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        有機(jī)朗肯循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

        2012-08-03 06:18:12EcichardGroll
        制冷學(xué)報(bào) 2012年1期
        關(guān)鍵詞:工質(zhì)有機(jī)發(fā)電

        江 龍 Ecichard A. Groll

        (1 上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240;2 Purdue University, Westlafayette India, 47906)

        有機(jī)朗肯循環(huán)地?zé)岚l(fā)電是地?zé)崮芾玫囊环N有效形式。它采用低沸點(diǎn)有機(jī)工質(zhì)實(shí)現(xiàn)朗肯循環(huán)發(fā)電。由于采用低沸點(diǎn)工質(zhì),可以充分利用較低溫度的地?zé)崃黧w實(shí)現(xiàn)發(fā)電,不需要消耗其他的化石燃料,減小對(duì)環(huán)境的污染,因而受到人們的關(guān)注。 很多研究人員通過(guò)理論分析與EES軟件模擬,對(duì)于中低溫地?zé)嵊袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了研究。根據(jù)工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)基本原理,分析了發(fā)電系統(tǒng)的基本運(yùn)行原理,并且提出了確定基本有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)參數(shù)(包括蒸發(fā)溫度,冷凝溫度;地?zé)崃黧w的質(zhì)量流量,溫度;外界環(huán)境溫度)的方法。 在基本有機(jī)朗肯循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)方式下,采用最佳循環(huán)參數(shù),根據(jù)不同的地?zé)崃黧w溫度(60~150℃),選擇出最佳且環(huán)保的循環(huán)有機(jī)工質(zhì),為實(shí)際電站的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 從 分析和能分析角度對(duì)亞臨界飽和蒸氣循環(huán)和亞臨界過(guò)熱蒸汽循環(huán)做詳細(xì)的對(duì)比分析,最終確定亞臨界飽和蒸氣循環(huán)要優(yōu)于亞臨界過(guò)熱蒸汽循環(huán),并且在此基礎(chǔ)上分析了雙級(jí)雙工質(zhì)有機(jī)朗肯循環(huán)。根據(jù)一級(jí),二級(jí)系統(tǒng)不同的地?zé)崃黧w入口溫度選擇合適的工質(zhì),并且考察系統(tǒng)的適用性,給出合理的設(shè)計(jì)方案。

        1 有機(jī)朗肯循環(huán)及理論分析

        圖1 有機(jī)朗肯循環(huán)原理圖Fig.1 Organic Rankine cycle schematic

        圖1給出了基于原始的朗肯循環(huán)所設(shè)計(jì)的有機(jī)朗肯循環(huán)的原理圖。系統(tǒng)主要包括兩個(gè)換熱器和一個(gè)壓縮機(jī),一個(gè)膨脹機(jī),其中位于加熱循環(huán)側(cè)的換熱器用作加熱鍋爐,為膨脹機(jī)提供蒸汽。熱蒸汽在膨脹機(jī)中膨脹并將熱能轉(zhuǎn)化為功,提供電量輸出,然后在冷凝器中冷凝成液體。最后經(jīng)水泵壓縮后再進(jìn)入到加熱鍋爐,完成一個(gè)循環(huán)。

        圖2是圖1中循環(huán)系統(tǒng)的熱工圖,系統(tǒng)的工作過(guò)程包括以下幾個(gè)部分:1)1-2:降焓降溫的過(guò)程,與等熵過(guò)程1-2s相比,存在做功能力損失;2)2-3:降溫降焓過(guò)程;3) 3-4:升溫焓升過(guò)程;4)4-1:升溫增焓過(guò)程。

        圖2 有機(jī)朗肯循環(huán)T-s 圖Fig.2 Organic Rankine cycle T-s diagram

        圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.3 Experimental system design

        有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)實(shí)際工作的原理如圖3所示。循環(huán)回路由液體泵、膨脹機(jī)、加熱鍋爐、冷凝器、回收器,溫度壓力和流量傳感器組成。通過(guò)各個(gè)部件的管路連接形成內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中,最重要的部件是渦旋式壓縮機(jī)。在此系統(tǒng)中,渦旋式壓縮機(jī)實(shí)際上被逆向用作一個(gè)膨脹機(jī)。當(dāng)高壓的工質(zhì)進(jìn)入膨脹機(jī)后,會(huì)推動(dòng)輪軸從而發(fā)電。渦旋式壓縮機(jī)是一種在空調(diào)系統(tǒng)中廣泛使用的壓縮機(jī)。換熱器的作用是將來(lái)自地?zé)嵫h(huán)的熱量傳遞給工質(zhì)進(jìn)行相變換熱。地?zé)嵫h(huán)將通過(guò)換熱器的高溫側(cè)高壓蒸汽加熱到200℃左右,而低溫側(cè)水溫處于4.5~15℃。為了使工質(zhì)以一定的流速通過(guò),系統(tǒng)采用液壓隔離泵來(lái)實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程。此泵有60%左右的效率并且擁有廣泛的應(yīng)用。一個(gè)收集器與泵相連接用來(lái)確保進(jìn)入膨脹機(jī)的只有汽相而非兩相混合物。

