采用二氧化碳工質(zhì)低品位熱源驅(qū)動的郎肯循環(huán)發(fā)電實驗研究

趙戈平，李勇*，EIKEVIK Trygve Magne，陳俊超

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-挪威科技大學，特隆赫姆 9473）

采用二氧化碳工質(zhì)低品位熱源驅(qū)動的郎肯循環(huán)發(fā)電實驗研究

趙戈平1，李勇*1，EIKEVIK Trygve Magne2，陳俊超1

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-挪威科技大學，特隆赫姆 9473）

本課題主要包括了對二氧化碳工質(zhì)在傳熱過程中的性質(zhì)，尤其是超臨界狀態(tài)下二氧化碳工質(zhì)性質(zhì)的研究，以及對采用二氧化碳工質(zhì)的郎肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)研究。本課題所使用的概念性熱源可以是任何低品位熱源，并對根據(jù)這一概念所建立的實驗系統(tǒng)進行了實驗測試，將所得到的實驗結(jié)果進行深入分析和研究，以驗證該系統(tǒng)在發(fā)電領(lǐng)域中的可行性和應(yīng)用前景。依據(jù)實驗結(jié)果和分析來看，該系統(tǒng)的可行性得到了相當可靠的驗證，并且顯示出未來大規(guī)模應(yīng)用的良好潛力和改良方向。

郎肯循環(huán)；實驗研究；低品位熱源

0　引言

人類發(fā)展帶來的對能源的巨大需求，已經(jīng)持續(xù)了很長一段時間。隨著過去幾百年來科技的飛速發(fā)展，現(xiàn)代的人類生活已經(jīng)離不開持續(xù)而充足的電力和能源供應(yīng)。良好的能源供應(yīng)必須滿足以下這些標準：在長期運作的工況下保持穩(wěn)定、能抵抗需求的峰值和谷值變化、以及在能源的初級轉(zhuǎn)化過程中維持較高的效率。

目前主流的發(fā)電方式為基于煤炭和天然氣等化石燃料的火電，但化石燃料作為一種非可再生能源，終有耗盡的一天。因此，開發(fā)其他替代能源提供電力供給是擺在人們面前的重要課題之一。目前，一種非常有前景的方案是利用低品位熱源來發(fā)電。在工業(yè)領(lǐng)域，存在著大量的相對低品位廢熱可供利用，現(xiàn)實中這些廢熱往往直接被排向了大氣環(huán)境中。因此，對這部分廢熱在發(fā)電方面的應(yīng)用引起了廣泛的興趣。針對這些廢熱的利用方法已有若干可行方案，其中之一便是采用合適的工質(zhì)通過郎肯循環(huán)以發(fā)電。

本文所涉及的研究是通過對一個二氧化碳工質(zhì)的郎肯循環(huán)系統(tǒng)進行實驗測試，并對其結(jié)果進行分析總結(jié)的過程。

1　本測試實驗臺的簡介

超臨界狀態(tài)的二氧化碳事實上是一種介于液相和氣相之間的工質(zhì)，因此對于該種工質(zhì)究竟應(yīng)該采用何種膨脹機進行推動做功是技術(shù)上的難點之一。通常采用公式（1）對膨脹機產(chǎn)生的功進行計算：

式中：

mc——二氧化碳工質(zhì)的質(zhì)量流量；

R——氣體常數(shù)；

k——定壓比熱容和定容比熱容之比；

T1——膨脹機進口溫度；

P1——膨脹機進口壓強；

P2——膨脹機出口處的壓強值。

該實驗臺由4個循環(huán)組成，分別為膨脹機循環(huán)、空氣循環(huán)、乙二醇循環(huán)以及熱泵循環(huán)（見圖1）。其中膨脹機循環(huán)的目標是測試系統(tǒng)的功輸出，空氣循環(huán)和乙二醇循環(huán)是為了使系統(tǒng)能在良好的換熱條件下正常運作，而熱泵循環(huán)則是為了模擬太陽能輸入熱源的溫度以驅(qū)動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。因為在實驗室環(huán)境下，若直接采用太陽能接收器作為熱源會受到天氣狀況和氣候的干擾，難以穩(wěn)定實驗工況和對實驗效果進行精確測定，因此直接引入了一個熱泵循環(huán)以提供膨脹機循環(huán)運轉(zhuǎn)所需的溫度輸入。

