低質余熱ORC熱力發電性能及有機工質選取

鄭夢星,張文淵

(機械工業第六設計研究院有限公司 工業與智能中心，河南 鄭州 450007)

低質余熱資源量大、質低、分布廣、難以回收，要提高能源利用效率，高效回收工業余熱，亟待解決的關鍵技術是對低質余熱深度利用的理論和技術研究[1].有機朗肯循環(ORC)技術是回收低質余熱的新興技術，具有發電效率高、設備簡單等優點，可以最低的綜合能耗實現最佳的經濟效益[2-5].

相關研究表明，工質選取對提高低質余熱ORC發電系統熱力性能和能源利用效率具有重要的意義[6-7].SALEH等從提高ORC效率出發，分析了多種有機工質的熱力性能[8]；王輝濤等根據PR狀態方程計算結果，分析了采用多種低沸點有機工質的低質太陽能ORC發電系統的熱力性能[9]；王為術等對低質熱源ORC的效率特性進行了研究[10].顧偉等[11]在不同有機工質熱物性下比較了系統工作參數對ORC發電性能的影響.本文以R113、R123、R141b、R245fa、R236ea和R114等有機工質作為備選工質，應用于低質余熱發電系統，對ORC發電系統中有機工質的熱力性能進行綜合分析，并給出最優工質的選取建議.

1 有機工質選取原則

用于低質余熱ORC發電系統有機工質的選取要遵循如下3個基本原則[12-13]：一是備選工質為干性或等熵工質，這是因為濕工質在汽輪機中膨脹做功后，排氣進入兩相濕蒸汽區，會對汽輪機葉片產生沖蝕作用；二是備選工質的三相點溫度要低于運行工況的環境溫度，以防止有機工質因結晶而影響循環系統的正常運行；三是備選工質的蒸發壓力要小于其臨界壓力(以確保工質在亞臨界狀態下工作)，備選工質的冷凝壓力要大于環境壓力(以防止空氣侵入而影響系統的熱力性能).

按照以上3個基本原則，本文綜合考慮后,以表1所示的6種有機工質作為備選工質.

2 ORC發電系統分析

2.1 熱力循環過程

低質余熱ORC發電系統主要由如下四大部分組成：蒸發器、汽輪機、冷凝器和工質泵.ORC發電過程(圖1)如下：低質余熱流入蒸發器，將其中的有機工質加熱成高溫高壓蒸汽(2-3)；從蒸發器流出的飽和蒸汽驅動汽輪機旋轉，帶動發電機發電(3-4)；從汽輪機排出的乏汽的壓力和溫度降低了許多，乏汽通過冷凝器凝結成飽和液體(4-5)，然后被工質泵加壓，再送回蒸發器，開始新的循環.

表1 6種有機工質及對應的物性參數

注：ODP表示臭氧耗減潛能值.

為簡化數學模型，可假設ORC發電系統中所有流體均處于穩定流動狀態，除上述四大部分外，系統中其他部分與環境換熱及流動損失均不考慮[14-15].圖2所示為ORC發電系統的T-S圖(即ORC發電系統的溫-熵圖).結合圖2，可對ORC發電系統的熱力循環過程進行描述.

(1) 1-2s：工質泵對有機工質加壓輸送，此過程為定熵過程.1-2：有機工質在工質泵中的實際輸送過程.

(2) 2-3：有機工質在蒸發器中受熱蒸發，此過程為定壓加熱過程.

(3) 3-4s：有機工質在汽輪機中膨脹做功，此過程為定熵膨脹過程.3-4：汽輪機實際做功過程.

(4) 4-1：有機工質在冷凝器中放熱，此過程為定壓放熱過程.

圖2 ORC發電系統的溫-熵圖

2.2 熱力性能的計算模型

(1) 有機工質在蒸發器中蒸發吸熱的量為：

Q1=mr·(h3-h2)

(1)

式中：mr為有機工質的質量流量，kg/s;h2、h3分別為蒸發器進、出口處有機工質的比焓值，kJ/kg.