        2 數(shù)學(xué)建模

        2.1 數(shù)學(xué)模型以及輸入條件

        為了評(píng)價(jià)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作性能,采用表1的參數(shù)值對(duì)圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行了仿真,其中a、b、h、c分別代表了圖1中各個(gè)點(diǎn)所測(cè)的溫度和壓力值,水循環(huán)的溫度和壓力如表2所示。制冷劑R134a的流量及冷熱水流量分別為 0.0907kg/s、 0.1169kg/s、0.3982kg/s。

        表1 R134a循環(huán)的各個(gè)點(diǎn)的溫度和壓力值Tab.1 Temperature and pressure of each point in R134a cycle

        表2 水循環(huán)的理論溫度輸入值Tab.2 Theoretical temperature input value of water cycle

        針對(duì)圖2的熱力過(guò)程,仿真中的各個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型分別為:

        式中:η1是系統(tǒng)卡諾效率;η2是膨脹機(jī)效率;w是流動(dòng)功; η3是理論效率;η4是泵效率;m是質(zhì)量流量。

        2.2 模擬仿真結(jié)果

        采用EES軟件對(duì)上述模型進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表3及表4所示。

        表3 理論效率以及理論功和熱Tab.3 Theoretical ef fi ciency and theoretical power and heat

        表4 理論熱力學(xué)參數(shù)值Tab.4 Theoretical thermodynamic parameters

        3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立與性能測(cè)試

        圖4 實(shí)際的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.4 Actual experimental system

        建立的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5~7。通過(guò)圖5可以看出,大約500s后,系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài),在運(yùn)行3min時(shí)產(chǎn)生較大壓差,約425kPa。在穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)區(qū)域之外,計(jì)算的實(shí)際的凈發(fā)電量是不準(zhǔn)確的,然而一旦實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)完全穩(wěn)定以后,通過(guò)圖6可以看出,可以得到大概1kW的電能輸出量。圖7為實(shí)際實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)循環(huán)圖,與理想的循環(huán)過(guò)程曲線對(duì)比可以看出,為了有效的提高實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的整體表現(xiàn),在熱蒸汽端的溫度應(yīng)該要降低,這樣才可以在T-s圖上的曲線過(guò)熱部分的差值增大,這樣經(jīng)過(guò)膨脹機(jī)壓降變大,提高系統(tǒng)的效率。

        經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試,第一實(shí)驗(yàn)凈功為1.2kW,相應(yīng)的循環(huán)效率為8%。第二次實(shí)驗(yàn)的凈功值為1kW,相應(yīng)的循環(huán)效率為5%??ㄖZ效率為23%。

        圖5 R134a循環(huán)中的壓差變化曲線Fig.5 Cycle pressure curve

        圖6 凈功輸出Fig.6 Output of power

        將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與表3的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,可以知道,實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論效率為仿真中所得到的理論效率的一半。主要是因?yàn)榉抡孢^(guò)程中,忽略了換熱損失,所以得到較高的理論值。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸較小,金屬熱容相對(duì)于功的轉(zhuǎn)換量來(lái)說(shuō)較大,所以熱量損失所占的比重也較大。如果系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中擴(kuò)大尺寸,熱量損失相對(duì)于功的轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)將會(huì)有效地減小,效率會(huì)得到有效地提升并接近理論效率的最大值。

        圖7 穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)溫熵圖Fig.7 Steady-state testing T-s diagram

        4 總結(jié)

        1)通過(guò)理論計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,系統(tǒng)在工質(zhì)R134a的運(yùn)行下,可以達(dá)到8%的發(fā)電效率,實(shí)驗(yàn)的初始有一些波動(dòng),然后發(fā)電過(guò)程趨向平穩(wěn),系統(tǒng)的過(guò)熱度還需要調(diào)整,使系統(tǒng)效率有所提高。

        2)當(dāng)膨脹機(jī)進(jìn)口的狀態(tài)為飽和或者過(guò)熱時(shí),系統(tǒng)的熱效率與發(fā)電量都會(huì)隨著進(jìn)口壓力的增加而增加。

        3)系統(tǒng)壓力較低的時(shí)候,系統(tǒng)的不可逆程度較大,系統(tǒng)效率會(huì)有較大損失。

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