圖1　實驗臺系統(tǒng)示意圖

1.1膨脹機循環(huán)

這是整個測試系統(tǒng)中最為主要的一個循環(huán)，在圖1中用粗灰色實線標明。這一循環(huán)中的關(guān)鍵部件是膨脹機，它利用高溫高壓的超臨界二氧化碳工質(zhì)做功輸出。該循環(huán)中所有其他部件均根據(jù)膨脹機的相應(yīng)工作需求，以及做功最大化的目的來確定選擇的參數(shù)。在膨脹機循環(huán)中，熱量輸入過程是通過加熱蒸發(fā)端換熱器HX-2來進行的，熱量散發(fā)過程則是通過冷卻冷凝端換熱器HX-3進行的。CO2泵設(shè)置在HX-3之后，以提供推動循環(huán)所需的工質(zhì)壓差驅(qū)動力。考慮到防止氣蝕的緣故，該泵被安裝在整個系統(tǒng)的最低點，該放置點可以確保發(fā)生氣蝕的危險性降到最低，此外還在工質(zhì)進入泵機之前通過安裝儲液器來進一步確保進入泵的工質(zhì)是純液體狀態(tài)。這些設(shè)置是為了確保工質(zhì)在進入泵之前已經(jīng)過冷，從而不會將氣泡帶入泵里。

該實驗臺所采用的膨脹機是將高溫工質(zhì)的動能轉(zhuǎn)化為發(fā)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，從而產(chǎn)生電能輸出的裝置。該膨脹機是針對二氧化碳工質(zhì)而設(shè)計的，另有（5～10）ml的潤滑油注入膨脹機進口處，從而對膨脹機的運作進行潤滑，并且對部件進行油封。該循環(huán)中使用的發(fā)電機是直流發(fā)電機，當膨脹機轉(zhuǎn)速超過1,500 r/min時，直流發(fā)電機可由電機模式進入發(fā)電模式，產(chǎn)生電能輸出。為了使直流發(fā)電機和膨脹機正常運作，給該裝置外接了電池，以啟動直流電機，電池僅在電機模式對其提供電能。

圖2　膨脹機循環(huán)中所采用的循環(huán)泵

1.2空氣循環(huán)

考慮到整個設(shè)計實驗臺的重點，其目標是為了檢驗在太陽能提供熱源輸入的情況下該系統(tǒng)的運作情況，若使用真實的太陽能采集器進行實驗，會導致實驗工況不夠穩(wěn)定，不利于定性分析實驗結(jié)果。因此，本研究采用了附加的空氣循環(huán)和熱泵循環(huán)，以提供相對穩(wěn)定的低溫熱源輸入。空氣循環(huán)提供了給膨脹機循環(huán)進行加熱驅(qū)動的熱源，將熱泵循環(huán)產(chǎn)生的熱量輸送到膨脹機循環(huán)中，使二氧化碳工質(zhì)被加熱至超臨界狀態(tài)進行循環(huán)做功。該循環(huán)在圖1中用虛線標注，在圖中可以清楚看到膨脹機循環(huán)和空氣循環(huán)的熱交換是在換熱器HX-2中實現(xiàn)的。空氣循環(huán)利用了熱泵循環(huán)中產(chǎn)生的熱量來進行加熱，而熱泵循環(huán)的內(nèi)容會在后面部分進行闡述。

1.3乙二醇循環(huán)

在膨脹機循環(huán)的低壓側(cè)，設(shè)置了一個乙二醇循環(huán)，在圖1中以點線標示，其目的是為了將膨脹機出口的二氧化碳工質(zhì)冷卻到液態(tài)并且過冷后進入儲液器，可以保護CO2泵不受任何潛在的氣蝕現(xiàn)象的影響，使膨脹機循環(huán)得以持續(xù)地工作。在乙二醇循環(huán)中，換熱器HX-3的冷卻效果由控制乙二醇流體的流量來決定。因此，設(shè)置一個乙二醇泵來驅(qū)動和控制乙二醇液體的循環(huán)流動。

1.4熱泵循環(huán)

