張永峰，王子龍，黃華杰，鐘紹庚

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

0　前　言

隨著人們對能源需求的增長和環(huán)境保護意識的不斷提高，可再生能源和清潔能源技術(shù)得到了快速發(fā)展，中低溫?zé)嵩吹睦靡苍絹碓绞艿街匾昜1]，中低溫?zé)嵩捶N類繁多、總量大、分布廣泛。有機朗肯循環(huán)（organic Rankine cycle, ORC）是以低沸點的有機物代替水作為工質(zhì)，回收利用中低品位熱能的朗肯動力循環(huán)，具有設(shè)備簡單、環(huán)境友好等優(yōu)點，得到了人們的廣泛關(guān)注[2]。有機工質(zhì)在較低的溫度下即可獲得較高的蒸氣壓力，更適合中低溫余熱發(fā)電。文獻[3-4]的研究表明，選擇合適的有機工質(zhì)并對循環(huán)參數(shù)進行優(yōu)化會使 ORC循環(huán)比水蒸氣朗肯循環(huán)有明顯的優(yōu)勢。目前對ORC系統(tǒng)的工質(zhì)選擇研究較多，工質(zhì)選擇需綜合考慮熱力性能和環(huán)保性能兩個方面[1]。有機朗肯循環(huán)研究除工質(zhì)選擇外，膨脹機改造及設(shè)計[2,5]也是研究的重點和難題之一。

ORC系統(tǒng)中的循環(huán)參數(shù)包括蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度和過熱溫度都與工質(zhì)和熱源有關(guān)，而對于一個設(shè)計完成的ORC系統(tǒng)而言，工質(zhì)不會變，因此系統(tǒng)的循環(huán)參數(shù)由熱源決定。大部分中低溫?zé)嵩床⒉环€(wěn)定[6]，如太陽能會隨著晝夜更替而周期性變化，且受天氣條件影響較大，工業(yè)余熱受生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)調(diào)度的影響，內(nèi)燃機排氣余熱則由其運行工況決定。實際熱源的穩(wěn)定性會影響ORC系統(tǒng)運行效率，這一特性要求ORC系統(tǒng)可以在大范圍工況下安全、穩(wěn)定、高效運行。

目前，對有機朗肯循環(huán)的研究無論是工質(zhì)選擇還是膨脹機設(shè)計大多都是以穩(wěn)定的熱源為前提，現(xiàn)有變工況特性研究更多的是關(guān)注系統(tǒng)的性能。MANOLAKOS等[7]建立的太陽能驅(qū)動ORC反滲透海水淡化系統(tǒng)在陰天和晴天的實際運行效率為0.73%和 1.17%。田華等[8]基于 MATLAB平臺構(gòu)建了變工況特性的ORC工質(zhì)優(yōu)選研究模型，可以準(zhǔn)確預(yù)測不同工質(zhì)的變工況特性，從循環(huán)性能、工況特點、用能端的負(fù)荷模式等多個方面為工質(zhì)的優(yōu)選提供了科學(xué)的指導(dǎo)依據(jù)。KIM 等[9]通過改變熱源的實際運行參數(shù)優(yōu)化出 ORC系統(tǒng)在全工況范圍內(nèi)的最佳設(shè)計條件。文獻[10-11]分析了在內(nèi)燃機變工況下的有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)性能，得出了有機工質(zhì)質(zhì)量流量與內(nèi)燃機排氣能量的對應(yīng)關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的增加，ORC系統(tǒng)凈輸出功率逐漸增大。KOSMADAKIS等[12]以電加熱器加熱水為熱源來研究熱源變化對 ORC系統(tǒng)在亞臨界和超臨界狀態(tài)下的發(fā)電特性。王弢等[13]以液化天然氣（liquefied natural gas, LNG）冷能為冷源、廢熱驅(qū)動的有機朗肯循環(huán)來研究蒸發(fā)溫度和冷凝溫度對系統(tǒng)的影響。余熱回收中，ORC機組相對于熱源處于被動地位，為了最大程度回收余熱，要求ORC系統(tǒng)具有很好的變工況能力和動態(tài)響應(yīng)特性。

