基于有机朗肯循环的热电联供系统

梁 钰，徐东海，白 玉

(1.西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室，陕西 西安 710049；2.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710018)

能源的高效利用在世界各国发展中具有重要的地位.我国工业余热资源丰富，约占燃烧消耗总量的17%～67%，可回收率达60%[1].对中低温工业余热资源进行回收发电可大大提高能源利用率.有机朗肯循环(ORC)与传统蒸汽循环相比更适合低温热源，被广泛认为是一种有效的低温余热发电技术[2].

Eyerer S提出一种有机朗肯循环-热电联产系统和控制策略，并证明系统在发电和产热方面非常灵活[3].循环工质和系统参数对有机朗肯循环热效率至关重要.Matthew O和Kolasinski P都对不同情况下的最佳工质选择进行了研究[4-5]，Goyal A等则选择优化有机朗肯循环各项参数[6-7].国内许多高校与企业也针对循环参数展开了研究，如北京工业大学研究了环境温度、冷凝温度和冷凝器工质侧压降因素对有机朗肯循环系统性能的影响[8]、重庆理工大学将有机朗肯循环发电用于内燃机烟气余热回收，并进行工质选择及参数匹配[9]、河北大学选择参数以达到系统的最佳经济性工况[10]，此外其他机构也致力于通过实验和模拟优化有机朗肯循环发电系统[11-12].

但大部分研究与应用中，有机朗肯循环实际发电系统效率低于实验值，运行范围窄，成本高.本文针对中低温的工业余热，选择工质进行余热发电，提出两级有机朗肯循环热电联供模式及其调控方法，提升系统的余热利用率与应用范围.

1 有机朗肯循环系统热力学分析

有机朗肯循环是以低沸点有机物为工质的朗肯循环.根据循环蒸发压力及冷凝压力与工质临界压力的相对大小，可将有机朗肯循环分为亚临界有机朗肯循环、超临界有机朗肯循环和跨临界有机朗肯循环，如图1所示.由于跨临界有机朗肯循环蒸发压力高于工质临界压力、超临界有机朗肯循环蒸发压力和冷凝压力都高于工质临界压力，所以对系统换热器、膨胀机及管道的要求更高，设备成本较高[13].因此，亚临界有机朗肯循环使用更为广泛.

图1 有机朗肯循环类型图2 有机朗肯循环系统基本组成示意图

图3 有机朗肯循环T-S图

基本ORC系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵组成，如图2所示.在蒸发器(2～3)中，工质进行等压加热，热源的热量传至工质；蒸发后的过热工质蒸气进入膨胀机(3～4)，进行绝热膨胀并带动发电机发电；膨胀后的工质进入冷凝器(4～1)进行等压放热，将热量传递给冷却水；最后工质再通过工质泵(1～2)绝热压缩后回到蒸发器.

ORC系统T-S如图3所示，各过程热力学参数计算如下：

蒸发过程中工质吸收热量

Φ2-3=q(h3-h2)=Φ5-6=qm(h5-h6)，

(1)

公式中：Φ2-3为蒸发器中工质吸收的热量；Φ5-6为蒸发器中热源放出的热量；qm为热源质量流量；h5、h6分别为热源经过蒸发器 前后的焓值；q为工质的质量流量；h2、h3分别为蒸发器入口和蒸发器出口处工质的焓值.

实际膨胀过程中，工质无法绝热膨胀，设实际膨胀过程的热效率为ηe，工质所作实际功

We=He×q=(Hes×ηe)×q=(h3-h4s)×ηe×q，

(2)

公式中：We为工质所作实际功；Hes为工质绝热膨胀焓降；H4s为工质在绝热膨胀做功后的焓值；He为工质实际焓降.

同样，冷凝过程中工质放出热量

Φ4-1=q(h4-h1)，

(3)

公式中：Φ4-1为冷凝器中工质放出的热量；h1为在冷凝器出口处工质的焓值.

压缩过程中，设实际膨胀过程的热效率为ηp，冷凝过程中工质放出热量

Wp=(h1-h2s)×ηp×q，

(5)

公式中：Wp为工质所作实际功；h1s为工质在绝热膨胀做功后的焓值.