為了提供系統(tǒng)運轉(zhuǎn)所需的熱源輸入，以及從最大化回收熱量和系統(tǒng)總效率的角度考慮，熱泵循環(huán)被安置在空氣循環(huán)和乙二醇循環(huán)之間，以完成整個系統(tǒng)的循環(huán)流程。該熱泵循環(huán)在圖1中以細灰色實線標識出來，其主要工作部件為壓縮機、冷凝器、膨脹設(shè)備以及蒸發(fā)器。這些部件組成了一個完整的熱泵循環(huán)，將熱量由膨脹機循環(huán)的冷卻冷凝端搬運到加熱蒸發(fā)端并獲得較高的效率。在熱泵循環(huán)中，換熱器HX-7被作為蒸發(fā)器使用，它將熱量從乙二醇循環(huán)中的冷端提取出來，并通過換熱器HX-4將這一部分熱量運送到空氣循環(huán)中以將膨脹機循環(huán)內(nèi)的二氧化碳工質(zhì)進行加熱，蒸發(fā)后成為超臨界二氧化碳。

熱泵循環(huán)中使用的壓縮機是活塞式壓縮機，膨脹設(shè)備使用的是膨脹閥。內(nèi)部回熱所使用的熱交換器為HX-6，用于加強這一熱泵循環(huán)的工作效果和提高效率，并且對進入壓縮機之前的氣體進行除濕處理。若不經(jīng)過除濕過程，含有水蒸氣的氣體進入壓縮機后可能會造成損害。為了確保氣體在進入換熱器前為飽和狀態(tài)，在HX-7和HX-6之間放置了一個儲液器，因此循環(huán)系統(tǒng)能具備一定彈性以應(yīng)對在低壓端的工況變化。

1.5測量工具

1.5.1熱電偶

本系統(tǒng)中安裝的熱電偶溫度傳感器其測試范圍最高可達200 ℃，采用比較高的測試范圍是因為加熱器的出口設(shè)計工況原本就接近此溫度。空氣循環(huán)中的熱電偶傳感器安裝位置為HX-2的進口處和出口處，如圖1所示。為了將熱電偶安放在管道中，需要將熱電偶的小針插入承載工質(zhì)流動的管內(nèi)。這些熱電偶傳感器直接連接到數(shù)據(jù)采集儀上，用于測量各處工質(zhì)的溫度，包括膨脹機循環(huán)內(nèi)二氧化碳工質(zhì)的各處溫度，以及乙二醇和空氣的各處溫度。數(shù)據(jù)采集儀的資料直接導入計算機中儲存。

1.5.2質(zhì)量流量計和壓力傳感器

除了熱電偶傳感器之外，質(zhì)量流量計和壓力傳感器也同樣接入了該系統(tǒng)以進行必要的質(zhì)量流量測量和壓力測量。質(zhì)量流量計設(shè)置在膨脹機循環(huán)、乙二醇循環(huán)以及熱泵循環(huán)中，以檢測各處的質(zhì)量流量，并將數(shù)據(jù)傳輸至計算機中。

圖3　膨脹機循環(huán)中的熱電偶傳感器

2　實驗結(jié)果分析

2.1二氧化碳質(zhì)量流量的影響

為了測試該實驗臺的可操作性，對其進行了測試和數(shù)據(jù)采集。對膨脹機循環(huán)的加熱溫度設(shè)置為80 ℃，并由其測試結(jié)果來看，該實驗臺的設(shè)計目的已經(jīng)達成。在加熱溫度為80 ℃的工況下，測得與膨脹機連接的電機產(chǎn)生了一定的輸出功率，其數(shù)值可由測試系統(tǒng)讀取。該系統(tǒng)的電能輸出功率受一系列參數(shù)的影響，包括工質(zhì)的質(zhì)量流量、加熱熱源的溫度、膨脹機轉(zhuǎn)速等等。為了對其進行更加深入的分析，首先嘗試通過不同組實驗數(shù)據(jù)的對比來確認二氧化碳工質(zhì)的質(zhì)量流量對系統(tǒng)的輸出功率的影響。

