基于有機朗肯循環的固定式天然氣發動機排氣余熱回收系統性能分析

婁宗勇，張紅光，宋松松，

（1.承德石油高等專科學校汽車工程系，河北承德；067000；2.北京工業大學能源與環境工程學院，北京）

基于有機朗肯循環的固定式天然氣發動機排氣余熱回收系統性能分析

婁宗勇1，張紅光2，宋松松1，2

（1.承德石油高等專科學校汽車工程系，河北承德；067000；2.北京工業大學能源與環境工程學院，北京）

針對一臺固定式天然氣發動機的排氣能量變化規律，設計了帶回熱器的有機朗肯循環排氣余熱回收系統。基于熱力學第一定律和第二定律，對固定式天然氣發動機排氣余熱回收系統性能指標進行了理論計算和分析，進而構建了固定式天然氣發動機-帶回熱器有機朗肯循環聯合系統，并采用發電效率和有效燃料消耗率評價聯合系統的性能。研究結果表明：當蒸發壓力為3.5 MPa，發動機運行在額定工況點時，帶回熱器有機朗肯循環系統最大凈輸出功率和熱效率分別為62.7 kW和12.5%；與固定式天然氣發動機相比，聯合系統發電效率最大可提高6.0%，有效燃料消耗率最大可降低5%。

有機朗肯循環；固定式發動機；性能分析

DOI：10.13957/j.cnki.tcxb.2015.02.013

0　引 言

目前固定式天然氣發動機燃料燃燒的能量只有約35%被轉化為電能，約有30%隨廢氣排出，25%被發動機冷卻水帶走，通過機身散發等其它損失約占10%左右，排氣余熱和冷卻水損失的功率比有用功還多［1］。因此，對固定式天然氣發動機的廢氣能量進行回收利用，是提高發動機熱效率和節約能源的有效途徑。

余熱利用技術可將低品位廢熱轉化為有用功或電能，并在多個領域得到了應用［2-6］。其中，有機朗肯循環余熱利用技術憑借其優越的性能在回收固定式發動機余熱能方面得到了廣泛的研究。Vaja等［7］針對一臺固定式柴油機，設計了三種不同結構的有機朗肯循環系統，分析結果表明有機朗肯循環系統可使內燃機的總效率提高12%。

有機工質的選擇對于有機朗肯循環系統的性能有著至關重要的影響［8］。非共沸混合工質在蒸發過程和冷凝過程中具有溫度“滑移”特性，可以減少由于溫差導致的損率。Heberle等［9］分析了異丁烷/異戊烷混合工質和R227ea/R245fa混合工質對ORC系統性能的影響，并對混合工質和純工質進行了對比分析。研究結果表明：這兩種混合工質系統的效率均高于純工質。

對于固定式天然氣發動機有機朗肯循環余熱回收系統，很少有學者考慮固定式天然氣發動機變工況下的ORC系統性能。此外，有關非共沸混合工質在固定式天然氣發動機有機朗肯循環余熱回收中應用的研究也較為少見。

1　帶回熱器有機朗肯循環排氣余熱回收系統

1.1系統描述

為了更好的實現對固定式天然氣發動機排氣余熱能的高效利用，本文設計了如圖1所示的帶回熱器的有機朗肯循環系統。

固定式天然氣發動機排氣經渦輪機后進入蒸發器與高壓液態有機工質進行換熱，然后排入大氣中。與此同時蒸發器中的液態工質吸收排氣余熱后變成高溫高壓氣體，進入膨脹機做功，帶動發電機對外輸出電能，做功后的乏氣與下一循環液態有機工質在回熱器內進行換熱，換熱后的乏氣經過冷凝器被冷卻為飽和液態有機工質后流回儲液罐。工質泵將有機工質從儲液罐中抽出，壓縮成高壓液體，并通過回熱器吸收上一循環乏氣的廢熱后進入蒸發器吸收發動機的排氣能量，至此完成一個工作循環。

