李驥飛，李瑞霞，苗 政，徐進(jìn)良

（1.中石化新星（北京）新能源研究院有限公司，北京 100083；2.低品位能源多相流與傳熱北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

在世界能源領(lǐng)域減碳的大趨勢(shì)下，工業(yè)和可再生能源領(lǐng)域大量存在的200 ℃以下中低溫?zé)嵩吹睦脗涫苤匾?。有機(jī)朗肯循環(huán)（organic rankine cycle，ORC）采用低沸點(diǎn)工質(zhì)與中低溫?zé)嵩磽Q熱，以產(chǎn)生足夠的壓力推動(dòng)膨脹機(jī)做功，可有效利用工業(yè)余熱、地?zé)?、太陽能集熱等中低溫?zé)崮苜Y源[1-4]，實(shí)現(xiàn)熱功轉(zhuǎn)換。ORC 技術(shù)工質(zhì)選擇范圍廣，可與寬范圍內(nèi)的熱源匹配，相對(duì)其他中低溫?zé)崮芾眉夹g(shù)具有一定效率優(yōu)勢(shì)[5-7]，被認(rèn)為是中低溫?zé)崮芊植际桨l(fā)電的主流技術(shù)。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)ORC 的研究以理論研究為主，特別是在基于熱力學(xué)的工質(zhì)篩選[8-10]、系統(tǒng)分析[11-13]與參數(shù)優(yōu)化[14-16]等方面，而對(duì)ORC 實(shí)驗(yàn)機(jī)組的測(cè)試研究相對(duì)缺乏，受到具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較分散。Peng 等人[17]搭建了基于徑流透平的ORC 機(jī)組，以R123 為工質(zhì)獲得了約1 kW的輸出功率，膨脹機(jī)等熵效率65%。Vincent 等人[18]搭建了基于渦旋膨脹機(jī)的ORC 試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)測(cè)試和模型分析表明內(nèi)部泄露和進(jìn)出口壓力損失是造成渦旋膨脹機(jī)性能下降的主要因素。Miao 等人[19-21]采用改造的車用制冷渦旋膨脹機(jī)搭建了ORC 原理樣機(jī)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試與系統(tǒng)仿真發(fā)現(xiàn)，基于膨脹機(jī)前后管道設(shè)置溫壓傳感器進(jìn)而通過熱力學(xué)焓值計(jì)算的方法會(huì)高估膨脹機(jī)軸功率而低估工質(zhì)泵耗功，對(duì)于小型ORC 系統(tǒng)，工質(zhì)泵耗功不可忽略。

在分布式發(fā)電、發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用等ORC 系統(tǒng)的使用場(chǎng)景中，熱源溫度和流量波動(dòng)是機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行中必須考量的因素，有必要對(duì)其帶來的機(jī)組變工況動(dòng)態(tài)特性和多工況穩(wěn)態(tài)輸出性能進(jìn)行研究。但是，目前該方面的實(shí)驗(yàn)研究較少[22-25]，如：Jelme 等人[22]測(cè)試了重型內(nèi)燃機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的小型ORC 系統(tǒng)性能，工質(zhì)為R1233zd(E)，在多種工況下獲得了0.1～0.7 kW 的膨脹機(jī)輸出功率和1.1%～1.8%的系統(tǒng)熱效率，對(duì)內(nèi)燃機(jī)功率貢獻(xiàn)最大為0.7%；Li 等人[23]測(cè)試了熱源溫度和流量變化對(duì)3 kW 級(jí)ORC 機(jī)組輸出性能的影響，指出熱源溫度對(duì)系統(tǒng)熱效率的影響更顯著，提高熱源溫度能提高ORC 系統(tǒng)效率，但同時(shí)也會(huì)降低熱源回收率。

對(duì)此，本文以導(dǎo)熱油鍋爐模擬熱源，測(cè)試采用R245fa 工質(zhì)的4 kW 級(jí)ORC 機(jī)組在熱源溫度120～150 ℃、工質(zhì)流量4 000～8 000 L/h 條件下的多工況動(dòng)態(tài)/穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性，為波動(dòng)熱源下的ORC 機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐和指導(dǎo)。

