有机朗肯循环系统的实验研究和性能分析

魏新利，李明辉，马新灵，侯中兰，孟祥睿，闫艳伟

(郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001)



有机朗肯循环系统的实验研究和性能分析

魏新利，李明辉，马新灵，侯中兰，孟祥睿，闫艳伟

(郑州大学 化工与能源学院，河南 郑州 450001)

摘要：对以自主设计的向心透平为膨胀机的有机朗肯循环低品位热能发电系统进行实验研究，结果表明：蒸发器的火用损失都是最大的，其次是冷凝器和向心透平，透平入口压力0.397 MPa、入口温度100.58 ℃时，蒸发器火用损失为3.81 kW，占总火用损失50.64%，冷凝器和透平火用损失为2.88和0.82 kW，分别占38.25%和10.89%.在实验基础上，用Aspen7.3模拟增加回热器对系统性能的影响，结果显示：热源温度和蒸发温度不变时，有回热器的ORC系统热力性能优于基本ORC系统.

关键词：有机朗肯循环；R123；实验研究；流程模拟；热力分析

0引言

受能源结构制约，我国工业生产中，存在着大量余热资源，尤其是150 ℃以下的低温余热，品位低，很难进行生产再利用[1].有机朗肯循环(organic rankine cycle，简称ORC)采用低沸点有机工质，将低品位热能转换为高品质电能，是低温余热利用的有效途径.有机工质多采用干流体，膨胀后处于过热区，不会侵蚀膨胀机叶片，所以在低温热能发电方面得到了广泛应用[2].

近年来，国内外学者对ORC系统的性能进行了很多研究与分析.SOMAYAJI C.等[3]用火用轮法和拓扑法对热源温度为300 ℃，蒸发压力为2.5 MPa的基本ORC进行火用分析，得到：蒸发器是具有最高影响系数(63.6%)和最大火用损失(40 kW)的部件，其次是膨胀机.ONDER KASKA等[4]对以R245fa为工质、废热源驱动的ORC系统进行能效分析，结果表明：蒸发器、膨胀机、冷凝器和工质泵的火用损失依次降低，系统热效率和火用效率均随蒸发压力增大而增大.ROY等[5]对以R123为工质有回热的ORC低温余热发电系统进行实验研究，得到:透平进口压力2.7 MPa，冷凝温度27.82 ℃时，带回热的ORC系统热效率、火用效率及透平输出功率最大.刘杰[6]对余热温度为100 ℃左右、R245fa为工质的ORC系统进行实验研究，得到：采用中间换热器，蒸发器火用效率由63.8%提升到72.41%，系统热力学完善度由基本ORC的71.38%增加到81.84%.罗向龙[7]等对以R245fa为工质、温度低于110 ℃的低品位热能发电系统进行火用分析，得到ORC系统火用效率和热效率分别为45.07%和7.78%.

笔者以自行研发向心透平为膨胀机，R123为工质，以110 ℃左右工业余热为回收对象，搭建了ORC低温余热发电实验台.并用热力学第一、第二定律，对系统进行实验研究和性能分析，对优化后方案进行讨论与分析.

1ORC低品位热能发电系统

1.1系统的原理

图1为实验系统流程图.如图所示，ORC低品位热能发电系统由3个子系统组成：热源(导热油代替)系统、ORC主系统和循环水系统.

1.2系统的热力学性能分析

性能分析时，视系统工质为稳定流动.

(1)有机工质在蒸发器中吸收热量

蒸发器的热效率为

图1　有机朗肯循环实验系统流程图

(1)

火用损失为

ΔEe=(E5-E6)-(E3-E2)=

ρqv[h5-h6-T0(s5-s6)]-qm[h3-

h2-T0(s3-s2)].

(2)

火用效率为

(3)

(2)工质在向心透平内膨胀做功等熵效率为

(4)

火用损失为

ΔEt=(E3-E4)-Wt=

qm[h3-h4-T0(s3-s4)]-qm(h3-h4).

(5)

火用效率为

(6)

(3)有机工质进入冷凝器中放热热效率为

(7)

火用损失为

ΔEc=(E4-E1)-(E8-E7)=

qm[h4-h1-T0(s4-s1)]-qw[h8-

h7-T0(s8-s7)].

(8)

火用效率为

(9)

(4)工质进入工质泵内升压等熵效率为

(10)

火用损失为

ΔEp=Wp-(E2-E1)=qm(h2-h1)-

qm[h2-h1-T0(s2-s1)].

(11)

火用效率为

(12)

(5)有机朗肯循环系统热效率为

(13)

火用损失为

ΔEcycle=ΔEe+ΔEt+ΔEp+ΔEc.

