基于余热利用的有机朗肯循环系统的设计与研究

张　方， 胥建群， 赵志军， 陈飞翔

(1. 东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096；2. 上海理工大学 能源与动力工程学院， 上海 200093)



研究与分析

基于余热利用的有机朗肯循环系统的设计与研究

张方1， 胥建群1， 赵志军2， 陈飞翔1

(1. 东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点实验室， 南京 210096；2. 上海理工大学 能源与动力工程学院， 上海 200093)

基于能量梯级利用的原则，利用微型燃气轮机排出的高温烟气，构建了一套有机朗肯循环(ORC)余热发电系统，并对其进行了研究。建立了ORC余热发电系统数学模型，选择R134a作为工质，选择螺杆式膨胀机作为动力机，并对ORC余热发电系统的性能进行了研究，指出在设计工况下ORC余热发电系统的输出功率为20.40 kW，效率为12.65%。该发电系统不仅能够回收低品位热源，而且也实现了污染物的零排放，具有广泛的应用前景。

燃气轮机； 有机朗肯循环； 有机工质； 螺杆式膨胀机

最近几年，随着能源紧缺和环境恶化等问题日益突出，提高燃料燃烧的效率和减少污染物的排放成为了国内外研究的热点问题，其中如何有效利用余热是研究的重点方向之一。国内外很多研究工作者利用余热作为热源，设计有机朗肯循环(ORC)余热发电系统，进行节能减排的研究，并且取得了一定的进展：Mago等[1]利用内燃机排出的烟气作为ORC余热发电系统热源，并对其进行了研究，研究表明采用ORC的联合循环系统可以提高效率约10%；Zare等[2]指出用卡琳娜循环回收氦气冷却反应堆中燃气轮机(GT-MHR)排气的余热，其联合循环的效率比基本的GT-MHR循环提高了8.2%，并与采用ORC循环回收余热比较，指出在回收GT-MHR的余热上，ORC余热发电系统比卡琳娜循环系统更合适且效率更高；李艳等[3]设计了回收工业低温余热的ORC余热发电系统，并且证实了利用ORC余热发电系统能够有效可靠地回收工业余热；刘广林等[4]研究以低温烟气为热源的ORC余热发电系统，并且表明采用有机工质R245fa优于其他有机工质，其效率可达到10.2%。

某校热动实验室微型燃气轮机发电机组的排烟温度较高(340 ℃)，为了利用这部分余热和减少污染物的排放，笔者设计一套带有烟气处理系统的、以R134a为工质的ORC余热发电系统，并对其性能进行分析和研究。

1　ORC余热发电系统

1.1 课题来源及设计目标

实验室研究和教学所用的微型燃气轮机发电装置，其设备紧凑、移动方便、操作简单、启停快速。该装置在试验过程中会产生较高温度的烟气排到周围环境中，不但会产生热污染，而且烟气中CO、硫化物和氮化物还会污染环境，不符合节能减排、绿色环保的要求。针对这一问题，笔者设计了ORC余热发电系统。

微型燃气轮机发电装置在额定工况运行时，出力为105.23 kW，效率为24.5%，采用液化石油气作为燃料，排烟温度为340 ℃，流量为0.5 kg/s。为了回收利用这部分烟气余热量和减少烟气中污染物的排放，设计了ORC余热发电系统，与微型燃气轮机发电装置组成联合循环。本设计的任务是有效利用燃气轮机的烟气余热，降低烟气温度，提高发电效率。其内容主要包括ORC余热发电系统模型的构建，工质及膨胀机的选择，系统性能的分析，最后给出设计结果。

1.2 余热发电系统

图1给出了联合循环发电系统图，其中虚线方框内的是设计的ORC余热发电系统。

低温有机工质经泵升压进入蒸发器中与燃气轮机排出的烟气进行换热变成高温高压气体，高温高压气体进入膨胀机中膨胀推动涡轮对外做功从而变成低温低压气体，低温低压气体进入冷凝器与冷却水换热变成低温低压液体后，再经过泵升压，再回到蒸发器中吸热；烟气在蒸发器中换热后，进入烟气处理器，脱除烟气中二氧化碳、氮氧化物、硫化物和一氧化碳气体后，直接排放到环境中。该ORC余热发电系统的特点是：利用ORC余热发电系统回收微型燃气轮机排气余热，提高能源利用效率；添加了烟气处理装置，吸收烟气中二氧化碳、氮氧化物和一氧化碳，实现了污染物的零排放。