理论循环热效率

(5)

实际循环热效率

(6)

由公式(6)可知，系统实际循环热效率由h1、h2、h3、h4决定，而工质在不同热力过程中的焓值h1、h2、h3、h4由工质的物性参数、系统的蒸发温度、冷凝温度、过冷度、过热度等决定，所以工质的选择和系统重要参数的设定直接影响有机朗肯循环系统的热效率.工质参数的重要影响主要包括：随着蒸发温度的升高，膨胀机的输出功率、系统热效率有较大的增幅，系统性能明显提高；降低冷凝温度，可以提高压缩机的制冷量，减少功率消耗，从而提高制冷系数，提高运行的经济性；过冷度增大，工质经泵增压后进入蒸发器时的温度低，蒸发器吸热量增大，而膨胀机输出功率降低，热效率降低；过热度的提高不仅系统性能改善不明显，反而对设备的性能提出更高的要求.

此外，膨胀机无法实现完全绝热膨胀，其等熵效率也会影响ORC系统的性能.系统的热效率和效率均随膨胀机等熵效率的增大而升高.膨胀机等熵效率由膨胀机的性能决定，一般约为60%～85%.

2 有机朗肯循环工质选择

循环工质是影响ORC系统性能的重要因素之一，选用不同的有机工质时，ORC系统的性能有很大差异.工质的选择应该在无毒、不易燃、不易爆、化学性质稳定、环保的基本前提下，选择物化性质有利于提高ORC系统热能利用效率的工质[14].常用的工质包括：(1)R22、R123、R141b等含氢氯氟烃类物质，这类工质对臭氧具有破环性，不建议使用；(2)R227ea、R236ea、R245ca和R245fa等不含氯原子的氢氟烃类物质；(3)R600、R600a、R601、R601a等烷类工质，热力性能、环保性能较好，但易燃易爆.相对而言，不含氯原子的氢氟烃类工质和烷类工质环保性相对较好，是未来有机工质的发展趋势[13].工质选择具体考虑如下因素：

(1)等熵工质或干工质，如图4所示.根据工质T-S图中饱和蒸汽线的不同，工质被分为干工质、等熵工质和湿工质三种类型.在工质绝热膨胀过程中，如果工质过热度较低，湿工质的绝热膨胀过程会穿过气相、液相区，即会产生液滴，对叶片造成打击和磨损[15].因此，通常选用等熵工质或干工质作为有机朗肯循环的工质.

(2)沸点、临界温度、临界压力.系统蒸发温度和冷凝温度会影响系统效率，所以工质的沸点必须充分考虑.工质的临界温度与临界压力会直接影响系统的循环类型和运行参数，选择合适的临界参数能在实现高循环热效率的情况下最大程度地降低对设备的要求和损害.

(3)工质的臭氧消耗潜值、全球变暖潜能值、毒性与可燃性.臭氧消耗潜值是一种物质破坏臭氧层的一个指数.全球变暖潜能值是一种物质产生温室效应的一个指数.工质的环保性主要体现在这两个参数上.工质的毒性与可燃性与设备和操作的安全性息息相关，为防止工质泄露在工作环境中对工作人员造成伤害，应选取低毒性、低可燃性的工质.

(4)工质的比热、汽化潜热、导热系数、粘度.

图4 不同工质的T-S图

工质的热物理性质会在不同程度上影响系统的循环效率和运行成本.如选用比热小的工质，可适当地减小冷凝器的换热负荷，这将有助于减少冷凝器换热面积和投资费用；使用气化潜热大的工质可提高余热回收效率；工质导热系数越大，需要换热面积越小，设备的造价会越低；粘度小的工质，管路损失小，而且不容易堵塞一些细小部件.

工质的干湿性、沸点、临界参数、环保性需要在初选参数时格局系统的参数范围选择，常用R123、R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601和R601a等工质的相关物性参数如表1所示[13，16].