1 有機(jī)朗肯循環(huán)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文ORC 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1 所示。系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油模擬地?zé)崴?、太陽能集熱等中低溫?zé)嵩?，采用置于室外的閉式冷卻塔向環(huán)境散熱。工質(zhì)采用R245fa，經(jīng)工質(zhì)泵加壓后輸送到蒸發(fā)器中與導(dǎo)熱油換熱，汽化為高溫高壓蒸氣，進(jìn)入膨脹機(jī)做功，乏氣在冷凝器中與冷卻水換熱后回流到儲(chǔ)液罐，再經(jīng)工質(zhì)泵進(jìn)行下一次循環(huán)。蒸發(fā)器和冷凝器均采用釬焊式板式換熱器，換熱面積分別為5.7 m2和4.6 m2；工質(zhì)泵采用液壓隔膜泵以避免潤(rùn)滑油進(jìn)入工質(zhì)回路；膨脹機(jī)為渦旋膨脹機(jī)，額定功率4 kW。主要測(cè)量?jī)x表精度見表1。

圖1 ORC 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 The ORC test system

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要測(cè)量?jī)x表精度Tab.1 Accuracy of the sensors used in the ORC test rig

2 機(jī)組性能計(jì)算

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)組性能，其中膨脹機(jī)輸出功W為：

式中：ηEXP為測(cè)量的膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；TEXP為測(cè)量的膨脹機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m。

通過溫度和壓力的測(cè)量數(shù)據(jù)調(diào)用Refprop9.0 數(shù)據(jù)庫獲得對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的焓值和熵值，進(jìn)而計(jì)算系統(tǒng)各部件性能，如換熱器換熱量、膨脹機(jī)等熵效率和工質(zhì)泵耗功等。系統(tǒng)凈輸出功是實(shí)測(cè)膨脹機(jī)輸出功與工質(zhì)泵耗功W之差：

其中，工質(zhì)泵耗功可通過式(3)計(jì)算：

式中：mf為工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；hP,out和hP,in為工質(zhì)泵出口和入口焓值，J/(kg·K)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所采用的工質(zhì)泵的特性，工質(zhì)泵效率設(shè)為0.75。

工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)的換熱速率為：

由此，可計(jì)算ORC 系統(tǒng)熱效率：

膨脹機(jī)等熵效率為：

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過程中的不確定度根據(jù)誤差傳遞公式計(jì)算：

根據(jù)式(7)—式(8)計(jì)算得到焓值不確定度為0.5%，換熱量不確定度為1%，軸功和熱效率不確定度為0.5%和1.1%。

3 結(jié)果分析

3.1 熱源溫度和流量對(duì)機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的影響

ORC 機(jī)組的運(yùn)行工況可通過工質(zhì)流量和膨脹機(jī)負(fù)載進(jìn)行控制。在系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的測(cè)試中，工質(zhì)流量設(shè)為800 kg/h，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為1 600 r/min。圖2 為熱源溫度變化對(duì)ORC 機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的影響。測(cè)試中，導(dǎo)熱油流量穩(wěn)定在8 000 L/h，導(dǎo)熱油溫度從120 ℃以10 ℃步長(zhǎng)梯次升溫至150 ℃，再梯次回落到120 ℃。

圖2 熱源溫度變化對(duì)ORC 動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的影響Fig.2 Effects of heat source temperature change on dynamic operating characteristics of the ORC system

圖2b)為膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化規(guī)律。由于工質(zhì)與導(dǎo)熱油在蒸發(fā)器中換熱，使得工質(zhì)膨脹機(jī)入口溫度對(duì)導(dǎo)熱油入口溫度敏感，二者溫差很小，趨勢(shì)一致，表明在該工況下蒸發(fā)器面積有冗余，可提供充足的換熱。膨脹機(jī)進(jìn)出口溫降在30 ℃左右，隨導(dǎo)熱油溫度的調(diào)整變化不大。

