微型有機朗肯循環熱電系統建模與性能分析

邵應娟 金保昇 鐘文琪 Liu Hao

(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諾丁漢大學建筑與環境學院,英國諾丁漢,NG7 2RD)

分布式能源(distributed energy sources,DES)通常是指分布在需求側的能源梯級利用、資源綜合利用和可再生能源綜合利用設施,可作為現有供能系統的有益補充[1].熱電聯產(CHP)是最具代表性的分布式能源技術[2].有機朗肯循環(organic Rankine cycle,ORC)中,循環工質為具有較低臨界溫度的有機工質而非傳統的水蒸氣[3],其對熱源溫度要求較低,100 ℃左右的熱源就可以維持其正常運行,是利用低溫熱源(太陽能、生物質能、地熱和工業余熱等)的有效途徑[4-5].現有中大規模ORC系統的良好運行說明有機朗肯循環具有廣闊的應用前景.當前,全球范圍內建筑能源消耗已達總能耗的40%以上[6],適用于建筑物的微型有機朗肯循環熱電聯產還處于研究起步階段.采用微型熱電聯產技術(M-CHP)對獨棟建筑進行熱電聯供,可極大地節省能源和資源;而有機工質的微型ORC循環技術能明顯提高發電效率,同時保證汽輪機出口干度,提高系統運行的可靠性[7].

微型ORC系統的工質選擇、循環回路和熱力循環參數等均與現有中大規模機組有顯著區別,亟需開展深入研究.為此,本文針對小規模、低參數有機工質熱電聯產系統,選擇多種新型有機溶液作為循環工質,建立熱力學能量流通模型,研究循環溫度、換熱器溫差、過熱和過冷對發電和系統效率的影響,以期為微型有機朗肯循環熱電系統技術應用提供參考.

1 系統構建

微型有機朗肯循環低溫熱電聯產系統主要由蒸發器、汽輪機、冷凝器和工質泵4個熱力設備組成.本文選取的是帶有回熱器的代表性ORC系統(見圖1).在該閉合回路中,有機工質經工質泵升壓,先進入回熱器被初步加熱,再被送到蒸發器中,產生高壓工質蒸汽,進入汽輪機中膨脹做功,帶動發電機輸出電能;做功后的有機工質,先進入回熱器放熱,再在冷凝器中進一步放熱給冷卻水,并對外輸出熱能;工質液體再次流回循環泵,完成循環并不斷重復.

圖1 典型有機朗肯循環示意圖

2 系統模型的建立

2.1 有機工質選擇

良好的循環工質通常具有以下特征:沸點適中、臨界壓力/溫度低、比容小、黏度/表面張力低、導熱系數高、無毒無腐蝕性等[8].過去使用的有機工質通常包括氫氯氟烴化合物(HCFCs)、氫氟碳化合物(HFCs)和氟利昂系列(如R114,R113,R11)等[8-9].隨著全球范圍內環保要求的不斷提高,對臭氧層具有明顯破壞性的氟利昂系列和全氯氟烴(CFCs)系列化合物已全部被禁止使用.近年來,作為上述替代品的氫氯氟烴系列和氫氟碳系列由于具有較高的全球變暖潛能值(GWP),也將在全球范圍逐漸被禁止使用.

因此,針對有機朗肯循環的研究中,循環工質的選擇是重點也是難點,不但要考慮工質的熱物理性,也必須重視其環保性能.Tsai[10]指出,部分氫氟醚系列溶液(hydrofluo-roether)可作為有機循環工質的高效環保替代品,如HFE7000,HFE7100,HFE7200和HFE7500等.

根據溫熵圖中飽和蒸汽曲線的斜度,有機工質可分為干工質(如Neo-pentane)、濕工質(如水)和等熵工質(如R123),有機工質的干濕性對其適用性和循環效率都有影響[11].模擬中選用HFE7000,HFE7100和Neo-pentane三種干工質作為循環工質,其主要物理性質見表1.由表可知,這些有機工質均具備良好的熱物理性質和較低的全球變暖潛能值,對臭氧層不造成破壞.

