寒冷地区有机朗肯循环系统试验运行特性

2022-09-05甄泽康赵文可张亚宁李炳熙

江苏大学学报（自然科学版） 2022年5期

刘健，甄泽康，赵文可，张亚宁，李炳熙

(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

有机朗肯循环(organic Rankine cycle，ORC)是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，常被应用在中低温热能高效利用领域.相较于常规的水蒸气朗肯循环，有机工质在膨胀做功时从高压到低压始终保持干燥状态，负荷波动能力强，能更有效地适应运行功率的波动.并且，有机工质的比容比水蒸气要小，膨胀机以及排气管道的尺寸可以大大减小.在低及中等焓热的利用方面，ORC系统中泄压系统、超温报警系统及先进自控系统的设置同样也能为安全运行提供更多保障.

工质是ORC系统的“血液”，不同的充注工质直接影响着ORC运行性能，因此有很多学者采用不同类型的工质开展了ORC试验研究.韩国高丽大学的J.OH等[1]搭建了1 kW的ORC试验系统，充注工质R245fa后，对工质的热力性能进行了试验研究.台北国立科技大学的LI Y.M.等[2]也对R245fa工质的热力性能开展了试验相关研究，得知该工质热力性能优异.江苏大学的FENG Y.Q.等[3]搭建了3 kW的ORC试验系统，充注了工质R123，研究了润滑油对膨胀机性能的影响.目前，国内外ORC试验系统中充注的有机工质主要有R245fa、R123等，其中有机工质R245fa因其热力性能优异且稳定等特点得到广泛应用.

在ORC系统运行时，不同冷热源条件对于系统的发电性能影响也很大，因此很多学者针对不同冷热源条件下的ORC系统进行了相关试验研究[4].广东工业大学的CHEN J.Y.等[5]和ZHENG X.S.等[6]对130 ℃热源和30 ℃冷源条件下的ORC系统进行了试验研究，分别得到了7.3%和4.8%的热效率.北京航空航天大学的LI L.等[7]对135～166 ℃热源条件下的ORC系统开展了试验研究.布鲁内尔大学的M.USMAN等[8]对120 ℃热源温度下的ORC系统进行了试验研究，并得到了8.9%的热效率.目前大多ORC系统的热源运行温度在80～166 ℃，而冷源的运行温度在20～30 ℃，如表1所示.

表1 ORC试验系统的运行工况及性能

应用于ORC的大多数工质在常压下的饱和温度一般在10～20 ℃，而较高温度的冷却水使得系统运行时的冷凝压力会高于常压，这并未完全发挥出低沸点有机工质的优势[9].在北方寒冷地区如哈尔滨，全年平均温度在0～11 ℃，冷源优势明显.基于此，笔者在寒冷地区哈尔滨搭建了ORC试验系统，并对79.0～113.6 ℃热源和6.4 ℃冷源条件下的运行性能进行相关研究.同时，对比讨论ORC系统在不同地区(台北和哈尔滨)运行时的性能差异，阐述该系统在寒冷地区运行的优势.

1 ORC试验系统

1.1 试验台搭建

图1为在哈尔滨搭建的ORC试验系统实物图.

图1 ORC试验系统实物图

该试验系统由热源、有机工质和冷源这3个环路组成.热源环路主要包括热煤油加热器、输油泵以及热媒油TOTAL SERIOLAK 3120；有机工质环路主要包括蒸发器、涡旋式膨胀机、发电机、工质泵、冷凝器、储液罐以及循环工质R245fa；冷源环路主要包括冷却水和冷水泵.为了防止未蒸发的液态工质进入膨胀机损坏机组寿命，笔者在膨胀机的入口处设置旁通路[10].同时，在蒸发器的出口处设置了2 MPa的自动泄压阀，为机组的安全运行提供了保障.其中，试验部件参数以及各流体的种类及物性参数见表2.

表2 试验部件参数及各流体的种类及物性参数

当ORC系统正常运行时，工质首先在蒸发器中被加热，直到处于过热蒸汽状态后关闭旁通阀进入膨胀机.此时高温高压的工质蒸气驱动涡旋式膨胀机做功，并通过联轴器带动发电机发电.膨胀机做功后的工质乏气进入冷凝器中被冷却水冷却成过冷液体状态.之后，过冷液态工质进入储液罐内，经过工质泵的驱动返回到蒸发器中被加热，完成整个循环.为了实时地监控系统各状态点的运行特性，分别在机组各个部件的进出口处安装了温度和压力传感器.

1.2 ORC热力过程

图2为ORC的热力过程.

图2 ORC的热力过程图

图2的热力过程基于热力学第一定律、热力学第二定律以及如下假设条件：各个温度压力测点的安装位置十分接近热力过程中指示的状态安装位置，忽略系统中各管路的温度、压力损失等.对比哈尔滨和台北的运行工况发现，在哈尔滨6.4 ℃冷却水运行工况下的冷凝温度明显低于台北(冷却水温度为30.8 ℃).文中ORC系统在台北的运行数据源自厂家的测试数据，真实可靠.另外，文中主要的热力过程参数定义如下.蒸发温度te和冷凝温度tc的定义式为

te=(t7+t8)/2,

(1)

tc=(t3+t4)/2.

