有机朗肯循环发电系统试验平台设计

王永红, , ,

(1.广州能迪节能科技有限公司, 广东 广州 510220;2.上海理工大学 制冷及低温工程研究所, 上海 200093)

文章编号：2096-2983(2017)05-0266-07DOI：10.13258/j.cnki.nmme.2017.05.004

有机朗肯循环发电系统试验平台设计

王永红1,陶乐仁2,黄理浩2,申玲2

(1.广州能迪节能科技有限公司, 广东 广州510220;2.上海理工大学 制冷及低温工程研究所, 上海200093)

目前,我国的工业余热资源丰富,余热资源的合理利用必将对我国能源结构的改革起到很好的促进作用.有机朗肯循环(OrganicRankineCycle,ORC)是提高能源利用效率的有效途径之一.其具有结构简单、适用热源温度范围广、余热回收效率高等优点,ORC发电技术已成为余热回收领域的热点课题之一.针对低温余热ORC发电技术进行了理论分析和工质研究,完成了发电目标为20kW、以向心透平为膨胀机的低温余热ORC发电系统试验平台的设计,并完成了数据采集及控制系统的设计.20kW(小功率)向心透平的设计,扩大了低温余热ORC发电系统的应用范围,促进了余热资源产业的发展.

有机朗肯循环; 余热; 发电系统; 试验平台; 设计

能源是人类经济社会发展的基石,同时也是人类进步和社会发展的重要影响因素.进入21世纪以来,全球经济飞速发展,一次能源需求迅猛增长,随之而来的能源供需矛盾和生态环境的恶化问题也日益突出.随着人们对全球生态环境及能源问题的关注,各国政府和相关能源研究部门开始重视在新能源方面的开发与利用,尤其在有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)发电技术的研究与应用上给予了高度重视,并取得了一定的成果.与国外相比,国内对ORC发电系统的研究起步较晚,技术相对不成熟,近年来也有一些研究成果,但仍未能取得实质性的突破,目前仍处于研究探索阶段.为了使得低温余热发电技术的更加完善,并且实现大范围的推广应用,国内外众多学者及相关企业仍在不断的研究探索中.

对于ORC系统,部分学者通常选取系统热效率、火用效率、输出净功、单位质量工质发电量、单位质量流量、换热面积和造价等参数的其中之一为优化目标进行优化[1-3],这就导致不同学者选取的目标不同,最终优化结果也不同.并且单一目标不能充分反应系统的综合性能.因此,一些学者选取了更多目标参数来进行优化.如重庆大学吴双应等[4]以系统输出净功、热源流体进出口火用损失以及系统总的火用损失等参数建立了多目标优化模型,并选取了8种工质,采用线性加权法对ORC发电系统的最佳蒸发温度和最佳冷凝温度进行了求解.

为提高系统效率,一些学者在简单ORC发电系统的基础上,加入了一个回热器,用来对热源的热量进行充分利用,从而提高循环效率[5].但也有学者指出,加入回热器并不总是能改善系统性能,有一定的工况要求[6-7].因此,在ORC发电系统中使用回热装置时,需考虑热源温度,如果热源温度较高,反而会使系统效率降低.

近年来,由于原有ORC发电系统的缺陷,新型ORC发电系统的研发成为热点.如顾煜炯等[8]在原有ORC发电系统的基础上,提出了一种吸收式热泵与ORC发电相结合的综合发电系统,并且以环己烷为ORC循环工质,对该系统进行了热力分析,论证了该方案的可行性.余廷芳等[9]设计了二次抽汽回热式ORC发电系统,并以R365mfc和R245ca为循环工质,采用REFPROP及 MATLAB软件,对系统的热力性能进行了计算,对比分析了在不同抽汽压力下,系统热效率及做功能力的大小.此外,还有抽汽-乏汽联合回热[10]、分级抽汽回热[11]、新型梯级换热[12]、双流体[13]等新型组合式ORC发电系统.这些新型系统在某种程度上确实对系统性能有较大改善,但与简单系统相比,结构较为复杂,实际应用较难实现.

以上研究大多基于理论分析,与实际相差较大,有条件的学者也进行了相关试验研究,如魏莉莉[14]以R142b为工质,设计了螺杆膨胀ORC试验系统,并通过试验验证了该系统的可行性,只是系统效率尚需进一步提高.魏新利等[15]对自主设计的ORC发电系统进行了试验研究,结果显示:蒸发器的不可逆损失最大.蒋子桓[16]应用正交试验法对ORC发电系统试验平台进行了优化设计,很好地解决了原有试验设计方法计算量大,数据处理困难等问题.

目前,国内对ORC发电系统的研究逐渐增多,从理论到模拟再到试验,相关学者从不同角度进行了大量分析研究,但研究与实际应用的脱节,使得ORC发电技术并没有很大突破.今后,需在理论、试验研究和实际应用之间建立好桥梁,以使更多的研究对生产应用起到真正意义上的指导作用.

1 ORC发电系统工作原理

低温余热ORC发电系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵等主要设备及相关辅助部件组成,如图1(a)所示.

