不同工质对有机朗肯循环系统的热力性能影响

(上海理工大学能源与动力工程学院 上海 200093)

有机朗肯循环(organic Rankine cycle, ORC)系统利用工业生产余热及废热作为热源，低沸点有机物作为循环工质，可以将低品位热能转换为高品位电能[1-4]。

对于有机朗肯发电系统，选择合适的工质是优化系统性能的基础[5-7]，常用于低温余热发电系统的工质有氟利昂、烷烃、混合有机物。

国内使用低沸点有机物作为循环工质，将低品位热能转换为高品位电能的技术起步较晚，相关文献较少。韩中合等[8]采用对比的方法分析了R600、R600a以及R245fa等9种工质对低温余热太阳能ORC发电系统性能的影响，得出当以R245fa作为工质时，系统总火用损失较小，热效率和火用效率较高，R236fa和R236ea也具有较为良好的热力性能。Guo T. 等[9]以换热面积和输出功作为评价指标，对低温地热的热电联产系统进行研究，发现R141b、E170、R600为适用工质。王辉涛等[10]采用火用分析法分析了10种有机工质对中低温地热有机朗肯循环发电系统热力性能的影响，得出在中低温地热有机朗肯循环发电系统中，R227ea为最佳工质。

国外对有机朗肯循环发电系统的理论研究主要集中于工质选择。V. Maizza等[11]以循环热效率作为评价指标，对20种不同工质进行分析，发现系统循环热效率均随着各工质冷凝温度的降低而提高。Dai Yiping等[12]在余热温度为145 ℃的系统中对有机工质进行热力分析，得出R236ea为ORC最佳工质。R. Rayegan等[13]针对太阳能ORC发电系统，在蒸发温度分别为80 ℃和130 ℃两种工况下，对117种工质进行了对比研究。M. Khennich等[14]在以100 ℃低温工业余热回收为前提下，分别将ORC系统输出功率最大和换热器的总热导率最小作为研究目标，对5种工质进行对比，结果表明R141b作为循环工质时，系统综合性能最优。M. Chys等[15]采用优化算法对R601a/R600a等11种混合工质的最佳组分分别进行研究，结果表明特定组合的混合工质比纯工质的输出功率更高。H. C. Jung等[16]通过对混合工质R601a/R600a研究分析，同样得出混合工质输出功率更高。

综上所述，工质选择时，系统的评价性能指标众多，大部分学者在选取最佳工质时，一般选取2或3个作为评价性能指标，但仍不能全面的反应系统的综合性能。因此，本文以有机物R11、R123、R245fa、R600及R600a作为有机朗肯循环工质，在给定温度的低温余热热源前提下，选取循环比功、比净功、系统热效率、系统火用损失作为性能参数，分别在蒸发温度为85～145 ℃，冷凝温度为25～45 ℃对系统进行热力分析。

1 实验原理及操作

1.1 实验原理

有机朗肯循环是以低沸点有机工质为循环工质的朗肯循环。低温余热有机朗肯循环发电系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵等主要设备组成，原理如图1所示，温熵图如图2所示。

图1 有机朗肯循环工作原理

图2 有机朗肯循环T-S图

理想的有机朗肯循环系统包括等压加热、等熵膨胀、等压冷凝、等熵压缩4个主要热力过程。有机工质在工质泵的动力作用下进入蒸发器经高温热源等压加热，生成高温高压的有机蒸气，随后高压蒸气进入透平实现等熵膨胀，带动发电机发电。膨胀后的低压蒸气进入冷凝器与冷源换热完成等压冷凝，变为低温低压的液态由工质泵吸入后实现等熵压缩，重新进行下一次循环。

1.2 实验操作

低温热蒸汽有机朗肯循环系统如图3所示。系统加热热源为2 MPa饱和蒸气，是系统运行的动力来源。蒸气加热有机工质，使其蒸发，变成高温高压的气体，经过过热器，保证进入机头工质蒸气不带液，高温高压气体驱动膨胀机旋转，并带动发电机发电后，进入冷凝器，被冷却水降温冷凝成液体工质。再通过工质泵将其运输到蒸发器中再次蒸发，重复循环。表1所示为实验装置参数范围。