表1 工質主要熱物理性質

2.2 能量流通數學模型

假設系統處于穩定流動狀態,蒸發器、冷凝器等設備與環境不進行換熱,各換熱器、冷凝器以及連接管道的壓力損失忽略不計,冷凝器出口工質為飽和液體.對系統進行一系列簡化,設定工質泵等熵效率ηpump,IS=85%,回熱器熱效率ηIHE=97%;蒸發器熱效率ηevap=96%,冷凝器熱效率ηcond=98%;汽機等熵效率ηturb,IS=85%,發電機效率ηalt=90%.所選工況中蒸發器的輸入熱量值Qin=25 kW,冷卻水溫度Tw=13 ℃.因此,可根據能量穩態流通方程對循環中的主要熱力過程進行計算.

工質首先在循環泵中被壓縮升壓,對應圖1中的過程1-2.該過程中,工質接收的外功為泵的功耗,則

(1)

Wpump,IS=mf(h2s-h1)

(2)

式中,Wpump為泵的實際功耗;ηpump為泵的實際效率；Wpump,IS為理想狀態下(即等熵過程中)泵的理想功耗;hi(i=1，2，…，6)為實際過程后狀態點i處的工質焓值;his(i=1，2，…，6)為等熵過程后狀態點i處的工質焓值;mf為工質的質量流量.

隨后,工質在蒸發器中吸熱變為高壓蒸汽,對應圖1中的過程2-4.該過程中工質接受外功為

Qevap=Qinηevap=mf(h4-h2)

(3)

高壓蒸汽繼續進入汽輪機膨脹做功,對應圖1中的過程3-4.該過程中工質對外所做功耗Wturb及絕熱可逆狀態下汽輪機的理想功耗Wturb,IS分別為

Wturb=Wturb,ISηturb=mf(h3-h4)

(4)

Wturb,IS=mf(h3-h4s)

(5)

式中，ηturb為汽機的實際效率.

ORC系統總發電量Wel可表示為

Wel=Wturbηalt

(6)

做功后工質經過冷凝器凝結為液體,對應圖1中的過程4-1.該過程中冷卻水吸收熱量為

Qwater=mf(h6-h1)ηcond=mf,waterhwater

(7)

式中,mf,water為冷卻水質量流量;hwater為冷卻水增加的焓值.此冷凝過程中,冷凝器內熱量由有機工質傳至冷卻水的放熱過程可分為3個階段.在有機工質側表示為2個非相變過程(即工質由過熱蒸汽被冷卻至飽和蒸汽的過程和工質液體進一步放熱至過冷水的過程)和1個工質由氣態冷卻至液態的相變放熱過程.在模擬計算過程中,窄點(飽和蒸氣與冷卻水的最小溫差點)處的最小溫差值設定為5 K.通過設定冷卻水入口溫度,即可得到冷卻水的出口溫度.

對于不設有回熱器的循環過程,圖1 中點3和點6的工況分別完全等同于點2和點5;對于設有回熱器(IHE)的循環過程,汽輪機出口處工質先與泵出口處工質換熱,由于回熱器兩側的工質質量流量不變,則回熱器中的傳熱過程可表示為

(h5-h6)ηIHE=h3-h2

(8)

綜上,該ORC系統的循環效率ηORC、發電效率ηel、供熱效率ηth和熱電聯產總效率ηov可分別表示為

(9)

(10)

(11)

(12)

3 結果與討論

3.1 溫度影響

蒸發器和冷凝器溫度對朗肯循環性能有重要影響.以HFE7100為例,冷凝器出口處工質溫度TC=293,303,313 K時,ORC系統的循環效率和相同溫度條件下的Carnot循環效率ηCarnot隨TC/TE的變化曲線見圖2.由圖可知,當冷凝器出口處工質溫度TC一定時,ORC系統循環效率的范圍為9%～16%,遠低于相同工況下的Carnot循環效率,且隨著蒸發器出口處工質溫度TE的升高而增加.隨著冷凝器出口處工質溫度的升高,ORC系統循環效率和Carnot循環效率均下降.

