小型有机朗肯循环系统中工质泵的效率

叶佳琦，赵力，邓帅，王晓东，苏文（天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）



小型有机朗肯循环系统中工质泵的效率

叶佳琦，赵力，邓帅，王晓东，苏文
（天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室，天津 300072）

摘要：对小型有机朗肯循环系统中工质泵的性能进行了实验研究，建立了应用R245fa工质的小型工质泵性能研究试验台，针对容积型工质泵的效率展开实验研究，对工质泵出口压力、进出口压差和系统质量流量分别进行控制，获得了工质泵等熵效率随上述3个变量的变化曲线。实验结果表明，在蒸发温度75℃、冷凝温度11℃条件下，有机朗肯循环系统中工质泵的等熵效率范围为15％～47％，随着系统质量流量的增大和工质泵进出口压差的增加，工质泵等熵效率升高，且受到系统质量流量的影响较大。实验证实了有机朗肯循环系统中工质泵的实际运行效率比以往模拟、理论计算研究中应用的工程经验值低。依据本研究实验结果，工质泵等熵效率宜取平均值30％；基于理论循环等熵过程的分析，泵功占膨胀机输出功的比例约为8％，而实际过程中，综合考虑泵的效率、电机效率、膨胀机机械效率，其比值可达到12％以上。

关键词：泵；有机朗肯循环；等熵效率；有机工质；焓；熵

第一作者：叶佳琦（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为新型节能技术的利用。联系人：赵力，博士，教授，主要研究方向为太阳能热利用。E-mail jons@tju.edu.cn。

在中低温热能利用领域，有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）凭借简单的结构、高可靠性和易于维护等特点，近年来得到较多的关注[1-2]。在ORC系统中，工质泵作为主要的耗能部件，其对系统整体效率的影响不容忽视。

因此，在计算系统输出功和效率时，工质泵的性能成为一个重要的考量因素。通常在理论循环计算中用等熵效率表征设计增压过程与理想增压过程的偏离程度。然而，在实际测试中，往往使用泵效率对工质泵性能进行评价，而非等熵效率。此外，在既有研究中，工质泵效率多为经验值，典型值为0.65[3]、0.75[4]、0.80[5]及0.85[6]不等。最后，在考虑电机效率等因素后，工质泵用电效率值等随工质、泵的特性又会有新的变化。

REID[7]在一个千瓦级的ORC系统中得到泵用电效率是0.07，QUOILIN[8]经过实验测得使用R245fa的ORC系统中隔膜泵的用电效率是0.22，BALA等[9]考虑了R11和R113对ORC系统的影响，得到滑片泵用电效率大约是0.20，MELOTTE[10]进行了实验研究，认为使用共沸工质solkatherm （R365mfc、丙烯混合等）的离心泵用电效率在0.1～0.2之间。

综上可以看出，在ORC工质泵性能的不同效率表征及工质泵效率实际测试方面，虽然已有少数学者的研究有所涉及，但是有针对性的实验数据较少，其结论往往也不尽相同，对实际系统的设计指导性差，造成性能评估的不准确。因此，本文通过实验的研究方法，针对ORC系统的工质泵效率展开研究，对代表性干工质ORC循环升温增压过程的等熵效率、工质泵实际运行效率进行分析，研究成果可对ORC系统的设计与效率评价提供有效的数据支撑。

1　实验方法

1.1工质泵效率

实际运行中，工质泵的泵效率是有效功率与轴功率的比值，等于流动效率、容积效率和机械效率三者的乘积，见式(1)。

式中，Ne是有效功率；N是轴功率；hh、hv、hm分别是流动效率、容积效率和机械效率。

与工质泵相匹配的电机也存在一定的转化效率，定义电机效率是轴功率与电机功率的比值，见式(2)。

式中，Ng是电机功率。

考虑到电机耗电与泵做功之间的关系，工质泵的用电效率可表示为有效功率与电机功率的比值，见式(3)。

由式(1)～式(3)推出,hc=hhg，即工质泵的用电效率等于泵效率和电机效率的乘积。

图1表示了工质泵的泵效率、电机效率、用电效率与等熵效率之间的关系。

图1　工质泵效率研究的关系图

1.2等熵效率计算方法

图2是ORC循环的T-S示意图，图中标注了工质泵、蒸发器、冷凝器、膨胀机所进行的能量转换和交换过程。其中，1-2-3-4-1是实际循环过程，1点是工质进入工质泵的进口状态点，2点是工质泵出口的状态点，2s点是工质泵出口的工质等熵状态点。

