楊陽(yáng)

【摘 要】有機(jī)朗肯循環(huán)（ORC）是目前比較公認(rèn)的一項(xiàng)能高效回收中低溫余熱的重要技術(shù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。本文筆者結(jié)合前人的研究成果及自身經(jīng)驗(yàn)分析有機(jī)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)性能及優(yōu)化參考的內(nèi)容，僅供參考。

【關(guān)鍵詞】有機(jī)朗肯循環(huán)；余熱發(fā)電系統(tǒng)；性能；優(yōu)化

1有機(jī)朗肯循環(huán)余熱發(fā)電系統(tǒng)

有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)正常工作時(shí)，余熱介質(zhì)首先通過(guò)蒸發(fā)器將有機(jī)工質(zhì)加熱成高溫高壓的飽和蒸汽或過(guò)熱蒸汽，然后高壓的蒸汽進(jìn)入膨脹機(jī)膨脹并且驅(qū)動(dòng)膨脹機(jī)做功帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，膨脹后的蒸汽進(jìn)入冷凝器冷卻降溫至液態(tài)，最后工質(zhì)泵將液態(tài)有機(jī)工質(zhì)送回蒸發(fā)器進(jìn)行再次加熱。ORC系統(tǒng)組成：（1）蒸發(fā)器。蒸發(fā)器在循環(huán)系統(tǒng)中的作用是能量傳遞，是整個(gè)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)熱量傳遞的最關(guān)鍵設(shè)備，它的傳熱效率直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率。因此在有機(jī)朗肯循環(huán)運(yùn)行過(guò)程中，蒸發(fā)器造成的不可逆性損失是所有部件中占比最大的部件。（2）膨脹機(jī)。膨脹機(jī)的作用是壓縮經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器蒸發(fā)的高溫高壓氣體，使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能從而膨脹帶動(dòng)發(fā)電機(jī)做功。因此，膨脹機(jī)同樣是ORC系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，最為直接的影響著整個(gè)系統(tǒng)的效率。膨脹機(jī)分為速度型和容積型兩種。（3）冷凝器。與蒸發(fā)器的工作原理剛好相反，主要是將從膨脹機(jī)排出的氣體冷凝為過(guò)冷液體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括過(guò)熱區(qū)、兩相區(qū)和過(guò)冷區(qū)。冷凝器和蒸發(fā)器同樣是有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)中的關(guān)鍵換熱部件。（4）工質(zhì)泵。工質(zhì)泵的作用是使有機(jī)工質(zhì)在細(xì)長(zhǎng)的管道內(nèi)流動(dòng)的同時(shí)達(dá)到一個(gè)設(shè)置的流速?gòu)亩鴣?lái)提高自身的壓力。工質(zhì)泵很容易被氣體或是液體腐蝕從而導(dǎo)致了系統(tǒng)效率降低。

2ORC系統(tǒng)性能分析及參數(shù)優(yōu)化

2.1熱力性能分析

由于受到蒸發(fā)器窄點(diǎn)溫差的約束，各工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度隨著排煙溫度的升高而增大。在相同排煙溫度條件下，采用R600a、R236ea的系統(tǒng)蒸發(fā)溫度高于其他工質(zhì)，R245fa、R600對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度相對(duì)較高，R123與濕工質(zhì)R161、R152a對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度相對(duì)較低且較為接近。圖1反映了采用各工質(zhì)系統(tǒng)的工質(zhì)流量隨排煙溫度的變化情況，由圖可知，工質(zhì)流量隨排煙溫度的升高而減小，這是因?yàn)楫?dāng)蒸發(fā)器入口熱源溫度不變時(shí)，根據(jù)熱平衡方程，系統(tǒng)總吸熱量隨著排煙溫度的升高而減小，滿足此時(shí)熱負(fù)荷所需的工質(zhì)流量下降。在相同排煙溫度下，工質(zhì)間的物性差異導(dǎo)致各工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的工質(zhì)流量存在差異，所有系統(tǒng)中烷烴類干工質(zhì)R600a、R600與濕工質(zhì)的流量明顯小于其他干工質(zhì)，變化幅度也相對(duì)較小，R236ea對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的流量較大且隨排煙溫度的變化幅度較大。圖2反映了各工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)膨脹機(jī)比焓降隨排煙溫度的變化情況，由圖可知，各工質(zhì)膨脹機(jī)的比焓降隨排煙溫度的升高而增大。對(duì)比看來(lái)，采用干工質(zhì)的系統(tǒng)凈功率明顯大于濕工質(zhì)系統(tǒng)，當(dāng)排煙溫度較高時(shí)，各干工質(zhì)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的凈功率接近，而隨著排煙溫度的降低，采用各干工質(zhì)的系統(tǒng)間的凈功率差異變大，其中采用R600a與R236ea的系統(tǒng)凈功率較大，R245fa與R600次之，采用R123的系統(tǒng)凈功率相對(duì)較小。濕工質(zhì)的系統(tǒng)凈功率則明顯小于干工質(zhì)，其中R161系統(tǒng)凈功率最小。再結(jié)合熱耗率隨排煙溫度的變化圖可知，采用各工質(zhì)系統(tǒng)的熱耗率均隨排煙溫度的升高而減小，這是因?yàn)殡S著排煙溫度的升高，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度逐漸增大，當(dāng)冷凝溫度不變時(shí)系統(tǒng)平均吸熱溫度增加，熱效率提高，熱耗率下降。由于熱耗率可看作是熱效率倒數(shù)的函數(shù)，可發(fā)現(xiàn)采用各工質(zhì)系統(tǒng)的熱耗率排序與凈功率的排序相反。

