冷源溫度對小型ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響

謝飛博，朱彤，高乃平

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冷源溫度對小型ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響

謝飛博，朱彤，高乃平

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海201804）

利用搭建的ORC余熱發(fā)電測試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了冷卻水溫度對ORC系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)熱源溫度不變時(shí)，隨著冷卻水溫度的升高，冷凝壓力增加，蒸發(fā)壓力稍有增加，冷凝器和蒸發(fā)器的負(fù)荷減小，膨脹機(jī)的壓差和壓比減小，系統(tǒng)的輸出電功和熱效率降低。在實(shí)驗(yàn)測試范圍內(nèi)，當(dāng)冷卻水溫度從21.82℃升至42.10℃時(shí)，輸出電功從2.357 kW降至1.535 kW，熱效率從7.25%降至5.76%，輸出電功與熱效率分別降低34.87%和23.86%。也意味著在此工況范圍內(nèi)，冷卻水溫度每升高1℃，系統(tǒng)輸出電功降低0.0411 kW和1.74%。通過研究冷源溫度對ORC系統(tǒng)性能的影響，為今后結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛞蛩卦O(shè)計(jì)冷源系統(tǒng)和優(yōu)化系統(tǒng)性能提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

有機(jī)朗肯循環(huán)；熱力學(xué)；熵；回收；冷源溫度

引 言

隨著化石能源供應(yīng)的日益緊張，能源對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的制約和資源環(huán)境的影響越來越明顯。而200℃以下中低溫?zé)崮軓V泛存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中，如太陽能、地?zé)崮?、工業(yè)余熱。這部分熱能的安全和高效利用對社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的意義。因此中低品位熱能資源的深度利用技術(shù)已經(jīng)成為能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[1-4]。有機(jī)朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle，ORC）以低沸點(diǎn)有機(jī)物作為循環(huán)工質(zhì)，吸收中低品位熱能成為高溫高壓蒸氣，在膨脹機(jī)械中膨脹做功，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能源品位的提升。與其他中低品位熱能利用技術(shù)相比，ORC具有結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境友好、可靠性高、運(yùn)行方便和發(fā)電效率高等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因此，ORC已成為中低品位熱能品位提升的最佳技術(shù)途徑之一，日益受到越來越多科研院所和工業(yè)企業(yè)的關(guān)注。目前針對ORC的研究，國內(nèi)外學(xué)者都做了大量的工作，主要集中在工質(zhì)選擇[5-9]、系統(tǒng)熱力學(xué)分析和優(yōu)化[10-12]、關(guān)鍵部件如膨脹機(jī)[13-17]研究等方面。

與水蒸氣朗肯循環(huán)相比，ORC尤其是小型千瓦級的ORC，系統(tǒng)的性能更易受冷源溫度變化的影響。首先，ORC的熱源大多是中低品位熱能，溫度較低；其次，ORC大多冷源采用水冷或者空冷，冷源溫度易受季節(jié)變化和晝夜交替的影響。目前這方面的理論研究較多，而實(shí)驗(yàn)研究較少。苗政等[18]針對地?zé)嵝陀袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，采用兩種工質(zhì)R245fa和R601a時(shí)，計(jì)算了冷源溫度對系統(tǒng)輸出凈功的影響，結(jié)果表明當(dāng)?shù)責(zé)釤嵩礈囟葹?30℃，冷源溫度從30℃降低到0℃時(shí)，系統(tǒng)輸出凈功增加120%。肖松等[19]研究了冷凝溫度對太陽能有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)凈輸出電功的影響，結(jié)果表明隨著冷凝溫度的升高，系統(tǒng)凈輸出功近似線性逐漸減小。劉經(jīng)武等[20]研究了環(huán)境溫度對有機(jī)朗肯循環(huán)輸出功的影響，計(jì)算結(jié)果表明當(dāng)透平進(jìn)口溫度和壓力一定時(shí)，環(huán)境溫度每升高4℃，循環(huán)凈輸出功率減少30%。Wei等[21]采用模擬的方法研究了環(huán)境溫度對采用風(fēng)冷的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能的影響，結(jié)果表明隨著環(huán)境溫度的升高，系統(tǒng)輸出功和系統(tǒng)效率均呈線性下降，同時(shí)指出當(dāng)夏季的環(huán)境溫度25℃時(shí)，輸出功偏離額定工況達(dá)30%。Quoilin等[22]模擬研究了環(huán)境溫度對太陽能有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)影響，模擬結(jié)果表明當(dāng)環(huán)境溫度從2℃升高到30℃，ORC系統(tǒng)效率下降15%，發(fā)電系統(tǒng)總效率下降13%。