本研究基于搭建的10 kW有機朗肯循環(huán)發(fā)電實驗臺，以電加熱的高溫水為系統(tǒng)熱源，并通過改變電加熱器功率來模擬熱源變化對ORC系統(tǒng)的影響，以系統(tǒng)的最大凈發(fā)電量為目標(biāo)函數(shù)，來研究ORC系統(tǒng)在變工況下的發(fā)電特性。

1　ORC發(fā)電系統(tǒng)

1.1　發(fā)電系統(tǒng)介紹

搭建的ORC低溫?zé)嵩窗l(fā)電系統(tǒng)如圖1所示，主要包括熱源循環(huán)回路、工質(zhì)循環(huán)回路和冷卻水循環(huán)回路。熱源系統(tǒng)主要由電加熱水箱、泵和膨脹水箱等組成，采用電加熱器加熱水來模擬低溫?zé)嵩?，通過控制電加熱器的功率來調(diào)節(jié)熱源溫度。工質(zhì)回路由板式換熱器、膨脹螺桿機、工質(zhì)泵和管殼式換熱器等組成。冷卻系統(tǒng)主要包括冷凝器、冷卻水泵和冷卻塔等。在熱源循環(huán)中水在水箱中加熱后經(jīng)蒸發(fā)器與工質(zhì)換熱，換熱后水經(jīng)高溫水泵輸送到水箱中加熱；在工質(zhì)循環(huán)中，工質(zhì)從蒸發(fā)器中吸熱變成高溫高壓氣體進入膨脹機膨脹做功，做功后經(jīng)冷凝器冷凝成液態(tài)然后由工質(zhì)泵輸送到蒸發(fā)器繼續(xù)吸熱；在冷卻水循環(huán)中，水經(jīng)冷凝器冷凝工質(zhì)，吸熱后的水由泵輸送到冷卻塔散熱，然后進入冷凝器完成循環(huán)。每個循環(huán)中均布了參數(shù)測量點，用以測量實驗過程中系統(tǒng)的熱力參數(shù)。圖2為ORC發(fā)電機組實物圖。

圖1　ORC低溫發(fā)電系統(tǒng)圖Fig. 1　ORC low temperature generating system diagram

圖2　ORC發(fā)電機組實物圖Fig. 2　ORC generator set physical map

本試驗臺設(shè)計的凈輸出電功率為10 kW，動力轉(zhuǎn)化設(shè)備為膨脹螺桿機，采用R245fa作為循環(huán)工質(zhì)。R245fa 是美國 Honeywell 公司推出的應(yīng)用于發(fā)泡工業(yè)的一種新型不易燃、低壓 HFC 制冷劑[14]，化學(xué)式為 CHF2CH2CF3，屬于等熵流體，在余熱回收中處于中壓范圍，具有較好的性能，該工質(zhì)比歐洲采用的 HFC 替代物戊烷的溫室效應(yīng)低 15%[15]，其相關(guān)物性參數(shù)如表1 所示。

表1　R245fa的物性參數(shù)Table 1　Physical properties of R245fa

1.2　實驗測量儀器與數(shù)據(jù)采集

ORC發(fā)電系統(tǒng)測量儀器主要有溫度傳感器、壓力傳感器、流量計和電功率測量儀。溫度傳感器采用PT-100型鉑電阻，測溫范圍為-200～650℃；流量計采用科隆轉(zhuǎn)子流量計（測量高溫水），精度為1.6%，測量范圍為25～100 000 L/h，工作介質(zhì)溫度為-80～300℃；壓力傳感器測量范圍為 0～10 MPa。

1.3　實驗流程

為研究ORC系統(tǒng)在變工況下的發(fā)電特性，本文通過控制電加熱器來改變熱源的總功率，然后采集不同時間點的參數(shù)進行分析。系統(tǒng)在最大熱源工況下穩(wěn)定運行一段時間后開始調(diào)節(jié)功率（關(guān)閉電加熱器），待系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)后再打開電加熱器，再次使系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)，此熱源調(diào)節(jié)除研究熱源對系統(tǒng)參數(shù)的影響外還有系統(tǒng)重新達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間；然后再以10 min為間隔控制電加熱器的關(guān)開來模擬熱源短時間內(nèi)的變化對ORC系統(tǒng)發(fā)電的影響。實驗測試時，其他參數(shù)分別為高溫水流量5.5 m3/h、工質(zhì)泵頻率50 Hz、冷卻水溫度20.5℃，系統(tǒng)的輸出電能直接并入電網(wǎng)。