1.3 余热发电系统模型的建立

为了简化系统，在计算过程中做如下假设：

(1) 系统处于稳定流动状态。

(2) 换热器、膨胀机、管道等的压力损失和散热损失均忽略不计。

(3) 冷凝器的出口工质为饱和液体。

(4) 当工质的过热度为零时，即透平机的进口工质为饱和蒸汽；当过热度不为零时，即此时蒸汽的温度比工质饱和温度高。

1.3.1 工质泵模型

从热力学角度描述工质泵的数学模型，在理想情况下，工质在泵中经历的过程看做一个等熵压缩过程(3～4s)，实际中经历的是一个不可逆的压缩过程(3～4)，压缩过程消耗的泵功[5]可表示为：

(1)

式中：Wpump为工质泵的功率，kW；qm为工质的质量流量，kg/s；h4s、h4分别为工质泵的出口工质的等熵比焓和实际比焓，kJ/kg；h3为工质泵的进口工质的比焓，kJ/kg；ηpump为工质泵的绝热效率。

1.3.2 换热器模型

蒸发器和冷凝器为管壳式换热器，是工业过程热量传递中应用最为广泛的一种换热器。其结构简单、造价低廉，具有高度的可靠性和广泛的适应性，目前大多数ORC余热发电系统采用的是管壳式换热器。

工质在蒸发器中的吸热量为：

Q1=qm×(h1-h4)

(2)

式中：Q1为蒸发器中工质的吸热量，kW；h1为工质在蒸发器出口的比焓，kJ/kg。

工质在冷凝器中的放热量为：

Q2=qm×(h2-h3)

(3)

式中：Q2为有机工质在冷凝器中放热量，kW；h2、h3分别为工质进入和离开冷凝器的比焓，kJ/kg。

1.3.3 膨胀机模型

在ORC余热发电系统中，膨胀机的选择非常重要，需要综合考虑工质的热力学性质、工质的流量、膨胀比以及膨胀机的性质。

膨胀机的输出功率[5]为：

Wt=qm×(h1-h2)

(4)

式中:h1为工质在膨胀机进口的比焓，即工质在蒸发器出口的比焓，kJ/kg；h2为工质在膨胀机出口的比焓，即工质在冷凝器入口的比焓，kJ/kg。

ORC余热发电系统的输出功率为：

Wnet=Wt-Wpump

(5)

ORC余热发电系统热效率η为：

(6)

1.4 烟气处理器

烟气处理器中含有一些溶液，这些溶液能够吸收烟气中的CO2、NO2、SO2和CO气体。其处理过程为：烟气进入该装置，先进入KOH溶液中吸收CO2、NO2和SO2，然后进入氯化亚铜的氨溶液中吸收CO，剩余的气体直接排放到环境。主要反应方程式为：

2KOH+RO2→K2RO3+H2O

(7)

Cu(NH3)2Cl+2CO→Cu(CO)2Cl+2NH3

(8)

式中：RO2指的是CO2、NO2和SO2。

此烟气处理器能够基本上吸收烟气中的CO2、SO2和CO气体。

2　工质及膨胀机的选择

由于ORC余热发电系统可利用的热源种类多，且各有特点，因此工质的筛选比较复杂。在选择工质时，需要考虑热源温度，工质的热力性能、安全性、环保性、经济性等因素。由于工质的性质不易同时满足所有的要求，应根据实际情况综合考虑各方面因素进行工质的选择。笔者在不考虑非共沸混合工质的情况下，选择R113、R12、R124、R245ca、R245fa和R134a作为备选工质进行分析比较。表1给出了由Refprop软件[6]得出的6种备选有机物的物性参数，将对各备用工质对系统性能的影响进行分析后选定循环工质。

表1　备选工质的物性参数

注：1)为臭氧层破坏潜力值(Ozone depletion potential)；2)为全球变暖的潜力值(Global Warming Potential)。

膨胀机是ORC余热发电系统中最重要的部件，其性能的好坏直接决定着系统的发电量和发电效率。可采用的膨胀机种类有很多：涡轮式膨胀机、螺杆式膨胀机、涡旋式膨胀机、旋叶式膨胀机和三角转子式膨胀机等。表2给出这几种膨胀机的相关参数和适用范围[7-8]。

表2　可用于ORC余热发电系统的各种膨胀机的比较

该ORC余热发电系统的功率约10 kW，涡轮式膨胀机的功率值较大，不适用；三角转子式膨胀机的应用不广，也不宜采用。当ORC余热发电系统变工况运行时，采用螺杆式膨胀机和涡旋式膨胀机的功率高于旋叶式膨胀机，而且涡旋式膨胀机的膨胀比高，变工况性能没有螺杆式膨胀机的好。综合考虑几种膨胀机的优缺点，选择螺杆式膨胀机。

