冷源温度对小型ORC低温余热发电系统的影响

谢飞博，朱彤，高乃平



冷源温度对小型ORC低温余热发电系统的影响

谢飞博，朱彤，高乃平

（同济大学机械与能源工程学院，上海201804）

利用搭建的ORC余热发电测试系统，实验研究了冷却水温度对ORC系统性能的影响。结果表明：当热源温度不变时，随着冷却水温度的升高，冷凝压力增加，蒸发压力稍有增加，冷凝器和蒸发器的负荷减小，膨胀机的压差和压比减小，系统的输出电功和热效率降低。在实验测试范围内，当冷却水温度从21.82℃升至42.10℃时，输出电功从2.357 kW降至1.535 kW，热效率从7.25%降至5.76%，输出电功与热效率分别降低34.87%和23.86%。也意味着在此工况范围内，冷却水温度每升高1℃，系统输出电功降低0.0411 kW和1.74%。通过研究冷源温度对ORC系统性能的影响，为今后结合当地气候因素设计冷源系统和优化系统性能提供重要的实验依据。

有机朗肯循环；热力学；熵；回收；冷源温度

引 言

随着化石能源供应的日益紧张，能源对社会经济的制约和资源环境的影响越来越明显。而200℃以下中低温热能广泛存在于自然界和工业生产过程中，如太阳能、地热能、工业余热。这部分热能的安全和高效利用对社会经济的发展具有重要的意义。因此中低品位热能资源的深度利用技术已经成为能源研究领域的热点之一[1-4]。有机朗肯循环（organic Rankine cycle，ORC）以低沸点有机物作为循环工质，吸收中低品位热能成为高温高压蒸气，在膨胀机械中膨胀做功，将热能转化为机械能，实现能源品位的提升。与其他中低品位热能利用技术相比，ORC具有结构简单、环境友好、可靠性高、运行方便和发电效率高等独特的优点。因此，ORC已成为中低品位热能品位提升的最佳技术途径之一，日益受到越来越多科研院所和工业企业的关注。目前针对ORC的研究，国内外学者都做了大量的工作，主要集中在工质选择[5-9]、系统热力学分析和优化[10-12]、关键部件如膨胀机[13-17]研究等方面。

与水蒸气朗肯循环相比，ORC尤其是小型千瓦级的ORC，系统的性能更易受冷源温度变化的影响。首先，ORC的热源大多是中低品位热能，温度较低；其次，ORC大多冷源采用水冷或者空冷，冷源温度易受季节变化和昼夜交替的影响。目前这方面的理论研究较多，而实验研究较少。苗政等[18]针对地热型有机朗肯循环发电系统，采用两种工质R245fa和R601a时，计算了冷源温度对系统输出净功的影响，结果表明当地热热源温度为130℃，冷源温度从30℃降低到0℃时，系统输出净功增加120%。肖松等[19]研究了冷凝温度对太阳能有机朗肯循环发电系统净输出电功的影响，结果表明随着冷凝温度的升高，系统净输出功近似线性逐渐减小。刘经武等[20]研究了环境温度对有机朗肯循环输出功的影响，计算结果表明当透平进口温度和压力一定时，环境温度每升高4℃，循环净输出功率减少30%。Wei等[21]采用模拟的方法研究了环境温度对采用风冷的有机朗肯循环系统性能的影响，结果表明随着环境温度的升高，系统输出功和系统效率均呈线性下降，同时指出当夏季的环境温度25℃时，输出功偏离额定工况达30%。Quoilin等[22]模拟研究了环境温度对太阳能有机朗肯循环发电系统影响，模拟结果表明当环境温度从2℃升高到30℃，ORC系统效率下降15%，发电系统总效率下降13%。

基于以上文献的介绍，发现基本都是理论分析冷源温度对ORC低温余热发电系统性能影响，而实验研究的较少。本文介绍了以R123为工质、涡旋膨胀机作为膨胀机械的ORC余热发电系统，实验研究了冷却水温度对ORC余热发电系统主要设备和系统输出功等性能参数影响，以期为今后的ORC系统稳健型设计和安全稳定运行提供实验参考依据。