基于以上文獻(xiàn)的介紹，發(fā)現(xiàn)基本都是理論分析冷源溫度對ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)性能影響，而實(shí)驗(yàn)研究的較少。本文介紹了以R123為工質(zhì)、渦旋膨脹機(jī)作為膨脹機(jī)械的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了冷卻水溫度對ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備和系統(tǒng)輸出功等性能參數(shù)影響，以期為今后的ORC系統(tǒng)穩(wěn)健型設(shè)計(jì)和安全穩(wěn)定運(yùn)行提供實(shí)驗(yàn)參考依據(jù)。

1 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

ORC系統(tǒng)的熱力學(xué)原理與傳統(tǒng)水蒸氣朗肯循環(huán)相似，兩者之間只是運(yùn)行的工質(zhì)不同。本次測試的ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)流程如圖1所示，主要包括熱源回路、工質(zhì)循環(huán)回路和冷卻水循環(huán)，圖2為搭建的發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物。

搭建的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括熱源系統(tǒng)、工質(zhì)回路、冷卻水回路和發(fā)電設(shè)備。熱源系統(tǒng)主要由燃燒器、熱風(fēng)爐和抽風(fēng)機(jī)等組成，采用天然氣燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獠交炖淇諝夂竽M低溫余熱，配合調(diào)節(jié)天然氣和空氣進(jìn)氣閥來控制調(diào)節(jié)熱源的溫度。工質(zhì)循環(huán)回路主要由管翅式蒸發(fā)器、渦旋膨脹機(jī)、管殼式冷凝器和工質(zhì)泵等設(shè)備組成。冷卻水回路主要包括冷卻水泵、過濾器和冷卻水塔等。發(fā)電設(shè)備采用同步發(fā)電機(jī)，負(fù)載采用浴霸燈。

本測試平臺(tái)設(shè)計(jì)的輸出功率為3 kW，采用R123作為循環(huán)工質(zhì)。之所以采用R123，一則在設(shè)計(jì)和測試的熱源溫度范圍內(nèi)能使系統(tǒng)的熱效率較高，二則作為等熵工質(zhì)，避免工質(zhì)在膨脹機(jī)末端進(jìn)入兩相區(qū)，延長膨脹機(jī)的壽命。

1.2 測量儀表與數(shù)據(jù)采集

ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)測量儀器主要有壓力傳感器、溫度傳感器、渦輪流量計(jì)、手持式轉(zhuǎn)速計(jì)和電功率測量儀。除手持式轉(zhuǎn)速計(jì)是手動(dòng)測量外，其他的數(shù)據(jù)都是通過實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，采集頻率為1 Hz。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的儀器儀表的型號(hào)和精度見表1。

表1 測量儀器儀表

ORC低溫余熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)置了12個(gè)溫度傳感器（T1～T8，T14～T17）、8個(gè)壓力傳感器（P1～P8）以及3個(gè)流量測量計(jì)（Q1～Q3），各個(gè)測點(diǎn)的分布位置如圖1所示。電功率測量儀測量同步發(fā)電機(jī)輸出的功率、電壓以及負(fù)載的功率。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

為研究冷源溫度對ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的影響，保持其他系統(tǒng)參數(shù)不變，僅改變冷卻水進(jìn)口溫度，實(shí)驗(yàn)測試ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和輸出電功的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)過程中，冷卻水進(jìn)口溫度從42.10℃降為21.82℃。實(shí)驗(yàn)測試時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量得到壓力、溫度以及電功率等數(shù)據(jù)。在測試的時(shí)間段內(nèi)，環(huán)境溫度8℃，熱源溫度180℃±1℃，負(fù)載為額定功率275 W的8盞浴霸燈，隔膜計(jì)量泵的行程固定為40%（320 L·h-1）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理

根據(jù)溫度和壓力傳感器測量的數(shù)據(jù)，通過NIST研發(fā)的有機(jī)物物性查詢軟件Refprop 9.0計(jì)算不同工況時(shí)有機(jī)工質(zhì)的焓、熵等熱力學(xué)參數(shù)值。