圖1　有機朗肯循環系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the ORC system

1.2帶回熱器有機朗肯循環系統熱力學模型

圖2是帶回熱器有機朗肯循環系統T-s圖，循環過程計算公式如下：

1-2為等熵壓縮過程，工質泵的耗功為：

2-3和5-6分別為工質在回熱器中的等壓吸熱和放熱過程。回熱器中的換熱量和回熱器有效度分別為：

3-4為等壓吸熱過程，吸收的熱量為：

4-5s為等熵膨脹過程，4-5為實際膨脹過程，膨脹機的輸出功率由下式計算：

6-1為等壓冷凝過程，釋放的熱量為：

綜上分析，可以推導出帶回熱器ORC系統的凈輸出功率、熱效率、效率分別為：

TH由公式（10）計算得到，其中為排氣在蒸發器進口處的溫度，可以通過天然氣發動機試驗獲得。當排氣溫度降低到露點以下時，會發生腐蝕排氣管和蒸發器表面的現象，因此，在本文的研究中，排氣在蒸發器出口處的溫度設定為378 K。

本文在研究分析時，忽略各部件和管路中的壓力損失和熱損失，計算邊界條件如下：

（1）蒸發器壓力在1 MPa-3.5 MPa之間變化；過熱度取30 K；

（2）環境溫度T0取293 K，冷凝溫度取308 K，低溫熱源溫度TL取293 K；

（3）工質在冷凝器中放出熱量后變為飽和液態；（4）回熱器有效度取0.85；

（5）膨脹機和工質泵的等熵效率取0.8；（6）發電機效率取0.95。

1.3有機工質選擇

在熱源和環境溫度確定的情況下，有機工質的選取對于循環系統的熱力學性能起著重要作用。因此，在選取適用于發動機余熱回收利用的有機工質時應考慮以下因素：

（1）良好的熱穩定性，無腐蝕性；

（2）適當的沸點溫度，低潛熱，合適的臨界溫度和壓力；

（3）具有環境友好性和經濟性；

非共沸混合工質的物性不僅與組分有關，還與各組分的配比有關，所以非共沸混合工質的數量極其龐大。本文從現有編號的非共沸混合工質中選取了R416A作為有機工質，以此分析余熱利用系統的性能。表1為非共沸混合工質R416A的物性。

圖2　帶回熱器有機朗肯循環系統T-s圖Fig.2 T-s diagram of the ORC system with IHE

表1　R416A性能參數Tab.1 Properties of R416A

2　固定式天然氣發動機排氣余熱能特性分析

2.1天然氣發電機組性能測試

為了設計出合理的有機朗肯循環系統，從而實現對固定式天然氣發動機排氣余熱能的高效利用，有必要對固定式天然氣發動機工作過程中的能量分布進行研究。本文選取了一臺固定式天然氣發動機作為分析對象，其主要技術性能參數如表2所示。該固定式天然氣發動機與發電機構成天然氣發電機組，從而將發動機的有效功轉化為電能輸出。

在試驗測試過程中，天然氣發電機組轉速固定在1500 r/min，輸出功率范圍100 kW-1000 kW，試驗取值間隔為100 kW，在每個輸出功率下，測試了10個不同負荷的工況點。

圖3為固定式天然氣發動機排氣溫度隨其轉矩的變化情況。如圖所示排氣溫度先升高后降低。當發動機轉矩為4021.2 N·m時，排氣溫度達到最大值824.65 K。

表2　固定式天然氣發動機主要技術性能參數Tab.2 Main technical performance parameters of the stationary CNG engine

圖3　固定式天然氣發動機排氣溫度Fig.3 Exhaust temperature of the stationary CNG engine

圖4為固定式天然氣發動機排氣質量流量隨其轉矩的變化情況。從圖中可以看出，排氣質量流量隨發動機轉矩的增加而增加。這是因為，發動機轉矩的增加主要依賴于節氣門開度的增大，而隨著節氣門開度的增大，進入氣缸的空氣量和燃料消耗量增加，根據質量守恒方程，發動機的排氣質量流量等于空氣量與燃料消耗量之和，于是造成了排氣質量流量的增加。

根據試驗結果，固定式天然氣發動機經濟性能如圖5所示。隨著發動機轉矩的增加，燃料消耗量不斷增加，有效燃料消耗率（BSFC）隨著發動機轉矩的增加而降低。當固定式天然氣發動機運行在額定工況點時，有效燃料消耗率最低為185 g/（kW· h）。由于發動機通常在額定工況點附近運行，因此該固定式天然氣發動機具有較好的燃油經濟性。