1 ORC余热发电系统

1.1 实验系统介绍

ORC系统的热力学原理与传统水蒸气朗肯循环相似，两者之间只是运行的工质不同。本次测试的ORC低温余热发电系统流程如图1所示，主要包括热源回路、工质循环回路和冷却水循环，图2为搭建的发电系统实物。

搭建的ORC余热发电系统主要包括热源系统、工质回路、冷却水回路和发电设备。热源系统主要由燃烧器、热风炉和抽风机等组成，采用天然气燃烧产生的高温烟气并掺混冷空气后模拟低温余热，配合调节天然气和空气进气阀来控制调节热源的温度。工质循环回路主要由管翅式蒸发器、涡旋膨胀机、管壳式冷凝器和工质泵等设备组成。冷却水回路主要包括冷却水泵、过滤器和冷却水塔等。发电设备采用同步发电机，负载采用浴霸灯。

本测试平台设计的输出功率为3 kW，采用R123作为循环工质。之所以采用R123，一则在设计和测试的热源温度范围内能使系统的热效率较高，二则作为等熵工质，避免工质在膨胀机末端进入两相区，延长膨胀机的寿命。

1.2 测量仪表与数据采集

ORC低温余热发电系统测量仪器主要有压力传感器、温度传感器、涡轮流量计、手持式转速计和电功率测量仪。除手持式转速计是手动测量外，其他的数据都是通过实验系统的数据采集系统采集，采集频率为1 Hz。实验系统采用的仪器仪表的型号和精度见表1。

表1 测量仪器仪表

ORC低温余热发电系统设置了12个温度传感器（T1～T8，T14～T17）、8个压力传感器（P1～P8）以及3个流量测量计（Q1～Q3），各个测点的分布位置如图1所示。电功率测量仪测量同步发电机输出的功率、电压以及负载的功率。

1.3 实验流程

为研究冷源温度对ORC余热发电系统性能的影响，保持其他系统参数不变，仅改变冷却水进口温度，实验测试ORC余热发电系统关键设备运行参数和输出电功的变化规律。实验过程中，冷却水进口温度从42.10℃降为21.82℃。实验测试时根据数据采集系统测量得到压力、温度以及电功率等数据。在测试的时间段内，环境温度8℃，热源温度180℃±1℃，负载为额定功率275 W的8盏浴霸灯，隔膜计量泵的行程固定为40%（320 L·h-1）。

2 实验结果处理

根据温度和压力传感器测量的数据，通过NIST研发的有机物物性查询软件Refprop 9.0计算不同工况时有机工质的焓、熵等热力学参数值。

工质在冷凝器中的放热量

工质在蒸发器中的吸热量

工质在膨胀机中对外输出的膨胀功

当有机工质等熵膨胀时，理论输出功

膨胀机前后压比

膨胀机的等熵效率

系统的总机械效率

系统的轴效率

系统的热效率[23-24]

3 实验结果分析与讨论

不同冷却水温度下发电系统主要设备进出口压力和温度的测量数据见表2。在21.82℃和42.10℃两种工况下，根据实际ORC运行参数绘制的-图如图3所示。从图中可以较为清晰地看到两种工况下系统主要运行参数的变化情况。

表2 不同冷却水温度下的主要设备进出口参数测量值

3.1 冷却水温度对冷凝器和蒸发器性能的影响

本ORC余热发电系统的蒸发器和冷凝器分别采用管翅式和管壳式。在蒸发器中，工质走管程；在冷凝器中，工质走壳程，冷却水走管程。在实验测试过程中工质在换热器内部的压损较小，见表2，可将工质在蒸发器出口和冷凝器进口的压力分别看作循环系统的蒸发压力和冷凝压力。图4所示为蒸发压力和冷凝压力分别随冷却水温度变化规律。随着冷却水温度的升高冷凝压力近似线性增加，蒸发压力略有增加。冷凝压力增加的主要原因是在冷凝器负荷变化不大，同时温度对换热介质的物性影响有限，传热系数变化不大，因此冷凝器的平均换热温差变化不大的情况下，冷却水温度的升高必然引起冷凝温度升高。而蒸发压力增加与涡旋膨胀机的运行特征密切相关。这主要是由于冷凝压力增加引起膨胀机背压升高，膨胀机前后压差减小，在负载不变的情况下，引起蒸发压力升高，而蒸发压力的增加会引起膨胀机转速等输出参数的变化，影响输出电功，又会反作用于膨胀机，进而影响蒸发压力，综合的结果是为使膨胀机重新达到平衡，使得蒸发压力略有增加。