工質(zhì)在冷凝器中的放熱量

工質(zhì)在蒸發(fā)器中的吸熱量

工質(zhì)在膨脹機(jī)中對外輸出的膨脹功

當(dāng)有機(jī)工質(zhì)等熵膨脹時(shí)，理論輸出功

膨脹機(jī)前后壓比

膨脹機(jī)的等熵效率

系統(tǒng)的總機(jī)械效率

系統(tǒng)的軸效率

系統(tǒng)的熱效率[23-24]

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

不同冷卻水溫度下發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備進(jìn)出口壓力和溫度的測量數(shù)據(jù)見表2。在21.82℃和42.10℃兩種工況下，根據(jù)實(shí)際ORC運(yùn)行參數(shù)繪制的-圖如圖3所示。從圖中可以較為清晰地看到兩種工況下系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)的變化情況。

表2 不同冷卻水溫度下的主要設(shè)備進(jìn)出口參數(shù)測量值

3.1 冷卻水溫度對冷凝器和蒸發(fā)器性能的影響

本ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的蒸發(fā)器和冷凝器分別采用管翅式和管殼式。在蒸發(fā)器中，工質(zhì)走管程；在冷凝器中，工質(zhì)走殼程，冷卻水走管程。在實(shí)驗(yàn)測試過程中工質(zhì)在換熱器內(nèi)部的壓損較小，見表2，可將工質(zhì)在蒸發(fā)器出口和冷凝器進(jìn)口的壓力分別看作循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。圖4所示為蒸發(fā)壓力和冷凝壓力分別隨冷卻水溫度變化規(guī)律。隨著冷卻水溫度的升高冷凝壓力近似線性增加，蒸發(fā)壓力略有增加。冷凝壓力增加的主要原因是在冷凝器負(fù)荷變化不大，同時(shí)溫度對換熱介質(zhì)的物性影響有限，傳熱系數(shù)變化不大，因此冷凝器的平均換熱溫差變化不大的情況下，冷卻水溫度的升高必然引起冷凝溫度升高。而蒸發(fā)壓力增加與渦旋膨脹機(jī)的運(yùn)行特征密切相關(guān)。這主要是由于冷凝壓力增加引起膨脹機(jī)背壓升高，膨脹機(jī)前后壓差減小，在負(fù)載不變的情況下，引起蒸發(fā)壓力升高，而蒸發(fā)壓力的增加會(huì)引起膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速等輸出參數(shù)的變化，影響輸出電功，又會(huì)反作用于膨脹機(jī)，進(jìn)而影響蒸發(fā)壓力，綜合的結(jié)果是為使膨脹機(jī)重新達(dá)到平衡，使得蒸發(fā)壓力略有增加。

圖5所示為蒸發(fā)器和冷凝器負(fù)荷隨冷卻水溫度變化的情況。隨著冷卻水溫度的升高，蒸發(fā)器和冷凝器的負(fù)荷都近似線性下降，分別下降了14.49%和15.06%。這是因?yàn)殡S著冷卻水溫度的升高，蒸發(fā)壓力和溫度升高，而熱源溫度不變，在蒸發(fā)器中熱源與工質(zhì)之間的平均換熱溫差減小，導(dǎo)致蒸發(fā)器換熱量降低，工質(zhì)在蒸發(fā)器的出口溫度下降。由于蒸發(fā)器負(fù)荷降低，而膨脹機(jī)輸出功的變化相對較小，因此冷凝器的負(fù)荷也減小。

3.2 冷卻水溫度對渦旋膨脹機(jī)性能的影響

圖6為有機(jī)工質(zhì)在渦旋膨脹機(jī)內(nèi)的壓降和溫降與冷卻水溫度的變化關(guān)系。隨著冷卻水溫度的升高，壓降逐漸減小，這主要是因?yàn)槔淠龎毫Φ脑黾臃却笥谡舭l(fā)壓力的增加幅度。溫降總體上也呈下降的趨勢。