2.2可用排氣能量計算

有機朗肯循環系統在實際運行過程中，蒸發器內的有機工質與高溫熱源進行換熱時存在一定的換熱效率，排氣能量不能被有機工質完全吸收［10］。因此，本文利用公式（11）計算可用排氣能量。式中為可用排氣能量（kW）為排氣質量流量（kg/s）；為排氣在蒸發器進口處焓值（kJ/kg為排氣在蒸發器出口處焓值（kJ/kg）。

圖5為固定式天然氣發動機可用排氣能量隨發動機轉矩的變化情況。當發動機運行在額定工況點時，最大可用排氣能量為501.7 kW。

圖4　固定式天然氣發動機排氣質量流量Fig.4 Exhaust mass fow rate of the stationary CNG engine

圖5　固定式天然氣發動機經濟性能Fig.5 Economic performance of stationary CNG engine

圖6　可用排氣能量Fig.6 Available exhaust energy rate

圖7　帶回熱器的ORC系統熱效率Fig.7 Thermal effciency of ORC system with IHE

3　研究結果與分析

根據上述對固定式天燃氣發動機排氣余熱能分布特性的研究，利用建立的帶回熱器的ORC系統熱力學模型，研究分析了蒸發壓力在1.0 MPa-3.5 MPa范圍內變化時對ORC系統性能的影響。

圖6為系統熱效率隨蒸發壓力的變化情況。從圖中可以看出，隨著蒸發壓力的增大，ORC系統的熱效率也逐漸增加。當蒸發壓力為3.5 MPa時，其熱效率達到最大值為12.5%。

圖7表示工質質量流量與發動機轉矩及蒸發壓力的關系。從圖中可以看出：當蒸發壓力保持不變時，工質質量流量隨著發動機轉矩的增加而增加。這是因為隨著發動機轉矩的增加，發動機可用排氣能量也是逐漸增加的，如圖5所示，這樣可使更多的非共沸混合工質被蒸發。當發動機轉矩不變時，隨著蒸發壓力的增加，工質質量流量逐漸減小。這是因為固定式天然氣發動機轉矩保持不變，可用排氣能量也保持不變，由公式（4）可知，此時工質質量流量的大小僅取決于蒸發器進出口處工質的焓差（即圖2中狀態點3和4之間的焓差）。由表3可知，狀態點3和4的焓差隨蒸發壓力的增大而增大，從而導致工質質量流量隨蒸發壓力的增大而減小。

圖8為ORC系統凈輸出功率隨發動機轉矩和蒸發壓力的變化情況。從圖中可以看出，ORC系統凈輸出功率隨著發動機轉矩和蒸發壓力的增大而增加。這是因為，一方面隨著固定式天然氣發動機轉矩的增加，排氣能量逐漸增加；另一方面，由表3可知，隨著蒸發壓力的增加，工質在膨脹機進出口處的焓差（即圖2中狀態點4和5之間的焓差）逐漸增大，這些因素都導致了ORC系統凈輸出功率逐漸增加。當蒸發壓力為3.5 MPa，固定式天然氣發動機運行在額定工況點時，ORC系統凈輸出功率達到最大值為62.7 kW。

圖8　帶回熱器的ORC系統工質質量流量Fig.8 Mass fow rate of ORC system with IHE

圖9 帶回熱器的ORC系統凈輸出功率Fig.9 Net power output of ORC system with IHE

圖9為ORC系統效率隨發動機轉矩和蒸發壓力的變化情況。當蒸發壓力一定時，隨著發動機轉矩的增加，效率出現先減小后增大的趨勢，但變化趨勢不明顯。

表3　非共沸混合工質R416A狀態點3、4和5的焓值Tab.3 Enthalpy value of state points 3，4 and 5

圖10　帶回熱器的ORC系統效率Fig.10 Exergy effciency of ORC system with IHE

這是因為對于已選定非共沸混合工質類型，ORC系統效率的大小主要受高溫熱源的影響（因為在本文中，低溫熱源取定值），高溫熱源溫度變化趨勢為先升高后降低，且溫度變化幅度不大。當發動機轉矩一定時，ORC系統效率隨著蒸發壓力的增大而增大，這是因為當發動機轉矩一定時，發動機排氣溫度不變，此時ORC系統效率取決于系統的熱效率，如圖6所示，隨著蒸發壓力的增大，ORC系統熱效率是逐漸增大的。所以，ORC系統的效率呈現了上述變化規律。