(14)

火用效率为

(15)

式中：Ei为状态点i的火用，kW；Wt为膨胀机输出功，kW；Wp为泵耗功，kW；hi为比焓值，kJ/kg；si为比熵值，kJ/(kg·K)；T0为环境温度，K；qw、qm分别为冷却水和有机工质流量，kg/s；qv为导热油体积流量，m3/h；ρ为导热油密度，kg/m3；ηe、ηc、ηcycle分别为蒸发器、冷凝器及系统热效率；ηt、ηp分别为向心透平和泵的等熵效率；ΔEe、ΔEc、ΔEt、ΔEp、ΔEcycle分别为蒸发器、冷凝器、膨胀机、泵和系统火用损失，kW；ηe,ex、ηc,ex、ηt,ex、ηp,ex、ηcycle,ex分别为蒸发器、冷凝器、膨胀机、泵和循环系统火用效率.

2实验研究

2.1实验简介

搭建了以自行研发的向心透平为膨胀机的ORC低品位热能发电实验台，实验采用R123做工质，研发的向心透平参数如表1所示.

表1　向心透平的主要参数

2.2实验结果与分析

实验运行，调节热源温度和有机工质流量，改变系统工况参数.稳定运行后，记录一组实验数据.表2为热源温度111.26 ℃，透平入口压力0.397 MPa，向心透平转速为51 452 r/min时，循环系统各状态点(图1所示)工况参数.

表2中，R123及循环水数值由软件Refprop 9.0查得，导热油数值由文献[8]拟合曲线计算获得，根据表2计算系统性能分析如表3所示.

改变操作条件，热源温度为106.71 ℃，透平入口压力0.423 MPa、温度74.39 ℃，转速46 657 r/min时，系统性能分析如表4所示.

表2　实验系统稳定运行时的状态参数

表3　工况1下系统的性能分析

表4　工况2下系统的性能分析

上述实验工况工质流量高于设计值，与透平设计工况有较大差异，所以实际输出功率高于额定设计功率，前期透平性能研究已验证[9].证明设计的向心透平可在偏离工况下正常运行.

由表3、4可看出，蒸发器火用损失是最大的.主要是外部(散热)火用损失和内部火用损失共同作用的结果.散热火用损失是换热过程中导热油和有机工质以辐射和对流方式向周围环境散热造成的.内部火用损失主要为蒸发器内传热火用损失，是由于蒸发器中R123和导热油两种工质的传热温差大造成的，如工况1条件下，导热油的出口温度为91.85 ℃，而R123的入口温度仅20.74 ℃.所以，要降低蒸发器不可逆损失，首先蒸发器保温措施要做好，最重要是降低导热油出口温度.

冷凝器火用损失其次，主要是由于冷凝器中循环水与透平出口过热有机工质之间较大传热温差造成的.为此，可在膨胀机出口与蒸发器入口管路中增加回热器，待乏气降低温度后再进入冷凝器，同时可提高进入蒸发器的有机工质温度，间接地降低了蒸发器内的传热温差和不可逆性.

相对蒸发器和冷凝器，透平火用损失率要小得多，说明透平不是ORC系统中能效损失的主要设备.而向心透平的等熵效率分别为80.53%、82.79%，都高于设计值70.3%，说明研发的透平性能是相当不错的.

3模拟分析

实验结果分析知，系统不可逆损失主要是蒸发器和冷凝器内换热过程中较大的温差造成的. 为此在乏气进入冷凝器之前，先通过回热器预热进入蒸发器的液体，然后再进入冷凝器；经冷凝的液体，升压后进入回热器吸收乏气的热量，再送入蒸发器与余热源换热，图2为乏气回热循环系统流程图.

图2　乏气回热的有机朗肯循环系统流程图

用Aspen Plus7.3流程模拟软件按工况2参数模拟，进行数据处理得到系统热效率为7.22%，火用效率为36.72%，和实验值相比相对误差分别为0.96%和0.60%，在允许误差范围内，可看出模拟结果是可靠的.

为使模拟工况与实验研究尽量一致，取导热油入口温度110 ℃，工质在回热器中温升为6 ℃，质量流量1.442 kg/s；膨胀机和泵等熵效率分别取0.78、0.85，有机工质R123质量流量为0.26 kg/s.蒸发器出口工质过热度为1 ℃.