2.2經(jīng)濟(jì)性分析

由于工質(zhì)物性不同，各工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力具有明顯差異，濕工質(zhì)的蒸發(fā)壓力相對(duì)較高，其中R161的蒸發(fā)壓力明顯高于其他工質(zhì)，R123對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力最低。結(jié)合投資成本隨排煙溫度的變化圖可知，隨著排煙溫度的升高，系統(tǒng)設(shè)備成本先增加后減小。在該熱源條件下，采用R600a與R236ea的系統(tǒng)投資成本始終較高，R245fa與R600次之，采用R123的系統(tǒng)投資成本相對(duì)較低，濕工質(zhì)R161、R152a對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的投資成本始終較為接近且明顯低于干工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)。結(jié)合LEC隨排煙溫度的變化圖可知，隨著排煙溫度的升高，各系統(tǒng)的LEC逐漸下降，降幅趨于平緩，且各工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)均存在對(duì)應(yīng)的排煙溫度工況使得LEC達(dá)到最小值。當(dāng)排煙溫度較低時(shí)，干工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的LEC較為接近，R123系統(tǒng)的LEC在低排煙溫度工況相對(duì)較大，隨著排煙溫度的升高，各工質(zhì)的LEC均出現(xiàn)減小的趨勢(shì)但變化幅度不同，采用R123系統(tǒng)的LEC降幅相對(duì)較大，隨著排煙溫度的升高，R123對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的LEC開(kāi)始低于其他干工質(zhì)，R600與R245fa對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的LEC與R123接近，而R600a與R236ea的LEC相對(duì)較大。采用濕工質(zhì)的系統(tǒng)在低排煙溫度工況下對(duì)應(yīng)的LEC明顯大于干工質(zhì)系統(tǒng)，而濕工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的LEC變化較大，隨著排煙溫度的提高，LEC下降明顯，并逐漸與干工質(zhì)系統(tǒng)接近，干工質(zhì)R236ea與R600a對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的LEC在高排煙溫度工況下接近并超過(guò)了采用R152a的系統(tǒng)。

實(shí)驗(yàn)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)R245fa在高溫情況下具有較低的排氣溫度和冷凝壓力，因此在普通熱泵的條件下，為保證安全，機(jī)組最高承壓能力一般不超過(guò)2.4Mpa，故R245fa可以達(dá)到更高的出水溫度的潛質(zhì)，以供工業(yè)使用。結(jié)果：（1）機(jī)組COP變化。COP受制熱量跟壓縮機(jī)輸入功率兩者共同影響，當(dāng)蒸發(fā)溫度不變時(shí)，冷凝器側(cè)出水溫度每升高5℃，由于制熱量的降低以及壓縮機(jī)輸入功率的增加，COP值會(huì)減10%-25%。而對(duì)比冷凝器側(cè)出水溫度相同情況下，蒸發(fā)器側(cè)溫度每升高10℃，因?yàn)閴嚎s機(jī)的輸入功率變化較小，而制熱量的大幅增加會(huì)導(dǎo)致COP高11%-29%。當(dāng)冷凝器側(cè)出水溫度跟蒸發(fā)器側(cè)入水溫度之差在40℃以內(nèi)時(shí)，機(jī)組的COP總是大于3.0，并且在蒸發(fā)器側(cè)平均水溫60℃，冷凝器側(cè)出水溫度可以達(dá)到105.7℃時(shí)，此工況下的COP為2.701。在冷凝器側(cè)出水溫度100℃時(shí)，R245fa的COP為3.102，跟前期理論計(jì)算的COP（3.81）略有差距，考慮到實(shí)驗(yàn)存在一定誤差，因此在合理的范圍之內(nèi)。（2）制熱量。制熱量隨著冷凝器側(cè)出水溫度的升高而降低，隨著蒸發(fā)器側(cè)平均水溫的升高而增大。在高溫工況下，冷凝器側(cè)出水溫度每升高5℃，制熱量會(huì)減小2.5%-10.2%，且減小的速度會(huì)逐漸變慢。而在同等冷凝器側(cè)出水溫度下，高溫工況情況下的蒸發(fā)器側(cè)平均水溫每升高10℃，制熱量會(huì)增大14.1%-25.6%，由此可知，蒸發(fā)溫度對(duì)制熱量的影響大于冷凝溫度，同時(shí)隨著冷凝溫度的增大制熱量會(huì)逐漸減小。

3結(jié)束語(yǔ)

本文以工業(yè)低溫?zé)煔庥酂酧RC循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于熱源參數(shù)分析不同工質(zhì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的熱力性能與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)；對(duì)各工質(zhì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化并分析最佳運(yùn)行參數(shù)的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]馮馴.有機(jī)朗肯循環(huán)中低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)理論研究[D].上海交通大學(xué)，2011

（作者單位：陜西延長(zhǎng)石油售電有限公司）