图5所示为蒸发器和冷凝器负荷随冷却水温度变化的情况。随着冷却水温度的升高，蒸发器和冷凝器的负荷都近似线性下降，分别下降了14.49%和15.06%。这是因为随着冷却水温度的升高，蒸发压力和温度升高，而热源温度不变，在蒸发器中热源与工质之间的平均换热温差减小，导致蒸发器换热量降低，工质在蒸发器的出口温度下降。由于蒸发器负荷降低，而膨胀机输出功的变化相对较小，因此冷凝器的负荷也减小。

3.2 冷却水温度对涡旋膨胀机性能的影响

图6为有机工质在涡旋膨胀机内的压降和温降与冷却水温度的变化关系。随着冷却水温度的升高，压降逐渐减小，这主要是因为冷凝压力的增加幅度大于蒸发压力的增加幅度。温降总体上也呈下降的趋势。

图7为膨胀机前后的压比和等熵效率与冷却水温度的关系。与压降的变化规律一致，随着冷却水温度升高，压比近似线性降低。由图可知随着冷却水温度的升高，膨胀机的等熵效率先增加，在32℃附近时，等熵效率达到0.95后开始平缓，此时膨胀机的压比为3.78，略大于膨胀机的设计值3.5。文献[13]用实验测试的方法得出当涡旋膨胀机的压比稍大于设计值时，等熵效率达到最大。首先随着冷却水温度升高，膨胀机压比减小，逐渐接近设计压比，等熵效率逐渐增加，这主要是因为在这个过程中工质在膨胀机内的欠膨胀程度降低，不可逆损失减小；其次当膨胀机压比略大于设计值时等熵效率达到最大，这主要是因为在涡旋膨胀机膨胀腔的吸气过程存在压力损失以及动静涡盘之间存在摩擦力，需要额外的压比克服。

值得注意的是本次实验结果根据式（6）计算得到的等熵效率普遍偏高，尤其当压比小于设计值处于过膨胀时。这主要是工质在膨胀机中并不是理想的等熵膨胀，同时环境温度较低，膨胀机也没有保温措施，通过膨胀机壳体向环境散热，而式（6）中又没有考虑这部分散失的热量。针对膨胀机向环境散热对等熵效率的影响，文献[3,25-26]做了相关的研究。因此，今后在ORC发电系统实验测试过程中，为提高结论的可靠性需要对膨胀机做好预热和保温措施。

图8为膨胀机输出的膨胀功和转速与冷却水温度的变化关系。膨胀机转速逐步降低，主要是因为随着冷却水进口温度的升高，工质在膨胀机进口压力增加而温度降低，工质的密度增加，而工质质量流量不变的情况下，工质的体积流量降低。膨胀机的实际膨胀功的变化规律与工质在膨胀机内的温降相似。随着膨胀机前后压差减小和转速降低，膨胀机的输出功减小。当冷却水温度从21.82℃升高到42.10℃时，实际膨胀功下降了23.63%。

3.3 冷却水温度对ORC发电系统性能的影响

图9为系统输出电功和热效率与冷却水温度的变化关系。系统输出电功和热效率都随着冷却水温度近似线性降低。当冷却水温度从21.82℃升高至42.10℃时，输出电功从2.357 kW降低到1.535 kW，降低了34.87%。换句话说，在此工况范围内，冷却水温度每升高1℃，系统输出电功降低0.0411 kW和1.74%。这与文献[19,23]模拟得出的变化趋势类似。这主要是由膨胀机前后压差和膨胀机转速减小，以及机械效率的降低导致。热效率从7.25%降至5.76%，降低了23.86%。虽然输出电功和蒸发器的吸热量都在降低，但是输出电功的减小幅度更大。