理想的ORC发电系统包括定压加热(6s-1)、等熵膨胀(1-2s)、定压冷凝(2s-5)、等熵压缩(5-6s)四个主要的热力过程,如图1(a),(b)所示.由于膨胀、压缩等过程存在阻力损失,因此实际的膨胀及压缩过程并非等熵过程.如图中1-2为工质在膨胀机中膨胀做功的实际过程,工质膨胀输出功带动发电机发电;2-4为工质在冷凝器中放热,冷凝成饱和液体的等压放热过程;为保证进入泵的工质为液态,防止在泵中出现气蚀现象,增加了过冷过程4-5;5-6为工质在工质泵增压后变成高压液体;6-7为工质在预热器中预热过程;7-8为工质在蒸发器中吸收热源蒸汽热量的蒸发过程,8-1为工质在过热器中过热的过程;过热蒸汽再次进入膨胀机,进入下一个循环.此外9-12,13-16分别表示热源、冷源换热前后变化趋势.

图1 ORC发电系统示意图与T-S图Fig.1 Schematic diagram of ORC power generation system and T-S diagram

2 试验装置及设计

目前,对中高温余热热源(150 ℃以上)的ORC发电系统研究已较为成熟.由于中高温余热热源温度较高,实现热量的高效回收较为容易.相比于中高温热源,低温热源的温度较低,高效回收有一定的难度.目前对于低温热源ORC发电系统效率的提高仍未有较好的解决方案,试验研究也相对较少.为了更加深入地研究影响低温热源ORC发电系统性能的因素,搭建以90～150 ℃的低温工业余热为热源的ORC发电系统试验平台,以实现20 kW发电功率的输出为目标,并可实现蒸发温度在85～145 ℃、冷凝温度在35～45 ℃的变工况试验.

2.1试验系统整体设计方案

根据ORC发电系统的理论建模及热力分析,选取有机工质R245fa为系统循环工质,并在原有简单的理论循环系统基础上加入了预热装置和过热装置,并以锅炉蒸汽模拟工业余热给系统提供热量.

试验系统设计图与试验装置图,如图2和图3所示,其主要组成部件有:蒸发器、过热器、膨胀机、冷凝器、储液罐、工质泵和预热器,此外还有干燥过滤器、电加热负载以及参数测量等辅助设备.根据系统中流体的种类可将循环分成三部分:工质侧循环、热源侧(锅炉蒸汽)循环和冷源侧(冷却水)循环.

(1) 工质侧循环.工质在蒸发器中吸收蒸汽的热量蒸发为高压有机工质蒸汽,经过过热器过热后进入膨胀机;高温高压的有机工质蒸汽推动膨胀机叶轮做功,进而驱动发电机输出电功率;做完功后的乏汽直接进入冷凝器与冷却水换热,低温低压的液态有机工质从冷凝器中流出进入储液罐,多余的工质将储存在储液罐中,以供循环系统流量调节时备用;从储液罐出来的液体有机工质首先经过干燥过滤器,滤掉液体中杂质后再由工质泵加压送入预热器;经过预热后的工质再次进入蒸发器从而完成整个循环,并开始下一个循环.

(2) 热源侧(锅炉蒸汽)循环.系统热源采用锅炉提供的水蒸汽,为充分利用热源的热量,高温水蒸气先分成两部分,一部分进入过热器,另一部分直接进入蒸发器,在过热器与蒸发器中放热后,两部分蒸汽再次混合,一起进入预热器继续与温度较低的工质进行换热;蒸汽经过预热器进入凝结水箱,凝结为液态水,通过回水管道再回到锅炉完成蒸汽循环.

(3) 冷源侧(冷却水)循环.本试验台冷却水由试验台屋顶冷却塔提供.通过冷却水泵将冷却水加压送入冷凝器与工质进行换热.吸收工质热量后,冷却水温度升高,回到冷却塔放热后再次进入冷凝器,如此不断进行循环.

图2 低温余热ORC发电系统设计图Fig.2 Design diagram of low temperature waste heat ORC power generation system

图3 低温余热ORC发电系统试验装置图Fig.3 Experimental device diagram of low temperature waste heat ORC power generation system

2.2系统性能参数的控制

本试验台主要由透平膨胀机发电机组提供稳定的工况条件,比如:膨胀机进口压力、进口温度、出口压力、工质流量、膨胀机转速等,进而控制膨胀发电机组的发电量,可以研究进出口压力、膨胀机转速、工质流量对发电机组性能的影响,可通过测量所得参数对透平膨胀机的发电效率、膨胀效率及机械效率等进行计算评估.

温度和压力是整个系统中主要的测量参数,如图2所示,有10个温度测点,6个压力测点.除此之外,图中还有3个流量计FM1、FM2和FM3,分别测量工质流量、冷却水流量和凝结水流量.

2.2.1参数控制方法

本试验系统中蒸汽管路设置流量调节阀,控制膨胀机入口工质压力;过热器也使用蒸汽控制入口温度;通过冷却水的温度控制工质冷凝压力,即工质膨胀机出口压力;冷却水泵变频调节,控制冷凝器冷却水流量;工质泵变频调节,控制系统管路工质流量;为测量蒸汽侧的换热量,需稳定控制蒸汽流量,测量冷凝水流量,最后计算换热量.