當熱泵循環(huán)的加熱溫度設(shè)置為80 ℃，膨脹機轉(zhuǎn)速設(shè)為2,500 r/min時，膨脹機循環(huán)中二氧化碳工質(zhì)的質(zhì)量流量分別定為1.8 kg/min、2.5 kg/min以及3.8 kg/min，進行實驗測試。將其結(jié)果數(shù)據(jù)制成T-h圖如圖4。

圖4　不同質(zhì)量流量的工質(zhì)循環(huán)圖

當二氧化碳工質(zhì)流量為1.8 kg/min時，測得的輸出功率為109.25 W。盡管這個數(shù)值并不算可觀，但其展示出了利用低溫熱源驅(qū)動二氧化碳工質(zhì)的郎肯循環(huán)在電能輸出方面的可行性和潛力。在這樣的參數(shù)設(shè)置下，膨脹機進口處的二氧化碳工質(zhì)溫度為70.19 ℃，壓強為7.534 MPa，而出口處的溫度為53.35 ℃，壓強為5.893 MPa，二氧化碳在膨脹機中處于超臨界狀態(tài)。容易看出膨脹機的效率和性能在該系統(tǒng)中并不理想，二氧化碳工質(zhì)無法在進出口之間達到更大數(shù)值的焓差以增大輸出功量。在膨脹機的出口處，二氧化碳依然處于超臨界狀態(tài)，具有較大的再利用價值，在本實驗中這部分熱量直接冷卻排出。在2.5 kg/min的工質(zhì)質(zhì)量流量下，輸出功率上升到197.57 W，隨著工質(zhì)流量的提高，輸出功率有了顯著的上升趨勢。在3.8 kg/min的二氧化碳質(zhì)量流量下，該組的輸出功率提高到了300.30 W。

2.2輸出功率與膨脹機轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系

為了確定膨脹機轉(zhuǎn)速對系統(tǒng)的電能輸出功率存在何種影響，采取了若干組實驗數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ鹊姆椒ā目傮w上看，輸出功率會隨著膨脹機轉(zhuǎn)速的增加而上升，膨脹機功率也會隨之提高。將輸出功率與膨脹機轉(zhuǎn)速的對應(yīng)數(shù)值作圖如圖5。

圖5　輸出功率與膨脹機轉(zhuǎn)速的對應(yīng)關(guān)系圖

在所采用的數(shù)據(jù)中，輸出功率最高的一組是二氧化碳工質(zhì)質(zhì)量流量為3.0 kg/min，循環(huán)中其高壓數(shù)值為9.137 MPa而低壓數(shù)值為6.434 MPa，電能輸出功率數(shù)值為271.54 W。從圖中可以看出，相對應(yīng)的每組設(shè)定工質(zhì)質(zhì)量流量下，輸出功率的確是隨著膨脹機轉(zhuǎn)速增加而提升的，但提升幅度并非十分明顯。由于該實驗系統(tǒng)所采用的膨脹機內(nèi)部具體參數(shù)無法獲得，因此無法得到進一步的原因分析，但輸出功率增加這一總體趨勢是確實存在的。

總體而言，隨著二氧化碳工質(zhì)質(zhì)量流量的提高或者膨脹機轉(zhuǎn)速的增加，系統(tǒng)的輸出功率都會有所上升，而在這兩個變量中，二氧化碳工質(zhì)的的質(zhì)量流量對系統(tǒng)的性能又有著相對更加顯著的影響作用，這可以解釋為通過膨脹機和輪機的二氧化碳工質(zhì)流量越高，就有越多的工質(zhì)推動輪機做功使得系統(tǒng)自然而然輸出更多電能和更高的功率。從效果的角度來說，這一系列的系統(tǒng)測試和實驗為驗證低溫熱源驅(qū)動的，尤其是太陽能集熱器提供的熱源驅(qū)動的二氧化碳工質(zhì)郎肯循環(huán)其發(fā)電可行性，提供了較為充分的實驗證據(jù)。為了系統(tǒng)的運行穩(wěn)定和對相關(guān)部件的保護，該系統(tǒng)的模擬熱源溫度設(shè)置固定為80 ℃，便于給出適合分析的數(shù)據(jù)和結(jié)果。而且，在各組實驗數(shù)據(jù)的橫向比對和分析中，包括膨脹機旋轉(zhuǎn)速度和二氧化碳工質(zhì)質(zhì)量流量等關(guān)鍵參數(shù)都得到定量的控制和有針對性的計算分析。該系統(tǒng)很好地驗證了其發(fā)電的可行性，這一結(jié)論的論據(jù)是比較充分的。