(2)

轴功Ws[11]和净输出功Wnet的定义式为

Ws=(T·n·2π)/60 000,

(3)

Wnet=Ws-Wp,

(4)

功电转换效率ηp,e的定义式为

ηp,e=Ws/Pe,

(5)

式中：T、n、Wp分别表示转矩、转速和泵功耗；Pe表示发电功率，数据由电功率表采集.

2 结果与讨论

文中设置哈尔滨ORC机组的蒸发温度分别为65.3、72.1、78.0、81.3、86.7 ℃，其对应的工质流量分别为0.023、0.047、0.081、0.057、0.067 kg·s-1.

2.1 冷凝温度

图3是ORC系统在哈尔滨和台北(冷却水温度分别为6.4、30.8 ℃)运行工况下，其冷凝温度随蒸发温度的变化情况.

图3 ORC系统冷凝温度随蒸发温度的变化

由图3可见，在哈尔滨6.4 ℃冷却水运行条件下，当蒸发温度从65.3 ℃提升到86.7 ℃时，冷凝温度从13.0 ℃升高到了21.0 ℃;而在台北30.8 ℃冷却水运行条件下，当蒸发温度从66.1 ℃升高到86.8 ℃时，冷凝温度从32.1 ℃升高到了36.1 ℃.相比较台北30.8 ℃冷却水运行条件，在哈尔滨ORC运行冷凝温度最低为13.1 ℃，远低于台北运行冷凝温度.由热力学第一定律可得热效率会随着冷凝温度的降低而升高.

2.2 净输出功

图4为ORC系统在哈尔滨和台北(冷却水温度分别为6.4、30.8 ℃)运行工况下，其净输出功随蒸发温度的变化情况.

图4 ORC系统净输出功随蒸发温度的变化

由图4可见，在哈尔滨6.4 ℃冷却水运行条件下，当蒸发温度从65.3 ℃提升到86.7 ℃时，净输出功从0.31 kW升高到了1.65 kW；而在台北30.8 ℃冷却水运行条件下，当蒸发温度从66.1 ℃升高到86.8 ℃时，净输出功从0.24 kW升高到1.30 kW.该系统在哈尔滨运行的净输出功始终高于台北，当蒸发温度为65.0 ℃时，净输出功相差最小；而在蒸发温度为78.0 ℃时，净输出功相差最大.相比台北，在哈尔滨ORC系统运行的最高净输出功为1.65 kW，这比台北运行的最大净输出功(1.30 kW)高了0.35 kW(26.9%).由式(3)和(4)可知，净输出功与膨胀机的转速以及工质泵的功耗有关.随着蒸发温度的增加，膨胀机的转速和转矩增加，因此轴功和净输出功增加.

2.3 发电量

图5为ORC系统在哈尔滨和台北(冷却水温度分别为6.4、30.8 ℃)运行工况下，其发电量随蒸发温度的变化情况.

图5 ORC系统发电量随蒸发温度的变化

由图5可见，在哈尔滨6.4 ℃冷却水运行条件下，当蒸发温度从65.3 ℃提升到86.7 ℃时，发电量从0.49 kW升高到1.44 kW；而在台北30.8 ℃冷却水运行条件下，当蒸发温度从66.1 ℃升高到86.8 ℃时，发电量从0.25 kW升高到1.10 kW.同样，该系统在哈尔滨运行的发电量始终高于台北，当蒸发温度为65.0 ℃时，发电量相差最小；而在蒸发温度为78.0 ℃时，发电量相差最大.相比台北，在哈尔滨ORC系统运行的最高发电量为1.44 kW，这比台北运行的最大发电量(1.10 kW)高了0.34 kW(30.9%).

2.4 功电转化效率

图6为ORC系统在哈尔滨和台北(冷却水温度分别为6.4、30.8 ℃)运行工况下，其功电转化效率随蒸发温度的变化情况.

图6 ORC系统功电转换效率随蒸发温度的变化

由图6可见，在哈尔滨6.4 ℃冷却水运行条件下，当蒸发温度从65.3 ℃提升到86.7 ℃时，ORC的功电转化效率从62.4%升高到70.9%；而在台北30.8 ℃冷却水运行条件下，当蒸发温度从66.1 ℃升高到86.8 ℃时，功电转化效率先从53.1%升高到70.8%后下降到68.3%.当蒸发温度为82.0 ℃时，在哈尔滨ORC的功电转化效率略低于台北运行效率；而在其他蒸发温度下，前者的功电转化效率均高于台北.其中，在蒸发温度为86.0 ℃左右时，在哈尔滨ORC的功电转化效率最大为70.9%，这比台北的运行效率(68.3%)高了3.8%.