3　ORC余热发电系统的热力性能分析

ORC余热发电系统的工作条件见表3。

表3　ORC余热发电系统工作条件

3.1 工质种类对系统性能的影响

图2给出了在表3给定的操作条件下，蒸发压力为3 MPa、膨胀机的进口工质为饱和蒸汽时，采用R134a、R12等6种有机物作为循环工质的ORC余热发电系统的输出功率和系统效率。不同工质的热物性不同，对ORC余热发电系统性能的影响也会不同：R12为循环工质时，ORC余热发电系统输出功率是21.66 kW，系统的效率是13.43%；R134a、R124、R113、R245fa和R245ca为循环工质时，ORC余热发电系统的输出功率分别是19.75 kW、19.37 kW、18.62 kW、18.22 kW和18.20 kW，效率分别是12.25%、12.01%、11.55%、11.3%和11.29%。6种有机物中，R12为循环工质时，系统的热力性能最好，但是R12的破坏臭氧层作用接近于R11(氟利昂)，环保性能差；在工质ODP为零的3种有机物中，R134a作为循环工质时，系统的性能最好。因此选择R134a作为ORC余热发电系统的循环工质。

3.2 蒸汽过热度对ORC余热发电系统的影响

当膨胀机入口工质的压力为3 MPa时，工质的过热度越大，膨胀机的输出功率越大，则系统的输出功率越大。图3给出了R134a为循环工质时，系统的输出功率和效率随工质过热度的变化曲线。随着工质温度的增加，单位温升所引起的焓升逐渐减小，所以膨胀机输出功率随温度的增加而增加，但增量渐小。因此工质过热度只能在一定温度下才能显著增加系统的输出功率。

3.3 蒸发压力对系统性能的影响

在表3所示的工作条件下，工质在蒸发器出口的过热度为零时，工质在蒸发器中的蒸发压力增大时，ORC余热发电系统的输出功率和效率都是先增大后减小，存在一个最大值，此时对应的蒸发压力为最佳蒸发压力点。图4给出选择R134a作为循环工质时，ORC余热发电系统的输出功率和效率随蒸发压力的变化曲线。由图4可以看出：其他条件一定时，R134a的最佳蒸发压力为3.6 MPa。

4　设计结果

当微型燃气轮机在额定条件下稳定运行，ORC余热发电系统也在额定工况下运行。膨胀机进口工质的过热度为零条件下，设计出的最佳ORC余热发电系统的参数值见表4。

表4　ORC余热发电系统的额定运行参数值

微型燃气发电机组在正常运行工况下，输出功率是105.23 kW，效率是24.5%。与ORC余热发电系统组成的联合循环的输出功率是125.63 kW，效率是29.25%。

5　结语

根据能量的梯级利用原则，利用微型燃气轮机排气余热，构建了ORC余热发电系统；建立ORC余热发电系统数学模型，选择ORC余热发电系统的工质和膨胀机，分析几种参数对ORC余热发电系统热力性能的影响；最后给出ORC余热发电系统的设计结果。设计的ORC余热发电系统工质为R134a，在额定工况下系统的输出功率是19.75 kW，效率是12.65%。

所设计的ORC余热发电系统不仅可以利用低温烟气，而且也可以应用在太阳能和地热能上，这种余热发电系统的应用前景十分广泛。另外，系统中还设有烟气处理器，换热以后的低温烟气可以通过烟气处理器处理，脱除烟气中的CO2、SO2和CO，剩余的烟气排入大气，实现了污染物的零排放。

该ORC余热发电系统处于设计阶段，后续将进行工作试验台的搭建和试验。这套系统设计好以后不但可以做微型燃气轮机和ORC及其联合循环的试验，而且可以做碳捕捉和氧化氮脱除试验。

[1] MAGO P J, CHAMRA L M. Exergy analysis of a combined engine-organic Rankine cycle configuration[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 2008, 222(8): 761-770.

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[9] 达支兼一,杨庆秀. 螺杆膨胀机基本性能的研究(一)[J].压缩机技术,1988(2):24-27,50.

Research and Development of an Organic Rankine Cycle System Based on Waste Heat Utilization

Zhang Fang1, Xu Jianqun1, Zhao Zhijun2, Chen Feixiang1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Based on the principle of cascaded utilization of energy, an organic Rankine cycle (ORC) system was developed using high-temperature flue gas discharged from a micro gas turbine, of which the system performance was studied by setting up a mathematic model for the ORC system, taking R134a as the working fluid, and choosing screw expander as the engine. Results show that the power output and cycle efficiency of the ORC system are respectively 20.40 kW and 12.65%. The power system can not only recover low grade heat source, but also achieve zero emission of pollutants, having a wide application prospect.

gas turbine; organic Rankine cycle; working fluid; screw expander

2016-03-15

张方(1987—)，女，在读硕士研究生，研究方向为分布式能源和有机朗肯循环系统性能。

E-mail: 1278400290@qq.com

TK12

A

1671-086X(2016)05-0289-05