2　實驗原理

ORC系統(tǒng)熱力循環(huán)過程T-s圖如圖3所示。在圖3中，1—2s表示工質(zhì)在膨脹機中等熵膨脹過程，1—2為實際膨脹過程；2—4表示工質(zhì)在冷凝器中等壓冷凝過程；4—5s表示工質(zhì)在泵中等熵壓縮過程，4—5為實際加壓過程，在此過程中工質(zhì)被壓縮到設(shè)定的工作壓力；5—1表示工質(zhì)在蒸發(fā)器中等壓吸熱過程，增壓后的工質(zhì)吸收高溫?zé)嵩吹哪芰孔兂娠柡突蜻^熱蒸氣。

圖3　有機朗肯循環(huán)的溫熵圖Fig. 3　Tephigram of the organic Rankine cycle

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

工質(zhì)定壓吸熱過程中，工質(zhì)在蒸發(fā)器中的吸熱量為：

工質(zhì)等熵膨脹過程中，工質(zhì)在膨脹機中對外輸出的膨脹功為：

當(dāng)有機工質(zhì)等熵膨脹時，理論輸出功為：

工質(zhì)定壓放熱過程中，工質(zhì)在冷凝器中的放熱量為：

工質(zhì)絕熱壓縮過程中，泵消耗的功為：

膨脹機前后壓比為：

膨脹機的等熵效率為：

高溫水在蒸發(fā)器中放熱量為：

系統(tǒng)的發(fā)電效率為：

3　結(jié)果分析與討論

3.1　熱源溫度變化對膨脹螺桿機的影響

圖4為熱源溫度變化對入口工質(zhì)參數(shù)的影響，0～20 min是電加熱器全開時的穩(wěn)定狀態(tài)，此時入口工質(zhì)的溫度壓力為88.9℃、856 kPa，凈發(fā)電功率為7.8 kW。由圖可知在20 min、60 min時電加熱器分別處于關(guān)、開狀態(tài)。20～95 min時，膨脹螺桿機的進口溫度由89℃降到85.7℃再升到88℃，變化率分別為3.7%和2.7%；壓力則由856 kPa降到802 kPa再升到840 kPa，變化率分別為6.3%和4.7%。這是由于20 min時電加熱器關(guān)閉熱源溫度下降，工質(zhì)的吸熱量減少導(dǎo)致溫度和壓力均降低；60 min時系統(tǒng)達到穩(wěn)定電加熱器打開，熱源溫度升高，工質(zhì)吸熱量增加使溫度和壓力升高。由圖可知工質(zhì)溫度和壓力下降的速率要高于升高的速率，說明工質(zhì)參數(shù)對熱源溫度降低的響應(yīng)速度比對熱源溫度升高的響應(yīng)速度要快。95～115 min則是短時間內(nèi)熱源變化對工質(zhì)參數(shù)的影響，溫度和壓力的變化率為0.7%、2.7%，穩(wěn)定狀態(tài)下為0.8%、2.7%，兩種工況下的變化趨勢基本一致。這說明短時間內(nèi)熱源變化對工質(zhì)影響較小。

圖4　入口工質(zhì)的參數(shù)隨時間的變化Fig. 4　Changes in the parameters of the inlet working fluid with time

圖5為熱源溫度變化對膨脹螺桿機壓比及等熵效率的影響。20～95 min壓比由3.96減小到3.83再增加到 3.91，等熵效率也是先減后增，變化范圍是41.42%～43.32%；85～105 min壓比和等熵效率也在上述范圍內(nèi)波動。冷源溫度不變時，熱源溫度降低蒸發(fā)壓力降低，冷凝壓力基本不變因此壓比減?。煌?，熱源溫度升高壓比升高。熱源溫度降低對壓比和等熵效率的影響要比熱源溫度升高要大，尤其是降低的開始時間段。但壓比和等熵效率整體上波動較小，說明在此波動范圍內(nèi)膨脹螺桿機仍然能夠穩(wěn)定運行。