工质泵等熵效率的计算方法如下：工质泵的进出口平均温度T1和T2，工质泵的进出口平均压力P1和P2，经由REFPROP软件算得工质泵的进出口焓值H1、H2及进出口熵S1、S2。其等熵点压力P2s= P2，熵S2s=S1，由REFPROP软件算得等熵点焓值H2s。工质泵的等熵效率可由式(4)算得。

工质泵的等熵效率反映了工质经过工质泵时，理想增压过程的焓升和实际工作工程焓升的偏差。若考虑单位质量工质经过循环，Ne=H2−H1，Ng=ep，则工质泵耗电为式(5)。

在循环过程中，各项效率的值都小于1，所以工质泵的等熵效率越高，工质泵耗电越低，表明系统的性能就更好。

图2　ORC循环的温熵图

2　实验系统介绍

根据研究方法和实验原理，对实验系统展开设计。实验系统分为两部分：一部分是中低温有机朗肯循环（ORC）系统；另一部分是数据测量和采集系统。中低温ORC系统包括工质泵及配套电机、蒸发器、冷凝器、膨胀阀、储液罐、控温加热水箱、控温冷却水箱、热水循环泵、冷水循环泵及相应的阀门和管道等，数据测量和采集系统包括温度传感器、工质压力传感器、工质流量传感器、工质泵驱动电机电耗测量装置、标准电源、数据采集记录仪及可视压力表、管道视液镜等。

实验系统如图3所示，本研究应用的循环过程为：有机工质R245fa从储液罐1中被吸出，经过工质泵2的加压输送后，进入蒸发器3吸热，过热蒸汽经过膨胀阀4减压后进入冷凝器5放热，变为饱和液，流回储液罐完成循环。

搭建的实验系统如图4所示，主要部件集中布置在1.2m×0.6m×1m的钢制框架，工质泵布置在系统的最低处，其他部件按照实验系统原理图依次连接。实验系统的温度测点分别布置在工质泵进出口处、蒸发器工质侧和水侧进出口处、膨胀阀进出口处、冷凝器工质侧和水侧进出口处，压力测点分别布置在工质泵进出口处和膨胀阀进出口处。

为了控制实验时流量和工质泵进出口压力及温度，可以通过调节工质泵的柱塞冲程长度、控温冷却水箱的温度、控温加热水箱的温度以及膨胀阀的开度来实现。

在ORC系统中，工质泵在输送工质的同时，还要为工质增压。而有机工质通常都比较昂贵，具有易燃性、毒性和较高的GWP值、ODP值，所以还需要考虑系统的密闭性。容积型工质泵适用于较高压力、中小流量的循环系统，密闭性良好，在ORC系统中使用较多。

图3　ORC实验系统原理图

实验系统选用由美国Pulsafeeder公司生产的容积型工质泵（液压隔膜泵），其参数如表1所示。

图4　ORC实验系统实物图

表1　容积型工质泵主要技术参数

选用的该工质泵的工作原理是通过电动机驱动液压油槽内的传动机构，以推动柱塞进行往复运动，将液压油压入泵头，使得隔膜发生形变后将隔膜另一侧的工质压出泵头。

由于隔膜泵具有上述这样的工作特点，其泵出口处的压力和流量会产生较大的波动，不利于实验数据的稳定。为减缓这样的波动，在隔膜泵的出口处安装了脉动阻尼器。

蒸发器和冷凝器均采用钎焊板式换热器，最高工作温度均为200℃，其中冷凝器换热面积为1.1m2，蒸发器换热面积为 1.2m2。膨胀阀采用J13W-1.6/32P型内螺纹针型阀，最高工作温度为400℃，60°锥角，流通能力0.4～1.2倍。储液罐采用空调机组用立式柱形储液罐，壁厚1.5mm，容量为12L。

