張　方， 胥建群， 趙志軍， 陳飛翔

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 上海理工大學 能源與動力工程學院， 上海 200093)

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研究與分析

基于余熱利用的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的設計與研究

張方1， 胥建群1， 趙志軍2， 陳飛翔1

(1. 東南大學 能源熱轉換及其過程測控教育部重點實驗室， 南京 210096；2. 上海理工大學 能源與動力工程學院， 上海 200093)

基于能量梯級利用的原則，利用微型燃氣輪機排出的高溫煙氣，構建了一套有機朗肯循環(huán)(ORC)余熱發(fā)電系統(tǒng)，并對其進行了研究。建立了ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型，選擇R134a作為工質(zhì)，選擇螺桿式膨脹機作為動力機，并對ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的性能進行了研究，指出在設計工況下ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率為20.40 kW，效率為12.65%。該發(fā)電系統(tǒng)不僅能夠回收低品位熱源，而且也實現(xiàn)了污染物的零排放，具有廣泛的應用前景。

燃氣輪機； 有機朗肯循環(huán)； 有機工質(zhì)； 螺桿式膨脹機

最近幾年，隨著能源緊缺和環(huán)境惡化等問題日益突出，提高燃料燃燒的效率和減少污染物的排放成為了國內(nèi)外研究的熱點問題，其中如何有效利用余熱是研究的重點方向之一。國內(nèi)外很多研究工作者利用余熱作為熱源，設計有機朗肯循環(huán)(ORC)余熱發(fā)電系統(tǒng)，進行節(jié)能減排的研究，并且取得了一定的進展：Mago等[1]利用內(nèi)燃機排出的煙氣作為ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)熱源，并對其進行了研究，研究表明采用ORC的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)可以提高效率約10%；Zare等[2]指出用卡琳娜循環(huán)回收氦氣冷卻反應堆中燃氣輪機(GT-MHR)排氣的余熱，其聯(lián)合循環(huán)的效率比基本的GT-MHR循環(huán)提高了8.2%，并與采用ORC循環(huán)回收余熱比較，指出在回收GT-MHR的余熱上，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)比卡琳娜循環(huán)系統(tǒng)更合適且效率更高；李艷等[3]設計了回收工業(yè)低溫余熱的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)，并且證實了利用ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)能夠有效可靠地回收工業(yè)余熱；劉廣林等[4]研究以低溫煙氣為熱源的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)，并且表明采用有機工質(zhì)R245fa優(yōu)于其他有機工質(zhì)，其效率可達到10.2%。

某校熱動實驗室微型燃氣輪機發(fā)電機組的排煙溫度較高(340 ℃)，為了利用這部分余熱和減少污染物的排放，筆者設計一套帶有煙氣處理系統(tǒng)的、以R134a為工質(zhì)的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)，并對其性能進行分析和研究。

1　ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)

1.1 課題來源及設計目標

實驗室研究和教學所用的微型燃氣輪機發(fā)電裝置，其設備緊湊、移動方便、操作簡單、啟停快速。該裝置在試驗過程中會產(chǎn)生較高溫度的煙氣排到周圍環(huán)境中，不但會產(chǎn)生熱污染，而且煙氣中CO、硫化物和氮化物還會污染環(huán)境，不符合節(jié)能減排、綠色環(huán)保的要求。針對這一問題，筆者設計了ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)。

微型燃氣輪機發(fā)電裝置在額定工況運行時，出力為105.23 kW，效率為24.5%，采用液化石油氣作為燃料，排煙溫度為340 ℃，流量為0.5 kg/s。為了回收利用這部分煙氣余熱量和減少煙氣中污染物的排放，設計了ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)，與微型燃氣輪機發(fā)電裝置組成聯(lián)合循環(huán)。本設計的任務是有效利用燃氣輪機的煙氣余熱，降低煙氣溫度，提高發(fā)電效率。其內(nèi)容主要包括ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)模型的構建，工質(zhì)及膨脹機的選擇，系統(tǒng)性能的分析，最后給出設計結果。

