CNG Engine

LOU Zongyong1， ZHANG Hongguang2， SONG Songsong1， 2
（1. Department of Automotive Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei， China； 2. College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

An organic Rankine cycle （ORC） system with an internal heat exchanger （IHE） is designed to recover exhaust energy from a stationary compressed natural gas （CNG） engine. According to the frst and second laws of thermodynamics， the performances of the ORC system are analyzed. Thereafter， the stationary CNG engine-ORC with IHE combined system is presented. The electric effciency and the brake specifc fuel consumption （BSFC） are chosen to evaluate the operating performances of the combined system. The results show that，when the evaporation pressure is 3.5 MPa and the engine is operating at the rated condition， the net power output and the thermal effciency of ORC system with IHE can reach up to 62.7kW and 12.5%， respectively. Compared with the stationary CNG engine， the electric effciency of the combined system can be increased by 6.0%， while the BSFC can be reduced by a maximum 5.0%.

organic Rankine cycle； stationary CNG engine； performance analysis

date: 2014-09-18. Revised date: 2014-10-27.

TQ174.6

A

1000-2278（2015）02-0178-07

2014-09-18。

2014-10-27。

承德市科学技术研究与发展计划科技支撑项目（编号：201422113）， 北京市自然科学基金资助项目（编号：3152005）。

通信联系人：娄宗勇（1981-），男，硕士，讲师。

Correspondent author:LOU Zongyong（1981-）， male， Master， Lecturer.

E-mail:LOU Zongyong@126.com