ORC系统在选择工质时，为避免在膨胀过程中进入气液两相区域，引发对膨胀机有害的“液击”现象，可以选择干工质，如常用的R245fa。

数据测量和采集系统中，温度的测量使用的是经过恒温水箱标定的T型铜-康铜热电偶，测温范围为0～100℃，精度±0.2℃。流量的测量采用的是YOKOGAWA公司生产的 ROTAMASS-RCCS30LR型科里奥利质量流量计，该质量流量计流量测量范围为0～25g/s，正常工作温度范围为−50～150℃，正常工作承压上限为40.5MPa，质量流量测量精度为±0.15％。压力的测量采用GPGXE591NM1型压力传感器，量程为0～2.4MPa（共4台，其中有一台量程为0～1.6MPa），压力测量精度为±0.2％。泵耗功的测量仪表采用浙江吉特电力仪表有限公司生产的三相液晶显示多功能网络电力仪表，仪表型号为ZK-3D3Y-D。仪表参数可测量范围为450V，10A；过载倍率为持续1.2，瞬时2.0；频率45～65Hz；电流、电压测量精度为±0.1％，功率测量精度±0.5％，实际使用时测量范围为0～400W。上述测量均为4～20mA电流信号，通过Agilent 34980A 数据采集和开关控制器采集后，经由软件实时存入计算机。

3　实验误差分析

在实验测量过程中，由于测量仪器精度、实验条件局限和各种因素的影响，测量结果与实际待测量有一定差异，即存在测量误差。本实验所测得的不确定度mw见式(6)。

其中ux、uy、uz等为各直接测量量的测量不确定度，用各自的A类和B类不确定度分量合成得出。

计算得工质泵等熵效率的实验相对最大误差为2.53％，工质泵用电效率的实验相对最大误差为5.7％。

4　实验结果与分析

图5　工质泵出口压力与工质泵等熵效率的关系

如图5所示，其中两条曲线表示的工况点是在不同进口压力，即不同进口温度下（温差相差2℃）所测得的。工质泵的等熵效率随着工质泵出口压力的升高而增加。并且在相同条件下，工质泵进口压力越小，即工质泵进出口压差越大，工质泵的等熵效率越高。

如图6所示，工质泵进出口压差越大，工质泵的等熵效率越高。并且系统质量流量的增大，使得工质泵的等熵效率增加。

如图7所示，随着系统质量流量的增大，工质泵等熵效率呈现上升趋势。并且随着工质泵进出口压差的增大，工质泵等熵效率也随之增加。

分析实验结果可知，在相同质量流量的条件下，工质泵的进出口压差越大，说明工质泵对工质所做的有效功更多，其等熵效率也就越高。在相同进出口压差或者压力的情况下，系统内的工质质量流量越大，说明工质泵对更多的工质做功，相对的等熵效率也就越高。

图6　工质泵进出口压差与工质泵等熵效率的关系

图7　系统质量流量与工质泵等熵效率的关系

5　实验工况对比

由图5～图7可以得出ORC系统中工质泵的平均等熵效率约为0.30，以此值代入文献[11]、[12]、[13]中，并与原文相比较，计算得出表2。工质选择为R245fa。

如表2所示，在给定蒸发温度和冷凝温度的条件下，工质泵等熵效率的改变明显影响了泵功的需求，可以看到泵功占膨胀机输出功的比例由3％升高到了8％左右，平均提高了4.5％左右，相应的泵耗功也与之增加。

通过比较，现有ORC系统的工质泵等熵效率的估计值过于理想化，不利于正确计算ORC系统的效率和耗电，对于以后有其他学者在进行ORC系统理论模拟计算时，本文建议工质泵的等熵效率的取值应进行一定的降低。

需要注意的是，R245fa并非是有机朗肯循环中热效率最高的工质[14]，如若选取其他工质，循环的热效率和会有所改变，对于工质泵效率的影响也会有所体现，这还需要进一步的研究。

6　结论

本工作针对有机朗肯循环中工质泵的效率问题进行了实验研究，得出如下结论。

（1）对泵的研究需要重视，泵的效率关系需要明确；在有机朗肯循环系统中，工质泵的实际效率较模拟值偏低，实验所得工质泵等熵效率的变化范围是15％～47％。

表2　不同工质泵等熵效率下的3个算例

（2）工质泵的效率并不是固定的，随着系统的质量流量的增大、工质泵进出口压差的增加而升高。并且系统的质量流量对于工质泵等熵效率的影响更为明显。

（3）根据本实验研究结果，建议工质泵的等熵效率估计值应适当降低，取本实验所得工质泵等熵效率的平均值30％较为合适。

（4）从等熵角度来看，泵功占膨胀机输出功的比例约为8％；在实际过程中，需要考虑泵的效率和电机效率，该比例会相应增大到12％以上。

符 号 说 明

参考文献

[1]BAO J，ZHAO L. A review of working fluid and expander selections for organic Rankine cycle[J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews，2013，24（10）：325-342.