1.2 余熱發(fā)電系統(tǒng)

圖1給出了聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)圖，其中虛線方框內(nèi)的是設計的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)。

低溫有機工質(zhì)經(jīng)泵升壓進入蒸發(fā)器中與燃氣輪機排出的煙氣進行換熱變成高溫高壓氣體，高溫高壓氣體進入膨脹機中膨脹推動渦輪對外做功從而變成低溫低壓氣體，低溫低壓氣體進入冷凝器與冷卻水換熱變成低溫低壓液體后，再經(jīng)過泵升壓，再回到蒸發(fā)器中吸熱；煙氣在蒸發(fā)器中換熱后，進入煙氣處理器，脫除煙氣中二氧化碳、氮氧化物、硫化物和一氧化碳氣體后，直接排放到環(huán)境中。該ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的特點是：利用ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)回收微型燃氣輪機排氣余熱，提高能源利用效率；添加了煙氣處理裝置，吸收煙氣中二氧化碳、氮氧化物和一氧化碳，實現(xiàn)了污染物的零排放。

1.3 余熱發(fā)電系統(tǒng)模型的建立

為了簡化系統(tǒng)，在計算過程中做如下假設：

(1) 系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動狀態(tài)。

(2) 換熱器、膨脹機、管道等的壓力損失和散熱損失均忽略不計。

(3) 冷凝器的出口工質(zhì)為飽和液體。

(4) 當工質(zhì)的過熱度為零時，即透平機的進口工質(zhì)為飽和蒸汽；當過熱度不為零時，即此時蒸汽的溫度比工質(zhì)飽和溫度高。

1.3.1 工質(zhì)泵模型

從熱力學角度描述工質(zhì)泵的數(shù)學模型，在理想情況下，工質(zhì)在泵中經(jīng)歷的過程看做一個等熵壓縮過程(3～4s)，實際中經(jīng)歷的是一個不可逆的壓縮過程(3～4)，壓縮過程消耗的泵功[5]可表示為：

(1)

式中：Wpump為工質(zhì)泵的功率，kW；qm為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；h4s、h4分別為工質(zhì)泵的出口工質(zhì)的等熵比焓和實際比焓，kJ/kg；h3為工質(zhì)泵的進口工質(zhì)的比焓，kJ/kg；ηpump為工質(zhì)泵的絕熱效率。

1.3.2 換熱器模型

蒸發(fā)器和冷凝器為管殼式換熱器，是工業(yè)過程熱量傳遞中應用最為廣泛的一種換熱器。其結構簡單、造價低廉，具有高度的可靠性和廣泛的適應性，目前大多數(shù)ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)采用的是管殼式換熱器。

工質(zhì)在蒸發(fā)器中的吸熱量為：

Q1=qm×(h1-h4)

(2)

式中：Q1為蒸發(fā)器中工質(zhì)的吸熱量，kW；h1為工質(zhì)在蒸發(fā)器出口的比焓，kJ/kg。

工質(zhì)在冷凝器中的放熱量為：

Q2=qm×(h2-h3)

(3)

式中：Q2為有機工質(zhì)在冷凝器中放熱量，kW；h2、h3分別為工質(zhì)進入和離開冷凝器的比焓，kJ/kg。

1.3.3 膨脹機模型

在ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)中，膨脹機的選擇非常重要，需要綜合考慮工質(zhì)的熱力學性質(zhì)、工質(zhì)的流量、膨脹比以及膨脹機的性質(zhì)。

膨脹機的輸出功率[5]為：

Wt=qm×(h1-h2)

(4)

式中:h1為工質(zhì)在膨脹機進口的比焓，即工質(zhì)在蒸發(fā)器出口的比焓，kJ/kg；h2為工質(zhì)在膨脹機出口的比焓，即工質(zhì)在冷凝器入口的比焓，kJ/kg。

ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率為：

Wnet=Wt-Wpump

(5)

ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)熱效率η為：

(6)

1.4 煙氣處理器

煙氣處理器中含有一些溶液，這些溶液能夠吸收煙氣中的CO2、NO2、SO2和CO氣體。其處理過程為：煙氣進入該裝置，先進入KOH溶液中吸收CO2、NO2和SO2，然后進入氯化亞銅的氨溶液中吸收CO，剩余的氣體直接排放到環(huán)境。主要反應方程式為：

2KOH+RO2→K2RO3+H2O

(7)

Cu(NH3)2Cl+2CO→Cu(CO)2Cl+2NH3

(8)

式中：RO2指的是CO2、NO2和SO2。

此煙氣處理器能夠基本上吸收煙氣中的CO2、SO2和CO氣體。

2　工質(zhì)及膨脹機的選擇

由于ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)可利用的熱源種類多，且各有特點，因此工質(zhì)的篩選比較復雜。在選擇工質(zhì)時，需要考慮熱源溫度，工質(zhì)的熱力性能、安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟性等因素。由于工質(zhì)的性質(zhì)不易同時滿足所有的要求，應根據(jù)實際情況綜合考慮各方面因素進行工質(zhì)的選擇。筆者在不考慮非共沸混合工質(zhì)的情況下，選擇R113、R12、R124、R245ca、R245fa和R134a作為備選工質(zhì)進行分析比較。表1給出了由Refprop軟件[6]得出的6種備選有機物的物性參數(shù)，將對各備用工質(zhì)對系統(tǒng)性能的影響進行分析后選定循環(huán)工質(zhì)。

表1　備選工質(zhì)的物性參數(shù)

注：1)為臭氧層破壞潛力值(Ozone depletion potential)；2)為全球變暖的潛力值(Global Warming Potential)。

膨脹機是ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件，其性能的好壞直接決定著系統(tǒng)的發(fā)電量和發(fā)電效率?？刹捎玫呐蛎洐C種類有很多：渦輪式膨脹機、螺桿式膨脹機、渦旋式膨脹機、旋葉式膨脹機和三角轉子式膨脹機等。表2給出這幾種膨脹機的相關參數(shù)和適用范圍[7-8]。

表2　可用于ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的各種膨脹機的比較

該ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的功率約10 kW，渦輪式膨脹機的功率值較大，不適用；三角轉子式膨脹機的應用不廣，也不宜采用。當ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)變工況運行時，采用螺桿式膨脹機和渦旋式膨脹機的功率高于旋葉式膨脹機，而且渦旋式膨脹機的膨脹比高，變工況性能沒有螺桿式膨脹機的好。綜合考慮幾種膨脹機的優(yōu)缺點，選擇螺桿式膨脹機。

3　ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的熱力性能分析

ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的工作條件見表3。

表3　ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)工作條件

3.1 工質(zhì)種類對系統(tǒng)性能的影響

圖2給出了在表3給定的操作條件下，蒸發(fā)壓力為3 MPa、膨脹機的進口工質(zhì)為飽和蒸汽時，采用R134a、R12等6種有機物作為循環(huán)工質(zhì)的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和系統(tǒng)效率。不同工質(zhì)的熱物性不同，對ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)性能的影響也會不同：R12為循環(huán)工質(zhì)時，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)輸出功率是21.66 kW，系統(tǒng)的效率是13.43%；R134a、R124、R113、R245fa和R245ca為循環(huán)工質(zhì)時，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率分別是19.75 kW、19.37 kW、18.62 kW、18.22 kW和18.20 kW，效率分別是12.25%、12.01%、11.55%、11.3%和11.29%。6種有機物中，R12為循環(huán)工質(zhì)時，系統(tǒng)的熱力性能最好，但是R12的破壞臭氧層作用接近于R11(氟利昂)，環(huán)保性能差；在工質(zhì)ODP為零的3種有機物中，R134a作為循環(huán)工質(zhì)時，系統(tǒng)的性能最好。因此選擇R134a作為ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)。

