于一達

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，人們越來越注重環(huán)境的保護和資源的節(jié)約。生產(chǎn)生活中存在著大量低品位熱能，包括太陽能熱、地熱、工業(yè)余熱等。有機朗肯循環(huán)可回收上述低品位熱能用于發(fā)電，有效提高能源利用率[1]。有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）是以有機物作為循環(huán)工質(zhì)，基于朗肯循環(huán)系統(tǒng)有效回收低品位熱能用于發(fā)電，提高能源的利用效率[2]。目前，國內(nèi)外眾多學者對有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的改進、有機工質(zhì)的選擇、循環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化等方面等進行了大量研究，利用有機朗肯循環(huán)回收和利用低品位熱能已經(jīng)成為新的熱點。

本文基于朗肯循環(huán)系統(tǒng)的基本原理建立熱力系統(tǒng)模型，利用熱力學第二定律，以R245ca和R601作為循環(huán)的有機工質(zhì)[3]，在不同的蒸發(fā)溫度、過熱度、冷凝溫度、再熱壓力比條件下，對再熱式系統(tǒng)和基本有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)的不可逆損失、不同設(shè)備的不可逆損失進行分析和比較

1 再熱式有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)

1.1 再熱式ORC系統(tǒng)簡介

根據(jù)圖1再熱式ORC系統(tǒng)流程圖可以看出，有機工質(zhì)經(jīng)過集熱器變成蒸汽，先進入汽輪機Ⅰ做功，再排氣進入再熱器進行二次加熱后進入汽輪機Ⅱ做功，最后經(jīng)過凝汽器、泵完成整個循環(huán)。

如圖2所示，系統(tǒng)循環(huán)過程主要為：

（1）絕熱膨脹（1-Z1）：工質(zhì)在汽輪機Ⅰ中膨脹做功；

（2）定壓加熱（Z1-Z2）：汽輪機Ⅰ出口的乏汽經(jīng)過再熱器，溫度被加熱到1點的溫度；

（3）絕熱膨脹（Z2-2）：工質(zhì)在汽輪機Ⅱ中膨脹做功；

（4）定壓冷卻（2-4）：工質(zhì)從汽輪機Ⅱ出來，經(jīng)過冷凝器凝結(jié)為液體，對外放熱；

（5）絕熱加壓（4-5）：工質(zhì)從冷凝器中出來，為飽和液態(tài)通過泵升壓；

（6）定壓加熱（5-1）：有機工質(zhì)被加熱，形成高溫高壓的蒸汽。

圖1 再熱式ORC系統(tǒng)流程圖

圖2 再熱式ORC系統(tǒng)溫熵圖

1.2 設(shè)定理論工況

為進一步研究再熱式系統(tǒng)和基本系統(tǒng)，統(tǒng)一設(shè)定系統(tǒng)處于穩(wěn)定流動的理想狀態(tài)。各熱力設(shè)備和外部環(huán)境沒有換熱，各設(shè)備的熱力和連接管道的壓力損失均假設(shè)忽略不計。冷凝器出口工質(zhì)為飽和液體，其中循環(huán)基本方程如下[4]。

集熱器不可逆損失：

汽輪機Ⅰ不可逆損失：

再熱器不可逆損失：

汽輪機Ⅱ不可逆損失：

冷凝器不可逆損失：

泵的不可逆損失：

循環(huán)系統(tǒng)總不可逆損失：

式中，m 為質(zhì)量流量，kg/s；TH為高溫熱源溫度，K；TL為低溫熱源溫度，K；T0為環(huán)境溫度，K。

2 計算結(jié)果與分析

選擇R245ca和R601兩種有機工質(zhì)，研究系統(tǒng)蒸發(fā)溫度、過熱度、冷凝溫度和再熱壓力比對再熱式有機朗肯循環(huán)和基本循環(huán)的影響，并對二者進行比較。設(shè)定相同的循環(huán)條件，如汽輪機Ⅰ和汽輪機Ⅱ的額定功率為120 kW，等熵效率為80%，機械效率為95%，泵的等熵效率為80%，冷凝溫度為30 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，集熱器和再熱器的傳熱溫差為8 ℃，冷凝器傳熱溫差為10 ℃。有機工質(zhì)的各個狀態(tài)點的參數(shù)值按照美國NIST提供的REFPROP程序進行計算[5-6]。