膨脹機(jī)進(jìn)口壓力是蒸發(fā)器中換熱與流量平衡的結(jié)果，在固定的工質(zhì)流量和膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速條件下（圖2c)），隨著膨脹機(jī)入口溫度的升高，系統(tǒng)只能通過壓力的上升平衡溫度升高導(dǎo)致的工質(zhì)密度的變化。壓力以波的形式傳播，但受到換熱的影響，系統(tǒng)壓力的平衡時(shí)間基本與溫度同步。

膨脹機(jī)軸功率隨時(shí)間的變化規(guī)律與此相似，如圖2d)所示。隨著導(dǎo)熱油溫度的階躍上調(diào)和階躍下調(diào)，膨脹機(jī)輸出功基本呈現(xiàn)同步且左右對(duì)稱的變化規(guī)律。

總體來講，機(jī)組在導(dǎo)熱油溫度變化情況下的變工況運(yùn)行穩(wěn)定性良好。

圖3 為熱源流量變化對(duì)ORC 機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的影響。測(cè)試中，導(dǎo)熱油溫度穩(wěn)定在150 ℃，導(dǎo)熱油流量從8 000 L/h 以大約1 000 L/h 步長(zhǎng)梯次下降至4 000 L/h（圖3a)）。導(dǎo)熱油流量通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)，其響應(yīng)速度即時(shí)。

圖3 熱源流量變化對(duì)ORC 動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性的影響Fig.3 Effects of heat source fluid flow rate on dynamic operating characteristics of the ORC system

由圖3b)可以看到，在導(dǎo)熱油流量調(diào)整的過程中，蒸發(fā)器側(cè)導(dǎo)熱油進(jìn)口溫度基本保持不變，而出口溫度隨著流量的調(diào)整出現(xiàn)階躍式下降，趨穩(wěn)時(shí)間很短。隨著導(dǎo)熱油流量降低一半，導(dǎo)熱油進(jìn)出口溫差增加近1 倍，表明在導(dǎo)熱油流量調(diào)整過程中蒸發(fā)器換熱量降低幅度較小。從蒸發(fā)器換熱角度出發(fā)，可預(yù)測(cè)導(dǎo)熱油流量降低會(huì)使蒸發(fā)器中冷熱流體換熱溫差減小，進(jìn)而導(dǎo)致蒸發(fā)器換熱量小幅下降。

由圖3c)—圖3d)可見，膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度和進(jìn)口壓力在整個(gè)測(cè)試時(shí)間內(nèi)基本穩(wěn)定，未受到導(dǎo)熱油流量波動(dòng)的影響，膨脹機(jī)軸功率也表現(xiàn)出對(duì)導(dǎo)熱油流量調(diào)整不敏感的特性（圖3e)），基本維持穩(wěn)定的功率輸出。這表明，在該導(dǎo)熱油溫度下?lián)Q熱器面積冗余較多，工質(zhì)在膨脹機(jī)入口存在較大過熱度。

3.2 熱源溫度和流量對(duì)ORC 穩(wěn)態(tài)輸出性能的影響

測(cè)試工質(zhì)流量為500、600、700、800 kg/h 時(shí)導(dǎo)熱油溫度變化對(duì)機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的影響，結(jié)果如圖4 所示。測(cè)試中導(dǎo)熱油流量穩(wěn)定在8 000 L/h，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min。

圖4 導(dǎo)熱油溫度變化對(duì)ORC 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的影響Fig.4 Effects of heat source temperature change on steady state operating performance of the ORC system

從圖4 可以看到：伴隨著導(dǎo)熱油溫度的升高和降低，整體上各分圖所示的機(jī)組參數(shù)表現(xiàn)為左右對(duì)稱的分布，說明機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，多工況下的重復(fù)性好；蒸發(fā)器側(cè)導(dǎo)熱油的進(jìn)出口溫度和膨脹機(jī)進(jìn)出口溫度隨工質(zhì)流量變化很小，可見蒸發(fā)器面積足夠大，換熱充分；膨脹機(jī)入口壓力隨工質(zhì)流量增大和導(dǎo)熱油溫度升高均增大，這是工質(zhì)流量和密度平衡的結(jié)果；膨脹機(jī)出口壓力隨導(dǎo)熱油溫度變化基本保持不變，隨工質(zhì)流量增大而緩慢升高，這是由于工質(zhì)流量大時(shí)，冷凝器換熱量也大，需要更大的溫差換熱；在導(dǎo)熱油溫度從120 ℃升高到150 ℃過程中，4 組工質(zhì)流量下膨脹機(jī)入口壓力升高約150 kPa，機(jī)組軸功率增加幅度為300～600 W，而系統(tǒng)熱效率差別不大，這是由于輸出功增大的同時(shí)蒸發(fā)器換熱量也在增大；測(cè)試工況范圍內(nèi)，在熱源溫度150 ℃時(shí)獲得最大輸出功約3 800 W，最大熱效率5.12%。