圖7為膨脹機(jī)前后的壓比和等熵效率與冷卻水溫度的關(guān)系。與壓降的變化規(guī)律一致，隨著冷卻水溫度升高，壓比近似線性降低。由圖可知隨著冷卻水溫度的升高，膨脹機(jī)的等熵效率先增加，在32℃附近時(shí)，等熵效率達(dá)到0.95后開始平緩，此時(shí)膨脹機(jī)的壓比為3.78，略大于膨脹機(jī)的設(shè)計(jì)值3.5。文獻(xiàn)[13]用實(shí)驗(yàn)測試的方法得出當(dāng)渦旋膨脹機(jī)的壓比稍大于設(shè)計(jì)值時(shí)，等熵效率達(dá)到最大。首先隨著冷卻水溫度升高，膨脹機(jī)壓比減小，逐漸接近設(shè)計(jì)壓比，等熵效率逐漸增加，這主要是因?yàn)樵谶@個(gè)過程中工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)的欠膨脹程度降低，不可逆損失減??；其次當(dāng)膨脹機(jī)壓比略大于設(shè)計(jì)值時(shí)等熵效率達(dá)到最大，這主要是因?yàn)樵跍u旋膨脹機(jī)膨脹腔的吸氣過程存在壓力損失以及動(dòng)靜渦盤之間存在摩擦力，需要額外的壓比克服。

值得注意的是本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果根據(jù)式（6）計(jì)算得到的等熵效率普遍偏高，尤其當(dāng)壓比小于設(shè)計(jì)值處于過膨脹時(shí)。這主要是工質(zhì)在膨脹機(jī)中并不是理想的等熵膨脹，同時(shí)環(huán)境溫度較低，膨脹機(jī)也沒有保溫措施，通過膨脹機(jī)殼體向環(huán)境散熱，而式（6）中又沒有考慮這部分散失的熱量。針對膨脹機(jī)向環(huán)境散熱對等熵效率的影響，文獻(xiàn)[3,25-26]做了相關(guān)的研究。因此，今后在ORC發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試過程中，為提高結(jié)論的可靠性需要對膨脹機(jī)做好預(yù)熱和保溫措施。

圖8為膨脹機(jī)輸出的膨脹功和轉(zhuǎn)速與冷卻水溫度的變化關(guān)系。膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速逐步降低，主要是因?yàn)殡S著冷卻水進(jìn)口溫度的升高，工質(zhì)在膨脹機(jī)進(jìn)口壓力增加而溫度降低，工質(zhì)的密度增加，而工質(zhì)質(zhì)量流量不變的情況下，工質(zhì)的體積流量降低。膨脹機(jī)的實(shí)際膨脹功的變化規(guī)律與工質(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)的溫降相似。隨著膨脹機(jī)前后壓差減小和轉(zhuǎn)速降低，膨脹機(jī)的輸出功減小。當(dāng)冷卻水溫度從21.82℃升高到42.10℃時(shí)，實(shí)際膨脹功下降了23.63%。

3.3 冷卻水溫度對ORC發(fā)電系統(tǒng)性能的影響

圖9為系統(tǒng)輸出電功和熱效率與冷卻水溫度的變化關(guān)系。系統(tǒng)輸出電功和熱效率都隨著冷卻水溫度近似線性降低。當(dāng)冷卻水溫度從21.82℃升高至42.10℃時(shí)，輸出電功從2.357 kW降低到1.535 kW，降低了34.87%。換句話說，在此工況范圍內(nèi)，冷卻水溫度每升高1℃，系統(tǒng)輸出電功降低0.0411 kW和1.74%。這與文獻(xiàn)[19,23]模擬得出的變化趨勢類似。這主要是由膨脹機(jī)前后壓差和膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速減小，以及機(jī)械效率的降低導(dǎo)致。熱效率從7.25%降至5.76%，降低了23.86%。雖然輸出電功和蒸發(fā)器的吸熱量都在降低，但是輸出電功的減小幅度更大。

圖10為軸效率和機(jī)械效率與冷卻水溫度的關(guān)系。隨著冷卻水溫度的升高，機(jī)械效率逐漸降低。在本測試范圍內(nèi)，機(jī)械效率為0.62～0.72。造成機(jī)械效率較低的主要原因是膨脹機(jī)、聯(lián)軸器、皮帶輪、變速器以及發(fā)電機(jī)之間的匹配性差。隨著冷卻水溫度的升高，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也降低，并低于發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1500 r·min?1的程度越來越大，發(fā)電機(jī)的效率降低較大。同時(shí)隨著膨脹機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速降低摩擦損失也在減小，也就造成機(jī)械效率降低的幅度在逐漸減小。因此對膨脹機(jī)-傳動(dòng)裝置-發(fā)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，如增加控速系統(tǒng)或者采用變速發(fā)電機(jī)，機(jī)械效率可得到較大提升，使發(fā)電系統(tǒng)的輸出功和效率得到較大的增加。而軸效率之所以在開始下降后基本保持不變，與膨脹機(jī)本身的等熵效率增加有關(guān)。