表1 实验参数范围

图3 低温热蒸汽有机朗肯循环系统

蒸气管路设置流量调节阀，控制膨胀机入口工质压力；过热器使用蒸汽控制入口温度；冷却水的温度控制工质的冷凝压力，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；冷媒泵通过变频调节控制系统管路工质流量；为获得蒸气侧的换热量，需稳定控制蒸气流量，测量冷凝水流量，最后计算换热量。

2 实验分析

2.1 循环分析基本方程

整个系统包括汽轮机、冷凝器、工质泵、蒸发器等其他系统辅助部件，其理论循环温熵图如图2所示，式中出现的各个状态点已在图2中标出。

1) 工质等压吸热过程(6-7-1)

液态低沸点有机工质在蒸发器中与热源装置提供的蒸汽进行换热，得到过热蒸气。实验前对蒸发器进行热平衡标定，换热量等于工质质量流量和进出口焓差的乘积。蒸发器换热量为：

(1)

蒸发器中，工质和热源废热进行换热，火用平衡方程为：

E6+EH=E1+Ie

(2)

式中：E6为蒸发器工质侧入口火用，kJ；EH为热源提供的热量火用，kJ；E1为蒸发器工质侧出口火用，kJ；Ie为蒸发器的火用损失，kJ。

根据火用和热量火用定义，可得：

(3)

(4)

(5)

将式(3)～式(5)代入式(2)，整理得：

(6)

式中：ΔTevp为蒸发器中传热温差，℃；TH为高温热源温度，℃；T0为环境温度，℃。

2)汽轮机实际做功过程(1-2)

汽轮机的等熵效率：

(7)

汽轮机输出功：

(8)

汽轮机的火用平衡方程：

E1=E2+Ws+Iq

(9)

式中：E1为蒸发器工质侧出口(即汽轮机入口)火用，kJ；E2为汽轮机出口火用，kJ；Ws为汽轮机输出功，kJ；Iq为汽轮机的火用损失，kJ。

(10)

将式(4)、式(8)、式(10)代入式(9)，整理得：

(11)

3)工质等压冷凝过程(2-5)

冷凝器换热量：

(12)

冷凝器中火用平衡方程：

E2=E5+Ec+Ic

(13)

式中：E5为冷凝器出口工质侧的火用，kJ；Ec为冷凝器中工质向冷源向冷源释放出的热量火用，kJ；Ic为冷凝器的火用损失，kJ。

根据火用和热量火用定义，可得：

(14)

(15)

式中：ΔTcon为冷凝器中的传热温差，℃；Tc为低温冷凝热力学温度，℃。

将式(10)、式(14)、式(15)代入式(13)：

(16)

4)工质泵压缩过程(5-6)

工质泵消耗的功率：

(17)

工质泵的火用平衡方程：

E5=E6+Wp+Ip

(18)

工质泵压缩过程火用损失：

(19)

系统净发电量：

Wnet=Ws-Wp

(20)

根据热力学第一定律，系统的热效率为：

(21)

系统总火用损失：

Isys=Ie+Iq+Ic+Ip

(22)

系统火用：

Esys=Isys+Wnet

(23)

系统火用效率：

(24)

2.2 实验结果及分析

有机工质的热物性对低温有机朗肯循环系统热力性能有很大影响，综合有机工质的各种性能特点筛选出最佳有机工质，使有机朗肯循环具有较优的循环特性及较高的经济性，从而提高低品位热能的阶梯利用效率。根据国内外对有机朗肯循环工质的研究，总结分析了R123、R245fa、R11、R600、R600a这5种有机工质，其工作参数如表2所示，热源类型为低温余热蒸气。