測(cè)試工質(zhì)流量為600、700、800 kg/h 時(shí)導(dǎo)熱油流量變化對(duì)機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的影響，結(jié)果如圖5 所示。測(cè)試中導(dǎo)熱油溫度穩(wěn)定在150 ℃，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速1 600 r/min。從圖5 可以看到，3 組工質(zhì)流量下的結(jié)果均與圖3 動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性結(jié)果類似，即導(dǎo)熱油流量的變化對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和輸出功率的影響基本可以忽略。這是由于蒸發(fā)器面積冗余較多，導(dǎo)熱油流量下降后其出口溫度仍較高（圖5a)），在此換熱工況下，換熱過程的夾點(diǎn)位于蒸發(fā)器出口處，使得工質(zhì)在蒸發(fā)器出口存在較大過熱度（圖5b)），換熱過程存在較大溫差。導(dǎo)熱油流量下降使得冷熱流體換熱溫差略有下降，可預(yù)見到蒸發(fā)器換熱量會(huì)小幅降低。但在工質(zhì)流量不變的情況下，機(jī)組的循環(huán)構(gòu)型基本不變（圖6），表現(xiàn)為圖5b)—圖5d)中膨脹機(jī)進(jìn)出口溫壓參數(shù)和軸功率隨導(dǎo)熱油流量基本沒有變化。

圖5 導(dǎo)熱油流量變化對(duì)ORC 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行特性的影響Fig.5 Effects of heat source fluid flow rate change on steady state operating performance of the ORC system

圖6 導(dǎo)熱油流量變化工況T-s 圖Fig.6 The T-s diagram of the ORC at different heat source fluid flow rates

由此，在膨脹機(jī)輸出功保持不變的情況下，換熱量的小幅下降使得系統(tǒng)熱效率略有增大（圖5e)），隨著導(dǎo)熱油流量從8 000 L/h 降至4 000 L/h，系統(tǒng)熱效率從約4.3%增大到4.8%。隨著工質(zhì)流量增大，膨脹機(jī)進(jìn)出口壓力升高，蒸發(fā)器中工質(zhì)蒸發(fā)溫度升高，膨脹機(jī)做功能力增加。工質(zhì)流量從600 kg/h 增大到800 kg/h，機(jī)組輸出功從2 950 W 增加到3 800 W 左右，提高約29%。由于輸出功增大的同時(shí)蒸發(fā)器吸熱量也對(duì)應(yīng)增大，因此，循環(huán)熱效率隨工質(zhì)流量變化不大。

4 結(jié)論

1）在機(jī)組換熱器面積冗余較大，熱源溫降較小的情況下，熱源溫度變化對(duì)膨脹機(jī)前后溫壓參數(shù)和機(jī)組性能的影響更大，而熱源流量變化的影響很小，不同熱源流量下機(jī)組僅蒸發(fā)器吸熱量和熱效率有小幅波動(dòng)。

2）熱源溫度調(diào)整相對(duì)于熱源流量變化后ORC機(jī)組的趨穩(wěn)時(shí)間較長(zhǎng)，熱源溫度階躍調(diào)整后機(jī)組需要約10 min 趨穩(wěn)，而熱源流量階躍下降后機(jī)組的穩(wěn)定時(shí)間短得多。

3）ORC 機(jī)組輸出功對(duì)熱源溫度和工質(zhì)流量變化敏感，測(cè)試工況范圍內(nèi)，在熱源溫度150 ℃時(shí)獲得最大輸出功約3 800 W，最大熱效率5.12%。