2.1 蒸發(fā)溫度的影響

為比較蒸發(fā)溫度、過熱度及冷凝溫度對兩種系統(tǒng)的影響，設(shè)定再熱壓力為汽輪機Ⅰ進口壓力和汽輪機Ⅱ排汽壓力的中間值，即

圖3顯示了蒸發(fā)溫度和兩個系統(tǒng)不可逆損失之間的關(guān)系。對于兩種工質(zhì)，系統(tǒng)的總不可逆損失隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高，且再熱式系統(tǒng)的總不可逆損失大于基本系統(tǒng)；隨著蒸發(fā)溫度的升高，相差逐漸變大。比較兩種工質(zhì)可以發(fā)現(xiàn)，在同樣蒸發(fā)溫度情況下，烷類工質(zhì)R601的總不可逆損失小于HFC類R245ca。

圖3 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)總不可逆損失的影響

圖4 給出的是R601各部分不可逆損失的具體情況。其中，由于泵的不可逆損失較小，沒有列出，再熱式集熱器的不可逆損失為集熱器和再熱器不可逆損失之和，再熱式汽輪機的不可逆損失為汽輪機Ⅰ和汽輪機Ⅱ的不可逆損失之和。通過比較可以看出，集熱器部分二者幾乎相同；汽輪機部分，再熱式小于基本系統(tǒng)；冷凝器部分，再熱式大于基本系統(tǒng)。再熱式系統(tǒng)中汽輪機Ⅱ排出的乏汽溫度高于基本系統(tǒng)，和冷凝器溫度溫差較大，導致能量損失較大，這是二者總不可逆損失相差的主要原因。

圖4 蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)各部分不可逆損失的影響

2.2 過熱度的影響

圖5 顯示的是過熱度對系統(tǒng)不可逆損失的影響?？梢?，兩個系統(tǒng)的總不可逆損失均成線性增長，且再熱式總不可逆損失略高于基本系統(tǒng)。

圖5 過熱度對系統(tǒng)總不可逆損失的影響

圖6 給出的是以R601為例再熱式系統(tǒng)各部分不可逆損失的具體情況?？梢钥闯?，集熱器部分和汽輪機部分的不可逆損失基本一樣，冷凝器部分的不可逆損失，再熱式大于基本系統(tǒng)。這是因為過熱度使汽輪機Ⅱ的乏汽溫度更高，與冷凝器的溫差更大，導致在冷凝器中損失的能量更大。因此，對熱力設(shè)備的優(yōu)化應(yīng)主要集中于冷凝器部分。

圖6 過熱度對各部分不可逆損失的影響

2.3 冷凝溫度的影響

圖7 顯示的是以R601為例兩種系統(tǒng)各部分不可逆損失的比較情況。隨著冷凝溫度的升高，各部分損失的變化較為平緩。由圖7可見，集熱器部分和汽輪機部分二者相差較小，在冷凝器部分相差較大。因此，冷凝器是優(yōu)化的主要部分。

圖7 冷凝溫度對各部分不可逆損失的影響

2.4 再熱壓力比的影響

圖8 給出的是R601為工質(zhì)時再熱壓力比各部分不可逆損失的具體情況。可見，泵的不可逆損失基本保持不變；汽輪機部分的變化為先減小再增加，但總體變化趨勢較??；集熱器部分的變化為先減小后增加，趨勢較為平緩；冷凝器部分則是一直減小。這是因為再熱壓力比的增加，增大了汽輪機Ⅱ的焓降，使得汽輪機Ⅱ排出的乏汽溫度減小，從而使其在冷凝器中的能量損失減小。這是系統(tǒng)總不可逆損失減小的主要原因。

3 結(jié) 論

本文以R245ca和R601作為循環(huán)的有機工質(zhì)，根據(jù)熱力學第二定律，在不同的蒸發(fā)溫度、過熱度和冷凝溫度、再熱壓力比的條件下，對兩種系統(tǒng)的不可逆損失、各設(shè)備的不可逆損失進行比較和分析。結(jié)果表明：隨著蒸發(fā)溫度和過熱度的增加，兩種系統(tǒng)的不可逆損失均有所升高，再熱式系統(tǒng)的不可逆損失主要集中在冷凝器部分。因此，要改善再熱式系統(tǒng)的性能和降低系統(tǒng)不可逆損失，應(yīng)該主要從冷凝器入手。

圖8 再熱壓力比對各部分不可逆損失的影響