2.3膨脹機的等熵效率

膨脹機的等熵效率由公式（2）計算。

式中：

ηisentropic——輪機的等熵效率，

h1——膨脹機進口處的工質(zhì)焓值，kJ/kW；

h2——膨脹機出口處的工質(zhì)焓值，kJ/kW；

hs——在等熵膨脹過程中膨脹機出口處的工質(zhì)焓值，kJ/kW。

從圖6中可以明確地看出，實際膨脹過程滑向了等熵膨脹過程的右側(cè)，造成了膨脹后二氧化碳工質(zhì)的熵增加以及輸出功率的下降。由上面的公式和實驗采集的數(shù)據(jù)可以計算出不同工況下膨脹機的等熵效率，作為判斷其工作效率的一個重要指標。在計算結(jié)果中體現(xiàn)出的一個很明顯的趨勢就是，隨著膨脹機轉(zhuǎn)速的增加，其等熵效率是遞增的。在膨脹機轉(zhuǎn)速為4,500 r/min的時候，等熵效率在50%上下小范圍擺動。經(jīng)過相關(guān)計算，輪機的等熵效率在不同實驗對比組中有較為顯著的波動，這一現(xiàn)象可能是由于膨脹機和輪機并非針對超臨界態(tài)二氧化碳工質(zhì)，甚至并非針對二氧化碳而設(shè)計的，而該系統(tǒng)中通過膨脹機和輪機做功的基本上都是超臨界二氧化碳工質(zhì)，有一定的潛在不適用性。對于輪機的深入研究及其等熵效率的分析有待更進一步的開發(fā)。另一方面，通過數(shù)據(jù)計算可知系統(tǒng)的總效率基本上在0.06至0.13之間波動，但這一結(jié)果具有一定的樂觀性。在系統(tǒng)總效率的計算中，忽略了在對二氧化碳工質(zhì)進行高溫加熱的輸入過程中其不可逆性以及耗散效應(yīng)，而直接用工質(zhì)在加熱器進出口之間所獲得的焓增加量作為吸熱量來計算。因此，如果把這一部分的損耗考慮在內(nèi)的話，系統(tǒng)總效率將會有一定的下降。不過，實驗測試的數(shù)據(jù)結(jié)論還是展現(xiàn)出這一系統(tǒng)的良好應(yīng)用前景以及進行較大規(guī)模應(yīng)用的潛在可行性。

圖6　實際膨脹過程和等熵膨脹過程的T-h圖

3　實驗結(jié)論

從效果的角度來說，這一系列的系統(tǒng)測試和實驗為驗證低品位熱源驅(qū)動二氧化碳工質(zhì)郎肯循環(huán)發(fā)電可行性，提供了較為充分的實驗證據(jù)。該系統(tǒng)很好地驗證了其發(fā)電的可行性。通過數(shù)據(jù)計算可知系統(tǒng)的總效率基本上在0.06至0.13之間波動，實驗測試的數(shù)據(jù)結(jié)論還是展現(xiàn)出這一系統(tǒng)的良好應(yīng)用前景以及進行較大規(guī)模應(yīng)用的潛在可行性。

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Experimental Study of Rankine Cycle Power Generation Driven by Low-grade Heat Source Using CO2as Working Fluid

ZHAO Ge-ping1, LI Yong*1, EIKEVIK Trygve Magne2, CHEN Jun-chao1
（1-Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China；2-Norwegian University of Science and Technology, Trondheim 9473, Norway）

This research involves the study of Rankine cycle in power production and CO2characteristics in heat transfer, especially its features in super-critical phase. The conceptual heat source of this research could be any low-grade heat source. The proposed system under this concept was operated and the corresponding test results were collected and analyzed. According to the test results and the analysis, the feasibility of this system was abundantly confirmed. The system shows a great and promising potential in application.

Rankine cycle； Experimental analysis； Low-grade heat source

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.05.101

*李勇（1969-），男，副教授。研究方向：可持續(xù)能源。聯(lián)系地址：上海市東川路 800號，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206056。E-mail：liyo@sjtu.edu.cn