低温余热利用有机朗肯循环系统工质选择研究

2020-05-25陈瑜倪卫洁中国质量认证中心南京分中心

节能与环保 2020年4期

文_陈瑜倪卫洁中国质量认证中心南京分中心

我国是一个能源消耗大国，但是能源利用率相对较低，单位产值能耗比世界平均水平高2.4 倍, 能源效率比国际先进水平低10%。据估计，我国工业余热资源中约60%可回收再利用，特别是低温余热（余热温度＜250℃）资源的回收利用受到了越来越多的重视。有机朗肯循环（ORC）技术能有效回收低温工业余热，全世界目前已有超过4000 余套ORC 装置，并且已生产出了单机容量为14MW 的ORC 发电机组。ORC 系统以低沸点有机物或有机混合物为循环工质，其循环特性受工质物性控制，直接影响ORC 系统热效率。按照T-S 图饱和蒸汽曲线斜率，工质可分干工质（dT/dS＞0）、等熵工质（dT/dS ≈0）和湿工质（dT/dS＜0）。工质液体定压比热cp、蒸发潜热γ以及饱和蒸汽线斜率dT/dS 是影响ORC 循环性能的主要参数。Tchanche et al.认为拥有较大液体定压比热以及蒸发潜热的工质更适合于ORC 系统，Yamamoto et al.则建议应选择较低蒸发潜热的工质，而Maizza et al.、Badr et al.、Chen et al.等认为应选择拥有较大的液体定压比热以及较小的蒸发潜热的工质。可以看出，不同学者提出的工质选择原则并不一致，甚至有些相反的结论，且没有明确工质过热是否对系统效率有影响。鉴于此，本文针对ORC 系统工质的选择，通过理论分析得出了一些选择原则。

1 ORC系统工质初选

工质初选主要考虑较低的ODP、GWP 以及ALT，在ORC系统正常操作温度范围内不会分解，不能损坏设备材料以及与润滑油反应，安全无毒、没有辐射、不易燃以及较低的成本。本文初选5种工质（表1），其中R152a 为湿工质；R245fa，R601a 为干工质；R600a，R141b 则为等熵工质，物性参数来自REFPROF 8.0。

表1 工质物性参数

2 ORC系统热力学分析

图1 所示为ORC 系统流程图以及工质T-S 图，ORC系统主要由工质泵、蒸发器、膨胀机以及冷凝器组成。ORC系统以低沸点有机物或者混合物为循环工质，工质在蒸发器中获得热量蒸发为饱和或者过热蒸汽，推动膨胀机做功，乏气在冷凝器中冷凝，由工质泵再输送至蒸发器完成循环。对于传统朗肯循环，蒸汽过热会提高系统热效率，但低温ORC 系统还需进一步研究。假设系统稳定运行、管道以及换热设备中压降为0、忽略热损，通过热力学分析可得：

其中，We,act和Wp,act为膨胀机和工质泵实际输出功，mwf为质量流量，Qev为吸热量，ηe,is为膨胀机等熵效率，ηg为发电机机械效率，ηp,is为循环泵等熵效率，TH和TL分别为平均热源、冷源温度，分别为过热蒸汽在膨胀机进口和出口焓增。

图1 (a) ORC 系统原理

3 结果与讨论

3.1 工质过热对系统热效率的影响

图2 所示为三种类型工质ORC系统热效率与膨胀机进口温度的关系，其中工质冷凝温度35℃，环境温度25℃，蒸发器传热节点温差10℃，冷凝器传热节点温差5℃，膨胀机进口温度即反映了过热度的影响。随着工质过热度增大，湿工质R152a 的热效率呈直线上升趋势，且工质压力越高，上升趋势越明显；等熵工质R141b 的热效率基本没有影响，仅在工质压力足够高时才有轻微提升；而干工质R601a 的热效率直线下降。

图2 ORC 系统热效率与膨胀机进口温度关系

3.2 工质过热对系统火用效率的影响

图3 所示为湿工质ORC 系统火用效率与膨胀机进口温度的关系，系统参数与上述一致。可以看出，火用效率均随着工质过热度增大而呈下降趋势。虽然增大过热度对湿工质的热效率有一定提高，但并不是太明显，如R152a 在P4=0.4Mpa 和P4=2.8MPa 时，热效率随过热度增大仅仅分别从4.57%上升到4.90%、 20.28%上升到21.28%，但火用效率则下降了77.9%和12.23%。因此在低温余热范围内，湿工质ORC 系统热效率随着过热度的提高而缓慢增加，特别是工质压力较高时；等熵工质ORC 系统热效率随着过热度的提高而基本保持不变；干工质ORC 系统热效率随着过热度的提高而下降；而随着过热度的增大，三种工质火用效率均明显下降。从ORC 系统效率角度来说，低温ORC 系统工质不适合进行过热处理。

图3 ORC 系统火用效率与膨胀机进口温度关系

3.3 ORC系统工质选择原则

基于上述结论，工质在膨胀机进口应保持饱和状态。在相同蒸发温度或者膨胀机进口温度条件下，随着工质临界点温度的上升，系统热效率呈缓慢增高趋势，但5 种工质的热效率差别不大。因此对于低温余热ORC 系统，在相同蒸发温度时，工质的选择应主要考虑热源温度水平。必须说明的是，并不能认为系统热效率高的工质就一定适合低温ORC 系统，如水，其热效率远高于本文的5 种有机工质，但是其输出功则明显要小很多。为了分析物性参数对热效率的影响，在此定义φ=cp/γ，如图4 所示，在相同温度下，工质临界温度越大，则φ值越小。在相同膨胀机进口温度下，工质φ值越大，系统热效率越小，即具有较小定压比热和较大蒸发潜热的工质，其热效率更好。换句话说，在相同膨胀机进口温度下，采用较小定压比热以及较大蒸发潜热工质的ORC 系统，其热效率较高。