图4所示为冷凝温度为35 ℃时，蒸发温度对系统性能的影响。比净功指单位质量工质所做的功，由4(a)可知，冷凝温度一定，随着蒸发温度的升高，各工质的比净功逐渐升高，但增加速度减慢。根据式(19)和式(20)可知，随蒸发温度的提高，膨胀机对外做功逐渐增加，但泵的功耗也随之增加，且泵功耗的增加速度高于膨胀机对外做功的增加速度，因此在两者的基础上，工质的比净功出现增长趋势越来越慢的现象。但个别工质在蒸发温度增至其临界温度时，比净功会有所下降，如R600、R600a、R245fa分别在蒸发温度为135、123、132 ℃以后比净功出现减小的趋势，这是由于工质在临界温度时其热力特性发生变化造成的。因此，当以最大比净功作为评价性能指标时，选取R600a作为循环物质最优，R600次之。

表2 计算参数设定值

系统热效率等于输出功和吸热量的比值，由图4(b)可知，冷凝温度一定，随着蒸发温度的升高，系统热效率逐渐增加，且增加速率越来越小。根据式(1)、式(20)及式(21)可知，随着蒸发温度的升高，单位质量的工质吸热量和净功均有所增加，但净功的增加速度低于吸热量的增加速度，故系统热效率出现增长速度越来越慢。但工质R600、R600a、R245fa分别在蒸发温度为135、123、132 ℃以后比净功出现减小的趋势，根据系统热效率的定义可知，系统热效率随之降低。因此，当以最大系统热效率作为评价性能指标时，选取R11作为循环物质最优，R123次之。

工质的循环功比表示有机朗肯循环净输出功与系统膨胀机输出功的比值，其大小说明了循环功量的利用率，即当循环功比越大时，系统的循环功量利用率越高。由图4(c)可知，循环功比随蒸发温度的升高而下降。根据式(19)可知，随着蒸发温度的升高，工质泵功耗也随之增加。因此，当以最大循环功比作为评价性能指标时，选取R11作为循环物质最优，R123次之。

图4 蒸发温度对系统性能的影响(Tc=35 ℃)

图5 冷凝温度对系统性能的影响(Te=125 ℃)

系统火用效率等于输出功和总能的比值。由图4(d)可知，随着蒸发温度的升高，各工质的系统火用效率先增大后减小，即各工质均存在一最佳蒸发温度使系统火用效率取得最大值。根据式(24)可知，系统火用效率与净输出功和火用损失有关，当蒸发温度升高时，净输出功和火用损失均增加，所以在两者的综合作用下，系统火用效率出现先增大后减小的趋势。因此，当以最大系统火用效率作为评价性能指标时，选取R600作为循环物质最优，R245fa次之。

图5所示为蒸发温度为125 ℃时，冷凝温度对系统性能的影响。由图5可知，随着冷凝温度的升高，比净功、系统热效率、循环功比和系统的火用效率均下降。当蒸发温度不变时，随着冷凝温度的升高，系统的输出功减少，泵功耗增大，冷凝器的传热温差增大，不可逆损失增大，所以各项指标均出现下降的趋势。

3 结论

工质的选择对有机朗肯循环系统热力性能的提高具有重要意义，本文结合有机工质的环保性、热物性及系统热经济性对工质进行综合评价，结果表明：

1)选取有机物R11、R123、R245fa、R600及R600a作为循环工质，以冷凝温度和蒸发温度为变量进行对比分析。得出仅考虑系统的热经济性，选取制冷剂R11为最佳，但R11对大气臭氧层破坏严重，不宜取用；若综合考虑工质的环保性及热物性，选取制冷剂R600为最佳，且R600的火用效率最高，不可逆损失最少。

2)当冷凝温度一定时，系统性能曲线表明存在一最佳蒸发温度，使系统达到最优值，且该最佳蒸发温度出现在110～140 ℃区间内；当蒸发温度一定时，系统综合性能基本随着工质冷凝温度的升高而下降。因此，为优化系统，选取蒸发温度为110～140 ℃，冷凝温度为25 ℃最佳。