图3为基本有机朗肯循环系统和加上回热器后系统热效率和火用效率随蒸发温度变化情况.图中可看出，热源温度一定，有乏气回热的ORC系统热效率和火用效率明显比基本ORC要高，蒸发温度为88 ℃，乏气回热系统热效率和火用效率比基本ORC系统分别提高了3.62%和3.71%.热效率高，是蒸发器内工质吸热量降低，膨胀机输出功率不变引起的；增加回热器，膨胀机出口过热度较高的乏气经回热器换热后，过热度降低，而泵加压后的工质，进入蒸发器时温度较基本ORC高，因此系统不可逆性降低，火用效率提高.

图3　两种循环热效率和火用效率

4结论

对以R123为工质、110 ℃左右的导热油为热源、向心透平为膨胀机的ORC余热发电系统进行了实验研究，然后用Aspen7.3模拟了增加回热器对系统性能影响.

(1)根据实验数据，对系统各设备进行火用分析得到，蒸发器火用损失最大，主要是由蒸发器中R123和导热油两种工质的传热温差较大造成的，其次是冷凝器、向心透平、工质泵.

(2)热源温度为110 ℃、蒸发温度为88 ℃时，有回热的ORC系统热效率和火用效率比基本ORC系统分别提高了3.62%和3.71%.

参考文献：

[1]严雨林，王怀信，郭涛，等.中低温地热发电有机朗肯循环系统性能的实验研究[J].太阳能学报，2013，34(8)：1360-1365.

[2]刘强，段远源，宋鸿伟．生物质直燃有机朗肯循环热电联产系统的热力性能分析[J]．中国电机工程学报， 2013，33(26)：60-67．

[3]SOMAYAJI C. First and second law analysis of oragnic rankine cycle [D]. USA：Mississippi State University，2008.

[4]ONDER K. Energy and exergy analysis of an Organic Rankine for power generation from waste heat recovery in steel industry[J]. Energy conversion and management，2014，7(1)：108-117.

[5]刘杰.低温热源驱动的小型有机朗肯循环研究[D].上海：上海交通大学机械与动力工程学院，2011.

[6]ROY J P，ASHOK M. Parametric optimization and performance analysis of a regenerative Organic Rankine Cycle using R-123 for waste heat recovery[J]. Energy，2012，39(1)，227-235.

[7]罗向龙，徐乐，谭立峰，等.R245fa有机朗肯循环余热发电系统火用分析[J].节能技术，2012，30(2)：131-136.

[8]LI J，PEI G，LI Y Z，et al. Energetic and exergetic investigation of an organic Rankine cycle at different heat source temperatures[J]. Energy，2012，38(16)：85-95.

[9]马新灵，孟祥睿，魏新利，等．有机朗循环低品位热能发电系统向心透平的设计与性能研究[J].中国电机工程学报，2014，34(14)：2289-2296．

Experimental Investigation and Performance Analysis of Organic Rankine Cycle System

WEI Xinli， LI Minghui， MA Xinling， HOU Zhonglan， MENG Xiangrui， YAN Yanwei

(School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China)

Abstract:The experimental study was carried out to test the performance of organic Rankine cycle waste heat power generation system by using radial inflow turbine as expander. The result shows that exergy loss of the evaporator is the biggest, the next is the condenser and radial inflow turbine; when inlet pressure of the turbine is 0.397 MPa and inlet temperature is 100.58 ℃, exergy loss of the evaporator reaches to 3.81 kW, accounting for 50.64% of the total exergy loss, that of the condenser and radial inflow turbine are 2.88 kW and 0.82 kW, accounting for 38.25% and 10.89% of the total exergy loss, respectively. Based on experimental investigation, making simulation about the effects of adding regenerator on the performance of the system, it turns out that when temperature of the heat source and evaporating temperature is the same, thermal performance of the ORCs with regenerator is better than the basic ORCs.

Key words:organic Rankine cycle(ORC); R123; experimental investigation; process simulation; thermodynamic analysis

中图分类号：TK123

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201412027

作者简介:魏新利(1956—)，男，河南辉县人，郑州大学教授，博导，主要从事生物质能利用、低温余热发电等研究．通讯作者:马新灵(1977—)，女，河南南阳人，郑州大学讲师，博士，主要从事低温余热发电研究，E-mail:xinlingma@zzu.edu.cn.

基金项目：煤燃烧国家重点实验室开放基金资助项目(FSKLCC1410)；河南省重点科技攻关计划项目(142102210072)

收稿日期:2014-12-11；

修订日期：2015-04-19

文章编号:1671-6833(2016)02-0073-04

引用本文：魏新利，李明辉，马新灵，等.有机朗肯循环系统的实验研究和性能分析[J].郑州大学学报(工学版)，2016,37(2):73-76．