圖5　壓比和等熵效率隨時間的變化Fig. 5　Changes of pressure ratio and isentropic efficiency with time

3.2　熱源溫度變化對系統(tǒng)的影響

圖6為凈發(fā)電功率和發(fā)電效率隨時間的變化情況。由圖可知，系統(tǒng)在60 min、95 min時達到穩(wěn)定狀態(tài)。20～95 min凈發(fā)電功率由7.8 kW降到6.9 kW再升到7.5 kW，變化分別為0.9 kW、11.5%和0.6 kW、8.7%。加熱器關(guān)閉后的 5 min，凈發(fā)電功率減小了0.4 kW、5.1%，10 min減小了0.6 kW、7.7%；加熱器打開后的5 min，凈發(fā)電功率增加了0.2 kW、2.9%，此后每5 min的功率增長基本保持在0.1 kW直到穩(wěn)定。系統(tǒng)凈發(fā)電功率對熱源溫度減小的響應(yīng)速度較快，且主要集中在熱源熱量改變后的10 min內(nèi)，由圖知發(fā)電效率由8.7%降到8.26%，再升到8.75%。在理想朗肯循環(huán)中冷源溫度不變時，熱源溫度越高效率越高，反之越低。發(fā)電效率在加熱器關(guān)閉后會升高，這是由于電加熱器關(guān)閉后水溫降速較大，由于溫度的傳遞效應(yīng)，使水與工質(zhì)的溫度變化不完全同步，水溫變化與凈發(fā)電功率變化有一個時間差，才會出現(xiàn)熱源溫度減小而效率增大的現(xiàn)象。85～105 min凈發(fā)電功率由7.5 kW降到7.1 kW又升到7.5 kW，變化率為5.3%；發(fā)電效率分別為8.72%、8.44%、8.72%，波動為0.5%，說明系統(tǒng)在熱源熱量變化12%的條件下運行狀況良好。

圖6　凈發(fā)電功率和發(fā)電效率隨時間的變化Fig. 6　Changes of net power and efficiency with time

4　結(jié)　論

建立以R245fa為工質(zhì)的有機朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)用以回收利用低溫?zé)嵩?，采用電加熱器加熱水模擬低溫?zé)嵩床⑼ㄟ^改變12%的熱源熱量來模擬變工況下ORC系統(tǒng)運行狀況。通過實驗數(shù)據(jù)研究分析得到以下結(jié)論。

（1）熱源功率是影響工質(zhì)運行溫度和壓力的一個重要因素，系統(tǒng)凈發(fā)電量、工質(zhì)的溫度和壓力與熱源功率正相關(guān)。對于一個穩(wěn)定運行的ORC系統(tǒng)，系統(tǒng)凈發(fā)電量和工質(zhì)參數(shù)對熱源溫度降低的響應(yīng)速度比熱源溫度升高要快，尤其是熱源溫度減小后的10 min內(nèi)。

（2）在熱源溫度先降低后升高的情況下，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間為35～45 min，系統(tǒng)凈發(fā)電功率由7.8 kW降到6.9 kW再回升到7.5 kW，變化分別為0.9 kW、11.5%和0.6 kW、8.7%；發(fā)電效率分別為8.7%、8.26%、8.72%。

（3）在以10 min為時間間隔的熱源溫度先降后升的過程中，系統(tǒng)凈發(fā)電功率由7.5 kW降到7.1 kW再回升到7.5 kW，變化為0.4 kW和5.3%；發(fā)電效率分別為8.72%、8.44%、8.72%。

（4）在熱源熱量變化12%的情況下，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間很短，在該時間段內(nèi)膨脹螺桿機和系統(tǒng)仍能穩(wěn)定運行。

符號表：

mwf工質(zhì)流量，kg/s

Qevap工質(zhì)在蒸發(fā)器中的吸熱量，kW

Wexp實際輸出功，kW

Wexp,s理論輸出功，kW

P1,P2膨脹機的進、出壓力，kPa

γp壓比

ηs,exp膨脹機的等熵效率，%

mw高溫水流量，kg/s

TiTn,out蒸發(fā)器的進、出口水溫，K

Wele凈發(fā)電功率，kW

ηele發(fā)電效率，%