3.2 蒸汽過熱度對ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的影響

當膨脹機入口工質(zhì)的壓力為3 MPa時，工質(zhì)的過熱度越大，膨脹機的輸出功率越大，則系統(tǒng)的輸出功率越大。圖3給出了R134a為循環(huán)工質(zhì)時，系統(tǒng)的輸出功率和效率隨工質(zhì)過熱度的變化曲線。隨著工質(zhì)溫度的增加，單位溫升所引起的焓升逐漸減小，所以膨脹機輸出功率隨溫度的增加而增加，但增量漸小。因此工質(zhì)過熱度只能在一定溫度下才能顯著增加系統(tǒng)的輸出功率。

3.3 蒸發(fā)壓力對系統(tǒng)性能的影響

在表3所示的工作條件下，工質(zhì)在蒸發(fā)器出口的過熱度為零時，工質(zhì)在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)壓力增大時，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和效率都是先增大后減小，存在一個最大值，此時對應的蒸發(fā)壓力為最佳蒸發(fā)壓力點。圖4給出選擇R134a作為循環(huán)工質(zhì)時，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率和效率隨蒸發(fā)壓力的變化曲線。由圖4可以看出：其他條件一定時，R134a的最佳蒸發(fā)壓力為3.6 MPa。

4　設計結果

當微型燃氣輪機在額定條件下穩(wěn)定運行，ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)也在額定工況下運行。膨脹機進口工質(zhì)的過熱度為零條件下，設計出的最佳ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的參數(shù)值見表4。

表4　ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的額定運行參數(shù)值

微型燃氣發(fā)電機組在正常運行工況下，輸出功率是105.23 kW，效率是24.5%。與ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)組成的聯(lián)合循環(huán)的輸出功率是125.63 kW，效率是29.25%。

5　結語

根據(jù)能量的梯級利用原則，利用微型燃氣輪機排氣余熱，構建了ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)；建立ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學模型，選擇ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的工質(zhì)和膨脹機，分析幾種參數(shù)對ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)熱力性能的影響；最后給出ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)的設計結果。設計的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)為R134a，在額定工況下系統(tǒng)的輸出功率是19.75 kW，效率是12.65%。

所設計的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)不僅可以利用低溫煙氣，而且也可以應用在太陽能和地熱能上，這種余熱發(fā)電系統(tǒng)的應用前景十分廣泛。另外，系統(tǒng)中還設有煙氣處理器，換熱以后的低溫煙氣可以通過煙氣處理器處理，脫除煙氣中的CO2、SO2和CO，剩余的煙氣排入大氣，實現(xiàn)了污染物的零排放。

該ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)處于設計階段，后續(xù)將進行工作試驗臺的搭建和試驗。這套系統(tǒng)設計好以后不但可以做微型燃氣輪機和ORC及其聯(lián)合循環(huán)的試驗，而且可以做碳捕捉和氧化氮脫除試驗。

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Research and Development of an Organic Rankine Cycle System Based on Waste Heat Utilization

Zhang Fang1, Xu Jianqun1, Zhao Zhijun2, Chen Feixiang1

(1. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education,Southeast University, Nanjing 210096, China; 2. School of Energy and Power Engineering,University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

Based on the principle of cascaded utilization of energy, an organic Rankine cycle (ORC) system was developed using high-temperature flue gas discharged from a micro gas turbine, of which the system performance was studied by setting up a mathematic model for the ORC system, taking R134a as the working fluid, and choosing screw expander as the engine. Results show that the power output and cycle efficiency of the ORC system are respectively 20.40 kW and 12.65%. The power system can not only recover low grade heat source, but also achieve zero emission of pollutants, having a wide application prospect.

gas turbine; organic Rankine cycle; working fluid; screw expander

2016-03-15

張方(1987—)，女，在讀碩士研究生，研究方向為分布式能源和有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能。

E-mail: 1278400290@qq.com

TK12

A

1671-086X(2016)05-0289-05