蒸汽加热量、冷凝器放热量、膨胀机头发电量、冷媒泵功率计算其热平衡,用于判断系统测量的可靠性和工况的稳定性.

工况控制主要通过调节器控制执行器动作进行连续调节,调节器与电脑程序进行连线通讯.电脑程序给定调节器设定值,调节器根据偏差值(当前测量值与设定值之差)按一定的PID控制程序给出输出功率的百分比,以达到工况控制的目的.各参数的控制方法及设备如表1所示.

表1 参数控制方式Tab.1 Parameter control mode

2.2.2设备操作界面

本测试装置控制部分由触摸屏TK6000i+PLC人机接口实现,可控制动力设备的启停,同时,PLC与计算机通讯可实现设备状态的实时监测.设备启停操作主界面如图4所示.

图4 设备启停操作界面Fig.4 Start and stop operation interface for the system

2.2.3数据采集

本试验系统的测试软件在LabVIEW开发环境下开发并编译而成.该软件采用WINDOWS 7操作系统多窗口显示界面,可实现自动控制及数据处理,控制操作显示更加直观快速,在需要时也可切换至手动进行控制调节.可实现的功能包括:(1) 温度、压力、频率等数据的采集;(2) 可显示、打印和保存多种曲线,曲线坐标范围用户可任意设置,每点曲线数据可根据鼠标位置提示显示,自动生成测试报告;(3) 热电偶的辅助数据名称可由用户设定输入及保存,提高了数据的可读性,并方便了以后的查找;(4) 传感器性能可采用多点线性标定,标定数据可根据计量数据进行设定,并可存入测试结果数据库程序,便于测试报告、数据的查找.

打开软件后,可得到如图5～图7所示的系统采集界面、数据列表界面和曲线界面,3个界面可进行切换.其中系统采集界面可直观显示参数,方便观察与操作;数据列表界面显示测试台所有的测量数据、中间数据以及最终性能数据,方便用户进行数据查阅和计算;曲线界面可帮助用户来判断系统运行的稳定性.

图5 系统采集界面Fig.5 System acquisition interface

图6 数据列表界面Fig.6 Data list interface

图7 曲线界面Fig.7 Curve interface

3 结 论

本文完成了ORC发电系统的设计与搭建.其中包括:试验系统平台的总体设计、试验性能参数的测量方法与控制方案的设计以及试验设备操作与软件操作的简单说明.

(1) 试验平台的总体设计包括:工质侧循环、热源侧(锅炉蒸汽)循环和冷源侧(冷却水)循环等3个循环回路的设计.主要组成部件有:蒸发器、过热器、膨胀机、冷凝器、工质泵、预热器、储液罐和凝结水箱等,此外还有干燥过滤器、电加热负载以及参数测量等辅助设备.可实现蒸发温度在85～145 ℃,冷凝温度在35～45 ℃的变工况试验.

(2) 系统参数的测量主要包括:各主要部件进出口的温度和压力、冷热源和工质流量、膨胀机转速等.除此之外,提出了参数控制方案.

(3) 测试软件基于LabVIEW开发环境编译而成,实现了对试验系统进行自动控制及对试验数据的及时采集与处理;试验设备操作界面实现了对试验平台的便捷控制,极大地方便了试验操作.

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DesignofOrganicRankineCycle(ORC)PowerGenerationSystemExperimentPlatform

WANG Yonghong1,TAOLeren2,HUANGLihao2,SHENLing2

(1.Guangzhou Canlead Energy Conservation Technology., Ltd., Guangzhou 510220, China;2.Institute of Refrigeration & Cryogenics, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

At present,the industrial waste heat resources are rich in china.The rational use of waste heat resources will play a good role in promoting the reform of China's energy structure.Organic Rankine cycle(ORC) power generation technology is one of the most effective ways to improve the efficiency of energy utilization.Because of its simple structure,the wide range of heat souce temperature and high efficiency,ORC power generation technology has become one of the hottest topics in the field of waste heat recovery.In this paper,the theoretical analysis of low temperature waste heat ORC system and the research on working fluids have been conducted.Mean while,the design of low temperature waste heat ORC power generation system experimental platform has been completed.Besides,the power generation target is 20 kW and the expander is radial turbine.Moreover,the design of data acquisition and control system has been completed.The design of 20 kW(low power) radial turbine expands the application range of the low temperature waste heat ORC power generation system,and promotes the development of waste heat resources industry.

ORC(organic rankine cycle); waste heat; power generation system; experiment platform; design

2017-04-01

上海市重点实验室基金项目(13DZ2260900),上海理工大学博士启动经费(1D-16-301-007)

王永红(1976—),男,工程师. 研究方向: 制冷空调,强化传热等. E-mail: 157226556@qq.com

黄理浩(1983—),男,讲师. 研究方向: 制冷空调,强化传热等. E-mail: huanglihao1208@163.com

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