圖2 TC恒定時循環效率隨TC/TE的變化

同樣，以HFE7100為例,蒸發器出口處工質溫度TE=373,393,413 K時,ORC系統的循環效率和Carnot循環效率隨TC/TE的變化曲線見圖3.由圖可見,當蒸發器出口處工質溫度TE一定時,ORC系統的循環效率范圍為8%～16%,且隨著冷凝器出口處工質溫度TC的降低而升高.隨著蒸發器出口處工質溫度的升高,ORC系統效率整體提高.3種有機工質的模擬結果均顯示出相同的規律性.

圖3 TE恒定時循環效率隨TC/TE的變化

3.2 回熱器影響

在實際應用中,為實現熱量的充分利用,可在朗肯循環中加入回熱器(見圖1).回熱器是一個換熱裝置,工質在進入冷凝器放熱給冷卻水之前,可先經過回熱器放出部分熱量,預熱循環泵處流出的工質液體.設定汽輪機出口工質進入冷凝器前溫度可降低0～ 30 ℃.以HFE7000為例,ORC系統的發電效率隨回熱器溫差變化曲線見圖4.由圖可知,增設回熱器有利于提高發電效率,循環工質在回熱器進出口之間每10 ℃的溫度差,可將系統的發電效率提高0.4%～0.5%.同時,由于增設回熱器不改變朗肯循環系統的蒸發器出口溫度和冷凝器出口溫度,其對整個系統的熱電聯產總效率不產生影響.

圖4 發電效率隨回熱器溫差變化

3.3 過熱/過冷影響

常規蒸汽朗肯循環中普遍采用過熱蒸汽法避免蒸汽在汽輪機中冷凝.以Neo-pentane為例,ORC系統的發電效率隨工質過熱溫度的變化曲線見圖5.圖中,T為設有回熱器的朗肯循環中有機工質經過回熱器降低的溫度值.由圖可見,對于設有回熱器和不設回熱器的循環,ORC系統的發電效率均隨著過熱溫度的升高而降低,總體呈線性規律.在選取的過熱溫度范圍(0～30 ℃)內,過熱溫度每提高10 ℃,系統的發電效率降低0.08%～0.13%.由于本文采用的3種有機溶劑均為干工質,其工質蒸汽在汽輪機中膨脹做工后仍然處于過熱蒸汽區,因此,3種工質的模擬結果均表明,在有機朗肯循環中加入過熱過程會降低系統的發電效率.

圖5 發電效率隨工質過熱溫度的變化

朗肯循環中也常對冷凝器中工質采用過冷方法,以保證進入循環泵工質為液態.以Neo-pentane為例,ORC系統的發電效率隨工質過冷溫度的變化曲線見圖6.由圖可見,對于設有回熱器和不設回熱器的循環,ORC系統的發電效率隨著過冷溫度的增加而明顯降低,呈線性規律.在選取的過熱溫度范圍(0～ 20 ℃)內,過冷溫度每增加10 ℃,系統的發電效率降低約0.5%.3種有機溶劑的模擬結果均表明,在循環中增加過冷過程會降低系統的發電效率.

3.4 工質影響

當T=10 K,TC=303 K時,采用3種工質的微型ORC系統的發電效率見圖7.由圖可見,當TE=433 K時,采用Neo-pentane系統的發電效率模擬值可達13.8%,而采用其他2種工質也可達11%以上.總體而言,以發電效率高低來評價該3種有機工質,在模擬范圍內，Neo-pentane優于HFE7100和HFE7000,HFE7100在低蒸發溫度下優于HFE7000.

圖7 不同工質對ORC系統發電效率的影響

4 結論

1) 所選的3種新型環保有機工質均可作為有機朗肯循環溶液的高效環保替代品.以發電效率高低來評價這3種有機工質,在模擬范圍內,Neo-pentane優于HFE7100和HFE7000,而HFE7100在低蒸發溫度下優于HFE7000.

2) ORC系統的循環效率隨著蒸發器出口溫度的升高和冷凝器出口溫度的降低而增大.

3) 在循環中增設回熱器有利于提高微型ORC系統的發電效率.有機工質在回熱器進出口之間每10 ℃的溫度差,可將系統的發電效率提高0.4%～0.5%.

4) 對有機工質采用過熱和過冷手段,均會降低微型ORC系統的循環效率.

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