图10为轴效率和机械效率与冷却水温度的关系。随着冷却水温度的升高，机械效率逐渐降低。在本测试范围内，机械效率为0.62～0.72。造成机械效率较低的主要原因是膨胀机、联轴器、皮带轮、变速器以及发电机之间的匹配性差。随着冷却水温度的升高，膨胀机的转速降低，发电机的转速也降低，并低于发电机额定转速1500 r·min−1的程度越来越大，发电机的效率降低较大。同时随着膨胀机和发电机的转速降低摩擦损失也在减小，也就造成机械效率降低的幅度在逐渐减小。因此对膨胀机-传动装置-发电机系统进行改进，如增加控速系统或者采用变速发电机，机械效率可得到较大提升，使发电系统的输出功和效率得到较大的增加。而轴效率之所以在开始下降后基本保持不变，与膨胀机本身的等熵效率增加有关。

4 结 论

利用小型ORC余热发电实验系统，实验研究了冷却水温度对主要设备和系统输出性能的影响，得到如下结论。

（1）随着冷却水温度的升高，蒸发压力和冷凝压力都增加，但冷凝压力的增加幅度比蒸发压力的大；而蒸发器和冷凝器的负荷都在减小。

（2）随着冷却水温度升高，膨胀机的前后端压差和压比、转速以及机械效率都减小；工质在膨胀机内的温降和输出的膨胀功都有减小的趋势；膨胀机的等熵效率先增加，当冷却水温度为32.20℃，压比为3.78时，等熵效率达到0.95，然后趋于平缓。

（3）当冷却水温度从21.82℃升高至42.10℃时，冷凝压力从0.212 MPa增加至0.325 MPa，系统输出电功从2.357 kW线性降至1.535 kW，热效率从7.25%下降至5.76%。输出电功和热效率分别下降34.87%和23.86%。也就意味着冷却水温度每升高1℃，输出电功降低0.0411 kW和1.74%。

（4）当冷却水温度升高20℃时，系统输出功和热效率降幅非常大，表明对四季和昼夜温差较大的地区，需要合理设计冷源系统和选择运行工况，使得系统的输出性能满足需求，有利于系统安全高效运行。

符 号 说 明

h——焓，kJ·kg−1 m——流量，kg·s−1 p——压力，MPa Q——蒸发器或者冷凝器的换热量，kW s——比熵，kJ·kg−1·K−1 T——温度，℃ W——功率，kW γ——比值 δ——差值 η——效率 下角标 c——冷源 cond——冷凝器 ele——输出的电功 evap——蒸发器 exp——膨胀机 h——热源 in——进口 me——机械 out——出口 sys——系统 wf——工质

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Effect of cold source temperature on power generation of small organic Rankine cycle system with low-grade waste heat

XIE Feibo, ZHU Tong, GAO Naiping

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

For a thermal power system, cold source temperature fluctuates throughout a year in many areas due to the change of ambient temperature.Therefore, off-design operation of an organic Rankine cycle (ORC) system is often unavoidable. The effect of cooling water temperature on ORC performance was studied by using R123 working fluid to generate power from low-grade waste heat. When the inlet temperature of cooling water in the condenser was increased but the hot source temperature was kept constantly, the condensation pressure was increased and the evaporation pressure was increased slightly, whereas the heat load of evaporator and condenser as well as the pressure difference and ratio between the inlet and outlet of scroll expander was decreased. Hence, the electric power output and thermal efficiency of the system were decreased. In the range of study that the cooling water temperature increased from 21.82℃ to 42.10℃, the electric power output declined from 2.357 kW to 1.535 kW, thermal efficiency declined from 7.25% to 5.76%, and the electric power output and thermal efficiency linearly decreased by 34.87% and 23.86%, respectively. Under these operating conditions, the electric power output decreased by 0.0411 kW and 1.74% at every 1℃ increase of cooling water temperature. Therefore, cold source temperature significantly affected the performance of an ORC system with low-grade waste heat, which could serve as important reference for designing cold source system and optimizing ORC system performance with consideration of local weather conditions.

organic Rankine cycle; thermodynamics; entropy; recovery; cooling water temperature

2016-05-09.

Prof. ZHU Tong, zhu_tong@tongji.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160631

TK 11+5

A

0438—1157（2016）10—4111—07

国家重点基础研究发展计划项目（2014CB249201）；新奥-同济清洁能源高等研究院项目。

2016-05-09收到初稿，2016-06-18收到修改稿。

联系人：朱彤。第一作者：谢飞博（1982—），男，博士研究生。

supported by the National Basic Research Program of China (2014CB249201).