[2]QUOILIN S，LEMORT V，LEBRUN J. Experimental study and modeling of an organic rankine cycle using scroll expander[J]. Applied Energy，2010，87（4）：1260-1268.

[3]BORSUKIEWICZ-GOZDUR A. Pumping work in the organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering，2013，51（1/2）：781-786.

[4]FORD G. CSP：bright future for linear fresnel technology?[J]. Renewable Energy Focus，2008，9（8）：48-49，51.

[5]VELEZ F，SEGOVIAJ J，MARTIN M C，et al. A technical，economical and market review of organic Rankine cycles for the conversion of low-grade heat for power generation[J]. General Information，2012，16（6）：4175-4189.

[6]QUOILIN S，OROSZ M，HEMOND H，et al. Performance and design optimization of a low-cost solar organic Rankine cycle for remote power generation[J]. Solar Energy，2011，85（5）：955-966.

[7]REID A D. Low temperature power generation using HFE-7000 in a Rankine cycle[D]. Master thesis San Diego：San Diego State University，2010.

[8]QUOILIN S. Sustainable energy conversion through the use of organic rankine cycle for waste heat recovery and solar applications[D]. Liege：University of Liege，2011.

[9]BALA E J，O’CALLAGHAN P W，PROBERT S D. Influence of organic working fluids on the performance of a positive-displacement pump with sliding vanes[J]. Applied Energy，1985，20（2）：153-159.

[10]MELOTTE N. Development and optimization of organic Rankine cycle control strategies[D]. Liege：University of Liege，2012.

[11]TCHANCHE B F，PAPADAKIS G，LAMBRINOS G，et al. Fluid selection for a low-temperature solar organic Rankine cycle[J]. Applied Thermal Engineering，2009，29（11/12）：2468-2476.

[12]DELGADO-TORRES A M，GARCIA-RODRIGUEZ L. Analysis and optimization of the low-temperature solar organic Rankine cycle （ORC）[J]. Energy Conversion & Management，2010，51（12）：2846-2856.

[13]韩中合，叶依林，刘赟. 不同工质对太阳能有机朗肯循环系统性能的影响[J]. 动力工程学报，2012，32（3）：229-234.

[14]韩中合，杜燕，王智. 有机朗肯循环低温余热回收系统的工质选择[J]. 化工进展，2014，33（9）：2279-2285.

Efficiency of working fluid pump in a small-scale organic Rankine cycle system

YE Jiaqi，ZHAO Li，DENG Shuai，WANG Xiaodong，SU Wen
（Key Laboratory of Efficient Utilization of Low and Medium Grade Energy of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Abstract：The isentropic efficiency of the working fluid pump in a small-scale power system of organic Rankine cycle (ORC) was experimentally studied under designed variable conditions. The selection and principle of the working fluid pump were focused. A small-scale power system of ORC using R245fa as working fluid was established. The volume type working fluid pump was chosen. The pressure difference of pump inlet and outlet pressure and the mass flowrate of system were controlled respectively. The experimental results showed that，the ORC system working fluid pump’s isentropic efficiency was about 15％ to 47％ under the condition that evaporation temperature is 75℃ and condensing temperature is 11℃. The pressure difference between the inlet and outlet of the working fluid pump increased with the increase of mass flowrate of system. The isentropic efficiency increased，and largerly affected by the mass flowrate. The experiments confirmed that the estimation efficiency of the working fluid pump in the ORC system is much lower than that of the previously value used in simulation，calculation and industrial applications. The experimental working fluid pump isentropic efficiency of the average value of 30％ is more appropriate. From isentropic aspect，the ratio of pump power for expander to output power should be 8％. For the actual process，the ratio should be greaterthan 12％ by considering the efficiency of the pump and the motor.

Key words：pump；organic Rankine cycle；isentropic efficiency；organic working fluid；enthalpy；entropy

中图分类号：TK 11+4

文献标志码：A

文章编号：1000–6613（2016）04–1027–06

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.04.010

收稿日期：2015-10-28；修改稿日期：2015-11-16。

基金项目：国家自然科学基金面上项目（51476110）。