表1 备选工质的物性参数

表1工质中，环保性与安全性更为优异的工质有R236ea、R245fa.其中R245fa被验证性能较好，可用于现有R123机组，这将有利于蒙特利尔协议将R123淘汰后新工质的广泛应用.本系统选用R245fa作为有机朗肯循环系统的循环工质.

3 热电联供系统方案

有机朗肯循环系统在低温热源下热循环效率较高，但系统自我调节性相对较差，对热源稳定性要求较高.余热温度和流量的变化可能导致系统性能出现发电效率过低或系统设备故障等问题；中高温热源下相对于蒸汽朗肯循环效率优势不明显，甚至低于蒸汽朗肯循环.本文提出一种两级有机朗肯循环的热电联供系统.一方面以优先供电的方式稳定有机朗肯循环的热源，同时在中温热源下提高系统的温度应用范围.

1.热源分配及控制系统；2.供热系统；3.一级有机朗肯循环系统；4.二级有机朗肯循环系统图5 热电联供系统示意图

本系统包括4个子系统：热源分配及控制系统、供热系统、一级有机朗肯循环发电系统和二级有机朗肯循环发电系统，如图5所示.热源通过热源分配及控制系统进行分配，优先将稳定足量的热源输入一级有机朗肯循环发电系统发电，剩余热源进入供热系统供热.从一级有机朗肯循环发电系统和供热系统中输出的热源再进入二级有机朗肯循环发电系统补充发电.

系统的热电联供是由热源分配及控制系统通过分配热源实现的.它由两个热源分配电磁阀、控制计算机、两个温度传感器、流量计组成.温度传感器1和流量计探测热源温度、流量，温度传感器2探测一级有机朗肯循环发电系统出口温度.控制计算机接受温度传感器反馈的温度和流量，根据供电需求控制分配电磁阀工作，分配进入供热系统和一级有机朗肯循环发电系统的热源流量.热源分配及控制系统的分配与控制策略为优先提供稳定发电量，热源主要流入一级有机朗肯循环发电，剩余热源进入供热系统.

在不同温度热源情况下，为保护有机朗肯循环发电系统的工作安全，并提高余热回收利用系统的效率，加入二级有机朗肯进行补充发电.当热源温度较低(≤300 ℃)时，供热系统与一级有机朗肯 循环发电系统回收热源的大部分能量，这时换热后的热源温度较低，剩余热量难以利用，二级有机朗肯循环发电系统关闭.当热源温度较高(300 ℃～600 ℃)时，从供热系统与一级有机朗肯循环发电系统出来的热源温度较高，剩余热量可通过二级有机朗肯循环补充发电.

本系统方案拟用于某天燃气处理厂天然气燃驱压缩机的烟气余热回收，可根据热源的变化，选择一级或两级回收利用.其中一级换热得到稳定发电量，同时还可以可根据供电需求变化，以电定热优先满足电负荷.通过热源分配及控制系统优先满足供热系统的电负荷，实现更优的热电联供比例.在中温热源下，剩余热量再通过二级有机朗肯循环发电系统进行发电，实现更高效的余热回收利用.通过对比计算，两级热电联供系统相对于单一有机朗肯循环系统在能量回收方面具有优势，后续将进行进一步验证.

4 结 论

本文针对含有有机朗肯循环发电系统的热电联供系统，讨论了影响其热效率的工质选用与关键参数，提出了一种热电联供方案，提高系统余热回收性能.

(1)有机朗肯循环热效率主要取决于循环参数和工质物化特性.蒸发温度(压力)和膨胀机等熵效率的提高有利于提高系统热效率；降低冷凝温度和过冷度也可以改善热效率，但需要综合考虑设备和经济性；提高过热度既无法改善系统性能，还易损坏设备.

(2)工质应选择安全、环保且有利于提高系统效率的工质，R236ea、R245ca、R245fa、R600、R600a、R601、R601a等不含氯原子的氢氟烃类工质和烷类工质性能相对较好.

(3)提出了两级有机朗肯循环发电的热电联供系统及其调控方式，扩大应用范围的同时提高了余热的回收利用率，后续将进行进一步验证.