為了評價固定式天然氣發動機-帶回熱器ORC聯合系統的性能，本文定義了聯合系統發電效率和聯合系統有效燃料消耗率如公式（12）和（13）所示：

圖10為固定式天然氣發動機發電效率與固定式天然氣發動機-帶回熱器的ORC聯合系統發電效率的對比圖。由圖10可知，加裝帶回熱器有機朗肯循環系統后，聯合系統的發電效率均高于固定式天然氣發動機的發電效率，且隨著發動機轉矩和蒸發壓力的增加而增加。當蒸發壓力為3.5 MPa，固定式天然氣發動機運行在額定工況點時，聯合系統發電效率達到最大值39.4%，較固定式天然氣發動機發電效率提高了6.0%。

固定式天然氣發動機-帶回熱器的ORC聯合系統的有效燃料消耗率變化情況如圖11所示。對比圖5，當蒸發壓力在1.0 MPa-3.5 MPa范圍內變化時，隨著固定式天然氣發動機轉矩的增大，聯合系統的有效燃料消耗率相比原發動機均有所降低。當蒸發壓力為3.5 MPa，固定式天然氣發動機運行在額定工況點時，聯合系統具有較好的燃油經濟性，有效燃料消耗率可以降低到175 g/（kW·h），相比固定式天然氣發動機的有效燃料消耗率，最大可以降低5%。因此，加裝有機朗肯循環系統可以有效地提高固定式天然氣發動機的燃油經濟性。

圖11　聯合系統發電效率Fig.11 Electric effciency of combined system

圖12　聯合系統有效燃料消耗率Fig.12 BSFC of combined system

4　結 論

本文首先通過天然氣發電機組性能試驗，研究了一臺固定式天然氣發動機排氣能量的變化規律，并利用帶內部回熱器的ORC系統對該固定式天然氣發動機的排氣能量進行回收利用。研究了當固定式天然氣發動機在不同轉矩下運行時，蒸發壓力對固定式天然氣發動機-帶內部回熱器ORC聯合系統性能的影響。結論如下：

（1）隨著蒸發壓力的增加，帶回熱器ORC系統的熱效率隨之增加。當蒸發壓力為3.5 MPa時，其熱效率達到最大值為12.5%。

（2）當蒸發壓力不變時，隨著發動機轉矩的增加，帶回熱器的ORC系統的工質質量流量、凈輸出功率隨之增加，而效率會出現先減小后增大的趨勢。當發動機轉矩不變時，隨著蒸發壓力的增加，凈輸出功率和效率都隨之增加，但工質流量會隨之減小。

（3）加裝帶回熱器的ORC余熱回收系統后，固定式天然氣發動機的發電效率及有效燃料消耗率均有所改善。

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Performance Analysis of Exhaust Waste Heat Recovery System with Organic Rankine Cycle for Stationary CNG Engine

LOU Zongyong1， ZHANG Hongguang2， SONG Songsong1， 2
（1. Department of Automotive Engineering， Chengde Petroleum College， Chengde 067000， Hebei， China； 2. College of Environmental and Energy Engineering， Beijing University of Technology， Beijing 100124， China）

An organic Rankine cycle （ORC） system with an internal heat exchanger （IHE） is designed to recover exhaust energy from a stationary compressed natural gas （CNG） engine. According to the frst and second laws of thermodynamics， the performances of the ORC system are analyzed. Thereafter， the stationary CNG engine-ORC with IHE combined system is presented. The electric effciency and the brake specifc fuel consumption （BSFC） are chosen to evaluate the operating performances of the combined system. The results show that，when the evaporation pressure is 3.5 MPa and the engine is operating at the rated condition， the net power output and the thermal effciency of ORC system with IHE can reach up to 62.7kW and 12.5%， respectively. Compared with the stationary CNG engine， the electric effciency of the combined system can be increased by 6.0%， while the BSFC can be reduced by a maximum 5.0%.

organic Rankine cycle； stationary CNG engine； performance analysis

date: 2014-09-18. Revised date: 2014-10-27.

TQ174.6

A

1000-2278（2015）02-0178-07

2014-09-18。

2014-10-27。

承德市科學技術研究與發展計劃科技支撐項目（編號：201422113）， 北京市自然科學基金資助項目（編號：3152005）。

通信聯系人：婁宗勇（1981-），男，碩士，講師。

Correspondent author:LOU Zongyong（1981-）， male， Master， Lecturer.

E-mail:LOU Zongyong@126.com