4 結(jié) 論

利用小型ORC余熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究了冷卻水溫度對主要設(shè)備和系統(tǒng)輸出性能的影響，得到如下結(jié)論。

（1）隨著冷卻水溫度的升高，蒸發(fā)壓力和冷凝壓力都增加，但冷凝壓力的增加幅度比蒸發(fā)壓力的大；而蒸發(fā)器和冷凝器的負(fù)荷都在減小。

（2）隨著冷卻水溫度升高，膨脹機(jī)的前后端壓差和壓比、轉(zhuǎn)速以及機(jī)械效率都減?。还べ|(zhì)在膨脹機(jī)內(nèi)的溫降和輸出的膨脹功都有減小的趨勢；膨脹機(jī)的等熵效率先增加，當(dāng)冷卻水溫度為32.20℃，壓比為3.78時(shí)，等熵效率達(dá)到0.95，然后趨于平緩。

（3）當(dāng)冷卻水溫度從21.82℃升高至42.10℃時(shí)，冷凝壓力從0.212 MPa增加至0.325 MPa，系統(tǒng)輸出電功從2.357 kW線性降至1.535 kW，熱效率從7.25%下降至5.76%。輸出電功和熱效率分別下降34.87%和23.86%。也就意味著冷卻水溫度每升高1℃，輸出電功降低0.0411 kW和1.74%。

（4）當(dāng)冷卻水溫度升高20℃時(shí)，系統(tǒng)輸出功和熱效率降幅非常大，表明對四季和晝夜溫差較大的地區(qū)，需要合理設(shè)計(jì)冷源系統(tǒng)和選擇運(yùn)行工況，使得系統(tǒng)的輸出性能滿足需求，有利于系統(tǒng)安全高效運(yùn)行。

符 號(hào) 說 明

h——焓，kJ·kg?1 m——流量，kg·s?1 p——壓力，MPa Q——蒸發(fā)器或者冷凝器的換熱量，kW s——比熵，kJ·kg?1·K?1 T——溫度，℃ W——功率，kW γ——比值 δ——差值 η——效率 下角標(biāo) c——冷源 cond——冷凝器 ele——輸出的電功 evap——蒸發(fā)器 exp——膨脹機(jī) h——熱源 in——進(jìn)口 me——機(jī)械 out——出口 sys——系統(tǒng) wf——工質(zhì)

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Effect of cold source temperature on power generation of small organic Rankine cycle system with low-grade waste heat

XIE Feibo, ZHU Tong, GAO Naiping

(School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

For a thermal power system, cold source temperature fluctuates throughout a year in many areas due to the change of ambient temperature.Therefore, off-design operation of an organic Rankine cycle (ORC) system is often unavoidable. The effect of cooling water temperature on ORC performance was studied by using R123 working fluid to generate power from low-grade waste heat. When the inlet temperature of cooling water in the condenser was increased but the hot source temperature was kept constantly, the condensation pressure was increased and the evaporation pressure was increased slightly, whereas the heat load of evaporator and condenser as well as the pressure difference and ratio between the inlet and outlet of scroll expander was decreased. Hence, the electric power output and thermal efficiency of the system were decreased. In the range of study that the cooling water temperature increased from 21.82℃ to 42.10℃, the electric power output declined from 2.357 kW to 1.535 kW, thermal efficiency declined from 7.25% to 5.76%, and the electric power output and thermal efficiency linearly decreased by 34.87% and 23.86%, respectively. Under these operating conditions, the electric power output decreased by 0.0411 kW and 1.74% at every 1℃ increase of cooling water temperature. Therefore, cold source temperature significantly affected the performance of an ORC system with low-grade waste heat, which could serve as important reference for designing cold source system and optimizing ORC system performance with consideration of local weather conditions.

organic Rankine cycle; thermodynamics; entropy; recovery; cooling water temperature

2016-05-09.

Prof. ZHU Tong, zhu_tong@#edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160631

TK 11+5

A

0438—1157（2016）10—4111—07

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014CB249201）；新奧-同濟(jì)清潔能源高等研究院項(xiàng)目。

2016-05-09收到初稿，2016-06-18收到修改稿。

聯(lián)系人：朱彤。第一作者：謝飛博（1982—），男，博士研究生。

supported by the National Basic Research Program of China (2014CB249201).