吸熱過程產生的不可逆損失為：

(2)

式中：T0為環境溫度，K;s2、s3分別為蒸發器進、出口處有機工質的熵值，kJ/(kg·K)；Th為高溫熱源的平均溫度，K.

(2) 高溫蒸汽在汽輪機中膨脹做的功為：

Wt=mr·(h3-h4s)·ηT

(3)

式中：h4s為汽輪機出口處有機工質的理想比焓值，kJ/kg;ηT為汽輪機的等熵效率.

汽輪機輸出的有效功為：

W=Wtηm

(4)

式中，ηm為汽輪機的機械效率.

汽輪機做功產生的不可逆損失為：

It=T0·mr·(s4-s3)

(5)

式中，s4為汽輪機出口處有機工質的熵值.

(3) 有機工質在冷凝器中的冷凝放熱量為：

Q2=mr·(h1-h4)

(6)

式中，h1、h4分別為冷凝器出口處和進口處有機工質的焓值，kJ/kg.

冷凝器中的不可逆損失為：

(7)

式中,Tc為冷源溫度;s1為冷凝器出口處有機工質的熵值，kJ/(kg·K).

(4) 工質泵加壓過程吸收的外功為：

(8)

式中：ηp為工質泵的等熵效率；h2s為工質泵出口處有機工質的理想比焓值，kJ/kg.

工質泵產生的不可逆損失為：

Ip=T0·mr·(s2-s1)

(9)

(5) 該ORC發電系統的熱效率為：

(10)

(6) 該ORC發電系統的總不可逆損失(即總火用損失)為：

(11)

該ORC發電系統的火用效率為：

(12)

3 有機工質的熱力性能分析

根據ORC發電系統有機工質熱力性能的計算模型，利用美國NIST(國家標準與技術研究院)開發的物性軟件Refprop9.0，借助C++Builder軟件界面,通過編程計算，可得到一系列熱力學數據.為了對比6種有機工質在ORC發電系統中的熱力性能，應設置相同的系統循環工況.表2所示為低質余熱ORC發電系統的已知參數.

表2 低質余熱ORC發電系統的已知參數

3.1 有機工質的質量流量

圖3所示為有機工質質量流量隨蒸發溫度的變化曲線.

有機工質的質量流量決定汽輪機的尺寸，進而決定汽輪機的設計和制造成本.大的質量流量需要大的輸送結構.

圖3 不同蒸發溫度下有機工質的質量流量

從圖3可看出，各有機工質的質量流量均隨蒸發溫度的升高而下降.其中有些工質的出口質量流量越來越接近，比如，工質R113、R123和R245fa的出口質量流量均在蒸發溫度約395 K時減小到了約1.01 kg/s.若以ORC發電系統在相同蒸發溫度下的質量流量作為性能評價指標，最優的有機工質應選擇R141b；當設計的蒸發溫度較高時，也可選擇R123或R245fa等有機工質.

3.2 系統凈輸出功

圖4所示為系統凈輸出功隨蒸發溫度的變化曲線.

圖4 不同蒸發溫度下系統的凈輸出功

從圖4可看出，ORC發電系統凈輸出功隨著蒸發器蒸發溫度的升高而逐漸升高，且其變化量呈逐漸減小的趨勢.這是因為，對于相同升幅的蒸發溫度，在蒸發溫度較高時有機工質的比焓增加量較小.

當蒸發溫度為343.15 K時，幾種有機工質的凈輸出功差異甚小，其計算值大約集中在17.50 kJ/kg；但隨著蒸發溫度的升高，幾種有機工質凈輸出功的差異逐漸增大，如工質R236ea的凈輸出功隨蒸發溫度迅速升高，上升的平均速率大約為0.196 kJ/kg /K，而工質R114的上升較為緩慢，平均速率大約為0.128 kJ/kg/K.因此，若以ORC發電系統獲取最大凈出輸功為原則，則有機工質R236ea和R245fa具有明顯優勢.

3.3 系統熱效率

熱效率是基于熱力學第一定律的一種性能評價指標，是實際循環的有效功與所消耗熱量的比值，是衡量設計系統經濟性能的重要指標.圖5所示為系統熱效率隨蒸發溫度的變化曲線.

圖5 不同蒸發溫度下的系統熱效率

從圖5可看出，隨著蒸發溫度的升高，各有機工質的系統熱效率呈遞增趨勢，如工質R123，當蒸發溫度為343.15 K時，系統熱效率為5.67%，當蒸發溫度升至393.15 K時，系統熱效率達10.33%，增長了近2倍.對比這6種有機工質，當蒸發器的蒸發溫度較低時，對應于各工質的系統熱效率差異甚小，均集中在5.65%(當蒸發溫度為343.15 K時)，但隨著蒸發溫度的逐漸升高，各工質對應的系統熱效率差異越來越明顯，且工質R141b對應的系統熱效率為11.14%(當蒸發溫度為393.15 K時)，明顯高于其他有機工質.工質R114對應的系統熱效率增長速率最小，當蒸發溫度為393.15 K時，系統熱效率僅為9.36%，比R141b在相同蒸發溫度時低了15.98%；工質R245fa和R123對應的系統熱效率隨蒸發溫度升高而遞增的幅度比較接近，在較高蒸發溫度時系統熱效率也比較高.

3.4 系統總火用損失

在系統實際運行中，不可逆損失不可避免，能量會發生貶值，即從熱力學第二定律的角度考慮，做功量和發熱量是不等價的，因此僅以熱效率作為評價熱力系統性能的標準是不完善的.圖6所示為系統總火用損失隨蒸發溫度的變化曲線.

圖6 不同蒸發溫度下的系統總火用損失

從圖6可看出，隨著蒸發溫度的升高，對應于各有機工質的系統總火用損失逐漸減小，且減小的幅度各不相同.當蒸發溫度從343.15 K上升為393.15 K時，工質R141b和工質R245fa的總火用損失量分別降低了53.87%和50.55%，工質R114降低了34.49%.在有機朗肯循環系統中，蒸發器的火用損失比汽輪機和工質泵的火用損失都大.這是因為當蒸發溫度升高時，低質余熱的傳熱溫差逐漸減小，系統的火用損失也逐漸減小.分析可知，單從系統總火用損失考慮，當蒸發溫度較高時，應優先選取有機工質R141b或R245fa.

3.5 系統火用效率

火用效率是由熱力學第二定律得到的性能評價指標，它能有效地反映能量的利用程度.圖7所示為系統火用效率隨蒸發溫度的變化曲線.

從圖7可看出，當蒸發器的蒸發溫度為343.15 K時，各有機工質的火用效率比較接近，平均值在18.0%左右，隨著蒸發溫度的升高，各工質對應的系統火用效率都逐漸增大，只是增加幅度不等.其具體表現為：有機工質R245fa對應的系統火用效率，隨著蒸發溫度的逐漸升高而快速增大，當蒸發溫度達到393.15 K時，系統火用效率為43.85%，但此時有機工質R114對應的系統火用效率僅為35.48%，比工質R245fa對應的系統火用效率低了約8.37%.這說明不同有機工質在ORC發電系統中可用能損失量存在較大的差異.因此，單以系統火用效率為評價標準，在設定蒸發溫度范圍內，有機工質R141b最優，R245fa次之.

4 結 論

(1) 在低質余熱穩定流動時，隨著蒸發器蒸發溫度的升高，ORC發電系統中各有機工質的質量流量逐漸減小，系統凈輸出功、熱效率和火用效率均逐漸增大，且系統的總不可逆損失逐漸減小，但對應于有機工質的系統呈現不同的變化幅度.

(2) 通過不同有機工質的熱力性能比較，結合各有機工質的環保性能，選取R245fa用于低質余熱ORC發電系統是最優的，因為該工質的臭氧耗減潛能值為0，且具有較好的綜合熱力性能.